2-1- مروری بر كاربردهای كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوراك دهی شده) 11
2-2- مروری بر تولید بوتانل از طریق كشت میكروبی.. 13
2-3- مروری بر بهینه سازی فرایند های تخمیر نیمه پیوسته. 13
3- فرایند. 16
3-1- طراحی فرمانتور 17
3-2- كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك دهی شده) 19
3-2-1- مزایای كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك دهی شده) 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 بیوراكتور نیمه پیوسته. 30
4-2- مدل های رشد میكروارگانیسم ها 31
4-2-1- مدل های ساختار نیافته. 31
4-2-1-1- مدل های مونود، هالدن، كناك، تیسیر و موزر 31
4-2-1-2- مدل شبكه عصبی.. 33
4-2-2- مدل های ساختاریافته. 33
4-2-2-1- مدل های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاكس (FBA) 35
4-2-2-2- مدل های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاكس پویا (DFBA ) 39
4-3- مدلسازی مورد استفاده در این تحقیق.. 40
4-3-1- معادلات حاكم.. 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- بهینه سازی.. 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 یك…. 74
پیوست دو 80
مقدمه ای بر بیوتكنولوژی
بی تردید زیست شناسی جدید با آرایش مبهوت كننده ای از رشته های فرعی گوناگون مثل میكروب شناسی، كالبدشناسی جانوری و گیاهی، زیست شیمی، ایمنی شناسی، زیست شناسی سلولی، فیزیولوژی گیاهی و جانوری، ریخت زایی، سیستماتیك[1]، بوم شناسی، دیرینه شناسی گیاهی، ژنتیك و بسیاری از رشته های دیگر، متنوع ترین بخش علوم طبیعی است. تنوع فزاینده زیست شناسی جدید بیشتر از آنجا ناشی می شود كه پس از جنگ جهانی دوم، رشته های علمی دیگر چون فیزیك، شیمی، و ریاضیات در زیست شناسی به كار گرفته شد و توصیف فرآیند های زیستی را در حد سلول و هسته سلولی امكان پذیر ساخت.
زیست شناسی جدید تاكنون سهم مهمی در رفاه و سلامت بشر داشته است. با این حال آنچه تاكنون از این راه به دست آمده است، در قیاس با نویدهایی كه در سایه بیوتكنولوژی تحقق خواهد یافت بسیار ناچیز است.
بیوتكنولوژی[2] را تحت عنوان «به كارگیری ارگانیسم ها یا فرایندهای زیستی در صنایع تولیدی و خدماتی» تعریف كرده اند. بیوتكنولوژی دانشی است كه كاربرد یكپارچه زیست شیمی، میكروبشناسی و تكنولوژی های تولید را در سیستم های زیستی، به جهت استفاده ای كه در سرشت بین رشته ای علوم دارند، مطالعه می كند.
بیوتكنولوژی صنایع كاملاً نوینی خواهد آفرید كه انرژی فسیلی اندكی لازم دارند و اقتصاد جهانی را تغییر خواهد داد. فرایندهای بیوتكنولوژیك در بیشتر موارد با صرف انرژی كم در دمای پایین انجام می شود و در بیوسنتز[3] عمدتاً متكی بر مواد ارزان هستند. فعالیت های صنعتی تحت تأثیر آن شامل تولید غذا برای انسان و جانوران، تدارك مواد خام شیمیایی به جای منابع پتروشیمیایی، منابع جایگزین انرژی، به گردش درآوردن پسماندها در طبیعت، كنترل آلودگی، كشاورزی و تولید مواد جدید برای یاری رساندن و متحول كردن بسیاری از جنبه های پزشكی، علوم دامپزشكی و دارویی است. بیوتكنولوژی از نظر بین المللی همانقدر (چه بسا بیشتر) نوید بخش استفاده های تجاری است كه انقلاب میكروالكترونیك[4] فراهم كرد. بویژه آنكه صنایع بیوتكنولوژیك عمدتاً بر پایه مواد تجدیدشدنی و گردش پذیر خواهد بود و از این رو می تواند با نیازهای جامعه ای كه در آن انرژی روز به روز گران تر و كمیابتر می شود سازگار شود. بیوتكنولوژی از جهات بسیار هنوز یك تكنولوژی نوپا بوده و پیشرفت هایش مستلزم كنترل ماهرانه است، اما توانایی های آن گسترده و متنوع است و بی تردید در بسیاری از فرآیندهای صنعتی آینده نقش مهم و فزاینده ای خواهد داشت.
بیوتكنولوژی ذاتاً حرفه ای بین رشته ای است. بیوتكنول
وژیست[5] فنون مأخوذ از شیمی، میكروب شناسی،مهندسی شیمیو دانش كامپیوتر را به كار می گیرد. اهداف اصلی آن، نوآوری، توسعه و اجرای مطلوب فرایندهایی است كه كاتالیزور[6] زیست شیمیایی در آن نقش اصلی و غیر قابل جایگزینی دارد. بیوتكنولوژیست ها باید با متخصصین سایر قلمروهای وابسته مانند پزشكی، تغذیه، صنایع شیمیایی و دارویی، حفظ محیط زیست و تكنولوژی به عمل آوری مواد پسماند نیز همكاری نزدیك داشته باشند. خاستگاه بسیاری از فرایندهای بیوتكنولوژیك فعلی به تخمیرهای سنتی و باستانی مانند تولید نان، پنیر، ماست و سركه بر می گردد. اما كشف آنتی بیوتیك ها[7] در سال 1929 و سپس تولید انبوه آنها در دهه 1940 بیشترین پیشرفت ها را در تكنولوژی تخمیر فراهم آورد. از آن پس ما نه تنها در تولید آنتی بیوتیك ها، بلكه در تولید بسیاری از فرآورده های شیمیایی ساده یا پیچیده مفید، به عنوان مثال اسیدهای آلی، پلی ساكاریدها، آنزیم ها، واكسن ها، هورمون ها و غیره شاهد توسعه شگفت انگیز تكنولوژی تخمیر بوده ایم. علت اصلی توسعه فرایندهای تخمیری رابطه نزدیك و فزاینده بین زیست شیمیدان ها، میكروب شناسان و مهندسان شیمی است.
مهم ترین دلیل برای آگاهی روزافزون از بیوتكنولوژی، رسیدن به این واقعیت بود كه منابع سوختهای فسیلی محدود است. بنابراین انسان باید در پی شیوه هایی باشد كه با استفاده از توده زیستی[8]، مستقیم و غیر مستقیم انرژی خورشیدی را به شكل قابل استفاده درآورد. از این توده زیستی بسیاری از مواد شیمیایی ضروری برای بقای انسان به دست خواهد آمد. گرچه صنایع تخمیری سنتی همیشه در بیوتكنولوژی نقش مركزی خواهد داشت، امید بیوتكنولوژیست ها امروزه عمدتاً به كاربردهای دو كشف زیست شناسی بر می گردد كه عبارتند از:
الف) توسعه تكنولوژی یا مهندسی آنزیمی، یعنی استفاده از واحدهای زیستی جداشده با آنزیم ها در صنعت و پزشكی.
ب) مهندسی ژنتیكی، یعنی استفاده از توانایی تازه كسب شده انسان در انتقال اطلاعات ژنتیكی بین ارگانیسم های كاملاً غیر منسوب و دور از هم، مانند گیاهان، جانوران و میكروارگانیسم ها.
این قلمروها اساساً در پی بهره برداری از كشفیات زیست شناسی مولكولی و آنزیمولوژی[9] است و واژه مهندسی مولكول های زیستی برای استناد به مجموعه این دو به كار می رود.
1-2- بیوتكنولوژی- یك هسته مركزی با دو جزء
در اصل بیوتكنولوژی را می توان هسته ای مركزی و دارای دو جزء دانست كه در آن یك جزء به دنبال دستیابی به بهترین كاتالیست[10] برای یك فرآیند یا عملكرد ویژه و دیگری با فراهم كردن ساختمان و اجرای فنی در پی ایجاد بهترین محیط ممكن جهت به كار گرفتن كاتالیست است.
در بیشتر مواردی كه تاكنون توسعه یافته است، مؤثرترین، مناسب ترین و پایدارترین شكل برای یك كاتالیست در یك فرایند بیوتكنولوژیك ارگانیسم كامل بوده است و به همین دلیل بیشتر كارهای بیوتكنولوژی بر پایه فرآیندهای میكروبی دور می زند. این مسئله مانع استفاده از ارگانیسم های آلی و بویژه كشت سلول های گیاهی و جانوری نیست كه نقش مهم و فزاینده ای در بیوتكنولوژی خواهد داشت.
میكروارگانیسم ها را می توان هم به عنوان نخستین تثبیت كنندگان انرژی فتوسنتزی و هم به عنوان سیستم هایی در نظر گرفت كه تقریباً در تمام انواع مولكول های آلی طبیعی و دست ساخته بشر تغییراتی ایجاد می كند. مجموعاً آنها گنجینه ژنی بیكرانی دارند كه پتانسیل تجزیه ای و تركیبی (سنتزی) تقریباً نامحدودی فراهم می كنند. بعلاوه میكروارگانیسم ها در مقایسه با تمام ارگانیسم های عالی مانند گیاهان و جانواران میزان رشد بسیار سریعی دارند. پس تحت شرایط محیطی مناسبی در مدت زمانی كوتاه می توان مقادیر هنگفتی از آنها را تولید كرد.
متدولوژی هایی كه عموماً مورد استفاده اند، انتخاب میكروارگانیسم های بهتر از گنجینه طبیعی محیط، تغییر و تبدیل میكروارگانیسم ها توسط جهش و اخیراً بسیج یك رشته از روش ها و فنون جدی مأخوذ از زیست شناسی مولكولی را فراهم ساخته است كه نهایتاً بازسازی میكروارگانیسم هایی با توانایی های شیمیایی كاملاً نوین را توسط انسان امكان پذیر می سازد. این فنون جدید از تلاش های بنیادی و اساساً علمی محض در زیست شناسی مولكولی طی سالهای اخیر مایه گرفته است. این ارگانیسم ها كه بدقت انتخاب و دستكاری شده اند باید به شكلی اساساً تغییرناپذیر حفظ شوند كه این كار مستلزم طیف دیگری از فنون برای حفظ ارگانیسم ها به منظور ابقای خصوصیات اصلی شان طی فرایندهای صنعتی و بالاتر از همه حفظ قدرت و قابلیت زیست آنهاست. در بسیاری از موارد كاتالیست به شكلی جدا و خالص شده، یعنی آنزیم به كار گرفته می شود و امروزه اطلاعات بسیار زیادی در رابطه با تولید انبوه، جداسازی و خالص كردن تك تك آنزیم ها و تثبیت آنها به روش های مصنوعی در دست است.