توصيفگر ها :
سوكسينيك اسيد , كاه برنج , اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز , خيساب ذرت , ويناس , اتوليز , ارزيابي فني-اقتصادي
چكيده فارسي :
هدف اين پژوهش توليد سوكسينيك اسيد به روش زيستي با استفاده از باكتري اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز و خوراك هيدروليزيت كاه برنج است. ابتدا كاه برنج تحت 4 حالت مختلف پيش‌فرآوري شامل سديم هيدروكسيد %2 در دماي 180 و 90 درجه سانتي‌گراد، حلال‌آلي اتانول %75 در دماي 180 درجه سانتي‌گراد و حلال‌آلي اتانول %75 همراه با سديم هيدروكسيد %2 به‌عنوان كاتاليست در دماي 180 درجه سانتي‌گراد قرار گرفت. سپس جامد و مايع از هم جدا شده و جامد پيش‌فرآوري شده تحت هيدروليز آنزيمي قرار گرفت و نهايتاً از هيدروليزيت مايع به‌عنوان منبع كربن جهت تخمير سوكسينيك اسيد توسط باكتري اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز استفاده شد. در بين روش‌هاي پيش‌فرآوري انجام شده، بيشترين غلظت قند از هيدروليزيت نمونه‌ي سديم هيدروكسيد %2 در دماي 180 درجه سانتي‌گراد به دست آمد كه شامل 16/1±04/40 گرم بر ليتر گلوكز و 44/0±64/6 گرم بر ليتر زايلوز بود. از تخمير اين نمونه 87/0±97/29 گرم بر ليتر سوكسينيك اسيد به دست آمد. در ادامه‌ي پژوهش با توجه به بالا بودن بازده هيدروليز آنزيمي براي نمونه‌ي سديم هيدروكسيد %2 در دماي 90 درجه سانتي‌گراد و كم‌تر بودن مصرف انرژي اين روش به‌عنوان منبع كربن انتخاب شد. با هدف استفاده از محصولات جانبي فرآيندهاي صنعتي مانند خيساب ذرت و ويناس به‌عنوان جايگزين عصاره مخمر و مواد مغذي، مقدار عصاره مخمر از 15 گرم بر ليتر تا 5/2 گرم بر ليتر كاهش يافت. با كاهش عصاره مخمر از 15 گرم بر ليتر به 5 گرم بر ليتر، 6/0± 9/20 گرم بر ليتر سوكسينيك اسيد توليد شد درحالي‌كه استفاده از 10 گرم بر ليتر ويناس همراه با 5 گرم بر ليتر عصاره مخمر منجر به توليد 35/0± 21/28 گرم بر ليتر سوكسينيك اسيد شد كه نشان‌دهنده‌ي امكان‌پذيري كاهش عصاره مخمر و جايگزيني آن با ويناس بود.
اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز توسط دو بستر سنگ‌لاوا و بيوچار كاه برنج تثبيت و در راكتورهاي بيوفيلمي تخمير ناپيوسته متوالي انجام شد. تأمين نامناسب دي‌اكسيد‌كربن موردنياز براي تخمير در فاز گاز منجر به تغيير متابوليسم كربن از شاخه C4 به شاخه C3 شد كه باعث كاهش توليد سوكسينات و افزايش توليد لاكتات شد. در اين حالت 8 تخمير ناپيوسته متوالي انجام شد كه در تخمير اول مقدار 96/34 گرم بر ليتر لاكتيك اسيد با بازده 87/0 و بهره‌وري 67/0 گرم بر ليتر در ساعت براي بستر سنگ‌لاوا و 47/38 گرم بر ليتر با بازده و بهره‌وري 96/0 گرم بر ليتر در ساعت براي بستر بيوچار به دست آمد. از تخمير دوم به بعد، بازده و بهره‌وري لاكتيك اسيد براي بستر سنگ‌لاوا با افزايش همراه بود درحالي‌كه اين مقادير براي بيوچار كاهش يافت. در تخمير ناپيوسته مرحله ششم براي بستر سنگ‌لاوا، بهره‌وري توليد لاكتيك اسيد به 62/1 گرم بر ليتر در ساعت رسيد. زمان تخمير از 52 ساعت به 24 ساعت براي مرحله ششم و 20 ساعت براي مرحله هشتم كاهش پيدا كرد كه نشان‌دهنده‌ي مناسب‌تر بودن بستر سنگ‌لاوا براي تخميرهاي ناپيوسته متوالي است. در ادامه بايومس به دست آمده از تخمير تحت فرآيند اتوليز قرار گرفت و تأثير افزودن آن به محيط تخمير و جايگزيني آن با عصاره مخمر و تركيبات معدني بررسي شد. نتايج نشان داد كه اتوليزيت قابليت جايگزيني با عصاره مخمر را دارد؛ به‌طوري‌كه با استفاده از %10 (حجمي/حجمي) اتوليزيت 69/1±73/23 گرم بر ليتر سوكسينيك اسيد توليد شد و با استفاده از %15 اتوليزيت به همراه 3 گرم بر ليتر عصاره مخمر، 59/1±33/29 گرم بر ليتر سوكسينيك توليد شد. در ادامه امكان‌پذيري اقتصادي توليد سوكسينيك اسيد بر اساس داده‌هاي به‌دست‌آمده از نتايج تجربي با نرم‌افزار سوپر پرو مورد ارزيابي قرار گرفت. شبيه‌سازي اين فرآيند بر اساس 10 تن بر ساعت ورودي كاه برنج انجام شد. كل سرمايه‌گذاري براي توليد 8/3 تن در ساعت سوكسينيك اسيد، 102905000 دلار در سال با مجموع درآمد سالانه 108351000 دلار برآورد شد. درآمد حاصل از سوكسينيك اسيد توليد شده، معادل 963452894 دلار در سال است. بازگشت سرمايه، دوره بازگشت سرمايه و نرخ بازگشت داخلي پروژه به ترتيب 66/22 درصد، 41/4 سال و 33/26 درصد تخمين زده شد.
چكيده انگليسي :
The aim of this study is to produce succinic acid using rice straw hydrolysate as the feedstock. Initially, rice straw was subjected to four different pretreatment conditions including 2% sodium hydroxide at 180 and 90°C, 75% ethanol at 180°C, and 75% ethanol combined with 2% sodium hydroxide as a catalyst at 180°C, aimed at eliminating lignin and structural ash. Subsequently, the pretreated solids underwent enzymatic hydrolysis and the obtained hydrolysate was utilized for succinic acid fermentation by Actinobacillus succinogenes. The highest sugar concentration, 40.04±1.16 g/L glucose and 6.64±0.44 g/L xylose, was obtained from the hydrolysate of the 2% sodium hydroxide pretreated sample at 180°C, yielding 29.97±0.87 g/L of succinic acid. Considering the high enzymatic hydrolysis efficiency and the lower operational temperature for the pretreated sample at 90°C, the hydrolysate of this method was chosen as the carbon source. The substitution of yeast extract with industrial by-products such as corn steep liquor and vinasse as nitrogen sources and nutrients was investigated. Reducing yeast extract to 5 g/L increased succinic acid production to 20.9±0.6 g/L, while combining 10 g/L vinasse with 5 g/L yeast extract resulted in 28.21±0.35 g/L succinic acid indicating the potential for reducing yeast extract and replacing it with vinasse.
Actinobacillus succinogenes was immobilized using two different carries including lava rock and rice straw biochar. Supplying the required carbon dioxide in the gas phase resulted in a shift in carbon metabolism from the C4 to the C3 branch, leading to a reduction in succinate production while increasing the lactate concentration. Eight repeated batch fermentations showed that biochar initially produced more lactic acid (38.47 g/L) than lava rock (34.96 g/L). However, the productivity and yield of lactic acid production for lava rock improved over subsequent cycles, reaching 1.67 g/L.h by the sixth batch. The fermentation time decreased from 52 h to 20 h by the 8th batch, demonstrating the suitability of lava rock for repeated batch fermentations. Moreover, the biomass obtained from fermentation was subjected to autolysis. Using 10% (v/v) autolysate resulted in the production of 23.73±1.69 g/L succinic acid, while 15% autolysate combined with 3 g/L yeast extract produced 29.33 ± 1.59 g/L succinic acid.
Moreover, the techno-economic feasibility of the process was evaluated using SuperPro Designer. Based on experimental results, the total investment for producing 3.8 tons of succinic acid per hour is $102,905,000 per year, with an annual revenue of $108,351,000. The project's payback period, return on investment, and internal rate of return were calculated to be 4.1 years, 22.6%, and 33.26%, respectively.
