بهبود راندمان تولید هیدروژن از کاه برنج با پیش فرآوری ترکیبی شیمیایی

لیگنوسلولزها، بیوپلیمرهایی ارزان و قابل دسترس در جهان می باشند که به عنوان مهمترین منبع تولید انرژی طی فرآیندهای بیولوژیکی مورد توجه قرار گرفته اند. کاه برنج یکی از فراوان ترین لیگنوسلولزهای بازمانده از محصولات کشاورزی در جهان و به خصوص کشورهای آسیایی می باشد. مشکل استفاده از کاه برنج، همانند سایر لیگنوسلولزها، استحکام و مقاومت بالای آن در برابر حملات آنزیمی و باکتریایی می باشد که جهت رفع آن می بایست تحت عملیات پیش فرآوری قرار گیرد. در این تحقیق، پتانسیل کاه برنج به عنوان سوبسترایی ارزان، فراوان و قابل دسترس جهت تولید هیدروژن طی فرآیند هضم بی هوازی به کمک لجن فاضلاب شهری به عنوان مایع تلقیح، بررسی گردید. پیش فرآوری لجن بی هوازی به روش شوک گرمایی، در دمای c?85 به مدت 45 دقیقه، برای افزایش تولید هیدروژن با غیرفعال نمودن باکتری های غیراسپورزای مصرف کننده ی هیدروژن و انتخاب گونه های اسپورزای مولد هیدروژن انجام گرفت. آزمایشات در مقیاس آزمایشگاهی درون رآکتورهایی با حجم 118 میلی لیتر به صورت ناپیوسته انجام شد. عملیات هضم بی هوازی در شرایط دمایی مزوفیل انجام شده و جهت آنالیز گاز تولیدشده از دستگاه کروماتوگرافی گاز استفاده شد. عملیات انجام شده جهت پیش فرآوری کاه برنج، شامل دو مرحله ی شیمیایی به کمک محلول آمونیاک و اسیدفسفریک رقیق در دمای بالا، به منظور افزایش تبدیل بیولوژیکی کاه بود. مرحله ی اول شامل حرارت دادن کاه برنج در محلول آمونیاک 10% (وزنی/وزنی) در مدت زمان 30 و 60 دقیقه در دمای 90، 120 و c?150 جهت حذف لیگنین بوده و تأثیر افزایش زمان بر میزان حذف لیگنین طی پیش فرآوری بازی در سه دمای ذکر شده بررسی شد. بهترین نتیجه در دمای c?120 و مدت زمان پیش فرآوری 60 دقیقه با 1/33% حذف لیگنین مشاهده شد. مرحله ی دوم هیدرولیز همی سلولز و کاهش درجه ی کریستالی سلولز با استفاده از محلول اسیدفسفریک رقیق (5/0% و 3% وزنی/وزنی) در دمای c?121 به مدت 60 دقیقه بود. افزایش غلظت اسید از 5/0% به 3% منجر به افزایش میزان قند در فاز مایع به دست آمده از روش ترکیبی شده، که به عنوان یک منبع کربنی قابل تخمیر برای رشد ابتدایی باکتری ها جهت تولید هیدروژن مناسب بود. نتایج آزمایشات نشان داد که پیش فرآوری ترکیبی نسبت به حالتی که تنها از آمونیاک استفاده شد، به طور موثرتری هضم پذیری کاه برنج را جهت فرآیند هضم بی هوازی افزایش داد. پیش فرآوری تک مرحله ای و ترکیبی بازده ی تولید هیدروژن را به ترتیب 4/52% و 2/82% نسبت به حالت پیش فرآوری نشده افزایش داد. تصویربرداری sem جهت بررسی تغییرات مورفولوژیکی ساختار کاه برنج پیش فرآوری نشده و بهترین نمونه ی پیش فرآوری شده ی بازی و ترکیبی انجام شد. تصاویر به دست آمده نشان دهنده ی ایجاد تغییرات زیاد در دیواره ی سلولی و به هم ریختن ساختار منظم کاه برنج پس از پیش فرآوری بود. هم چنین، آنالیز ftir جهت مشخص نمودن ساختار فیزیکی و تغییرات ایجادشده بر گروه های عاملی کاه برنج پیش فرآوری نشده و نمونه های حاصل از پیش فرآوری موثرتر بازی و ترکیبی انجام گرفت. این آنالیز نشان داد که شاخص کریستالی کاه برنج پیش فرآوری نشده، کاه برنج پیش فرآوری شده ی بازی و پیش فرآوری شده ی ترکیبی به ترتیب برابر 48/0، 42/0 و 40/0 بوده که نشان دهنده ی کاهش این شاخص پس از پیش فرآوری در مقایسه با نمونه ی پیش فرآوری نشده، و در نتیجه افزایش قابلیت دسترسی به سلولز و به تبع آن افزایش هضم پذیری کاه طی فرآیند هضم بی هوازی بود.