چکیده
 
هدف از انجام این مطالعه تولید بیوپلیمر پلی­هیدروکسی­ آلکانوآتها با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از بیوپلیمر تولید شده مورد بررسی قرار گرفت . با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از اولتراسونیک نتیجه بهتری در بر داشت و نانوذرات بصورت یکنواخت بر روی سطح بیوپلیمر تثبیت گشتند.
 
کلمات کلیدی:   پلی هیدروکسی آلکانوات، Cupriavidus necator DSMZ 545، کشت غیر پیوسته،کشت نیمه پیوسته،مدل سینتیکی، نانوکامپوزیت بیوپلیمری
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                         صفحه
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 ………………………………………………………………15
1-5- سنتز پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها در گیاهان………………………………………………………………………..16
1-6- اندازه ­گیری 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- روش های اندازه گیری  ………………………………………………………………………………………33
 
 عنوان                                                                                                        صفحه
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 كشت 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 كالیبراسیون وزن خشك سلولی- جذب…………………………………………………………..50
2-9-  تهیه منحنی­های كالیبراسیون جهت تعیین مقادیر منابع کربن…………………………………………………51
2-9-1-  طرز تهیه محلول معرف DNS…………………………………………………………………………………..51
2-9-2- رسم منحنی كالیبراسیون قندهای قابل تبدیل………………………………………………………………….51
 
 
عنوان                                                                                                        صفحه
2-10- شرایط کروماتوگراف­گازی برای اندازه ­گیری پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها……………………….52
2-10-1- تهیه استاندارد داخلی………………………………………………………………………………………….53
2-10-2- تهیه منحنی­های کالیبراسیون متیل­هیدروکسی­بوتیرات، متیل هیدروکسی­والرات
و متیل­هیدروکسی­هگزانوات……………………………………………………………………………………………..53
2-10-3- استخراج بیوپلیمر و آماده سازی نمونه برای تزریق به دستگاه GC………………………………54
2-10-4- روش شناسائی و تایید بیوپلیمر توسط 13C NMR،1H NMR ،. FT-IR…………………………..55
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
 
 
 
عنوان                                                                                                       صفحه
فصل سوم- نتایج و بحث
3-1- میکروارگانیسم Hydrogenophaga pseudoflava DSMZ 1034…………………………62
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………………………………………………68
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…………………………………..80
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…………………………85
عنوان                                                                                                     صفحه
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
 
 
عنوان                                                                                                     صفحه
 
فصل چهارم-نتیجه گیری وپیشنهادات
4-1- نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………113
4-2- پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………..116
مراجع …………………………………………………………………………………………………………………..117
چکیده انگلیسی ……………………………………………………………………………………………………127
پیوستها…………………………………………………………………………………………………………………128
 
عنوان                                                                                                          صفحه
شکل 1-1-شمای ختار کلی پلی هیدروکسی آلکانوآتها…………………………………………………………………..8
شکل 1-2- ساختار شیمیایی پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها …………………………………………………………………12
شکل 1 -3- مسیر بیوسنتز پلی­هیدروکسی­بوتیرات و پلی­هیدروکسی­بوتیرات – والرات………………………….14
شکل1-4- تغییرات موردی یک نمونه از مواد تخریب پذیر زیستی در طول زمان…………………………………….. 22
شکل 1-5- شمائی از بیوراکتور استفاده شده جهت فرایند غیر پیوسته و پیوسته …………………………………. 25
شکل 1-6- نمائی از فرایند پیوسته دو مرحله ای…………………………………………………………………………….26
شکل 1-7-  مدل های رشد میکروارگانیسم ها………………………………………………………………………………29
شکل 2-1- اندازه گیری مستقیم میزان اکسیژن انتقال یافته به محیط کشت  توسط روش دینامیک…………..58
شکل 3-1-  تاثیر سن تلقیح بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی(T = 30°C، (shaking rate = 250 rpm ………………………………………………………………………………………………62
شکل 3-2- تاثیر شدت  هم زدن بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی(T = 30°C،(seed age = 12 h ………………………………………………………………………………………………….63
شکل 3-3- تاثیر دما بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی(shaking rate =
250 rpm ، (seed age = 12…………………………………………………………………………………………….63
شکل 3-4 – بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف گلوکز به عنوان سوبسترا…….64
شکل 3- 5- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف فروکتوز به عنوان سوبسترا…..65
 
عنوان                                                                                                          صفحه
شکل 3-6 – بیوپلیمر تولیدشده (PHB,PHV)  ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف آب پنیر……………….66
شکل 3-7 – تاثیر سن تلقیح بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بولوژیکی(T = 30°C، (shaking rate = 250 rpm……………………………………………………………………………………………….68
شکل 3-8-  تاثیر شدت  هم زدن بر روی رشد سلولی  وتولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی (T = 30°C،(seed age = 24………………………………………………………………………………………………………69
شکل 3-9- تاثیر دما بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی(shaking rate = 250 rpm ،  (seed age = 24…………………………………………………………………………………………………..  69
شکل 3-10- تاثیر نسبت نیتروژن به کربن (1 به 20) بر روی رشد سلولی وتولید بیوپلیمر………………………71
شکل 3-11- تاثیر نسبت نیتروژن به کربن (1 به 30) بر روی رشد سلولی وتولید بیوپلیمر………………………71
شکل 3-12-  بیوپلیمر تولیدشده ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف گلوکز  با نسبت کربن به نیتروژن 40 72
شکل 3-13- تاثیر نسبت نیتروژن به کربن (1 به 50) بر روی رشد سلولی وتولید بیوپلیمر………………………73
شکل 3-14- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف فروکتوز به عنوان سوبسترا….75
شکل 3-15- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف ملاس به عنوان سوبسترا……76
شکل 3-16- بیوپلیمر تولیدشده ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف ترکیب ملاس و استات با نسبت
(35 به 5) به عنوان سوبسترا…………………………………………………………………………………………………….. 77
شکل 3-17- بیوپلیمر تولیدشده ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف ترکیب ملاس و استات بانسبت
( 30 به10 ) به عنوان سوبسترا……………………………………………………………………………………………………78
 
عنوان                                                                                                          صفحه
شکل 3-18- بیوپلیمر تولیدشده ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف ترکیب ملاس و استات با نسبت
(25 به 15) به عنوان سوبسترا…………………………………………………………………………….. ……………………..79
شکل 3-19-  بیوپلیمر تولیدشده ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف ترکیب ملاس و استات با نسبت
(20 به 20)  به عنوان سوبسترا……………………………………………………………………………………………………79
شکل 3-20- تاثیر شدت  هم زدن بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی
(T = 30°C،(seed age = 15   …………………………………………………………………………………………81
شکل 3-21- تاثیر دما بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی
(shaking rate = 250 rpm ،(seed age =15h…………………………………………………………………81.
شکل 3-22- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف گلوکز به عنوان سوبسترا ……82
شکل 3-23- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف فروکتوز به عنوان سوبسترا …83
شکل 3-24- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف آب پنیر به عنوان سوبسترا ….85
شکل 3-25- تاثیر سن تلقیح بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی
(T = 30°C، (shaking rate = 250 rpm………………………………………………………………………….86
شکل 3- 26- تاثیر شدت  هم زدن بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی
(T = 30°C،(seed age =18 …………………………………………………………………………………………….86
شکل 3- 27- تاثیر دما بر روی رشد سلولی تولید بیوپلیمردر شرایط فرایند بیولوژیکی
(shaking rate = 250 rpm ،(seed age =18 ………………………………………………………………….87
شکل 3-28- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف گلوکز به عنوان سوبسترا……88
عنوان                                                                                                         صفحه
شکل 3- 29- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف فروکتوز به عنوان سوبسترا….89
شکل 3- 30- بیوپلیمر تولیدشده(PHB) ومیزان رشد سلولی به ازای مصرف آب پنیر به عنوان سوبسترا …90
شکل 3-31- برازش مدل سینتیکی مونود در فرایند تولید پلی هیدروکسی بوتیرات ……………………………..94
شکل 3- 32- برازش مدل مالتوس بر روی داده های آزمایشگاهی حاصل از فرایند تولید بیوپلیمر
توسط ……………………………………………………………………………………………………………..94C. necator
شکل 3-33 – تولید جرم سلولی وپلی هیدروکسی بوتیرات توسط C.necator در فرایند غیر پیوسته…….96
شکل 3-34 – اندازه گیری میزان اکسیژن انتقال یافته به محیط کشت بیوراکتور توسط روش دینامیک……97
شکل 3-35 –  فرایند نیمه پیوسته تولید پلی هیدروکسی بوتیرات با خوراک دهی ثابت گلوکز ونیتروژن…98
شکل 3-36 –  فرایند نیمه پیوسته تولید پلی هیدروکسی بوتیرات با خوراک متغیر  گلوکز ونیتروژن………100
شکل 3-37- طیف FT- IR از نمونه پلی هیدروکسی بوتیرات/هیدروکسی والرات تولید………………….105
شکل 3-38- طیف FT- IR از نمونه استاندارد تهیه شده پلی هیدروکسی بوتیرات/هیدروکسی والرات..106
شکل 3-39- طیف 1HNMR حاصل از کوپلیمر  پلی هیدروکسی بوتیرات/ هیدروکسی والرات……….107
شکل 3-40- طیف 13CNMR حاصل از کوپلیمر  پلی هیدروکسی بوتیرات/ هیدروکسی والرات……..108
شکل 3- 41-  تصویر SEM   از سطح فیلم پلی هیدروکسی بوتیرات/ هیدروکسی والرات……………….109
شکل 3-42- تصویر SEM   از سطح فیلم  پلی هیدروکسی بوتیرات هیدروکسی والرات/
هیدروکسی اپتایت ……………………………………………………………………………………………………………..110
شکل 3-43- تصویر SEM   از سطح فیلم  پلی هیدروکسی بوتیرات هیدروکسی والرات/
هیدروکسی اپتایت تحت اواتراسونیک……………………………………………………………………………………111
 
 
عنوان                                                                                                         صفحه
شکل پ-1- منحنی كالیبراسیون وزن خشك سلولی باکتری C. necator………………………………………129
شكل پ-2- منحنی كالیبراسیون وزن خشك سلولی باکتری Hydrogenophaga pseudoflava….129
شكل پ-3- منحنی كالیبراسیون وزن خشك سلولی باکتری Azotobacter beijerinckii…………….130
شكل پ-4- منحنی كالیبراسیون وزن خشك سلولی باکتری Azohydromonas lata  …………………130
شكل پ-5- منحنی کالیبراسیون گلوکز……………………………………………………………………………………..131
شكل پ-6- منحنی کالیبراسیون فروکتوز……………………………………………………………………………………131
شكل پ- 7-  منحنی کالیبراسیون لاکتوز…………………………………………………………………………..132
شكل پ-8- منحنی کالیبراسیون 3- متیل­هیدروکسی­بوتیرات، 3-متیل­هیدروکسی­والرات و
3-متیل هیدروکسی­هگزانوات………………………………………………………………………………………………….132
شکل پ 9- نمودار کروماتوگرام GC برای استاندارد ppm 200 ………………………………………………….133
شکل پ 10- نمودار کروماتوگرام GC برای استاندارد ppm 400 ………………………………………………..134
شکل پ 11- نمودار کروماتوگرام GC برای استاندارد ppm 600 ………………………………………………..135
شکل پ 12- نمودار کروماتوگرام GC برای استاندارد ppm 800 ………………………………………………..136
شکل پ 13- نمودار کروماتوگرام GC برای استاندارد ppm 1000 ………………………………………………137
شکل پ 14- طیف حاصل از FT-IR   بیوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات/هیدروکسی والرات…………….138
شکل پ 15-  طیف C NMR    کوپلیمر( پلی 3- هیدروکسی بوتیرات/ 4- هیدروکسی بوتیرات)
به دست آمده از فرایند رشدC. necator  بر روی روغن نخل…………………………………………………….139
شکل پ 16-  طیف C NMR    بیوپلیمر( پلی هیدروکسی بوتیرات به دست آمده از فرایند رشد

1. necator بر روی سوبستراهای کیک سویا و مخلوط کیک سویا  و ملاس………………………………140

شکل پ 17. طیفهایC NMR  وH NMR  کوپلیمرPHBV به دست آمده از مخمر نوترکیب……..140
شکل پ 18 . طیف H NMR    بیوپلیمر( پلی هیدروکسی بوتیرات به دست آمده از فرایند رشد
E.coli  T.V.N. ………………………………………………………………………………………………………………141
شکل پ 19. طیف H NMR  کوپلیمر PHBV به دست آمده از Comamonas sp. EB172 …..141
فهرست جداول
عنوان                                                                                                         صفحه
جدول 1-1- برخی از باکتریهای مورد استفاده در تولید پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها……………………………..9
جدول 1-2- میکروارگانیسم­ها و منابع مورد استفاده در تولید کوپلیمر هیدروکسی­بوتیرات – والرات……..13
جدول1-3- مقایسه برخی از خواص فیزیکی پلیمرهای تولیدی……………………………………………………….19
جدول 1-4- برخی از میکروارگانیسم­های جداسازی شده جهت تجزیه  PHAs………………………………21
جدول1-5- تعدادی از متداول ترین مدل‌های رشد غیر ساختاری……………………………………………………30
جدول 1-6- شرکتهای تولید­کننده پلیمرهای زیست­تخریب­پذیر……………………………………………………..38
جدول 2-1- اجزای محیط کشت تولید (DSMZ, Medium 81)  ……………………………………………46
جدول 3- 1-   نتایج حاصل از فرایند بیولوژیکی  تولید بیوپلیمر  توسط میکروارگانیسم ها بر روی
منابع مختلف کربنی………………………………………………………………………………………………………………..91
جدول 3- 2- مدلهای سینتیکی به کار برده شده برای تولیدپلی هیدروکسی بوتیرات با بهره گرفتن از گلوکز..93
جدول 3-3- پارامترهای سینتیکی جهت تولید پلی هیدروکسی بوتیرات از منابع کربنی مختلف…………….95
جدول 3-4- حداکثر بازدهی تولید با بهره گرفتن از ترکیبات مختلف…………………………………………………..104
مقدمه
 استفاده از پلیمرها و پلاستیک ها در اغلب وسایل انسان از ریزترین آنها گرفته تا بزرگترین آنها انكار ناپذیر است. دلیل این استفاده وافر پلیمرها و پلاستیک ها در زندگی  انسان خواص بسیار زیاد آنها می باشد. مصرف سرانه پلاستیک در اروپا 60 كیلوگرم و در آمریكا 80 كیلوگرم در سال است [1]. علیرغم فواید فراوان پلیمرها و پلاستیک ها، استفاده از آنها باعث معضلات زیست محیطی فراوان شده است و همین امر باعث شده است كه بشر به فكر تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر و تخریب زیستی پلیمرها و پلاستیک ها بیافتد.
مکانیسمهای درونی و توانایی خود تنظیمی طبیعت نمی توانند این آلاینده ها را تجزیه کنند چون با این مواد نا آشنا هستند. این امر موجب شده است بسیاری از کشورها شروع به توسعه پلاستیک های قابل تجزیه زیستی کنند. بر اساس یک تخمین، بیش از 100 میلیون تن پلاستیک هر ساله تولید می شوند. 40% از این مقدار به محل های دفن زباله منتقل می شود و چند صد هزار تن هر ساله به محیط های دریایی ریخته می شوند و در مناطق اقیانوسی تجمع می یابند. سوزاندن پلاستیک ها  یکی از گزینه ها در دفع پلاستیک ها می باشد؛ اما علاوه بر پرهزینه بودن خطرناک نیز می باشد[1-2].
پلاستیک هایی که کاملا تجزیه پذیرند، نسبتاٌ جدید و نوید دهنده اند که به خاطر بهره گیری از باکتریها برای تشکیل بیوپلیمر می باشد که عمدتاٌ شامل پلی هیدروکسی آلکانویت ها[1]، پلی لاکتیک اسیدها[2]، پلی استرهای آلیفاتیک[3]، پلی ساکاریدها[4]،  و یا ترکیبی از این مواد می باشند[1].
 
 
 
1- انواع پلیمرهای زیست تخریب پذیر
پلیمرهای زیست تخریب پذیر زیادی شناسایی شده اند و یكی از مهمترین آنها پلی هیدروكسی آلكانوات ها می باشد. استفاده از این گروه پلیمرهای زیست تخریب پذیر در كشاورزی و صنایع دارویی و غیره بسیار مورد توجه قرار گرفته است كه دلیل آن سازگاری با محیط زیست و سامانه های حیاتی می باشد[2].
پلی هیدروكسی آلكانوات ها ،پلیمرهای زیست تخریب پذیر هستند و به صورت ذرات درون سلولی در میکروارگانیسم های مختلف تشکیل می شوند[3]. وزن مولکولی این پلیمرها در محدوده 105*2 تا  106*3 دالتون می باشد. وزن مولکولی بر حسب نوع میکروارگانیسم و شرایط رشد تغییر می کند[3].
یکی ازمهمترین پلی هیدروکسی آلکانوات ها، پلی هیدروكسی بوتیرات است. پلی هیدروكسی بوتیرات یک پلیمر خطی از 3-هیدروكسی بوتیرات است و در اندازه های مختلفی از ذرات در داخل سلول موجود است. پلی هیدروكسی بوتیرات به عنوان یک منبع ذخیره انرژی و كربن برای میكروارگانیزم می باشد و تحت شرایطی مثل محدودیت نیتروژن، فسفر، اكسیژن، یون ها و غیره در داخل سلول تجمع می یابد و با رفع این محدودیت ها پلی هیدروكسی بوتیرات تجزیه می شود. پلی هیدروكسی بوتیرات جامد به عنوان یک پلی استر ترموپلاستیک زیست تخریب پذیر مورد توجه قرار گرفته است زیرا خواص شبیه به خواص تعداد زیادی از پلاستیک های سنتزی معمولی دارد[4-6].
 
