Skip to main content
SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Nooshin Asadi
نوشین اسدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
Hydrogen is recognized as a clean fuel and useful substance; however, its biological production is still in the early stages of development. Today, the main application of hydrogen is to produce ammonia as an agricultural fertilizer. Agricultural residues are considered as one of the main sources of biomass that are usable for biological hydrogen production. In this study, the biological hydrogen production from organosolv pretreated rice straw using Enterobacter aerogenes as a facultative anaerobic bacterium was evaluated. The experimental design was conducted based on the operational parameters including ethanol concentration, temperature and time to achieve the best efficiency of hydrogen production using Design expert software and a central composite design (CCD) and the best fitted model with experimental data was obtained by ANOVA analysis. The operating conditions at a temperature of 180 ° C, concentration of 45% ethanol and 30 minutes were determined as the optimum pretreatment. For this operation, the yield was calculated to be 19.73 ml of hydrogen per each gram of straw. The effect of pretreatment severity on the solid and lignin recovery, and hydrogen yield was analyzed. By increasing the pretreatment severity, the solid recovery decreased and the lignin recovery increased; however, no significant trend was observed for the hydrogen yield at the different pretreatment severity that shows the considerable effect of ethanol concentration. The composition of the native and treated straw at various operating conditions was compared. The structure of straw was studied by FTIR analysis and scanning electron microscope images. Crystallinity index increased by enhancement in the concentration of ethanol. Although the crystallinity index increased at higher pretreatment severities, the surface area accessible to enzyme and the porosity of treated straw were improved. The influence of concentration of straw on the hydrogen production was investigated. By increasing the concentration of straw, the hydrogen amount and the ratio of carbon dioxide to hydrogen increased and the hydrogen yield decreased, which was in conformity to the experiment with glucose substrate. A reduction in the straw concentration from 50 to 3.33 g/l led to an increase in the hydrogen yield to 108.17 ml/gr. The higher concentration of substrate results in production of other metabolites. The inhibitory effect of ethanol produced by this microorganism was studied. Finally, based on the laboratory results of this study, an algorithm was proposed to estimate the large-scale hydrogen production and its use for the production of nitrogen fertilizer (ammonia) from 2013 to 2050. Based on the amount of rice produced in 2013, for the yield of 1.43 kg H 2 /tonne straw, the potential quantity of hydrogen was estimated to be 1.59 thousand tonnes that after conversion to ammonia, the nitrogen requirement for 12.5% ??of the rice cultivation area in Iran could be provided. This
هیدروژن به‌عنوان سوختی پاک و ماده‌ای پرکاربرد شناخته می شود؛ بااین‌وجود تولید زیستی آن هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار دارد. امروزه بیشترین کاربرد هیدروژن برای تولید آمونیاک به‌عنوان کود کشاورزی است. پسماندهای کشاورزی به‌عنوان یکی از منابع اصلی زیست‌توده به شمار می‌آیند که قابل‌استفاده برای تولید هیدروژن زیستی هستند. در این پژوهش تولید هیدروژن زیستی از کاه برنج پیش‌فرآوری شده با اتانول و با استفاده از انتروباکترائروژنز به عنوان یک باکتری بی‌هوازی اختیاری موردبررسی قرار گرفت. طراحی آزمایش بر اساس سه عامل عملیاتی غلظت اتانول، دما و زمان برای رسیدن به بهترین میزان بازده تولید هیدروژن توسط نرم‌افزار Design Expert و روش طراحی ترکیب مرکزی(CCD) انجام شد و بهترین مدل تطبیق داده‌شده با داده‌های آزمایشگاهی بر اساس تحلیل ANOVA به دست آمد. شرایط عملیاتی شامل دمای 180 درجه‌ی سانتی‌گراد، غلظت اتانول 45 درصد و زمان 30 دقیقه به‌عنوان پیش‌فرآوری بهینه تعیین شد. در این حالت بازده تولید برابر با 73/19 میلی‌لیتر هیدروژن بر گرم کاه بود. همچنین تأثیر شدت پیش‌فرآوری بر میزان بازیابی جامد، لیگنین و بازده هیدروژن تحلیل شد. با افزایش شدت پیش‌فرآوری، بازیابی جامد کاهش و بازیابی لیگنین افزایش یافت؛ بااین‌وجود روند مشخصی برای بازده هیدروژن در شدت پیش‌فرآوری مختلف مشاهده نشد که نشان‌دهنده‌ی تأثیر زیاد غلظت اتانول است. ترکیب درصد کاه اولیه و پیش‌فرآوری شده در شرایط عملیاتی مختلف مقایسه گردید. ساختار بافت کاه توسط آزمون FTIR و عکس‌برداری میکروسکوپ الکترونی روبشی موردبررسی قرار گرفت. شاخص بلورینگی با افزایش غلظت اتانول افزایش یافت. باوجود زیادشدن شاخص بلورینگی با افزایش شدت پیش‌فرآوری، سطح دسترسی آنزیم و میزان تخلخل کاه پیش‌فرآوری شده در شدت پیش‌فرآوری بالا بهبود یافت. تأثیر غلظت کاه بر میزان هیدروژن تولیدی بررسی شد. با افزایش غلظت کاه، مقدار هیدروژن و نسبت کربن دی‌اکسید به هیدروژن افزایش و بازده تولید آن کاهش یافت که مشابه با نتایج حاصل از آزمایش با سوبسترای گلوکز بود. کاهش غلظت کاه از 50 به 33/3 گرم بر لیتر سبب افزایش بازده هیدروژن تا 17/108 میلی‌لیتر برگرم شد. غلظت بالاتر سوبسترا باعث پیشرفت واکنش به سمت تولید سایر متابولیت‌ها می‌شود. تأثیر بازدارندگی اتانول تولیدشده توسط این‌گونه‌ی میکروبی موردبررسی قرار گرفت. درنهایت بر اساس نتایج آزمایشگاهی این پژوهش، الگوریتمی به‌منظور تخمین تولید هیدروژن در مقیاس بالا و کاربرد آن برای تولید کود نیتروژنه (آمونیاک) از سال 2013 تا 2050 پیشنهاد شد. بر مبنای مقدار برنج تولیدی در سال 2013، برای بازده هیدروژن برابر با 43/1 کیلوگرم بر تن کاه، میزان هیدروژن قابل‌تولید برابر با 59/1 هزار کیلوتن محاسبه شد که پس از تبدیل به آمونیاک، نیاز نیتروژن برای 5/12 درصد از کل سطح کشت برنج در ایران قابل تأمین است. این میزان با افزایش بازده هیدروژن به 85/7 کیلوگرم بر تن کاه، به 4/68 درصد افزایش می‌یابد. همچنین ریسک تخمین‌ها بر اساس آنالیز مونت-کارلو مورد ارزیابی قرار گرفت.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی