3-4-1 روش تهیه محیط کشت جامد75
3-5 نحوه تکثیر باکتری لانگالی75
3-6 آزمایشهای ناپیوسته کشت لانگالی79
3-6-1 رشد باکتری با سوبسترای آلی79
3-6-1-1 تاثیر نوع سوبسترای آلی79
3-6-1-2 تاثیر غلظت سوبسترای آلی80
3-6-2 رشد باکتری با گاز سنتز81
3-6-2-1 تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH اولیه محیط کشت81
3-6-2-2 تاثیر فشار اولیه گاز سنتز در بیوراکتورهای ناپیوسته83
3-7 آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز84
3-7-1تاثیر نرخ رقیق سازی87
3-7-2 تاثیر شدت جریان گاز سنتز و دور همزن88
3-8 آنالیز نتایج88
3-8-1 اندازه گیری دانسیته سلولی88
3-8-2 آنالیز فروکتوز و گلوکز در محیط کشت90
3-8-3 آنالیز نمونه های مایع برای اتانول و استات93
3-8-4 آنالیز نمونه های گاز94
3-9 مدلهای کینتیکی و روش به دست آوردن آنها95
3-9-1 کینتیک رشد سلول95
3-9-2 محاسبات انتقال جرم98
3-9-2-1 انتقال جرم در سیستم ناپیوسته98
3-9-2-2 انتقال جرم در سیستم پیوسته100
3-9-3 نرخ واکنش102
4 فصل چهارم: نتایج آزمایشها و تحلیل داده ها103
4-1 مقدمه103
4-2 تاثیر سوبسترای آلی104
4-2-1 رشد سلول و مصرف سوبسترا104
4-2-2 مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای لانگالی108
4-2-3 تولید محصول111
4-2-4 تاثیر غلظت فروکتوز115
4-2-4-1 رشد سلول115
4-2-4-2 تولید محصول118
4-3 تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH122

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

4-3-1 رشد سلول123
4-3-2 مصرف سوبسترای گازی125
4-3-3 تولید اتانول و استات129
4-3-4 بازده محصول133
4-4 مطالعات کینتیکی135
4-4-1 کینتیک رشد سلول136
4-4-2 کینتیک مصرف سوبسترای گازی145
4-4-3بررسی کینتیک نرخ مصرف سوبسترای گازی و انتقال جرم147
4-4-4 کینتیک مصرف سوبسترا152
4-5 آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور154
4-5-1 تاثیر نرخ رقیق سازی154
4-5-1-1 دانسیته سلولی و pH محیط کشت155
4-5-1-2 مصرف سوبسترای گازی157
4-5-1-3 تولید محصول158
4-5-2 تاثیر شدت جریان گاز و دور همزن159
4-5-2-1 مصرف سوبسترای گازی160
4-5-2-2 تولید محصول162
4-5-2-3 ضریب انتقال جرم در بیوراکتور163
4-5-2-4 بازده محصول169
5 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات172
5-1 نتیجه گیری از آزمایشها172
5-2 ارائه پیشنهادات برای طرحهای آتی175
پیوست الف177
پیوست ب181
6 مراجع187
ABSTRACT194
لیست جدول ها
جدول ‏21: میکروبهای مختلف برای تخمیر سوبسترای گازی به سوختهای بیولوژیکی21

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

جدول ‏22 : تولید هیدروژن با استفاده از باکتریهای هیدروژنوژنیک26
جدول ‏23 : تولید سوختهای بیولوژیکی با استفاده از باکتریهای استوژنیک30
جدول ‏31: ترکیبات شیمیائی و بیوشیمیائی مورد استفاده در محیط کشت باکتری لانگالی71
جدول ‏32: محیطهای کشت مختلف برای بررسی تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH محیط کشت83
جدول ‏41: بازده مصرف سوبسترا، رشد سلول و تولید محصول در باکتری لانگالی رشد داده شده با سوبستراهای آلی مختلف114
جدول ‏42: پارامترهای کینتیکی بر اساس مدل ولترا برای رشد لانگالی با غلظتهای مختلف فروکتوز117
جدول ‏43: بازده مصرف سوبسترا، رشد سلول و تولید محصول در باکتری لانگالی رشد داده شده با غلظتهای مختلف فروکتوز121
جدول ‏44: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده و pH اولیه مختلف محیط کشت135
جدول ‏45: پارامترهای کینتیکی به دست آمده بر اساس مدل ولترا برای رشد سلول لانگالی روی گاز سنتز137
جدول ‏46: مدلهای کینتیکی مختلف بر اساس سوبسترای تکی برای ارائه مدل رشد با سوبسترای دوتایی141
جدول ‏47 : مدلهای رشد بسط داده شده بر اساس سوبسترای دوتایی برای توصیف کینتیک رشد لانگالی روی CO و H2، پارامترهای کینتیکی و SSD145
جدول ‏48: ضرایب انتقال جرم محاسبه شده در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته149
جدول ‏49: پارامترهای بیوکینتیکی محاسبه شده از مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید محصول154
جدول ‏410: روابط تجربی برای پیش بینی ضریب انتقال جرم حجمی به شکل معادله (4-29)165
جدول ‏411: ضرایب انتقال جرم H2 و CO محاسبه شده و نرخ واکنش در دورهای مختلف همزن بیوراکتور..168
جدول ‏412: پارامترهای مربوط به بازده در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط باکتری لانگالی در شدت جریانهای گاز مختلف و دور همزن متفاوت171
جدول ب-1: ضرایب انتقال جرم محاسبه شده و تجربی برای CO در دورهای مختلف همزن……………………190
لیست شکل ها
شکل ‏11: نمایی کلی از مواد اولیه مناسب برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم4
شکل ‏12: شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی8
شکل ‏13 : تولید جهانی اتانول بیولوژیکی در سالهای 2008-200012
شکل ‏21: میکروگراف TEM باکتری کلستریدیوم لانگالی34
شکل ‏22: مسیر متابولیکی استیل-کو آنزیم A برای باکتریهای استوژنیک38
شکل ‏31: نمایی شماتیک از سیستم پیوسته در فرایند تخمیر گاز سنتز84
شکل ‏32: منحنی کالیبراسیون برای محاسبه دانسیته سلولی باکتری لانگالی90
شکل ‏33: منحنی کالیبراسیون برای فروکتوز92
شکل ‏34 : منحنی کالیبراسیون برای گلوکز92
شکل ‏41: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با فروکتوز105
شکل ‏42: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با گلوکز105
شکل ‏43: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با اتانول106
شکل ‏44: دانسیته سلولی، مصرف سوبسترا و تولید محصول در لانگالی رشد داده شده با استات107
شکل ‏45: مسیر متابولیکی پیشنهاد شده برای رشد هتروتروفیک باکتری لانگالی و تولید محصول109
شکل ‏46: استفاده از مدل ولترا برای توصیف رشد سلول در غلظتهای مختلف فروکتوز116
شکل ‏47: تولید استات در محیط کشت توسط باکتری لانگالی در غلظتهای مختلف فروکتوز119
شکل ‏48: تولید اتانول در محیط کشت توسط باکتری لانگالی در غلظتهای مختلف فروکتوز120
شکل ‏49: نسبت تولید اتانول به استات در باکتری لانگالی با استفاده از غلظتهای مختلف فروکتوز122
شکل ‏410: منحنی رشد سلول باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5124
شکل ‏411: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 8/6126
شکل ‏412: مصرف سوبسترای گازی (الف) H2 و (ب) CO توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه 9/5127
شکل ‏413: تولید اتانول توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5130
شکل ‏414: تولید استات توسط باکتری لانگالی با عوامل کاهنده مختلف در pH اولیه (الف) 8/6 و (ب) 9/5131
شکل ‏415: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تولید اتانول و استات از H2 و CO134
شکل ‏416: استفاده از مدل ولترا برای توصیف پروفایل رشد سلولی در فشارهای مختلف گاز136
شکل ‏417: رشد سلول به صورت تابعی از H2 و CO مصرف شده در فشار اولیه 0/1 اتمسفر139
شکل ‏418: تعیین نرخ رشد ویژه لانگالی روی گاز سنتز در فشار 0/1 اتمسفر143
شکل ‏419: نرخ رشد ویژه پیش بینی شده از معادله (4-20) که با یافته های آزمایشگاهی تطابق داده شد144
شکل ‏420: تغییرات فشار جزئی CO اندازه گیری شده در فاز گاز (شکل داخلی) و فشار محاسبه شده CO در فاز مایع در فشارهای مختلف در بیوراکتور ناپیوسته147
شکل ‏421: تغییرات فشار CO در فاز گاز و مایع در طول فرایند تخمیر در فشار 0/1 اتمسفر بیوراکتور150
شکل ‏422: مدل خطی و درجه دوم اندرو برای مصرف CO توسط باکتری لانگالی در فشارهای مختلف151
شکل ‏423: مدل گمپرتز اصلاح شده برای تولید الف) اتانول و ب) استات در فشارهای مختلف گاز سنتز توسط لانگالی153
شکل ‏424: رشد سلولی و تغییرات pH در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف با شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)156
شکل ‏425: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)157
شکل ‏426: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با نرخهای رقیق سازی مختلف در شدت جریان گاز 0/8 میلی لیتر در دقیقه و دور همزن 500 (rpm)159
شکل ‏427: مصرف H2 و CO در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت161
شکل ‏428: تاثیر شدت جریان گاز روی میزان تبدیل CO در دورهای مختلف همزن161
شکل ‏429: تاثیر دور همزن روی میزان تبدیل CO در شدت جریانهای مختلف گاز سنتز162
شکل ‏430: تولید اتانول و استات در محیط کشت پیوسته لانگالی با شدت جریانهای مختلف گاز سنتز و دورهای متفاوت همزن با نرخ رقیق سازی 018/0 بر ساعت163
شکل ‏431: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای CO167
شکل ‏432: ضرایب انتقال جرم در بیوراکتور در شرایط پایدار برای H2167
شکل ‏433: رابطه استوکیومتری (4-13) برای تعیین بازده اتانول و استات تولید شده از H2 و CO در فرایند تخمیر پیوسته گاز سنتز توسط لانگالی برای شدت جریانهای گاز170
شکل الف-1: مونوگرام GC مربوط به گاز استاندارد حاوی 30% CO، 30% H2، 30% CO2 و 10% Ar…………182
شکل الف-2: مونوگرام GC مربوط به گاز سنتز مصرف شده در سرم باتل………………………………………………182
شکل الف-3: مونوگرام GC مربوط به گاز سنتز خروجی از بیوراکتور…………………………………………………….183
شکل الف-4: مونوگرام GC محلول استاندارد مایع حاوی 0/1 گرم بر لیتر اتانول، استون و استات همراه با
2-پنتانون به عنوان استاندارد……………………………………………………………………………………………………….183
