2-1- مروری بر كاربردهای كشت نیمه‌پیوسته (غیر مداوم خوراك‌دهی شده) 11
2-2- مروری بر تولید بوتانل از طریق كشت میكروبی.. 13
2-3- مروری بر بهینه‌سازی فرایند‌های تخمیر نیمه‌پیوسته. 13
3- فرایند. 16
3-1- طراحی فرمانتور 17
3-2- كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك‌دهی‌شده) 19
3-2-1- مزایای كشت نیمه پیوسته (غیر مداوم خوارك‌دهی‌شده) 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- مدل‌های رشد میكروارگانیسم‌ها 31
4-2-1- مدل‌های ساختار نیافته. 31
4-2-1-1- مدل‌های مونود، هالدن، كناك، تیسیر و موزر 31
4-2-1-2- مدل شبكه عصبی.. 33
4-2-2- مدل‌های ساختاریافته. 33
4-2-2-1- مدل‌های مبتنی بر آنالیز موازنه فلاكس (FBA) 35
4-2-2-2- مدل‌های 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- بهینه‌سازی.. 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
مقدمه‌ای بر بیوتكنولوژی
بی‌تردید زیست‌شناسی جدید با آرایش مبهوت‌كننده‌ای از رشته‌های فرعی گوناگون مثل میكروب‌شناسی، كالبدشناسی جانوری و گیاهی، زیست شیمی، ایمنی‌شناسی، زیست‌شناسی سلولی، فیزیولوژی گیاهی و جانوری، ریخت‌زایی، سیستماتیك[1]، بوم‌شناسی، دیرینه‌شناسی گیاهی، ژنتیك و بسیاری از رشته‌های دیگر، متنوع‌ترین بخش علوم طبیعی است. تنوع فزاینده زیست‌شناسی جدید بیشتر از آنجا ناشی می‌شود كه پس از جنگ جهانی دوم، رشته‌های علمی دیگر چون فیزیك، شیمی، و ریاضیات در زیست‌شناسی به كار گرفته شد و توصیف فرآیند‌های زیستی را در حد سلول و هسته سلولی امكان‌پذیر ساخت.
زیست‌شناسی 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 «به‌كارگیری ارگانیسم‌ها یا فرایندهای زیستی در صنایع تولیدی و خدماتی» تعریف كرده‌اند. بیوتكنولوژی دانشی است كه كاربرد یكپارچه زیست‌شیمی، میكروبشناسی و تكنولوژی‌های تولید را در سیستم‌های زیستی، به جهت استفاده‌ای كه در سرشت بین رشته‌ای علوم دارند، مطالعه می‌كند.
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 می‌شود و در بیوسنتز[3] عمدتاً متكی بر مواد ارزان هستند. فعالیت‌های 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 جنبه‌های پزشكی، علوم دامپزشكی و دارویی است. بیوتكنولوژی از نظر بین‌المللی همانقدر (چه‌بسا بیشتر) نوید بخش استفاده‌های تجاری است كه انقلاب میكروالكترونیك[4] فراهم كرد. بویژه آنكه صنایع بیوتكنولوژیك عمدتاً بر پایه مواد تجدیدشدنی و گردش‌پذیر خواهد بود و از این‌رو می‌تواند با نیازهای جامعه‌ای كه در آن انرژی روز به روز گران‌تر و كمیابتر می‌شود سازگار شود. بیوتكنولوژی از جهات بسیار هنوز یك تكنولوژی نوپا بوده و پیشرفت‌هایش مستلزم كنترل ماهرانه است، اما توانایی‌های آن گسترده و متنوع است و بی‌تردید در بسیاری از فرآیندهای صنعتی آینده نقش مهم و فزاینده‌ای خواهد داشت.
بیوتكنولوژی ذاتاً حرفه‌ای بین رشته‌ای است. بیوتكنول
وژیست[5] فنون مأخوذ از شیمی، میكروب‌شناسی، مهندسی شیمی و دانش كامپیوتر را به كار می‌گیرد. اهداف اصلی آن، نوآوری، توسعه و اجرای مطلوب فرایندهایی است كه كاتالیزور[6] زیست شیمیایی در آن نقش اصلی و غیر قابل جایگزینی دارد. بیوتكنولوژیست‌ها باید با متخصصین سایر قلمروهای وابسته مانند پزشكی، تغذیه، صنایع شیمیایی و دارویی، حفظ محیط زیست و تكنولوژی به عمل‌آوری 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 می‌گردد. اما كشف آنتی‌بیوتیك‌ها[7] در سال 1929 و سپس تولید انبوه آنها در دهه 1940 بیشترین پیشرفت‌ها را در تكنولوژی تخمیر فراهم آورد. از آن پس ما نه تنها در تولید آنتی‌بیوتیك‌ها، بلكه در تولید بسیاری از فرآورده‌های شیمیایی ساده یا پیچیده مفید، به عنوان مثال اسیدهای آلی، پلی‌ساكاریدها، آنزیم‌ها، واكسن‌ها، هورمون‌ها و غیره شاهد توسعه شگفت‌انگیز تكنولوژی تخمیر بوده‌ایم. علت اصلی توسعه فرایندهای تخمیری رابطه نزدیك و فزاینده بین زیست‌شیمیدان‌ها، میكروب‌شناسان و مهندسان شیمی است.
مهم‌ترین دلیل برای آگاهی روزافزون از بیوتكنولوژی، رسیدن به این واقعیت بود كه منابع سوختهای فسیلی محدود است. بنابراین انسان باید در پی شیوه‌هایی 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 بیوتكنولوژیست‌ها امروزه عمدتاً به كاربردهای دو كشف زیست‌شناسی بر می‌گردد كه عبارتند از:
الف) توسعه تكنولوژی یا مهندسی آنزیمی، یعنی استفاده از واحدهای زیستی جداشده با آنزیم‌ها در صنعت و پزشكی.
ب) مهندسی ژنتیكی، یعنی استفاده از توانایی تازه كسب‌شده انسان در انتقال اطلاعات ژنتیكی بین ارگانیسم‌های كاملاً غیر منسوب و دور از هم، مانند گیاهان، جانوران و میكروارگانیسم‌ها.
این قلمروها اساساً در پی بهره‌برداری از كشفیات زیست‌شناسی مولكولی و آنزیمولوژی[9] است و واژه مهندسی مولكول‌های زیستی برای استناد به مجموعه این دو به كار می‌رود.
1-2- بیوتكنولوژی- یك هسته مركزی با دو جزء
در اصل بیوتكنولوژی را می‌توان هسته‌ای 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، مناسب‌ترین 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 می‌زند. این مسئله مانع استفاده از ارگانیسم‌های آلی و بویژه كشت سلول‌های گیاهی و جانوری نیست كه نقش مهم و فزاینده‌ای در بیوتكنولوژی خواهد داشت.
میكروارگانیسم‌ها را می‌توان هم به عنوان نخستین تثبیت‌كنندگان انرژی فتوسنتزی و هم به عنوان سیستم‌هایی در نظر گرفت كه تقریباً در تمام انواع مولكول‌های آلی طبیعی و دست ساخته بشر تغییراتی ایجاد می‌كند. مجموعاً آنها گنجینه ژنی بیكرانی دارند كه پتانسیل تجزیه‌ای و تركیبی (سنتزی) تقریباً نامحدودی فراهم می‌كنند. بعلاوه میكروارگانیسم‌ها در مقایسه با تمام ارگانیسم‌های عالی مانند گیاهان و جانواران میزان رشد بسیار سریعی دارند. پس تحت شرایط محیطی مناسبی در مدت‌زمانی كوتاه می‌توان مقادیر هنگفتی از آنها را تولید كرد.
متدولوژی‌هایی كه عموماً مورد استفاده‌اند، انتخاب میكروارگانیسم‌های بهتر از گنجینه طبیعی محیط، تغییر و تبدیل میكروارگانیسم‌ها توسط جهش و اخیراً بسیج یك رشته از روش‌ها و فنون جدی مأخوذ از زیست‌شناسی مولكولی را فراهم ساخته است كه نهایتاً بازسازی میكروارگانیسم‌هایی با توانایی‌های شیمیایی كاملاً نوین را توسط انسان امكان‌پذیر می‌سازد. این فنون جدید از تلاش‌های بنیادی و اساساً علمی محض در زیست‌شناسی مولكولی طی سالهای اخیر مایه گرفته است. این ارگانیسم‌ها كه بدقت انتخاب و دستكاری شده‌اند باید به شكلی اساساً تغییرناپذیر حفظ شوند كه این كار مستلزم طیف دیگری از فنون برای حفظ ارگانیسم‌ها به منظور ابقای خصوصیات اصلی‌شان طی فرایندهای صنعتی و بالاتر از همه حفظ قدرت و قابلیت زیست آنهاست. در بسیاری از موارد كاتالیست به شكلی جدا و خالص‌شده، یعنی آنزیم به كار گرفته می‌شود و امروزه اطلاعات بسیار زیادی در رابطه با تولید انبوه، جداسازی و خالص كردن تك‌تك آنزیم‌ها و تثبیت آنها به روش‌های مصنوعی در دست است.