بررسی تولید بیوگاز و بیوهیدروژن از زائدات گیاه آفتابگردان

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, stalk and leaf of sunflower plant were used to produce biogas and biohydrogen due to high amounts of carbohydrates in them. To improve the yield of biogas and biohydrogen production from stalk, the pretreatment was performed with 50% (in term of volume) isopropanol-water solution (organosolv pretreatment) at different temperatures (100,120,140, 160 and 180°C) for 30 and 60 minutes. To investigate the effect of adding isopropanol, hydrothermal pretreatment was also performed under the same conditions. The highest methane production of 264 mL per gram VS was achieved by organosolv pretreatment at 180°C for 60 min which led to 113% increase in methane production compared to the untreated sample. By adding 1% of sulfuric acid to the pretreatment solution, the pretreatments were repeated at temperatures of 140, 160 and 180°C. The highest methane production of 278 mL per gram VS was obtained by organosolv pretreatment at 160°C for 30 min, which led to 121% increase in methane production compared to the untreated sample. The sunflower plant leaf was pretreated by 50% (in term of volume) isopropanol-water solution at different temperatures (100, 140 and 180°C) for 30 and 60 min and the results indicated negative effects on the process. To increase biohydrogen production, the effect of heat pretreatment, acid pretreatment and combination of these pretreatments on microbial mixtures were studied. Heat shock treatment was carried out at 85 and 100°C for 15 and 45 min. Acid pretreatment was performed by using hydrochloric acid solution at pH 2 for 24 hours. For the combined treatment, the acid pretreatment and heat shock pretreatment was performed respectively. The highest hydrogen production of 17.8 mL per gram VS was achieved by heat shock treatment at 85°C for 45 min from organosolv pretreated stalk at 180°C for 60 min. The hydrogen production of 4.1 mL per gram VS was obtained from untreated stalk. Solid, liquid and solid-liquid mixture of organosolv pretreated leaf and stalk were used to produce hydrogen. The highest hydrogen of 19.9 mL per gram volatile solids from the solid samples of pretreated stalk was produced at 160°C for 30 min in the presence of catalyst. The maximum hydrogen of 53.4 and 31.3 mL per gram VS from the liquid and solid-liquid mixture samples of pretreated stalk was produced at 160°C for 30 min in the presence of catalyst, respectively. Less amount of hydrogen was produced solid samples of pretreated leaf. The maximum hydrogen of 4.9 mL per gram VS from untreated samples was obtained after 168 hours. The maximum hydrogen of 42.1 and 18.5 mL per gram VS from the liquid and solid-liquid mixture samples of organosolv pretreated leaf was obtained at 180°C for 60 min, respectively. The total amount of produced hydrogen from solid-liquid mixture of treated stalk at 160°C for 60 min and treated leaf at 180°C for 60 min was 28.2 and 14.2 mL per gram initial VS, respectively. Acetic acid was the most volatile fatty acid produced in the hydrogen production process, while propionic acid was the least. The results of the hydrogen production in this study showed satisfactory agreement with modified Gompertz equation. The results of FTIR analysis and SEM images respectively showed that more reduction in the cellulose crystallinity index and more degradation of sunflower stalk were achieved by organosolv pretreatment compared to hydrothermal pretreatment. Key words: Sunflower plant, Organosolv pretreatment, Biogas, Biohydroge

در این پژوهش از ساقه و برگ گیاه آفتابگردان به دلیل میزان بالای کربوهیدرات های موجود در آن برای تولید بیوگاز و بیوهیدروژن در دمای مزوفیل استفاده شد. جهت بهبود راندمان تولید بیوگاز و بیوهیدروژن از ساقه، پیش فرآوری بر روی آن توسط محلول 50% حجمی ایزوپروپانول در آب (پیش فرآوری توسط حلال آلی) در دماهای مختلف (140،120،100، 160و 180 درجه سانتیگراد) به مدت 30 و 60 دقیقه انجام شد. پیش فرآوری گرمایی نیز بر روی ساقه در دماها و زمان های مشابه با حالت قبل انجام شد. بیشترین مقدار متان تولید شده، 264 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار پس از پیش فرآوری توسط حلال آلی در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت زمان 60 دقیقه بدست آمد، که نسبت به نمونه پیش فرآوری نشده 113 درصد افزاش تولید متان را به دنبال داشت. با اضافه کردن 1% اسید سولفوریک به محلول پیش فرآوری، پیش فرآوری ها در دماهای 140، 160 و 180 درجه سانتیگراد تکرار شد. بیشترین مقدار متان تولید شده از نمونه پیش فرآوری شده توسط حلال آلی در دمای 160 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه، به مقدار 278 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد، که نسبت به نمونه پیش فرآوری نشده 121% افزایش تولید متان را به دنبال داشت. پیش فرآوری بر روی برگ توسط حلال آلی در دماهای مختلف (140،100 و180 درجه سانتیگراد) به مدت 30 و 60 دقیقه انجام شد و نتایج نشان دهنده اثر منفی پیش فرآوری بر روی آن بود. بمنظور افزایش تولید بیو hy;هیدروژن، بر روی مخلوط میکروبی، پیش فرآوری شوک حرارتی در دو دمای 85 و100 درجه سانتیگراد به مدت زمان 15 و 45 دقیقه و پیش فرآوری اسیدی با استفاده از محلول اسید هیدروکلریک با تنظیم pH روی 2 به مدت 24 ساعت و پیش فرآوری ترکیبی به صورت ابتدا پیش فرآوری اسیدی و سپس پیش فرآوری حرارتی انجام شد. بیشترین میزان هیدروژن تولید شده از پیش فرآوری شوک حرارتی در دمای 85 درجه سانتیگراد به مدت 45 دقیقه، از نمونه ساقه پیش فرآوری شده توسط حلال آلی در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت زمان 60 دقیقه به میزان 8/17 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. برای نمونه ساقه پیش فرآوری نشده نیز مقدار 1/4 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. از جامدات، مایعات و مخلوط جامد ومایع حاصل از پیش فرآوری توسط حلال آلی بر روی برگ و ساقه برای تولید هیدروژن استفاده شد. برای ساقه، بیشترین میزان هیدروژن تولید شده از نمونه های جامد حاصل از پیش فرآوری، مربوط به نمونه پیش فرآوری شده در دمای 160 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه و با حضور کاتالیست، به مقدار 9/19 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. بیشترین مقدار هیدروژن تولید شده از نمونه های مایع و مخلوط مایع و جامد حاصل از پیش فرآوری مربوط به دمای 160 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه و با حضور کاتالیست، به ترتیب به میزان 4/53 و 3/31 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. میزان هیدروژن تولید شده از نمونه های جامد حاصل از پیش فرآوری برای برگ، مقادیر پایینی بدست آمد. بیشترین میزان هیدروژن تولید شده مربوط به نمونه پیش فرآوری نشده برابر با 9/4 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. بیشترین مقدار هیدروژن تولید شده از نمونه های مایع و مخلوط مایع و جامد حاصل از پیش فرآوری برگ توسط حلال آلی مربوط به دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه به ترتیب به میزان 1/42 و 5/18 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. مقدار کل هیدروژن تولید شده از مخلوط جامد ومایع حاصل از پیش فرآوری در دمای 160 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه و با حضور کاتالیست برابر با 2/28 میلی لیتر به ازای گرم جامد فرار اولیه ساقه آفتابگردان و برای برگ در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه برابر با 2/14 میلی لیتر به ازای گرم جامد فرار اولیه برگ آفتابگردان بدست آمد. بیشترین درصد اسیدهای چرب فرار تولید شده برای تمامی نمونه ها در فرآیند تولید هیدروژن مربوط به اسید استیک و کمترین آن مربوط به اسید پروپیونیک بدست آمد. معادله گامپرتز اصلاح شده مطابقت خوبی با داده های آزمایشگاهی هیدروژن تولید شده داشت. نتایج آزمون FTIR و SEM به ترتیب نشان دهنده کاهش بیشتر میزان شاخص بلورینگی و تخریب بیشتر ساقه آفتابگردان در طی پیش فرآوری توسط حلال آلی در مقایسه با پیش فرآوری گرمایی است. کلمات کلیدی : گیاه آفتابگردان، پیش فرآوری توسط حلال آلی، بیوگاز، بیوهیدروژن