توصيفگر ها :
بيوهيدروژن , كاه برنج , نانوسيليكا , تخمير تاريك
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Population increment, climatic pattern alteration and energy resources reduction are caused to increase industries focus on production and development of clean energy. Biofuels like biohydrogen with high energy and calorific value are suitable alternatives to fossil fuels. Agricultural waste is one of the lignocellulosic sources, which are produced annually in high volume all over the world and can be used as a substrate for biofuels. In this research, the effect of nanosilica to improve dark fermentation and hydrogen production was investigated. For this purpose, rice straw was used as raw material in the production of biohydrogen and silica. Rice straw was pretreated by organosolv, sulfuric acid, sodium hydroxide, sodium carbonate, sulfuric acid-sodium hydroxide, and organosolv-sodium hydroxide. After pretreatment, solid and liquid were separated and solid residue had been converted into monomeric sugars by enzymatic hydrolysis. Dark fermentation process was carried out in the presence of Enterobacter aerogenes and using the hydrolysis liquid as a carbon source. Three silica samples were extracted from sodium hydroxide, organosolv-sodium hydroxide, and sulfuric acid-sodium hydroxide pretreated liquid and XRF, XRD and SEM tests was performed on each sample. Sulfuric acid-sodium hydroxide pretreatment had the most silica recovery (73.3 percent) and silica extracted from organosolv-sodium hydroxide was the purest one (98.9 percent). XRD result showed that silica particles have crystal form. The average crystal size of particles was in accordance to particle size, it means that they had single crystal structure. The average particle size of 49.8, 65.9, and 79.3 nm was measured for extracted silica from sodium hydroxide, organosolv-sodium hydroxide, and sulfuric acid-sodium hydroxide pretreatment liquid, respectively. The highest hydrogen production (120.8 ml) and hydrogen efficiency (1.6 mol H2/mol glucose) was related to organosolv-sodium hydroxide pretreated sample. The results of the fermentation liquid analysis showed that acetic acid and ethanol were the two main products of fermentation, and in samples with higher glucose concentration, the metabolic pathway was inclined to propionic acid production, and the yield of hydrogen was reduced. Addition of 200 mg/l extracted silica from sodium hydroxide and organosolv-sodium hydroxide pretreatment liquid in the medium, was caused to increase acetic acid and reduce ethanol production and therefore leading to increase hydrogen efficiency to 1.8 and 1.7 mol H2/mol glucose, respectively. Compared to hydrogen production in the absence of nanosilica, hydrogen efficiency had increased by 12.5 and 5.8% respectively. The effect of extracted silica from sodium hydroxide pretreatment liquid on biohydrogen efficiency, beside its small particle size, was because of partial presence of ferric (III) oxide in impurity of sample that acted as a cofactor of the hydrogenase enzyme. The results of nanosilica in higher concentration, had showed inhibition and reduction of hydrogen production, which was related to nanoparticles effect on cell wall. Generally, addition of nanosilica in suitable concentration had improved biohydrogen efficiency. Smaller particle size had more surface area that had increased electron transfer rate between nanoparticles and hydrogenase enzyme to improve biohydrogen production.
