SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Forough Momayez
فروغ ممیز
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Enhancement of ethanol and dry biogas production by pretreatment with organic acids mixture
World energy consumption is growing rapidly, while supplying the demand from traditional energy sources is not sustainable. The utilization of fossil fuels, including natural gas, oil, and coil is currently responsible for about 88% of this demand. Using non-renewable energy sources has resulted in greenhouse gas emissions, leading to global warming and climate changes. These facts promoted researchers to develop alternative energy-producing technologies, through which bioenergy has attracted substantial attention. Among the various biofuels, biogas is a widely used green fuel. It is produced through the microbial decomposition of organic matters under oxygen-free conditions. Through this process, the digestate is dewatered and used as a fertilizer or animal feed. On the other hand, bioethanol, the most important liquid biofuel, is widely used as a fuel or gasoline enhancer worldwide. Different renewable substrates can be used for biogas and bioethanol production. In contrast with first-generation biofuels produced from food crops, the production of second-generation biofuels uses non-edible resources. Lignocellulosic materials, as the main organic source on the earth, are considered as the most viable renewable energy feedstock for the production of second-generation biofuels. However, using lignocellulosic feedstock directly for biogas and bioethanol production is not possible due to the recalcitrant structure of these materials. Thus, an efficient pretreatment process is needed to accelerate the biomass degradation and improve the yield of biogas or bioethanol produced in the subsequent steps. In this study, the effluent of biogas production plant was used for the pretreatment of rice straw for the improvement of ethanol production. In addition, the organic active ingredients of the effluent, i.e., acetic, butyric, lactic and propionic acids (1–4%), as well as water were employed for the pretreatment at 100 and 140 ?C. The results indicated that the pretreatment at 100 ?C had no significant effect on the performance of subsequent enzymatic hydrolysis and ethanol production by simultaneous saccharification and fermentation (SSF). Among different types of organic acids presented in the biogas liquid waste, lactic acid showed a better performance. The highest concentration of glucose and ethanol were achieved after 72 h enzymatic hydrolysis and SSF from the straw pretreated at 140 ?C with 4% lactic acid. Applying biogas liquid waste for the straw pretreatment at 140 ?C resulted in an increase in glucose and ethanol concentrations by 42.4 and 47.5%, respectively, compared to those from untreated samples. SEM, FTIR, BET, BJH, and compositional analyses were used to characterize the changes in the structure and composition of rice straw by the pretreatment. Changes in the straw swelling, cellulose crystallinity, pore size distribution, and composition were responsible for the acquired improvements. Furthermore, the straw was pretreated at 130, 160, and 190 °C for 30 and 60 min and subjected to enzymatic hydrolysis, simultaneous saccharification and fermentation (SSF), liquid anaerobic digestion (L-AD), and dry anaerobic digestion (D-AD). The highest improvements in hydrolysis and ethanol yields were 100 and 125%, achieved from the straw pretreated with biogas liquid waste at 190 °C for 60 min. The best methane yield was obtained through L-AD and D-AD of straw pretreated at 190 °C and 30 min with biogas liquid waste, resulting in 24 and 26% enhancements in methane production. However, treatment with water had no significant effect on methane yield
در پی افزایش جمعیت و صنعتی شدن جوامع انسانی، تقاضای جهان برای انرژی به سرعت در حال افزایش است. در حال حاضر حدود 88 درصد از این تقاضا به وسیله ی سوخت های فسیلی تجدیدناپذیر از قبیل گاز طبیعی، نفت و زغال سنگ تأمین می شود. در طی قرن بیستم مصرف انرژی حدود 13 برابر افزایش یافته که سریع تر از سرعت افزایش جمعیت انسان است. به دلیل مصرف روزافزون پیش بینی می شود برخی از این منابع به اتمام برسند. از طرف دیگر با افزایش دغدغه های مربوط به تولید گازهای گلخانه ای و تغییرات آب و هوایی تحقیقات در مورد استفاده از انرژی های تجدیدپذیر از اهمیت زیادی برخوردار شده است. استفاده از انرژی تولید شده از منابع زیست توده از جمله گزینه های مناسب برای جایگزینی منابع سوختی فسیلی به حساب می آید. به روشهای گوناگونی انرژی زیست توده مورد استفاده قرار میگیرد. سوزاندن، تولید بیواتانول، تولید گاز مصنوعی با روش های ترمو شیمیایی و گاز زیستی از جمله روشهای متداول استفاده از انرژی زیست توده است. گاز زیستی به عنوان یکی از این انواع از تجزیه و تخمیر زبالهها و سایر زائدات کشاورزی، فضولات انسانی و حیوانی و فاضلاب های صنعتی با تولید گاز متان بهدست میآید. طی این فرآیند خروجی از هاضم پس از آب زدایی و بالا بردن میزان جامدات به خوراک دام و یا کود کشاورزی تبدیل می شود. بیواتانول به عنوان یک سوخت زیستی مایع جایگزین مناسبی برای بنزین به حساب می آید. قابلیت اختلاط بیواتانول با بنزین و پتانسیل بالای تولید انرژی توسط این سوخت تجدید پذیر توجه ها را به سمت آن جلب کرده است. امروزه استفاده از مواد لیگنوسلولزی به عنوان خوراک فرآیند تولید بیواتانول و بیوگاز با توجه به قیمت پایین آن و مشکلات محیط زیستی ناشی از رها کردن این مواد در طبیعت از اهمیت زیادی برخوردار است. اما استفاده از این خوراک به صورت مستقیم امکان پذیر نیست و نیاز است قبل از ورود به فرآیند تولید بیوگاز و بیواتانول پیش فرآوری صورت پذیرد. در قسمت اول این پژوهش سعی شده است از اسیدهای آلی به منظور پیش فرآوری کاه برنج به عنوان یک سوبسترای لیگنوسلولزی استفاده شود. استفاده از اسیدهای آلی باعث کاهش مشکلات محیط زیستی و همچنین مناسب تر شدن ترکیب جریان خروجی برای استفاده به عنوان خوراک دام و کود می شود. از طرفی برای اولین بار مایع خروجی راکتور بیوگاز (مایع مخلوط میکروبی) برای پیش فرآوری کاه برنج مورد استفاده قرار گرفته است. طی نتایج به دست آمده اسید لاکتیک در مقایسه با سه اسید آلی دیگر (اسید استیک، اسید بوتیریک و اسید پروپیونیک) توانایی بهتری برای در هم شکستن ساختار کاه برنج داشت. پیش فرآوری به کمک اسید لاکتیک 4 درصد در دمای 140 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه باعث افزایش غلظت قند تولیدی در فرآیند هیدرولیز آنزیمی از 9/6 گرم بر لیتر به 5/14 گرم بر لیتر شد. میزان اتانول تولیدی پس از پیش فرآوری در این شرایط از 2/5 گرم بر لیتر به 7/9 گرم بر لیتر افزایش یافت. کاه برنج فرآوری شده به کمک مایع مخلوط میکروبی در دمای 140 درجه سانتی گراد نیز غلظت قند آزاد شده را به 10 گرم بر لیتر و غلظت اتانول تولیدی را به 7/7 گرم بر لیتر افزایش داد. در قسمت دوم این پژوهش، پیش فرآوری با استفاده از مایع مخلوط میکروبی و آب در سه دمای مختلف (160،130و 190 درجه سانتی گراد) و دو زمان متفاوت(30 و 60 دقیقه) بررسی شد. بازده هیدرولیز آنزیمی و بیواتانول برای کاه برنج خام به ترتیب برابر با 9/37 و 7/28 درصد بود. بازده هیدرولیز آنزیمی و اتانول برای کاه برنج فرآوری شده به کمک مایع مخلوط میکروبی در دمای 190 درجه و به مدت 30 دقیقه به ترتیب به 6/72 و 7/70 درصد افزایش یافت. بیومتان تولیدی از سوبسترای اولیه طی فرآیند هضم بی هوازی مرطوب و خشک برابر با 194 میلی لیتر به ازای گرم جامد فرار و 150 میلی لیتر به ازای جامد فرار اندازه گیری شد. بیشینه بیومتان تولیدی مربوط به کاه فرآوری شده با مایع مخلوط میکروبی در دمای 190 درجه سانتی گراد و به مدت 30 دقیقه بود. میزان متان تولیدی از کاه فرآوری شده در این شرایط بعد از هضم بی هوازی طی فرآیند مرطوب و خشک به ترتیب برابر با 240 میلی لیتر و 190 میلی لیتر متان به ازای هر گرم جامد فرار اندازه گیری شد.