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 [۴, ۸, ۹].
در فرایند تبدیل بیوشیمیائی می توان به گزینش پذیری و بازده تبدیل بالا دست یافت. هرچند، این روش نیازمند فرایندهای آماده سازی^[۸] 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 [۴].
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 ۱۰ تا ۴۰% اجزای بیومس را تشکیل می دهد) به ترکیبات تخمیر پذیر با بهره گرفتن از واکنشهای آنزیمی به سختی انجام می گیرد [۱۰]. 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 ۱-۲ نشان داده شده است. تولید سوخت بیولوژیکی از گاز سنتز می تواند به دو صورت انجام گیرد؛ با بهره گرفتن از کاتالیستهای پایه فلزی یا غیرآلی که به عنوان فرایند فیشر-تروپ شناخته شده است و یا با بهره گرفتن از کاتالیستهای میکروبی که تخمیر گاز سنتز نامیده می شود [۱۱, ۱۲].
فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس
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 کننده^[۹] (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 [۱۳, ۱۴].
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 [۱۵].
شکل ‏۱‑۲: شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی
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 ۶ دلار به ازای هر میلیون بی تی یو با هزینه مواد اولیه کمتر از ۱/۰ دلار به ازای هر پوند محصول است که ارزان قیمت و با صرفه بودن این سوبسترا را نشان می دهد [۱۲].
با وجود آنکه چندین روش متفاوت برای تبدیل گاز سنتز وجود دارد، بیشتر فرایندهای تبدیل از طریق روش های میکروبی یا شیمیائی-حرارتی انجام می گیرد [۱۶]. 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 [۱۷]. این میکروارگانیزمهای بی هوازی را می توان به ارگانیزمهای اتوتروف^[۱۰] یا یونی کربنوتروف^[۱۱] 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 [۱۸]. انواع مختلفی از ارگانیزمهای بی هوازی مانند میکروبهای فتوسنتزی، استوژنیک^[۱۲]، کربوکسیدوتروفیک^[۱۳] و متانوژنیک^[۱۴] می توانند فرایند تبدیل گاز سنتز به محصولات با ارزش را انجام دهند [۱۹]. فرایند تخمیر گاز سنتز می تواند منجر به تولید هیدروژن، اتانول، بوتانول، اسید استیک، اسید بوتیریک، متان، بیوپلیمرها و پروتئین تک سلولی شود [۲۰].
مزیتهای بیوکاتالیستها
با وجود آنکه فرایند تبدیل گاز سنتز به سوخت با بهره گرفتن 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 [۱۱, ۲۱]. 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 کلاز^[۱۵]، اکسیداسیون فاز مایع و جذب برای کاهش میزان سولفور موجود در گاز سنتز به کمتر از ۱/۰ppm استفاده می شود [۲۲].
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 [۱۱, ۲۱, ۲۳]. دوم اینکه در واکنشهای بیوکاتالیستی با توجه به اختصاصی بودن آنزیم^[۱۶] 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 [۲۳, ۲۴]. 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 [۲۴]. 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 [۱۴, ۲۵, ۲۶]. 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 سنگین^[۱۷] و ذرات نیمسوز شده^[۱۸] 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 [۱۷].
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 [۱۵]. تولید جهانی اتانول در سال ۲۰۰۸ به میزان ۶۸ 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 ۲۰۰۸-۲۰۰۰ در شکل ۱-۳ نشان داده شده است [۱].
شکل ‏۱‑۳ : تولید جهانی اتانول بیولوژیکی در سالهای ۲۰۰۸-۲۰۰۰[۱]
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 سرویسیا^[۱۹]( مخمر) و اعضای طبقه زیموموناس^[۲۰] همانند زیموموناس موبیلیس^[۲۱] (باکتری). ساکرومایسی سرویسیا از طریق مسیر بیولوژیکی اِمدن-میرهوف-پارناس^[۲۲] پیروات^[۲۳] تولید می کند و زیموموناس موبیلیس از مسیر بیولوژیکی انتنر-دودرف^[۲۴] استفاده می کند تا از کربوهیدراتها پیروات تولید کند که بعدا به اتانول تبدیل می گردد [۲۷].
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 هوازی^[۲۵] هستند برای انجام فرایند تخمیر استفاده می شود. این باکتریهای لزوما بی هوازی قادرند به صورت کمولیتوتروف^[۲۶] 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 [۲۱, ۲۶, ۲۷]. بدین منظور، انواع مختلفی از گونه های کلستریدیا^[۲۷] و مورلا^[۲۸] جداسازی شده اند [۲۷].
به طور کلی، نرخ پائین واکنش و نیاز به محیط استریل برای جلوگیری از آلوده شدن محیط کشت از معایب روش های 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 [۲۲]. 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 [۱۲, ۲۸] . 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، ۲۰۰۸)، Coskata (ایالات متحده امریکا، ۲۰۰۹) و LanzaTech (نیوزلند، ۲۰۱۰) موفق به تولید اتانول در مقیاس بالا از فرایند تخمیر گاز سنتز گردیده اند [۲۸, ۲۹]، اما فرایند تخمیر گاز سنتز به عنوان یکی از روش های مطلوب برای تولید نسل دوم سوختهای بیولوژیکی باید در سالهای آتی مورد توجه قرار گیرد.
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 روش های 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.
اهداف کلی^[۲۹] 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
اهداف و چهارچوب پروژه^[۳۰]
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 سالونتوژنیک^[۳۱] (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 ۳۰% CO، ۳۰% CO₂، ۳۰% H₂ و ۱۰% 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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.
تقسیم بندی فصول پایان نامه
این پایان نامه شامل ۵ فصل می باشد:
در فصل اول مقدمه ای کلی بر لزوم استفاده از سوختهای تجدید پذیر و انواع سوختهای بیولوژیکی ارائه می گردد. روش های کلی تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد بررسی قرار می گیرند. مزیتهای استفاده از میکروب به عنوان بیوکاتالیست در فرایندهای تخمیر گاز سنتز برشمرده می شود. طرح مساله و ضرورت انجام این پروژه، اهداف کلی و چهارچوبها ارائه می گردند و این فصل با تقسیم بندی فصول پایان نامه خاتمه می یابد.
در فصل دوم مروری بر متون موجود در زمینه تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از گاز سنتز با بهره گرفتن از بیوکاتالیستهای مختلف ارائه می گردد. پتانسیل گاز سنتز برای تخمیر شدن توسط ارگانیزمهای استوژنیک، هیدروژنوژنیک و متانوژنیک بررسی می گردد. مروری بر انواع مختلف سوختهای بیولوژیکی و ترکیبات شیمیائی که از تخمیر سوبسترای گازی توسط کاتالیستهای میکروبی حاصل شده اند همانند اتانول، اسید استیک، هیدروژن، بوتانول، اسید بوتیریک، متان و غیره ارائه می شود. در این فصل همچنین نقش پارامترهای عملیاتی مختلف همچون ترکیب مواد مغذی، pH محیط کشت، عناصر جزئی، عوامل کاهنده و نیز محدودیتهای انتقال جرم در فرایند تخمیر گاز سنتز به صورت گسترده مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
در فصل سوم جزئیاتی از مواد و ترکیبات شیمیائی و بیولوژیکی مورد استفاده در آزمایشها ارائه می شود. روش های آماده سازی و استریل کردن محیط کشت، رشد و تکثیر سلولی در بیوراکتورهای ناپیوسته با جزئیات کامل بیان می گردد. روش های آنالیز مورد استفاده برای تعیین میزان رشد سلول، مصرف سوبسترای گازی و آلی و تولید محصول توضیح داده می شود. نحوه انجام آزمایشهای پیوسته در بیوراکتور همزن دار همراه با ایجاد شرایط استریل و کاملا بی هوازی بیان می گردد.
در فصل چهارم نتایج مربوط به آزمایشهای پیوسته و ناپیوسته تخمیر گاز سنتز با بهره گرفتن از باکتری لانگالی ارائه می گردند. نتایج مربوط به رشد کموارگانوتروفیک باکتری با بهره گرفتن از سوبسترای آلی و اتوتروفیک بر روی گاز سنتز در قالب رشد سلول، میزان مصرف سوبسترا و بازده تولید محصول مورد بحث و بررسی قرار می گیرند. شرایط بهینه ای که موجب افزایش تولید اتانول نسبت به استات می گردند به طور خاص تحلیل می شوند. نتایج بیوکینتیکی به دست آمده بر اساس داده های تجربی و با بهره گرفتن از مدلهای موجود در متون ارائه شده و تحلیلهای مربوط به این نتایج ارائه می گردند.
در فصل پنجم اهم نتایج به دست آمده از فرایند تخمیر گاز سنتز با بهره گرفتن از باکتری لانگالی برای تولید اتانول و استات ارائه می گردد. همچنین راه کارهایی برای انجام تحقیقات بعدی و به منظور گسترش پژوهش در این زمینه پیشنهاد می گردد.
در پایان، منابع و مراجع مورد استفاده در پایان نامه آورده شده و سپس ضمائم مربوط به نتایج آنالیزها و محاسبات عددی در پیوست ارائه می گردد.
فصل دوم: مروری بر متون علمی
مقدمه
در این فصل مروری بر فرایندهای تبدیل سوبستراهای گازی به انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی از طریق روش های میکروبی ارائه می گردد. شرایط بهینه برای کشت انواع مختلف ارگانیزمهای استوژنیک^[۳۲]، هیدروژنوژنیک^[۳۳] و متانوژنیک^[۳۴] برای دستیابی به بازده محصول بالا بررسی می شود. تاثیر پارامترهای عملیاتی مختلف روی فرایند تبدیل بیولوژیکی در قالب رشد سلول، تولید محصول و نسبت توزیع محصولات به صورت گسترده مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. در جدول ۲-۱ خلاصه ای از انواع میکروارگانیزمهایی که می توانند گاز سنتز را به سوختهای بیولوژیکی تبدیل کنند ارائه شده است.
ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز^[۳۵]
منوکسیدکربن موجود در گاز سنتز با آب واکنش می دهد تا از طریق واکنش جابجائی آب-گاز H₂ و CO₂ تولید کند. دی اکسیدکربن تولید شده در این واکنش باید با فرایند جذب حذف شود تا هیدروژن خالص تولید شود. همچنین ممکن است از این واکنش برای افزایش میزان H₂ موجود در گاز سنتز برای کاربردهای بعدی استفاده گردد. واکنش جابجائی آب-گاز کمی گرمازا بوده و از کاتالیستهای هتروژن که ممکن است از فلزاتی همچون کروم، روی، آهن، کبالت، مس و غیره ساخته شده باشد برای انجام واکنش استفاده می شود. این فرایند با محدودیتهایی نظیر غیرفعال شدن کاتالیست با سولفور، رسوب کربن و استفاده از دماهای بالا روبروست.
در واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز از ارگانیزمهای هیدروژنوژنیک برای تولید هیدروژن از اکسیداسیون منوکسیدکربن استفاده می شود. انرژی لازم برای انجام واکنش بیولوژیکی جابجائی آب-گاز با نقل و انتقال الکترون از CO به H₂O از طریق واکنشهای زیر تامین می شود: