26418

توليد اتانول زيستي در محيط سنتزي با استفاده از غشا اصلاح¬ شده

مقطع دكترا

مهندسي شيمي

1393

1400/08/22

دكتر فرشته نعيم پور-دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي

به دليل تجديدناپذيري و مشكلات زيست¬محيطي سوخت¬هاي فسيلي، اخيراً توليد سوخت¬ها¬ي زيستي مانند اتانول¬زيستي از منابع تجديدپذير شامل ضايعات كشاورزي (ليگنوسلولز) مورد توجه محققان قرار گرفته است. تخمير كامل غلظت¬هاي بالاي قندهاي شش (گلوكز) و پنج (زايلوز) كربنه حاصل از هيدروليز ليگنوسلولزها، باعث افزايش بهره¬وري توليد اتانول¬زيستي مي¬گردد. اما غلظت بالاي اتانول¬زيستي توليدشده حاصل از تخمير اين قند¬ها مي¬تواند منجر به ممانعت¬كنندگي عملكردي براي ميكروارگانيسم¬ها شود. در اين پژوهش، هدف افزايش بهره¬وري اتانول¬زيستي در تخمير دومرحله¬اي غلظت¬هاي بالاي دو قند گلوكز (G)-زايلوز (X) توسط زايموموناس موبيليس و پيشيا استيپيتيس با رفع ممانعت¬كنندگي در راكتور زيستي تراوش¬تبخيري است. توليد اتانول¬زيستي ابتدا در غلظت¬ پايين (g/L 20:X-30:G) و حالت¬هاي مختلف حضور دو ميكروارگانيسم در دومرحله با سلول¬هاي آزاد و تثبيت¬شده بررسي شد. حالت متوالي-همزمان تثبيت¬شده به دليل افزايش بازده توليد اتانول¬زيستي و درصد تبديل بالاتر قندها انتخاب گرديد. نتايج نشان داد كه سلول تثبيت¬شده¬ نسبت به آزاد باعث افزايش تبديل زايلوز (16 به 83%) و بازده توليد اتانول¬زيستي (31/0 به ge/gs 54/0) شد. در حالت متوالي-همزمان تثبيت¬شده، با افزايش غلظت تاg/L 80:X-120:G، گلوكز به طور كامل مصرف شد. درحالي¬كه، مصرف زايلوز در غلظت متوسط (g/L 60:X-90:G) به دليل غلظت بالاي اتانول¬زيستي توليدي متوقف گرديد. براي رفع اين ممانعت¬كنندگي، يك غشاي نانوكامپوزيتي فوق¬آبگريز با پايه سراميكي براي جداسازي اتانول¬زيستي طراحي و ساخته شد. بهينه¬سازي درصد اجزا و دماي پخت پايه¬ي سراميكي با روش طراحي آزمايش تاگوچي و پوشش¬دهي لايه¬ي نانوكامپوزيتي (سيليكاليت-1 و پلي¬ دي¬متيل سيلوكسان) با روش باكس-بنكن صورت گرفت. غشاي نانوكامپوزيتي فوق-آبگريز داراي شاخص جداسازي اتانول برابر با kg/m2.h 3/75 در جداسازي محلول¬wt.% 5 اتانول-آب به عنوان غشاي بهينه انتخاب شد. قبل از استفاده از غشاي بهينه در شرايط واقعي راكتور زيستي تراوش-تبخيري، تأثير عوامل شاخص محيط تخمير مانند نسبت دو ميكروارگانيسم، نسبت دو قند و غلظت عصاره مخمر با روش باكس-بنكن در عملكرد غشاي بهينه مطالعه گرديد. بهترين شاخص جداسازي برابر kg/m2.h 8/61 در غلظت¬هاي كمتر گلوكز و عصاره مخمر و حضور بيشتر پيشيا استيپيتيس حاصل شد. در انتها، تخمير در راكتور زيستي ناپيوسته با حجمL 2 در حالت متوالي-همزمان تثبيت¬شده بدون و با استفاده از فرايند تراوش¬تبخيري داراي غشاي بهينه در غلظت بالا (g/L 80:X-120:G) به مدت h 200 مقايسه گرديد. بر اساس نتايج طراحي آزمايش مربوط به بررسي تأثير عوامل شاخص محيط تخمير، سيستم تراوش¬تبخيري پس از كاهش نسبي غلظت¬ گلوكز و مخمر در زمان h 39 به راكتور زيستي متصل و باعث رفع ممانعت¬كنندگي اتانول و بهبود مصرف زايلوز تا 240% و افزايش بهره¬وري تا 148% در غلظت¬ بالا در مقايسه با حالت بدون تراوش¬تبخيري شد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني و آناليز پراش پرتو ايكس غشا استفاده¬شده (به مدت h 161) نمايانگر پايداري ويژگي ضدتورم و ضدگرفتگي آن است. افزايش قابل توجه بهره¬وري اتانول¬زيستي در راكتور زيستي تراوش¬تبخيري نويدبخش عملكرد مناسب آن در كاربردهاي صنعتي است.

1401/02/07

Production of bioethanol using synthetic medium and modified ceramic membrane

11/13/2022 12:00:00 AM

Due to the non-renewability and environmental problems of fossil fuels, producing biofuels such as bioethanol from renewable source like agricultural waste (lignocellulose) recently is taken into consideration. Complete fermentation of the high concentrations of six (glucose) and five (xylose) carbon sugars, which are the result of the hydrolysis of lignocelluloses, increases the production productivity of bioethanol. But the high concentration of produced bioethanol by the fermentation of these sugars can lead to functional inhibition of microorganisms. In this research, the purpose is increasing bioethanol productivity during two-stage fermentation of high concentrations of two sugars of glucose (G)-xylose (X) via Zymomonas mobilis and Pichia stipitis by eliminating inhibition in the pervaporative bioreactor. Bioethanol production initially in the low concentration (G:30-X:20 g/L) and different cases of two microorganisms’ presence in the two-stages with free and immobilized cells were surveyed. The immobilized sequential-co case based on the increasing production yield and higher sugar conversion was selected. The results showed that immobilized cells toward free ones increased xylose conversion (16 to 83%) and bioethanol production yield (0.31 to 0.54 ge/gs). In the immobilized sequential-co case, by increasing concentration up to G:120-X:80 g/L, glucose completely was consumed. Whereas, xylose consumption in average concentration (G:90-X:60 g/L) due to high bioethanol concentration was stopped. To remove this inhibition, a superhydrophobic nanocomposite membrane with ceramic support for in-situ removing of bioethanol was designed and used. Weight percentage of used materials and curing temperature of the ceramic support with Taguchi experimental design and the coating of nanocomposite layers (silicallite-1 and poly dimethylsiloxane) with Box-Behnken method were optimized. The superhydrophobic nanocomposite membrane with separation index equal to 75.3 kg/m2.h in the separation of 5 wt.% ethanol-water solution was selected as the optimal membrane. Before using the optimal membrane in the real condition of pervaporative bioreactor, the effects of indicator factors in the fermentation media such as the ratio of two microorganisms, the ratio of two sugars and yeast extract concentration in the performance of optimal membrane with Box-Behnken method were studied. The best separation of 61.8 kg/m2.h was obtained in the lower glucose and yeast extract concentrations and further presence of P. stipitis. Finally, fermentation in the batch bioreactor with the volume of 2 L in the immobilized sequential-co case without and with using of pervaporation process including optimal membrane in the high concentration (G:120-X:80 g/L) during 200 h was compared. According to the results of experimental design related to the studying the effects of indicators factors of fermentation media, pervaporation system after relative decreasing in the concentration of glucose and yeast extract at 39 h was connected to bioreactor and removed inhibition of bioethanol and increased xylose consumption and productivity up to 240% and 148% in the high concentration compared to the case of without pervaporation. Scanning electron microscope images and X-ray diffraction analysis of the used membrane (during 161 h) represented the stability of the properties of anti-fouling and anti-swelling. Significant increase of bioethanol productivity in the pervaporative bioreactor promises its suitable performance in the industrial application.

توليد اتانول زيستي , زايموموناس موبيليس , پيشيا استيپيتيس , گلوكز-زايلوز , تراوش¬تبخيري , غشاي نانوكامپوزيتي فوق¬آبگريز

Bioethanol production , Zymomonas mobilis , Pichia stipitis , Glucose-xylose , Pervaporation , Superhydrophobic nanocomposite membrane

Fariba Sadat Kamelian

Fereshteh Naeimpour -Toraj Mohammadi