دانلود پایان نامه

Hydrogenophaga گرديد[34].ضايعات کشاورزي يکي ديگر از منابع ارزان قيمت براي توليد پليهيدروکسيآلکانواتها است. در مطالعهاي از ملاس بعنوان منبع کربن براي توليد پليمر توسط E. coli استفاده گرديد. محصول نهايي پليهيدروکسيبوتيرات بميزان 9/35 گرم بر ليتر بدست آمد[35]. استفاده از 13SSF يکي از روشهايي است که به تازگي و در برخي از مطالعات براي توليد پليهيدروکسيآلکانواتها از ضايعات کشاورزي مورد استفاده قرار گرفته است. در يکي از اين تحقيقات از باکتري C. necator براي توليد پليهيدروکسيبوتيرات استفاده گرديد. منبع کربن در اين مطالعه، کيک سويا و ملاس نيشکر بوده است [36]. ترکيب دو نوع ميکروارگانيسم که يکي بعنوان تجزيهکننده منبع کربن و آزادکننده قند لازم براي ميکروارگانيسم اصلي و توليدکننده بيوپليمر است يکي ديگر از راهکارهاي پيشنهادي براي توليد اين نوع از پليمرها بوده است. براي نمونه در يکي از تحقيقات، کاه توسط قارچ A. niger هيدروليز گرديد و هيدروکربن توليد شده توسط باکتري C. necator براي توليد پليهيدروکسيآلکانواتها مورد استفاده قرار گرفت. پلميري که توليد گرديد پليهيدروکسيبوتيرات و به ميزان 1/51 گرم بر ليتر بدست آمد[37].

1-5- سنتز پليهيدروکسيآلکانواتها در گياهان
سنتز پليهيدروکسيآلکانوات در گياهان براي اولين بار در سال 1992 و با تجمع پليهيدروکسيبوتيرات در سيتوپلاسم Arabidopsis thaliana مشاهده گرديد [38].از اين زمان به بعد، طيف وسيعي از پليهيدروکسيآلکانواتها در گونههاي مختلف گياهي سنتز گرديد. هر چند اين پديده در ابتدا براي توليد پليمر مورد استفاده واقع شد اما امروزه از آن براي پيبردن به جنبههاي اصلي متابوليسم در گياهان بکار رفته است[39].همانگونه که ثابت شده است توليد پليهيدروکسيبوتيرات در باکتريها از طريق استيل- کوآنزيم A، صورت ميگيرد. از آنجايي که استيل کوآنزيم A، در گياهان و طبق تئوري بايد در سيتوسل، پلاستيد، ميتوکندري وجود داشته باشد، بنابراين توليد پليهيدروکسيبوتيرات در هر يک از اين واحدهاي سلولي امکانپذير است. بنظر ميرسد که سيتوپلاسم محل اصلي سنتز پليهيدروکسيبوتيرات باشد. گرانولهاي پليهيدروکسيآلکانوات که در سلولهاي گياهي تجمع مييابند، بوسيله ميکروسکوپ الکتروني قابل مشاهده ميباشند. بوسيله اين روش حضور گرانولهاي چربي در گياهاني که تغييرات ژنتيکي يافتهاند قابل مشاهده است [38]. طيف گسترده و کاملي از ژنهاي قابل انتقال از ميکروارگانيسمها به گياهان وجود دارد[32].هر چند، يک مشکل اصلي در توليد پليهيدروکسيآلکانوات در گياهان اثر منفي و مضر ژن phb در رشد گياهان است، اما امروزه با دستکاريهايي که بر روي سه آنزيم دخيل در توليد پليهيدروکسيبوتيرات در گياه Nicotiana tabacum انجام پذيرفت ميزان توليد پليهيدروکسيبوتيرات در برگهاي اين گياه تا 140 ميليگرم بر گرم، بدون اينکه تاثير منفي بر رشد گياه داشته باشد، صورت گرفته است[40]. در مطالعاتي ديگر ژنهاي باکتري R. eutropha به دو گياه Gossypium hirsutum و Zea mays با موفقيت انتقال يافتهاند[41]. همچنين گونههاي مختلفي از غلات براي انتقال ژنهاي پليهيدروکسيآلکانوات مورد استفاده قرار گرفتهاند، در اين ميان، تشکيل مقادير قابل توجه (بيش از 1 درصد) پليهيدروکسيآلکانوات در دانههاي روغني Brassica napus مشاهده گرديده است [42]. در زمينه توليد پليهيدروکسيآلکانواتها در گياهان به کمک انتقال ژن علاوه بر تاثير منفي برخي ژنها بر روي ميزان رشد گياه، معايبي ديگر همچون پايين بودن ميزان محصول و سختي استخراج پليمر از اين گياهان وجود دارد. استخراج پليمر را نميتوان به روشهاي ساده و مکانيکي همانگونه که در مورد استخراج روغن از دانههاي روغني بکار ميرود به انجام رسانيد[41].

1-6- اندازهگيري کمي بيوپليمرها
روشهاي متعددي براي سنجش ميزان پليهيدروکسيآلکانواتها پيشنهاد شده است. بيشتر اين روشها براساس توليد پليهيدروکسيبوتيريت توسط باکتري R. eutropha، استانداردسازي شدهاند. تا پايان دهه 1950 ميلادي، گراويمتري14 متداولترين روش براي سنجش ميزان پليمر توليدي بود. در اين روش ابتدا سلولهاي محتوي پليهيدروکسيبوتيريت بصورت يخ خشک درآمده و در ادامه مراحل کار از کلروفرم و دياتيلاتر يا استون استفاده ميگرديد. در سال 1958 ويلکينسون و ويليامز، نشان دادند که با کنترل زمان و دما، تمامي اجزاي سلولي بجز گرانولهاي پليهيدروکسيبوتيريت در محلول هيپوکلريت سديم قابل حل ميباشند. گسترش اين روش سبب شد که پليهيدروکسيبوتيرات در حضور اسيد سولفوريک به کروتونيک اسيد تبديل شده و با استفاده از اسپکتروفتومتر و در طول موج 235 نانومتر ميزان پليمر توليدي تعيين گردد. روشهاي ذکر شده، بسيار وقت گير و کم دقت بوده و در مقادير کم پليهيدروکسيبوتيرات از دقت چنداني برخوردار نبودند[5]. استفاده از روش مبتني بر اندازهگيري مقدار پليهيدروکسيآلکانوات توليدي توسط دستگاه گازکروماتوگراف، به حل مشکلات فوق انجاميد. به اين دليل که اين روش بسيار سريع (زماني در حدود 4 ساعت نياز داشت)، قابل تکرار و به مقدار کمي نمونه نياز داشت[43] .روشهاي ديگري نظير استفاده از دستگاه HPLC نيز مورد استفاده قرار گرفتهاند اما با کمک اين دستگاه تنها ميتوان پليهيدروکسيبوتيرات را اندازهگيري نمود[44]. روش ديگر استفاده از کروماتوگرافي يوني است که براساس تبديل مونومرها به آلکانويک اسيد استواراست[45]. بغير از روشهاي فوق، روشهاي تشخيصي ديگري نظير cytometry Flow و Fluorescence spectroscopy نيز براي تعيين کمي پليهيدروکسيآلکانواتها پيشنهاد ش
دهاند[46].

1-7- خواص فيزيکي و موارد استفاده پليمرهاي زيستي
تنوع گسترده مونومرها در پليهيدروکسيآلکانواتها طيف وسيعي از پليمرها با خواص فيزيکي متفاوت ايجاد کرده است. پليهيدروکسيبوتيرات بخاطر برخي خواص فيزيکي نظير پايين بودن نقطه ذوب، ترد و شکننده بودن کارايي بسيار محدودي دارد. توليد کوپليمر يکي از راه حلهاي بهبود بخشيدن به خواص پليمر است. در جدول 1-3 خواص فيزيکي پليهيدروکسيآلکانواتها با پليمرهاي مشتقشده از نفت خام مقايسه شده است. نقطه ذوب کوپليمر هيدروکسي بوتيرات – والرات با افزايش تعداد مولهاي والرات کاهش يافته و از 180 درجه سانتيگراد در زماني که ترکيب داراي 40 درصد والرات باشد به 75 درجه سانتيگراد کاهش مييابد.
جدول1-3- مقايسه برخي از خواص فيزيکي پليمرهاي توليدي[18]
نوع پليمر
نقطه ذوب
کشش سطحي
انعطافپذيري
دماي ذوب شيشه اي

P(3HB)
179
40
5
4

P(3HB-co-3HV)

3 mol% HV
170
38

9 mol% HV
162
37

14 mol% HV
150
35

20 mol% HV
145
32

25 mol% HV
137
30

P(3HB-co-4HB)

3 mol% 4HB
166
28
45

10 mol% 4HB
159
24
242

16 mol% 4HB

26
444

64 mol% 4HB
50
17
591

90 mol% 4HB
50
65
1080

P(4HB)
53
104
1000

P(3HHx-co-3HO)
61
10
300

P(3HB-co-6mol% 3HA)
133
17
680
8

P(3HB-co-67mol% HP)
44


19

P(3HB-co-3HHx)
52
20
850
4

Polypropylene
170
5/34
400
45

Polyethylene
262
56
730
34

Polystyrene
110
50

21

LDPE
130
10
620
30

پليهيدروکسيآلکانواتها با زنجيره متوسط خاصيت الاستيکي داشته و موادي سخت محسوب ميشوند و براي توليد لاستيک بسيار مناسب هستند. کوپليمرها در طيف وسيعي از توليدات نظير مقوا، بطري، خودتراش، بستهبندي، مصارف دارويي و پزشکي کاربرد دارند [12].
1-8- قابليت تجزيهپذيري پليهيدروکسيآلکانواتها
يکي از ويژگيهاي منحصر بفرد پليهيدروکسيآلکانواتها، تجزيهپذيري آنها در محيطهاي متفاوت ميباشد. تجزيهپذيري پليهيدروکسيآلکانواتها در محيطهاي مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. نرخ تجزيه متاثر از عوامل متفاوتي است که مهمترين آنها شامل: جمعيت ميکروبي در يک محيط، دما، ميزان رطوبت، pH و ويژگيهاي پليهيدروکسيآلکانواتها ميباشند. بسياري از ميکروارگانيسمها توانايي تبديل پليهيدروکسيآلکانواتها به اوليگومر و مونومرهاي قابل حل در آب داشته و متعاقبا از آن، بعنوان مواد غذايي استفاده ميکنند [47].بسياري از اين ميکروارگانيسمهاي جداسازي شده و در مطالعات مربوط به تجزيهپذيري مورد استفاده قرار گرفتهاند. جدول 1-4 برخي از مهمترين ميکروارگانيسمهايي را که از خاک، آب درياها، درياچهها و لجن فعال جداسازي شدهاند را نشان ميدهد.
جدول 1-4- برخي از ميکروارگانيسمهاي جداسازي شده جهت تجزيه PHAs[5]
محيط جداسازي
ميکروارگانيسم
خاک

Aspergillus fumigatus

Acidovorax faecalis

Comamonas sp.

Pseudomomas lemoignei

Variovorax paradoxus
لجن فعال

A. faecalis

Pseudomonas fluorescens
آب دريا
Comamomas testosteroni
آب درياچه
P. stutzeri
لجن بيهوازي
Ilyobacter delafieldii

تجزيه آنزيمي پليهيدروکسيآلکانواتها واکنشي غيريکنواخت بوده و در دو مرحله صورت ميگيرد. در مرحله اول آنزيم به سطح پليمر متصل شده و زنجيره پليمر توسط سطح فعال آنزيم شکسته ميشود و در مرحله دوم پليمر هيدروليز ميگردد. تحقيقات نشان داده است که کوپليمرهايي که داراي مونومرهاي 4- هيدروکسيبوتيرات ميباشند با سرعت بالاتري نسبت به 3- هيدروکسيبوتيرات و يا کوپليمر هيدروکسيبوتيرات – والرات، تجزيه ميگردند.
تخريب پذيري زيستي بعنوان تجزيه حاصل از فعاليتهاي حياتي يک ميکروارگانيزم تعريف شده است و تجزيه ساده در اثر شرايط فيزيولوژيکي محيط جزء آن محسوب نمي شود. اگر چه دانشمندان ديگر به تعريف تخريب زيستي گستردگي بيشتري داده و بيان مي کنند که تمامي فرايند هاي تجزيه اي داخل بدن موجود زنده و خارج از آن در حيطه تخريب زيستي قرار مي گيرند (Fambri و همکاران، 2002). شکل (1-4) تخريب پليمرهاي PHA را در 4 گام نشان مي دهد؛ 1- جذب آب 2- نزول خصوصيات فيزيکي 3- کاهش نسبت مولي 4- و در نهايت از دست دادن وزن که در بيشتر موارد تقريباٌ با يکديگر همراهند (Fambri و همکاران، 2002)

شکل 1-4- تغييرات موردي يک نمونه از مواد تخريب پذير زيستي در طول زمان

تخريب زيستي مي تواند در آبهاي شيرين و شور، خاک، لجن و کمپوست اتفاق بيفتد و PHA ها تحت شرايط هوازي به محصولات نهايي آب و دي اکسيدکربن و تحت شرايط بي هوازي به آب و متان تبديل مي شوند. PHA ها بطور موثر توسط ميکروارگانيزمهايي چون باکتريهاي Pseudomonas, Alcaligenes، Ilyobacter،Comamonas ، Streptomyces و قارچهايي مثل Ascomycetes، Basidiomycetes، Deuteromycetes ، Mastigiomycetes وMyxomycetes تجزيه مي شود (Volova و همکاران، 2007) البته مي توان نرخ تخريب بيوپلاستيک را با انتخاب آگاهانه نوع و نسبت پليمرهاي دخيل در ساختار آن تا حد زيادي کنترل کرد. بعنوان مثال تفاوت در نرخ تخريب PHB و PHBV به اين علت مي باشد که PHB داراي درجه کريستالي شدن بالاتر و همچنين دماي ذوب بالاتري مي باشد وکمتر در معرض تخريب ميکروارگانيزمي و آنزيمي قرار مي گيرد. ضمناٌ مشاهده شده است نرخ تخريب يک نوع بيوپلاستيک در محيط طبيعي ذخيره گاه 20 تا 30 درصد بيشتر از نرخ تخريب همان بيوپل
استيک در آزمايشگاه مي باشد (Volova و همکاران، 2007).

1-9- فرايندهاي توليد پلي هيدروکسي آلکانوآتها
1-9-1- فرايند غير پيوسته15
تحقيقات زيادي در زمينه توليد پلي هيدروکسي آلکانوآتها به روش بيولوژيکي در فرايند غير پيوسته صورت گرفته است.شارما وهمکاران در سال 2005 با استفاده از کشت Nostoc muscorum اقدام به توليد پلي هيدروکسي آلکانوآتها کردند در اين تحقيق بيوپليمر تجمع يافته در ميکرو ارگانيسم به 35 % وزني خشک سلولي رسيده است[48]. در تحقيق ديگري از پاندا و همکاران در سال 2006 ميزان بيوپليمر توليد شده طي فرايند در فرايند غير پيوسته توسط Synechocystis sp. PCC 6803 تحت شرايط کنترل شده 4.5 % وزن خشک سلولي بوده است[6]. در مطالعه اي ديگر کوئيلاگومن و همکاران موفق گشتند تا از کشت Halomonas boliviensis LC1 در محدوديت مواد مغذي و منابع کربن اضافي در محيط اسيد بوتيريک واستات سديم ميزان 54 در صد وزني پلي هيدروکسي بوتيرات توليد کنند[49] . در سال 2009 مازورو همکاران نيز از روغن پوسته برنج به عنوان مکمل غذائي در محيط کشت غير پيوسته باکتري C. necator استفاده کردند که با افزايش نسبي بازده توليد و کاهش مصرف سوبسترا همراه بوده است[50] .

1-9-2- فرايند نيمه پيوسته16 و پيوسته17
استراتژي فرايند بيولوژيکي ، افزايش دانسيته سلول با تأمين مواد مغذي کافي در محيط کشت است و به دنبال آن يک شرايطي را معرفي مي کند که مواد مغذي مربوط به رشد به جزء منبع کربن محدود مي شوند. اين استراتژي توسط فرايند نيمه پيوسته و پيوسته چند مرحله اي بدست مي آيد(شکل 1-5) . مرحله رشد و مرحله تجمع مي تواند در کشت پيوسته چند مرحله اي انجام شود[51-52] .

شکل 1-5- شمائي از بيوراکتور18 استفاده شده جهت فرايند غير پيوسته و پيوسته

در سيستمهاي دو مرحله اي در مرحله اول محيط کشت شامل گلوکز و نيتروژن اضافي براي توليد دانسيته بالاي سلول ها مي باشد سپس به دنبال آن مرحله دوم مي باشد محيط کشت در شرايط محدوديت مواد مغذي رشد براي توليد پليمر درون سلولي مي باشد(شکل 1-6) . سرعت رشد و تجمع پليمر ها معمولا متفاوت است در نتيجه موجب تفاوت در زمان اقامت در مرحله اول و دوم فرايند و در نتيجه سرعت رقيق سازي مي شود . بر خلاف اينکه کشت پيوسته بازده بالايي به خاطر شدت جريان دارد ، اما به خاطر نسبت کربن به نيتروژن بالا در خوراک با مصرف ناکامل سوبسترا مواجه مي شود . اين سوبستراي مصرف شده به آساني مي تواند بازيابي شود وبه پروسه بازگردانده شود.

شکل 1-6- نمائي از فرايند پيوسته دو مرحله اي[51]

در فرايندهاي بيولوژيکي، جائي که نسبت رشد سلولي به تشکيل محصول توسط غلظت بالاي سوبسترا محدود مي شود فرايند نيمه پيوسته براي رفع محدوديت سوبسترائي وبهبود توليد محصول بسيار مناسب مي باشد. سوبسترا درغلظتي پايين تر از محدوده بحراني به منظور از بين بردن محدوديت سوبسترائي خوراک دهي مي شود.در کليه مطالعات انجام پذيرفته در فرايند بيولوژيکي نيمه پيوسته بر روي ميزان PH ، اکسيژن نامحلول و غلظت سوبسترا دقت شده است که از اين طريق پارامترهاي مورد نظر جهت تعيين ميزان خوراک دهي استخراج مي گردند. همچنين ميزان نسبت غلظت نيتروژن به


دیدگاهتان را بنویسید