شماره مدرك
20919
شماره راهنما
17970
پديد آورنده
حيدريان نائيني، نازنين
عنوان
بررسي تبديل زيستي دي اكسيدكربن به زيستتوده قرمز جلبك كرموكلوريس زوفينگنسيس در كشت اتوتروف با استفاده از هواي غني از دي اكسيد كربن
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
بيوتكنولوژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
چهارده، 111ص، : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
ريزجلبكها , كاروتنوئيدها , آنتياكسيدان , آستاگزانتين , كروموكلوريس زوفينگنسيس , كلرلا زوفينگنسيس , جذب زيستي دي اكسيدكربن
تاريخ ورود اطلاعات
1404/11/16
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
دانشكده
مهندسي شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/11/21
كد ايرانداك
23204976
چكيده فارسي
افزايش مداوم غلظت دياكسيدكربن، بهعنوان يكي از عوامل اصلي تغييرات اقليمي، نياز به توسعه راهكارهاي پايدار براي كاهش انتشار گازهاي گلخانهاي و توليد زيستتوده باارزش افزوده را بيشازپيش آشكار كرده است. پژوهش حاضر با هدف بررسي تثبيت زيستي دياكسيدكربن و تبديل آن به زيستتوده سبز و سپس قرمز غني از كاروتنوئيدها به ويژه آستاگزانتن در ريزجلبك كروموكلوريس زوفينگنسيس انجام شد. كشتها در فاز رشد اتوتروف تحت شرايط كنترلشده در دو نرخ هوادهي vvm2 و vvm0.5 در غلظت هاي مختلف دي اكسيدكربن در دو حالت غنيشده و شاهد پرورش داده شدند و پس از دستيابي به حداكثر زيستتوده وارد فاز شوك شامل محدوديت نيتروژن و نور شديد به مدت 40 تا 70 روز شدند. در طول تمام آزمايش ها براي انتخاب شرايط عملياتي بهينه، شاخص هاي رشد، نرخ رشد ويژه، نرخ تثبيت دي اكسيدكربن و بهره وري حجمي اندازه گيري و بررسي شد. پس از انتخاب شرايط عملياتي بهينه، براي زيست توده سبز و قرمز در نتيجه ي كشت بهينه، تركيب درصد عناصر اصلي زيست توده (CHNS)، درصد ليپيد كل، درصد پروتئين كل و نرخ رشد ويژه در انتهاي شوك محاسبه شد. علاوه بر اين، به جهت بررسي زيست توده ي قرمز بدست آمده از كشت با هوادهي vvm0.5 در چهار غلظت مختلف دي اكسيدكربن در هر دو حالت شاهد و غني شده، آزمون كاروتنوئيد كل از پودر قرمز گرفته شد. نتايج نشان داد كه تزريق كنترلشده دياكسيدكربن، در مقايسه باحالت شاهد، موجب افزايش زيستتوده سبز و بهبود شاخص هاي رشد مي شود. همچنين كشت با غلظت دياكسيدكربن 0.2 درصد و نرخ هوادهي vvm0.5، با مطلوبيت از منظر شاخص هاي رشد و پايداري تغييرات pH، با وزن خشك زيست توده سبز (0.05 ± 1.97 گرم بر ليتر)، نرخ تثبيت دي اكسيدكربن(0.25 gCO2.L⁻¹.day⁻¹ ) و صرفه ي اقتصادي بهعنوان شرايط بهينه معرفي شد. كاهش نرخ هوادهي در كنار حفظ توليد زيستتوده بالا، اختلاط مؤثر، كاهش هدررفت دياكسيدكربن و صرفهجويي انرژي را به همراه داشت كه از منظر اقتصادي و زيستمحيطي اهميت دارد. اگرچه درصد توتال كاروتنوئيد در زيستتودههاي با تراكم بالاتر نسبت به واحد وزن خشك كاهش نشان داد، كه ناشي از افزايش شديد زيستتوده و سايهاندازي سلولي بوده و كاهش توان متابوليكي ريزجلبك را نشان نميدهد، اما مقادير بهدستآمده (0.11 ± 0.77 درصد تا0.10 ± 1.47 درصد) براي كشت اتوتروفيك قابل توجه است. زيستتوده حاصل از شرايط بهينه رشد، پس از ورود به فاز شوك، توانايي بالايي در تبديل مؤثر به زيستتوده قرمز غني از كاروتنوئيد را نشان داد و اندازهگيري تركيب شيميايي زيست توده شامل پروتئين، ليپيد، خاكستر، درصد نيتروژن و كربن، روند تغييرات زيستتوده سبز به قرمز را به طور كامل ناشي از فعاليت كاروتنوئيدي و شرايط موثر شوك توجيه كرد. كشت در مقياس فتوبيوراكتور 70 ليتري با حجم كاري 40 ليتر نيز امكان سنجي توليد صنعتي و انتقال نتايج آزمايشگاهي به مقياس بالاتر را تاييد كرد و شرايط نسبتاً پايدار و مؤثري از نظر رشد ريزجلبك، فتوسنتز و توليد زيستتوده با وزن خشك (0.13 ± 0.83 گرم بر ليتر)، فراهم آورد. اين مطالعه نشان ميدهد كه تعيين درصد بهينه دياكسيدكربن و نرخ هوادهي مناسب، همراه با كنترل شرايط عملياتي، منجر به توليد زيستتوده سبز و قرمز با كيفيت بالا، تثبيت مؤثر دياكسيدكربن، صرفه اقتصادي و استفاده پايدار از منابع ميشود و راهنمايي عملي براي توسعه سيستمهاي كشت ريزجلبك اقتصادي و صنعتي فراهم ميكند.
چكيده انگليسي
The continuous increase in carbon dioxide concentration, as one of the main drivers of climate change, has highlighted the growing need for the development of sustainable strategies for reducing greenhouse gas emissions and producing value-added biomass. The present study was conducted to investigate the biological fixation of carbon dioxide and its conversion into green biomass and subsequently carotenoid-rich red biomass, particularly astaxanthin, using the microalga Chromochloris zofingiensis. Cultivations were performed during the autotrophic growth phase under controlled conditions at two aeration rates (0.5 and 2vvm) and various carbon dioxide concentrations in both enriched and control conditions. After reaching maximum biomass, the cultures were subjected to a shock phase consisting of nitrogen limitation and high light intensity for a period of 40 to 70 days. Throughout all experiments, growth indicators, specific growth rate, carbon dioxide fixation rate, and volumetric productivity were measured and evaluated to determine optimal operational conditions. After selecting the optimal operational conditions, the elemental composition of the biomass (CHNS), total lipid content, total protein content, and specific growth rate at the end of the shock phase were determined for both green and red biomass produced under optimal cultivation conditions. In addition, total carotenoid analysis was performed on red biomass powder obtained from cultures aerated at 0.5vvm under four different carbon dioxide concentrations in both control and enriched conditions. The results showed that controlled carbon dioxide injection, compared with the control condition, led to increased green biomass production and improved growth indicators. Cultivation at a carbon dioxide concentration of 0.2% and an aeration rate of 0.5vvm was identified as the optimal condition in terms of growth performance, pH stability, green biomass dry weight (1.97 ± 0.05 g.L⁻¹), carbon dioxide fixation rate (0.25 g CO₂ .L⁻¹.day⁻¹), and economic feasibility. Reducing the aeration rate while maintaining high biomass productivity resulted in effective mixing, reduced carbon dioxide loss, and energy savings, which are significant from both economic and environmental perspectives. Although the total carotenoid content per unit dry weight decreased in higher biomass densities due to the substantial increase in biomass concentration and cellular self-shading, this reduction does not indicate a decline in the metabolic capacity of the microalga. Nevertheless, the obtained values (ranging from 0.77 ± 0.11% to 1.47 ± 0.10%) are considered noteworthy for autotrophic cultivation. Biomass produced under optimal growth conditions demonstrated a high capacity for effective conversion into carotenoid-rich red biomass after entering the shock phase. Chemical composition analysis of the biomass, including protein, lipid, ash, nitrogen, and carbon content, fully explained the transition from green to red biomass as a result of carotenoid activity and the applied shock conditions. Cultivation at the scale of a 70 L photobioreactor with a working volume of 40 L also confirmed the feasibility of industrial production and the scalability of laboratory findings to a larger scale, providing relatively stable and effective conditions in terms of microalgal growth, photosynthesis, and biomass production, with a dry biomass concentration of 0.83 ± 0.13 g.L⁻¹. This study demonstrates that determining the optimal carbon dioxide concentration and an appropriate aeration rate, together with controlled operational conditions, leads to the production of high-quality green and red biomass, effective carbon dioxide fixation, economic efficiency, and sustainable resource utilization, and provides practical guidance for the development of economical and industrial microalgae cultivation systems.
استاد راهنما
محمد هادي جزيني
استاد داور
حميد زيلوئي , محمدامين بوجاري