بهبود تولید اتانول زیستی از مواد زائد لیگنوسلولزی با استفاده از پیش فرآوری هضم بی هوازی

تبدیل مقادیر زیادی از زیست توده های لیگنوسلولزی به سوخت زیستی و جایگزین کردن آن ها با سوخت های فسیلی روشی مناسب برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است. اتانول سلولزی و اتانولی که از سایر منابع زیستی تولید می شود، می تواند میزان نشر گازهای گلخانه ای را تا 86 درصد کاهش دهد. نمونه هایی از مواد لیگنوسلولزی تجدید پذیر بقایای محصولات کشاورزی (کاه گندم و برنج، تفاله نیشکر، علوفه ذرت)، مواد زائد جنگلی (چوب های سخت و نرم) و پسماندهای ناشی از هرس کردن درختان (شاخه های نازک و سر شاخه ها) است. سالیانه در جهان تقریباً 9/73 میلیون تن از این مواد تولید می شود که منبع مناسبی برای تولید اتانول است. این پسماندها غالباً در محیط رها می شوند و مشکلات فراوانی را برای صنایع محلی کشاورزی ایجاد می کنند. درحالی که پتانسیل بالایی برای تولید محصول های مختلف نظیر زایلیتول، زایلوز، گلوکز، فورفورال، انواع سوخت ها، الیاف زیستی، خوراک دام، خمیر زیستی و نیز آنزیم ها دارند. در این تحقیق از چوب کاج، چوب چنار و کاه برنج به عنوان سوبسترا برای تولید بیوگاز و اتانول استفاده شد. برای مهیاکردن شرایط و افزایش سطح در دسترس در مرحله آبکافت آنزیمی از هضم بی هوازی در مرحله پیش فرآوری استفاده شد. پس از پیش فرآوری سوبسترا در شرایط مختلف، آبکافت آنزیمی و سپس تخمیر انجام شد. تغییرات ایجادشده در ساختار سوبسترا در اثر پیش فرآوری، با آزمون های ftir و تعیین کربوهیدرات ها و لیگنین بررسی شد. بر اساس آنالیز انجام شده توسط روش nrel ترکیب درصد کاه برنج استفاده شده عبارت بود از: گلوکان 7/39%، زایلان 7/21%، لیگنین 0/18% و مابقی جامد که شامل سایر کربوهیدرات ها، پروتئین، مواد استخراجی و خاکستر می شود. مقادیر گلوکان، زایلان و لیگنین چوب چنار و چوب کاج نیز به ترتیب برابر با 7/45، 4/18، 8/20 و 1/44، 4/8، 2/23 بود. پیش فرآوری زیستی انجام شده به روش هضم بی هوازی باعث کاهش چشمگیر محتوای همی سلولز موجود در نمونه ها و کاهش اندکی در میزان سلولز شد. میزان اتلاف کربوهیدرات ها در مورد نمونه کاه برنج بیش تر از نمونه های چوب چنار و کاج بود. نتایج حاصل از آبکافت آنزیمی نشان داد که بازده نهایی آبکافت بر اثر پیش فرآوری زیستی به خصوص برای کاه برنج به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. البته بازده پایین آبکافت مربوط به چوب کاج پیش فرآوری شده نشان دهنده میزان تبدیل پایین گلوکان موجود در چوب نرم به گلوکز بود. نتایج حاصل از آبکافت آنزیمی همچنین بیان گر حذف بخش زیادی از همی سلولز موجود در کاه برنج و چوب چنار بود. نتایج مربوط به فرآیند تخمیر نشان داد که پیش فرآوری زیستی انجام شده توانسته است تولید اتانول از نمونه ها را بهبود بخشد. بازده تولید اتانول برای کاه پیش فرآوری نشده 9/43% بود درحالی که برای کاه پیش فرآوری شده بازده اتانول تا حدود 70% افزایش یافت. برای چوب چنار و کاج پیش فرآوری شده بازده اتانول به ترتیب برابر با 7/38% و 6/30% بوده است که هر یک نسبت به نمونه پیش فرآوری نشده خود 34% و 50% افزایش در میزان بازده را داشتند. با بررسی عکس های sem تهیه شده از نمونه ها مشخص شد بر اثر پیش فرآوری زیستی با مخلوط میکروبی بافت همی سلولزی ماده لیگنوسلولزی به نحو مؤثری تخریب می شود و سطح در دسترس سلولز برای آبکافت آنزیمی و در نهایت بازده آبکافت و تخمیر افزایش می یابد. از میان سه نوع ماده لیگنوسلولزی بیش ترین میزان تخریب بر اثر پیش فرآوری در نمونه کاه برنج مشاهده شد. آنالیز ftir نمونه ها نشان دهنده افزایش شاخص بلورینگی نمونه ها بر اثر پیش فرآوری بود. علت این پدیده حذف همی سلولز و بخش های نامنظم سلولزی از ساختار سوبسترا بود.