يكپارچه‌‌سازي فرايندهاي تخمير تاريك براي توليد هيدروژن و تخمير استن‌ - بوتانول - اتانول جهت بهبود استحصال انرژي در توليدهيدروژن و بوتانول از ضايعات جامد شهري

دكتري

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.

231563

دانشگاه اصفهان

دكتر صفورا ميرمحمد صادقي

زيست فناوري ميكروبي

دكتر حميد اميري