آزمایشهای تخمیر گاز سنتز با باکتری لانگالی و تولید اتانول و استات به عنوان محصولات متابولیکی این فرایند در دو بخش ناپیوسته و پیوسته همراه با بررسی پارامترهای عملیاتی و کینتیک واکنش انجام گرفت که نتایج حاصله به اختصار در ادامه ارائه می گردند:
بررسی تاثیر سوبستراهای آلی مختلف (فروکتوز، گلوکز، اتانول و استات) روی عملکرد سلولها در فرایند کشت ناپیوسته باکتری لانگالی نشان داد که فروکتوز بیشترین دانسیته سلولی (۱/۱ گرم بر لیتر) را ایجاد کرد و تولید اتانول (۱/۲۷ میلی مول در لیتر) در مقایسه با استات (۳/۲۶ میلی مول در لیتر) در حضور این سوبسترای آلی بهبود یافت. رشد سلولها با گلوکز نیز قابل توجه بود (۹/۰گرم بر لیتر) اما حضور این سوبسترا موجب شیفت مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز استوژنیک گردید و استات (۸/۴۴ میلی مول در لیتر) به عنوان محصول غالب در محیط کشت در مقایسه با اتانول (۵/۵ میلی مول در لیتر) تولید شد. باکتری لانگالی قادر بود که هم اتانول را به عنوان سوبسترا برای رشد سلولی (۲۲/۰ گرم برلیتر) و تولید انرژی مصرف کند و هم آن را به عنوان محصول متابولیکی فرایند تولید کند (۲۵ میلی مول در لیتر) که احتمالا این دو فرایند از مسیرهای متابولیکی متفاوتی پیش می رفتند. حضور استات به عنوان سوبسترا در محیط کشت، برخلاف آنچه در متون گزارش شده بود، موجب رشد سلولها گردید (۲۵/۰ گرم بر لیتر) و مسیر متابولیکی باکتری را به سمت فاز تولید حلال شیفت داد اما تولید اتانول در محیط (۵/۳ میلی مول در لیتر) قابل توجه نبود. برای افزایش تولید اتانول نسبت به استات در محیط کشت لانگالی، از غلظتهای مختلفی از فروکتوز (۱۱-۱ گرم بر لیتر) به عنوان سوبسترای بهتر استفاده گردید. در شرایط کمبود سوبسترا در محیط کشت (۳-۱ گرم برلیتر) و یا در غلظتهای بالای آن (۱۱-۹ گرم برلیتر)، رشد سلولی پس از رسیدن به یک مقدار ماکزیمم کاهش یافت و مسیر متابولیکی باکتری نتوانست پس از تولید اسید به سمت فاز تولید الکل شیفت کند. غلظت ۵ گرم در لیتر فروکتوز غلظت بهینه ای بود که در آن نسبت مولی یک به یک برای تولید اتانول نسبت به استات حاصل گردید.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

مطالعه تاثیر همزمان عوامل کاهنده و pH روی عملکرد سلولهای لانگالی با بهره گرفتن از محلولهای کاهنده مختلف (سدیم سولفید (۶۷/۱-۰/۰ میلی مول در لیتر) و/ یا سیستئین اسیدی (۰۷/۵-۵۴/۲ میلی مول در لیتر) و pH های اولیه متفاوت در محیط کشت (۹/۵ یا ۸/۶) انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان دهنده تاثیر مثبت Na₂S در شیفت مسیر متابولیکی باکتری به سمت فاز تولید الکل در ۸/۶pH= بود. اما این عامل کاهنده برای افزایش تولید اتانول در pH اولیه ۹/۵ موثر نبود. در مقابل، افزودن ۰۷/۵ میلی مول در لیتر سیستئین اسیدی به محیط کشت در pH اولیه ۹/۵ موجب افزایش نسبت مولی اتانول به استات به ۶۵/۰ گردید. در این شرایط تولید اتانول و نسبت تولید اتانول به استات به ترتیب ۴۸ و ۲۴% نسبت به محیط کشت استانداری که بر اساس دستورالعمل ATCC تهیه شده بود (سیستئین اسیدی (۵۳/۲ میلی مول در لیتر) و سدیم سولفید (۶۷/۱ میلی مول در لیتر) در pH اولیه ۹/۵) بهبود یافت.
برای تعیین پارامترهای کینتیکی مربوط به نرخ ذاتی واکنش، مصرف سوبسترا و تولید محصول فرایند تخمیر ناپیوسته گاز سنتز در چند بیوراکتور با فشارهای مختلف گاز سنتز انجام شد. برای توصیف کینتیک نرخ رشد سلول روی سوبسترای گازی یک مدل کینتیکی دوتایی که ترکیبی از مدل لانگ (برای CO) و مونود (برای H₂) بود بسط داده شد. بر اساس مدل به دست آمده، حداکثر نرخ رشد ویژه ۱۹۵/۰µ_max= (بر ساعت) و ثوابت مونود برای CO (855/0 (K_s,CO=و H₂ (۴۱۲/۰K_s,H2=) حاصل گردیدند. این مدل همچنین می توانست اثرات بازدارندگی CO را روی رشد سلولها پیش بینی کند که بر اساس آن هنگامی که فشار CO در فاز مایع بیش از ۴۷۳/۰ اتمسفر باشد، هیچ رشدی در محیط کشت مشاهده نخواهد شد. مدلهای ولترا، اندرو و گمپرتز اصلاح شده به ترتیب برای توصیف رشد سلول، مصرف سوبسترا و تولید محصول استفاده شدند. با بهره گرفتن از این مدلها، نرخ مصرف ویژه CO (364/34 q_max=میلی مول بر گرم بر ساعت)، ثابت بازدارندگی CO (601/0 K_I =اتمسفر) و حداکثر نرخ تولید اتانول (۱۷۲/۰ R_max=میلی مول بر لیتر بر ساعت در ۵۹۸/۰P_CO= اتمسفر) و استات (۰۹۶/۰ R_max= میلی مول بر لیتر بر ساعت در ۵۳۹/۰ P_CO= اتمسفر) تعیین شدند.
فرایند پیوسته تخمیر گاز سنتز در بیوراکتور و با تغییر پارامترهای عملیاتی همچون نرخ رقیق سازی، شدت جریان گاز سنتز به درون بیوراکتور و دور همزن بررسی شد. نتایج نشان داد که افزایش نرخ رقیق سازی تا ۰۱۸/۰ (بر ساعت) در شدت جریان گاز و دور همزن ثابت موجب بهبود مصرف گاز و تولید محصول گردید، هرچند افزایش نرخ رقیق سازی به بیش از این مقدار اثر نامطلوبی روی عملکرد سلولها داشت. بیشترین مقدار اتانول و استات تولید شده در این نرخ رقیق سازی به ترتیب حدود ۱۸ و ۳۳ میلی مول در لیتر بودند. افزایش شدت جریان گاز و دور همزن در نرخ رقیق سازی بهینه، اگر چه موجب کاهش میزان تبدیل سوبسترای گازی و نرخ مصرف گاز شد اما ضرایب انتقال جرم را به میزان قابل ملاحظه ای افزایش داده و موجب بهبود نرخ تولید محصول گردید. بالاترین نرخ تولید محصول (۰۰۴۸/۰ مول بر گرم بر لیتر) و بیشترین نسبت مولی تولید اتانول به استات (۷۳/۰) در شدت جریان گاز ۱۲ میلی لیتر بر دقیقه، نرخ رقیق سازی ۰۱۸/۰ بر ساعت و دور همزن ۵۰۰ (rpm) به دست آمد.
ارائه پیشنهادات برای طرحهای آتی
فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی می تواند یکی از راه حلهای موجود برای تامین بخشی از نیازهای سوخت و انرژی در آینده باشد. اما این تکنولوژی همچنان یک فرایند تکامل نیافته برای استفاده در مقیاس صنعتی است و بنابراین لازم است که تحقیقات گسترده ای در این زمینه انجام گیرد تا تضمینی برای تولید پایدار سوخت از گاز سنتز با روش های بیولوژیکی باشد. در اینجا، پیشنهاداتی که ممکن است برای رسیدن به این مقصود سودمند واقع شوند ارائه می گردند:
با توجه به اینکه pH محیط کشت یکی از عوامل مهم در رشد سلولها و تولید محصولات بیولوژیکی است و از آنجا که محدوده pH رشد باکتری لانگالی (۷-۵) با pH تولید اتانول به عنوان محصول مطلوب (۵/۴-۴) متفاوت است پیشنهاد می شود که فرایند تخمیر توسط این باکتری در دو بیوراکتور سری انجام گیرد. بدین ترتیب که در بیوراکتور اول با حفظ pH رشد دانسیته محیط کشت را افزایش داد و در بیوراکتور دوم با کاهش pH فاز متابولیکی باکتری را به سمت تولید الکل هدایت کرد.
به منظور افزایش دانسیته سلولی در محیط کشت و در نتیجه بهبود مصرف سوبسترای گازی و تولید محصول پیشنهاد می شود که از یک جریان بازگشتی^[۳۳۸] استفاده شود. بدین ترتیب که بخشی از جریان خروجی از راکتور از یک غشاء عبور داده شود و مقداری از سلولها به محیط کشت داخل بیوراکتور برگردانده شوند.
پیشنهاد می شود که فرایند تخمیر گاز سنتز توسط گونه های دیگری از باکتریهای کلستریدیوم (مانند کلستریدیوم راگسالی^[۳۳۹]) انجام گیرد و عملکرد محیط کشت و بازده تولید محصول با باکتری کلستریدیوم لانگالی مقایسه شود. اگرچه، تاکنون مطالعاتی در این زمینه انجام گرفته است اما بیشتر آنها در مقیاس ناپیوسته بوده و اطلاعات فرایندی و کینتیکی چندانی از آنها در متون یافت نمی شود.
بیشتر مطالعاتی که تاکنون در زمینه تخمیر گاز سنتز انجام گرفته است با گاز سنتز مصنوعی و با ترکیب ثابت و مشخص بوده است. با اطمینان کافی می توان گفت که ترکیب گاز سنتزی که از فرایند تبدیل به گاز کردن ذغالسنگ^[۳۴۰] یا بیومس حاصل می گردد ثابت نبوده و همواره با ناخالصیهایی همراه است. از این رو استفاده از گاز سنتزی که از فرایند تبدیل به گاز کردن حاصل شده باشد (پس از خالص سازی) می تواند اطلاعات سودمندی را در این زمینه فراهم آورد.
با توجه به اهمیت این پروژه در راستای تولید سوختهای بیولوژیکی پیشنهاد می شود که فرایند تخمیر گاز سنتز در بیوراکتورهایی با حجم بیشتر و در سیستمهایی که بر مبنای بزرگ سازی مقیاس^[۳۴۱] طراحی شده اند انجام گیرد تا اطمینانی برای تولید پایدار سوخت در ابعاد بزرگ حاصل گردد.
پیوست الف