استخراج و آنالیز پکتین از ضایعات پرتقال و سیب و تولید بیواتانول و بیوگاز از باقیمانده آن‌ها

STUDENT

DEGREE

YEAR

One of the ways to reduce dependence on oil and environmental pollution is the use of agricultural waste for the production of biofuels. In this regard, fruit processing wastes have a high potential for the production of biofuels and valuable chemicals. The use of orange and apple wastes can be used to produce different biofuels and valuable products such as pectin, in addition to solving their environmental impacts. In the present study, orange peel and pulp as well as apple pulp and kernel, which are the major wastes of the processing plants of these fruits, were used as substrates to produce pectin, bioethanol, and biogas. Pretreatment with sulfuric acid 1% (w/v) at temperatures of 94, 100, 140 and 180 ° C for 0, 30 and 60 minutes was carried out to break down the wastes carbohydrates into simple and fermentable sugars. SEM images indicated an increase in the structural porosity of the substrates. After the pretreatment, the liquid fraction was used to extract pectin and produce bioethanol and the remaining solids were used to produce biogas. Moreover, the thermal value of the solid remained after biogas production was measured. The highest amount of pectin was obtained after pretreatment at 94 ° C for 60 min. The maximum amount of pectin extraction was 24.7%, 23.7% and 16.4% for orange peel, orange pulp, and apple wastes, respectively. FTIR results showed similar characteristics of the extracted pectin and commercial one. The amount of ash in the extracted pectins were less than 10%. The highest amount of galacturonic acid for orange peel and pulp was found to be 70.2% and 69.9%, respectively, and less than 65% for apple waste. The amount of galacturonic acid expresses the purity of pectin, and it is required by the food chemical codex to exceed 65%. The degree of esterification for extractive pectins at temperature of 94 ° C for 60 min )at optimal pectin extraction conditions( were more than 50% and for extractive pectins at 140 ° C for 30 min )optimal conditions for the production of biofuel (were less than 50%. The highest yield and concentrations of ethanol for orange and apple wastes were obtained after pretreatment at 140 ° C for 30 minutes. The best yield and concentrations of ethanol ??for orange peel, orange pulp, and apple wastes were 81.5% and 7.9 g/l, 82.9% and 8.6 g/l, and 59.4% and 6 g/l, respectively. The highest produced methane from the remaining solids for orange peel, orange pulp, and apple wastes were 176.8, 191.6, and 155.8 ml per gram of volatile solid of wastes, respectively. In the present biorefinery, the maximum amount of equivalent gasoline was achieved after pretreatment at 140 ° C and 30 min. The greatest amount of equivalent gasoline from orange peel, orange pulp, and apple waste were 137.8, 126.3 and 127.2 liters of gasoline per ton. In this case, the pure extractive pectins were 19.5, 15.3, and 10 kg from each ton of substrate, respectively. Keywords: Orange wastes, Apple wastes, Pectin, Bioethanol, Biogas

یکی از راه‌های کاهش وابستگی به ذخایر نفتی و همچنین کاهش آلودگی‌های زیست محیطی، استفاده از ضایعات کشاورزی به‌منظور تولید سوخت زیستی است. در این راستا، یک سری از ضایعات کارخانه های فرآوری میوه و تولید آبمیوه، پتانسیل‌هایی برای تولید سوخت زیستی و ترکیبات شیمیایی باارزش افزوده دارند. استفاده از ضایعات پرتقال و سیب، علاوه بر حل مشکلات انباشتگی این گونه ضایعات برای کارخانه های صنعتی و خطرات ناشی از آن، می‌توانند برای تولید سوخت‌های زیستی و محصولات باارزشی چون پکتین مورد استفاده قرار گیرند. پیرو این هدف، در پژوهش حاضر پوست و تفاله پرتقال و همچنین تفاله و هسته سیب که از ضایعات عمده کارخانه های فرآوری این میوه ها می باشند به‌عنوان سوبسترا جهت تولید پکتین، بیواتانول و بیوگاز به کار برده شدند. به‌منظور شکسته شدن پلیمرهای قندی به قندهای ساده و در دسترس میکروارگانیسم، پیش فرآوری با اسید سولفوریک 1% وزنی-حجمی، در دماهای 94، 100 ،140 و 180 درجه سانتی‌گراد و زمان‌های 0 ، 30 و 60 دقیقه انجام شد. تصاویر SEM از نمونه ها، بیانگر افزایش تخلخل ساختاری بود. پس از انجام پیش فرآوری، بخش مایع آن جهت استخراج پکتین و تولید بیواتانول و بخش جامد باقیمانده آن جهت تولید بیوگاز مورد استفاده قرار گرفت. بیشترین مقدار پکتین پس از پیش فرآوری در دمای 94 درجه سانتی گراد و 60 دقیقه بدست آمد. مقدار بیشینه استخراج پکتین در این شرایط برای پوست پرتقال، تفاله پرتقال و ضایعات سیب به ترتیب 7/24 %، 7/23 % و 4/16 % بدست آمد. نتایج FTIR همپوشانی پیک های پکتین های استخراجی و پکتین تجاری در طول موج های خاصی را نشان داد. مقدار خاکستر نمونه های پکتین استخراج شده در هر دو شرایط بهینه استخراج پکتین و بهینه تولید سوخت زیستی کمتر از 10% بدست آمد. بیشترین مقدار گالاکتورونیک اسید برای پوست پرتقال و تفاله پرتقال با مقادیر به ترتیب 2/70 % و 9/69 % بدست آمد و برای ضایعات سیب این مقدار کمتر از 65 درصد بود. مقدار گالاکتورونیک اسید بیانگر خلوص پکتین می باشد و طبق مجموعه قوانین و مقررات مواد شیمیایی و غذایی لازم است این مقدار بیشتر از 65 % باشد. تمام پکتین های استخراجی در شرایط بهینه استخراج جزء دسته پکتین های با درجه استری بالا(بیشتر از50 %) و در شرایط بهینه تولید سوخت زیستی جز دسته پکتین های با درجه استری پایین(کمتر از 50 %) بودند. بالاترین بازده و غلظت اتانول برای ضایعات پرتقال و سیب در شرایط عملیاتی دمایی 140 درجه سانتی گراد و زمان 30 دقیقه بود. این مقادیر برای پوست پرتقال به ترتیب 5/81 % و 9/7 گرم بر لیتر، برای تفاله پرتقال 9/82 % و 6/8 گرم بر لیتر و برای ضایعات سیب 4/59 % و 6 گرم بر لیتر بدست آمد. بیشترین متان تولیدی از جامد باقیمانده برای پوست پرتقال، تفاله پرتقال و ضایعات سیب به ترتیب 8/176، 6/191 و 8/155 میلی لیتر به ازای گرم جامد فرار بدست آمد. در پالایشگاه زیستی حاضر، بیشترین بنزین معادل مربوط به دمای 140 درجه سانتی گراد و زمان 30 دقیقه بود. بیشینه بنزین معادل به ازای یک تن از هر سوبسترا، از مجموع بیوگاز تولیدی از بخش جامد، بیواتانول تولیدی از بخش مایع و ارزش حرارتی لیگنین از باقیمانده آزمون بیوگاز برای پوست پرتقال، تفاله پرتقال و ضایعات سیب به ترتیب 8/137 لیتر، 3/126 لیتر و 2/127 لیتر بدست آمد. در این شرایط عملیاتی به ازای یک تن از هر کدام از سوبستراها با توجه به درصد خلوص پکتین های استخراجی به ترتیب 5/19 ، 3/15 و10 کیلوگرم پکتین خالص به دست آمد. واژگان کلیدی : ضایعات پرتقال، ضایعات سیب، پکتین، بیواتانول، بیوگاز