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

مقطع دكترا

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.

211759

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

دكتر فرشته نعيم پور-دكتر تورج محمدي