Skip to main content
SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Safari
محمد صفری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Biological Hydrogen Production from Rice Straw via Dark Fermentation using Microbial Mixture Biofilm in Continuous Biofilm Reactor
Fossil fuels as primary sources of energy have been shown various disasters during last decades including dominant source of air pollution and greenhouse gas emission and global climate change, and therefore negative impacts on human and ecosystem. Hydrogen with the highest energy density and as a clean without any pollutant generation has been considered as a proper alternative of energy. Biomass is the most abundant renewable energy resource in the world. Rice straw with 600-900 million tons annually is one of the abundant agricultural biomass residues in the world that can be used to produce hydrogen by the biological process. In this study, rice straw was collected from a farm located in Lenjan, Isfahan, Iran. Determination of structural carbohydrates and lignin showed that this rice straw was contained 40.51, 20.26, 7.33 % (w/w) glucan, xylan, and lignin, respectively. It was ball-milled and screened by 20 and 80 meshes, then hydrolyzed using two different dilute-sulfuric acid stages. In the first hydrolysis stage, 10 g rice straw was mixed with 100 ml sulfuric acid (1% w/v) at 120 °C for 30 min. Afterward, the solid residues were used for the second hydrolysis stage with 0.5% sulfuric acid at 180 °C for 30 min. The results show the ability of first stage hydrolysis to depolymerize xylan to xylose with a yield of 58.49% and second stage hydrolysis with a yield of 19.28% for glucose. The reduced sugars from two hydrolysis stages were fed to the continuous biofilm fixed bed reactor for the production of biohydrogen via dark fermentation. The microbial mixture used for biofilm formation was anaerobic sludge from north-east sewage treatment plant of Isfahan, which was pre-treated in a thermal shock at 90 °C for 30 min and acid shock at pH 4.8 for 12 h. The effect of three different HRTs (17, 8.2, 2 h) on hydrogen production rate and hydrogen yield was investigated at pH 5.3 and 37°C. Reduction of HRT resulted in the reduction of methane percentage on total biogas. Further by shifting from high to low HRTs, output COD was decreased (from 3119.9 to 2972.9 mg / L). On the other hand, acetic acid and butyric acid production reduction were slower than other soluble metabolites like ethanol. The highest gas production rate of 0.252 L H 2 / L.h and hydrogen yield of 1 mol H 2 / mol sugar were reported at 2 h HTR. Keywords: Biohydrogen, Rice straw, Dark fermentation, Bioreactor, Continues reactor, Biofilm reactor, Hydraulic retention time.
استفاده از سوخت های فسیلی به عنوان منبع اصلی تامین انرژی بشر باعث ایجاد مشکلات فراوانی شده است که از جمله ی آن می توان به آلودگی هوا، ایجاد مشکل برای سلامتی انسان، مشکلات زیست محیطی و همچنین تغییرات آب و هوایی اشاره کرد. هیدروژن به عنوان پاک ترین سوخت شناخته شده که هیچ گونه گاز آلوده کننده ای طی فرآیند سوختن ایجاد نمی کند می تواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی قلمداد شود. زیست توده یکی از فراوان ترین منابع برای تامین انرژی در جهان است و کاه برنج با تولید حدود 600 تا 900 میلیون تن در سال یکی از فراوان ترین و کم کاربردترین پسماند های زیست توده است که می تواند به عنوان منبع مناسبی برای تولید هیدروژن زیستی مورد استفاده قرار گیرد. در این پژوهش از کاه برنج جمع آوری شده در یکی از مزارع اطراف اصفهان به عنوان خوراک استفاده شد که بر اساس آزمون سنجش میزان کربوهیدرات ها و لیگنین، حاوی به ترتیب 51/40 ، 26/20 و 33/7 درصد گلوکان، زایلان و لیگنین است. این کاه پس از پیش فرآوری فیزیکی و غربال تحت دو مرحله آبکافت اسیدی رقیق قرار گرفت. در مرحله ی اول 10 گرم کاه برنج با 100 میلی لیتر محلول اسید سولفوریک 1% در مدت 30 دقیقه در دمای 120 درجه سانتی گراد آبکافت شد. در مرحله ی دوم جامد حاصل از مرحله ی اول با 100 میلی لیتر سولفوریک اسید 5/0 درصد در مدت 10 دقیقه و در دمای 180 درجه سانتی گراد مجددا مورد آبکافت قرار گرفت. طی مرحله ی اول آبکافت 49/58 درصد از زایلوز و در مرحله ی دوم آبکافت 28/19 درصد از گلوکز آزاد شد. در مجموع طی دو مرحله ی آبکافت 70/71 درصد از زایلوز، 75/26 درصد از گلوکز و 23/91 درصد از دیگر قندها آزاد شد. آموزش شبکه ی عصبی بر آبکافت مرحله ی اول توانست تولید گلوکز و زایلوز را به ترتیب با اختلاف 35 و 43 درصد پیش بینی کند. قند تولیدی از مرحله ی آبکافت برای تولید هیدروژن در راکتور پیوسته بیوفیلمی توسط فرآیند تخمیر تاریک استفاده شد. برای تشکیل بیوفیلم راکتور از لجن بی هوازی تصفیه خانه شمال اصفهان استفاده شد که طی دو مرحله پیش فرآوری حرارتی ( 30 دقیقه و 90 درجه سانتی گراد) و اسیدی ( 12 ساعت در pH 8/4 درون راکتور) قرار گرفت. در این پژوهش از 3 زمان ماند هیدرولیکی 17، 2/8 و 2 ساعت استفاده شد تا تاثیر این متغیر بر نرخ تولید هیدروژن و بازده تولید هیدروژن مشخص شود. با کاهش زمان ماند هیدرولیکی ترکیب درصد متان در گاز تولیدی در راکتور کاهش پیدا کرد به صورتی که در زمان ماند هیدرولیکی 2 ساعت این مقدار تقریبا به صفر نزدیک شد. نسبت تولید استیک اسید به بوتیریک اسید طی کوتاه تر شدن زمان ماند هیدرولیکی از 45/1 به 99/1 افزایش پیدا کرد. علاوه بر این با کوتاه تر شدن زمان ماند هیدرولیکی میزان اکسیژن خواهی شیمیایی مایع خروجی از راکتور کاهش پیدا کرد اما کاهش میزان استیک اسید و بوتیریک اسید به نسبت دیگر متابولیت های محلول تولیدی کم تر گزارش شده است که در نهایت مجموعه ی این تغییرات به بهبود تولید هیدروژن زیستی منجر شد به نحوی که در زمان ماند هیدرولیکی 2 ساعت بیشترین بازده تولید هیدروژن به میزان 1 مول هیدروژن بر مول گلوکز مصرفی و بیشترین نرخ تولید هیدروژن برابر با 252 میلی لیتر هیدروژن بر لیتر.ساعت اندازه گیری شد. واژگان کلیدی: هیدروژن زیستی، کاه برنج، تخمیر تاریک، راکتور زیستی ، راکتور بیوفیلمی بستر ثابت، زمان ماند هیدرولیکی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی