Skip to main content
SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Razieh Shafiee Alavijeh
راضیه شفیعی علویجه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
The aim of this study was the developing of biorefinery using zygomycetes fungus Mucor indicus and green microalga Chlorella vulgaris . The potential of M. indicus was investigated in the second generation biorefinery using corn stover as lignocellulose substrate, while C. vulgaris was survived in the third generation biorefinery. In the second generation biorefinery, the carbohydrate contents of corn stover were converted to fuels and valuable chemicals using an integrated process including dilute acid and enzymatic hydrolysis. First, to obtain the maximum recovery of carbohydrates containing in corn stover, the optimization of dilute-acid hydrolysis was performed by a response surface design. Under the optimal reaction conditions (i.e., 1.8 % v/v H2SO4, 121 ?C for 22 min), the hydrolysis resulted in the production of 270 g glucose per kg of dry corn stover (57.8 % theoretical yield) and 100 g xylose per kg of dry corn stover (84.0 % theoretical yield). The process was followed by applying enzymatic hydrolysis to dilute acid pretreated corn stover using cellulase. The glucose rich solution obtained from enzymatic hydrolysis was fermented by M. indicus anaerobically to produce ethanol (0.38 g per g consumed glucose). Then, M. indicus cells were separated, washed and re-fermented aerobically using dilute acid hydrolysis of corn stover. This stage was performed to produce ethanol in addition to increasing valuable fungal biomass containing lipid and valuable biopolymer, chitosan. The effects of addition of different nutrient sources, including fungal extract and yeast extract along with mineral salts, were also investigated to maximize lipid yield in M. indicus cells. Eventually, lipid and chitosan containing in fungal cell walls were extracted. Extracted lipid was converted into biodiesel and finally de-fatted cells were digested anaerobically to produce biogas. Overall, in the developing of second generation biorefinery using M. indicus , 72.2 mg chitosan, 21.4 g ethanol, 1.4 g biodiesel, 6.2 g animal feed, and 2.7 mL methane were produced per 100 g dry corn stover. In the developing of third generation biorefinery using C. vulgaris , first, the growth condition of microalgal cells such as heterotrophic, autotrophic, and mixotrophic regime were studied. The potential of enzymatic and dilute acid hydrolysate of corn stover obtained from second generation biorefinery were investigated as carbon source for heterotrophic and mixotrophic growth conditions. The mixotrophic conditions resulted in the maximum growth rate, lipid, and carbohydrate content in the cells and minimum proteins synthesis. Then the fractionation of valuable products such as proteins, carbohydrates, and lipids were performed using a combined bead milling and enzymatic hydrolysis .The cells were treated by bead milling and then hydrolyzed by different hydrolytic enzymes, including lipase, phospholipase, protease, and cellulase. The potential of individual enzymes as well as their mixture were investigated for the fractionation. The maximum yields of recovery for all components were obtained after enzymatic hydrolysis by lipase at 37°C and pH 7.4 for 24 h. The combination of bead milling and hydrolysis with lipase resulted in 88% lipid recovery in solid phase, while 74 % carbohydrate and 68 % protein were separated in the liquid phase. Also, the fermentation of microalgal cells after protein and lipid extraction and anaerobically digestion of their residue were investigated. Based on this process, 7.8 g protein, 22.4 g lipid, 6.8 g ethanol, and 2.4 mL methane were produced per 100 g dry C. vulgaris biomass. Comparison between second and third generation biorefinery showed that the developing of second generation biorefinery using corn stover and M. indicus has potential to exploit maximum 136 € per 1000 Kg dry corn stover, while the developing of third generation biorefinery using C. vulgaris suggest 2.5 times more economic benefits (331 € per 1000 Kg dry microalgal biomass)
هدف از این پژوهش توسعه­ی پالایشگاه زیستی بر پایه­ی دو میکروارگانیسم قارچ موکورایندیکوس و ریزجلبک کلرلاولگاریس بود. بر این اساس، پتانسیل میکروارگانیسم قارچ موکورایندیکوس در یک پالایشگاه زیستی نسل دوم بر پایه­ی خوراک لیگنوسلولز ذرت ارزیابی شد، درحالیکه پتانسیل ریزجلبک کلرلاولگاریس در یک پالایشگاه زیستی نسل سوم مورد بررسی قرار گرفت. در پالایشگاه زیستی نسل دوم، با استفاده از یک فرایند دو مرحله­ای یکپارچه شامل هیدرولیز اسیدی و آنزیمی، قندهای موجود در ذرت به انرژی و محصولات با ارزش تبدیل شدند. برای رهاسازی حداکثر مقدار قند (گلوکز و زایلوز) از ساختار لیگنوسلولز ذرت، بهینه سازی هیدرولیز اسیدی رقیق با استفاده از روش طراحی آزمایش پاسخ سطح انجام شد. در شرایط بهینه­ی واکنش (8/1 درصد حجمی/حجمی اسید سولفوریک، دمای 121 درجه­ی سانتیگراد و زمان 22 دقیقه) 270 گرم گلوکز(8/57 درصد بازده تئوری) و 100 گرم زایلوز (84 درصد بازده تئوری) به ازای هر کیلوگرم ذرت خشک حاصل گردید. زیست­توده­hy;ی ذرت پیش فرآوری شده با اسید رقیق، توسط آنزیم سلولاز مجددا هیدرولیز شد تا باقی­مانده­ی گلوکز موجود در ساختار جامد بصورت محلول در آید. سپس محلول غنی از گلوکز بدست آمده از هیدرولیز آنزیمی در شرایط بی هوازی توسط قارچ موکور ایندیکوس به اتانول تخمیر شد (38/0 گرم بر گرم قند مصرفی). بمنظور به حداقل رساندن پسماندهای تولید شده طی فرایند و استفاده ی حداکثری از قند آزاد شده، زیست توده ی قارچی حاصل از فرایند تخمیر، مجددا در محیط حاوی هیدرولیزیت اسیدی ذرت و اینبار به صورت هوازی کشت داده شد. این عمل علاوه بر تولید اتانول، منجر به افزایش زیست توده ی با ارزش قارچ موکور ایندیکوس (حاوی لیپید و بیوپلیمر کیتوزان) شد. اثرات افزودن منابع غذایی مختلف، از جمله عصاره قارچ و عصاره مخمر به همراه نمک های معدنی نیز برای به حداکثر رساندن بازده سنتز لیپید مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه، ترکیبات با ارزش داخل سلولی شامل لیپید و کیتوزان استخراج شدند و لیپید استخراج شده طی فرایند ترانس استریفیکاسیون به بیودیزل تبدیل شد (51/0 گرم بیودیزل به ازای گرم لیپید). همچنین پتانسیل تولید بیوگاز از پسماند قارچی بعد از فرایند لیپید زدایی بررسی شد. در مجموع از 100 گرم ذرت خشک ورودی به این پالایشگاه، با استفاده از قارچ موکورایندیکوس ، 2/72 میلی­گرم کیتوزان، 4/21 گرم اتانول، 4/1 گرم بیودیزل، 2/6 گرم خوراک دام و 7/2 میلی­لیتر متان حاصل شد. در توسعه ی پالایشگاه زیستی نسل سوم، طراحی فرایندها با محوریت استخراج ترکیبات با ارزش داخل سلولی ریزجلبک کلرلاولگاریس انجام شد. در ابتدا کشت ریزجلبک کلرلاولگاریس در سه حالت هتروتروف، اتوتروف و میکسوتروف بررسی شد تا پتانسیل جایگرین کردن قندهای موجود در ذرت بعنوان منبع کربن در محیط کشت ریزجلبک مورد ارزیابی قرار گیرد. در نتیجه­ی این بررسی، کشت میکسوتروف بالاترین بازدهی تولید زیست­توده، لیپید و کربوهیدرات وکمترین بازدهی تولید پروتئین را داشت. سپس از یک روش ترکیبی شامل آسیاب گلوله­ای و هیدرولیز آنزیمی جهت بازیابی پروتئین، لیپید و کربوهیدرات موجود در سلول­های ریزجلبک استفاده شد. بر این اساس ابتدا سلولها توسط آسیاب گلوله­ای شکسته شدند و سپس توسط آنزیمهای مختلف از جمله لیپاز ، فسفولیپاز ، پروتئاز و سلولاز هیدرولیز شدند. پتانسیل آنزیم ها به تنهایی و همچنین مخلوط آنها در بازیابی ترکیبات داخل سلولی مورد بررسی قرار گرفت. حداکثر بازده بازیابی برای همه اجزاء پس از هیدرولیز آنزیمی با لیپاز در دمای 37 درجه سانتیگراد وpH 4/7 به مدت 24 ساعت بدست آمد. این روش ترکیبی منجر به بازیابی 88 درصد از لیپید در فاز جامد شد، در حالی که 74 درصد از کربوهیدرات و 68 درصد از پروتئین در فاز مایع بازیابی شدند. همچنین پتانسیل تولید اتانول و بیوگاز از زیست­توده­ی ریزجلبک کلرلاولگاریس بعد از استخراج لیپید و پروتئین مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس، به ازای هر 100 گرم زیست­توده­ی خشک کلرلاولگاریس ، 8/7 گرم پروتین ، 4/22 گرم فسفولیپید، 8/6 گرم اتانول و 4/2 میلی­لیتر متان حاصل شد. مقایسه بین دو پالایشگاه زیستی بر پایه ی قارچ موکور ایندیکوس و ریزجلبک کلرلاولگاریس نشان داد که توسعه پالایشگاه زیستی نسل دوم بر پایه ی گیاه ذرت و قارچ موکور ایندیکوس می تواند حداکثر 136 یورو پتانسیل اقتصادی به ازای هر 1000 کیلوگرم ذرت خشک ایجاد کند ، در حالی که پتانسیل اقتصادی ایجاد شده توسط ریزجلبک کلرلاولگاریس دو و نیم برابر بیشتر است (331 یورو به ازای هر 1000 کیلوگرم زیست توده خشک ریزجلبک).

ارتقاء امنیت وب با وف بومی