2- ویژگیهای پلی هیدروکسی آلکانوآتها
پلی هیدروكسی بوتیرات دارای خواص فیزیكی و شیمیایی شبیه به پلی اتیلن و پلی پروپیلن است و مانند پلاستیكهای معمولی در زمینه های متعددی قابل استفاده است. به عنوان مثال می توان آن را قالب ریزی كرد، توسط پركن های غیر آلی تقویت كرد، به صورت رشته هایی به هم تابید یا به شكل ورق درآورد و دارای خواص آب بندی عالی است[7].
طی دو دهه اخیر پلی‌هیدروكسی‌آلكانوات‌ها بطور وسیعی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. آنها قابل تجزیه و سازگار با محیط‌زیست بوده و از منابع تجدید‌پذیر قابل استحصال می‌باشند. این خواص، آنها را بعنوان جایگزینی مناسب برای پلیمرهای مشتق‌شده از مواد نفتی معرفی می‌كند. بسیاری از گونه­ های میکروارگانیسم که جزو اعضای خانواده Halobactericeae می­باشند قادر به تولید پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها می­باشند. تاکنون بیش 300 گونه از این میکروارگانیسم­ها شناسایی گردیده و تعداد آن مرتبا در حال افزایش می­باشد[8]. باکتریها قادر به سنتز طیف وسیعی از ترکیبات پلی­هیدروکسی­آلکانوات هستند و تقریبا 150 ترکیب متفاوت از پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها تاکنون شناسایی شده است. پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها که از سلولهای باکتریها گرفته می­شوند دارای ویژگیهای مشابه با پلاستیکهای متداول نظیر پلی­پروپیلن می­باشند[9].. پلی‌هیدروكسی‌آلكانوات‌ها را برحسب نوع مونومر به دو دسته می‌توان تقسیم نمود. دسته اول پلیمرهایی با زنجیره كوتاه هستند كه دارای 3 تا 5 اتم كربن بوده و ترد و شكننده می‌باشند. دسته دوم، پلیمرهایی با زنجیره متوسط كه دارای 6 تا 14 اتم كربن بوده و دارای خاصیت الاستیكی می‌باشند[10].
پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها در فرایند بیولوژیکی هوازی و در محدوده دمایی C° 60 و رطوبت 55% به کمپوست تبدیل می­گردند. مطالعات نشان داده است که در فرایند دفن بهداشتی، 85 درصد پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها تجزیه می­گردد. پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها        از گستره وسیعی از مواد اولیه همچون منابع تجدید پذیر (ساکاروز، نشاسته، سلولز) و منابع فسیلی (متان، نفت خام، لیگنیت)، محصولات فرعی (ملاس، آب پنیر، گلیسرول)، اسیدهای آلی مثل (اسید استیک، اسید پروپیونیک و اسید بوتیریک) و دی اکسید کربن قابل استحصال می­باشند[11-12].
 
 
 
3- بیان مسئله
تنوع گسترده مونومرها در پلی­هیدروکسی­آلکانوات­ها طیف وسیعی از پلیمرها با خواص فیزیکی متفاوت ایجاد کرده است. پلی­هیدروکسی­بوتیرات حالت ترد و شکننده داشته و دارای کاربرد بسیار کمی می­باشد. پلی­هیدروکسی­آلکانوات­هایی که دارای زنجیره متوسط هستند خاصیت الاستیکی داشته و موادی سخت محسوب می­شوند که برای تولید لاستیک بسیار مناسب می­باشند. کوپلیمرهای پلی­هیدروکسی­آلکانوات شامل هیدروکسی­بوتیرات به همراه زنجیره­های بلندتر نظیر هیدروکسی­ والرات، هیدروکسی ­هگزانوات یا هیدروکسی ­اوکتانوات بوده و دارای انعطاف­پذیری بیشتری بوده و دوام بالاتری دارند. این ترکیبات قابلیت مصرف در طیف وسیعی از تولیدات نظیر بطری، خودتراش، پوششهای ضد آب و بسته­بندی مواد غذایی را دارا هستند[13].
در این تحقیق با استفاده  از منابع کربنی مختلف توانایی باکتریهای Cupriavidus necator DSMZ 545، Azotobacterbeijerinckii  DSMZ 1041  و  Azohydromonas lata DSMZ 1123   و درنهایت   Hydrogenophaga pseudoflava DSMZ 1034    در تولید بیوپلیمر هیدروکسی مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله سوالاتی که سبب شروع این تحقیق گردید:

• میزان تولید بیوپلیمر توسط باکتریهای مذکور بر روی منابع ارزان چگونه است؟

چكیده

در این تحقیق در پی آن هستیم تا با بهره گرفتن از روش مدل‌سازی پویا، مدلی كلان انرژی در اقتصاد ایران طراحی نماییم. بخش‌های عمده این مدل عبارتند از بخش تولید شامل تولید ناخالص ملی، بخش مصرف شامل مصرف بخش خصوصی و دولتی، بخش مصرف انرژی شامل مصارف انرژی در بخش‌های صنعتی، كشاورزی و مسكونی و بخش سرمایه‌گذاری شامل سرمایه‌گذاری در بخش انرژی و سرمایه‌گذاری در سایر بخش‌های اقتصاد.

در مدل طراحی شده، روابط علی ـ معلولی بین بخش انرژی و بخش‌های واقعی اقتصاد با بهره گرفتن از روش مدل‌سازی پویا شبیه‌سازی شده و سپس پارامترهای مدل با روش سابقه تاریخی نتایج مطلوب، كالیبره گردیده‌اند. پس از آن از طریق سه سناریو اثرات تغییر قیمت حامل‌های انرژی بر مصارف برق، گاز و نفت و همچنین میزان سرمایه‌گذاری در بخش‌های برق، گاز و نفت و رشد اقتصاد مورد بررسی قرار گرفته است. سه سناریوی فوق عبارتند از: الف) تثبیت قیمت حامل‌های انرژی، ب) افزایش قیمت حامل‌های انرژی با توجه به نرخ تورم، ج) تعیین قیمت حامل‌های انرژی با توجه به قیمت تمام شده و افزایش آنها با توجه به تورم. هر یک از این سناریوها چه اثراتی در پی خواهند داشت؟

مقایسه نتایج این سه سناریو نشان می‌دهد كه هر سه سناریو مصرف و سرمایه‌گذاری در بخش انرژی را با شدتهای متفاوتی كاهش می‌دهند كه شدت آنها از سنایوری الف تا ج بیشتر می‌گردد.

همچنین به این نتیجه رسیدیم كه سه سناریو بر رشد اقتصاد اثرات متفاوتی دارند، بدین ترتیب كه سناریوی ب رشد اقتصاد را از دو سناریوی دیگر در بلندمدت بیشتر افزایش می‌دهد. سناریوی ج در كوتاه مدت رشد اقتصاد را بیشتر از دو سناریوی دیگر افزایش می‌دهد ولی در بلندمدت اثر كمتری نسبت به دو سناریوی دیگر دارد.

 

كلیدواژه‌ها:

مدلسازی پویا، شبیه سازی، مدل كلان اقتصادی، مدل كلان انرژی

فهرست اجمالی

فصل 1-    كلیات تحقیق.. 1

فصل 2-    آشنایی با تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی.. 6

فصل 3-    مقایسه تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی با اقتصادسنجی و بهینه‌سازی   31

فصل 4-    مروری بر مدل‌های کلان انرژی در جهان و ایران.. 66

فصل 5-    ساختار مدل پیشنهادیو تخمین اولیه پارامترها.. 99

فصل 6-    کالیبراسیون پارامترها، بررسی نتایج و تحلیل حساسیت مدل   132

فصل 7-    جمع بندی و پیشنهادها.. 159

فصل 8-    ضمیمه الف: مفاهیم مدل و مدل‌سازی و جایگاه روش پویایی شناسی سیستمی   167

فصل 9-    ضمیمه ب: مدل‌سازی پویایی شناسی سیستمی در نرم افزار ithink یا STELLA  183

فهرست تفصیلی

فصل 1-    كلیات تحقیق.. 1

1-1-       كلیات تحقیق.. 2

١-١-١-         تعریف مسأله  2

١-١-٢-        سؤالات اصلی تحقیق  3

١-١-٣-        سابقه و ضرورت انجام تحقیق  3

١-١-٤-        فرضیه‌ها 4

1-1-5-       هدف‌ها 4

١-١-٦-        روش انجام تحقیق  5

١-١-٦-١-        روش و ابزار گردآوری اطلاعات   5

١-١-٧-        قلمرو تحقیق (زمانی، مكانی) 5

فصل 2-    آشنایی با تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی.. 6

2-1-       آشنایی با تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی.. 7

2-1-1-       مراحل مختلف نظری تدوین مدل و فرایند مدل‌سازی پویایی‌شناسی سیستمی   10

2-1-2-       نمودار علّی ـ معلولی مدل‌های ساده تک حلقوی و مدل‌های چند حلقوی   15

2-1-3-       تعریف چند اصطلاح  17

2-1-4-       نحوه نمایش مدل  18

2-1-4-1-       نمودار علی ـ معلولی  18

2-1-4-2-       نمودار حالت جریان  18

2-1-4-3-       نمایش مدل به صورت ریاضی  19

2-1-5-       رویکردهای مختلف تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی به مسأله تخمین پارامتر  19

2-1-5-1-       مکتب کلاسیک   20

2-1-5-2-       مکتب تمایل آماری  25

2-1-6-       کالیبراسیون در مدل‌های تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی   25

2-1-6-1-       روش‌های ابتکاری کالیبراسیون  26

2-1-6-2-       بررسی تطابق مدل با رفتار تاریخی در کالیبراسیون با بهره گرفتن از آمار‌های موجود 28

2-1-6-3-       بررسی تطابق مدل با ساختار آن  28

فصل 3-    مقایسه تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی با اقتصادسنجی و بهینه‌سازی   31

3-1-       مقایسه تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی با اقتصادسنجی.. 32

3-2-       محدودیت‌های مدل سازی اقتصادسنجی.. 45

3-2-1-       تفاوت در منابع اطلاعاتی   52

3-2-2-       تفاوت در درجة سختی   54

3-2-3-       تفاوت در ساختار مدل  55

3-2-4-       تفاوت در نوع معادلات   56

3-2-5-       تفاوت در شکل تابع  56

3-2-6-       تفاوت در انعکاس تأخیرها 57

3-2-7-       تفاوت در تخمین پارامتر  57

3-2-8-       تفاوت در نحوه اعتبارسنجی   58

3-2-9-       تفاوت در هدف   59

3-2-10-     استفاده از تحلیل پویایی‌شناسی سیستمی در مدل‌های اقتصادی ـ آری یا خیر؟  62

