Skip to main content
SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fatemeh Eslami
فاطمه اسلامی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Structural changes by leading pretreatments related to bioconversion of lignocellulosic materials
Growing concerns regarding depletion of oil resources, environmental impacts, fluctuations in petroleum products market, and increasing demand for energy have promoted extensive research in renewable and clean alternative fuels. Production of ethanol from lignocelluloses, i.e., sustainable inexpensive resources, is a promising solution to such problems. However, lignocelluloses have recalcitrant nature and need a pretreatment process for the improvement of their bioconversions. In this study, a wide range of leading pretreatments were carried out to effectively produce a concentrated fermentable sugar solution. Poplar as a hardwood, pine as a softwood, and rice straw as an agricultural residue were subjected to autohydrolysis, sulfuric acid, phosphoric acid, hot and cold sodium hydroxide and sodium carbonate pretreatment. The most influencing properties of the lignocelluloses, including crystallinity, porosity, water swelling capacity, and buffering capacity, were measured for both untreated and treated substrates to investigate fundamental changes in the structure by the pretreatments. Enzymatic hydrolysis using commercial cellulases was conducted at 45°C for 72 h. The results showed that the highest glucose yield for poplar and pine woods were 84.0 and 94.2%, respectively, both obtained after phosphoric acid pretreatment, where it was 94.5% for rice straw obtained after cold sodium hydroxide pretreatment. The experiment also demonstrated that the highest initial hydrolysis rate of 17 g/l.h. was obtained after phosphoric acid pretreatment. Ethanol production yield by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) was increased by 304 and 274% for poplar and pine, respectively, obtained after phosphoric acid pretreatment, where it was increased by 75% after hot sodium hydroxide pretreatment. The changes of crystallinity indices based on FTIR and XRD analysis did not fully agree with each other. Phosphoric acid pretreatment resulted in the greatest reduction in the crystallinity index. Nevertheless, according to FTIR analysis, this parameter was at the minimum when cold sodium hydroxide was used for the pretreatment of poplar and rice straw and phosphoric acid for the pretreatment of pine. Sodium carbonate succeeded to dramatically improve porosity and raised specific surface area to 130.9 and 160.3 m 2 /g in poplar and rice straw samples, while phosphoric acid lowered it to 51.2 and 43.9 m 2 /g, respectively. Water retention value reached its maximum and minimum values by applying phosphoric acid and sulfuric acid pretreatment, respectively. All pretreatments, particularly the alkaline types, were able to considerably increase resistance against pH reduction. Crystallinity index, based on XRD, strongly depended on the amount of amorphous cellulose. Moreover, similarity between rise and fall of water swelling capacity and crystallinity index was observed. Initial hydrolysis rate was significantly affected by water retention value and crystallinity in poplar and pine woods. Keywords : Crystallinity, Enzymatic hydrolysis, Ethanol, Lignocellulose, Pretreatment
کیده تشدید نگرانی‌ها پیرامون کاهش مداوم ذخائر نفت، نوسانات قیمت محصولات نفتی، تهدیدهای محیط زیست، اقتصاد و امنیت منطقه و همچنین رشد روزافزون تقاضای انرژی منجر به تحقیقات گسترده در زمینه تولید سوخت پاک از منابع تجدیدپذیرشده است. تولید اتانول از ترکیبات لیگنوسلولزی که موادی پایان‌ناپذیر و ارزان‌قیمت می‌باشند، یکی از راهکارهای عملی برای رفع این مشکلات به شمار می‌رود. در این پژوهش به منظور تولید محلول قندی قابل تخمیر با بازده و غلظت بالا، انواع پیش‌فرآوری‌های مؤثر و مطرح به کار گرفته شد. چوب صنوبر به عنوان یک سخت‌چوب، چوب کاج به عنوان یک نرم‌چوب و کاه برنج به عنوان یکی از ضایعات کشاورزی مورد پیش‌فرآوری با روش‌های هیدرولیز خودبه‌خودی، اسید سولفوریک، اسید فسفریک، هیدروکسید سدیم دما بالا و پایین و کربنات سدیم در شرایط بهینه قرار گرفتند. به منظور درک عمیق‌تر از تغییر ساختار مواد لیگنوسلولزی در اثر پیش‌فرآوری‌ها عوامل مختلفی چون بلورینگی، تخلخل، ظرفیت جذب آب و ظرفیت بافری در نمونه‌های خام و پیش‌فرآوری شده بررسی شدند. هیدرولیز آنزیمی بر روی نمونه‌های پیش‌فرآوری شده و نشده به مدت 72 ساعت دردمای 45 درجه سانتیگراد انجام شد. نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی نشان داد بیشترین بازده هیدرولیز برای چوب صنوبر و کاج به ترتیب با مقادیر 0/84 و 2/94 درصد برای نمونه‌های پیش‌فرآوری شده با اسید فسفریک و 5/94 درصد برای کاه برنج بعد از پیش‌فرآوری با هیدروکسید سدیم سرد بود. این آزمایش همچنین نشان داد سرعت اولیه هیدرولیز آنزیمی همواره بعد از پیش‌فرآوری با اسید فسفریک با مقداری حدود 17 گرم بر لیترساعت بالاترین میزان خود را دارد. بازده تولید اتانول بعد از انجام هیدرولیز و تخمیر هم‌زمان با مخمر ساکارومایسس سرویسیه با میزان بهبود 304 درصد برای چوب صنوبر، 274 درصد برای چوب کاج فرآوری شده با اسید فسفریک و 75 درصد برای کاه برنج فرآوری شده با هیدروکسید سدیم داغ به مقدار حداکثری خود رسید. روند تغییرات بلورینگی طبق شاخص‌های مختلف آزمون‌های تبدیل فوریه مادون قرمز و پراش پرتو ایکس با یکدیگر هم‌خوانی کامل نداشتند. شاخص بلورینگی به دست آمده از پراش پرتو ایکس برای انواع سوبستراهای پیش‌فرآوری شده با اسید فسفریک به حداقل خود رسیده بود، در حالی که شاخص‌های بلورینگی به دست آمده از تبدیل فوریه مادون قرمز در چوب صنوبر و کاه برنج بعد از پیش‌فرآوری با هیدروکسید سدیم سرد و چوب کاج بعد از پیش‌فرآوری اسید فسفریک بیشترین میزان کاهش را داشتند. کربنات سدیم موفق به ایجاد تخلخل زیاد و مساحت سطح ویژه 9/130 و 3/160 متر مربع بر گرم در چوب صنوبر و کاه برنج شد، در صورتی که اسید فسفریک این مقدار را به 2/51 و 9/43 متر مربع بر گرم کاهش داد. جذب آب بعد از پیش‌فرآوری با اسید فسفریک به شدت بهبود و بعد از به کارگیری اسید سولفوریک به پایین‌ترین مقدار خود رسید. همچنین انواع پیش‌فرآوری‌ها به خصوص قلیایی‌ها تأثیر به‌سزایی در افزایش مقاومت نمونه‌ها در برابر کاهش pH داشته‌اند. وابستگی زیاد شاخص بلورینگی پراش پرتو ایکس به مقدار سلولز آمورف نمونه و همچنین شباهت نسبی میان چگونگی افزایش قابلیت تورم با آب و کاهش اندازه بلورینگی به دست آمده از پراش پرتو ایکس در نتایج مشاهده شد. در مورد چوب صنوبر اندازه قابلیت تورم با آب و برای چوب کاج مقدار بلورینگی شدیداً سرعت اولیه هیدرولیز آنزیمی را تحت تأثیر قرار دادند. واژگان کلیدی: اتانول، بلورینگی، پیش‌فرآوری، مساحت سطح ویژه، مواد لیگنوسلولزی، هیدرولیز آنزیمی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی