23992

BIOTECH3 38

دكتري

زيست فناوري ميكروبي

علوم و فناوري‌‌‌هاي زيستي

1403/3/12

126 ص.

دكتر حميد اميري

دكتر صفورا ميرمحمد صادقي

بيوهيدروژن , بيوبوتانول , تخمير تاريك , تخمير ABE , ضايعات جامد شهري , سرشاخه¬هاي درختي

هيدروژن و بوتانول، دو حامل انرژي پايدار، پاك و تجديدپذير، به ترتيب از فرايندهاي تخمير تاريك و تخمير استن-بوتانول-اتانول، به‌صورت زيستي حاصل مي¬شوند. . اين فرايندها با چالش¬هاي بزرگي نظير منابع اوليه كربني گران قيمت، بهره انرژي پايين، سميت حلال، تراكم سلولي پايين و تشكيل محصول جانبي تخمير مواجه مي¬باشند. در پژوهش حاضر به‌منظور رفع دو چالش¬ اول مطرح شده، چهار سناريو تعريف و اجرا شد. در سناريوي اول سرشاخه¬هاي درختي با بخش تخريب‌پذير ضايعات جامد شهري (MSW) در دو شرايط عملياتي pH و سه سطح غلظت سوبسترا، بدون اتخاذ هيچ‌گونه پيش‌فراوري براي سوبسترا پردازش شدند. مايه¬ي تلقيح در ابتدا با پيش‌فراوري شوك حرارتي در شرايط مختلف براي به دست‌آوردن بالاترين بازده زيستي بيوهيدروژن بهينه و سپس براي تجزيه‌ و تحليل‌هاي بيشتر تخمير تاريك استفاده شد. بالاترين بازده توليد بيوهيدروژن 6.7 ± 84.06 ميلي‌ليتر بر گرم VS با تخمير تاريك 20 گرم در ليتر سوبستراي تركيبي در شرايط اوليه خنثي به دست آمد كه 85 درصد بيشتر از تخمير تاريك براي هريك از سوبستراهاي جداگانه با مقادير 40.9، 0.2، 0.1 و 0.2 ميلي‌ليتر در گرم VS به ترتيب از MSW، كاج، توت، و سرو بود. تغييرات درصد تركيبات سوبستراي تركيبي در طول تخمير تاريك و همچنين پارامترهاي سينتيكي با استفاده از مدل گومپرتز اصلاح شده (MGM) و مدل لجستيك اصلاح شده (MLM) نيز در اين سناريو بررسي شدند. در سناريوي دوم رويكرد چند مرحله‌اي شامل "تخمير تاريك نشاسته¬اي"، "پيش‌فراوري اسيدي خودزاي واسطه" و "تخمير تاريك ليگنوسلولزي" براي توليد بيوهيدروژن به‌صورت هم‌افزا به تبديل كارآمد ضايعات آلي به بيوهيدروژن كمك كرد. در مرحله اول، 72 تا 78 درصد نشاسته مصرف شد و به‌ازاي هر 100 گرم ضايعات، 494 - 2274 ميلي‌ليتر بيوهيدروژن به دست آمد. در مرحله دوم، جامد غني از ليگنوسلولز حاصل از مرحله قبل به مدت 60 دقيقه در دماهاي مختلف قرار گرفت تا ليگنوسلولزها توسط اسيدهاي چرب فرار توليد شده در مرحله اول پيش‌فراوري شوند. در مرحله سوم به‌ازاي 100 گرم ضايعات 119-3154 ميلي‌ليتر بيوهيدروژن توليد شد. در شرايط بهينه، از فرايند سه‌ مرحله‌اي به ‌طوركلي 5228 ميلي‌ليتر هيدروژن از 100 گرم سوبستراي فراوري ‌نشده به دست آمد كه 2.4 برابر بيشتر از تخمير تاريك يك‌ مرحله‌اي بود. در سناريوي سوم از فرايند تخمير تاريك به ‌عنوان پيش‌فراوري بيولوژيكي براي تخمير ABE استفاده شد. حداكثر ميزان توليد بيوهيدروژن 246.72 ميلي ‌ليتر بر گرم سوبسترا متعلق به سوبستراي تركيبي بود. همچنين پيش‌فراوري توانست بين 52 درصد (براي نمونه سرو) تا 83 درصد (براي نمونه سوبستراي تركيبي) باعث افزايش بازده توليد گلوكز شود. در مورد افزايش توليد بوتانول نيز بيشترين ميزان اين افزايش توليد در نمونه سوبستراي تركيبي ديده شد كه در آن مقادير ABE توليدي 65 درصد افزايش يافتند. در نهايت در سناريوي چهارم در ادامه تلاش براي يكپارچه‌سازي دو فرايند تخمير ABE و تخمير DF، مايعات حاصل از فرايند تخمير تاريك در سه حجم مختلف به محيط تخمير ABE افزوده شد و منجر به افزايش بوتانول از 2.4 – 4.2 به 4.2 -5.7گرم بر ليتر، افزايش اتانول از 0.41 -0.45 به 0.71 -0.80 گرم بر ليتر و افزايش نسبت بوتانول به استن از مقادير حدود 1.5 به مقادير حدود 3 گرم بر ليتر گرديد.

biohydrogen , biobutanol , dark fermentation , ABE fermentation , Municipal solid waste , Pruning

Integration of dark fermentation for hydrogen production and ABE fermentation to improve energy return on investment in hydrogen and butanol production from municipal solid waste

زيست فناوري

Hydrogen and butanol, two sustainable, clean and renewable energy carriers, are biologically obtained from dark fermentation and acetone-butanol-ethanol fermentation processes, respectively. These processes face major challenges such as primary carbon sources and energy investment on return. In order to solve these challenges, four scenarios were defined and implemented in this study. In the first scenario, prunings were co-processed with degradable fraction of municipal solid waste (MSW) in two pH operating conditions and three substrate concentration levels, without any pretreatment for the substrate. The inoculum was first pretreated with heat shock pretreatment under different conditions to obtain the highest biohydrogen yield and then used for further analysis of dark fermentation. The highest biohydrogen production of 84.06 ± 6.7 mL/g VS was obtained by dark fermentation of 20 g/L composite substrate under initially neutral conditions. Fermentation of individual substrates resulted in 40.9, 0.2, 0.1, and 0.2 mL/g VS of MSW, pine, mulberry, and cypress, respectively, 85% lower than dark fermentation with composite substrate. Changes in compositions during dark fermentation were determined. In addition, the modified Gompertz model (MGM) and modified Logistic model (MLM) were well-fitted on kinetic data. In the second scenario, a multi-step approach including "starchy dark fermentation", " intermediary autogenous acidic pretreatment " and "lignocellulosic dark fermentation" for biohydrogen production synergistically caused converting of organic waste to biohydrogen. In the first stage, 72-78% of starch was consumed and 494-2274 ml of biohydrogen was obtained per 100 grams of waste. The second stage involved improving the structure of lignocellulose-rich solids through the application of volatile fatty acid-rich liquor generated in the first stage for pretretament. The third stage produced 119-3154 ml of biohydrogen from 100 g of waste. Under optimal conditions, the three-step process produced a total of 5228 mL of hydrogen from 100 g of untreated substrate, which was 2.4 times more than the one-step dark fermentation. In the third scenario, the dark fermentation process was used as a biological pretreatment for ABE fermentation. The maximum amount of biohydrogen production was 246.72 ml/g belong to composite substrate. Also, pretreatment increase the yield of glucose between 52% (for the cypress sample) and 83% (for the composite substrate). Subsequently, the amount of butanol increased so that the highest amount of ABE production was seen in the case of composite substrate, which was equivalent to 65% increase. Finally, in the fourth scenario, following the efforts to integration of ABE fermentation and dark fermentation, the liquid obtained from the dark fermentation process were added in three different volumes to the ABE fermentation environment, leading to an increase from 2.4-4.2 to 5.7-4.2 g/liter, 0.45-0.41 to 0.8-0.71 g/liter and 1.5 to about 3 g/liter, in butanol, ethanol and the ratio of butanol to acetone, respectively.

4

76643