دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی

 پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی

 شبیه سازی و بهینه سازی راکتور بیولوژیکی تولیدکننده بوتانول

 استاد راهنما:

دکتر رضا اسلاملوئیان

چکیده

 تخمیر نیمه پیوسته، روشی کارا و سودمند جهت تولید محصولات متابولیکی ارزشمند مانند سوخت های زیستی می باشد. مدلسازی ریاضی بیوراکتورهای نیمه پیوسته با توجه به طبیعت گذرا و ناپایای تخمیر و همچنین پیچیدگی متابولیسم سلولی، مسأله ای بسیار دشوار و پیچیده است. در این زمینه برخی از محققین مدل هایی ساخت یافته ارائه کرده اند که نسبت به  مدل های غیر ساخت یافته دقت و بازده بیشتری دارند. در این تحقیق، مدل ساختار یافته دقیق و کارای موازنه فلاکس پویا برای توصیف رفتار باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم) (clostridium acetobutylicum مطرح شده است. این مدل حاصل تلفیق مدل پایای متابولیسم درون سلولی و معادلات موازنه جرم پویا بر روی اجزای اصلی برون سلولی می باشد. مدل پویای مذکور بر پایه شبکه  متابولیکی بازسازی شده 824_cellb بیان شده است. در مدلسازی فرایند تخمیر نیمه پیوسته، جهت همبستگی تولید بوتانول و رشد میکروارگانیسم، ژن های CoATدر مدل 824_cellb حذف شده و ژن AAD بیش از حالت طبیعی بیان شده و شرایط اولیه و پارامترهای عملیاتی بهینه برای تولید بیشینه محصول مطلوب، مورد استفاده قرار گرفته است. این پارامترها عبارتند از: زمان نهایی عملیات، حجم اولیه راکتور و دبی خوراک ورودی. روند کلی عملیات نیمه‌پیوسته به دو فاز عملیاتی اسیدی (جهت رشد و تکثیر باکتری‌ها از غلظت کم تا غلظتی قابل توجه) و خنثی (جهت افزایش غلظت توده زیستی و جهت افزایش تولید بوتانول) با نرخ خوراک ورودی ثابت تقسیم‌بندی شده است. بهینه سازی در حالت نیمه پیوسته صورت گرفته است. شایان ذکر است که نتایج به خوبی اهمیت حدف ژن و بیان بیش از حد ژن را در تعیین شرایط عملیاتی فرایندهای نیمه پیوسته نشان می دهد، در واقع می توان گفت که حدف ژن و بیان بیش از حد ژن در شرایط بی هوازی با حفظ سایر پارامترها نسبت به حالت بهینه، موجب افزایش میزان محصول مطلوب(بوتانل) و کاهش میزان تولید محصول نامطلوب(اتانول و استون) خواهد شد. استفاده از مدلهای ساختار یافته مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس، بدون نیاز به اطلاعات سینتیکی آنزیمی، قادر به مدلسازی دقیق رفتار میکرو ارگانیسم ها می باشند.

فهرست

عنوان…….    صفحه

1- مقدمه. 2

1- 1- مقدمه‌ای بر بیوتکنولوژی.. 2

1-2- بیوتکنولوژی- یک هسته مرکزی با دو جزء 4

1-3- مقدمه‌ای بر فرآیند‌های تخمیری.. 5

1-3-1- بخش‌های اصلی فرایند تخمیری.. 7

1-3-2- محیط کشت تخمیر صنعتی.. 8

2- مروری بر کارهای گذشته. 11

2-1- مروری بر کاربردهای کشت نیمه‌پیوسته (غیر مداوم خوراک‌دهی شده) 11

2-2- مروری بر تولید بوتانل از طریق کشت میکروبی.. 13

2-3- مروری بر بهینه‌سازی فرایند‌های تخمیر نیمه‌پیوسته. 13

3- فرایند. 16

3-1- طراحی فرمانتور 17

3-2- کشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارک‌دهی‌شده) 19

3-2-1- مزایای کشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارک‌دهی‌شده) 20

3-3- بوتانول(بوتیل الکل) 22

3-3- 1- روش های تولید بوتانول.. 25

3-3-2-1- استفاده از بوتانول به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی.. 25

3-3-1-2-تحقیقات انجام شده در زمینه تولید بیولوژیکی بوتانول  27

فصل چهارم. 29

4- مدلسازی.. 30

4-1- مدل بیوراکتور نیمه پیوسته. 30

4-2- مدل‌های رشد میکروارگانیسم‌ها 31

4-2-1- مدل‌های ساختار نیافته. 31

4-2-1-1- مدل‌های مونود، هالدن، کناک، تیسیر و موزر 31

4-2-1-2- مدل شبکه عصبی.. 33

4-2-2- مدل‌های ساختاریافته. 33

4-2-2-1- مدل‌های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس (FBA) 35

4-2-2-2- مدل‌های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاکس پویا (DFBA ) 39

4-3- مدلسازی مورد استفاده در این تحقیق.. 40

4-3-1- معادلات حاکم.. 41

4-4-1- مدل آنالیز موازنه فلاکس پویا برای کشت ناپیوسته گونه طبیعی (وحشی) باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم  42

4-4-1-1- تعیین پارامترهای بهینه معادلات جذب مواد غذایی  43

4-4-2- مدل آنالیز موازنه فلاکس پویا برای کشت نیمه پیوسته گونه جهش یافته باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم  50

5- بهینه‌سازی.. 59

5-1- استراتژی عملیاتی.. 61

6- نتایج، بحث و نتیجه گیری.. 64

6-1- نتایج حاصل از بهینه سازی.. 64

6-2- مطالعات موضوعی.. 67

6-3- بحث و نتیجه گیری.. 68

منابع.. 70

پیوست یک…. 74

پیوست دو 80

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.