Skip to main content
SUPERVISOR
امیر عبد الملکی (استاد مشاور) مرضیه شفیعی (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
MARZIEH MOHAMMADI
مرضیه محمدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Pretreatment of lignocellulosic materials using N-H-N-methylmorpholinium chloride ([HMMorph][Cl]) to improve bioethanol and p-coumaric acid production
Today,lignocellulosic biomass, which is mainly composed of cellulose andhemicellulose carbohydrates, is an appropriate option for the production ofbiofuels and other valuable bio-based products. Because of their complexstructure, these carbon sources require efficient pre-processing beforeenzymatic and microbial conversion. One of the most effective methods forpre-treatment is the use of ionic liquids. The only drawback of these methodsis the high price of ionic liquids. The most effective ionic liquids used forpre-treatment are imidazolium-based ionic liquids. In the first part of thisstudy, cationic morpholinium-based ionic liquids were synthesized to reduce thecost of ionic liquid compared to imidazolium-based ionic liquids. Upon initialinvestigation on rice straw, ionic liquid N-H-N-methyl morpholinium chloride([HMMorph] [Cl]) was synthesized during one reaction step at ambient pressurein a water bath and ice. The raw materials used for this ionic liquid werehydrochloric acid and methyl morpholine, both of which are affordable andinexpensive. Preliminary results on the rice straw showed that this ionicliquid, first synthesized for pre-treatment processing, was highly effective.In the second part of the study, the pretreatment conditions of rice straw wereoptimized by this ionic liquid. The optimum pre-treatment conditions consistedof solvent containing 50% water, which showed the extra potential of this ionicliquid in reducing the pretreatment costs, a temperature of 120 ° C for 5 hwith a 5% (w/w) solid loading and a particle size of 0.177-0.841 mm wasobtained. Afterwards, bioethanol production during separated hydrolysis andfermentation (SHF) of the pre-treated rice straw by [HMMorph] [Cl] wasinvestigated and compared with the results of ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([EMIM] [Ac]). Ethanol yields improved from 21% for untreatedrice straw to 64% and 66% after pre-treatment with [HMMorph] [Cl] and [EMIM][Ac], respectively. In the third part of the project, the effect of the synthesizedionic liquid was investigated on birch and spruce woods as representative ofhard and soft woods, respectively. Optimum pretreatment conditions wereobtained for both woods at 140 ° C for 3 h. Under these conditions, ethanolyields from birch and spruce woods were 34% and 44%, respectively. In thefourth section, the production of p -coumaric acid from lignocellulose ascarbon sources was investigated using the genetically manipulated yeast Saccharomycescerevisiae . The amounts of coumaric acid produced from untreated rice strawand birch were 20.4 and 7.5 mg / L, respectively. The amount of p -coumaricacid was improved after pre-treatment by ionic liquids [HMMorph] [Cl] and[EMIM] [Ac]. Production of coumaric acid from rice straw and birch pretreatedwith [HMMorph] [Cl] was 56.4 and 42 mg / L, respectively. The highestproduction of p -coumaric acid (78 mg / l) was related to pre-treatedbirch wood with [EMIM] [Ac], which is more than 10 times higher than the untreatedbirch wood. In general from the laboratory results, it was found that the synthesizedionic liquid was an inexpensive and suitable ionic liquid for pre-treatment ofrice straw as a representative of agricultural wastes, spruce wood (softwoodrepresentative) and birch wood (hardwood representative). Furthermore, itsperformance was better than the expensive [EMIM] [Ac] ionic liquid.
امروزه زیست توده های لیگنوسلولزیکه عمدتاً از کربوهیدرات های سلولز و همی سلولز تشکیل شده اند گزینه های مناسبیبرای تولید سوخت های زیستی و دیگر محصولات با ارزش به روش های زیستی می باشند. اینمنابع کربنی به دلیل داشتن ساختاری پیچیده، نیازمند پیش فرآوری های مؤثر قبل از تبدیلهای آنزیمی و میکروبی می باشند. یکی از روش های بسیار مؤثر برای پیش فرآوری،استفاده از مایعات یونی است. تنها اشکال این روش ها، قیمت بالای مایعات یونی میباشد. مؤثرترین مایعات یونی به کار رفته برای پیش فرآوری، مایعات یونی بر پایهایمیدازولیوم است. در بخش اول این پژوهش، مایعات یونی بر پایه کاتیونی مورفولینیوم به منظور کاهش هزینه های مایعیونی در مقایسه با مایعات یونی بر پایه ایمیدازولیوم سنتز شدند. با بررسی هایاولیه بر روی کاه برنج، مایع یونی N -H- N - متیل مورفولینیوم کلراید ([HMMorph][Cl]) طی یک مرحله واکنش در فشار محیط در حمام آب و یخ سنتز شد.مواد اولیه مورد استفاده این مایع یونی هیدروکلریدریک اسید و متیل مورفولین بود هردوی آن ها در دسترس و ارزان قیمت هستند. نتایج اولیه بر روی کاه برنج نشان داد اینمایع یونی که برای اولین بار جهت پیش فرآوری سنتز شده است بسیار مؤثراست. در بخش دوم پژوهش، شرایطپیش فرآوری کاه برنج توسط این مایع یونی بهینه سازی شد. شرایط بهینه پیش فرآوری شامل حلالحاوی 50 درصد آب که پتانسیل فوق العاده این مایع یونی را در کاهش هزینه های پیشفرآوری نشان داد، دمای 120 درجه سانتیگراد برای 5 ساعت با نسبت کاه به حلال 5 درصد و اندازه ذرات177/0-841/0 میلی متر بهدست آمد. در ادامه پروژه، تولید بیواتانول طی مراحل هیدرولیز و تخمیر جداگانه ازکاه برنج پیش فرآوری شده توسط [HMMorph][Cl] موردبررسی قرار گرفت و با نتایج مایع یونی ا- اتیل 3- متیل ایمیدازولیوم استات ([EMIM][Ac]) مقایسه شد. نتایج بهبود بازدهاتانول از 21 درصد برای کاه برنج پیش فرآوری نشده پس از پیش فرآوری با [HMMorph][Cl] و [EMIM][Ac] بهترتیب به 64 و66 درصد رسید. در بخش سوم پروژه، تأثیر مایع یونی سنتز شده بر روی دونوع چوب درخت غان و سرو به ترتیب بهعنوان نماینده چوب های سخت و نرم بررسی شد. شرایط بهینه پیش فرآوری برای هر دوچوب دمای140 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت به دست آمد. در این شرایط بازده اتانولتولیدی از چوب های غان و سرو به ترتیب 34 و 44 درصد به دست آمد. در بخش چهارم، تولید اسیدکوماریکاز لیگنوسلولزها به عنوان منابع کربنی با استفاده از مخمر ساکارومایسس سرویسیه دستکاریژنتیکی شده مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر تولیدیاسیدکوماریک از کاه برنج و چوب غان پیش فرآوری نشده به ترتیب برابر با 4/20 و 5/7 میلیگرم بر لیتر بوده است. با پیش فرآوری توسط مایعات یونی [HMMorph][Cl] و [EMIM][Ac] میزان تولید اسیدکوماریکبهبود یافت. میزان تولید اسیدکوماریک از کاه برنج و چوب غان پیش فرآوری شده با [HMMorph][Cl] به ترتیب برابر 4/56 و 42 میلیگرم بر لیتر شد. بیش ترین میزان تولید اسیدکوماریک (78 میلی گرم بر لیتر) مربوطچوب غان پیش فرآوری شده با [EMIM][Ac] بوده است که این میزان بیشاز 10 برابر نسبت به اسیدکوماریک تولیدی توسط چوب غان پیش فرآوری نشده بیشتر می باشد. به طور کلی از نتایج آزمایشگاهی به دست آمده، مشخص شد که مایع یونیسنتز شده جهت پیش فرآوری کاه برنج به عنوان نماینده ضایعات کشاورزی، چوب سرو(نماینده چوب های نرم) و چوب غان (نماینده چوب های سخت) مایع ارزان قیمت و مناسبیاست و توانایی آن بهتر از مایع یونی گران قیمت [EMIM][Ac] می باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی