تولید اتانول از کاه برنج و علوفه ذرت به روش هیدرولیز و تخمیر همزمان با درصد جامد بالا

STUDENT

DEGREE

YEAR

High titer ethanol production from rice straw and corn stover using Mucor indicus fungus and S. cerevisiae was investigated through the simultaneous saccharification and fermentation at high solids loading. The effects of sodium carbonate pretreatment, solvents-based pretreatment and combined steam explosion and sodium carbonate pretreatment to improve the efficiency of the process were investigated. Effects of the pretreatments on the composition, structural morphology, cellulose crystallinity, swelling capacity, and buffering capacity of the straw were studied. Moreover, the effects of SSF reaction time, enzyme loading, and solid loading on glucose and ethanol production were investigated. Additionally, the nutritional value of the residue from the SSF process, as an animal feedstock, was determined in terms of lipid and protein contents. The highest total sugar concentration was 89.2 g/L obtained from the straw pretreated for 10 h with sodium carbonate after 72-h hydrolysis with 10 FPU/g straw at 15% (w/w) solid loading. Total sugars concentration was not significantly improved by increasing the pretreatment time at low enzyme loadings, whereas it was significantly improved at high enzyme loadings. The highest ethanol concentration and SSF yield were 99.4 g/L and 89.5% (71.8% based on the raw material), achieved from the straw pretreated for 10 h through the 72-h SSF at 30% and 15% solid loading by M. indicus , respectively, using 20 FPU/g straw. The low enzyme loadings of 2.5 and 5 FPU/g straw yielded ethanol with concentrations as high as 66.3 and 90.9 g/L, respectively, after 120-h fermentation at 30% solid loading from the straw pretreated for 5 h. After NMMO and phosphoric acid pretreatment, solvents-based, the highest ethanol concentrations were 63 and 69 g/L achieved through the 72-h SSF of the pretreated straw at 30% solids loading, respectively. Also, the effects of sodium carbonate pretreatment and combind with steam explosion were investigated for ethanol production from corn stover. The maximum ethanol concentrations were 43 and 77 g/L after 72-h SSF of sodium carbonate and combined steam-sodium carbonate pretreated corn stover, respectively. While, the highest ethanol concentration from untreated corn stover was less than 10 g/L. The intriguing point in this study was that the ethanol concentration of higher than 40 g/L was achieved by batch SSF without mixing, prehydrolysis, or prolonged fermentation time in comparison with submerged fermentation. Keywords: Lignocelluloses, Hydrolysis and fermentation at high solids loading, Sodium carbonate pretreatment, Solvents pretreatment, Mucor indicus

امروزه با توجه به افزایش تولید گاز های گلخانه ای، افزایش آلودگی هوا و تغییرات زیست محیطی کره زمین، تولید اتانول به عنوان سوختی پاک و جایگزین از منابع تجدیدپذیر از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در سال های اخیر تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی، نسل دوم سوخت های زیستی، به علت نداشتن اشتراک و تداخل با منابع غذایی به شدت مورد توجه قرار گرفته است. تاکنون تعداد زیادی واحد پایلوت به منظور تبدیل بیولوژیکی مواد لیگنوسلولزی به اتانول ساخته شده است. اما یکی از دلایل صنعتی نشدن این روش تولید اتانول، پایین بودن حاشیه سود تولید می باشد؛ چرا که پایین بودن غلظت قند تولیدی در مرحله هیدرولیز به دلیل ساختار پیچیده مواد لیگنوسلولزی و به دنبال آن پایین بودن میزان غلظت اتانول تولیدی در مرحله تخمیر سبب افزایش هزینه های واحد جداسازی می گردد. در این پژوهش تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی مانند کاه برنج و علوفه ذرت به روش تخمیر با درصد جامد بالا با هدف کاهش هزینه های عملیاتی جهت صنعتی شدن تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی مورد ارزیابی قرار گرفت. در واقع با افزایش درصد جامد در فرایند (درصد جامد بالاتر از 15% وزنی/ وزنی)، غلظت اتانول تولیدی نیز افزایش یافته (بیشتر از 40 گرم بر لیتر) و همین امر سبب کاهش هزینه های واحد جداسازی می شود. بدین منظور ابتدا ترکیب لیگنوسلولزی تحت پیش فرآوری هایی چون سدیم کربنات، اسید فسفریک، NMMO و ترکیب دو پیش فرآوری انفجار بخار و سدیم کربنات قرار گرفت. سپس با انجام هیدرولیز آنزیمی و نیز هیدرولیز و تخمیر همزمان با درصد جامد بالا با استفاده از قارچ موکور ایندیکوس به عنوان میگروارگانیسم تولید کننده اتانول، فاکتورهای تاثیر گذار بر روی فرایند خشک از جمله میزان درصد جامد (15، 20 و 30% وزنی/ وزنی) برابر با غلظت 178، 250 و 430 گرم جامد بر لیتر، میزان آنزیم (از 20 تا FPU/g substrate 5/2) و مدت زمان انجام فرایند (48 تا 120 ساعت) مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین به منظور بررسی عملکرد این پیش فرآوری ها، آنالیز هایی چون XRD یا FTIR، SEM، ظرفیت جذب آب و ظرفیت بافری به ترتیب جهت بررسی تغییرات بلورینگی، مشاهده تغییرات مورفولوژی، سطح در دسترس ومقاومت در برابر تغییرات pH انجام گرفت. حداکثر غلظت و بازده اتانول تولیدی از کاه برنج پیش فرآوری شده با سدیم کربنات پس از 72 ساعت هیدرولیز و تخمیر همزمان برابر 99 گرم بر لیتر و 5/89 % بازده تئوری به ترتیب با میزان جامد 30% و 15% و میزان آنزیم FPU/g substrate20 بدست آمد این در حالی است که حداکثر اتانول تولیدی به روش خشک از کاه برنج خام تنها حدود 25 گرم بر لیتر بود. نکته قابل توجه دیگر این است که این نتایج بدون استفاده از اختلاط در طول فرایند تولید، بدون افزایش مدت زمان فرایند در مقایسه با تخمیر مرطوب و همچنین بدون انجام پیش هیدرولیز انجام گرفت. در این پژوهش برای کاهش بیشتر هزینه ها، میزان آنزیم مورد استفاده از 20 به میزان پایین 5 و FPU/g substrate 5/2 کاهش داده شد. حداکثر اتانول تولیدی در میزان آنزیم 5 و FPU/g substrate 5/2 به ترتیب برابر 91 و 66 گرم بر لیتر (حداکثر 153 گرم اتانول از 1 کیلوگرم کاه برنج خام)پس از 120 ساعت هیدرولیز و تخمیر همزمان با 30% جامد بدست آمد. حداکثر اتانول تولیدی از کاه برنج پیش فرآوری شده با NMMO و اسید فسفریک به ترتیب برابر با 63 و 69 گرم بر لیتر در میزان 30% جامد بود. در ادامه پژوهش، با توجه به نتایج قابل قبول برای تولید اتانول از کاه برنج پیش فرآوری شده با سدیم کربنات و نیز با توجه به اینکه بیشترین ضایعات کشاورزی در دنیا مربوط به علوفه ذرت می باشد، تاثیر این پیش فرآوری به تنهایی و پس از پیش فرآوری انفجار بخار بر میزان تولید اتانول از علوفه ذرت نیز به روش خشک مورد بررسی قرار گرفت. در این بخش تاثیر انجام یک مرحله پیش هیدرولیز قبل از هیدرولیز و تخمیر همزمان نیز بررسی شد. حداکثر غلظت اتانول تولیدی در این بخش برابر با 77 گرم بر لیتر برای ترکیب پیش فرآوری انفجار بخار و پیش فرآوری با سدیم کربنات بدست آمد. این در حالی است که اتانول تولیدی از علوفه ذرت خام کمتر از 10 گرم بر لیتر بود. واژگان کلیدی : بیواتانول، ترکیبات لیگنوسلولزی، هیدرولیز و تخمیر خشک، قارچ موکور ایندیکوس