SUPERVISOR
Keikhosro Karimi,Hamed Zilouei
کیخسرو کریمی (استاد مشاور) حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Sogand Musivand
سوگند موسی وند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Biohydrogen, acetone, butanol and ethanol production from cellulosic substrate by co-culture of clostridium acetobotylicum and enterobacter aerogenes
In this study investigate the potential of bio hydrogen and acetone-butanol-ethanol (ABE) production as a clean fuel of cellulosic substrate. Also, to increase the production efficiency, the co-culture of clostridium acetobutylicum and enterobacter aerogenes were used. Closteridium acetobutylicum is an obligate species and small amount of oxygen can completely inhibit its production metabolism, therefor the presence of an oxygen reducing agent such as cysteine is necessary. In this study, an anaerobic strain Enterobacter aerogenes , which is capable of consuming oxygen in the medium can also act as a reducing agent in the culture medium. In the first step, initially, using glucose as a substrate, the effect of the primary pH on the production process was studied in the constant glucose concentration. Then, in the optimum pH of hydrogen production, the effect of primary glucose concentration on the production process was investigated. The results of fermentation in a constant glucose concentration of 20 g/L showed that pH= 7 with 4575 ml of hydrogen per liter of medium and 3.1 g/l of acetone-butanol-ethanol as the optimum pH of hydrogen production and pH= 6 with Hydrogen production 1762.5 ml/L and ABE 6.7 g/L were obtained as the optimum pH of the ABE production. Also, in the study on the effect of initial concentration of glucose on the production efficiency with a fixed pH of 6.8, the concentration of 40 g/l with 5400 ml/L of biohydrogen production and 11.09 g/l of ABE was the optimal concentration of hydrogen production and ABE due to higher efficiency more known. Also, based on the results obtained from the optimal pH value of the production of Biohydrogen and ABE, pure culture and co-culture were used to compare the production at two biohydrogen and ABE initial pH. The results revealed that the yield of the products in the optimal pH of hydrogen production in the co-culture was 3.16 and 1.6 times more than pure culture of enterobacter and clostridium respectively, and at optimal pH of the solvent production, the co-culture 79% and 1.5% higher solvent production of pure enterobacter and clostridium , respectively. The other benefit of co-culture is the lack of use of a reducing agent. Finally, solid waste paper, paper pulp, newspaper and pure cellulose were used as the primary cellulose feed in the fermentation process. The primary feeds of cellulose were converted into sugars by cellulase enzyme. In order to improve the activity of the enzymes, they were pretreated by alkaline pre-treatment at low temperature the crystalline structure distrupt and enzyme hydrolysis increased with 54%, 10%, 72.3% and 12% respectively for cellulose, pulp, paper and solid waste of the paper mill. Productivity yield per gram of solid substrate for pre-treated cellulose 0.263gABE/gSubstrate and 99.5 mlH2/gSubstrate, pre-treated pulp 0/294gABE/gSubstrate and 142 mlH2/gSubstrate, pre-treated newspaper 0.137gABE / gSubstrate and 66.3 mlH2/gSubstrate and paper mill solid waste 0.012 g ABE/gSubstrate and 11 mlH2/gSubstrate were obtained. Also according to the final results, it can be concluded that the pretreatment process on paper mill solid waste feed is an additional step Also, the results of the FTIR test confirm this claim.
در این پژوهش به منظور بررسی پتانسیل تولید بیوهیدروژن و استن- بوتانول- اتانول(ABE) به عنوان سوخت پاک از پسماند کارخانه کاغذ سازی به عنوان خوراک اولیه استفاده شد. جهت افزایش بازده تولید، کشت هم زمان دوباکتری خالص کلستریدیوم استوبوتیلیکوم و انتروباکتر ائروجنس بکار گرفته شد. همچنین از آنجایی که گونه کلستریدیوم استوبوتیلیکوم بی هوازی اجباری بوده و حضور مقدار جزئی اکسیژن می تواند متابولیسم تولید آن را به صورت کامل مختل کند حضور یک عامل کاهنده اکسیژن مانند سیستئین در محیط ضروری است، در این بررسی از گونه بی هوازی اختیاری انتروباکتر ائروجنس که قادر به مصرف اکسیژن موجود در محیط بوده وهمچنین می تواند نقش عامل کاهنده را در محیط کشت داشته باشد استفاده شد. در مرحله اول ابتدا با استفاده از گلوکز به عنوان سوبسترای فرآیند، در غلطت گلوکز ثابت اثر تغییر pH اولیه بر فرآیند تولید مورد بررسی قرار گرفت. به این ترتیب که ابتدا در غلظت گلوکز ثابت اثر تغییر pH اولیه در محدوده 5-8 بر میزان تولید محصولات فرآیند مورد بررسی قرار گرفت. سپس در pH بهینه تولید هیدروژن، تاثیر غلظت گلوکز اولیه بر فرآیند تولید مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از تخمیر در غلظت گلوکز ثابت g/l 20 نشان دادند که 7 =pH با تولید 4575میلی لیتر بیوهیدروژن بر لیتر محیط کشت و g/l 1/3 استن-بوتانول- اتانول به عنوان pH بهینه تولید هیدروژن و6 =pH با تولید ml/l 5/1762 هیدروژن و g/ l ABE 7/6 به عنوان pH بهینه تولید ABE بدست آمدند. همچنین در بررسی اثر غلظت اولیه گلوکز بر بازده تولید با pH اولیه ثابت 8/6 ، غلظت g/l 40 باml/l 5400 تولید بیو هیدروژن و g/l 085/11 ABE به عنوان غلظت بهینه تولید بیوهیدروژن و ABE به دلیل بازدهی بیش تر شناخته شد. همچنین با توجه به نتایج بدست آمده از مقدار pH اولیه بهینه تولید بیوهیدروژن و ABE، کشت خالص و هم زمان دو باکتری جهت مقایسه میزان تولیدی در دو pH اولیه انجام شد. نتایج این آزمایش نشان داد که میزان بازده تولید محصولات در کشت هم زمان نسبت به کشت خالص در pH بهینه تولید هیدروژن در نسبت به کشت خالص انتروباکتر و کلستریدیوم به ترتیب 16/3 و 6/1 تولید هیدروژن داشته و در pH بهینه تولید حلال کشت همزمان نسبت به کشت خالص انتروباکتر و کلستریدیوم به ترتیب 79% و 1.5% افزایش تولید حلال داشته و مزیت دیگر کشت هم زمان نسبت به کشت خالص عدم استفاده از عامل کاهنده می باشد. در نهایت جامد پسماند کاغذسازی ، خمیر کاغذ سازی، روزنامه و سلولز خالص به عنوان خوراک اولیه سلولزی در فرآیند تخمیر مورد استفاده قرار گرفتند. خوراک های اولیه سلولزی به وسیله هیدرولیز آنزیمی به قند قابل مصرف برای مرحله تخمیر تبدیل شدند. جهت بهبود فعالیت آنزیم ها به وسیله پیش فرآوری قلیایی در دمای پایین ساختار کریستالی آن ها به هم ریخته شد و قابلیت هیدرولیز آنزیمی افزایش پیدا کرد که % 54، %10،% 3/72 و% 12 افزایش هیدرولیز قند نمونه پیش فرآوری شده نسبت به نمونه پیش فراوری نشده به ترتیب برای نمونه های سلولز، خمیر کاغذ، روزنامه و جامد پسماند کارخانه کاغذ سازی بدست آمد. بازده تولید محصول به ازای هر گرم از سوبسترای جامد برای سلولز پیش فرآوری شده gABE/gSubstrate263/0 و mlH 2 /gSubstrate5/99 ، خمیر کاغذ پیش فرآوری شدهgABE/gSubstrate 294/0 و mlH 2 /gSubstrate142، روزنامه پیش فرآوری شدهgABE/gSubstrate 137/0 و mlH 2 /gSubstrate3/66 و جامد پسماند کاغذ سازی پیش فرآوری شدهgABE/gSubstrate 012/0 وmlH 2 /gSubstrate 11 بدست آمد.همچنین با توجه به نتایج نهایی می توان نتیجه گرفت که فرآیند پیش فرآوری بر روی خوراک جامد کاغذسازی یک مرحله اضافه بوده همچنین نتایج آزمون FTIR تایید کننده این ادعا می باشند.