بهبود تولید اتانول و بیوگاز از کاه گلرنگ با استفاده از فرآوری با سود سوزآور

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار دانشکدۀ مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

3 دانشیار ژنتیک و اصلاح نباتات، دانشکدۀ کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه: کاه گلرنگ یکی از ضایعات کشاورزی است که استفادۀ مشخصی از آن نمی‌شود و می‌تواند به‌عنوان منبعی ارزان قیمت برای تولید سوخت‌های زیستی استفاده شود. ‏‏
مواد و روش‏‏ها: به‌منظور بهبود بازده تولید بیوگاز و اتانول، پیش‌فرآوری قلیایی با سود بر کاه گلرنگ انجام گرفت. پیش‌فرآوری با سود 8درصد در دو دمای مختلف (0 و 100 درجۀ سانتیگراد) و زمان‌های 60-10 دقیقه انجام‌گرفت. به‌منظور بررسی اثر پیش‌فرآوری بر بازده گلوکز، نمونه‌های جامد به‌روش آنزیمی هیدرولیز شد. به‌منظور تولید متان، مایع حاصل از پیش‌فرآوری تحت فرآیند هضم بی‌هوازی قرارگرفت. از بخش جامد حاصل از پیش‌فرآوری نیز به‌صورت جداگانه برای تولید اتانول و بیوگاز استفاده شد. به‌منظور بهینه‌کردن تولید سوخت و مقایسۀ بهتر بین شرایط مختلف، بنزین معادل تولیدشده از یک تن کاه محاسبه شد. تحلیل آماری نتایج با استفاده از نرم‌افزار Minitab 16 انجام شد.
نتایج: بیشترین بازده تولید اتانول و گلوکز پس از پیش‌فرآوری در دمای 100 درجه و زمان 60 دقیقه به دست آمد. بازده گلوکز از کاه پیش‌فرآوری‌نشده تنها 6/20درصد بود و با پیش‌فرآوری قلیایی در بهترین حالت به 5/84درصد افزایش یافت. همچنین بازده اتانول در بهترین حالت از به 2/83درصد رسید؛ در حالی که برای نمونۀ بدون پیش‌فرآوری 8/10درصد بود. بیشترین بهبود در تولید متان از بخش جامد پس از پیش‌فرآوری در دمای صفر درجه و زمان 60 دقیقه حاصل شد و به میزان 4/191 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار رسید که نسبت به نمونۀ خام افزایش 6/99درصد را نشان می‌دهد. بیشترین میزان بنزین معادل تولیدشده به‌حجم 9/124 لیتر، بعد از پیش‌فرآوری در دمای صفر درجه و زمان 60 دقیقه به دست آمد. ‏
بحث و نتیجه‏گیری: پیش‌فرآوری در دمای زیاد به‌شکل مؤثرتری بازده هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول را بهبود داد. در حالی که برای تولید بیوگاز دمای کم مؤثرتر بود.‏‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Improvement of Biogas and Ethanol Production from Safflower Straw Using Sodium Hydroxide Pretreatment

نویسندگان [English]

  • Seyed Sajad Hashemi 1
  • Keikhosro Karimi 2
  • Mohammad Reaz Sabzalian 3
1 M.Sc. of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
2 Associate Professor of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
3 Associate Professor of Genetics and Plant Breeding, Isfahan University of Technology, Iran
چکیده [English]

Introduction: Safflower straw is one of the agricultural residues that currently have no specific use. So, it can be used as a cheap source for biofuel production.
Materials and methods: Alkaline pretreatment with NaOH was used to improve enzymatic hydrolysis, ethanol, and biogas production from safflower straw. The pretreatment was performed with 8% (w/v) NaOH solution at two different temperatures (0 and 100 °C) for 10-60 min. The liquid fraction of the pretreatment was subjected to anaerobic digestion for methane production. Solid fraction obtained from the pretreatments was used for bioethanol and biogas production in a parallel process. Therefore, two routes were followed for energy production from safflower straw: (1) ethanol production from solid fraction (2) biogas production from liquid fraction. In order to optimize the production of biofuels and compare different pretreatment conditions, the gasoline equivalents were calculated based on one tone of safflower straw after all pretreatment conditions. Statistical validation of the results was carried out using Minitab 16 software.
Results: The highest glucose and ethanol production yields were obtained after the pretreatment at 100°C for 60 min. The glucose yield from untreated straw was only 20.6% and improved to 84.5%, whereas the corresponding ethanol yield was improved from 10.8% to 83.2%. The best improvement in methane production from solid fraction was achieved by pretreatment at 0 °C for 60 min, and resulted in 191.4 ml/g VS which was 99.6% higher than methane yield obtained from untreated straw. The highest gasoline equivalent was 124.9 L obtained after pretreatment at 0 oC for 60 min.
Discussion and conclusion: Enzymatic hydrolysis and ethanol yields from the safflower straw were improved more by the pretreatment at high temperature. However, low temperature is desirable for methane production.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Alkaline pretreatment
  • Biogas
  • Ethanol
  • Safflower straw
  • NaOH
  • Equivalent gasoline

مقدمه.

در طی دهه‌های اخیر با افزایش جمعیت و صنعتی‌شدن جوامع انسانی، تقاضای جهانی برای سوخت‌های فسیلی به‌سرعت در حال افزایش است. این سوخت‌ها منابع محدودی دارند و پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که با توجه به روند مصرف کنونی، نفت خام، زغال سنگ و گاز طبیعی به‌ترتیب تا 45، 60 و 150 سال دیگر به اتمام برسند. از سوی دیگر مصرف بی‌رویۀ این سوخت‌ها حجم عظیمی از گازهای گلخانه‌ای را وارد جو زمین می‌کند که تغییرات خطرناک آب‌وهوایی و زیست‌محیطی همچون بالاآمدن سطح آب دریاها، ذوب‌شدن یخچال‌ها و آلودگی هوا را به دنبال دارد (1-3). استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک همچون بیوگاز[1] و اتانول می‌تواند کلید حل این مشکلات باشد. امروزه اتانول عمدتاً از محصولات کشاورزی قندی (مانند نیشکر و چغندر قند) و نشاسته‌ای (گندم و ذرت) تولید می‌شود که تضاد بین سوخت و غذا را موجب شده و انتقادات بسیاری را برانگیخته است؛ به همین دلیل، نسل دوم تولید سوخت‌های زیستی از محصولات فراوان و ارزان‌قیمت لیگنوسلولزی[2] مطرح شده است (4). سالانه صدها میلیون تن از ضایعات لیگنوسلولزی برجای‌مانده از محصولات کشاورزی مانند کاه گندم و کاه برنج دور ریخته می‌شود. ترکیبات لیگنوسلولزی معمولاً از سه بخش عمدۀ سلولز[3] (50-35درصد)، همی‌سلولز[4] (35-25درصد) و لیگنین[5] (20-15درصد) تشکیل می‌شوند (5). سلولز و همی‌سلولز را که پلیمر قندهایی همچون گلوکز و زایلوز هستند، می‌توان با استفاده از فرآیندهای هضم بی‌هوازی[6] و تخمیر و هیدرولیز هم‌زمان[7] (SSF) به‌ترتیب به بیوگاز و اتانول تبدیل کرد. با این حال، این مواد به‌دلیل ساختار پیچیده، سخت، بلورینه و حفاظت سلولز توسط لیگنین و همی‌سلولز، در برابر هیدرولیز آنزیمی[8] و میکروبی مقاوم هستند. بنابراین استفاده از فرآیند پیش‌فرآوری مناسب پیش از فرآیندهای تولید اتانول و بیوگاز ضروری است. هدف از پیش‌فرآوری، بازکردن این ساختار پیچیده، کاهش بلورینگی[9] سلولز و حذف موانع فیزیکی همچون لیگنین و همی‌سلولز به‌منظور افزایش دسترس‌پذیری میکروبی و آنزیمی به سلولز است (6). روش‌های مختلف پیش‌فرآوری مانند فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی، فیزیکی-شیمیایی و میکروبی به‌منظور بهبود تولید بیوگاز و اتانول از مواد لیگنوسلولزی توسعه یافته‌اند. پیش‌فرآوری قلیایی با استفاده از سود یکی از کارآمدترین روش‌ها به‌منظور بهبود تولید بیوگاز و اتانول از ضایعات لیگنوسلولزی کشاورزی و جنگلی است (7).

