Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad.J. Taherzadeh,TAYEBEH BEHZAD,Keikhosro Karimi
محمدجعفر طاهرزاده اصفهانی (استاد مشاور) طیبه بهزاد (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Nafiseh Poornejad
نفیسه پورنژاد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Improved Saccharification and Fermentation of Rice Straw using Various Solvents for Pretreatment Step
Increasing demand for energy increases the importance of renewable resources to meet this great amount of demands. Among different biofuels, bioethanol has been taking the most attention. Various resources could be used to biologically produce ethanol, but lignocelluloses are of special interest because of having no conflict with food resources. Lignocellulosic materials considered as one of the best renewable resources for biofuel production, are cheap and available in all over the world. These materials are found in cell wall of plants. Lignocelluloses are composed of three major polymers including cellulose, hemicelluloses, and lignin. Packed and complex structure of these materials reduces their digestibility and therefore, intensifies the significance of a pretreatment step. Rice straw, among other lignocelluloses, is the most available feedstock for bioethanol production. Solvent based pretreatment by N-methyl morpholine N-oxide (NMMO), 1-buthyl-3-methylimidazolium acetate ([BMIM][OAc]), and 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate [EMIM][OAc] was done prior to enzymatic saccharification of rice straw. N-methyl morpholine N-oxide is an industrial solvent now used in fiber making process in Lyocell technology. Ionic liquids are low melting point salts which are viscose liquids in ambient temperature. Treatment was performed in an oil bath at 120°C for 1, 3, and 5 h with 5% solid loading. Treated and untreated straws were subjected to enzymatic hydrolysis at 45°C for 72 h by 20 FPU/g of substrate cellulase and 30 IU/g of substrate ?-glucosidase. Hydrolysis was performed in a shaker incubator with the speed of 100 rpm. Glucose released was meatured using glucose HK assay kit. Simultaneous saccharification and fermentation was carried out at 38°C for 48 h using Saccharomyces cerevisiae as fermenting organism in an incubator with the speed of 80 rpm. Produced ethanol was determined by HPLC. Hydrolysis results indicated relatively complete conversion of glucan to glucose for all treated straws. Glucose yields were more than 96% for all treated samples, while this value was only 27.7% for untreated straw. Ethanol yield compared to maximum theoretical yield was improved from 35.4% for untreated straw to 93.3%, 79.7%, and 79.7% after pretreatment with NMMO, [EMIM][OAc], and [BMIM][OAc], respectively. FTIR analysis indicates reduction in crystalline matrix of straw. Crystallinity Index of straw reduced from 0.46 for untreated straw to less than 0.37 for all pretreated straws. In addition, confirmed by SEM images of various samples, structural destruction is one of the main reasons for observed improvements. NMMO was the best solvent among applied solvents in term of ethanol production per initial straw. 20.8 g bioethanol could be produced per 100 g of initial straw using a pretreatment step by NMMO at 120°C for 5 h, while this value was only 8.3 g for untreated straw. It means potential annual production of 250 billion liter ethanol of 955 million ton produced rice straw in all over the world. Key Words: Rice straw, NMMO, [BMIM][OAc], [EMIM][OAc], lignocelluloses, ionic liquid
