Skip to main content
SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Sajad Hashemi
سیدسجاد هاشمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Sodium Carbonate and Hydrothermal Pretreatment for Improvement of Ethanol and Biogas Production from Safflower Straw
In recent decades, reduction of fossil fuel resources and increasing production of greenhouse gases due to the consumption of these fuels has led to vast investigations in production of fuels using sustainable energy resources. Production of biofuels from lignocellulosic materials leavings of agricultural wastes have arisen as an alternative way of fossil fuel production. In this research, production of biogas and ethanol was carried out using straw of safflower plant as a lignocellulosic material. In order to improve the yield of biogas and bioethanol production, alkaline (sodium carbonate) and hydrothermal pretreatment was carried out on the safflower straw. The pretreatments were carried out in 120°C, 150°C and 180°C and in 1hr, 2hr and 5hr respectively. In alkaline pretreatment, sodium carbonate concentration was 0.5 and 1.0 M. After neutralization, for the purpose of biogas production, the resultant liquid was subjected to anaerobic digestion. In order to determine the amount of released sugar, both the untreated sample and the resultant solid from pretreatment was hydrolyzed using the mixture of Cellic CTec and Cellic Htec enzymes at cellulase loading of 10 and 20 FPU/g substrate. For production of ethanol and biogas, solid samples were subjected to simultaneous saccharification and fermentation (SSF) as well as anaerobic digestion. Produced biogas and ethanol from the equal amount of substrate due to the mentioned processes, then, were compared based on the heat value. For cellulase loading of 10 FPU/g substrate , the maximum obtained yield of enzymatic hydrolysis for both the untreated samples and the hydrothermal and alkaline pretreatment samples was 14.7%, 78.2% and 88.7% respectively. The best yield of methane production from liquid fraction of hydrothermal pretreatment (at 180°C and 5hr) and alkaline pretreatment (at 180°C, 0.5M and 5hr) was 443.9 and 88.2 mL/g VS, respectively. The maximum amount of produced methane from solid samples which was resulted from hydrothermal and alkaline pretreatment was 191.4 and 132.7 mL/g VS respectively. For untreated solid sample, this value was 92.1 mL/g VS. While the yield of ethanol production for untreated sample was just 9.9%, this value reached to 60.3% and 58.1% for hydrothermal pretreatment (at 180°C and 5 h) and alkaline pretreatment (at 180°C, 0.5 M and 5 h) respectively. The highest amount of produced equivalent energy from 1 ton of safflower straw in hydrothermal pretreatments (at 120°C and 1 h) and hydrothermal pretreatments (at 120°C, 0.5 M and 1 h) was equal to 164.93 and 113.86 litre gasoline respectively. The results of NREL showed that both the two pretreatment methods were led to increase in the amount of glucan in samples. In high temperature, major fraction of hemicellulose was eliminated. Pretreatment processes were not so effective in lignin elimination. In addition, in hydrothermal pretreatment, increase in temperature led to hemicellulose elimination and lignin increase. By performing pretreatment process, the amount of water swelling capacity for all the samples increased. For untreated sample, the water swelling capacity was 3.5 g water/g dry solid and reached to 8.5 g water/g dry solid in the best case. Keywords: biofuel, biogas, Ethanol, anaerobic digestion, enzymatic hydrolysis, sodium carbonate, hydrothermal
در دهه های اخیرکاهش منابع سوخت های فسیلی و تولید گاز های گلخانه ای ناشی از مصرف این سوخت ها، منجر به تحقیقات گسترده ای در زمینه ی تولید سوخت از منابع تجدید پذیر شده است. سالانه صد ها میلیون تن از ضایعات محصولات کشاورزی بر جای می ماند، که به مقدار زیاد و با قیمت ارزان در دسترس می باشد. تولید سوخت های زیستی از مواد لیگنوسلولزی بر جای مانده از ضایعات کشاورزی به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی مطرح شده است. در این پژوهش از کاه گیاه گلرنگ به عنوان یک ماده ی لیگنوسلولزی برای تولید بیوگاز و بیواتانول استفاده شد. برای بهبود بازده ی تولید بیوگاز و بیواتانول، پیش فرآوری قلیایی (کربنات سدیم) و گرمابی (آب داغ) بر روی کاه گلرنگ انجام گرفت. پیش فرآوری ها در دماهای 120، 150 و 180 درجه ی سانتی گراد و مدت زمان 1، 2 و 5 ساعت انجام شد. در پیش فرآوری قلیایی از غلظت 5/0 و 1 مولار کربنات سدیم استفاده شد. مایع حاصل از پیش فرآوری پس از خنثی سازی، به منظور تولید بیوگاز از آن تحت فرآیند هضم بی هوازی قرار گرفت. به منظور تعیین میزان قند آزاد شده نمونه پیش فرآوری نشده و جامد حاصل از پیش فرآوری به وسیله ی مخلوط آنزیم های CTec Cellic و Cellic HTec و دو بار FPU 10 و30 آنزیم سلولاز هیدرولیز شدند. به منظور تولید بیوگاز و اتانول، نمونه های جامد تحت فرآیند های تخمیر و هیدرولیز همزمان و هضم بی هوازی قرار گرفتند تا بیوگاز و اتانول تولید شده از مقدار یکسان سوبسترا از نظر ارزش حرارتی مقایسه شوند. برای بار آنزیمی FPU10سلولاز بیش ترین بازده ی هیدرولیز آنزیمی برای نمونه ی پیش فرآوری نشده و پیش فرآوری های گرمابی و قلیایی به ترتیب 8/14%، 2/78% و 7/88% بدست آمد. بالاترین میزان تولید متان از مایع پیش فرآوری های گرمابی (180 درجه ی سانتی گراد و زمان 1 ساعت) و قلیایی (180 درجه ی سانتی گراد، غلظت 5/0 مولار و زمان 2 ساعت) به ترتیب 9/443 و 2/88 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. میزان بیشینه متان تولید شده از نمونه های جامد حاصل از پیش فرآوری های گرمابی و قلیایی به ترتیب 4/191 و 7/132 میلی لیتر به ازای هر گرم جامد فرار بدست آمد. این میزان برای جامد پیش فرآوری نشده 1/92 میلی لیتر بود. بالاترین بازده ی تولید اتانول در پیش فرآوری های گرمابی (دمای 180 درجه سانتی گراد وزمان 5 ساعت) و قلیایی (180 درجه سانتی گراد، غلظت 1 مولار و زمان 2 ساعت) به ترتیب 3/60% و 1/58% بدست آمد در حالی که بازده تولید اتانول برای نمونه ی پیش فرآوری نشده تنها 9/9% است. بالاترین میزان تولید انرژی از یک تن کاه گلرنگ در پیش فرآوری های گرمابی (دمای 120 درجه ی سانتی گراد و زمان 1 ساعت) و قلیایی (120 درجه ی سانتی گراد، غلظت 5/. مولار و زمان 1 ساعت) به ترتیب معادل 93/164 و 86/113 لیتر بنزین بوده است. نتایج حاصل از NREL نشان می دهد که هر دو روش پیش فرآوری منجر به افزایش درصد گلوکان نمونه ها شدند. در دمای بالا بخش عمده ای از همی سلولز حذف گردید. پیش فرآوری ها در لیگنین زدایی چندان موثر نبوده اند و در پیش فرآوری گرمابی با افزایش دما و حذف همی سلولز، میزان لیگنین افزایش یافت. نتایج حاصل از FTIR و SEM نشانگر کاهش شاخص بلورینگی سلولز و افزایش میزان تخریب و تخلخل در سطح کاه است. با انجام پیش فرآوری، میزان جذب آب برای تمامی نمونه ها افزایش یافت. میزان جذب آب برای نمونه ی پیش فرآوری نشده 5/3 گرم آب به ازای یک گرم جامد خشک بود و در بهترین حالت در پیش فرآوری گرمابی به 5/8 گرم آب به ازای یک گرم جامد خشک رسید. واژگان کلیدی: سوخت زیستی، اتانول، بیوگاز، هضم بی هوازی، پیش فرآوری، گرمابی، کربنات سدیم، قلیایی و هیدرولیز آنزیمی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی