SUPERVISOR
Keikhosro Karimi,Hamed Zilouei
کیخسرو کریمی (استاد مشاور) حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Marjan Nassirpour
مرجان نصیرپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Enhancement of Hydrogen Production from Rice Straw using Combined Chemical Pretreatment
Lignocellulose, a common biopolymer in the world, is considered as one of the most important carbon sources for bioenergy production because it can be converted into various chemical compounds by biological processes. Rice straw is one of the largest quantities of lignocellulosic crop residues in the world, especially in Asian countries. The problem with using rice straw, like other lignocellulose materials, is its high resistance to enzymatic and bacterial attacks that makes a pretreatment process necessary. In this study, the potential of biological conversion of rice straw to hydrogen through anaerobic digestion (AD) process was investigated. The municipal anaerobic sludge was used as inoculumn. Heat treatment of the inoculum at 85?C for 45 minutes was employed to increase hydrogen production by inactivation of non-spore forming hydrogen consuming microorganisms and selection for hydrogen producing spore forming bacteria. Laboratory-scale experiments were carried out in completely batch bioreactors, 118 ml capacity. The mesophilic anaerobic digestions were performed and produced gases were analyzed by gas chromatography. The pretreatment process of rice straw included two chemical steps to increase the biological conversion of rice straw to hydrogen. First step was the heating of rice straw in 10% (w/w) ammonia solution for 30 and 60 minutes at 90, 120 and 150?C to remove lignin. The effect of increasing the time on alkaline pretreatment to remove lignin was investigated. The best result was observed at 120?C for 60 minutes (33.1% lignin removal). The second step was hemicellulose hydrolysis and cellulose crystallinity reduction with dilute phosphoric acid at 121?c for 60 minutes. Increasing the acid concentration leaded to increase the sugar content of liquid fraction from combined pretreatment that was easily fermentable carbon source for the initial growth of the bacteria in H2 production. Experimental results indicated that the combined pretreatment process significantly enhanced the digestibility of rice straw for anaerobic digestion to H2 production than the pretreatment methods using only ammonia solution. Combined and one-step pretreatment improved the hydrogen production yield up to 82.2% and 52.4% respectively, compared to that of the untreated one. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used to study the morphological changes of the fiber structure of untreated and optimal alkaline and combined pretreated rice straw. The smooth, rigid and highly ordered structure of untreated rice straw, which is one of the main characteristics of the lignocelluloses, was disrupted and unsmooth after the alkali pretreatment. After the acidic pretreatment, the surface of the straw became very unsmooth and wrinkled, which is a sign that the crystal structure of the straw has been more destroyed. Moreover, FTIR spectroscopy was used to demonstrate the physical structure and changes in the functional groups of rice straw before and after more effective alkaline and combined pretreatments. The Crystallinity Index (CI) of the samples was calculated using FTIR spectra. It was 0.48, 0.42 and 0.4 for untreated, alkali-pretreated and combined-pretreated rice straw. The data showed that both treatments reduced the CI of the straw compared with untreated one that might be an important factor for improving the hydrogen yield in the bacterial digestion. Keywords: Rice straw, hydrogen production, pretreatment, anaerobic digestion
لیگنوسلولزها، بیوپلیمرهایی ارزان و قابل دسترس در جهان میباشند که بهعنوان مهمترین منبع تولید انرژی طی فرآیندهای بیولوژیکی مورد توجه قرار گرفتهاند. کاه برنج یکی از فراوانترین لیگنوسلولزهای بازمانده از محصولات کشاورزی در جهان و به خصوص کشورهای آسیایی میباشد. مشکل استفاده از کاه برنج، همانند سایر لیگنوسلولزها، استحکام و مقاومت بالای آن در برابر حملات آنزیمی و باکتریایی میباشد که جهت رفع آن میبایست تحت عملیات پیشفرآوری قرار گیرد. در این تحقیق، پتانسیل کاه برنج به عنوان سوبسترایی ارزان، فراوان و قابل دسترس جهت تولید هیدروژن طی فرآیند هضم بیهوازی به کمک لجن فاضلاب شهری به عنوان مایع تلقیح، بررسی گردید. پیشفرآوری لجن بیهوازی به روش شوک گرمایی، در دمای C?85 به مدت 45 دقیقه، برای افزایش تولید هیدروژن با غیرفعال نمودن باکتریهای غیراسپورزای مصرفکنندهی هیدروژن و انتخاب گونههای اسپورزای مولد هیدروژن انجام گرفت. آزمایشات در مقیاس آزمایشگاهی درون رآکتورهایی با حجم 118 میلیلیتر به صورت ناپیوسته انجام شد. عملیات هضم بیهوازی در شرایط دمایی مزوفیل انجام شده و جهت آنالیز گاز تولیدشده از دستگاه کروماتوگرافی گاز استفاده شد. عملیات انجام شده جهت پیشفرآوری کاه برنج، شامل دو مرحلهی شیمیایی به کمک محلول آمونیاک و اسیدفسفریک رقیق در دمای بالا، به منظور افزایش تبدیل بیولوژیکی کاه بود. مرحلهی اول شامل حرارتدادن کاه برنج در محلول آمونیاک 10% (وزنی/وزنی) در مدت زمان 30 و 60 دقیقه در دمای 90، 120 و C?150 جهت حذف لیگنین بوده و تأثیر افزایش زمان بر میزان حذف لیگنین طی پیشفرآوری بازی در سه دمای ذکر شده بررسی شد. بهترین نتیجه در دمای C?120 و مدت زمان پیشفرآوری 60 دقیقه با 1/33% حذف لیگنین مشاهده شد. مرحلهی دوم هیدرولیز همیسلولز و کاهش درجهی کریستالی سلولز با استفاده از محلول اسیدفسفریک رقیق (5/0% و 3% وزنی/وزنی) در دمای C?121 به مدت 60 دقیقه بود. افزایش غلظت اسید از 5/0% به 3% منجر به افزایش میزان قند در فاز مایع بهدستآمده از روش ترکیبی شده، که به عنوان یک منبع کربنی قابل تخمیر برای رشد ابتدایی باکتریها جهت تولید هیدروژن مناسب بود. نتایج آزمایشات نشان داد که پیشفرآوری ترکیبی نسبت به حالتی که تنها از آمونیاک استفاده شد، به طور مؤثرتری هضمپذیری کاه برنج را جهت فرآیند هضم بیهوازی افزایش داد. پیشفرآوری تکمرحلهای و ترکیبی بازدهی تولید هیدروژن را به ترتیب 4/52% و 2/82% نسبت به حالت پیشفرآورینشده افزایش داد. تصویربرداری SEM جهت بررسی تغییرات مورفولوژیکی ساختار کاه برنج پیشفرآورینشده و بهترین نمونهی پیشفرآوریشدهی بازی و ترکیبی انجام شد. تصاویر بهدستآمده نشان دهندهی ایجاد تغییرات زیاد در دیوارهی سلولی و به هم ریختن ساختار منظم کاه برنج پس از پیشفرآوری بود. همچنین، آنالیز FTIR جهت مشخص نمودن ساختار فیزیکی و تغییرات ایجادشده بر گروههای عاملی کاه برنج پیشفرآورینشده و نمونههای حاصل از پیشفرآوری مؤثرتر بازی و ترکیبی انجام گرفت. این آنالیز نشان داد که شاخص کریستالی کاه برنج پیش فرآورینشده، کاه برنج پیشفرآوریشدهی بازی و پیشفرآوریشدهی ترکیبی به ترتیب برابر 48/0، 42/0 و 40/0 بوده که نشاندهندهی کاهش این شاخص پس از پیشفرآوری در مقایسه با نمونهی پیشفرآورینشده، و در نتیجه افزایش قابلیت دسترسی به سلولز و به تبع آن افزایش هضمپذیری کاه طی فرآیند هضم بیهوازی بود. کلمات کلیدی: کاه برنج، تولید هیدروژن، پیشفرآوری، هضم بیهوازی