SUPERVISOR
TAYEBEH BEHZAD,Keikhosro Karimi
طیبه بهزاد (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Hoori Khaleghian khorzooghi
حوری خالقیان خرزوقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Silica Separation from Rice Straw for Improvement of Ethanol Production Using Mucor hiemalis
Nowadays, progresses of different industries have increased energy consumption. Therefore, increase in green house gases emission, reduction in natural resources, and low availability of fossil fuels intensify the significan ce of using renewable resources. As one of the possible solutions, the importance of bioethanol production as a clean and renewable fuel seems obvious. As a biological process, fermentation of sugar-based, starch-based, and lignocellulosic materials is the dominant method suggested for ethanol production. Lignocellulosic materials are one of the renewable and low cost resources which are abundantly available. Rice straw is an abundant, inexpensive, and widely available lignocellulosic resource which in comparison with other lignocellulosic materials has high silica content. The presence of silica in outer layer of rice straw protects other components and makes difficulty in its composting and processing Silica reduces enzymatic hydrolysis yield of the straw and consequently its ethanol production. In this study, silica removal from rice straw using various chemical substances at different temperatures was investigated. Sodium carbonate at 100 o C was more effective in separation of silica. Moreover, temperature of pretreatment had a pronounced effect on the silica removal. Higher temperatures led to more efficient silica removal. Pretreatment with sodium carbonate at 100 o C removed 91% of silica from rice straw. The untreated and pretreated rice straw with 1 M sodium carbonate at 0, 25, and 100 o C were subjected to enzymatic hydrolysis at 45 o C for 72 h by 20 FPU cellulase and 30 IU ?-glucosidase per each gram of substrate. Pretreatment with sodium carbonate at high temperature caused significant improvement in the glucose production; while the pretreatments at lower temperature had very little influence on the hydrolysis. For optimization of the pretreatment, sodium carbonate solutions were used with concentrations of 0.5 an 1 M, at 100 o C, time intervals of 1, 3 and 7 h, and solid loading of 1 to 10, 15 and 20. The best pretreatment conditions were obtained to be 0.5 M sodium carbonate at 100 °C for 3 h with solid loading of 1 to 20. This pretreatment improved the glucose yield from 35% for the untreated straw to 100% for the treated one. The structural properties of the materials were followed by SEM images and FTIR analysis. The results showed decreasing structural uniformity and crystallinity of cellulose.Ethanol production by simultaneous saccharification and fermentation with M. hiemalis was carried out at 37 o C for 72 h under anaerobic conditions. The results showed that ethanol production yield was improved from 39.8% for untreated straw to 83.2% for treated one at optimum conditions. Moreover, increasing pretreatment times from 1 to 3 h improved the hydrolysis and fermentation, while the increasing in time interval after 3 h had no effect on glucose and ethanol production. In addition, increasing in liquid to solid ratio in pretreatment step, had minor effect on ethanol production. In fact, the ethanol yield of more than 80% can be achieved with using fewer liquid in pretreatment step. To investigate the performance of M. hiemalis in ethanol production, simultaneous saccharification and fermentation was performed with M. hiemalis and S. cerevisiae. The results indicated that the fungus had a better ethanol yield compared to S. cerevisiae. Keywords ethanol, pretreatment, rice straw, silica, sodium carbonate, Mucor hiemalis .
کاه برنج یکی از مواد لیگنوسلولزی فراوان، ارزان و در دسترس است که می توان از آن برای تولید بیواتانول استفاده نمود. این ماده نسبت به دیگر مواد لیگنوسلولزی سیلیس بیشتری دارد. وجود سیلیس در دیواره ی بیرونی گیاه، مقاومت کاه برنج را در برابر انجام فرآیند بر آن بالا می برد؛ به این ترتیب سیلیس یک ترکیب مزاحم در هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول ازکاه برنج محسوب می شود. در این پژوهش جداسازی سیلیس از کاه برنج توسط پیش فرآوری با تعدادی از مواد شیمیایی در شرایط مختلف بررسی شده است. بهترین نتیجه مربوط به پیش فرآوری با کربنات سدیم در دمای 100 درجه سانتیگراد بود که منجر به حذف 91 درصد از سیلیس موجود در کاه برنج شد. افزایش دما باعث جداسازی بهتر سیلیس از کاه برنج شد. کاه برنج پیش فرآوری شده با کربنات سدیم 1 مولار در دمای صفر، 25 و 100 درجه سانتیگراد به همراه کاه پیش فرآوری نشده تحت هیدرولیز آنزیمی در دمای 45 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت با استفاده از FPU30 آنزیم سلولاز و IU60 آنزیم بتاگلوکوسیداز به ازای هر گرم سوبسترا قرار گرفتند. نتایج نشان داد که پیش فرآوری با کربنات سدیم در دمای بالا باعث بهبود قابل ملاحظه ای در تولید گلوکز در فرآیند هیدرولیز آنزیمی شده است؛ در حالی که پیش فرآوری در دماهای پایین تأثیر چندانی بر بهبود هیدرولیز نداشت. به منظور بهینه سازی شرایط پیش فرآوری جهت تولید اتانول بیشتر، از محلول کربنات سدیم در دمای 100 درجه سانتیگراد با غلظت های 5/0 و 1 مولار، در مدت زمان های 1، 3 و7 ساعت و نسبت محلول به جامد 10، 15 و 20 استفاده شد و تأثیر شرایط مختلف پیش فرآوری بر تولید گلوکز در فرآیند هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول در هیدرولیز و تخمیر همزمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی نشان داد که بهترین نتیجه در پیش فرآوری با کربنات سدیم 5/0 مولار در دمای 100 درجه سانتیگراد، به مدت 3 ساعت و با نسبت محلول به جامد 20 به دست آمد. در این حالت بازده تولید گلوکز از سلولز موجود در نمونه از 35 درصد مربوط به کاه پیش فرآوری نشده به 100 درصد افزایش یافت. هم چنین فرآیند هیدرولیز و تخمیر هم زمان نمونه های پیش فرآوری شده و پیش فرآوری نشده توسط قارچ موکور همیلیس در دمای 37 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت برای تولید بیواتانول انجام شد. بازده تولید اتانول برای نمونه پیش فرآوری نشده 8/39 درصد بود که در شرایط بهینه ی پیش فرآوری به 2/83 درصد رسید. جهت بررسی عملکرد قارچ موکور همیلیس در تخمیر و هیدرولیز هم زمان، مقایسه ای بین این قارچ و مخمر ساکارومایسیس سرویسیه انجام گرفت. نتایج حاصل از هیدرولیز و تخمیر هم زمان نشان داد که قارچ موکور همیلیس در تولید اتانول در این فرآیند بهتر از مخمر عمل کرده است. واژگان کلیدی: اتانول، پیش فرآوری، سیلیس، کاه برنج، کربنات سدیم، موکور همیلیس