Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad.J. Taherzadeh,Keikhosro Karimi
محمدجعفر طاهرزاده اصفهانی (استاد مشاور) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amir Goshadrou
امیر گشادرو

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
The search for sustainable methods to produce traortation fuels is driven by concerns associated with its supply and demand and its impact on climate change and greenhouse gas (GHG) emissions. Nodaway, ethanol is widely recognized as the most important renewable liquid biofuel which can be produced from variety of feedstocks such as sugary, starchy, and lignocellulosic materials. Lignocellulosic materials are the most abundant sources of biomass in the world and have a high potential to provide an inexpensive and renewable feedstock for production of bioethanol. However, the recalcitrant nature of lignocellulose limits its chemical and biological degradation, and thus hinders the hydrolysis process. Pretreatment is a key step to overcome the lignocelluloses recalcitrance and make them more susceptible for hydrolysis by cellulases. Among the different pretreatment methods, treatment with cellulosic solvents has been suggested as the most efficient methods for enhancement of the saccharification yield. Pretreatment with cellulose dissolution reagents can be generally applied at milder conditions than the thermal pretreatments. The current study aimed at pretreatment of lignocellulosic materials including agricultural residues (e.g., sweet sorghum bagasse), and forestry wastes (e.g., birch and aspen woods) using cellulosic solvents such as sodium hydroxide, phosphoric acid, N-Methylmorpholine N-oxide (NMMO), and ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM]OAc). Pretreatment of sweet sorghum bagasse with sodium hydroxide (12%) and phosphoric acid (85%) was carried out at 0 °C (3 h) and 50 °C (30 min), respectively. Hydrolysis of the bagasse at 45 °C for 72 h using commercial cellulase and ?-glucosidase enzymes showed that the pretreatment could enhance the saccharification yield from 65% to 92%. Subsequently, the ethanol production yield in fermentation of hydrolysates (32 °C, pH 5.5) was efficiently increased from 50% to more than 80%. Analyses of the substrate revealed that the pretreatment resulted in lower lignin content and cellulose crystallinity together with increased surface area. However, sodium hydroxide and phosphoric acid pretreatments were more favorable for agricultural residues than for forestry wastes. The birch wood, one of the most common industrial woods, was pretreated with NMMO solution (85%) at 120 °C for 3 h. The results showed that the total carbohydrate content of the wood was almost preserved for further hydrolysis and bioconversion while its crystallinity was significantly decreased after NMMO pretreatment. Conversely, the NMMO considerably increased the swelling capacity of the wood. The yield of glucose production from birch wood was only 10% after 96 h enzymatic hydrolysis while it was promoted to 76% and 96% after 24 and 96 h hydrolysis of the NMMO pretreated wood, respectively. Furthermore, the ethanol production yield was highly increased (about 9-fold) as a result of the pretreatment. Aspen wood, one of the most stable woods available in the market, was pretreated with ionic liquid [EMIM]OAc for improvement of ethanol production. Without pretreatment, no appreciable amount of glucose was produced from the wood even after 72 h hydrolysis, while the ionic liquid pretreatment significantly increased the glucose yield from 5.3% to 95%. Accordingly, the pretreatment succeeded in improving the fermentability of aspen wood up to 81%. Analyses of the substrate by Simons’ stain and WRV methods showed noticeable increases in dye adsorption capacity and adsorption ratio even after a short time pretreatment with ionic liquid which is attributed to the major improvements in total surface area, pore sizes, and substrate accessibility to cellulase. Keywords: Lignocellulosic materials, Solvent pretreatment, Ionic liquid, NMMO, Enzymatic hydr olysis, Bioethanol
رشد سریع و روز افزون مصرف انرژیدر جهان، محدود بودن منابع فسیلیموجود و مخاطرات زیست محیطی جدی ناشی از استفاده از آن ها مانند انتشار گاز های گلخانه ای و افزایش دمای کره زمین، ضرورت بهره برداری انرژیاز منابع تجدیدپذیررا بیش از پیشبرای جوامع بشری آشکار کرده است. در حال حاضر اتانول مهم ترین سوخت مایع جایگزین بنزینبوده و مواد لیگنوسلولزیکه فراوان ترین توده های زیستی در جهان را تشکیل می دهند، به واسطه ارزان بودن و عدم دخالتدر چرخه مواد غذاییمهم ترین ماده اولیه برای تولید اتانول محسوب می شوند. به دلیل این که فیبرهای سلولزی در ساختار لیگنوسلولزها توسط ماتریسی از همی سلولز و لیگنین محافظت می شوند، در برابر حملات شیمیایی و بیولوژیکی بسیار مقاوم بوده و بازده هیدرولیز و تخمیر آن ها به اتانول در حالت طبیعی پایین است. در فرآیند تبدیلمواد لیگنوسلولزی به اتانول، پیشفرآورییک مرحله مهم و کلیدی برای تغییر ساختار لیگنوسلولزیبه منظور تسهیلمراحل هیدرولیزو تخمیر محسوب می شود. از میان روش های مختلفی که تاکنون برای پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی پیشنهاد شده است، استفاده از حلال های سلولزی به دلیل کارایی مطلوب در دماهای متوسط و پایین بسیار حائز اهمیت است. با توجه به این که تحقیقاتانجام شده در زمینه استفاده از حلال‌های سلولزی اغلبمحدود به کاربرد آن ها برای ترکیبات سلولزی (مانند منسوجات) است، در تحقیق حاضر از حلال های مختلفیشامل هیدروکسید سدیم، اسید فسفریک، و نیز حلال هایجدید شامل NMMOو مایعیونی[EMIM]OAcبرای پیش فرآوریضایعات کشاورزی (باگاس گیاه سورگوم شیرین) و جنگلی (ضایعات چوب صنوبر و کبوده)استفاده گردیده است. پیش فرآوری باگاس توسط محلول هیدروکسید سدیم (12%) و اسید فسفریک (85%) به ترتیب در دماهای 0 و 50 درجه سانتی گراد به مدت 3 و 5/0 ساعت صورت گرفت. هیدرولیز آنزیمی باگاس در دمای 45 درجه سانتی گراد و pHبرابر 8/4 با استفاده از آنزیم های سلولاز و بتاگلوکوسیداز به مدت 72 ساعت نشان دادکه پس از عملیات پیش فرآوری توسط هیدروکسید سدیم بازده هیدرولیز از 65% تا 92% افزایش می یابد. همچنین اتانول تولیدی در فرآیند تخمیر محلول هیدرولیز باگاس فرآوری شده در دمای 32 درجه سانتی گراد و pHبرابر 5/5 از حدود 50% تا بیش از 80% بهبود می یابد. آنالیز سوبسترا با استفاده از روش های مختلف بیان گر کاهش جزئی محتوای لیگنین، کاهش کریستالینیتی و باز شدن سطح سوبسترا در اثر عملیات پیش فرآوری می باشد. به دلیل این که روش های آلکالی و اسیدی مورد استفاده بیشتر برای فرآوری ضایعات کشاورزی مناسب بوده و تأثیر آن ها بر ضایعات چوبی کم تر است،برای بهبود بازده هیدرولیز چوب سخت صنوبر از پیش فرآوری توسط محلول 85% NMMOدر دمای 120 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت استفاده شد. نتایج نشان داد که بعد از عملیات پیش فرآوری ضمن این که محتوای کربوهیدراتی سوبسترا تقریباً حفظ می شود، کریستالینیتی آن به میزان قابل توجهی کاهش و قابلیت تورم پذیری آن افزایش می یابد. بازده تولید قند از چوب صنوبر بعد از 96 ساعت هیدرولیز آنزیمی فقط در حدود 10% است که برای سوبسترای فرآوری شده توسط NMMOبعد از 24 ساعت هیدرولیز تا 76% افزایش یافته و در نهایت پس از 96 ساعت هیدرولیز به 96% رسیده است. همچنین بعد از عملیات پیش فرآوری، بازده تولید اتانول در مدت 24 ساعت تخمیر تا بیش از 9 برابر باگاس فرآوری نشده بهبود داشته است. برای چوب های سخت تر مانند چوب کبوده روش های قبلی کارایی چندانی نداشت، لذا پیش فرآوری مایعیونی با استفاده از حلال[EMIM]OAcدر دمای 120 درجه سانتی گراد و دماهای مختلف 1، 3 و 5 ساعت بر روی ضایعات چوب کبوده کهیکی از مقاوم ترین درختان جنگلی محسوب می شود، صورت گرفت. نتایج حاصل نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی موجب افزایش قابل توجه بازده هیدرولیز آنزیمی ضایعات چوب از 3/5% به حدود 95% و بهبود تخمیر پذیری آن تا بیش از 81% می گردد. آنالیز چوب بعد از فرآوری بیان گر کاهش محتوای لیگنین و کریستالینیتی سوبسترا و افزایش قابلیت تورم پذیری آن می باشد. همچنین نتایج حاصل از آزمایشات سیمون و جذب آنزیم نیز به خوبی نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی حتی در زمان کوتاه (یک ساعت) موجب افزایش قابل توجه سطح تماس و اندازه منافذ سوبسترا شده و میزان دسترسی آن به آنزیم تا 74% افزایش داده است. کلمات کلیدی: 1- ترکیبات لیگنوسلولزی 2-پیش فرآوری حلال 3- مایعات یونی 4- NMMO5-هیدرولیز آنزیمی 4-بیواتانول

ارتقاء امنیت وب با وف بومی