شکل الف-5: مونوگرام GC مربوط به محصولات آزمایش ناپیوسته در سرم باتل همراه با 2-پنتانون به عنوان استاندارد……………………………………………………………………………………………………………………….184
شکل الف-6: مونوگرام GC مربوط به محصولات آزمایش پیوسته در بیوراکتور همراه با 2-پنتانون به عنوان استاندارد……………………………………………………………………………………………………………………….184
شکل ب-1: ترسیم رابطه خطی (ب-4) برای یافته های آزمایشگاهی در شدت جریانهای مختلف گاز…………..189
لیست تصویرها
تصویر ‏31: آمپول حاوی باکتری کلستریدیوم لانگالی ATCC 5538369
تصویر ‏32: نحوه وارد کردن گاز به داخل سرم باتل74
تصویر ‏33: محفظه بی هوازی همراه با کپسول نیتروژن برای ایجاد شرایط بی هوازی76
تصویر ‏34: باکتری لانگالی رشد داده شده روی پلیت آگار78
تصویر ‏35: باکتری رشد کرده در محیط کشت مایع (سرم باتل سمت راست) و محیط کشت تازه بدون باکتری (سرم باتل سمت چپ)78
تصویر ‏36: محیط کشت استریل همراه با تدلار بگ و جریان ورودی به بیوراکتور86

تصویر ‏37: نمایی از سیسستم پیوسته در فرایند تخمیر گاز سنتز توسط باکتری لانگالی87
لیست علایم و اختصارات
استاتAcثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفادهCغلظت CO در جریان ورودی به بیوراکتور (میلی مول بر لیتر)CCO,in غلظت CO در جریان خروجی از بیوراکتور (میلی مول بر لیتر)CCO,outقطر بیوراکتور (متر)Dtقطر پروانه همزن (متر)DiاتانولEtOHفاکتور تصحیحfcثابت هنری (اتمسفر لیتر بر میلی مول) Hمحصول (اتانول یا استات)iثابت کاهش یا افزایش رشد سلول (بر ساعت)kضریب انتقال جرم در فاز گاز (بر ساعت)kgasثابت بازدارندگی CO (اتمسفر)KI, COضریب انتقال جرم حجمی (بر ساعت)KLaضریب انتقال جرم در فاز مایع (بر ساعت)kliqثابت سرعت واکنش درجه اول (بر ساعت)kpثابت مونود برای CO (اتمسفر)Ks,COثابت مونود برای H2 (اتمسفر)Ks,H2ثابت موزر برای سوبسترای i (گرم بر لیتر)mثابت مدل لانگnسرعت همزن (دور در دقیقه)Niمولهای CO در فاز گاز (میلی مول)توان همزن (وات) Pفشار CO محلول در فاز مایع در هر لحظه (اتمسفر)فشار CO محلول اولیه (اتمسفر)فشار CO در فاز گاز (اتمسفر)توان همزن در حالتی که گاز جریان دارد (وات)Pgتوان ورودی به ازای واحد حجم مایع (وات بر مترمکعب)Pg/Vمیزان محصول تولیدی (میلی مول بر لیتر)Piحداکثر میزان محصول تولید شده (میلی مول بر لیتر)Pmax,iعدد توانPnoنرخ تولید ویژه (میلی مول برگرم بر ساعت)qنرخ مصرف CO ویژه (میلی مول بر گرم سلول بر ساعت)qCOحداکثر نرخ مصرف ویژه (میلی مول بر گرم سلول بر ساعت)qmaxحداکثر نرخ تولید محصول (میلی مول بر لیتر بر ساعت)Rmax,i دور در دقیقهrpmزمان ماند گاز در بیوراکتور (ساعت)RTنرخ رشد ویژه (گرم سلول به گرم سوبسترا به ساعت)SGRفشار سوبسترای i(اتمسفر)Siحداکثر فشار بازدارندگی CO برای ممانعت از رشد (اتمسفر) Sm,COنرخ تولید ویژه (مول بر گرم بر ساعت)SPRمجموع تفاضل مربعاتSSDنرخ مصرف ویژه (مول بر گرم بر ساعت)SURمدت زمان فرایند تخمیر (ساعت)tسرعت ظاهری گاز (متر بر ثانیه)Usحجم محیط کشت مایع (لیتر)Vlغلظت سلول در هر لحظه (گرم بر لیتر)xغلظت اولیه سلولی (گرم بر لیتر)x0جمعیت سلولی در حال رشد (گرم بر لیتر)x1جمعیت سلولی در حال کاهش (گرم بر لیتر)x2 میزان تبدیل COXCOحداکثر غلظت سلولی (گرم بر لیتر)xmبازده محصول تجربی (مول بر مول)YP/S, expبازده محصول تئوری (مول بر مول)YP/S, thبازده تولید محصول از بیومس (میلی مول بر گرم)YP/Xبازده بیومس از سوبسترا (گرم بر مول) YX/Sحروف لاتینثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفادهαثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفادهβمعکوس غلظت نهایی سلول (لیتر بر گرم) γتخلخل مایع Lراندمان تبدیل سوبسترا به محصول (%)ηویسکوزیته محیط کشت (میلی پاسکال ثانیه)ηsمدت زمان تاخیر تا فاز نمایی تولید محصول (ساعت)λiنرخ رشد ویژه ( بر ساعت)µنرخ رشد ویژه تجربی (بر ساعت)µexpحداکثر نرخ رشد ویژه (بر ساعت)µmنرخ رشد ویژه پیش بینی شده از مدل (بر ساعت)µmodelشدت جریان گاز (میلی لیتر بر دقیقه)gνفشار گاز کل (اتمسفر)πدانسیته محیط کشت (کیلوگرم بر متر مکعب)ρ
1 فصل اول: مقدمه
1-1 مقدمه
از آغاز قرن بیستم، تولید سوخت و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز به عنوان روشی برای تولید سوختهای تجدید پذیر مورد توجه جوامع علمی و صنعتی قرار گرفت. هر چند، بیشتر پیشرفتها و اکتشافاتی که در این زمینه انجام گرفته است به استفاده از فرایندهای کاتالیستی و کاتالیستهای پایه فلزی مربوط می شود. اخیرا، توجه محققین و پژوهشگران به تولید سوختهای بیولوژیکی و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز از طریق روشهای بیولوژیکی معطوف گردیده است چرا که استفاده از میکروبها به عنوان بیوکاتالیست مزیتهایی را نسبت به کاتالیستهای پایه فلزی به همراه دارد.
امروزه تلاشهای فراوانی در جهت تولید سوختهای بیولوژیکی صورت می گیرد اما این مساله تبدیل به یکی از موضوعات بحث برانگیز در جوامع علمی و انسانی گردیده است. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول1 از منابع غذایی با توجه به نیاز مبرم بسیاری از کشورها به غذا امری غیر اخلاقی تلقی شده و همواره مورد انتقاد قرار گرفته است. تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم2 می تواند پاسخگوی بخش عمده ای از انتقادها نسبت به تولید سوخت از محصولات غذایی باشد. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از منابع غیر غذایی، عموما ضایعات کشاورزی و پسماندهای آلی، شامل دو تکنولوژی اساسی است که در آن ابتدا بیومس تبدیل به گاز شده و سپس گاز سنتز تولید شده به عنوان سوبسترا در فرایند میکروبی یا کاتالیستی به سوخت بیولوژیکی تبدیل می گردد.
با وجود مطالعات و تحقیقاتی که به تازگی روی فرایند تخمیر گاز سنتز به عنوان روشی پایدار و تجدید پذیر برای تولید سوختهای بیولوژیکی صورت گرفته است، این فرایند همچنان یک تکنولوژی تکامل نیافته محسوب می گردد و لازم است چالش های تکنیکی و اقتصادی مختلفی را قبل از تجاری سازی این فرایند مرتفع ساخت.

1-2 سوختهای بیولوژیکی
تولید جهانی سوختهای بیولوژیکی در دهه اخیر به سرعت افزایش یافته است اما این صنعت رو به رشد نگرانی های مهمی را با خود به همراه داشته است. سوختهای بیولوژیکی نسل اول از منابع غذایی اولیه مانند نشاسته، قند، روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی تولید می شوند. با وجود آنکه تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول مانند تولید اتانول از ذرت در ایالات متحده، اتانول از نیشکر در برزیل و بیودیزل از کلزا و آفتابگردان در اروپا همچنان به عنوان فرایندهای تجاری سازی شده ادامه دارد، اما با وجود انتقادهای فراوان نسبت به پایداری تولید این سوختها و رقابت آنها با تولید مواد غذایی، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند [1]. سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از بیومسهای لیگنوسلولزی3 که منبع غذایی نباشند تولید می گردند. نمایی کلی از منابع اولیه ای که برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد استفاده قرار می گیرند در شکل 1-1 ارائه شده است [1, 2]. به طور کلی، این مواد اولیه به ضایعات کشاورزی، پسماندهای آلی و بیومسهایی که رشد سریع دارند و به منظور تولید انرژی کشت می شوند4، تقسیم بندی می گردند. بنابراین، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مزایایی همانند استفاده از ضایعات و پسماندها و استفاده از زمینهای بایر به خصوص در مناطق روستایی دارند. هرچند، چنانچه تولید این سوختها با محصولات غذایی بر سر زمینهای موجود رقابت کند مناسب بودن این سوختها از لحاظ پایداری تولید مورد تردید قرار خواهد گرفت. نگرانی دیگری نیز در این زمینه وجود دارد که برداشت بی رویه ضایعات کشاورزی به منظور تولید سوخت و انرژیهای بیولوژیکی، تاثیر منفی روی حاصل خیزی خاک و کیفیت آن خواهد داشت [3].
شکل ‏11: نمایی کلی از مواد اولیه مناسب برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم
1-3 روشهای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم
سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از دو روش بیوشیمیائی و شیمیائی-حرارتی تولید می گردند. در فرایند تبدیل بیوشیمیائی، اجزای سلولزی و همی سلولزی بیومس توسط آنزیم یا هیدرولیز اسیدی به مخلوطی از قندهای تخمیرپذیر تبدیل شده و سپس با انجام عمل تخمیر توسط میکروارگانیزمها قندها به الکل، عمدتا اتانول، تبدیل می گردند. فرایند تبدیل بیوشیمیائی مبتنی بر استفاده از بیوکاتالیستها از جمله آنزیمها و میکروارگانیزمهاست.
در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی از تکنولوژی پیرولیز5 یا تبدیل به گاز کردن6 در دماهای بالا برای تبدیل اجزای لیگنوسلولزی بیومس به یک ترکیب واسطه مایع یا گاز استفاده می گردد. سپس ترکیب واسطه تولید شده به انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی سنتزی از قبیل دیزل، سوخت هواپیما و اتانول تبدیل می گردد [4-6]. بسیاری از سوختهایی که هم اکنون از سوختهای فسیلی تولید می شوند همانند سوختهای مایع فیشر-تروپ7 و متانول را می توان از فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تولید کرد [3, 7]. با وجود آنکه هر کدام از این فرایندهای تبدیل مزایا و معایب خاص خودشان را دارند، بازده تولید و مشکلات اقتصادی و زیست محیطی دو فرایند بسیار قابل مقایسه است. تاکنون، هیچ برتری تجاری یا تکنولوژیکی شفافی بین دستاوردهای این دو روش به اثبات نرسیده است [4, 8, 9].
در فرایند تبدیل بیوشیمیائی می توان به گزینش پذیری و بازده تبدیل بالا دست یافت. هرچند، این روش نیازمند فرایندهای آماده سازی8 بسیار حساس است که طی آن ساختار بیومس تغییر یافته و سلولز و همی سلولز در معرض هیدرولیز آنزیمی قرار می گیرند. این فرایند آماده سازی و هزینه بالای آنزیم، هزینه کلی فرایند را افزایش می دهد. در مقابل، فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تکنولوژی استوار و پایداری است که می تواند انواع مختلفی از بیومسهای لیگنوسلولزی را فرایندسازی کند. مساله عمده در این روش، هزینه مقدار انبوه بیومس است که باید جمع آوری و منتقل شده و در محل اجرای پروژه تحویل داده شود. این هزینه باید به اندازه کافی معقول باشد تا فرایند تولید سوخت بیولوژیکی به صورت تجاری مقرون به صرفه باشد [4].
به طور کلی، چندین تفاوت اساسی بین این دو روش تبدیل وجود دارد. اول اینکه در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی، لیگنین موجود در بیومس نیز همراه با سلولز و همی سلولز به گاز تبدیل می گردد. در حالیکه، در روش بیوشیمیائی، تخریب لیگنین (که 10 تا 40% اجزای بیومس را تشکیل می دهد) به ترکیبات تخمیر پذیر با استفاده از واکنشهای آنزیمی به سختی انجام می گیرد [10]. دوم اینکه، اتانول محصول تخمیری اصلی در فرایند تبدیل بیوشیمیائی است، در حالیکه، انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی را می توان از گاز سنتز در روش شیمیائی-حرارتی تولید کرد. با این حال، فرایند تبدیل بیوشیمیائی روش شناخته شده تری برای تولید اتانول از بیومسهای لیگنوسلولزی است و روش شیمیائی-حرارتی در متون علمی مورد توجه کمتری قرار گرفته است.
تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس و سنتز سوخت بیولوژیکی را تلفیق می کند، شماتیکی از این فرایند در شکل 1-2 نشان داده شده است. تولید سوخت بیولوژیکی از گاز سنتز می تواند به دو صورت انجام گیرد؛ با استفاده از کاتالیستهای پایه فلزی یا غیرآلی که به عنوان فرایند فیشر-تروپ شناخته شده است و یا با استفاده از کاتالیستهای میکروبی که تخمیر گاز سنتز نامیده می شود [11, 12].

1-3-1 فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس
1-3-1-1 تبدیل به گاز کردن بیومس
تبدیل به گاز کردن بیومس فرایندی شیمیائی-حرارتی است که در طی آن ساختار کربنی بیومس در فرایند احتراق ناقص در دماهای بالا تبدیل به گاز می شود. در فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس، ساختار لیگنوسلولزی بیومس در اثر حرارت شکسته شده و تبدیل به منوکسید کربن (CO)، هیدروژن (H2) و دی اکسید کربن (CO2) که اجزای اصلی گاز سنتز هستند و مقادیر کمتری متان (CH4) و گازهای دیگر می شود. ترکیب شیمیائی گاز سنتز در این فرایند به عوامل مختلفی همچون خصوصیات ماده اولیه (میزان خاکستر، رطوبت، اندازه ذرات)، سیال گازی کننده9 (هوا، بخار، اکسیژن خالص یا هر ترکیبی از آنها)، نوع راکتور ( بستر ثابت، متحرک، سیالی شده) و شرایط عملیاتی (دما، نسبت سیال گازی کننده به خوراک و غیره) بستگی دارد [13, 14].
با وجود آنکه تاکنون از راکتورها و سیستمهای مختلفی برای تولید گاز سنتز از بیومس لیگنوسلولزی استفاده شده است اما با در نظر گرفتن عواملی همچون توان عملیاتی، هزینه ها، پیچیدگی و بازده فرایند، تبدیل به گاز کردن بیومس در راکتورهای بستر سیالی شده مناسب ترین فرایند برای تولید گاز در مقیاس بزرگ می باشد [15].
شکل ‏12: شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی

1-3-1-2 تخمیر گاز سنتز
گاز سنتز یکی از سوبستراهای به صرفه و انعطاف پذیر برای فرایند تخمیر بیولوژیکی به منظور تولید انواع وسیعی از سوختهای تجدید پذیر و ترکیبات شیمیائی است. گاز سنتز را می توان از انواع مختلفی از مواد آلی و از جمله بیومس تولید کرد که نشان دهنده انعطاف پذیری این سوبستراست. هزینه تولید گاز سنتز کمتر از 6 دلار به ازای هر میلیون بی تی یو با هزینه مواد اولیه کمتر از 1/0 دلار به ازای هر پوند محصول است که ارزان قیمت و با صرفه بودن این سوبسترا را نشان می دهد [12].
با وجود آنکه چندین روش متفاوت برای تبدیل گاز سنتز وجود دارد، بیشتر فرایندهای تبدیل از طریق روشهای میکروبی یا شیمیائی-حرارتی انجام می گیرد [16]. فرایند تخمیر گاز سنتز یک فرایند بیولوژیکی است که در آن از میکروارگانیزمهای بی هوازی برای تبدیل بیوکاتالیستی اجزای گاز سنتز به انواع گسترده ای از سوختها و ترکیبات شیمیائی و بیولوژیکی استفاده می گردد [17]. این میکروارگانیزمهای بی هوازی را می توان به ارگانیزمهای اتوتروف10 یا یونی کربنوتروف11 طبقه بندی کرد. اتوتروفها ترکیبات تک کربنی موجود در گاز سنتز همچون CO و/یا CO2 را به عنوان منبع کربن و H2 را به عنوان منبع انرژی مصرف می کنند در حالی که یونی کربنوتروفها می توانند از ترکیبات تک کربنی به عنوان تنها منبع کربن و همچنین انرژی استفاده کنند [18]. انواع مختلفی از ارگانیزمهای بی هوازی مانند میکروبهای فتوسنتزی، استوژنیک12، کربوکسیدوتروفیک13 و متانوژنیک14 می توانند فرایند تبدیل گاز سنتز به محصولات با ارزش را انجام دهند [19]. فرایند تخمیر گاز سنتز می تواند منجر به تولید هیدروژن، اتانول، بوتانول، اسید استیک، اسید بوتیریک، متان، بیوپلیمرها و پروتئین تک سلولی شود [20].
1-4 مزیتهای بیوکاتالیستها
با وجود آنکه فرایند تبدیل گاز سنتز به سوخت با استفاده از کاتالیستهای پایه فلزی تکنولوژی قابل اطمینانی است که منجر به انجام واکنشهای پایدار می شود اما این فرایند کاتالیستی نیز محدودیتهای خود را دارد. معایبی همچون گزینش پذیری کم کاتالیست، هزینه بالای فرایند با توجه به استفاده از دما و فشار بالا در راکتورها، گستردگی توزیع محصول، نیاز به یک نسبت مشخص از اجزای گاز برای تولید محصول مطلوب و احتمال مسموم شدن کاتالیست با مقادیر کم گازهای سولفوری موجود در گاز سنتز منجر به هزینه بالای سوختهای سنتزی می شوند [11, 21]. سولفور موجود در گاز سنتز معمولا به صورت سولفید هیدروژن (H2S) و سولفید کربونیل (COS) است و مقادیر کمتری از مرکاپتانها یا سولفور آلی نیز حضور دارند که عامل اصلی بارانهای اسیدی هستند. معمولا از فرایندهایی نظیر کلاز15، اکسیداسیون فاز مایع و جذب برای کاهش میزان سولفور موجود در گاز سنتز به کمتر از 1/0ppm استفاده می شود [22].
استفاده از باکتریهای تخمیری به عنوان بیوکاتالیست بسیاری از کاستی هایی را که در فرایند تبدیل کاتالیستی وجود دارد مرتفع ساخته است. اول اینکه بیوکاتالیستها در دما و فشار معمولی عمل می کنند که این مساله منجر به کاهش هزینه انرژی می شود. علاوه بر این، فعالیت بیوکاتالیستها در دمای محیطی مانع از رسیدن به تعادل ترمودینامیکی شده و موجب برگشت ناپذیری واکنشهای بیولوژیکی می گردد که در نهایت میزان تبدیل را در این واکنشها افزایش می دهد [11, 21, 23]. دوم اینکه در واکنشهای بیوکاتالیستی با توجه به اختصاصی بودن آنزیم16 برای یک واکنش مشخص، میزان بازدهی محصول افزایش یافته، بازیابی محصول ساده تر گردیده و محصولات جانبی سمی کمتری در طی فرایند به وجود می آیند [23, 24]. سوم اینکه نسبت اجزای گاز سنتز تاثیر کمتری روی بیوکاتالیستها داشته و آنها نیاز به یک نسبت ثابت CO/H2 ندارند در حالی که کاتالیستهای متداول نیاز به یک نسبت مشخص از اجزای گاز سنتز دارند تا منجر به تولید محصولی خاص شوند. چهارم اینکه حتی مواد اولیه ای که برای واکنشهای آنزیمی سمی هستند را می توان پس از فرایند تبدیل به گاز کردن تخمیر کرد زیرا تفاوت در ترکیب شیمیائی مواد اولیه اهمیت چندانی در فرایند تبدیل به گاز کردن ندارد [24]. مساله آخر اینکه بیشتر بیوکاتالیستها می توانند مقادیر کم آلودگیهایی نظیر سولفور و کلر را تحمل کنند که این خصوصیت یکی از برتری های عمده آنها بر کاتالیستهای پایه فلزی است. حتی رشد باکتریهای بی هوازی می تواند در حضور ترکیبات سولفوری تحریک شود زیرا سولفور به عنوان یک عامل کاهنده عمل می کند که پتانسیل کاهشی محیط کشت را کاهش می دهد [14, 25, 26]. هرچند، گاز سنتز باید قبل از فرایند تخمیر تا اندازه ای تمیز و خالص سازی شود تا فعالیت باکتریایی در حد مطلوب حفظ شود. همچنین تجمع هیدروکربنهای سنگین17 و ذرات نیمسوز شده18 موجود در گاز سنتز در خطوط لوله گاز ممکن است موجب مسدود شدن و شکستگی لوله ها و یا جریان ناپایدار گاز در خط لوله شود [17].

1-5 تولید اتانول به عنوان سوخت بیولوژیکی
تولید اتانول از نشاسته، سلولز و همی سلولز از طریق فرایند بیوشیمیائی تا به امروز شناخته شده ترین روش برای تولید صنعتی اتانول است [15]. تولید جهانی اتانول در سال 2008 به میزان 68 بیلیون لیتر بوده است. تقریبا همه این اتانول از جمله سوختهای بیولوژیکی نسل اول بوده که عمدتا از نیشکر و ذرت تولید گردیدند. تولید جهانی بیواتانول در سالهای 2008-2000 در شکل 1-3 نشان داده شده است [1].
شکل ‏13 : تولید جهانی اتانول بیولوژیکی در سالهای 2008-2000[1]
در فرایند تبدیل بیوشیمیائی، ماده اولیه به قندهای شش تایی و پنج تایی تجزیه شده و سپس به اتانول تخمیر می گردد. دو گروه از میکروارگانیزمها برای انجام این فرایند با بازده تولید اتانول بالا، بسیار نزدیک به مقدار تئوری، شناخته شده اند که عبارتند از ساکرومایسی سرویسیا19( مخمر) و اعضای طبقه زیموموناس20 همانند زیموموناس موبیلیس21 (باکتری). ساکرومایسی سرویسیا از طریق مسیر بیولوژیکی اِمدن-میرهوف-پارناس22 پیروات23 تولید می کند و زیموموناس موبیلیس از مسیر بیولوژیکی انتنر-دودرف24 استفاده می کند تا از کربوهیدراتها پیروات تولید کند که بعدا به اتانول تبدیل می گردد [27].
فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی روش جایگزینی برای فرایند بیوشیمیائی است که به عنوان فرایند غیر مستقیم تخمیر اتانول مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این روش، همان طور که اشاره شد، از تبدیل به گاز کردن یا پیرولیز مواد اولیه، گاز سنتز تولید می شود که به عنوان سوبسترا در فرایند تخمیر برای تولید اتانول و سایر سوختهای بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا از باکتریهای استوژنیک که ارگانیزمهای لزوما بی هوازی25 هستند برای انجام فرایند تخمیر استفاده می شود. این باکتریهای لزوما بی هوازی قادرند به صورت کمولیتوتروف26 روی اجزای گاز سنتز یعنی CO و CO2/H2 رشد کرده و در شرایط دما و فشار محیطی آنها را به اسیدهای چرب فرار و الکل تبدیل کنند [21, 26, 27]. بدین منظور، انواع مختلفی از گونه های کلستریدیا27 و مورلا28 جداسازی شده اند [27].
به طور کلی، نرخ پائین واکنش و نیاز به محیط استریل برای جلوگیری از آلوده شدن محیط کشت از معایب روشهای بیولوژیکی محسوب می شوند. هرچند، در فرایند تخمیر گاز سنتز حضور CO در جریان گاز، شرایط استریل را تضمین می کند چرا که CO برای بیشتر ارگانیزمها سمی است. محدودیتهای انتقال جرم مشکل دیگری است که در این فرایند بیولوژیکی وجود دارد زیرا سوبسترای گازی و به خصوص CO و H2 حلالیت کمی در محیط کشت مایع دارند [22]. تاکنون، ترکیبات محدودی، عمدتا اتانول و استات، از فرایندهای تخمیر میکروبی گاز سنتز حاصل گردیده اند. ارگانیزمهای شناخته شده نمی توانند ترکیبات دیگر را به میزان مطلوبی تولید کنند و ممکن است دستکاریهای ژنتیکی مورد نیاز باشد تا بازده تولید محصول را در این ارگانیزمها بهبود داده و همچنین حساسیت آنها را نسبت به محصولات نهایی افزایش دهند [12, 28] . با توجه این موانع، تجاری سازی فرایند تخمیر گاز سنتز هنوز با محدودیتهای عمده ای مواجه است. با وجود آنکه تا کنون تنها سه کمپانی INEOS Bio (ایالات متحده امریکا، 2008)، Coskata (ایالات متحده امریکا، 2009) و LanzaTech (نیوزلند، 2010) موفق به تولید اتانول در مقیاس بالا از فرایند تخمیر گاز سنتز گردیده اند [28, 29]، اما فرایند تخمیر گاز سنتز به عنوان یکی از روشهای مطلوب برای تولید نسل دوم سوختهای بیولوژیکی باید در سالهای آتی مورد توجه قرار گیرد.
1-6 طرح مساله و ضرورت انجام پروژه
افزایش نگرانیهای مربوط به نوسان قیمت انرژی در بازارهای جهانی و محدودیتهایی که در بهره برداری از ذخایر فسیلی در سالهای آتی وجود دارد لزوم یافتن منابع سوخت و انرژی جایگزین را افزایش می دهد. استفاده از گاز سنتز برای تولید سوخت از طریق روشهای میکروبی می تواند تا حدودی پاسخگوی این نیاز مبرم باشد. فرایند تخمیر گاز سنتز روشی برای تولید پایدار بسیاری از سوختها و ترکیبات شیمیائی است که مزیتهای فراوانی نسبت به تبدیل کاتالیستی گاز سنتز دارد. با وجود آنکه فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس به صورت گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است اما تلفیق آن با فرایند تخمیر به منظور تولید سوختهای بیولوژیکی همچنان فرایندی تکامل نیافته است. عدم وجود اطلاعات کافی در متون در مورد مصرف سوبسترای گازی توسط بیوکاتالیستها برای تولید سوختهای بیولوژیکی و نبود شرایط بهینه مشخص برای رشد و فعالیت انواع متفاوت باکتریهای استوژنیک، هیدروژنوژنیک و متانوژنیک برای دستیابی به بازده بالای محصول لزوم انجام تحقیق و پژوهش روی فرایند تخمیر گاز سنتز را افزایش می دهد. علاوه بر این، دستیابی به دانش فنی به منظور بومی سازی این فرایند مستلزم انجام تحقیقات گسترده و برنامه ریزی های بلند مدت می باشد تا امکان تجاری سازی فرایند را فراهم سازد.

1-7 اهداف کلی29 پروژه
هدف کلی این پروژه تولید اتانول و استات از گاز سنتز بوده است و دستیابی به اهداف زیر به طور خاص مورد بررسی قرار گرفته است:
• بررسی رشد کموارگانوتروفیک باکتری لانگالی بر روی سوبستراهای مختلف و مطالعه تاثیر سوبسترای آلی روی رشد سلول و بازده تولید محصول
• مطالعه رشد اتوتروفیک باکتری لانگالی بر روی گاز سنتز و بازده تولید محصول
بهینه سازی میزان تولید اتانول نسبت به استات با تعیین مقدار بهینه برخی از پارامترهای موثر از جمله pH محیط کشت، نوع و مقدار عوامل کاهنده و فشار گاز سنتز در بیوراکتورهای ناپیوسته
• بررسی کینتیک رشد سلول، مصرف سوبسترای گازی، بازدارندگی ناشی از CO و بازده تولید محصول درآزمایشهای ناپیوسته
• بهینه سازی پارامترهای عملیاتی همچون نرخ رقیق سازی مایع، شدت جریان گاز سنتز به درون بیوراکتور و دور همزن در آزمایشهای پیوسته به منظور افزایش بازده تولید محصول
• تعیین ضرایب انتقال جرم در آزمایشهای پیوسته در بیوراکتور
1-8 اهداف و چهارچوب پروژه30
باکتری کلستریدیوم لانگالی به عنوان یک باکتری استوژن لزوما بی هوازی به عنوان کاتالیست میکروبی در فرایند تخمیر گاز سنتز مورد استفاده قرار گرفت. این باکتری می تواند به صورت کموارگانوتروف روی سوبستراهای آلی و یا به صورت کمولیتوتروف روی اجزای گاز سنتز یعنی CO و H2/CO2 رشد کرده و آنها را به اتانول و استات تخمیر کند.
رشد کموارگانوتروفیک باکتری لانگالی روی سوبستراهای آلی مختلف در محیط کشت ناپیوسته مورد بررسی قرار گرفت. تاثیر فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات به عنوان سوبستراهای آلی روی رشد سلول و توزیع محصولات در فازهای استوژنیک (تولید اسید استیک) و سالونتوژنیک31 (تولید اتانول) مطالعه گردید. اثر غلظتهای مختلف فروکتوز، به عنوان بهترین سوبسترای آلی، روی افزایش میزان تولید اتانول نسبت به استات بررسی شد.
رشد اتوتروفیک باکتری لانگالی روی گاز سنتزی با ترکیب ثابت 30% CO، 30% CO2، 30% H2 و 10% Ar مورد مطالعه قرار گرفت. از محلولهایی با ترکیب مختلف سیستئین اسیدی و سولفید سدیم به عنوان عوامل کاهنده، به منظور کم کردن پتانسی کاهشی در محیط کشت، استفاده گردید. اثرات همزمان عوامل کاهنده و pH محیط کشت روی رشد سلول، مصرف سوبسترای گازی و بازده تولید محصول بررسی شد. غلظت بهینه این محلولها و pH مناسب جهت افزایش تولید اتانول نسبت به استات تعیین گردید.
به منظور تعیین پارامترهای کینتیکی مربوط به رشد سلول، مصرف سوبسترای گازی و تولید محصول، فرایند تخمیر گاز سنتز توسط لانگالی در چند بیوراکتور ناپیوسته با فشارهای گاز متفاوت انجام شد. از مدلهای کینتیکی مختلف موجود در متون برای تعیین پارامترهای مربوط به رشد سلول، نرخ مصرف سوبسترای گازی، اثرات بازدارندگی CO و بازده تولید محصول استفاده گردید.
آزمایشهای پیوسته تخمیر گاز سنتز توسط لانگالی در بیوراکتور همزن دار همراه با تغییر پارامترهای عملیاتی انجام گرفت. اثرات شدت جریان گاز و مایع و دور همزن روی میزان رشد سلول، نرخ مصرف گاز و بازده تولید اتانول و استات بررسی گردید. با استفاده از نتایج به دست آمده ضرایب انتقال جرم در بیوراکتورتعیین شدند.
سرعت انتقال جرم سوبسترای گازی از فاز گاز به فاز محیط کشت و سرعت مصرف سوبسترای گازی توسط باکتری (سرعت ذاتی واکنش) تعیین گردیدند. اثرات بازدارندگی احتمالی CO روی رشد سلول و نرخ مصرف گاز به صورت کلی و اجمالی با استفاده از مدلهای کینتیکی بحث گردید. هرگونه مطالعه روی میزان فعالیت آنزیمهای دخیل در واکنشهای بیوشیمیائی (واکنشهای مسیر متابولیکی) و اثرات عوامل مختلف همچون عناصر جزئی و یا غلظت سوبسترای گازی (CO یا H2) روی فعالیت این آنزیمها خارج از چهارچوب این پروژه بوده و بررسی خاصی در این زمینه انجام نگرفته است.

1-9 تقسیم بندی فصول پایان نامه
این پایان نامه شامل 5 فصل می باشد:

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید