توصيفگر ها :
كاه گندم , ليگنين , اتانول , فيلم زيست تخريب پذير , خواص مكانيكي
چكيده فارسي :
در اين رساله براي بهبود اقتصادي فرآيند توليد اتانول زيستي و ارزش افزوده ضايعات باقي مانده، جامدات غني از ليگنين حاصل از مايع پيش فرآوري و جامدات باقي¬مانده از آبكافت آنزيمي جدا شدند و براي تقويت فيلم زيست تخريب پذير نشاسته به كار گرفته شدند. براي اين منظور، كاه گندم طي چهار پيش فرآوري مختلف رايج ( قليايي با هيدروكسيد سديم 8 درصد وزني/ حجمي، قليايي با محلول كربنات سديم 5/0 مولار، اسيد سولفوريك 5/0 درصد وزني/ وزني، و اتانول 50 درصد حجمي/حجمي) آماده مرحله آبكافت آنزيمي و در نهايت اتانول توليد شد. در ميان پيش فرآوري¬هاي انجام شده، پيش فرآوري با اسيد سولفوريك در جهت حذف همي¬سلولز كاه گندم (7/81 درصد) و پيش فرآوري با هيدروكسيد سديم (7/73 درصد) در جهت كاهش ليگنين كاه گندم نسبت به ساير پيش فرآوري¬ها موفّق¬تر عمل كردند. بيشترين و كمترين بازده توليد اتانول به ترتيب براي پيش فرآوري با اسيد سولفوريك ( 83 درصد) و با محلول اتانول (37 درصد) بدست آمد. بيشترين ميزان ليگنين استخراج شده (حدوداً 86 درصد ليگنين كاه گندم) از مايع پيش فرآوري با هيدروكسيد سديم حاصل شد كه با آزمون¬هاي شيميايي، آناليز عنصري، DLS، FE-SEM، FTIR، H-NMR،DSC و TGA مشخصّه يابي شد. خلوص ليگنين استخراج شده از مايع 88 درصد بدست آمد و ساختار دايره اي شكل و نانو بودن ابعاد آن (160 نانومتر) با تصاوير FE-SEM و آزمون DLS مشخّص شد. در ادامه براي تهيّه فيلم زيست تخريب پذير، مخلوطي از نشاسته، گلسيرول و ليگنين ( از 0 تا 30 درصد وزني) به روش قالب¬گيري محلول آماده شد. سپس ويژگي-هاي كامپوزيت نشاسته- ليگنين به كمك آزمون¬هاي مكانيكي، تعيين بلورينگي، FE-SEM، آزمون حرارتي، آبدوستي، تراوش پذيري و رنگ سنجي تعيين شد. بر اساس نتايج، با اضافه كردن 20 درصد وزني از ليگنين استخراج شده، استحكام كششي و مدول الاستيسيته فيلم نشاسته به ترتيب تقريباً 67 و 167 درصد افزايش يافت. ميزان بلورينگي كامپوزيت نشاسته- ليگنين (20 درصد وزني) نيز 67 درصد افزايش پيدا كرد. مقاومت حرارتي و آبدوستي فيلم نشاسته در حضور ليگنين نيز افزايش داشت و تراوش پذيري نسبت به بخار آب و گاز اكسيژن به ترتيت 50 و 58 درصد كاهش يافت. محصولات جانبي ديگر فرآيند توليد اتانول زيستي، زيست توده¬هاي باقي¬مانده از آبكافت آنزيمي جامدات پيش فرآوري شده با محلول كربنات سديم (Al-ERS)، محلول رقيق اسيد سولفوريك (DA-ERS) و محلول اتانول (Or-ERS) بودند كه با آسياب گلوله¬اي تحت فرآوري مكانيكي قرار گرفتند. سپس از جامدات آسياب شده در تهيّه فيلم نشاسته در نسبت¬هاي 3، 5، 10 و 15 درصد وزني استفاده شد. از ميان كامپوزيت¬هاي ساخته شده، كامپوزيت نشاسته- Al-ERS (10 درصد وزني) بيشترين مقدار را براي مدول الاستيسيته (3/2 مگاپاسكال) و استحكام كششي (9/7 مگاپاسكال) نشان داد. زاويه تماس كامپوزيت نشاسته با افزودن Al-ERS (10 درصد وزني) حدوداً از 76 به 94 درجه رسيد. و تراوش پذيري نسبت به بخار آب و گاز اكسيژن به ترتيت 35 و 43 درصد كاهش يافت. بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه استفاده از محصول جانبي ليگنين در بهبود ويژگي¬هاي كامپوزيت زيست تخريب پذير، مي‌تواند به عنوان يك مرحله اميدواركننده در پايداري و كاهش قيمت نهايي محصولات نسل دوم سوخت زيستي اتانول باشد.
چكيده انگليسي :
In this dissertation, to economically improve the bioethanol production process and valorize residual waste, the lignin-rich solid waste particles were isolated from the pretreatment waste liquid and the remaining solids from the enzymatic hydrolysis step, and subsequently employed to reinforce starch-based biodegradable films. For this purpose, wheat straw was initially pretreated in four different common treatment conditions (sodium hydroxide (8 wt./vol. %), sodium carbonate (0.5 M), sulfuric acid (0.5 wt.%), and ethanol (50 wt./vol. %) and then employed for enzymatic hydrolysis step followed by ethanol production process. Among the pretreatments performed, the highest amount of hemicellulose and lignin removal were most successfully achieved to be 81.7 and 73.3 %, respectively, by sulfuric acid and sodium hydroxide pretreatments. The highest and lowest ethanol production yields were obtained by sulfuric acid (83%) and ethanol solution (37%) pretreatments, respectively. The highest amount of extracted lignin (approximately 86% of wheat straw lignin) was obtained from sodium hydroxide pretreatment and characterized by DLS, FE-SEM, FTIR, H-NMR, DSC, and TGA. The purity of the lignin extracted from the liquid was 88% and its spherical structure and nano-dimensions (160 nm) were determined by FE-SEM and DLS analyses. Then, to prepare a biodegradable film, a blend of starch, glycerol, and isolated lignin (from 0 to 30 wt.% ) was prepared by solution molding. The physical, mechanical, morphological, and thermal properties of starch-lignin composites were characterized by According to the results, by adding 20 wt. % of the extracted lignin, the tensile strength and modulus of elasticity of the starch film were approximately increased by 67 and 167 %, respectively. The crystallinity of starch-lignin composite (20 wt.% ) was also enhanced by 67%. Although the thermal resistance and hydrophilicity of the starch film were improved in the presence of lignin, the permeability to water vapor and oxygen gas was decreased by 50 and 58%, respectively. In addition, the other biomass left over from the enzymatic hydrolysis of solids pretreated by sodium carbonate solution (Al-ERS), dilute sulfuric acid solution (DA-ERS), and ethanol solution (Or-ERS) in the bioethanol production process were mechanically grounded by a ball mill. Then, starch films were reinforced by grinded solids in the ratios of 3, 5, 10, and 15 wt.%. Starch-Al-ERS composite (10 wt.%) showed the highest value for modulus of elasticity (2.3 MPa) and tensile strength (7.9 MPa) compared to other composites. The contact angle of the starch composite with the addition of Al-ERS (10 wt.% ) was increased from 76 to 94 degrees. The permeability of water vapor and oxygen gas were declined by 35 and 43%, respectively. Therefore, it can be concluded from the results, that the use of lignin by-product in improving the properties of biodegradable composite films, can be a promising step in the stability and reduction of the final price of the second generation of ethanol biofuel products.
