Skip to main content
SUPERVISOR
Keikhosro Karimi
کیخسرو کریمی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mina Tajmirriahi
مینا تاج میرریاحی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Effect of Extractives on Bioconversion of Wood and Agricultural Residues
For many years, fossil fuels have played a main role in providing energy in various sectors, including traortation. Today, negative impacts of crude oil-based fuels necessitate finding alternatives. Lignocellulosic biomass is a good candidate to produce biofuels, such as bioethanol and biogas. In this research, the effect of extractives on the bioethanol and biogas production has been examined to improve the production yield. For this purpose, two types of lignocellulosic material, pinewood and rice straw, were selected for. At first, extractives of these two substrates were extracted using soxhlet, then anaerobic digestion process, enzymatic hydrolysis and simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of pinewood and rice straw were performed in the presence of different concentrations of extractives. The amount of methane produced from pinewood extracted with water was about 87 ml/g.VS, which in the presence of 80 g/l of extractives from pinewood with water decreased to less than 1 ml/g.VS. The amount of biogas produced from rice straw extracted with water was 244 ml/g.VS, which reduced to 55 ml/g.VS with the addition of 80 g/l of rice straw extractives extracted by water. Adding extractives from pinewood extracted by ethanol to biogas production process from pinewood reduced the quality of produced biogas. The production of biogas from rice straw in the presence of rice straw extractives extracted by ethanol, increased biogas production from 169 ml/g.VS to 528 ml/g.VS, resulting 212% increase in biogas production. Then, the enzymatic hydrolysis of pinewood in the presence of its extractives, extracted by water and ethanol, and enzymatic hydrolysis of rice straw in the presence of its extractives extracted by water and ethanol, were performed. In all four hydrolysis processes, the presence of extractives did not have much effect on the hydrolysis efficiency. Subsequently, simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of pinewood and its extractives extracted by water and ethanol, and simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of rice straw and its extractives extracted from water and ethanol, have been performed. Results showed that the extracted materials from pine wood with water have inhibitory effect on this process and the yield of produced ethanol decreased (from 18.5% to 5%). The results of simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of rice straw and its extractives extracted by water, also indicate the inhibitory effect of these materials on fermentation. The process of simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of pinewood, and its extractive materials extracted by ethanol had a different result. The presence of extracted materials not only had no inhibitory effect, but also improved ethanol production efficiency (from 18.5% to 28%). Simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation of rice straw and its extractives extracted by ethanol also showed an inhibitory effect of extractive materials and reduced the yield of ethanol from 49% to 32%. The phenol and tannin compounds in the substrate and extractives were also measured by phenol and tannin tests. In this test, it was found that the amount of phenol in rice straw is higher than pinewood. The gas chromatography-mass spectrometry was also used to identify the compounds in these extractives. The results of this analysis indicated that 4-benzyloxy-4-[2,2-dimethyl-4-dioxolanyl] Butyraldehyde and abietic acid are the main components of pinewood extractives extracted by water and ethanol, respectively. Main components of the extractives from rice straw extracted by water and ethanol, are 3-hydroxy-spirost-8-n-11-n and Guaiazulene, respectively. Key words : lignocellulosic biomass, extractives, biogas, bioethanol, enzymatic hydrolysis, simultaneous hydrolysis and fermentation (SSF)
سوخت های فسیلی برای سال های متمادی بیشترین نقش را در تأمین انرژی مورد نیاز انسان‌ها در بخش های مختلف از جمله حمل و نقل داشته اند. امروزه مشکلات زیادی پیرامون استفاده از این سوخت‌ها به وجود آمده که منجر به اهمیت روز افزون سوخت های زیستی شده است. از ترکیبات ارزان قیمت و پایان ناپذیر لیگنوسلولزی می توان برای تولید سوخت‌های زیستی از جمله بیواتانول و بیوگاز بهره گرفت. در این پژوهش تلاش شده تا با بررسی اثر مواد استخراجی بر فرایند تولید اتانول زیستی و بیوگاز، گامی در جهت بهبود و افزایش تولید این سوخت‌ها برداشته شود. برای این کار از دو نوع ماده لیگنوسلولزی یعنی چوب کاج و کاه برنج استفاده شد. ابتدا مواد استخراجی این دو سوبسترا به کمک سوکسله استخراج شد و سپس فرایند‌های بیوگاز، هیدرولیز آنزیمی و فرایند هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان چوب کاج و کاه برنج در حضور غلظت های مختلفی از مواد استخراجی صورت گرفت. مقدار متان تولیدی از چوب کاج استخراج شده با حلال آب در حدود 87 میلی لیتر به ازای گرم وزن خشک بود که در حضور 80 گرم بر لیتر مواد استخراج شده از چوب کاج با حلال آب، به کمتر از یک میلی لیتر رسید. میزان بیوگاز تولیدی از کاه برنج استخراج شده با حلال آب نیز 244 میلی لیتر بر مبنای وزن خشک بود که با افزودن 80 گرم بر لیتر مواد استخراجی کاه برنج با آب، به 55 میلی لیتر کاهش یافت. افزودن مواد استخراج شده از چوب کاج با حلال اتانول به فرایند تولید بیوگاز از چوب کاج، سبب کاهش کیفیت بیوگاز تولیدی شد. تولید بیوگاز از کاه برنج در حضور مواد استخراج شده از کاه برنج با اتانول، بیوگاز تولیدی را از 169 میلی لیتر به ازای گرم وزن خشک به 528 میلی لیتر رساند که بیانگر افزایش 212 درصدی تولید بیوگاز است. سپس فرایند هیدرولیز آنزیمی بر روی چوب کاج در حضور مواد استخراج شده از آن با دو حلال آب و اتانول و هیدرولیز آنزیمی بر روی کاه برنج در حضور مواد استخراج شده از آن با دو حلال آب و اتانول صورت گرفت. در هر چهار فرایند هیدرولیز، حضور مواد استخراجی تأثیر چندانی بر بازدهی هیدرولیز نداشت. پس از آن فرایند هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان چوب کاج و مواد استخراج شده آن با حلال‌های آب و اتانول و فرایند هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان کاه برنج و مواد استخراج شده از آن با دو حلال آب و اتانول صورت گرفت. نتایج نشان داد که مواد استخراج شده از چوب کاج با حلال آب بر این فرایند اثر بازدارندگی دارند و بازدهی اتانول تولیدی (از 5/18 درصد به 5 درصد) کاهش یافت. نتایج هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان کاه برنج و مواد استخراجی با آب نیز نشان دهنده اثر بازدارندگی این ماده بر تخمیر بود. فرایند هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان چوب کاج و مواد استخراجی آن با حلال اتانول، نتیجه متفاوتی داشت و در آن، حضور مواد استخراجی نه تنها اثر بازدارندگی نداشت، بلکه منجر به بهبود بازدهی تولید اتانول (از 5/18 درصد به 28 درصد) نیز شد. هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان کاه برنج و مواد استخراجی آن با حلال اتانول، نیز نشان از اثر بازدارندگی مواد استخراجی داشت و بازدهی اتانول تولیدی را از 49 درصد به 32 درصد کاهش داد. جهت سنجش میزان ترکیبات فنولی و تاننی موجود در سوبسترا و مواد استخراجی، آزمون فنول و تانن بر روی آن‌ها انجام گرفت. در این آزمون مشخص شد که میزان فنول موجود در کاه برنج بیشتر از چوب کاج است. هم چنین جهت شناسایی ترکیبات موجود در این مواد استخراجی از دستگاه کروماتوگرافی گازی- طیف سنج جرمی استفاده شد. نتایج این آنالیز نشان داد که جز اصلی مواد استخراج شده از چوب کاج با حلال های آب و اتانول به ترتیب 4-بنزیلوکسی-4- ]2و2-دی متیل-4-دیوکسولانیل[ بوتیر آلدهید، و آبیتیک اسید هستند. جز اصلی مواد استخراج شده از کاه برنج با حلال های آب و اتانول نیز به ترتیب 3-هیدروکسی-اسپیروست-8-اِن-11-اُن و گوایازولن هستند. واژگان کلیدی مواد لیگنوسلولزی، مواد استخراجی، بیوگاز، بیواتانول، هیدرولیز آنزیمی، هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان (SSF)

ارتقاء امنیت وب با وف بومی