پیش‌فرآوری با سود به دو صورت غلظت زیاد و کم انجام می‌پذیرد. پیش‌فرآوری با غلظت کم (4-5/0درصد) در دما و فشار زیادی انجام می‌پذیرد. در این شرایط بخش عمده‌ای از لیگنین و همی‌سلولز حذف می‌شود؛ اما بازیابی سود معمولاً امکان‌پذیر نیست. پیش‌فرآوری با غلظت زیاد سود (20-6درصد) در فشار کم و دمای محیط انجام می‌گیرد. اصلی‌ترین نتیجۀ این شرایط ازهم‌گسیختگی و بازتولید سلولز است و می‌توان مقدار زیادی از سود را بازیابی کرد (7، 8). پیش‌فرآوری با سود، منجر به شکستن اتصالات استری[10] بین لیگنین، سلولز و همی‌سلولز می‌شود که حذف یا اصلاح لیگنین و افزایش تخلخل مادۀ لیگنوسلولزی را در پی دارد (6).

پس از پایان پیش‌فرآوری، فازهای مایع و جامد تولید می‌شود که از یکدیگر جدا می‌شوند. بر اثر پیش‌فرآوری، بخش زیادی از کربوهیدرات‌ها وارد فاز مایع می‌شوند. بخش مایع حاصل از پیش‌فرآوری حاوی کربوهیدرات‌های محلول مونومری یا کوتاه‌زنجیر[11] است که عمدتاً ناشی از انحلال همی سلولز در فاز مایع است. گونه‌های صنعتی میکروارگانیسم‌های[12] تخمیرکنندۀ الکلی مانند ساکار مایسس سرویسیه[13] قادر به تولید اتانول از قندهای پنج‌کربنه (مانند زایلوز) موجود در فاز مایع پیش‌فرآوری نیستند. بنابراین تعداد محدودی از پژوهش‌ها، تولید بیواتانول و بیوگاز از فاز مایع تولیدشده در پیش‌فرآوری را بررسی کرده‌اند. در این پژوهش تولید بیوگاز از فاز مایع حاصل از پیش‌فرآوری بررسی شد (9 و 10).

با توجه به تحقیقات انجام‌گرفته تاکنون تحقیقی در زمینۀ تولید سوخت‌های زیستی از ضایعات لیگنوسلولزی برجای‌مانده از گیاه گلرنگ انجام نگرفته است. مهم‌ترین هدف این پژوهش بهینه‌سازی شرایط پیش‌فرآوری قلیایی به‌منظور بیشینه‌سازی تولید سوخت زیستی از کاه گلرنگ است. از بخش جامد حاصل از پیش‌فرآوری هم برای تولید بیوگاز و هم برای تولید اتانول استفاده شد تا از نظر تولید سوخت معادل با یکدیگر مقایسه شوند. همچنین به‌منظور تولید بیوگاز، بخش مایع حاصل از پیش‌فرآوری تحت فرآیند هضم بی‌هوازی قرار گرفت. در پایان، مقدار کل انرژی تولیدشده از یک تن کاه گلرنگ اولیه براساس حجم بنزین معادل محاسبه شد و بهترین شرایط پیش‌فرآوری مشخص شد. علاوه بر این، آثار پیش‌فرآوری بر ساختار کاه گلرنگ بررسی شد.

 

‏‏مواد و روش‏ها.

کاه گلرنگ: گیاه گلرنگ موردنیاز برای این پژوهش از مزرعۀ لورک دانشگاه صنعتی اصفهان واقع در شهرستان نجف‌آباد تهیه شد. سپس ضایعات جمع‌آوری‌شدۀ گیاه به‌مدت سه روز در سایه خشک و در ادامه آسیاب شدند. کاه‌های آسیاب‌شده توسط مش‌های 20 و 80 الک شدند و ازکیسه‌های پلاستیکی مخصوص برای نگهداری آنها در دمای محیط استفاده شد.

عملیات پیش‌فرآوری: پیش‌فرآوری قلیایی در دو دمای صفر و 100 درجه سانتیگراد و برای زمان‌های مختلف 10، 30 و 60 دقیقه انجام شد. برای پیش‌فرآوری در دمای 100 درجه سانتیگراد از حمام روغن استفاده شد. ابتدا حمام روغن در دمای موردنظر تنظیم شد و دمای آن در تمام مدت آزمایش با استفاده از یک دماسنج الکلی اندازه‌گیری می‌شد. برای پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد از مخلوط آب و یخ استفاده شد. نسبت 1 به 20 برای افزودن سوبسترا به محلول سود 8درصد وزنی- حجمی به کار رفت؛ بدین صورت که ابتدا 95 گرم از محلول سود در یک ظرف درآبی (ظروف شیشه‌ای مخصوص با درهای پلاستیکی آبی‌رنگ مقاوم به حرارت) 250 میلی‌لیتری ریخته و درِ آن بسته شد و در حمام قرار گرفت. پس از اینکه محلول سود به دمای موردنظر رسید مقدار 5 گرم بر مبنای وزن خشک سوبسترا به ظرف درآبی حاوی محلول سود اضافه شد. در طول عملیات پیش‌فرآوری، نمونه‌ها هر 5 دقیقه یک بار بدون خارج‌شدن از حمام هم زده شد. با اتمام زمان پیش‌فرآوری، مخلوط حاصل سانتریفیوژ شد و بخش مایع و جامد حاصل از پیش‌فرآوری از یکدیگر جدا شدند. در مرحلۀ آخر پس از صاف‌کردن نمونۀ سانتریفوژشده، جامد باقیمانده بر کاغذ صافی با آب مقطر و با استفاده از پمپ خلأ تا زمان رسیدن به pH خنثی و ازبین‌رفتن حالت قلیایی، شستشو داده شد. نمونه‌های جامد با استفاده از دستگاه خشک‌کن تحت انجماد[14] خشک شدند و تا زمان استفاده درون کیسه‌های پلاستیکی زیپ‌دار نگهداری شدند. نمونه‌های مایع حاصل از پیش‌فرآوری نیز با استفاده از اسیدفسفریک تا pH 7 خنثی شدند و تا زمان استفاده درون فریزر در دمای 10 درجۀ سانتیگراد زیر صفر قرار داده شدند.

آزمایش تولید بیوگاز: در این پژوهش از سیستم ناپیوسته به‌روش هانسن[15] (11) برای انجام آزمایش‌های بیوگاز استفاده شد. بطری‌های شیشه‌ای تیره‌رنگ 118میلی‌لیتری به‌عنوان راکتور ناپیوسته استفاده شدند. مخلوط میکروبی[16] از بخش لجن بی‌هوازی تصفیه‌خانۀ آب و فاضلاب شمال اصفهان با دمای عملیاتی 37 درجۀ سانتیگراد تهیه شد. مقدار 25/0 گرم جامد فرار (VS) از نمونه‌های جامد پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده همراه 20 میلی‌لیتر مخلوط میکروبی و 5 میلی‌لیتر آب به‌طور جداگانه درون بطری‌ها ریخته شد. برای مایعات حاصل از پیش‌فرآوری نیز به‌صورت مشابه عمل شد با این تفاوت که به آنها 5 میلی‌لیترآب اضافه نشد. درِ تمام بطری‌ها با درپوش‌های پلاستیکی و آلومینیومی بسته شد و با تزریق گاز نیتروژن درون بطری‌ها به‌مدت 2 دقیقه شرایط بی‌هوازی[17] ایجاد شد. 20 میلی‌لیتر از مخلوط میکروبی و 5 میلی‌لیتر آب مقطر بدون اضافه‌کردن مادۀ مغذی به‌عنوان شاهد استفاده شد تا میزان متان تولیدشده توسط مخلوط میکروبی بدون خوراک‌دهی محاسبه و از میزان متان تولیدشده توسط سایر نمونه‌ها کم شود. در پایان، تمامی بطری‌های بی‌هوازی‌شده برای تولید بیوگاز درون گرمخانه[18] با دمای 37 درجۀ سانتیگراد قرار گرفتند تا در طول 45 روز با نمونه‌گیری‌های دوره‌ای (15 روز اول هر سه روز یک بار و در ادامه هر 5 روز یک بار) میزان و ترکیب بیوگاز تولیدشده اندازه‌گیری شود.

نمونه‌گیری با استفاده از سرنگ 100میکرولیتری قفل‌کننده فشار انجام گرفت و هر بار 100 میکرولیتر نمونۀ بیوگاز گرفته‌شده به دستگاه GC تزریق شد تا ترکیب درصد و حجم متان و دی‌اکسیدکربن موجود در آن مشخص شود. برای تهیۀ نمودار کالیبراسیون، حجم‌های مشخصی از متان و دی‌اکسیدکربن خالص به دستگاه تزریق شد و نمودارهای استاندارد سطح برحسب حجم برای این دو گاز رسم شد که در شکل‌های 1 و 2 این نمودارها نشان داده شده است.

 

 

 

شکل 1- نمونه‌ای از خط کالیبراسیون متان.

 

شکل 2- نمونه‌ای از خط کالیبراسیون دی‌اکسیدکربن.

 

 

حال با استفاده از معادلات خط به‌دست‌آمده از نمودار نمونه‌های استاندارد، محاسبۀ سطح زیر منحنی دی‌اکسیدکربن و متان نمونه‌های مجهول و دانستن فضای خالی درون بطری‌ها می‌توان حجم متان تولیدشده در بطری را با توجه به روابط 1 و 2 به دست آورد. حجم دی‌اکسیدکربن تولید شده نیز به‌طور مشابه قابل محاسبه است.

 

(1)

 

(2)

 

 


هیدرولیز آنزیمی: برای آماده‌سازی محیط هیدرولیز با غلظت 50 گرم‌برلیتر، 1 گرم از سوبسترا بر مبنای وزن خشک(TS) به 20 میلی‌لیتر بافرسدیم‌سیترات 05/0 مولار با pH 8/4 در ظرف شیشه‌ای 118 میلی‌لیتری اضافه شد. برای جلوگیری از رشد میکروب‌ها در هیدرولیز آنزیمی غلظت 5/0گرم‌برلیتر سدیم آزید به محلول بافر اضافه شد. در ادامه ظروف شیشه‌ای حاوی سوبسترا و محلول بافر توسط کلاهک پنبه‌ای پوشانده شده و برای استریل‌کردن محیط هیدرولیز به‌مدت 20 دقیقه در دمای 121 درجۀ سانتیگراد درون دستگاه اتوکلاو قرار داده شدند. پس از اتمام زمان اتوکلاو، نمونه‌ها به زیر هود میکروبی منتقل و سرد شدند. در این پژوهش از آنزیم‌های Cellic® CTec2  و Cellic® HTec2تولیدشده در شرکت نووزیم[19] دانمارک استفاده شد. فعالیت این آنزیم‌ها با استفاده از روش آدنی و باکر[20] (12) به‌ترتیب برابر  FPU/ml125 و FPU/ml 23 اندازه‌گیری شد. آنزیم‌های CTec2 و HTec2 با نسبت حجمی 9 به 1 با یکدیگر مخلوط شدند و مورد استفاده قرار گرفتند. فعالیت مخلوط آنزیمی حاصل،    FPU/ml8/114 محاسبه شد. در ادامه  FPU 10 (87 میکرولیتر) از مخلوط آنزیمی به نمونه‌ها اضافه شد و درپوش آلومینیومی و پلاستیکی بر ظروف قرار گرفت. نمونه‌ها به‌مدت 72 ساعت درون گرماخانۀ همزن‌دار با دمای 45 درجۀ‌ سانتیگراد و سرعت 120 دور بر دقیقه قرار گرفتند. به‌منظور اندازه‌گیری میزان قندهای آزادشده در بازه‌های زمانی مشخص نمونه‌گیری انجام گرفت.

تخمیر و هیدرولیز هم‌زمان (SSF): آزمایش SSF در این پژوهش، مشابه روش کریمی[21] و همکاران (13) در تولید اتانول از کاه برنج انجام گرفت. در این آزمایش از قدرت آنزیمیFPU 10 سلولاز به‌ازای یک گرم سوبسترا بر مبنای وزن خشک و غلظت 50 گرم‌برلیتر سوبسترا استفاده شد. برای انجام آزمایش SSF، یک گرم از هر نمونۀ پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده به‌همراه ۲۰ میلی‌لیتر بافرسدیم‌سیترات و غلظت‌های مشخصی از مواد مغذی (عصارۀ مخمر 5 گرم‌برلیتر، (NH4)2SO4 5/7 گرم‌برلیتر، K2HPO4 5/3گرم‌برلیتر، MgSO4.7H2O 75/0 گرم‌برلیتر، CaCl2.2H2O 1 گرم‌برلیتر)، درون ظروف شیشه‌ای 118میلی‌لیتری ریخته شد.

مشابه هیدرولیز آنزیمی، نمونه‌ها به‌مدت 20 دقیقه و در دمای 121 درجۀ سانتیگراد درون اتوکلاو استریل و زیر هود میکروبی خنک شدند. در این تحقیق از مخمر ساکارومایسیس‌سرویسیه تهیه‌شده از کلکسیون میکروبی دانشگاه گوتنبرگ سوئد با شمارۀ CCUG 53310[22] برای تخمیر و تولید اتانول استفاده شد. مخمر ساکارومایسیس‌سرویسه تنها قادر است قندهای 6 کربنه مانند گلوکز را مصرف کند. در ادامه 87 میکرولیتر از مخلوط آنزیمی و غلظت 1 گرم‌برلیتر مخمر ساکارمایسیس‌سرویسیه به آنها اضافه شد. نمونه‌ها حدود 2 دقیقه با گاز نیتروژن بی‌هوازی شدند و در پایان به‌مدت 72 ساعت، درون گرماخانۀ همزن‌دار با دمای 37 درجۀ سانتیگراد و چرخش 120 دور بر دقیقه قرار گرفتند. در فواصل زمانی 6 ساعت، گاز تولیدشده در فرایند تخمیر به‌وسیلۀ سرنگ استریل خارج شد تا محیط اسیدی نشود. برای تعیین روند تولید اتانول و مصرف گلوکز، در دو زمان 24 و 72 ساعت نمونه‌گیری انجام گرفت.

ظرفیت جذب آب[23]: برای تعیین میزان آب جذب‌شده توسط نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده، مطابق روش شفیعی و همکاران[24] (14) 1/0 گرم بر مبنای وزن خشک از هر نمونه درون یک کیسۀ کوچک از الیاف بافته‌نشده قرار داده شد و برای جلوگیری از خروج سوبسترا، دهانۀ کیسه با نخ پلاستیکی نازک بسته شد. در ادامه نمونه‌ها به‌مدت یک ساعت درون آب غوطه‌ور شدند، پس از آن کیسه‌ها خارج و وزن آنها بدون آبگیری اندازه‌گیری شد. ظرفیت جذب آب از رابطۀ 3 محاسبه شد.

که در این فرمول W1 وزن اولیۀ نمونۀ کاه خشک و W2 وزن نمونه پس از جذب آب است.

(3)

 

 

روش‌های تجزیه‌ای: به‌منظور اندازه‌گیری میزان جامدات کل[25] و جامدات فرار[26] نمونه‌های مایع، جامد و مخلوط میکروبی، از روش‌هایی که اسلویتر[27] و همکاران (15) کرده‌اند استفاده شد. به‌منظور بررسی اثر پیش‌فرآوری‌های سدیم‌هیدروکسید بر ترکیب درصد کاه گلرنگ و وجود هیدروکربن‌های مختلف در نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده از یک روش استاندارد به‌نام تعیین لیگنین و کربوهیدرات‌های ساختاری زیست توده[28] استفاده شد (16).

 به‌منظور بررسی اثر پیش‌فرآوری‌های قلیایی بر ساختار کاه گلرنگ، از آنالیز FTIR (طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز[29]) برای نمونه‌های بهینۀ بیوگاز و اتانول استفاده شد. از دستگاه مدل Bruker Tensor 27 ساخت کشور آمریکا برای آنالیز FTIR استفاده شد. میزان جذب در اعداد موج 1430 و 896  بر سانتیمتر به‌ترتیب نشان‌دهندۀ سلولز نوع یک و سلولز نوع دو هستند و نسبت بین جذب در این دو عدد موج (A1430/A896) به‌عنوان شاخص بلورینگی[30] تعریف می‌شود (17). این شاخص نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری انجام‌شده تا چه حد می‌تواند سلولز نوع یک را به سلولز نوع دو تبدیل کند. نسبت مقدار جذبA1375/A2900  به‌عنوان شاخص بلورینگی کل[31] شناخته می‌شود (17).

به‌منظور آنالیز بیوگاز تولیدی و تعیین درصد متان و دی‌اکسیدکربن یک دستگاه کرماتوگرافی گازی[32] مجهز به آشکارساز TCD با ستون Propack Q به کار برده شد. گاز خالص نیتروژن با دبی 40 میلی‌لیتر بر دقیقه به‌عنوان گاز حامل دستگاه کروماتوگرافی استفاده شد. این دستگاه از مدل Sp-3420A تولیدی شرکتBeiging Beifen Ruili Analytical Instrument   و ساخت کشور چین است.

از دستگاه کروماتوگرافی مایع با بازدهی زیاد[33] (Agilent Technology,1260 infinity, USA) در آزمایش‌های هیدرولیز آنزیمی، تخمیر و هیدرولیز هم‌زمان و آنالیز تعیین لیگنین و کربوهیدرات‌های ساختاری زیست‌توده، برای تعیین میزان غلظت قند و اتانول استفاده شد. این دستگاه مجهز به آشکارسازهای[34] RI،UV و UV/VIS است. برای تعیین غلظت قندهای مختلف از قبیل گلوکز[35]، زایلوز[36]، گالاکتوز، آرابینوز و مانوز از ستون Aminex HPX-87P با دبی 6/0 میلی‌لیتر بر دقیقه آب بدون یون و در دمای 80 درجۀ سانتیگراد و برای تعیین میزان اتانول تولیدی از ستون Aminex HPX-87H در دمای 60 درجۀ سانتیگراد و با دبی 6/0 میلی‌لیتر بر دقیقه اسیدسولفوریک 5 میلی‌مولار استفاده شد.

تحلیل آماری: تحلیل آماری داده‌های مربوط به تولید بیوگاز، هیدرولیز آنزیمی و ظرفیت جذب آب با استفاده از نرم‌افزارMinitab 16 و گزینۀ مربوط به آنالیز واریانس  با روش Tukey و با اطمینان 95درصد انجام شد (p < 0.05). حروف لاتین متفاوت مربوط به هر نمودار بیانگر این است که مقادیر عددی این ستون دارای اختلاف معنی‌دار با مقادیر سایر ستون‌ها است.

 

نتایج.

اثر پیش‌فرآوری بر ساختار کاه گلرنگ: ترکیب شیمیایی نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده کاه گلرنگ به‌همراه درصد بازیابی جامد در جدول 1 ارائه شده است. کاه گلرنگ عمدتاً از گلوکان، زایلان و لیگنین تشکیل شده است و میزان خاکستر بسیار ناچیز است. درصد بازیابی جامد در شرایط مختلف پیش‌فرآوری در محدودۀ 9/64-7/43درصد قرار دارد. به‌طورکلی سخت‌شدن شرایط پیش‌فرآوری (افزایش دما و زمان)، درصد بازیابی جامد را کاهش داده است. البته افزایش دما تأثیر بیشتری بر کاهش درصد بازیابی جامد دارد. درصد بازیابی جامد پس از پیش‌فرآوری در زمان 30 دقیقه در دماهای صفر و 100 درجۀ سانتیگراد به‌ترتیب 7/64درصد  و 4/45درصد گزارش شده است که به‌خوبی اثر افزایش دمای پیش‌فرآوری بر کاهش درصد جامد باقیمانده را نشان می‌دهد. همۀ پیش‌فرآوری‌ها مقادیر لیگنین را بین  4/29-9/11درصد کاهش دادند. با افزایش دما از صفر به 100 درجۀ سانتیگراد، حذف لیگنین تشدید شده ‌است. علاوه بر این، افزایش زمان پیش‌فرآوری نیز در حذف لیگنین مؤثر است. پیش‌فرآوری با سود منجر به افزایش میزان گلوکان موجود در نمونه‌ها شده است. در حالی که میزان گلوکان برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده 5/35درصد بود، برای نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده بین 4/53 تا 3/43درصد متغیر است. پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد تأثیر چندانی بر میزان زایلان نداشت؛ در حالی که در دمای 100 درجۀ سانتیگراد بخش عمده‌ای از زایلان حذف شد.

 

 

جدول 1- میزان کربوهیدرات‌ها و لیگنین موجود در ساختار  سوبستراهای پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده .

شرایط پیش‌فرآوری

خاکستر (%)

لیگنین (%)

گلوکان (%)

زایلان (%)

بازیابی جامد (%)

دما (˚C)

زمان (دقیقه)

0

10

51/0

6/0±2/19

9/0±3/43

5/0±4/20

9/64

0

30

69/0

9/0±0/19

6/0±8/45

6/0±1/20

7/64

0

60

51/0

5/0±3/18

4/0±5/47

5/0±4/19

2/63

100

10

63/0

8/0±9/16

1/1±3/52

9/0±4/14

7/47

100

30

62/0

1/1±1/16

9/0±4/53

0/1±7/13

4/45

100

60

67/0

4/0±4/15

0/1±8/51

4/0±1/13

7/43

پیش‌فرآوری‌نشده

54/0

0/1±8/21

7/0±5/35

5/0±1/20

-

 


نتایج حاصل از آنالیز FTIR: برای بررسی میزان بلورینگی نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شدۀ کاه گلرنگ و مقایسه با نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده، آنالیز FTIR بر آنها انجام شد. نمودار جذب برحسب عدد طول موج سوبسترای پیش‌فرآوری‌نشده و پیش‌فرآوری‌شده در شرایط بهینۀ تولید بیوگاز و اتانول در شکل 3 آورده شده است. میزان شاخص بلورینگی برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده و پیش‌فرآوری‌شده در دمای صفر و 100 درجۀ سانتیگراد به‌ترتیب 56/1، 43/1 و 54/1 به دست آمد. این مقادیر برای شاخص بلورینگی کل نیز به‌ترتیب 21/1، 20/1 و 18/1 اندازه‌گیری شدند. نتایج نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری قلیایی هر دو شاخص بلورینگی را کاهش داده است که می‌تواند یکی از دلایل مهم در بهبود بازده هیدرولیز آنزیمی و به دنبال آن افزایش بازده تولید اتانول باشد.

 

 

 

شکل 3- نمودار جذب برحسب عدد موج حاصل از آنالیز FTIR نمونه‌های پیش‌فرآوری‌نشده و پیش‌فرآوری‌شده

 


ظرفیت جذب آب: ظرفیت جذب آب نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشدۀ کاه گلرنگ با استفاده از معادلۀ 3 محاسبه شد و نتایج حاصل در شکل 4 ارائه شده است. ظرفیت جذب آب نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده 3/3 گرم آب به‌ازای هر گرم جامد بود که پس از پیش‌فرآوری در دمای 100 درجۀ ‌سانتیگراد و زمان 60 دقیقه به 4/8 گرم آب به‌ازای هر گرم جامد رسید. نتایج نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری سدیم‌هیدروکسید در همۀ موارد به‌طور مؤثری ظرفیت جذب آب را در محدودۀ 5/154درصد تا 6/106درصد افزایش داده است. تحلیل آماری داده‌های جذب آب نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری قلیایی ظرفیت جذب آب نمونه‌های جامد را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده بسیار افزایش داده است؛ اما افزایش دما و زمان پیش‌فرآوری بر ظرفیت جذب آب تأثیر چندانی نداشته است (p < 0.05).

 

 

 

شکل 4- نمودار ظرفیت جذب آب سوبستراهای پیش‌فرآوری‌نشده و پیش‌فرآوری‌شده، حروف مشابه بین پیش‌فرآوری‌ها نشان‌دهندۀ عدم تفاوت معنی‌دار بین میانگین داده‌ها در سطح اطمینان 95درصد است

 


نتایج تولید بیوگاز: میزان تولید متان از نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده پس از 9، 30 و 45 روز هضم بی‌هوازی در دمای 37 درجۀ سانتیگراد در شکل 5 آورده شده است. پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد به‌میزان زیادی تولید متان را افزایش داده است. در بهترین حالت پس از پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد و زمان 60 دقیقه حجم تولید متان به 4/191 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار رسید؛ در حالی که این میزان برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده تنها 9/95 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار بود که افزایش 6/99درصد را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده نشان می‌دهد. درصد افزایش تولید متان نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده در همین دما برای زمان‌های 10 و 30 دقیقه به‌ترتیب 7/66درصد و 4/72درصد گزارش شد. حجم تولید متان در دمای 100 درجۀ سانتیگراد برای زمان 10 دقیقه با افزایش 4/23درصد به 3/118 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار رسید. اما افزایش زمان پیش‌فرآوری در دمای 100 درجۀ سانتیگراد بر میزان تولید متان اثر منفی داشت. در این دما برای زمان‌های 30 و 60 دقیقه پیش‌فرآوری تولید متان به‌ترتیب 6/80 و 0/59 میلی‌لیتر به‌ازای هر گرم جامد فرار به دست آمد که به‌ترتیب کاهش 9/15درصد و 5/38درصد را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده نشان می‌دهد. تحلیل آماری نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد به‌صورت معنی‌داری تولید متان را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری افزایش‌داده است. علاوه بر این، مدت‌زمان پیش‌فرآوری تأثیر زیادی بر بازده تولید متان نداشته است؛ در حالی که افزایش دمای پیش‌فرآوری به‌شدت تولید متان از بخش جامد حاصل از پیش‌فرآوری را کاهش داده است (p < 0.05).

 

 

 

 

شکل 5- نمودار میله‌ای تجمعی میزان تولید متان از کاه گلرنگ الف)  پیش‌فرآوری دمای صفر درجۀ سانتیگراد ب) پیش‌فرآوری دمای 100 درجۀ سانتیگراد، حروف مشابه بین پیش‌فرآوری‌ها نشان‌دهندۀ عدم تفاوت معنی‌دار بین میانگین داده‌ها در سطح اطمینان 95درصد است.

 

 

همچنین نمودار تجمعی تولید متان در طی 45 روز در شکل 6 ارائه شده است. با توجه به شکل 6، پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد در 20 روز نخست اثر چندانی بر افزایش بازده تولید بیوگاز ازکاه گلرنگ نداشته است؛ اما در ادامه موجب افزایش میزان تولید متان از سوبسترا شده است. در دمای 100 درجۀ سانتیگراد برای زمان 10 دقیقه از روز سی‌ام به بعد تولید متان نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده افزایش یافت. علاوه بر این شکل 6 نشان می‌دهد که بعد از روز سی‌ام تولید متان از نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده ناچیز است. مایع حاصل از هر شش پیش‌فرآوری هیچ‌گونه گازی تولید نکرده است.

 

 

 

شکل 6- نمودار تجمعی میزان تولید متان از کاه گلرنگ الف) پیش‌فرآوری دمای صفر درجۀ سانتیگراد ب) پیش‌فرآوری دمای 100 درجۀ سانتیگراد.

 

 


نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی: بازده فرایند هیدرولیز آنزیمی نمونه‌های پیش‌فرآوری نشده و پیش‌فرآوری شده کاه گلرنگ پس از 72 ساعت در دمای 45 درجۀ سانتیگراد با استفاده از معادلۀ 4 (18) محاسبه و در شکل7 آورده شده است.

 بازده گلوکز برای شرایط مختلف پیش‌فرآوری در بازۀ 5/84-1/52درصد  قرار گرفت؛ در حالی که این مقدار برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده تنها 6/20درصد بود. افزایش دما از صفر به 100 درجۀ سانتیگراد بازده گلوکز را به‌صورت مؤثری بهبود بخشید. برای مثال بازده گلوکز برای نمونه‌های کاه پس از پیش‌فرآوری با سود، برای زمان 10 دقیقه در دماهای صفر و 100 درجۀ سانتیگراد به‌ترتیب  1/52درصد و 1/77درصد به دست آمد. با توجه به تحلیل آماری نتایج هیدرولیز آنزیمی می‌توان گفت پیش‌فرآوری با سود بازه گلوکز را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده بسیار افزایش داده است (p < 0.05). اگرچه پیش‌فرآوری در دمای کم منجر به افزایش بازده تولید گلوکز شد، پیش‌فرآوری در دمای زیاد اثر بیشتری در افزایش بازده داشت. همچنین در هر دو دما افزایش زمان پیش‌فرآوری موجب بهبود بازده گلوگز شد (p < 0.05).

تخمیر و هیدرولیز هم‌زمان (SSF): نمونه‌های جامد پیش‌فرآوری‌نشده و پیش‌فرآوری‌شده کاه گلرنگ به‌مدت 72 ساعت تحت فرایند SSF قرار گرفتند. بازده تولید اتانول با استفاده از معادلۀ 5 (18) محاسبه و نتایج آن در جدول 2 ارائه شد.

 

 

(4)

 

(5)

 

 

­

شکل 7- بازده هیدرولیز نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده با سود 8درصد و پیش‌فرآوری‌نشده کاه گلرنگ، پس از 72 ساعت هیدرولیز آنزیمی، حروف مشابه بین پیش‌فرآوری‌ها نشان‌دهندۀ عدم تفاوت معنی‌دار بین میانگین داده‌ها در سطح اطمینان 95درصد است.

 

نتایج نشان می‌دهد که پیش‌فرآوری قلیایی، بازده‌ تولید اتانول را نسبت به نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده بسیار افزایش‌داده است. محدودۀ بازده‌ تولید اتانول برای نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده بین 2/83-4/45درصد متغیر است. بازده تولید اتانول از 8/10درصد برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده، در شرایط بهینۀ پیش‌فرآوری (100 درجۀ سانتیگراد و 60 دقیقه) تا حدود 5/7 برابر(2/83درصد) افزایش یافت. افزایش دمای پیش‌فرآوری از صفر به 100 درجۀ سانتیگراد، منجر به افزایش مؤثر بازده اتانول شده است. این نتایج با داده‌های به‌دست‌آمده از هیدرولیز آنزیمی تطابق خوبی دارد و نمونه‌های با بازده بیشتر تولید گلوکز، بیشترین بازده تولید اتانول را نیز نشان داده‌اند.

 

 

جدول 2- غلظت و بازده اتانول تولیدی پس از 72 ساعت هیدرولیز و تخمیر هم‌زمان نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده کاه گلرنگ.

شرایط پیش‌فرآوری

غلظت اتانول (گرم‌برلیتر)

بازده تئوری (%)

دما (˚C)

زمان (دقیقه)

0

10

23/0±57/5

9/1±4/45

0

30

32/0±33/7

4/2±5/56

0

60

19/0±82/7

4/1±1/58

100

10

42/0±11/10

8/2±2/68

100

30

33/0±92/11

2/2±8/78

100

60

45/0±21/12

1/3±2/83

پیش‌فرآوری‌نشده

13/0±09/1

3/1±8/10

 


بنزین معادل: برای مقایسه بین پیش‌فرآوری‌های مختلف و انتخاب بهترین پیش‌فرآوری، میزان بنزین معادل بیوگاز و بیو اتانول تولیدشده از یک تن کاه گلرنگ با پیش‌فرآوری‌های مختلف محاسبه شد و نتایج در جدول 3 آورده شده است. ارزش حرارتی یک مترمکعب متان 1/36 مگاژول، و ارزش حرارتی یک لیتر اتانول و بنزین به‌ترتیب 2/21 و 32 مگاژول در نظر گرفته شد (19). برای محاسبۀ بنزین معادل دو حالت انتخاب شد:

1-        از جامد حاصل از پیش‌فرآوری برای تولید اتانول استفاده شد.

2-        از جامد حاصل از پیش‌فرآوری برای تولید بیوگاز استفاده شد.

از مایع حاصل از پیش‌فرآوری‌ها نیز برای تولید بیوگاز استفاده شد که هیچ‌گونه گازی تولید نکرد. بیشترین حجم بنزین معادل از یک تن کاه گلرنگ مربوط به حالت 2 و برابر 9/124 لیتر محاسبه شد که پس از پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد و زمان 60 دقیقه به دست آمد. در حالت 1 نیز بیشترین بنزین معادل به‌دست‌آمده مربوط به پیش‌فرآوری در دمای 100 درجۀ سانتیگراد و زمان 30 دقیقه و برابر 9/90 لیتر گزارش شد. در حالت 1 افزایش دمای پیش‌فرآوری موجب افزایش بنزین معادل شد؛ در حالی که در حالت 2 حجم بنزین معادل را به‌شدت کاهش داد. بنزین معادل تولیدشده از نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده در حالت 1 تنها 3/18 لیتر است که از همۀ پیش‌فرآوری‌ها در همین حالت بسیار کمتر است؛ اما حجم بنزین معادل در حالت 2 برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده 8/97 لیتر است که از نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده در دمای 100 درجۀ سانتیگراد بسیار بیشتر است.

 

 

جدول 3- حجم اتانول، متان و بنزین معادل تولیدشده از یک تن کاه گلرنگ اولیه برای نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده و پیش‌فرآوری‌نشده.

شرایط پیش‌فرآوری

اتانول از جامد (لیتر)

متان از جامد (مترمکعب)

بنزین معادل حالت 1 (لیتر)

بنزین معادل حالت 2 (لیتر)

دما (˚C)

زمان (دقیقه)

0

10

6/91

9/94

7/60

0/107

0

30

2/120

2/97

6/79

7/109

0

60

3/125

7/110

0/83

9/124

100

10

2/122

7/50

0/81

2/57

100

30

2/137

4/32

9/90

6/36

100

60

3/135

0/23

6/89

0/26

پیش‌فرآوری‌نشده

7/27

7/86

3/18

8/97

 


بحث و نتیجه‏‏گیری.

نتایج حاصل از تولید بیوگاز نشان‌دهندۀ اثر مطلوب‌تر پیش‌فرآوری در دمای کم و زمان بیشتر (صفر درجۀ سانتیگراد و 60 دقیقه)  نسبت به بهره‌گیری از دمای 100 درجۀ سانتیگراد است. حذف بخش عمده‌ای از همی‌سلولز (جدول 1) می‌تواند علت کاهش بازده متان در دماهای زیاد باشد (20). همی‌سلولز عمدتا از زایلان تشکیل شده است که هضم بی‌هوازی آن به متان ساده‌تر است. با توجه به داده‌های جدول 1، در دمای 100 درجۀ سانتیگراد بخش عمده‌ای از همی‌سلولز حذف می‌شود که با استفاده از آن می‌توان اثر منفی پیش‌فرآوری بر تولید متان در دمای زیاد را توجیه کرد (21). مایع حاصل از هر شش پیش‌فرآوری متان تولید نکرده است. بخش مایع حاصل از پیش‌فرآوری اگرچه با فسفریک‌اسید خنثی شد، همچنان حاوی غلظت زیادی از یون سدیم و سایر بازدارنده‌های تولیدشده در طول پیش‌فرآوری است. اثر سمی یون‌های سدیم برای باکتری‌های موجود در مخلوط میکروبی را می‌توان دلیل تولیدنشدن بیوگاز از بخش مایع دانست. افزایش غلظت یون سدیم، سبب افزایش فشار اسمزی در دیوارۀ سلول میکروارگانیسم‌ها می‌شود که درنهایت منجر به مرگ یا فعالیت‌نداشتن آنها می‌شود (22).

نتایج نشان می‌دهد بر خلاف بیوگاز، افزایش دمای پیش‌فرآوری بازده هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول را به‌میزان زیادی افزایش می‌دهد. نمونه‌های با بیشترین بازده هیدرولیز آنزیمی، بیشترین بازده تولید اتانول را نیز از خود نشان داده‌اند. بیشترین بازده هیدرولیز آنزیمی در دمای 100 درجۀ سانتیگراد و زمان 60 دقیقه به دست آمد. این نتیجه با نتیجه‌ای که صالحیان[xxxvii] و کریمی (6) به دست آوردند مطابقت داشت. عملکرد مناسب پیش‌فرآوری قلیایی در دمای زیاد جهت بهبود هیدرولیز و همچنین افزایش میزان تولید اتانول در پژوهش‌های گذشته نیز دیده شده است (21، 23، 24). پیش‌فرآوری کاه گلرنگ منجر به کاهش کریستالینیتی، افزایش ظرفیت جذب آب، افزایش سطح دردسترس و حذف لیگنین و همی سلولز شده است. ترکیبی از این تغییرات می‌تواند منجر به بهبود بازده‌ هیدرولیز آنزیمی و به دنبال آن افزایش بازده فرایند تخمیر و هیدرولیز هم‌زمان (SSF) شود (23).

در طول پیش‌فرآوری سدیم‌هیدروکسید، یون‌های سدیم به داخل منافذ کوچک سلولز نفوذ می‌کنند که منجر به تغییر ویژگی پلی‌یونیک سوبسترای لیگنوسلولزی می‌شود. یون‌های سدیم موجود در ساختار زیست‌توده به‌عنوان بار متضاد برای یون‌های کربوکسیل[xxxviii] عمل می‌کنند و بهبود در نفوذ و جذب آب  به ساختار ترکیبات لیگنوسلولزی را به دنبال دارد. بنابراین سطح ویژه افزایش می‌یابد و دسترسی میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌ها به کربوهیدرات‌ها را تسهیل می‌کند که بهبود بازده فرایندهای هضم بی‌هوازی و هیدرولیز آنزیمی را به دنبال دارد. افزایش ظرفیت جذب آب نمونه‌های پیش‌فرآوری‌شده، این مطلب را تأیید می‌کند (7).

در حالت 1 (تولید اتانول از بخش جامد)،  حجم بنزین معادل با افزایش دما افزایش یافت؛ در حالی که در حالت 2 (تولید بیوگاز از بخش جامد) میزان بنزین معادل کاهش یافت. این روند مشابه روند تولید اتانول و بیوگاز است که به‌ترتیب در جدول 2 و شکل 5 ارائه شده است.

بازده تولید اتانول و بیوگاز از کاه گیاه گلرنگ با استفاده از پیش‌فرآوری قلیایی به‌میزان زیادی بهبود یافت که میزان این بهبود در زمینۀ تولید اتانول بیشتر بود. در حالی که بازده تولید اتانول از کاه پیش‌فرآوری‌نشده تنها 8/10درصد بود، پس از پیش‌فرآوری با افزایش حدود 5/7 برابری به 2/83درصد افزایش یافت. بازده تولید بیوگاز نیز از 9/95 میلی‌لیتر به‌ازای یک گرم جامد فرار برای نمونۀ پیش‌فرآوری‌نشده، در بهترین حالت به 4/191 میلی‌لیتر رسید که افزایش 6/99درصد را نشان می‌دهد. به‌طور کلی بازده تولید اتانول و بیوگاز به‌ترتیب در دمای زیاد (100 درجۀ سانتیگراد) و کم (صفر درجۀ سانتیگراد) به بیشترین میزان خود رسید. حجم بیشینۀ بنزین معادل نیز در حالت 2 و برای پیش‌فرآوری در دمای صفر درجۀ سانتیگراد و زمان 60 دقیقه به‌میزان 9/124 لیتر به دست آمد؛ در حالی که در حالت 1 این میزان 9/90 لیتر بود. میزان بنزین معادل برای کاه پیش‌فرآوری‌نشده در حالت 1 و 2 به‌ترتیب 1/18 و 8/97 لیتر گزارش شد. با توجه به نوع سوخت موردنیاز ( بیوگاز یا اتانول) و ارزیابی اقتصادی هر دو حالت می‌توان پیش‌فرآوری مناسب برای تولید سوخت زیستی از کاه گلرنگ را انتخاب کرد.



[1]- Biogas

[2]- Lignocellulose

[3]- Cellulose

[4]- Hemicellulose

[5]- Lignin

[6]- Anaerobic Digestion

[7]- Simultaneous Saccharification and Fermentation

[8]- Enzymatic hydrolysis

[9]- Crystallinity

[10]- Ester bonds

[11]- Solubilized monomers or short chain carbohydrates

[12]- Microorganism

[13]- Saccharomyces cerevisiae

[14]- Freeze dryer

[15]- Hansen

[16]- Inoculum

[17]- Anaerobic

[18]- Incubator

[19]- Novozymes

[20]- Adney and Baker

[21]- Karimi

[22]- Culture Collection of Gothenburg University

[23]- Water Swelling Capacity

[24]- Shafiei

[25]- Total Solid (TS)

[26]- Volatile Solid (VS)

[27]- Sluiter

[28]- Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass

[29]- Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)

[30]- Crystallinity index (CI)

[31]- Total crystallinity index (TCI)

[32]- Gas Cromatography

[33]- High Performance Liquid Chromatography (HPLC)

[34]- Refractive Index

[35]- Glucose

[36]- Xylose

[xxxvii]- Salehian

[xxxviii]- Carboxylate ions

(1)              Gupta A., Verma JP. Sustainable bio-ethanol production from agro-residues: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2015; 41: 550-67.

(2)              Ostovareh S., Karimi K., Zamani A. Efficient conversion of sweet sorghum stalks to biogas and ethanol using organosolv pretreatment. Industrial Crops and Products 2015; 66: 170-7.

(3)              Guo M., Song W., Buhain J. Bioenergy and biofuels: History, status, and perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2015; 42: 712-25. 

(4)              Mood SH., Golfeshan AH., Tabatabaei M., Jouzani GS., Najafi GH., Gholami M., et al. Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2013; 27: 77-93.

(5)              Kumar P., Barrett DM., Delwiche MJ., Stroeve P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Industrial & Engineering Chemistry Research 2009; 48(8): 3713-29.

(6)              Salehian P., Karimi K. Alkali pretreatment for improvement of biogas and ethanol production from different waste parts of pine tree. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013; 52(2): 972-8.

(7)              Karimi K., Shafiei M., Kumar R. Progress in physical and chemical pretreatment of lignocellulosic biomass. In: Gupta VK., Tuohy MG., editors. Biofuel technologies: recent developments. Berlin Heidelberg, Springer; 2013: 53-96.

(8)              Mirahmadi K., Kabir MM., Jeihanipour A., Karimi K., Taherzadeh M. Alkaline pretreatment of spruce and birch to improve bioethanol and biogas production. BioResources 2010; 5(2): 928-38.

(9)              Talebnia F. Bioethanol from Lignocellulosic wastes: current status and future prospects. In: Karimi K., editor. Lignocellulose-Based Bioproducts. Switzerland; Springer; 2015: 175-206.

(10)          Zamani A. Introduction to lignocellulose-based products. In: Karimi K., editor. Lignocellulose-based bioproducts. Switzerland; Springer; 2015: 1-36.

(11)          Hansen TL., Schmidt JE., Angelidaki I., Marca E., la Cour Jansen J., Mosbæk H., et al. Method for determination of methane potentials of solid organic waste. Waste Management 2004; 24(4): 393-400.

(12)          Adney B., Baker J. Measurement of cellulase activities. Laboratory analytical procedure, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, NREL/TP-510-42628 1996; 1-6.

(13)          Karimi K., Emtiazi G., Taherzadeh MJ. Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial Technology 2006; 40(1): 138-44.

(14)          Shafiei M., Karimi K., Zilouei H., Taherzadeh MJ. Enhanced ethanol and biogas production from pinewood by NMMO pretreatment and detailed biomass analysis. BioMed Research International 2014; 2014: 1-10.

(15)          Sluiter A., Hames B., Hyman D., Payne C., Ruiz R., Scarlata C., et al. Determination of total solids in biomass and total dissolved solids in liquid process samples. National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, NREL/TP-510-42621 2008; 1-6.

(16)          Sluiter A., Hames B., Ruiz R., Scarlata C., Sluiter J., Templeton D., et al. Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass. National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, NREL/TP-510-42618 2008; 1-14.

(17)          Colom X., Carrillo F., Nogués F., Garriga P. Structural analysis of photodegraded wood by means of FTIR spectroscopy. Polymer Degradation and Stability 2003; 80(3): 543-9.

(18)          Poornejad N., Karimi K., Behzad T. Improvement of saccharification and ethanol production from rice straw by NMMO and [BMIM][OAc] pretreatments. Industrial Crops and Products 2013; 41: 408-13.

(19)          Shafiei M., Karimi K., Zilouei H., Taherzadeh MJ. Economic impact of NMMO pretreatment on ethanol and biogas production from pinewood. BioMed Research International 2014; 2014: 1-13.

(20)          Mirmohamadsadeghi S., Karimi K., Zamani A., Amiri H., Horváth IS. Enhanced solid-state biogas production from lignocellulosic biomass by organosolv pretreatment. BioMed research international 2014; 2014: 1-6.

(21)          Bateni H., Karimi K., Zamani A., Benakashani F. Castor plant for biodiesel, biogas, and ethanol production with a biorefinery processing perspective. Applied Energy 2014; 136: 14-22.

(22)          Deublein D., Steinhauser A. Biogas from waste and renewable resources: an introduction: John Wiley & Sons; 2011.

(23)          Salehi SA., Karimi K., Behzad T., Poornejad N. Efficient conversion of rice straw to bioethanol using sodium carbonate pretreatment. Energy & Fuels 2012; 26(12): 7354-61.

(24)          Jeihanipour A., Taherzadeh MJ. Ethanol production from cotton-based waste textiles. Bioresource technology 2009; 100(2): 1007-10.