دانشگاه مازندران

پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری

پژوهشکده زیست فناوری صنعت ومحیط زیست

پایان نامه دوره دکتری رشته مهندسی شیمی- بیوتکنولوژی

موضوع:

تولید بیو پلیمر پلی هیدروکسی آلکانوآتها وبررسی امکان استفاده آنها در نانوکامپوزیت های پلیمری

استادان راهنما:

دکتر فاطمه تابنده

دکترحسین عیسی زاده

 دکتر مهوش خدابنده

استاد مشاور:

دکتر قاسم نجف پور

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

مقدمه ……………………………………………………………………………………………..1

فصل اول- مروری بر مطالعات پیشین

1-1- میکروارگانیسم­های تولیدکننده پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها ………………………………… 7

 1-2- کوپلیمرهای هیدروکسی­آلکانوات  ……………………………………………………….11

1-3- نحوه سنتز بیوپلیمرهای هیدروکسی­آلکانوات…………………………………………..14

1-4- منابع ارزان­قیمت کربنی در تولید پلیمرهای PHA …………………………………….

1-5- سنتز پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها در گیاهان………………………………………………….16

1-6- اندازه­گیری کمی بیوپلیمرها………………………………………………………………18

1-7- خواص فیزیکی و موارد استفاده پلیمرهای زیستی…………………………………… 19

1-8- قابلیت تجزیه­پذیری پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها……………………………………………..21

1-9- فرایند تولید پلی هیدروکسی آلکانوآتها………………………………………………….23

1-9-1- فرایند  غیر پیوسته……………………………………………………………………….23

1-9-2- فرایند نیمه پیوسته و پیوسته……………………………………………………………24

1-10- مدل سینتیکی رشد میکروارگانیسم…………………………………………………..28

1-10-1- بررسی سینتیک رشد در فرایند غیر پیوسته……………………………………….31

1  -11- تعیین ضریب انتقال اکسیژن  دربیوراکتور………………………………………………33

1-11-1- روشهای اندازه گیری  ………………………………………………………………….33

1-12- استفاده پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها در صنایع ………………………………………………36

1-13- کاربرد بیوپلیمر ها در نانوکامپوزیتهای پلیمری…………………………………………39

1-13-1-  انواع نانوکامپوزیتهای پلیمری ………………………………………………………..39

1-13-2- روش های ساخت نانوکامپوزیتهای پلیمری …………………………………………41

فصل دوم- مواد و روش ها

2-1- میکروارگانیسم………………………………………………………………………………45

2-2- انتقال میکروارگانیسم از حالت یخ خشک به محیط کشت اولیه………………………47 

2-3- محیط نگهداری……………………………………………………………………………….47

2-4- محیط کشت تلقیح…………………………………………………………………………48

2-5- محیط کشت تخمیر………………………………………………………………………….48

2-6- آماده سازی کشت تلقیح………………………………………………………………….49

2-7- شرایط تخمیر ونمونه برداری……………………………………………………………….49

2-8-  تهیه منحنی کالیبراسیون وزن خشک سلولی- جذب……………………………..50

2-9-  تهیه منحنی­های کالیبراسیون جهت تعیین مقادیر منابع کربن……………………….51

2-9-1-  طرز تهیه محلول معرف DNS……………………………………………………..

2-9-2- رسم منحنی کالیبراسیون قندهای قابل تبدیل…………………………………….51

2-10- شرایط کروماتوگراف­گازی برای اندازه­گیری پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها…………………52

2-10-1- تهیه استاندارد داخلی……………………………………………………………….53

2-10-2- تهیه منحنی­های کالیبراسیون متیل­هیدروکسی­بوتیرات، متیل هیدروکسی­والرات  و متیل­ هیدروکسی­ هگزانوات…53

2-10-3- استخراج بیوپلیمر و آماده سازی نمونه برای تزریق به دستگاه GC…………..

2-10-4- روش شناسائی و تایید بیوپلیمر توسط ¹³C NMR،¹H NMR ،. FT-IR……….

2-10-4-1- طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR) ……………………………………………55

2-10-4-2- طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) ……………………..55

2-11- فرایند بیولوژیکی جهت تولید بیوپلیمر درون سلولی در بیوراکتور………………56

2-11-1- فرایند کشت غیرپیوسته………………………………………………………….56

2-11-2- فرایندکشت نیمه پیوسته………………………………………………………….56

2- 11- 2- 1- فرایند کشت نیمه پیوسته با خوراک دهی ثابت منبع کربن ونیتروژن……57  

2- 11- 2- 2- فرایند کشت نیمه پیوسته با خوراک دهی متغیر  منبع کربن ونیتروژن…..57

2-11-3- تعیین ضریب انتقال اکسیژن در بیوراکتور………………………………………..57

2-12- تولید نانو کامپوزیت پلی هیدروکسی بوتیرات هیدروکسی والرات /هیدروکسی اپتایت…59

فصل سوم- نتایج و بحث

3-1- میکروارگانیسم Hydrogenophaga pseudoflava DSMZ 1034………………….

3-1- 1- بررسی شرایط فرایند بیولوژیکی………………………………………………62

3-1-2- استفاده از گلوکز بعنوان  تنها منبع کربن………………………………………63

3-1-3- استفاده ازفروکتوز بعنوان تنها منبع کربن ……………………………………..65

3-1-3- استفاده ازآب پنیر بعنوان تنها منبع کربن ……………………………………..66

3- 2- میکروارگانیسم  Cupriavidus necator DSM 545…………………………..

3-2-1- بررسی شرایط فرایند بیولوژیکی ……………………………………………….68

3-2-1-2- بررسی تاثیر نسبت نیتروژن به کربن ………………………………………69

3-2-2- استفاده از گلوکز بعنوان  تنها منبع کربن………………………………………73

3-2-3- استفاده ازفروکتوز بعنوان تنها منبع کربن………………………………………..74

3-2-4- استفاده ازملاس بعنوان تنها منبع کربن………………………………………..75

3-2-5- تاثیر استات بر رشد میکروارگانیسم و تولید بیوپلیمر………………………..77

3-2-5-1 -ترکیب ملاس و استات بعنوان منابع کربن……………………………………..77

3-3- میکروارگانیسم  Azotobacter beijerinckii DSMZ 1041………………………..

3-3-1- بررسی شرایط فرایند بیولوژیکی…………………………………………………..80

3-3-2- استفاده از گلوکز بعنوان  تنها منبع کربن……………………………………………82

3-3-3- استفاده ازفروکتوز بعنوان تنها منبع کربن…………………………………………83

3-3-4- استفاده ازآب پنیر بعنوان تنها منبع کربن…………………………………………..84

3-4- میکروارگانیسم Azohydromonas lata DSMZ 1123………………………………….

3-4-1- بررسی شرایط فرایند بیولوژیکی………………………………………………………..85

3-4-2- استفاده از گلوکز بعنوان  تنها منبع کربن…………………………………………….87

3-4-3- استفاده ازفروکتوز بعنوان تنها منبع کربن ……………………………………………88

3-4-4- استفاده ازآب پنیر بعنوان تنها منبع کربن ………………………………………….89

3-5- نتایج کلی مقایسه چهار میکرو ارگانیسم در تولید بیوپلیمر ………………………….92

3-6- بررسی سینتیک رشد میکروارگانیسم در تولید بیوپلیمر…………………………..92  

3-7- فرایند کشت غیر پیوسته در بیوراکتور…………………………………………………95

3-7-1- تعیین ضریب انتقال اکسیژن در بیوراکتور …………………………………………97

3-8- فرایند کشت نیمه پیوسته  با خوراک دهی ثابت در بیوراکتور……………………..98

3-9- فرایند کشت نیمه پیوسته  با خوراک دهی متغیر (پله ای) در بیوراکتور………….99

3-10- بازده بیومس …………………………………………………………………………..100

3-11- بهره دهی …………………………………………………………………………….102

3-12- بازده تولید ……………………………………………………………………………..103

3- 13- آزمایشهای تشخیصی جهت تایید بیوپلیمر تولید شده………………………105

3-13-1- طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR) ………………………………………………..105

3-13-2- طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) ………………………….106

3-14- بررسی امکان استفاده از بیوپلیمر تولید شده در نانوکامپوزیتها………………..108

فصل چهارم-نتیجه گیری وپیشنهادات

4-1- نتیجه گیری…………………………………………………………………………….113

4-2- پیشنهادات………………………………………………………………………………116

مراجع …………………………………………………………………………………………117

چکیده انگلیسی ……………………………………………………………………………..127

پیوستها………………………………………………………………………………………….128

چکیده:

هدف از انجام این مطالعه تولید بیوپلیمر پلی­هیدروکسی­ آلکانوآتها با استفاده از منابع کربنی گلوکز، فروکتوز، ملاس و آب پنیر توسط میکرو ارگانیسم های   Azohydromonas lata  DSMZ 1123، Azotobacterbeijerinckii DSMZ 1041 ، Cupriavidus necator DSMZ 545، Hydrogenophaga pseudoflava DSMZ 1034  بوده است. در مرحله نخست جهت غربالگری میکروارگانیسم ها وانتخاب میکرو ارگانیسم هدف برای تولید بیوپلیمر، شرایط مناسب دما، سن تلقیح و شدت هم زدن برای هر میکروارگانیسم مشخص گردید. در شرایط بهینه هر یک از منابع کربنی به تنهایی مورد استفاده قرار گرفتند تا نوع و میزان بیوپلیمر تولیدی توسط هر یک تعیین گردد.  با توجه به نتایج به دست آمده C. necator  به لحاظ دارا بودن شرایط مطلوب (رشد مناسب وموثر بر روی محیطهای مورد نظر،ثبات  فعالیت بیولوژیکی نسبت به سایر میکروارگانیسم های مورد بررسی وبازده تولید قابل ملاحظه بیوپلیمر  ) به عنوان میکروارگانیسم مناسب جهت ادامه تحقیق انتخاب شد . در فرایند غیر پیوسته تولید بیوپلیمر در فلاسک با استفاده از C. necator  بر روی منابع گلوکز، فروکتوز و ملاس ، میزان تولید بیوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات به ترتیب 3/3 ، 9/5 ، 3/1 گرم بر لیتر ومیزان بهره دهی بهترتیب 07/0 ، 08/0 ، 03/0 گرم بر لیتر بر ساعت بوده است . علاوه براین از استات ( استات سدیم با غلظت بهینه 10 گرم بر لیتر ) به عنوان مکمل منبع کربنی به همراه ملاس جهت تولید بیوپلیمر استفاده شد که منجر به تولید میزان 2/7 گرم برلیتر کوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات/ هیدروکسی والرات شد. از کوپلیمر تولید شده میزان پلی هیدروکسی بوتیرات و پلی هیدروکسی والرات به ترتیب 9/6 و 32/0 گرم بر لیتر بود. در مرحله دوم با بررسی سینتیک رشد در فرایند غیر پیوسته وپیش بینی روند رشد و تولید محصول، فرایند غیر پیوسته و نیمه پیوسته در بیوراکتور جهت تولید بیوپلیمر مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا در فرایند غیر پیوسته بر روی گلوکز،  میزان پلی هیدروکسی بوتیرات 2/4 گرم بر لیتر به ازای مصرف 16 گرم بر لیتر منبع کربنی بود و ضریب انتقال  اکسیژن 16/0 بر ثانیه وشدت رشد ویژه میکروارگانیسم 17/0 بر ساعت به دست آمد. سپس فرایند نیمه پیوسته با استفاده از دو روش خوراک دهی ثابت و متغیر پله ای منبع کربن و نیتروژن در غلظتهای 300 و 10 گرم بر لیتر بررسی شد. میزان تولید پلی هیدروکسی بوتیرات در خوراک دهی ثابت 2/8 گرم بر لیتر و در خوراک دهی متغیر 8/11 گرم بر لیتر به دست آمد که  حدود 40 درصد افزایش یافت . میزان بهره دهی فرایند های غیر پیوسته و نیمه پیوسته با خوراک دهی ثابت و متغیر به ترتیب 04/0 ، 085/0 ، 137/0 گرم بر لیتر بر ساعت بود. در مرحله سوم امکان تولید نانوکامپوزیتهای پلیمری با استفاده از بیوپلیمر تولید شده مورد بررسی قرار گرفت . با استفاده از روش تثبیت در حلال ، محلول کوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات/ هیدروکسی والرات  در کلروفرم به همراه نانوذرات هیدروکسی اپتایت قرار گرفت.نتایج حاکی از آن بود که تولید نانوکامپوزت با استفاده از اولتراسونیک نتیجه بهتری در بر داشت و نانوذرات بصورت یکنواخت بر روی سطح بیوپلیمر تثبیت گشتند.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.