پیش فر وری های مختلف برای بهبود تولید بیوگاز و بیوهیدروژن از قسمت های مختلف درخت سرو

STUDENT

DEGREE

YEAR

Extensive use of fossil fuels, huge emission of greenhouse gas, and air pollution have led to environmental and energy concerns. Also, the accumulation of lignocellulosic waste is becoming a major problem for human society. Biofuels are considered as a promising alternative to the current energy resources owing to availability and variety of raw biomass resources. In this study, different parts of spruce tree including leaves, trunk, twigs, bark, fruit, and their mixtures were utilized as lignocellulosic feedstock for biogas production by anaerobic digestion and for biohydrogen production by dark fermentation method. Then, the residue of dark fermentation at the optimum condition was used to produce biogas by anaerobic digestion. In this study, three types of pretreatments were run at 55, 140, and 150 °C for 50, 5, and 30 minutes, using 85% phosphoric acid, 0.5% w/w sulfuric acid, and 1% w/w sulfuric acid-catalyzed ethanol organosolv, respectively. The solid and liquid phases, obtained after the pretreatments, were used for anaerobic digestion and dark fermentation under mesophilic conditions. Data analysis showed that the highest biomethane production was obtained from the solids pretreated with concentrated phosphoric acid, which were 252 ml for leaf, 176 ml for trunk, 156 ml for branch, 164 ml for bark, 186 ml for fruit, and 254 ml for mixed substrates per gram of volatile solid. The values obtained from the solids pretreated with phosphoric acid for leaves, trunk, branch, bark, fruit, and the mixture showed an increase by 42%, 55%, 22%, 76%, 82%, and 59%, respectively, compared to the untreated samples. The highest amounts of methane production from pretreatment liquids for leaves, trunk, and branch was related to organosolv pretreatment, which were 272, 208, and 123 ml per gram of volatile solid, and for bark, fruit, and the mixed substrates were related to sulfuric acid pretreatment, which were 138, 257, and 80 ml per gram of volatile solid, respectively. The highest amounts of biohydrogen production were obtained from phosphoric acid pretreatment, which were 32.39, 9.42, and 6.92 ml per gram of volatile solid for leaves, twigs, and the mixture of substrates, respectively. The highest amount of hydrogen production was 4.18 and 13 ml per gram volatile solid for the trunk and fruit of spruce after sulfuric acid pretreatment, and was 4.15 ml per gram volatile solid for organosolv-pretreated spruce bark. For the pretreatment liquids, the highest amount of hydrogen was obtained after sulfuric acid pretreatment. For all samples, the highest amount of biogas production from the dark fermentation residues was obtained after concentrated phosphoric acid pretreatment, which was about 4 m3 per kg of spruce fruit at the optimum conditions. Also, the highest amount of biohydrogen production per kg of substrates was achieved after concentrated phosphoric acid pretreatment, which was 1.3 m3 per kilogram of the mixed substrates.

امروزه استفاده از سوختهای فسیلی و افزایش انتشار گازهای گلخانهای و آلودگی هوا موجب به وجود آمدن مشکالت زیست محیطی و بحران انرژی شده است و از طرفی تجمع زبالههای لیگنوسلولزی یکی از مشکالت جامعهی انسانی تلقی می شود. از این رو سوخت زیستی به دلیل در دسترس بودن و تنوع مواد اولیه، جایگزین امید بخشی برای منابع انرژی کنونی شده است. در این پژوهش از قسمتهای مختلف درخت سرو شامل برگ، تنه، سرشاخه، پوسته، میوه و مخلوط آنها به عنوان ماده لیگنوسلولزی و خوراک اولیه برای تولید بیوگاز به روش هضم بی هوازی و تولید بیوهیدروژن به روش تخمیر تاریک استفاده شد. سپس بهینه نتایج از تخمیر تاریک برای تولید بیوگاز به روش هضم بی هوازی استفاده شد. همچنین تاثیر سه نوع پیش فرآوری اسید فسفریک 85 ،%اسید سولفوریک 5/1 درصد وزنی/وزنی و اتانول با کاتالیست اسیدی 9 درصد سولفوریک اسید در دماهای 55 ،941 و 951 درجه سانتیگراد و در زمانهای 51 ،5 و 91 دقیقه انجام گرفت. فاز جامد و مایع حاصل از پیش فرآوری برای هضم بی هوازی و تخمیر تاریک در شرایط مزوفیلی در دمای 97 درجه ساتیگراد مورد استفاده قرار گرفت. آنالیز دادهها حاکی از آن است که بیشترین بیومتان تولیدی از تمامی سوبستراهای جامد حاصل از پیش فرآوری ها، مربوط به پیش فرآوری اسید فسفریک غلیظ با مقدار 959 میلی لیتر مربوط به برگ، 976میلی لیتر و برای تنه، 956 میلی لیتر برای سرشاخه، 964 میلی لیتر برای پوسته، 986 میلی لیتر برای میوه و 954 میلی لیتر برای مخلوط سوبستراها به ازای هر گرم جامد فرار هر نمونه به دست آمده است. مقادیر به دست آمده از جامدات حاصل از پیش فرآوری با اسید فسفریک نسبت به حالت خام بدون پیش فرآوری برای برگ، تنه، سرشاخه، پوسته، میوه و مخلوط به ترتیب 49 ،%55 ،%99 ،%76 ،%89 %و 52 %افزایش داشته است. بیشترین مقدار متان تولیدی برای مایعات حاصل از پیش فرآوری برای برگ، تنه و سرشاخه مربوط به پیش فرآوری حالل آلی با مقدار 979 ،918 ،999 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار از سوبسترا و برای پوسته، میوه و مخلوط سوبستراها مربوط به پیش فرآوری اسید سولفوریک، با مقدار 998 ،957 و81 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار به دست آمده است. آنالیز دادههای هیدروژن تولیدی نشان داد که بیشترین مقدار هیدروژن برای جامدات حاصل از پیش فرآوری برای برگ، سرشاخه و مخلوط سوبستراها با استفاده از پیش فرآوری اسید فسفریک به دست آمده که مقدار آنها به ترتیب 92/99 ،49/2 و 29/6 میلی لیتر به ازای هرگرم جامد فرار و برای تنه و میوهی سرو مربوط به پیش فرآوری با اسید سولفوریک مقدار98/4 و 99 میلی لیتر به ازای هرگرم جامد فرار برای پوستهی سرو مربوط به پیش فرآوری حالل آلی با مقدار95/4 میلی لیتر به ازای هرگرم جامد فرار به دست آمده است. برای تمامی مایعات حاصل از پیش فرآوری، بیشترین مقدار هیدروژن با استفاده از پیش فرآوری اسید سولفوریک به دست آمده است. نتایج بهینه از تخمیر تاریک به سمت هضم بی هوازی برای تولید بیومتان هدایت شد. بیشترین مقدار بیوگاز تولیدی به ازای هر کیلوگرم از سوبستراها برای تمامی نمونهها از پیش فرآوری فسفریک اسید غلیظ به دست آمد که بیشترین مقدار 4 مترمکعب به ازای هرکیلوگرم از سوبسترای میوه سرو به دست آمده است. همچنین بیشترین مقدار بیوهیدروژن تولیدی به ازای هر کیلوگرم از سوبستراها نیز از پیش فرآوری فسفریک اسید غلیظ به دست آمده که بیشترین مقدار 9/9 مترمکعب به ازای هر کیلوگرم از مخلوط سوبستراها حاصل شده است. کلمات کلیدی: بیوگاز، بیوهیدروژن، هضم بی هوازی، تخمیر تاریک، پیش فرآوری، ضایعات لیگنوسلولزی