SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Razieh Naebian
راضیه نائبیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Production of biogas, biohydrogen and bioethanol from garden waste
The competition between fuel and food at first generation biofuels has encouraged researchers to use lignocellulosic materials for second generation biofuels. Garden wastes consist of grass clippings, hedge cuttings, pruning, leaves, and wood. The application of garden waste for biofuel production could not only solve pollution problems made by disposing and burning but also could produce value-added chemicals and biofuels. However, because of the recalcitrant of lignocelluloses, a pretreatment process is necessary for increasing the accessibility of the cellulose to hydrolytic enzymes. Organosolv pretreatment is the process to remove lignin from lignocellulosic substrate with organic solvents or their aqueous solutions and therefore increase the digestibility of cellulose. In this study, an organosolv pretreatment process was investigated under mild conditions and with acetic acid as a catalyst. The pretreatment was carried out at different temperatures (120°C, 150°C, and 170°C) with acetic acid (0%, 1%, 3%, and 5%) for 30 and 60 min. As a result, the enzymatic hydrolysis produced 5.1 g/L glucose after the pretreatment at 170°C with 0% acetic acid for 30 min, whereas the result for untreated garden waste was 4/7 g/L. The theoretical yield of ethanol production after pretreatment at 170°C for 30 min with 5% acetic acid was 17.6%. The best result of biogas production from solid was 443 ml/g.VS, obtained after pretreatment at 170°C with 3% acetic acid for 30 min. Biogas production for untreated garden waste was only 281 ml/g.VS. The best result for biohydrogen production from solid was 101.7 ml/g.VS after pretreatment at 150°C with 3% acetic acid for 60 min. Biohydrogen production for untreated garden waste was 59.2 ml/g.VS. This result for the liquid fraction of pretreatment at 150°C with 5% acetic acid for 30 min was 97 ml/g.VS. Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass was carried out on solids after pretreatment. FTIR test also was carried out on the pretreated solids. The maximum percent of glucan was 54% after pretreatment at 170°C for 60 min with 3% acetic acid. The minimum percent of lignin was 20.1 %, obtained after pretreatment at 120°C with 0% acetic acid for 60 min. The crystallinity index was calculated as the absorbance ratio of A1098/A898. The CI was 1/3 for untreated garden waste, which was increased to 1.55 when the waste was treated at 170°C with 3% acetic acid for 30 min. This kind of pretreatment could reduce the size of substrate. Pretreatment of garden waste by ethanol could increase biogas production in comparison to alkali pretreatment. Promising results of biohydrogen were achieved without sterilization and the addition of nutrients.
در سالهای اخیر گرایش به تولید سوختهای زیستی از زیست تودهها بالا رفته است. این نوع سوختها که نسبت به سوختهای فسیلی اثرات مخرب زیست محیطی کمتری دارند، میتوانند مشکل کمبود منابع سوختهای فسیلی را برطرف کنند. سوختهای زیستی که از زیست تودهها تولید میشوند؛ مانند باگاس نیشکر، ساقهی برنج و ضایعات باغبانی، جز نسل دوم سوختهای زیستی حساب میشوند و رقابتی با منابع غذایی جهان ندارند. این سوختهای زیستی نسل دوم میتوانند کربن دیاکسید منتشر شده در محیط زیست را 100%-75 کاهش دهند. ضایعات باغبانی شامل سرشاخه، شاخهی درختان و بقایای گیاهان که در نتیجهی هرس به زمین میریزند، چمن، پوستهی درختان و برگ است. استفاده از ضایعات باغبانی نه تنها مشکل آلودگی آنها بر اثر انباشته شدنشان را برطرف میکند، بلکه فرآوردههای باارزشی از این ضایعات باغبانی تولید میکند. برای تبدیل ضایعات لیگنوسلولزی به بیوگاز، بیواتانول و بیوهیدروژن نیاز به مرحلهای پیش فرآوری است که در آن سطح مادهی اولیه را برای آنزیمها در مرحلهی هیدرولیز آنزیمی قابل دسترس میسازد. برای تولید اتانول مرحلهی هیدرولیز آنزیمی در پیش است که در آن قند مورد نیاز برای مرحلهی تولید بیواتانول فراهم میشود. برای تولید بیوگاز و بیوهیدروژن، پس از مرحلهی پیش فرآوری به تولید این دو سوخت پرداخته میشود. پیش فرآوری انجام شده در این پروژه پیش فرآوری با حلال آلی است که کاتالیزور اسید استیک در آن به بهبود سرعت فرآیند منجر میشود. پیش فرآوری با حلال آلی به دلیل تولید کمتر محصولات بازدارنده همچون هیدروکسی متیل فورفورال و فورفورال نسبت به پیش فرآوری اسیدی ارجحیت دارد. از طرفی چون مخلوط ضایعات باغبانی شامل هم چوبهای نرم و هم چوبهای سخت است، پیش فرآوری حلال آلی بهتر از پیش فرآوری بازی برای تولید بیوگاز است. حالتهای پیش فرآوریهای انجام شده در 24 حالت مختلف در دماهای 120، 150 و 170 درجه سانتیگراد، زمانهای 30 و 60 دقیقه و درصدهای وزنی - وزنی اسید استیک 0%، 1%، 3% و 5% انجام گرفت. در مرحلهی هیدرولیز آنزیمی بیشترین میزان قند تولیدی 05/5 گرم بر لیتر با شرایط پیش فرآوری در دمای 170 درجه سانتیگراد، 0% اسید استیک و 30 دقیقه زمان حاصل شد. که این غلظت گلوکز برای پیش فرآوری نشده 71/4 گرم بر لیتر بود. بالاترین بازده تئوری اتانول 6/17 % برای شرایط پیش فرآوری در دمای 170 درجه سانتیگراد، زمان 30 دقیقه و غلظت 5% اسید استیک بود. این در حالی است که بهترین نتیجهی متان برای جامد پیش فرآوری برای شرایط پیش فرآوری در دمای 170 درجه سانتیگراد، غلظت 3% اسید استیک و 30 دقیقه زمان حاصل شد. که این مقدار 443 میلی لیتر بر گرم جامد فرار اندازه گیری شد. مقدار متان به دست آمده برای حالت پیش فرآوری نشده 281 میلی لیتر بر گرم جامد فرار بود. بهترین نتیجهی متان تولیدی برای مایع پیش فرآوری در شرایط 150 درجه سانتیگراد، 30 دقیقه زمان و %5 اسید استیک بود و میزان متان آن 241 میلی لیتر بر گرم جامد فرار بود. در مورد بیوهیدروژن تولیدی جامدات پیش فرآوری بیشترین مقدار آن 7/101 میلی لیتر بر گرم جامد فرار بود که توسط جامد پیش فرآوری شده در دمای 150 درجه سانتیگراد، 3% اسید استیک و 60 دقیقه زمان، تولید شد. جامد پیش فرآوری نشده 2/59 میلی لیتر بر گرم جامد فرار بیوهیدروژن تولید کرد. بیشترین میزان بیوهیدروژن تولیدی از مایعات پیش فرآوری در دمای 150 درجه سانتیگراد، 5% اسید استیک و 30 دقیقه زمان 97 میلی لیتر بر گرم جامد فرار بود. بررسی درصد لیگنین و کربوهیدرات و FTIR روی جامد حاصل از پیش فرآوری انجام گرفت. نتیجهی FTIR به این صورت بود که بیشترین میزان شدت بلورینگی برای دمای 170 درجه سانتیگراد، 3% اسید استیک و 30 دقیقه زمان مشاهده شد. که این میزان 55/1 بود و میزان شدت بلورینگی برای سوبسترای پیش فرآوری نشده 3/1 بود. .طبق نتایج درصد لیگنین و کربوهیدرات بیشترین درصد گلوکان 54% برای دمای 170 درجه سانتیگراد، زمان ماند 60 دقیقه و غلظت 3% اسید استیک بود. کمترین میزان لیگنین هم در شرایط پیش فرآوری 120 درجه سانتیگراد، 0% اسید استیک و 60 دقیقه زمان است که 1/20 % بود. از آنجایی که نتایج مربوط به بنزین معادل بهینهی بیوگاز و بیوهیدروژن با حالت پیش فرآوری نشده تفاوت زیادی نداشت، اثر مفید پیش فرآوری در اندازهی تجهیزات مورد استفاده مشاهده شد. به این صورت که با انجام عملیات پیش فرآوری جرم مادهی اولیهی مورد استفاده در مقایسه با پیش فرآوری نشده، مطابق درصدهای بازیابی کمتر شد. که این خود به کاهش مقیاس تجهیزات مورد استفاده کمک کرد. در نهایت با توجه به نتایج به دست آمده، استفاده از اتانول برای پیش فرآوری ضایعات باغبانی تا سطح قابل قبولی بیوگاز تولیدی را بهبود بخشید. همچنین در صورت استفاده از لجن پیش فرآوری شده برای تولید بیوهیدروژن؛ بدون نیاز به استربل کردن و مواد مغذی (به غیر از مادهی اولیه)، نتایج مناسبی برای هیدروژن تولیدی حاصل شد.