: امروزه مواد لیگنوسلولزی به عنوان منابع دردسترس و ارزان برای تولید بیوسوخت های تجدیدپذیر مورد توجه محققان قرار گرفته اند. مواد لیگنوسلولزی در دیواره ی سلولی گیاهان وجود دارند و حاوی سه پلیمر عمده ی سلولز، همی سلولز و لیگنین هستند. سلولز موجود در این مواد قایل تبدیل یه گلوکز و سپس اتانول است. به دلیل ساختار پیچیده و به هم فشرده ی این مواد، ارگانیسم های تخریب کننده قادر به تخریب این مواد با بازده ی بالا نیستند و به همین علت یک مرحله پیش فرآوری به منظور شکست این ساختار مورد نیاز است. کاه برنج یکی از مواد لیگنوسلولزی که سالانه به میزان بیش از 950 میلیون تن در جهان تولید می شود. در این تحقیق به منظور بهبود بازده ی هیدولیز و تولید اتانول از کاه برنج، پیش فرآوری شیمیایی این ماده با استفاده از سه حلال آلی نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید (NMMO)، 1-اتیل 3-متیل ایمیدازولیوم استات ([EMIM][OAc]) و 1-بوتیل 3-متیل ایمیدازولیوم استات ([BMIM][OAc]) انجام شد. نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید یک حلال صنعتی برای سلولز است که هم اکنون در صنعت فیبرسازی در فرآیند لایوسل استفاده می شود. مایعات یونی در واقع نمک هایی با دمای ذوب پایین هستند و معمولاًً در دمای محیط مایعاتی ویسکوز هستند. عملیات پیش فرآوری در دمای 120 درجه سانتیگراد، با 5% وزنی کاه و به مدت 1، 3 و 5 ساعت صورت گرفت. برای بررسی تاثیر پیش فرآوری، هیدرولیز آنزیمی نمونه های کاه پیش فرآوری شده و کاه اولیه در دمای 45 درجه سانتیگراد در شیکری با سرعت 100 دور بر دقیقه به مدت 72 ساعت انجام شد. FPU20 آنزیم سلولاز و IU30 آنزیم بتاگلوکوسیداز به ازای هر گرم سوبسترا در مرحله ی هیدرولیز استفاده شد. قند حاصل با استفاده از کیت گلوکز اندازه گیری شد. همچنین فرآیند هیدرولیز و تخمیر همزمان (Simultaneous Saccharification and Fermentation) نمونه های پیش فرآوری شده با استفاده از مخمر ساکارومایسیس سرویسیه و آنزیم hy;های سلولاز و بتاگلوکوسیداز در دمای 38 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت در انکوباتور با سرعت 80 دور بر دقیقه برای تولید بیواتانول انجام شد. میزان اتانول تولیدی با استفاده از دستگاه HPLC اندازه گیری شد. نتایج حاصل از هیدرولیز نشان می دهد گلوکان موجود در نمونه های پیش فرآوری شده تقریباً به طور کامل به گلوکز تبدیل شده است. بازده ی هیدرولیز برای کلیه ی نمونه های پیش فرآوری شده بیشتر از 96% است در حالیکه این درصد برای نمونه کاه پیش فرآوری نشده تنها 7/27% است. بازده ی تولید اتانول نسبت به بازده ی تئوری در مرحله ی هیدرولیز و تخمیر همزمان از 4/35% برای کاه پیش فرآوری نشده تا 3/93% برای نمونه ی 5 ساعت پیش فرآوری شده با MMOو 7/79% برای نمونه های پیش فرآوری شده با هر دو مایع یونی افزایش یافته است. نتایج حاصل از تست FTIR نمونه کاه پیش فرآوری نشده و سه نمونه ی پیش فرآوری شده با حلال های مورد استفاده به مدت 5 ساعت نشان دهنده ی کاهش شاخص بلورینگی برای تمامی نمونه های پیش فرآوری شده است. این شاخص برای کاه اولیه برابر 46/0 بوده در حالیکه این مقدار برای نمونه های پیش فرآوری شده تا 37/0 هم کاهش پیدا کرده است. تصاویر SEM تهیه شده از نمونه های گفته شده حاکی از درهم شکستن شدید ساختار کاه بر اثر پیش فرآوری است. مهم ترین عامل در ایجاد بهبودهای به دست آمده کاهش میزان بلورینگی و در هم ریختن ساختار است. نرمال متیل موفورفولین نرمال اکسید از لحاظ میزان تولید اتانول به ازای کاه اولیه، در میان حلال های مورد استفاده بهترین عملکرد را داشته است. کلید واژه: پیش فرآوری، کاه برنج، مواد لیگنوسلولزی، مایع یونی، نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید

ارتقاء امنیت وب با وف بومی