SUPERVISOR
Mohammad.J. Taherzadeh,Akram Zamani foroshani,Keikhosro Karimi
محمدجعفر طاهرزاده اصفهانی (استاد مشاور) اکرم زمانی فروشانی (استاد راهنما) کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
STUDENT
Parviz Yazdani
پرویز یزدانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Ethanol, Biogas and Alginate Production by Nizimuddinia zanardini Harvested from Persian Gulf
The marine macro-alga Nizimuddinia zanardini was harvested from Persian Gulf to assess its biomass for ethanol, biogas and sodium alginate production. The biomass was contained 49.5 and 3.6 mass percent extracted in water and ethanol, respectively. 15.5 W% of mannitol was non-structural and it was extracted from biomass by water. One kilogram of biomass contained 90, 171.2, 100, 150 and 115.2 grams of glucane, mannitol, protein, algenic acid and potassium, respectively. Hydrolysis of the macro-alga was investigated in two stages to evaluate the conversion of cellulose and hemicelluloses in biomass to the corresponding monomeric sugars. These two stages included dilute sulfuric acid pretreatment and enzymatic hydrolysis. The biomass was first subjected to dilute sulfuric acid and hot water pretreatments at 121 °C and then to enzymatic saccharification (45 °C , pH 4.8) for different retention times. The results showed the ability of the first stage hydrolysis in depolymerization of acetyl groups to acetic acid with a maximum yield of 90.8% (based on total acetyl groups content) at 7% (w/w) acid concentration for 45 min and depolymerization of acetyl groups resulted in hydrolysis of hemicelluloses. However, the yield of glucose from glucane was relatively low in the acid hydrolysis. Under these conditions, no hydroxymethyl furfural (HMF) produced and formation of furfural at 5% solid loading was lower than10%. Solid residue of this pretreatment contained 73.3% and 88.9% of algenic acid and glucane, respectively (based on total algenic acid and glucane content). Solution obtained from the dilute acid pretreatment contained 100% of protein hydrolysate and potassium content of biomass. Solid residue of hot water pretreatment was containing 100% and 99% of algenic acid and glucane (based on total algenic acid and glucane content) and Solution obtained from hot water pretreatment contained 100% and 98.4% of protein hydrolysate and potassium content of biomass, respectively. The results of this study indicated that the yield of glucose in enzymatic hydrolysis stage increased by hot water and dilute acid pretreatment from 29.8 to 82.5 and 72.7 gram in one kilogram of dry biomass, respectively. Sugar solution obtained from enzymatic hydrolysis was then subjected to anaerobic fermentation by S . cerevisiae . It was possible to obtain a fermentation yield of 30.5 and 34.6 g/kg, based on the total solid of biomass, by using 7% (w/w) sulfuric acid solution at 120°C for 45 min and 60 min hot water pretreatments and saccharification with two commercial enzymes (cellulose and ?-glucosidase). The yield of ethanol was 0.42 gram in one gram of glucose in fermentation stage. Five minute hot water pretreatment at 121°C was used in order to increase the biogas yield and mole fraction of methane. Solid and liquid of this pretreatment was subjected to biogas production and the yield of methane was increased from 121.7 ml in one gram of volatile solids of biomass for untreated to 131.7 ml for treated. Mole fraction of methane produced in this process increased from 0.52 for treated to 0.535 for untreated. Volatile solids of biomass was 70%W. Keywords: Biogas, ethanol, macroalgae, mannitol, potassium, pretreatment, sodium alginate.
در این پروژه از بیومس ماکروجلبک نیزیمودنیا زاناردینی، گونه ای ماکروجلبک دریایی قهوه ای برداشت شده از خلیج فارس، برای تولید اتانول، گاز زیستی و آلجینات سدیم استفاده شد. بیومس این جلبک حاوی 5/49 درصد وزنی بر مبنای وزن خشک مواد قابل استخراج با آب و 6/3 درصد وزنی مواد قابل استخراج با اتانول بود. طبق نتایج به دست آمده 5/15 درصد بیومس مانیتول غیر ساختاری بود که به وسیله آب از آن استخراج شد. کربوهیدرات های مورد توجه در این نمونه جلبک، به ترتیب گلوکان با 90 و مانیتول با 21/171 گرم بر کیلوگرم سوبسترای خشک بود. بیومس خشک این ماکروجلبک به ترتیب حاوی 150، 100 و 2/115 گرم بر کیلوگرم اسید آلجنیک ، پروتئین و پتاسیم بود و لازم به ذکر است که نمونه مذکور فاقد نشاسته بود. در ادامه، پیشفرآوری نمونه بروش اسیدی رقیق توسط محلول اسید سولفوریک برای آماده سازی آن جهت تولید اتانول انجام شد. به این منظور تأثیر غلظت سوبسترا، غلظت محلول اسید سولفوریک و زمان پیشفرآوری در مرحله پیشفرآوری در دمای 121 درجه سانتیگراد بررسی شد. کمترین میزان تخریب مونومرهای قندی در مرحله پیشفرآوری در غلظت 5 درصد(وزنی-حجمی) سوبسترا اتفاق افتاد و لذا از این غلظت در ادامه آزمایش ها استفاده شد. فرآوری توسط اسید 7 درصد(جرمی) و زمان 45 دقیقه به حذف کامل استات موجود در سوبسترا منجر شد. در این شرایط، بازیابی مانیتول7/71 درصد بود و 3/73 درصد آلجنیک اسید و 9/88 درصد گلوکان به صورت پلیمر در جامد حاصل از پیشفرآوری باقی ماند. از سوی دیگر پیشفرآوری منجر به انحلال کامل پروتئین و پتاسیم موجود در نمونه در محلول اسیدی شد. در پیشفرآوری با آب گرم در دمای 121 درجه سانتیگراد بیشترین بازیابی مانیتول(1/74 درصد) در مدت زمان 60 دقیقه بدست آمد. علاوه بر این در این شرایط پیشفرآوری، 100 درصد اسید آلجنیک و 99 درصد گلوکان در جامد حاصل از پیشفرآوری باقی ماند. همانند پیشفرآوری اسیدی، پروتئین موجود در نمونه به طور کامل وارد محلول پیشفرآوری شد. پتاسیم استخراج شده از نمونه در این شرایط برابر 4/98 درصد پتاسیم موجود در نمونه بود. در ادامه از آنزیم های سلولاز و بتاگلوکسیداز برای تولید گلوکز استفاده شد. نتایج نشان دهنده افزایش بازده گلوکز حاصل از هیدرولیز آنزیمی از 8/29 تا 7/72 و 5/82 گرم گلوکز بر کیلوگرم سوبسترای خشک به ترتیب در اثر پیشفرآوری اسیدی و آب گرم بود. محلول قندی به دست آمده از هیدرولیز آنزیمی به وسیله مخمر ساکارومایسیس سرویسیه تخمیر شد. بر اساس نتایج به دست آمده از هر کیلوگرم نیزیمودنیا زاناردینی خشک بعد از پیشفرآوری اسیدی انتخاب شده، 5/30 گرم اتانول و بعد از 60 دقیقه پیشفرآوری با آب گرم، 6/34 گرم اتانول تولید شد. بازده اتانول تولیدی برابر 42/0 گرم اتانول بر گرم گلوکز بدست آمد. از پیشفرآوری با آب گرم به مدت 5 دقیقه در دمای 121 درجه سانتیگراد برای افزایش بازده تولید گاز زیستی استفاده شد و جامد و مایع حاصل از این پیشفرآوری به طور همزمان برای تولید گاز زیستی مورد استفاده قرار گرفتند. بازده متان تولیدی برای نمونه ماکروجلبک دریایی و نمونه پیشفرآوری شده 7/121 و 7/131 میلی لیتر به ازاء هر گرم جامد فرار محاسبه شد و گاز متان به ترتیب 52 و 5/53 درصد از گاز زیستی تولید شده را تشکیل می داد. نتایج نشان دهنده افزایش بازده گاز زیستی و متان تولیدی در اثر این پیشفرآوری به میزان 7 و 2/8 درصد بود. کلمات کلیدی : اتانول، آلجینات سدیم، پتاسیم، پیشفرآوری، گاز زیستی، ماکروجلبک دریایی، مانیتول.