تولید بیوگاز از نیشکر با استفاده از پیش فرآوری آمونیاکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Lignocellulosic biomass is among promising and attractive feedstocks, which can be converted to heat, steam, electricity, hydrogen, biogas, and liquid biofuel through appropriate technologies. The application of biomass as an alternative energy will significantly reduce CO 2 emission and global warming. In the past, various options were discussed for renewable energy sources and lignocellulosic material (particularly agricultural wastes) was proposed as the best choice for biofuel production. One suitable substrate which is available in different countries is sugarcane bagasse. It is useless and inexpensive byproduct of sugar production from cane. This feedstock contains high amounts of cellulose and hemicellulose which can be converted to either fermentable sugars or biofuel. However, the yield of biological conversion of native bagasse is low, since bagasse is among the lignocelluloses with compact and complicated structure. The cellulose is highly crystalline fraction of bagasse and is highly protected by lignin and hemicellulose. Thus, a pretreatment process is required in order to remove lignin or hemicellulose which leads to higher hydrolysis/fermentation yield. Ammonia pretreatments such as soaking in aqueous ammonia (SAA) is among the alkaline treatments that its major effect is delignification of biomass. It is especially effective on low lignin content biomasses such as corn stover. SAA is a promising method for biomass pretreatment but it is among the less investigated and developing pretreatment methods this method is recently presented for improvement of hydrolysis of a limited number lignocellulosic materials; however, its efficiency has not been examined for many lignocellulosic materials, e.g., for bagasse. In this study different alkaline pretreatment at 50, 70 °C, and 12 , 24 hours with ammonia 10% and ethanol as co-solvent with 5, 25, 50% concentration with sugarcane and bagasse as substrate was investigated. After this process, nutration of solid and liquid was performed in following, biogass analysis was conducted. Anaerobic digestion process was performed with mixed culture obtained from Isfahan North Wastewater Treatment sludge at mesophilic conditions. Results showed methane yield from pretreated substrate was improved compare to the untreated substrate. Maximum methane production achieved from mixed 20% w/w ammonia and 25% ethanol solution for 12 hours at 70 °C which was 254 and 249 ml/gr VS for sugarcane and baggase respectively. Keywords : Ammonia pretreatment, Biogas, Sugarcane, Bagasse, Lignocellulosic materials.

افزایش مصرف جهانی انرژی و مشکلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف انرژی‌های فسیلی از یک‌سو،کاهش منابع فسیلی مانند نفت،گاز و زغال‌سنگ از سویی دیگر لزوم استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر مانند زیست‌توده را توجیه می‌کند. یکی از بهترین گزینه‌ها در این زمینه استفاده از انرژی به‌دست‌آمده از منابع زیست‌توده مانند بیوگاز است. نیشکر به‌عنوان یک گیاه انرژی زا از سوبستراهای مناسب برای تولید سوخت‌های زیستی هست که مقدار بسیار زیادی از آن در کشور تولید می‌شود. نیشکر حاوی قند آزاد و همچنین بخش لیگنوسلولزی است. زیست‌توده های لیگنوسلولزی ازجمله مواد خامی هستند که می‌توانند به حرارت ، بخار ، برق ، هیدروژن ، بیوگاز و سایر سوخت‌های زیستی تبدیل شوند. این بخش لیگنوسلولزی حاوی مقادیر بالایی از سلولز و همی سلولز است که می توانند به قند و یا سوخت زیستی تبدیل شود. سلولز موجود در نیشکر نیز همانند مواد لیگنوسلولزی توسط همی سلولز و لیگنین محافظت می‌شود. یکی از راه کارهای افزایش راندمان تبدیل بیولوژیکی سلولز حذف لیگنین و همی سلولز توسط یک فرایند پیش فرآوری است. با توجه به پیچیدگی ساختار نیشکر روش های پیش فرآوری ساده مانند روش های اسیدی و قلیایی به علت تخریب قند آزاد جهت پیش فرآوری این ماده مناسب نیستند. در این پروژه از پیش فرآوری آمونیاکی استفاده شد و جهت بهبود فرایند پیش فرآوری، اتانول به‌عنوان کمک حلال به همراه آمونیاک به‌کاربرده شد تا به‌عنوان مکمل آمونیاک علاوه بر حذف لیگنین از حذف زایلان نیز جلوگیری کند. فرآیند پیش فرآوری آمونیاکی موسوم به خیساندن در آمونیاک مایع می‌تواند ساختار لیگنین زیست‌توده را حذف کند. فرایند پیش فرآوری آمونیاکی یک روش امیدبخش است ولی در میان روش‌های پیش فرآوری که اخیراً برای بهبود آبکافت مواد لیگنوسلولزی ارائه شده کم‌تر موردبررسی قرارگرفته است و بازده آن برای مواد لیگنوسلولزی مانند نیشکر بررسی نشده است. در این پژوهش پیش فرآوری قلیایی در 32 حالت مختلف در دمای 50 و 70 درجه سانتی‌گراد و در زمان های 12 و 24 ساعت با آمونیاک 10 % و اتانول به‌عنوان کمک حلال با غلظت های 5 و 25 و 50 % بر روی نیشکر انجام شد و درنهایت بعد از انجام پیش فرآوری ، نمونه های جامد و مخلوط جامد و مایع حاصل از پیش فرآوری خنثی‌سازی شد و در ادامه از نمونه ها آنالیز بیوگاز گرفته شد. در این راستا از باگاس نیشکر به‌عنوان شاهد برای بررسی اثر پیش فرآوری بر بخش لیگنوسلولزی انجام شد. فرآیند هضم‌بی‌هوازی با مخلوط میکروبی به‌دست‌آمده از لجن حاصل از تصفیه‌خانه‌ی فاضلاب شمال اصفهان در شرایط مزوفیل انجام شد. بر اساس نتایج حاصل از تولید بیوگاز، نمونه‌های پیش فرآوری شده نسبت به نمونه‌های پیش فرآوری نشده بیوگاز بیشتری تولید کردند. بیشترین تولید بیوگاز از نمونه جامد حاصل از پیش فرآوری برابر با 254 و 249 میلی‌لیتر متان بر گرم جامد فرار به ترتیب برای نیشکر و باگاس (88% و86 %مقدار تئوری) برای شرایط پیش فرآوری آمونیاک و اتانول 25% در 12 ساعت و 70 درجه سانتی‌گراد به دست آمد. همچنین از مخلوط مایع و جامد حاصل از پیش فرآوری نیز برای بیوگاز استفاده شد،که بیشترین میزان تولید مربوط به نمونه پیش فرآوری با آمونیاک و اتانول 50% بود که مقادیر به‌دست‌آمده بیوگاز برای نیشکر و باگاس به ترتیب 326 و299 میلی‌لیتر بر گرم جامد فرار به دست آمد. همچنین بر روی نمونه ها آزمایش های هیدرولیز آنزیمی ،جذب آب، آنالیز ترکیبات لیگنوسلولزی ، FTIR و SEM انجام شد. نتایج هیدرولیز آنزیمی نشان داد که بیشترین میزان تولید قند مربوط به پیش فرآوری با آمونیاک و اتانول 50% بود. نتایج نشان داد که در تمامی نمونه‌ها میزان جذب آب بعد از پیش فرآوری قلیایی افزایش داشتند. همچنین افزایش دمای پیش فرآوری از 50 به 70 درجه سانتی‌گراد موجب افزایش جذب آب نمونه‌های پیش فرآوری شده شد. نتایج آنالیز ترکیبات لیگنوسلولزی نشان داد که با افزودن دما، زمان و غلظت اتانول میزان سلولز و همی سلولز افزایش و میزان لیگنین کاهش می یابد. نتایج FTIR نشان از کاهش بلورینگی نمونه ها بود و تصاویر SEM نمونه‌ها نشان داد که میزان تخلخل و سطح در دسترس نمونه‌های پیش فرآوری شده نسبت به نمونه‌های پیش فرآوری نشده افزایش قابل‌توجهی یافته است. واژگان کلیدی: باگاس، بیوگاز، پیش فرآوری آمونیاکی، مواد لیگنوسلولزی، نیشکر