توليد بيوهيدروژن و سيليكا از كاه برنج و بررسي تاثير نانوسيليكا بر بازده بيوهيدروژن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

كارشناسي ارشد

افزايش جمعيت، تغييرات الگوي آب و هوايي كره زمين و كاهش منابع تجديدناپذير سبب شده تا تمركز صنايع به سوي توليد و توسعه انرژي¬¬¬هاي پاك، افزايش يابد. سوخت‌هاي زيستي مانند بيوهيدروژن با انرژي و ارزش گرمايي بالا، جايگزين مناسبي براي سوخت‌هاي فسيلي هستند. ضايعات كشاورزي يكي از منابع عمده تركيبات ليگنوسلولزي هستند كه ساليانه در حجم بالا در سراسر جهان توليد مي‌شوند و به عنوان ماده اوليه سوخت‌هاي زيستي قابل استفاده‌اند. در اين پژوهش تاثير نانوسيليكا بر بهبود بازده تخمير تاريك و توليد هيدروژن بررسي شد. به اين منظور از كاه برنج به عنوان ماده اوليه در توليد بيوهيدروژن و سيليكا استفاده شد. كاه برنج تحت پيش‌فراوري‌هاي حلال آلي، اسيدسولفوريك، هيدروكسيدسديم، كربنات سديم، اسيدسولفوريك–هيدروكسيدسديم و حلال آلي–هيدروكسيدسديم قرار گرفت. پس از عمليات پيش‌فراوري، جامد و مايع از يكديگر جدا و جامد پيش‌فراوري در مرحله هيدروليز آنزيمي به قندهاي مونومري تبديل شد. فرايند تخمير تاريك در حضور باكتري انتروباكتر ائروژنز و با استفاده از مايع هيدروليز به عنوان منبع كربن انجام شد. سه نمونه سيليكا از مايع پيش‌فراوري‌هاي هيدروكسيدسديم، حلال آلي–هيدروكسيدسديم و اسيدسولفوريك–هيدروكسيدسديم استخراج شد. به منظور تعيين خلوص و اندازه ذرات سيليكا، آزمون‌هاي فلوئورسانس پرتو ايكس، پراش پرتو ايكس و تصويربرداري ميكروسكوپ الكتروني روبشي بر روي هر نمونه انجام گرفت. پيش‌فراوري اسيدسولفوريك–هيدروكسيدسديم، بيشترين بازيابي سيليكا (3/73 درصد) و سيليكاي حاصل از مايع پيش‌فراوري حلال آلي–هيدروكسيدسديم، بيشترين خلوص (9/98 درصد) را داشتند. نتايج پراش پرتو ايكس نشان داد كه ذرات، ساختار كريستالي داشتند و هم‌خواني اندازه كريستالي و قطر ذرات بيانگر ساختار تك كريستالي آنها بوده است. ميانگين قطر ذرات براي نمونه‌هاي سيليكاي حاصل از مايع پيش‌فراوري هيدروكسيدسديم، حلال آلي–هيدروكسيدسديم و اسيدسولفوريك–هيدروكسيدسديم به ترتيب 8/49، 9/65 و 3/79 نانومتر حاصل شده است. بالاترين حجم توليد هيدروژن (8/120 ميلي‌ليتر) و بازده هيدروژن (6/1 مول هيدروژن به ازاي هر مول گلوكز مصرفي) مربوط به نمونه پيش‌فراوري حلال آلي–هيدروكسيدسديم بوده است. نتايج آناليز مايعات تخمير نشان داد كه اسيداستيك و اتانول دو محصول اصلي تخمير بوده و در نمونه‌هاي با غلظت گلوكز بالاتر، مسير متابوليكي به سمت توليد اسيدپروپيونيك منحرف شده و منجر به كاهش بازده توليد هيدروژن شده است. اضافه كردن 200 ميلي‌گرم بر ليتر از سيليكاي استخراج شده از مايع پيش‌فراوري هيدروكسيدسديم و حلال آلي–هيدروكسيدسديم به محيط كشت، سبب افزايش توليد اسيداستيك و كاهش توليد اتانول شده و بازده توليد هيدروژن را به ترتيب به 8/1 و 7/1 مول هيدروژن به ازاي هر مول گلوكز مصرفي افزايش داده كه نسبت به بهينه توليد هيدروژن در عدم حضور نانوسيليكا، 5/12 و 8/5 درصد افزايش داشته است. تاثير سيليكاي حاصل از مايع پيش‌فراوري هيدروكسيدسديم در بهبود بازده توليد هيدروژن، علاوه بر ابعاد كوچك‌تر ذرات، به دليل حضور جزئي اكسيدآهن در نمونه بوده كه به عنوان عامل كمكي آنزيم هيدروژناز عمل كرده است. نتايج غلظت‌هاي بالاتر نانوسيليكا نشان از بازدارندگي و كاهش توليد هيدروژن داشته كه مربوط به تاثير منفي نانوذرات بر ديواره سلولي باكتري بوده است. به طور كلي حضور نانوذرات سيليكا در غلظت مناسب سبب بهبود بازده توليد هيدروژن شده و اين روند در ذرات با ابعاد كوچكتر به دليل افزايش مساحت سطح و افزايش سرعت انتقال الكترون بين نانوذرات و آنزيم هيدروژناز، بيشتر بوده است.

214657

بيوتكنولوژي

مهندسي شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان

محمدهادي جزيني، آذر شاه پيري

حميد زيلوئي، كيخسرو كريمي