SUPERVISOR
Akram Zamani foroshani,Keikhosro Karimi
اکرم زمانی فروشانی (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Omidvarkordshouli
مریم امیدوارکردشولی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Ethanol Production from Rice Husk by Mucor hiemalis and Separation of Chitosan from the Obtained Biomass
The soaring energy consumption in the world, restriction of fossil fuels sources, and also environmental impacts make bioethanol the most popular alternative energy source in recent years. Ethanol could derive from different kind of raw materials such as sugar-based, starched-based, and lignocellulosic materials. Rice husk as an agricultural residue can potentially be employed for production of ethanol. In this work, the rice husk which was utilized for production of ethanol contains 32.2% wt cellulose, 15.0% wt hemicelluloses, and 18.9% wt lignin. Pretreatment is an important step in order to enhance the yield of ethanol production from lignocelluloses through removing lignin, increasing the access of enzymes to the cellulose, and reducing the cellulose crystallinity. Alkali pretreatment with sodium hydroxide and sodium carbonate solution with concentrations of 1 and 2M was performed at the temperatures of 50 and 100°C for 30°C and 105 min. To investigate the effect of the pretreatments, enzymatic hydrolysis process on untreated and pretreated samples were done at 45°C for 72h by loading 30 FPU cellulose (Celluclast 1.5 L, Novozyme, Denmark) and 60 IU ?-glucosidase (Novozyme 188, ovozyme, Denmark) er grams of dry ubstrates. The est result of hydrolysis yield was 49.9%, which was related to pretreated substrate using 2M sodium hydroxide solution at 100°C and for 105 minutes. Furthermore, simultaneous saccharification and fermentation was performed under anaerobic conditions at 37°C for 72h. The pretreatment could increase the ethanol yield from 15.1% to 72%. In the next step, statistically based experimental designs were applied to optimize the pretreatment condition. The combine effects of time, temperature and sodium hydroxide concentration were studied using a central composite design. The optimal values of variables for maximum ethanol production were as following: 2.6M sodium hydroxide concentration, 67°C, and 150 minute and the ethanol yield under the condition was 86.7%. Furthermore, the comparison between the performance of Saccharomayces cervisiae and Mucor hiemalis during the simultaneous saccharification and fermentation was done. The results of the yield of ethanol produced by S.cervisiae and M.hiemalis indicated that the fungus had a better ethanol yield. Beside ethanol, biomass is the value added byproduct of ethanol production performed by zygomycetes fungi. The iomass of the zygomycetes fungi contains appreciable amounts of chitosan, which is a biodegradable polymer with numerous applications especially in food for instance food preservation and pharmaceutical industries such as carriers in DNA and drug delivery systems and arti?cial skin bases. Lipid is the other by-product of ethanol production from zygomycetes. Lipids from filamentous fungi contain essential fatty acids such as Gamma-linolenic acid which is known for both its pharmaceutical and nutraceutical applications. In this study the M.hiemalis biomass was analyzed and the amount of each component of biomass were reported. The amount of protein was 0.37g /g biomass and for alkali insoluble material in the biomass was 0.63g/g dried biomass which was consists of 0.21g phosphate, 0.41g Glucoseamine and 0.05g N-acetyl Glucoseamin. Moreover, the lipid content of the biomass was measured 16.2% (based on dry biomass), by using the methanol: toluene (1:1) solvent for oil extraction. K e y Words Ethanol, Pretreatment, Sodium hydroxide, Rice husk, M.hiemalis , Chitosan, Lipid.
اهمیت تولید اتانول به عنوان سوختی مناسب، تجدیدپذیر و پاک به علت محدود بودن منابع سوخت های فسیلی و تولید گازهای گلخانه ای حاصل از آن ها، در سال های اخیر افزایش یافته است. مواد لیگنوسلولزی، قندی ونشاسته ای از منابع تجدیدپذیر برای تولید اتانول محسوب می شوند که به وفور در دسترس می باشند. سبوس برنج از جمله مواد لیگنوسلولزی فراوان و ارزان قیمتی است که می توان از آن برای تولید اتانول استفاده نمود. در این تحقیق سبوس برنج به عنوان ماده اولیه برای تولید اتانول مورد استفاده قرار گرفت. ترکیبات اصلی موجود در سبوس برنج به کار برده شده در این پژوهش شامل: 2/36 درصد گلوکان، 15 درصد زایلان، 8/19 درصد لیگنین و 6/18 درصد خاکستر بود. به منظور بهبود بازده ی هیدرولیز آنزیمی و اتانول از پیش فرآوری قلیایی برای اصلاح ساختار این ماده استفاده شد. در ابتدا، پیش فرآوری قلیایی با هیدروکسید سدیم و کربنات سدیم در غلظت های 1 و 2 مولار، زمان های 30 و105 دقیقه و دماهای 50 و100 درجه سانتیگراد انجام شد. سپس برای بررسی تأثیر پیش فرآوری های انجام شده، فرآیند هیدرولیز آنزیمی بر روی نمونه های پیش فرآوری شده و پیش فرآوری نشده، در دمای 45 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت با استفاده از 30 FPU آنزیم سلولاز و60 IU آنزیم بتاگلوکوسیدازانجام شد. بهترین نتیجه حاصل از عملیات پیش فرآوری مربوط به پیش فرآوری با هیدروکسید سدیم با بازده هیدرولیز 9/49 درصد بود. همچنین فرآیند تولید اتانول بر روی این نمونه ها به روش قندسازی و تخمیر همزمان توسط قارچ موکور همالیس در دمای 37 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت انجام و اتانول تولیدی در این شرایط از 1/15 درصد برای سبوس برنج پیش فرآوری نشده به 72 درصد افزایش یافت. در مرحله بعد برای بهینه سازی شرایط پیش فرآوری جهت دستیابی به میزان اتانول بیشتر، از طراحی آزمایش به روش طراحی سطح پاسخ استفاده شدو تأثیر متقابل زمان (30 تا 180 دقیقه)، دما (0 تا 100درجه سانتیگراد) و غلظت محلول پیش فرآوری (1تا3 مولار) مورد بررسی قرارگرفت. بعد از انجام آزمایش ها شرایط بهینه جهت پیش فرآوری ودستیابی به میزان اتانول بالا بدست آمد که عبارت بود از: زمان 150دقیقه، دمای 67درجه سانتیگراد و غلظت 6/2 مولار هیدروکسید سدیم. با انجام عملیات هیدرولیز آنزیمی و تخمیر بر روی نمونه پیش فرآوری شده در شرایط بهینه راندمان اتانول تولیدی برابر با 7/86 درصد بدست آمد. جهت بررسی عملکرد قارچ موکور همالیس در فرآیند تخمیر و هیدرولیز همزمان، مقایسه ای بین این قارچ و مخمر ساکارومایسیس سرویسیه نیز انجام گرفت. نتایج حاصل نشان دهنده عملکرد بهترقارچ موکور همالیس و تولید میزان اتانول بیشتری نسبت به مخمر مذکور بود. همچنین میزان فسفات، گلوکزآمین، نرمال استیل گلوکزآمین، پروتئین و اسید چرب موجود در زیست توده اندازه گیری شد. میزان پروتئین موجود در زیست توده قارچ در این تحقیق برابر با 37/0 گرم بر گرم زیست توده خشک گزارش شد، همچنین دیواره سلولی آن شامل 21/0 گرم فسفات، 41/0 گرم گلوکزآمین و 05/0 گرم نرمال استیل گلوکز آمین به ازای هر گرم از AIM خشک بود. میزان اسید چرب موجود در زیست توده تولیدی، با استفاده از استخراج توسط حلال های آلی متانول، هگزان و تولوئن اندازه گیری شد. بیشترین میزان استخراج اسید چرب با استفاده از نسبت حجمی 1 به 1 متانول و تولوئن برابر با 2/16 درصد بود. واژگان کلیدی: اتانول، پیش فرآوری، هیدروکسید سدیم، سبوس برنج، قارچ موکور همالیس، کیتوزان، اسید چرب