SUPERVISOR
Akram Zamani foroshani,Keikhosro Karimi
اکرم زمانی فروشانی (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Saeid Ostovareh
سعید استواره
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Improvement of Biogas and Ethanol Production from Sweet sorghum stalk by Organosolv Pretreatment
Sweet sorghum is a bioenergy crop and is a good source for biogas and bioethanol production. Sweet sorghum stalk contains free sugars,cellulose, and hemicellulose.The stalk is rich in soluble sugars, i.e., sucrose, glucose, and fructose as well as insoluble carbohydrates, i.e., cellulose and hemicelluloses, which all can be utilized as raw materials for ethanol and biogas production.It is difficult to improve the overall yield of ethanol and biogas from sweet sorghum by most of pretreatment, as the stalks contain free sugar that which are wasted in most of the common pretreatments. In this study, effect of organosolv pretreatment to improve biogas and ethanol was investigated.In the first step effect of temperature (100,120,140,160 o C), ethanol concentration, and presence of sulfuric acid (as catalyst) was studied on improvement of biogas production from the solid residue of the stalk after the pretreatment.The organosolv pretreatment process was conducted using a high-pressure stainless steel vessel (as a batch reactor) with a working volume of 500mL. The reactor was equipped with a pressure gage and a thermometer, and it was placed in an oil bath equipped with a temperature controller.Liquid fraction was distillated to recover the ethanol. The untreated and organosolv-treatment samples were digested in 118 mL batch digesters.Biogas experiments were carried out at mesophilic conditions (37 °C). Gas samples were analyzed for methane and carbon dioxide concentrations using gas chromatography(GC). Biogas production by increasing pretreatment temperature was improved. The sample treated at 160 o C, 50% ethanol, without catalyst resulted in the maximum yield among solid substrates (untreated and pretreated). In the second step mixture of liquid fraction and solid residue was used for biogas production. The maximum amount of biogas production was related to mixture of liquid and solid fraction treated at 160 o C without catalyst using 50% ethanol concentration (278 ml CH4/g VS(.This wasmore than 270% higher than the yield of biogas from untreated sweet sorghum stalk. At the third step enzymatic hydrolysis of the untreated and all treated sweet sorghum were conducted at 45 °C for 96 h with enzyme loading of 20 FPU cellulase and 50 IU ?-glucosidase per gram of substrate. The best pretreatment conditions were 50% ethanol, 1% sulfuric acid, and 140 o C. This pretreatment improved the glucose yield from 34.1% theoretical yield for the untreated sweet sorghum to 83% for the pretreated sample.. Consequently, ethanol production yield from pretreated materials was2-fold higher than that of untreated wood. The liquid fraction of pretreatment after distillation (liquor) was used directly for ethanol production. The maximum ethanol yield (59.4% of theoretical yield) was obtained from liquor produced at 100?C, without catalyst, 50% ethanol-water solution. The analysis showed that organosolv pretreatment at elevated temperature can significantly reduce the lignin and xylan contents and the cellulose crystallinity which is more amenable for anaerobic digestion and enzymatic hydrolysis. On the other hand, liquid fraction of pretreated materialhad a good potential for ethanolic fermentation and also biogas production (in mixture with the solid residue). Key words organosolv pretreatment, sweet sorghum, biogas, ethanol, sulfuric acid, anaerobic digestion, enzymatic hydrolysi
سورگوم شیرین یک گیاه انرژی زاست و یک منبع بسیار مناسب برای تولید اتانول و بیوگاز محسوب می شود. سورگوم شیرین غالبا از مواد قندی، نشاسته، سلولز ، همی سلولز و لیگنین تشکیل شده است. پیش فرآوری مستقیم ساقه سورگوم شیرین به دلیل حضور همزمان قندهای آزاد و لیگنین معمولا پیچیده است .این پیچیدگی به این علت است که پیش فرآوری های معمول هر چند ساختار لیگنوسلولزی سورگوم را تخریب می کند و دسترسی به سلولز را افزایش می دهد اما باعث استخراج قندهای آزاد از ساقه سورگوم شده و میزان بازده تولید متان و اتانول را به شدت کاهش می دهد.در این پژوهش تاثیر پیش فرآوری با حلال آلی اتانول (Organosolv)، برای بهبود تولید بیوگاز و اتانول بررسی شد.در مرحله اول تاثیر دما ( o C100،120،140،160)وغلظت اتانول (50 ،70 % )و حضورکاتالیست اسیدسولفوریک در بهبود تولید بیوگاز از جامد حاصل از پیش فرآوری بررسی شد.پیش فرآوری در یک مخزن فشار بالا از جنس فولاد ضد زنگ که دارای دماسنج وفشارسنج است به عنوان راکتور ناپیوسته انجام شد.آزمایشات بیوگاز در راکتورهای 118 میلی لیتری در حالت ناپیوسته در شرایط معتدل دوست (37 درجه سانتیگراد) انجام شد. گاز حاصل به کمک دستگاه GC آنالیز شد. تولید بیوگاز با افزایش دمای پیش فرآوری در حالت بدون کاتالیست افزایش یافت. نمونه ی فرآوری شده در دمای o C160و غلظت اتانول 50 % و در غیاب اسید سولفوریک با تولیدml/g VS)) 4/ 155 متان بیشترین میزان تولید را در بین جامدهای فرآوری شدهنسبت به نمونه ی پیش فرآوری نشده داشت ( 100 % بیشتر از نمونه ی پیش فرآوری نشده)متان تولیدی در این حالت 51 % میزان تئوریبود. نمونه های دارای کاتالیست(1 % اسیدسولفوریک)در دماهای پایین( o C100،120) بازدهی بیوگاز بهتری را نسبت به نمونه های بدون کاتالیست داشتند؛ اما در دماهای بالا وجود اسید تاثیر منفی داشته تا آنجا که در نمونه ی o C160 تولید متان کمتر از نمونه پیش فرآوری شده بود ودلیل این امر احتمالا حذف همی سلولز و قندهای آزاد از ساختار سورگوم و تخریب بیش از حدآنهاست که موجب کاهش تولید متان می شود. در مرحله دوم از مخلوط مایع (پس از تقطیر) و جامد پیش فرآوری شده برای تولید بیوگاز استفاده شد.افزایش مایع پیش فرآوری به جامد فرآوری شده بدلیل داشتن قندهای گلوکز، فروکتوز وساکاروز موجب بهبودقابل توجه در تولید بیوگاز شد و نمونه ی o C160، غلظت 50 % اتانول و بدون کاتالیستبیشترین تولید متان را داشت((ml/g VS ) 7/278 ). این مقدار 270 % بیشتر از نمونه ی پیش فرآوری نشده و 92 % میزان متان تئوریاست. دلیل افزایش تولید متان کاهش لیگنین در ساختار سورگوم و نیز جلوگیری از هدر رفتن قندهای آزادوهمی سلولز با اضافه نمودن مایع پیش فرآوریبود. در مرحله سوم از مایع پیش فرآوری و جامدفرآوری شده به صورت جداگانه برای تولید اتانولاستفاده شد. مایع پیش فرآوری پس از تقطیر در خلا بدلیل داشتن قندهای آزاد گلوکز، فروکتوز و ساکاروز به صورت مستقیم بوسیله ی مخمر ساکارومایسیس سرویسیه تخمیر شد، اما جامد فرآوری شده در ابتدا تحت هیدرولیز آنزیمی در دمای o C45 به مدت 96 ساعت با استفاده از FPU/g 20 آنزیم سلولاز و/g IU50 آنزیم بتاگلوکوسیداز قرار گرفتو سپس محلول قند حاصل تخمیر شده و اتانول تولید شد. در تخمیر مستقیم مایعات پیش فرآوری،نمونه ی حاصل از پیش فرآوری در o C100،غلظت 50 % اتانول و بدون کاتالیست با بازده 4/65 % بیشترین بازده را در تولید اتانول داشتو در بین جامدهای فراوری شده نمونه ی o C140، غلظت 50 % و 1 % اسید با بازده 5/72% دارای بیشترین بازده در تولید اتانول بود.آنالیز داده ها نشان می دهدکهافزایش تولید بازده اتانول در پیش فرآوری با 1% کاتالیستاسید سولفوریک احتمالا به این دلیل است که وجود اسید با حذف بیشتر لیگنین و همی سلولز سطح دسترسی آنزیم ها را به سلولز افزایش بیشتری می دهد. واژگان کلیدی : بیوگاز ، اتانول، سورگوم شیرین، پیش فرآوری با حلال آلی(Organosolv)، هیدرولیز آنزیمی، هضم بی هوازی،سولفوریک اسید