SUPERVISOR
Keikhosro Karimi,Mohammad.J. Taherzadeh,TAYEBEH BEHZAD
کیخسرو کریمی (استاد راهنما) محمدجعفر طاهرزاده اصفهانی (استاد مشاور) طیبه بهزاد (استاد راهنما)
STUDENT
Sayed Mohammad Amin Salehi
سیدمحمدامین صالحی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Efficient Conversion of Rice Straw to Fermentable Sugars and Bioethanol by Sodium Carbonate Pretreatment
Increasing demand for energy in addition to various environmental concerns intensify the significance of using renewable resources for energy production. Among different renewable resources, biomasses, especially lignocellulosic materials, are the most promising alternative for liquid biofuel production. Bioethanol should be considered as the most convenient biofuel to replace fossil fuels. Lignocellulosic materials, mostly include waste materials, are found in the cell wall of plants and composed of three major polymers: cellulose, hemicelluloses, and lignin. These polymers have strong interaction; event by chemical bonds, and make lignocellulosic materials stiff and inaccessible to various organisms. Cellulose, polymer of glucose monomers, could be enzymatically hydrolyzed to sugars and then microbially fermented to bioethanol. Unfortunately, these materials are recalcitrant to both acid and enzymatic hydrolysis leading to low hydrolysis yield. Because of that, a pretreatment step is necessary prior to hydrolysis to unlock packed and complex structure of these materials and reduce interaction of these polymers and therefore, enhance hydrolysis yield of them. Among various pretreatment methods, chemical pretreatments are more convenient in term of energy consumption and efficiency. In this study, rice straw, as one of the most produced lignocellulose, was treated with sodium carbonate prior to enzymatic hydrolysis and fermentation. All pretreatments were done in a high pressure reactor at 90, 120, 150, and 180°C with sodium carbonate concentration of 0.25, 0.5, and 1 Molar. To eliminate any preheating effect, the initial straw was injected to the reactor at desired temperature and at different time a 50 ml sample was taken. Enzymatic hydrolysis of untreated and all treated straws was conducted at 45°C for 72 h with enzyme loading of 20 FPU/g cellulase and 30 IU/g ?-glucosidase. The hydrolysis was done in a shaker incubator with the speed of 100 rpm at 45?C. Straw treated with Na 2 CO 3 0.5 Molar at 180°C for 120 min was the best sample in term of sugar released. This pretreatment has improved glucose released from 1.8 g/l for untreated straw to 8.7 g/l for treated one. Untreated and some treated straws were subjected to simultaneous saccharification and fermentation to ethanol using s. cerevisiae as fermenting organism. The fermentation performed in a shaker incubator with the speed of 80 rpm at 38?C. Ethanol production was enhanced from 90.2 g/l for untreated straw to 351.4 g/l for treated one. Lignin removal effect of pretreatment step was investigated by determination of lignin content of all treated samples. Lignin was reduced from 19.2% in untreated straw to 9.4% for treated straw. At low temperatures, lignin removal was the dominant phenomenon during pretreatment. However, at higher temperatures xylan removal was the prominent cause leads to observed improvements. FTIR analysis and SEM image confirm crystallinity reduction and morphological modification effect of pretreatment step as one of the main reason of improved hydrolysis and fermentation. Furthermore, bond absorbance obtained by FTIR also certifies lignin and xylan removal effect of pretreatment step.
با توجه به نیاز روز افزون انرژی و همچنین افزایش آلاینده های زیست محیطی، نیاز به منابع تجدید پذیر انرژی کاملا محسوس می باشد. در بین همه ی منابع تجدید پذیر، زیست توده ها و به ویژه مواد لیگنوسلولزی تنها منبع برای تولید پایدار سوخت های مایع می باشند. از بین کلیه ی مواد قابل استحصال از زیست توده ها، بیواتانول می تواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشد. بنابر این تولید آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مطالعه کاه برنج به عنوان یکی از فراوان ترین مواد لیگنوسلولزی و ماده ای که دارای کاربرد مفید دیگری نمی باشد توسط پیش فرآوری نمک کربنات سدیم جهت تولید قندهای قابل تخمیر و سپس بیواتانول مورد استفاده قرار گرفت. پیش فرآوری [K1] در دماهای 90، 120،150 و 180 درجه سانتیگراد و در غلظت های 25/0، 5/0 و 1 مولار از نمک کربنات سدیم در راکتور تحت فشار همزن دار با قابلیت تزریق مواد در دمای مورد نظر به منظور حذف هرگونه اثر پیش گرمایشی انجام و در زمان های 30، 60، 120 و 180 دقیقه بوسیله hy;ی ظرف مخصوص از راکتور نمونه گیری شد. راکتور مورد استفاده قابلیت کنترل دما با دقت یک درجه سانتیگراد را دارا بود و همچنین دور همزن برای همه ی آزمایشات 150 دور بر دقیقه تنظیم شده بود. همچنین نمونه های حاصله به منظور تعیین میزان گلوکز تولیدی به مدت 72 ساعت در دمای 45 درجه سانتیگراد توسط مخلوط آنزیمی سلولاز و بتا گلوکسیداز هیدرولیز شدند. بهترین نمونه ها از نظر میزان تولید قند در دمای 38 درجه سانتیگراد در معرض هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان توسط مخمر ساکارومایسیس سرویسیه به منظور تولیداتانول قرار گرفتند. بهترین نمونه در تولید قند، نمونه ی پیش فرآوری شده توسط نمک کربنات سدیم [K2] با غلظت 5/0 مولار در دمای 180 درجه سانتیگراد و به مدت زمان 120 دقیقه بوده است که از 10 گرم بر لیتر سوبسترا پیش فرآوری شده 7/8 گرم گلوکز تولید شده و بازده تولید گلوکز در حدود 97% بوده است در حالی که برای کاه پیش فراوری نشده این مقدار تنها برابر با 8/1 گرم بر لیتر بود که افزایش بیش از 400 درصدی را به همراه داشت. بهترین نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان مربوط به پیش فرآوری با غلظت 5/0 و 1 مولار از کربنات سدیم در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت زمان 120 دقیقه بوده که تولید اتانول حدود 350 میلی گرم اتانول به ازای 1 گرم ماده پیش فرآوری شده است و بازده اتانول نسبت به بازده ی تئوری برای این نمونه 87% تولید بدست آمد. با انجام آنالیز اجزاء تشکیل دهنده مواد لیگنوسلولزی مشخص شد که در هر چهار دمای مورد آزمایش درصد لیگنین به میزان قابل توجهی کاهش یافته و با افزایش دما مقدار کاهش بیشتر می شد. همچنین زایلان موجود در کاه در دماهای 150 و 180 درجه سانتیگراد به طور قابل ملاحظه ای از ساختار ماده لیگنوسلولزی حذف شده است. حذف لیگنین و زایلان از دلایل بهبود موثر هیدرولیز آنزیمی و فرآیند تخمیر بوده است. نتایج حاصل از آنالیز FTIR به منظور اندازه گیری میزان کریستالی بودن سلولز موجود در ساختار ماده لیگنوسلولزی و همچنین عکس های EM به منظور تعیین مرفولوژی ساختار، حاکی از کاهش مناطق کریستالی سلولز و حذف لیگنین و زایلان می باشد. کلید واژه : مواد لیگنوسلولزی، پیش فرآوری، بیواتانول، کربنات سدیم، کاه برنج [K1] در همه جا پیش فرآوری شود نه پیشفرآوری [K2] همه جا کربنات سدیم