فصل 4-    مروری بر مدل‌های کلان انرژی در جهان و ایران.. 66

4-1-       مروری بر تحقیقات کلان انرژی در جهان. 67

4-1-1-       سیستم مدل‌سازی ملی انرژی در آمریكا ،” NEMS”  67

4-1-1-1-       هدف مدل  67

4-1-1-2-       موضوعات قابل اجراء در مدل  68

4-1-1-3-       ساختار كلی مدل  68

4-1-1-4-       ساختار واحدی مدل  69

4-1-2-       مدل جامع مصرف نهایی آسیای اقیانوسیه”AIM”  69

4-1-2-1-       هدف   69

4-1-3-       سیستم مدل‌سازی جامع كانادایی (CIMS) 71

4-1-3-1-       هدف مدل  71

4-1-3-2-       ساختار كلی مدل  71

4-1-4-       مدل کلان‌سنجی بخش انرژی یونان  73

4-1-5-       مدل کشورهای تایلند، فیلیپین، اندونزی و مالزی   74

4-1-6-       مدل انرژی ـ اقتصاد هند  74

4-2-       مدل‌های کلان انجام شده مشتمل بر بخش انرژی در ایران. 76

4-2-1-       پروژه‌ی پیوند  77

4-2-2-       الگوی سازمان برنامه و بودجه (1) 78

4-2-3-       الگوی سازمان برنامه و بودجه (2) 78

 

4-2-4-       الگوهای فیروز وکیل  78

4-2-5-       الگوهای حبیب آگهی   79

4-2-6-       الگوی رابرت لونی   80

4-2-7-       الگوی سازمان برنامه و بودجه (3) 80

4-2-8-       الگوی آپادانا 81

4-2-9-       الگوی آق اولی و سیروس ساسان‌پور  82

4-2-10-     مدل برنامه اول توسعه  83

4-2-11-     الگوی بانك جهانی برای اقتصاد ایران  84

4-2-12-     الگوی وزارت اقتصاد و دارایی (نو فرستی و عرب مازار)(1) 84

4-2-13-     مدل برنامه‌ی دوم توسعه  86

4-2-14-     الگوی وزارت اقتصاد و دارایی (نوفرستی و عرب مازار) (2) 88

4-2-15-     الگوی بانک مرکزی (بیژن بید آباد) 90

4-2-16-     الگوی بانک مرکزی (کواک، مجرد و جمشیدی) 92

4-2-17-     الگوی سوم توسعه  94

فصل 5-    ساختار مدل پیشنهادیو تخمین اولیه پارامترها.. 99

5-1-       ساختار و ویژگی‌های کلی مدل. 100

٥-١-١-        ویژگی‌های ساختار مدل  100

5-2-       روابط علی و معلولی مدل. 101

5-2-1-       تعریف نمادهای استفاده شده در مدل  103

5-3-       تصریح روابط ساختاری و تخمین اولیه پارامترهای مدل. 105

5-3-1-       بخش تقاضای کل  107

5-3-1-1-       مخارج مصرفی بخش خصوصی  107

5-3-1-2-       مخارج مصرفی بخش دولتی  109

5-3-1-3-       کل سرمایه‌گذاری  111

5-3-1-4-       خالص صادرات و واردات   114

5-3-2-       بخش درآمدهای دولت   114

5-3-2-1-       مالیات   114

5-3-2-2-       درآمدهای نفتی  116

5-3-3-       بخش انرژی   117

5-3-3-1-       تقاضای نفت   117

5-3-3-2-       تقاضای گاز 119

5-3-3-3-       مصرف برق  121

5-3-3-4-       بخش سرمایه‌گذاری انرژی  126

5-3-4-       جمعیت   131

فصل 6-    کالیبراسیون پارامترها، بررسی نتایج و تحلیل حساسیت مدل   132

6-1-       كالیبراسیون پارامترها 133

6-1-1-       بیان ریاضی مدل  133

6-2-       بیان نتایج مدل. 138

6-3-       شبیه سازی در چارچوب مدل. 146

6-3-1-       تغییر قیمت حامل‌های انرژی   146

6-3-1-1-       اثر افزایش قیمت نفت   153

فصل 7-    جمع بندی و پیشنهادها.. 159

فصل 8-    ضمیمه الف: مفاهیم مدل و مدل‌سازی و جایگاه روش پویایی شناسی سیستمی   167

8-1-       مدل چیست؟. 168

8-2-       هدف از ساخت مدل چیست؟. 169

8-3-       معیارهای طبقه بندی مدل‌ها 170

٨-٣-١-        طبقه بندی براساس نحوه مدل‌سازی   170

٨-٣-٢-        طبقه بندی براساس محتوا 171

8-3-3-       طبقه بندی براساس نوع کاربرد مدل‌ها 172

8-4-       مدل‌های ریاضی.. 173

٨-٤-١-        طبقه بندی براساس درجه قطعیت پارامترها و متغیرهای مدل  173

٨-٤-٢-        طبقه بندی براساس نوع برخورد با زمان  174

٨-٤-٣-        طبقه بندی براساس نوع روابط مدل  175

8-5-       اعتبار سنجی مدل. 175

8-6-       تکنیک‌های مدل‌سازی.. 176

فصل 9-    ضمیمه ب: مدل‌سازی پویایی شناسی سیستمی در نرم افزار ithink یا STELLA  183

9-1-       مدل‌سازی پویایی شناسی سیستمی در نرم افزار ithink یا STELLA.. 184

9-1-1-       مؤلفه‌های مدل  184

9-1-2-       مدل‌سازی در ithink و STELLA  186

9-1-3-       اصول مدل‌سازی   197

9-1-4-       چهار روش کلی برای مدل‌سازی در ithink  199

9-1-4-1-       مدل‌های محرک ـ واکنش   199

9-1-4-2-       مدل خود بارگشت   202

9-1-4-3-       مدل هدف‌جو  204

9-1-4-4-       مدل‌ هدف‌ساز 206

9-1-5-       مثالها 209

9-1-5-1-       تجزیه نمایی یک جسم  209

9-1-5-2-       سردشدن تدریجی  211

9-1-6-       تابع‌ها در نرم افزار ithink  213
فهرست جدول‌ها

جدول (٢-1):               مراحل نظری مدل‌سازی.. 12

جدول (٢-2):               ویژگی‌های نمودارهای علّی ـ معلولی و حالت ـ جریان. 16

جدول (٥-1):               تخمین اولیه پارامترهای معادله مخارج مصرفی بخش خصوصی.. 109

جدول (٥-2):               تخمین پارامترهای معادله مخارج مصرفی دولت… 111

جدول (٥-3):               تخمین پارامترهای معادله کل سرمایه‌گذاری.. 113

جدول (٥-4):               تخمین پارامترهای معادله درآمدهای مالیاتی.. 115

جدول (٥-5):                    تخمین پارامترهای معادله تقاضای نفت… 119

جدول (٥-6):               تخمین پارامترهای معادله تقاضای گاز. 120

جدول (٥-7):               تخمین پارامترهای تقاضای برق بخش مسکونی.. 124

جدول (٥-8):               تخمین پارامترهای تقاضای برق بخش صنعت… 125

جدول (٥-9):               تخمین پارامترهای تقاضای برق بخش کشاورزی.. 125

 

جدول (٦-1):               نتایج مدل كلان انرژی طراحی شده 138

 

جدول (٨-1):               فهرست تابع‌های نرم‌افزار ithink. 214

 

فهرست شكل‌ها

شكل (٨-1):                نماد چهار متغیر مورد استفاده در ithink. 186

شكل (٨-2):                نماد انتقال به حالت مدل‌سازی.. 186

شكل (٨-3):                متغیر حالت… 187

شكل (٨-4):                متغیر جریان. 188

شكل (٨-5):                انتخاب نوع متغیر جریان. 189

شكل (٨-6):                ابزار مبدل و ابزار ارتباط دهنده 190

شكل (٨-7):                بازه‌های زمانی جهت اجرای مدل. 190

شكل (٨-8):                نمادهای نمودار و جدول. 191

شكل (٨-9):                ارتباط در جهت عكس…. 193

شكل (٨-10):               نمادهای جابجایی، تغییر رنگ و پاك كردناجزای مدل. 195

شكل (٨-11):               نماد ابزارهای متن و بخش…. 196

شكل (٨-12):               بیان ریاضی مدل رشد جمعیت… 197

شكل (٨-13):               افزایش جمعیت بدلیل مهاجرت… 200

شكل (٨-14):               بیان ریاضی رشد جمعیت بدیل مهاجرت… 202

شكل (٨-15):               مدل خود بازگشت… 203

شكل (٨-16):               مدل هدف‌جو. 205

شكل (٨-17):               مدل هدف ساز. 207

شكل (٨-18):               بیان ریاضی رشد جمعیت در مدل هدف‌ساز. 208

شكل (٨-19):               نرخ تجزیه یک جسم. 210

شكل (٨-20):               بیان ریاضی مدل تجزیه نمایی یک جسم. 211

شكل (٨-21):               مدل روند كاهش دما تا رسیدن به دمای مطلوب… 212

شكل (٨-22):               بیان ریاضی مدل كاهش دما تا رسیدن به دمای مطلوب… 213

شكل (٨-23):               مدلی جهت محاسبه میزان مبلغ قسط ماهانه یک وام. 216

شكل (٨-24):               مدلی جهت محاسبه ارزش فعلی.. 217

 

فهرست نمودارها

نمودار (٢-1):               مراحل مدل‌سازی پویایی‌شناسی سیستمی.. 11

نمودار (٢-2):               مدل چرخه سه مرحله‌ای.. 14

نمودار (٢-3):               متغیر حالت و متغیرهای نرخ.. 15

نمودار (٢-4):               زمان حایل.. 17

نمودار (٢-5):               نمودار حالت ـ جریان افزایش جمعیت… 19

 

نمودار (٤-1):               ساختار مدل مصرف نهایی AIM.. 70

 

نمودار (٥-1):               بخش Interface مدل کلان انرژی طراحی شده 101

نمودار (٥-2):            بخش مدل و روابط علی و معلولی درمدل کلان انرژی طراحی شده 102

نمودار (٥-3):               بخش شبیه سازی در مدل کلان انرژی طراحی شده 103

نمودار (٥-4):               بخشهای مجزا شده در مدل کلان انرژی طراحی شده 106

نمودار (٥-5):               بخش تقاضای کل در مدل. 107

نمودار (٥-6):               اجزای تشکیل دهنده مصرف بخش خصوصی.. 109

نمودار (٥-7):               اجزای تشکیل دهنده مصرف بخش دولتی.. 110

نمودار (٥-8):               کل سرمایه‌گذاری در اقتصاد. 112

نمودار (٥-9):               کل سرمایه‌گذاری بخش انرژی.. 112

نمودار (٥-10):               رابطه اجزای مخارج سرمایه‌گذاری معمولی.. 113

نمودار (٥-11):               بخش‌های صادرات و واردات… 114

نمودار (٥-12):               درآمدهای مالیاتی دولت… 115

نمودار (٥-13):               بیان درآمدهای حقیقی نفتی دولت بصورت تابعی از زمان. 117

نمودار (٥-14):               رابطه اجزای تشكیل دهنده تقاضای نفت… 118

نمودار (٥-15):               بیان قیمت نفت بصورت تابعی از زمان. 119

نمودار (٥-16):               رابطه اجزای تشكیل دهنده تقاضای گاز. 120

نمودار (٥-17):               مصرف کلی برق (مجموع مصرف سه بخش مسکونی، صنعتی و کشاورزی) 122

نمودار (٥-18):               تقاضای برق بخش مسکونی.. 122

نمودار (٥-19):               بیان قیمت برق مسكونی بصورت تابعی از زمان. 122

نمودار (٥-20):               تقاضای برق بخش صنعت… 123

نمودار (٥-21):               بیان قیمت برق صنعتی بصورت تابعی از زمان. 123

نمودار (٥-22):               تقاضای برق بخش کشاورزی.. 123

نمودار (٥-23):               بیان قیمت برق كشاورزی بصورت تابعی از زمان. 124

نمودار (٥-24):               کل مصرف انرژی.. 126

نمودار (٥-25):               محاسبه سرمایه‌گذاری مورد نیاز در بخش نفت… 128

نمودار (٥-26):               محاسبه سرمایه‌گذاری مورد نیاز در بخش گاز. 129

نمودار (٥-27):               محاسبه سرمایه‌گذاری مورد نیاز در بخش برق.. 130

نمودار (٥-28):               نحوه رشد جمعیت در مدل. 131

 

نمودار (٦-1):               تولید ناخالص ملی و رشد آن. 140

نمودار (٦-2):               رشد جمعیت… 141

نمودار (٦-3):               مصرف حقیقی بخش دولتی.. 141

نمودار (٦-4):               مصرف بخش خصوصی بجز انرژی.. 142

نمودار (٦-5):               سرمایه‌گذاری كل بجز بخش انرژی.. 142

نمودار (٦-6):               سرمایه‌گذاری كل بخش انرژی.. 142

نمودار (٦-7):               سرمایه‌گذاری بخش گاز. 143

نمودار (٦-8):               سرمایه‌گذاری بخش برق.. 143

نمودار (٦-9):               سرمایه‌گذاری بخش نفت… 143

نمودار (٦-10):               مصرف انرژی گاز طبیعی در اقتصاد. 144

نمودار (٦-11):               مصرف فرآورده‌های نفتی در اقتصاد. 144

نمودار (٦-12):               خالص درآمدهای مالیاتی دولت… 144

نمودار (٦-13):               مصرف انرژی الكتریسیته توسط بخش كشاورزی.. 145

نمودار (٦-14):               مصرف انرژی الكتریسیته توسط بخش صنعت… 145

نمودار (٦-15):               مصرف انرژی الكتریسیته توسط بخش مسكونی.. 145

نمودار (٦-16):               بخش شبیه سازی در مدل کلان انرژی طراحی شده 146

نمودار (٦-17):               افزایش GDP از سناریوی اول تا سوم. 148

نمودار (٦-18):               كاهش مصرف برق در بخش كشاورزی از سناریوی اول تا سوم. 148

نمودار (٦-19):               كاهش مصرف برق در بخش صنعتی از سناریوی اول تا سوم. 149

نمودار (٦-20):               كاهش مصرف برق در بخش مسكونی از سناریوی اول تا سوم. 149

نمودار (٦-23):               كاهش سرمایه‌گذاری كل در بخش انرژی از سناریوی اول تا سوم. 151

نمودار (٦-24):               كاهش سرمایه‌گذاری در بخش گاز از سناریوی اول تا سوم. 151

نمودار (٦-25):               كاهش سرمایه‌گذاری در بخش برق از سناریوی اول تا سوم. 152

نمودار (٦-26):            كاهش سرمایه‌گذاری در بخش نفت در كوتاه مدت در سناریوی سومنسبت به اول و برعكس در بلند مدت      152

نمودار (٦-27):               افزایش رشد تولید ناخالص ملی در كوتاه مدت در سناریوی سومنسبت به اول و برعكس در بلند مدت      153

نمودار (٦-28):               اعمال افزایش قیمت نفت از سال ١٣٨٤. 153

نمودار (٦-29):               تغییرات GDP پس از افزایش قیمت نفت از سال ١٣٨٤. 154

نمودار (٦-30):               تغییرات مصرف فرآورده‌های نفتی پس از افزایش قیمت نفت از سال ١٣٨٤. 154

نمودار (٦-31):               تغییرات در مصرف كل انرژی پس از افزایش قیمت نفت از سال ١٣٨٤. 155

نمودار (٦-32):               تغییرات مصرف بخش دولتی پس از افزایش قیمت نفت از سال ١٣٨٤. 155

 

فصل اول مباحث نظری                                                                                                                  ۱-۱-مقدمه. 3

واکنش چندجزیی.. 3

۱-۲-معرفی واکنش­های چندجزیی.. 4

۱-۲-۱- طبقه بندی واکنش­های چندجزیی.. 5

۱-۳-معرفی کومارین ومشتق­های آن. 6

۱-۳-۱- کاربرد کومارین.. 7

۱-۳-۲-نقش فلوئورسانسی کومارین.. 9

۱-۳-۳-روش­های سنتز کومارین.. 10

۱-۳-۳-۱-واکنش پرکین.. 10

۱-۳-۳-۲-واکنش پکمن.. 11

۱-۴-معرفی کرومن ومشتق­های آن. 12

۱-۴-۱-خواص فتوکرومیسم کرومن­ها 13

۱-۴-۲- روش های سنتز مشتق­های کرومن.. 14

۱-۴-۲-۱- سنتز کرومن بااستفاده از کاتالیزگرهای فلزی.. 14

۱-۴-۲-۲- سنتز کرومن با مشتق­های کومارین.. 15

۱-۵-معرفی و نقش ساختار ۴-هیدروکسی کومارین در پیرانو کرومن.. 17

۱-۵-۱- خواص بیولوژیکی دی هیدرو پیرانو[C-۲،۳] کرومن­ها 19

۱-۵-۲- تهیه دی هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن با واکنش چندجزیی.. 20

۱-۶-کاتالیزگر. 21

۱-۶-۱-تعریف کاتالیزگر. 21

۱-۶-۲- دسته­بندی کاتالیزگرها 21

۱-۶-۲-۱- کاتالیزگرهای همگن.. 21

1-6-2-2- کاتالیزگرهای ناهمگن.. 21

۱-۷- شیمی و فناوری نانو. 22

۱-۷-۱- نانوذرات.. 22

۱-۷-۲- رابطه بین اندازه و فعالیت شیمیایی.. 23

۱-۷-۴-روش سنتز نانوذرات اکسید فلزی.. 24

۱-۷-۴-۱- روش فراصوت.. 25

۱-۷-۴-۲- روش سل – ژل. 26

۱-۷-۴-۳- روش رسوب­دهی.. 27

۱-۷-۴-۴-روش تجزیه حرارتی.. 28

۱-۷-۵- مشخصه یابی مواد نانو به وسیله ی: XRD،TEM،SEM.. 28

۱-۷-۵-۱- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 29

۱-۷-۵-۲- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) 29

۱-۷-۵-۳- پراش پرتو ایکس (XRD) 30

۱-۸-اهداف پژوهش… 31

                                                                                                  2- مشخصات دستگاه­ها و مواد مورد استفاده 33

۲-۱- دستگاه­های مورد استفاده 33

۲-۲- مواد مصرفی.. 34

۲-۲-۱- حلال­های مورد استفاده 34

۲-۲-۲- موادشیمیایی مورد استفاده 34

۲-۲-۳- جداسازی وشناسایی محصول­ها 35

۲-۳- روش کار آزمایشگاهی.. 35

۲-۳-۱- تهیه نانوذرات منیزیم اکسید. 35

۲-۳-۱-۱- تهیه مشتق­های بیس­کومارین با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 35

۲-۳-۱-۱- داده ­های طیفی ترکیب­های تهیه شده 36

۲-۳-۱-۲- تهیه مشتق­های دی هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 39

                                                                                               3- رویکردهای مورد بحث.. 45

۳-۱-تهیه نانوذرات منیزیم اکسید. 46

۳-۱-۱- شناسایی و تعیین اندازه نانوذرات منیزیم اکسید. 46

 

۳-۱-۱-۱- الگوی پراش پرتوی ایکس (XRD) نانوذرات منیزیم اکسید. 46

3-2 بهینه سازی شرایط واکنش در سنتز بیس­کومارین.. 49

۳-۲-۱- بهینه سازی کاتالیزگر واکنش در سنتز  بیس­کومارین.. 49

3-2-2 بهینه سازی مقدار کاتالیزگر در سنتز بیس­کومارین.. 49

3-2-3 بهینه سازی دما در سنتز بیس­کومارین.. 50

3-2-4  بهینه سازی حلال  در سنتز بیس کومارین.. 50

۳-3 روش کلی تهیه مشتق­های بیس­کومارین با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 51

۳-3-1- سازوکار واکنش تهیه بیس­کومارین.. 52

۳-4  بررسی واثبات ساختار بیس­کومارین.. 54

۳-4-1 بررسی طیف زیر قرمز. 54

۳-4-2  بررسی طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن ترکیب (a۱) 55

3-5 بهینه­سازی شرایط واکنش در سنتز دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 56

۳-5-۱- بهینه­سازی کاتالیزگر در سنتز دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 56

3-5-2 بهینه­سازی مقدارکاتالیزگردر سنتز دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 56

3-5-3 بهینه سازی دما در سنتز دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 57

3-5-4  بهینه سازی حلال در سنتز دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 57

۳-6- روش کلی تهیه مشتق­های دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 58

۳-6-1 سازوکار واکنش تهیه دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 59

۳-7 بررسی و اثبات ساختار دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 61

۳-7-1 بررسی طیف زیرقرمز. 61

۳-7-2 بررسی طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن ترکیب(b۲) 62

۳-8  نتیجه ­گیری و رهیافت.. 63

منابع. 64

پیوست ها 69

 

 

فهرست شکل ها

 

عنوان                                                                                                                  صفحه

شکل(۱-۱) طرحی از واکنش های چندجزیی.. 4

شکل (۱-2) ویژگی­های یک سنتز ایده­آل. 4

شکل(۱-3) ساختار کومارین.. 6

شکل(۱-4) ساختار برخی از مشتق­های کومارین.. 8

شکل(۱-5)مشتق­هایی از کومارین با خاصیت فلوئورسانسی.. 9

شکل(۱-6) سنتز کومارین به روش پرکین.. 10

شکل)۱-7) ساختار حدواسطه­ای پرکین.. 10

شکل)۱-8) سنتز کومارین به روش پکمن.. 11

شکل(۱-9) تهیه بیس­کومارین.. 12

شکل)10-۱)۱۱-اوودیونل ۱۲- لاپاکنول. 13

شکل(۱-11)مقایسه شدت فتوکرومیسم: (۱۳)H۳- نفتو[۲،۱-b] پیران، (۱۴) H2-نفتو[۲،۱-b] پیران. 13

شکل(12-۱) سنتز کرومن با کاتالیزگر فلزی.. 14

شکل(13-۱)فلاونون(۱۸) و3-متوکسیH2کرومن(۱۹) 15

شکل(14-۱) سنتز کرومن با بهره گرفتن از مشتق­های کومارین توسط فوکس… 16

شکل(۱-۱۵) سنتز کرومن با مشتق­های کومارین توسط پیزو. 17

شکل)۱-16)۴- هیدروکسی کومارین و برخی از مشتق های ۴-هیدروکسی کومارین.. 18

شکل(17-۱) مشتق­هایی از دی هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 19

شکل(18-۱) تهیه دی هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن توسط هروی.. 20

شکل (۲-1) تهیه مشتق­های بیس­کومارین توسط نانو ذرات منیزیم اکسید. 36

شکل (۲-۲) ترکیب (a۱) 36

شکل (۲-3) ترکیب (a۲) 37

شکل (۲-4) ترکیب( a۳) 38

شکل(۲-5) تهیه مشتق­های­ دی هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن توسط نانو ذرات منیزیم اکسید. 40

شکل(۲-6)ترکیب(b۱) 40

شکل(۲-7)ترکیب(b۲) 41

شکل(۲-8)ترکیب(b۳) 42

شکل(۳-1) الگوی پراش پرتوی ایکس (XRD) نانوذرات منیزیم. 47

شکل (۳-2) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی برای نانوذرات منیزیم اکسید. 48

شکل(۳-۳) روش کلی تهیه مشتق­های بیس­کومارین با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 51

شکل(۳-4) سازوکارتهیه مشتق­های بیس­کومارین.. 53

شکل (3-5) طیف زیر قرمز ترکیب(a1) 54

شکل (3-6) طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن ترکیب (a۱) 55

شکل(۳-8) روش کلی تهیه مشتق­های دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن با بهره گرفتن از نانوذرات منیزیم اکسید. 58

شکل (۳-9) سازوکار تهیه مشتق­های دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 60

شکل (3-10) طیف زیر قرمزترکیب(b2) 61

شکل (۳-11)طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن ترکیب(b۲) 62

70

شکل (5-2): طیف مربوط به ترکیب شماره 3 جدول (3-5) 71

شکل (5-3): طیف مربوط به ترکیب شماره 2 جدول (3-5) 72

شکل (5-4): طیف مربوط به ترکیب شماره 2 جدول (3-10) 73

شکل (5-5): طیف مربوط به ترکیب شماره  3 جدول(۳-۱۰) 74

شکل (5-6): طیف مربوط به ترکیب شماره 1 جدول (3-10) 75

شکل (5-7): طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن مربوط به ترکیب شماره 4 جدول(3-5)………...76

شکل (5-8): طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن مربوط به ترکیب شماره 1 جدول (3-10)………77

شکل (5-9): طیف رزونانس مغناطیس هسته­ی هیدروژن مربوط به ترکیب شماره 3 جدول (3-10)……..78

 

 

 

 

فهرست جدول ها

عنوان                                                                                                                  صفحه

جدول (۲-۱) انواع دستگاه­های مورد استفاده 34

بهینه سازی شرایط واکنش بیس­کومارین.. 49

بهینه سازی کاتالیزگر بیس­کومارین.. 50

جدول (3-3) بهینه سازی دما بیس­کومارین.. 50

جدول (3-4) بهینه سازی حلال بیس­کومارین.. 51

جدول(۳-۵) نتایج حاصل از سنتز مشتق­های بیس­کومارین.. 52

جدول(۳-6) بهینه­سازی شرایط واکنش دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 56

جدول (3-7) بهینه سازی مقدار کاتالیزگر دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 57

جدول (3-۸) بهینه سازی دما دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 57

جدول (3-۹) بهینه سازی حلال دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳]کرومن.. 58

جدول(۳-۱۰) نتایج حاصل از سنتز مشتق­های دی­هیدروپیرانو[C-۲،۳] کرومن.. 59

چکیده

در سال­های اخیر واکنش­های چندجزیی به علت ارائه روش­های ترکیبی درسنتز ترکیب­های داروئی و کشاورزی و اهمیت کاربردی و اقتصادی آنها در صنعت و تحقیقات بنیادی وتولید محصولات بالقوه بسیار حائز اهمیت و مورد توجه دانشمندان و محققان علم شیمی آلی قرار گرفته اند.

کرومن­ها وکومارین­ها دسته مهمی از ترکیب­ها هستند که بدلیل فعالیت­های بیولوژیکی شان اهمیت سنتزی زیادی پیدا کرده ­اند. از بین خواص بیولوژیکی آنها می­توان به خواص ضد میکروبی بازدارندگی ویروسی و تاثیر بر دستگاه عصبی نام برد .

در این پروژه سنتز این دسته از ترکیب­ها با بهره گرفتن از واکنش چندجزیی با بنزآلدهیدها، اتیل سیانو استات و ۴-هیدروکسی کومارین در حضور نانوذرات منیزیم اکسید انجام گرفت . محصولات با بازده عالی و در زمان­های کوتاه بدست آمدند. همچنین نانو ذرات منیزیم اکسید اثرات بهتری را در سنتز دی­هیدرو­پیرانو[C-۲,۳]کرومن و بیس­کومارین نسبت به کاتالیزگرهای دیگر نشان داد.و بهره­ گیری این کاتالیزگر شرایط بهتری برای سنتز این ترکیب­های مهم داروئی ایجاد کرد.

بسیاری از ساختارهای پیچیده طبیعی و اجتماعی را می‌توان به صورت شبکه[1] در نظر گرفت. جاده‌ها، پایگاه‌های اینترنتی، شبکه های اجتماعی، ارتباطات سازمانی، روابط خویشاوندی، تبادل نامه‌های الکترونیک، تماس‌های تلفنی و تراکنش‌های مالی تنها چند نمونه از این شبکه‌ها هستند. امروزه تحلیل شبکه‌ها یکی از شاخه‌های پژوهشی پرطرفدار و پرکاربرد در سطح جهان است و توجه پژوهشگران بسیاری از رشته‌های مختلف از جمله علوم کامپیوتر و علوم اجتماعی را به خود اختصاص داده است. نتایج حاصل از این پژوهش‌ها، ابزار و اطلاعات مفیدی را برای استفاده در حوزه‌های مختلف از جمله: ارتباطات، امنیت و تجارت در اختیار قرار می‌دهد.

یکی از موضوعات پرکاربرد در زمینه تحلیل شبکه‌ها، شناسایی تشکل‌ها[2] در شبکه است. می‌توان هر تشکل را توده‌ای متراکم از رئوس در نظر گرفت که از طریق یالهای اندکی با تشکل‌های دیگر در ارتباط است. به عنوان مثال افراد با علایق و تمایلات مشابه در شبکه‌های اجتماعی، صفحات با محتوای مرتبط در فضای وب، مقالات با حوزه‌های مشابه در پایگاه مقالات، همگی نمونه‌هایی از تشکل‌ها در شبکه‌های مختلف هستند. در سال‌های اخیر، کارهای بسیاری در زمینه شناسایی تشکل‌ها، انجام گرفته و الگوریتم‌ها و ابزارهای متعددی ارائه شده است اما همچنان تلاش برای ارائه روش‌های بهتر از منظرهای مختلف از جمله سرعت، دقت و مقیاس‌پذیری ادامه دارد.

در این پایان نامه، دو روش پیشنهادی، یکی برای افزایش کارایی تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های ایستا و دیگری برای شبکه های پویا به همراه نتایج آزمایش های متعدد انجام شده برای ارزیابی کارایی آنها ارائه شده است.

واژگان کلیدی: شبکه های پویا، شبکه های اجتماعی، تشخیص تشکل همپوشان، روش پخش برچسب

 

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1

دانش شبکه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

کاربردهای دانش شبکه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3

کاربردهای اقتصادی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3

کاربردهای بهداشتی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

کاربردهای امنیتی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5

کاربردها در حوادث همگانی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 6

کاربردها در پژوهش بر روی مغز…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 6

کاربردهای مدیریتی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 6

کاربردهای پژوهشی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 7

کاربردهای دیگر……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 8

تاریخچه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 9

مفاهیم اولیه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 10

انگیزه انجام این پایان نامه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 13

نگاه کلی به فصول رساله………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 14

فصل دوم: پیشینه تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 16

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 16

شبکه های ایستا و شبکه های پویا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 17

تشکل های غیر همپوشان و تشکل های همپوشان…………………………………………………………………………………………………………………… 18

تعریف مسئله………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 19

روش های موجود برای تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های ایستا……………………………………………………………….. 21

روش نفوذ دسته………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 21

روش افراز گراف و دسته بندی یال ها………………………………………………………………………………………………………………………………………. 22

روش بسط محلی و بهینه سازی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 23

روش تشخیص فازی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 24

روش الگوریتم های پویا و مبتنی بر عامل……………………………………………………………………………………………………………………………….. 25

روش‌های دیگر……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 26

مقایسه روش های تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های ایستا………………………………………………………………………….. 26

مجموعه داده

 ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 27

معیارهای ارزیابی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 29

نتایج آزمایش ها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 30

تحلیل نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 37

تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های پویا……………………………………………………………………………………………………………………. 38

جمع بندی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 38

فصل سوم: ارائه راه حل و روش های پیشنهادی……………………………………………………………………………………………………………………………….. 42

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 42

نگاهی دقیق تر به روش انتشار برچسب…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 42

الگوریتم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 43

تحلیل پیچیدگی زمانی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 45

بهبود کارایی روش انتشار برچسب…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 46

الگوریتم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 46

الگوریتم مبتنی بر انتشار برچسب برای تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های پویا…………………………………… 48

الگوریتم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 48

فصل چهارم: آزمایش ها و نتایج………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 52

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 52

بهبود کارایی روش انتشار برچسب در شبکه های ایستا………………………………………………………………………………………………………….. 52

پیاده سازی روش پایه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 52

پیاده سازی روش پیشنهادی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 53

مجموعه داده ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 53

معیار ارزیابی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 54

نتایج آزمایش ها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 54

تحلیل نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 57

تحلیل پیچیدگی زمانی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 58

تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های پویا……………………………………………………………………………………………………………………. 58

مجموعه داده ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 59

معیارهای ارزیابی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 60

نتایج آزمایش ها………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 60

تحلیل نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 63

تحلیل پیچیدگی زمانی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 64

فصل پنجم: بحث و نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 66

نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 66

پیشنهاد ها برای کارهای آینده………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 67

منابع و مآخذ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 69

 

[1] Network

[2] Community Detection

فهرست تصاویر

نمونه ای از شبکه راه های ارتباطی.. 3

شبکه کاربران شبکه اجتماعی فیسبوک… 4

بخشی از شبکه روابط صدام حسین و اطرافیانش. 5

شبکه پیش بینی نحوه شیوع ویروس H1N1  در سال 2009. 6

نمونه ای از شبکه روابط بین کارکنان یک سازمان. 7

شبکه مواد غذایی مکمل.. 8

معمای پل های کونیگزبرگ و گراف نشان دهنده آن.. 9

چند مثال از شبکه ها 10

دو نمونه گراف و نمودار توزیع درجه آنها 12

یک گراف کامل.. 12

نمونه یک شبکه پویا و تغییرات آن در چهار برش زمانی.. 17

تشکل های غیر همپوشان و تشکل های همپوشان.. 19

شبکه دوستی دانش آموزان دبیرستان و تشکل های آن.. 36

یک نمونه از زیر شبکه های روش پیشنهادی، به همراه تشکل های آن.. 46

شبکه اولیه و شبکه های ایجاد شده از روی آن.. 59

فهرست جداول

فهرست الگوریتم های انتخاب شده برای مقایسه در حوزه تشکل های همپوشان.. 27

نتایج حاصل از عملکرد الگوریتم های مورد آزمایش…. 37

مشخصات شبکه های مورد استفاده در آزمایش ها 60

 

فهرست الگوریتم ها

الگوریتم  SLPA.. 43

الگوریتم پیشنهادی برای تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های ایستا 47

الگوریتم پیشنهادی برای تشخیص تشکل های همپوشان در شبکه های پویا 49

مقدمه

در دنیای امروز، ما با سیستم های پیچیده ای[1] در پیرامون خود احاطه شده ایم، از جامعه که در آن میلیون ها عضو با یکدیگر در حال تعامل هستند تا شبکه های تلفن همراه و کامپیوتر که میلیون ها کاربر را به یکدیگر متصل می‌کنند. همچنین توانایی ما برای استنتاج و درک محیط اطراف، وابسته به شبکه ای از میلیاردها سلول عصبی[2] در مغز ماست. این سیستم های پیچیده نقش های بسیار مهمی در جنبه های مختلف زندگی ما ایفا می‌کنند. درک، توصیف، پیش بینی و کنترل این سیستم ها از جمله بزرگترین چالش های ما در جهان مدرن است.

معمولا در پشت هر کدام از این سیستم های پیچیده، شبکه ای عظیم قرار دارد که تعاملات بین اجزای این سیستم ها را مشخص می‌کند. به عنوان مثال: فعل و انفعالات شیمیایی درون بدن موجودات زنده، تعاملات میان سلول های عصبی مغز، روابط دوستی، خویشاوندی و اجتماعی، شبکه جهانی اینترنت، تراکنش های مالی، خطوط انتقال و توزیع نیرو، راه های ارتباطی زمینی، هوایی و دریایی، همگی بخشی از مواردی هستند که می‌توان آنها را به صورت یک شبکه توصیف کرد. همچنین می‌توان گفت که شبکه ها قلب بسیاری از فناوری های انقلابی عصر حاضر هستند. موتورهای جستجو[3]، شبکه های اجتماعی مجازی[4]، شبکه های کامپیوتری جهانی، شبکه جهانی مخابرات و تلفن همراه تنها تعدادی از این نمونه ها هستند.

با وجود تفاوت و تنوع بسیار زیادی که در ماهیت، اندازه، کاربرد، رفتار و ویژگی های مختلف این سیستم ها و شبکه ها، چه از نوع طبیعی و چه ساخته دست بشر وجود دارد، می‌توان اصول و قوانین مشخص و مشابهی را در میان آنها مشاهده کرد. برای مثال: شبکه واکنش های شیمیایی که اجزای آن را مولکول های بسیار کوچک تشکیل می‌دهند، شبکه جهانی وب[5] که در آن صفحات وب به وسیله پیوندهای وب[6] به یکدیگر متصل شده اند، شبکه های اجتماعی که از روابط میان افراد تشکیل شده اند و بسیاری موارد دیگر، همگی قابل توصیف با ساختارها و قوانین مشابهی هستند و این امر به عنوان یک مزیت بزرگ تلقی می‌شود. زیرا می‌توان تمام این سیستم های متفاوت طبیعی و مصنوعی را توسط ابزارهای ریاضی و مدل سازی مشابهی توصیف کرد.

با توجه به اینکه از سال ها پیش بسیاری از این سیستم ها، مانند: ساختارها و واکنش های زیستی، راه های ارتباطی، روابط اجتماعی و نظایر آن و همچنین دانش مطالعه بر روی سیستم ها و شبکه ها شناخته شده اند، پرسشی که ممکن است مطرح شود این است که چرا اهمیت این موضوع تنها در چند دهه اخیر آشکار شده است؟ پاسخی که می‌توان داد این است که در گذشته ابزارهای مناسبی برای جمع آوری، نگهداری و پردازش این اطلاعات وجود نداشت اما امروزه با توسعه چشمگیر فناوری هایی نظیر کامپیوتر و شبکه های ارتباطی دیجیتال، این امکان فراهم آمده است که گردآوری، ترکیب، اشتراک و تحلیل این اطلاعات با سهولت، سرعت و دقت بالا و هزینه کم قابل اجرا باشد.

دانش شبکه

دانش شبکه شاخه ای از علوم بشری است که به مطالعه بر روی شبکه ها می‌پردازد و تلاش می‌کند با بهره گرفتن از نتایج بررسی های خود، از آنها برای درک بهتر سیستم های پیچیده بهره بگیرد. به طور کلی می‌توان چهار ویژگی را برای

در سال­های اخیر با گسترش شبکه­ های کامپیوتری و افزایش دسترسی افراد به آن، این بستر اطلاعاتی به شکل فزاینده­ای دستخوش نفوذ، سوءاستفاده و حمله گردیده است. عواملی از قبیل منافع مالی، اهداف سیاسی یا نظامی و نیز مقاصد شخصی سبب افزایش حوادث امنیتی در سیستم­های اطلاعاتی می­گردد. در نتیجه امنیت شبکه های کامپیوتری تبدیل به یکی از مهم­ترین دغدغه­های اصلی کارشناسان شبکه و دیگر افراد مرتبط با شبکه­ ها شده است. ابزارهای متعددی جهت حفظ امنیت سیستم­های کامپیوتری گسترش یافته­اند که یکی از آنها سیستم شناسایی نفوذ[1] می باشد. امروزه سیستم شناسایی نفوذ نقش مهمی را در زمینه حفظ امنیت سیستم­های اطلاعاتی و کاربران آنها در برابر حملات شریرانه ایفا می کند. سیستم شناسایی نفوذ، تنها سیستمی است که به شکل فعال قادر به شناسایی استفاده­های غیرمجاز و نیز سوءاستفاده از سیستم­های اطلاعاتی توسط حمله­گرهای داخلی و خارجی می­باشد. در نتیجه این سیستم یکی از اجزای بسیار ضروری در حفظ امنیت ساختارهای اطلاعاتی است و می ­تواند در کنار دیوار آتش[2] به حفظ امنیت سیستم اطلاعاتی کمک کند. در این پژوهش با به کارگیری رویکرد تحلیل شبکه های اجتماعی و ارائه معیارهای شباهت افراد در شبکه مدلی ارائه شده تا افراد مشکوک در شبکه شناسایی شوند. همچنین مدلی برای شبیه سازی بستر آزمایش جهت سیستم های شناسایی نفوذ مبتنی بر جریان فراهم آورده شده است.

­کلید واژگان: شناسایی نفوذگران-روش های شناسایی مبتنی بر جریان- تشخیص ناهنجاری

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                                                                صفحه

1. کلیات… 2

1-1. مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………2

1-2. اهدف تحقیق.. 3

1-3. تعاریف اولیه… 4

1-3-1. نفوذ. 4

1-3-2. نفوذگر. 5

1-3-3. سیستم های شناسایی نفوذ. 6

1-3-4. سیستم های پیشگیری از نفوذ. 6

1-3-5. دیوار آتش…. 7

1-4. چالشهای مسئله. 7

1-5. نگاهی به فصول پایان نامه. 9

2. مبانی نظری تحقیق.. 12

2-1. مقدمه………………….. 12

2-2. طبقه بندی سیستم های تشخیص نفوذ. 13

2-2-1. منبع اطلاعاتی.. 13

2-2-1. روش تحلیل.. 15

2-2-2. نحوه نظارت… 16

2-2-3. روش پاسخگویی.. 17

2-3. جریان شبکه… 20

2-3-1. تعریف جریان شبکه. 20

2-4. انواع حملات….. 22

3. پیشینه تحقیق.. 28

3-1. مقدمه……………….. 28

3-2. روش مبتنی بر جریان در برابر روش مبتنی بر محتوا 28

3-2-1. داده جریان شبکه. 29

3-2-2. روش های مبتنی بر بسته. 30

3-2-3. روش های مبتنی بر جریان.. 30

3-2-4. کرم ها 31

3-2-5. محدود کننده سرویس…. 34

3-2-6. پویش…. 36

3-2-7.  Botnet 39

 

4. روش پیشنهادی.. 43

4-1. مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..43

4-2. مجموعه داده ………………………………………………………………………………………………………………..43

4-3. معیارهای شباهت… 45

4-3-1. معیارهای مبتنی بر گراف… 45

4-3-1-1. ضریب خوشه بندی محلی.. 45

4-3-1-2. ضریب خوشه بندی وزن دار محلی.. 46

4-3-2. معیارهای مبتنی بر  گره 48

4-3-2-1. میانگین شباهت محلی.. 48

4-3-2-2. نسبت درجه گره 49

4-3-2-3. معیار Zscore. 49

4-4. شناسایی نفوذگران.. 51

5. آزمایشات و نتایج.. 53

5-1. مقدمه………………… 53

5-2. شبیه سازی گراف شبکه. 53

5-3. ساخت گراف یک سویه. 56

5-4. مقایسه معیارهای شباهت… 57

5-5. نتایج…………….. 58

فهرست منابع.. 60

 

 

 

 

فهرست جداول

 

 

عنوان                                                                                      صفحه

جدول 5-1.بررسی معیارهای شناسایی براساس میزان کارآیی F_measure. 57

جدول 5-2.ترکیب معیارهای شناسایی با ضریب خوشه بندی.. 58

 

 

عنوان                                                                                                          صفحه

 

شکل 2-1.دسته بندی سیستم های شناسایی نفوذ. 20

شکل 2-2.عملیات صدور و جمع آوری جریان شبکه. 22

شکل 3-1.کلاس های مرتبط با میزبان های شبکه. 32

شکل 3-2.اجزاء همبند توصیف کننده الگوهای ارتباط میان میزبان ها در شبکه. 34

شکل 3-3.دسته بندی حملات پویش…. 37

شکل 4-1.شبکه Scale free و نمودار توزیع Power law…. 44

شکل 4-2.تبدیل گراف دوسویه به یک سویه. 48

شکل 4-3.نمودار توزیع z-score. 50

شکل 5-1………………………………………………….. نتایج شناسایی نفوذگران در شبکه هایی با مقدار  آلفا متغییر. 54

شکل 5-2…………………………………………………. نتایج شناسایی نفوذگران در شبکه هایی با مقدار  متغییر. 55

.. 56

• مقدمه

 

استفاده روزافزون افراد، سازمان ها، ارگان های دولتی و حتی زیرساخت های حیاتی مانند نیروگاه ها، از شبکه های کامپیوتری و اینترنت ، سبب شده تا بسیاری از تعاملات فردی و مالی وابسته به شبکه های کامپیوتری باشد. از سویی دیگر، این مسئله شبکه های کامپیوتری و کاربران آنها را به طمعه هایی جهت افراد سودجو تبدیل کرده است. بسیاری از افراد با نفوذ در شبکه و سرقت اطلاعات فردی و یا مالی، خسارات زیادی را به افراد، سازمانها و حتی دولت ها وارد کرده اند. به طور کلی می­توان واژه نفوذ را به فعالیت­هایی اطلاق کرد که توسط نفوذگر به منظور ورود به سیستم اطلاعاتی جهت خواندن، آسیب رساندن و سرقت اطلاعات صورت می گیرد. بر اساس بسیاری از برآوردها، درصد بالایی از نفوذهای انجام شده -بیش از 85 درصد- از طرف کاربران داخلی انجام می­ شود و مابقی از خارج از محیط صورت می گیرد[5] . از این رو هیچ فرد و یا سازمانی که با سیستم­های اطلاعاتی سر و کار دارد، نمی تواند از این قبیل حوادث امنیتی مصون باشد. در نتیجه سیستم های شناسایی نفوذ تبدیل به بخش جدایی ناپذیر از ساختار امنیتی غالب سیستم های اطلاعاتی گردیده اند[17]. سیستم شناسایی نفوذ، تنها سیستمی است که به شکل فعال قادر به شناسایی استفاده­های غیرمجاز و نیز سوءاستفاده از سیستم­های اطلاعاتی توسط حمله­گرهای داخلی و خارجی می­باشد. سیستم شناسایی نفوذ اطلاعات مرتبط با منابع مختلف در شبکه های کامپیوتری را جمع آوری و به منظور پی بردن به فعالیت های نفوذی تحلیل می کنند.  غالبا فعالیت های نفوذی به منظور دستیابی، دستکاری و ایجاد اختلال در سیستم های کامپیوتری صورت می گیرد. در نتیجه این سیستم یکی از اجزای بسیار ضروری در حفظ امنیت ساختارهای اطلاعاتی است و می ­تواند در کنار دیوار آتش[1] به حفظ امنیت سیستم اطلاعاتی کمک کند. به عنوان نمونه هایی از سیستم شناسایی نفوذ می توان به سیستم های تشخیص نفوذ تحت شبکه، دیوارهای آتش تحت وب، سیستم شناسایی بدافزار botnet و … اشاره کرد. به علاوه سیستم شناسایی نفوذ در راستای حفظ سیستم اطلاعاتی از حملات خطرناک، قادر است تا دیوار آتش را به گونه ای مناسب پیکربندی کند.

 

 

• اهدف تحقیق

 

امروزه امنیت شبکه­ های اطلاعاتی، یکی از مسائل چالش برانگیز در حوزه علوم کامپیوتری می­باشد. دامنه حملات به شبکه­ های کامپیوتری هر روز گسترده­تر می­ شود؛ اما مسئولیت شناسایی و مسدود کردن حملات در کاربران نهایی و سرویس­دهندگان اینترنت به عهده مدیران این سیستم­ها واگذار شده است. وجود نقاط آسیب­پذیر در سیستم­های اطلاعاتی به همراه رشد انفجاری انواع مختلف بدافزار، باعث شده تا روند به­روز نگه­داشتن سیستم­های شناسایی نفوذ مبتنی بر امضا با دشواری­هایی مواجه گردد. در نتیجه این سیستم­ها قادر به شناسایی حملات نوظهور نخواهند بود. سیستم­های شناسایی نفوذ مبتنی بر ناهنجاری نیز علی­رغم قابلیت تطبیق­پذیری­شان و توانمندی در شناسایی حملات نوظهور, بسیار وابسته به تعریفی که از مدل نرمال سیستم ارائه می­ شود، هستند.

طی ­چند سال اخیر، شبکه­­های اجتماعی تبدیل به قطب مرکزی اطلاعات و ارتباطات گردیده و به شکل روزافزون مورد توجه و حمله قرار گرفته­اند. این مسئله سبب شده تا تشخیص نفوذگران از کاربران عادی، تبدیل به یکی از مسائل چالش­برانگیز در رابطه با شبکه­ های اجتماعی گردد. در تحقیق پیش رو بر اساس رویکرد مبتنی بر ناهنجاری، به بررسی چگونگی شناسایی نفوذگران در شبکه­ های اجتماعی خواهیم پرداخت. تمرکز اصلی ما بر این مطلب استوار است که قادر باشیم به صورت پویا و با کمترین پیچیدگی زمان و فضا، نفوذگر را شناسایی کرده و به شکل فعال، نسبت به وی عکس العمل نشان دهیم.

یکی از ویژگی­های شبکه­ های اجتماعی این است که الگوی  ارتباطی و در نتیجه الگوی رفتار اجتماعی کاربران شبکه را به وضوح انعکاس می­ دهند [5]. به همین دلیل برای ساخت مدل رفتار نرمال در شبکه و شناسایی انحرافات از این مدل