تولید هیدروژن و دیگر محصولات با ارزش افزوده بالا از بخش آلی پسماند جامد شهری با استفاده از کشت های ترکیبی

STUDENT

DEGREE

YEAR

With concern about the conflict between food and biofuel production, second generation feedstocks have been gaining increasing attention. Among these, the organic fraction of municipal solid waste is generating in huge amount, proportional to population growth. Landfilling and incineration are the most typical strategies for MSW management; however, they negatively affect the global environment by releasing toxic leachates and toxic gases, respectively. This study aimed at the maximum coproduction of hydrogen and other biofuels from the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). Hydrogen is the cleanest energy carrier with the highest heating value of 143 kJ/g. However, the economic production of biohydrogen has not been implemented yet. Economic viability of biohydrogen production can be enhanced by utilizing low value feedstocks, minimizing the need for input chemicals, and generating hydrogen along with other biofuels through a biorefinery approach. Clostridium acetobutylicum has been recognized for efficient production of hydrogen as well as acetone-butanol-ethanol (ABE). However, it has not been evaluated for simultaneous production of hydrogen and ABE from OFMSW. In this study, ethanol pretreatment catalyzed by various amounts (0.5-1% w/w) of acetic acid and butyric acid (fermentation byproducts) at 120 and 160 °C was applied. The pretreated OFMSW catalyzed by 1% acetic acid at 120 °C led to a hydrolysate with 39.4 g/L fermentable sugars which was fermented to 11.6 g/L ABE and 222.5 mL hydrogen. In order to increase the fermentation products, the cocultivation of C. acetobutylicum with Mucor indicus fungus, saccharomyces cerevisiae , and Enterobacter aerogenes bacterium were evaluated. The results demonstrated the lack of symbiosis between C. acetobutylicum and saccharomyces cerevisiae , which can be due to the so-called structure, “Zymosan”, of S. cerevisiae . The cocultivation of C. acetobutylicum with M. indicus and E. aerogenes led to an increase in the concentration of solvents as well as the total yield of solvents and hydrogen production per each kg of raw OFMSW. Fermentation of the hydrolysate obtained from the enzymatic hydrolysis of 8% solid loading by the coculture of C. acetobutylicum and M indicus with 1:1 biomass ratio and 5.5 pH led to the production of 2.2 g/L acetone, 7.9 g/L ethanol, and 5.9 g/L butanol. Moreover, 140.9 mL hydrogen was evolved. Fermentation of this hydrolysate by the coculture of C. acetobutylicum and E. aerogenes resulted in the production of 8.4 g/L butanol, 3.4 g/L acetone, 2.4 g/L ethanol, 2.6 g/L 2,3-butanediol, and 246.7 mL hydrogen. The residual solids after the fermentation were anaerobically digested for methane production. Fermentation of OFMSW hydrolysate by the coculture of C. acetobutylicum and E. aerogenes and anaerobic digestion of residual solid resulted in the highest energy production, i.e., 288 mL gasoline equivalent, in the forms of ethanol, butanol, butanediol, and hydrogen. Thus, it can be concluded that the bacterium cocultivation leads to the highest amount of energy, compared to fungal-bacterium and yeast-bacterium cocultures, as well as the pure culture of these microorganisms. Keywords: Co-culture, Biohydrogen, Organic fraction of municipal solid waste, C. acetobutylicum , Biorefinery.

با توجه به نقش مهم قیمت مواد اولیه در فرآیند تولید سوختهای زیستی، استفاده از مواد اولیه نسل دوم به دلیل عدم تقابل با مواد خوراکی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. از بین این مواد، پسماند جامد شهری به علت رشد روزافزون جمعیت در حجم انبوهی در حال تولید میباشد. با وجود قابلیت بالای این مواد جهت تبدیل شدن به سوختهای زیستی، بیش از نیمی از این ضایعات در کل دنیا به روش دفن کردن در خاک ساماندهی میشوند که شیرابههای حاصل از آنها سبب ایجاد بوی نامطبوع و مشکلات زیست محیطی بیشماری میشود. هدف از این پژوهش، تولید حداکثری هیدروژن و سایر سوختهای زیستی از بخشآلی پسماند شهری میباشد. هیدروژن از مهم ترین سوختهای زیستی است که به دلیل تولید بخار آب هنگام سوختن به عنوان سوخت پاک شناخته شده است. علاوه بر این هیدروژن با تولید 143 کیلوژول انرژی به ازای هر کیلوگرم، دارای بالاترین محتوی انرژی میباشد. با این جود تولید زیستی هیدروژن با روش‌های متداول مقرون به صرفه نیست. راهکارهایی چون استفاده از ماده اولیه ارزان قیمت، کاهش نیاز به مواد اولیه با استفاده از محصولات فرعی فرآیند و همچنین تولید سایر محصولات باارزش حین فرآیند میتوانند به تولید مقرون به صرفه هیدروژن کمک کند. باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم با قابلیت تولید هیدروژن با بازده بالا و تولید حلالهای استون، بوتانول و اتانول شناخته شده است. لیکن تاکنون از آن جهت تولید همزمان هیدروژن و حلالها از بخش آلی پسماند شهری استفاده نشده است. در این مطالعه، از پیشفرآوری اتانولی به همراه اسیدهای استیک و بوتیریک (محصولات فرعی فرآیند) با مقادیر مختلف صفر تا 1% وزنی-وزنی در دماهای 120 و 160 درجه سانتیگراد استفاده شد. پیشفرآوری با استفاده از 1% استیک اسید در دمای 120 درجه سانتیگراد منجر به تولید هیدرولیزیتی با 4/39 گرم بر لیتر قندهای قابل تخمیر شد که طی فرآیند تخمیر به 6/11 گرم بر لیتر استون، بوتانول و اتانول و 5/222 میلی‌لیتر هیدروژن تبدیل شد. به منظور افزایش میزان انرژی تولیدی، کشت ترکیبی کلستریدیوم استوبوتیلیکوم با سه میکروارگانیسم قارچ موکور ایندیکوس ، مخمر ساکارومایسیس سرویسیه و باکتری اینتروباکترآئروژنز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده عدم همزیستی مؤثر کلستریدیوم با ساکارومایسیس سرویسیه میباشد که میتواند به دلیل وجود زایموزان در ساختار مخمر باشد. کشت ترکیبی کلستریدیوم با قارچ موکور ایندیکوس و باکتری اینتروباکترآئروژنز منجر به افزایش غلظت حلالهای تولیدی و همچنین افزایش بازده کلی تولید حلال‌ها و هیدروژن به ازای هر کیلوگرم پسماند خام شد. تخمیر هیدرولیزیت حاصل از هیدرولیز آنزیمی 8% بار جامد با کشت ترکیبی کلستریدیوم و قارچ موکور با نسبت 1:1 و در اسیدیته بهینه 5/5 ، منجر به تولید 9/5 گرم بر لیتر بوتانول، 2/2 گرم بر لیتر استون و 9/7 گرم بر لیتر اتانول شد. همچنین 9/140 میلی لیتر هیدروژن تولید شد. از تخمیر همین هیدرولیزیت با استفاده از کشت ترکیبی کلستریدیوم استوبوتیلیکوم و اینتروباکتر آئروژنز 4/8 گرم بر لیتر بوتانول، 4/3 گرم بر لیتر استون، 4/2 گرم بر لیتر اتانول و 6/2 گرم بر لیتر 2و3-بوتان دیول و 7/246 میلی لیتر هیدروژن تولید شد. جامدات باقی مانده در انتهای فرآیند تخمیر جهت تولید بیوگاز تحت هضم بی‌هوازی قرار گرفت و بدین ترتیب بالاترین میزان انرژی تولیدی از کشت ترکیبی کلستریدیوم استوبوتیلیکوم و اینتروباکترآئروژنز برابر با 288 میلی‌لیتر بنزین معادل به فرم‌های بوتانول، اتانول، بوتان‌دیول، هیدروژن و متان تولید شد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت کشت ترکیبی کلستریدیوم استوبوتیلیکوم و اینتروباکتر آئروژنز در مقایسه با سایر کشت‌های ترکیبی بررسی شده در این پژوهش و نیز کشت خالص هر یک از میکروارگانیسم‌ها منجر به تولید بالاترین میزان انرژی از پسماند شهری می‌شود. کلمات کلیدی: کشت ترکیبی، بیوهیدروژن، بخش آلی پسماند جامد شهری، کلستریدیوم استوبوتیلیکوم ، پالایشگاه زیستی