در این پروژه از بیومس ماکروجلبک نیزیمودنیا زاناردینی، گونه ای ماکروجلبک دریایی قهوه ای برداشت شده از خلیج فارس، برای تولید اتانول، گاز زیستی و آلجینات سدیم استفاده شد. بیومس این جلبک حاوی 5/49 درصد وزنی بر مبنای وزن خشک مواد قابل استخراج با آب و 6/3 درصد وزنی مواد قابل استخراج با اتانول بود. طبق نتایج به دست آمده 5/15 درصد بیومس مانیتول غیر ساختاری بود که به وسیله آب از آن استخراج شد. کربوهیدرات های مورد توجه در این نمونه جلبک، به ترتیب گلوکان با 90 و مانیتول با 21/171 گرم بر کیلوگرم سوبسترای خشک بود. بیومس خشک این ماکروجلبک به ترتیب حاوی 150، 100 و 2/115 گرم بر کیلوگرم اسید آلجنیک ، پروتئین و پتاسیم بود و لازم به ذکر است که نمونه مذکور فاقد نشاسته بود. در ادامه، پیشفرآوری نمونه بروش اسیدی رقیق توسط محلول اسید سولفوریک برای آماده سازی آن جهت تولید اتانول انجام شد. به این منظور تأثیر غلظت سوبسترا، غلظت محلول اسید سولفوریک و زمان پیشفرآوری در مرحله پیشفرآوری در دمای 121 درجه سانتیگراد بررسی شد. کمترین میزان تخریب مونومرهای قندی در مرحله پیشفرآوری در غلظت 5 درصد(وزنی-حجمی) سوبسترا اتفاق افتاد و لذا از این غلظت در ادامه آزمایش-ها استفاده شد. فرآوری توسط اسید 7 درصد(جرمی) و زمان 45 دقیقه به حذف کامل استات موجود در سوبسترا منجر شد. در این شرایط، بازیابی مانیتول7/71 درصد بود و 3/73 درصد آلجنیک اسید و 9/88 درصد گلوکان به صورت پلیمر در جامد حاصل از پیشفرآوری باقی ماند. از سوی دیگر پیشفرآوری منجر به انحلال کامل پروتئین و پتاسیم موجود در نمونه در محلول اسیدی شد. در پیشفرآوری با آب گرم در دمای 121 درجه سانتیگراد بیشترین بازیابی مانیتول(1/74 درصد) در مدت زمان 60 دقیقه بدست آمد. علاوه بر این در این شرایط پیشفرآوری، 100 درصد اسید آلجنیک و 99 درصد گلوکان در جامد حاصل از پیشفرآوری باقی ماند. همانند پیشفرآوری اسیدی، پروتئین موجود در نمونه به طور کامل وارد محلول پیشفرآوری شد. پتاسیم استخراج شده از نمونه در این شرایط برابر 4/98 درصد پتاسیم موجود در نمونه بود. در ادامه از آنزیم های سلولاز و بتاگلوکسیداز برای تولید گلوکز استفاده شد. نتایج نشان دهنده افزایش بازده گلوکز حاصل از هیدرولیز آنزیمی از 8/29 تا 7/72 و 5/82 گرم گلوکز بر کیلوگرم سوبسترای خشک به ترتیب در اثر پیشفرآوری اسیدی و آب گرم بود. محلول قندی به دست آمده از هیدرولیز آنزیمی به وسیله مخمر ساکارومایسیس سرویسیه تخمیر شد. بر اساس نتایج به دست آمده از هر کیلوگرم نیزیمودنیا زاناردینی خشک بعد از پیشفرآوری اسیدی انتخاب شده، 5/30 گرم اتانول و بعد از 60 دقیقه پیشفرآوری با آب گرم، 6/34 گرم اتانول تولید شد. بازده اتانول تولیدی برابر 42/0 گرم اتانول بر گرم گلوکز بدست آمد. از پیشفرآوری با آب گرم به مدت 5 دقیقه در دمای 121 درجه سانتیگراد برای افزایش بازده تولید گاز زیستی استفاده شد و جامد و مایع حاصل از این پیشفرآوری به طور همزمان برای تولید گاز زیستی مورد استفاده قرار گرفتند. بازده متان تولیدی برای نمونه ماکروجلبک دریایی و نمونه پیشفرآوری شده 7/121 و 7/131 میلی لیتر به ازاء هر گرم جامد فرار محاسبه شد و گاز متان به ترتیب 52 و 5/53 درصد از گاز زیستی تولید شده را تشکیل می داد. نتایج نشان دهنده افزایش بازده گاز زیستی و متان تولیدی در اثر این پیشفرآوری به میزان 7 و 2/8 درصد بود.

در این تحقیق برای اولین بار، قابلیت و اثرات جایگزینی عصاره قارچ (مواد ریز مغذی قابل هضم و ضروری تولیدی از فرآیند اتولیز بیومس قارچ موکور) به جای مواد مغذی مورد نیاز (عصاره مخمر و مواد معدنی) برای رشد میکروارگانیسم و تولید بیواتانول مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که عصاره قارچ به تنهایی می تواند جایگزین عصاره مخمر و همه نمکهای معدنی (سولفات منیزیم، دی پتاسیم هیدروژن فسفات، سولفات آمونیوم و کلرید کلسیم) در محیط کشت شود و به عنوان یک ماده غذایی کامل برای میکروارگانیسم برای تولید اتانول با راندمان بالای 47/0 گرم به ازای هر گرم گلوکز در فرآیند تخمیر مورد استفاده قرار گیرد. انجام فرآیند اتولیز در دمای 50 درجه سانتیگراد، ph برابر 5 و غلظت اولیه بیومس 57 گرم بر لیتر منجر به تولید یک منبع غنی از انواع مواد غذایی با ارزش ومهم (عصاره قارچ) می شود. غلظت های آمینو نیتروژن و نیتروژن کل عصاره قارچ تولیدی در این شرایط به ترتیب معادل با غلظت های 1/39 و 4/43 گرم بر لیتر عصاره مخمر در محیط کشت می باشند. همچنین جزء کیتوزان در aim (جامدات غیر قابل حل در سود) مواد سلولی باقیمانده پس از فرآیند اتولیز نسبت به جزء کیتوزان اولیه موجود در aim بیومس قارچ افزایش داشته است که می تواند به عنوان یک محصول با ارزش موردتوجه قرار گیرد. در ادامه این تحقیق، تولید بیواتانول از دانه های گندم به عنوان یک ترکیب نشاسته دار (غلظت های بالای گلوکز) توسط قارچ موکور ایندیکوس با هدف استفاده از عصاره قارچ به عنوان ماده مغذی جایگزین مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که قارچ موکور در غلظت های مختلف گلوکز (100، 150 و 200 گرم بر لیتر) از هیدرولیزیت آرد گندم در حضور عصاره قارچ نسبت به حضور عصاره مخمر، گلوکز را در مدت زمان کمتری (بیش از 4/1 تا 5/2 برابر بسته به غلظت اولیه گلوکز) مصرف می کند و اتانول را با ماکزیمم راندمان بالاتری تولید می کند. همچنین تولید بیواتانول از هیدرولیزیت کاه گندم به عنوان یک ترکیب لیگنوسلولزی توسط قارچ موکور ایندیکوس با هدف استفاده از عصاره قارچ به عنوان ماده مغذی جایگزین مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در اثر پیش فرآوری کاه گندم توسط حلال نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید (nmmo)، راندمان هیدرولیز به بیش از 6 برابر افزایش پیدا کرده و تقریباً در حدود 93 درصد سلولز موجود در کاه گندم به گلوکز تبدیل شد. راندمان تولید اتانول برای کاه گندم پیش فرآوری شده با افزودن عصاره قارچ نسبت به حضور محیط کشت کامل (عصاره مخمر و مواد معدنی) به 1/92 درصد افزایش یافته است که این مقدار در حدود 2/5 برابر از راندمان تولید اتانول فرآیند تخمیر کاه گندم پیش فرآوری نشده بیشتر است. همچنین راندمان تولید گلیسرول با افزودن عصاره قارچ در تمامی فرآیندهای تخمیر (گلوکز، دانه های گندم و کاه گندم) نسبت به راندمان نتیجه شده در حضور محیط کشت کامل و یا افزودن عصاره مخمر کاهش یافته است. این نتیجه دلیل بر کارآمد بودن عصاره قارچ به عنوان یک ماده غذایی مناسب در محیط تخمیر می باشد که علاوه بر جایگزینی به جای تمام مواد غذایی موردنیاز (عصاره مخمر و نمکهای معدنی) برای میکروارگانیسم، باعث افزایش راندمان تولید اتانول (محصول اصلی) و کاهش راندمان تولید گلیسرول (محصول فرعی) در فرآیند تخمیر می شود

رشد سریع و روز افزون مصرف انرژی در جهان، محدود بودن منابع فسیلی موجود و مخاطرات زیست محیطی جدی ناشی از استفاده از آن ها مانند انتشار گاز های گلخانه ای و افزایش دمای کره زمین، ضرورت بهره برداری انرژی از منابع تجدیدپذیر را بیش از پیش برای جوامع بشری آشکار کرده است. در حال حاضر اتانول مهم ترین سوخت مایع جایگزین بنزین بوده و مواد لیگنوسلولزی که فراوان ترین توده های زیستی در جهان را تشکیل می دهند، به واسطه ارزان بودن و عدم دخالت در چرخه مواد غذایی مهم ترین ماده اولیه برای تولید اتانول محسوب می شوند. به دلیل این که فیبرهای سلولزی در ساختار لیگنوسلولزها توسط ماتریسی از همی سلولز و لیگنین محافظت می شوند، در برابر حملات شیمیایی و بیولوژیکی بسیار مقاوم بوده و بازده هیدرولیز و تخمیر آن ها به اتانول در حالت طبیعی پایین است. در فرآیند تبدیل مواد لیگنوسلولزی به اتانول، پیش فرآوری یک مرحله مهم و کلیدی برای تغییر ساختار لیگنوسلولزی به منظور تسهیل مراحل هیدرولیز و تخمیر محسوب می شود. از میان روش های مختلفی که تاکنون برای پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی پیشنهاد شده است، استفاده از حلال های سلولزی به دلیل کارایی مطلوب در دماهای متوسط و پایین بسیار حائز اهمیت است. با توجه به این که تحقیقات انجام شده در زمینه استفاده از حلال های سلولزی اغلب محدود به کاربرد آن ها برای ترکیبات سلولزی (مانند منسوجات) است، در تحقیق حاضر از حلال های مختلفی شامل هیدروکسید سدیم، اسید فسفریک، و نیز حلال های جدید شامل nmmo و مایع یونی [emim[oac برای پیش فرآوری ضایعات کشاورزی (باگاس گیاه سورگوم شیرین) و جنگلی (ضایعات چوب صنوبر و کبوده) استفاده گردیده است. پیش فرآوری باگاس توسط محلول هیدروکسید سدیم (12%) و اسید فسفریک (85%) به ترتیب در دماهای 0 و 50 درجه سانتی گراد به مدت 3 و 5/0 ساعت صورت گرفت. هیدرولیز آنزیمی باگاس در دمای 45 درجه سانتی گراد و ph برابر 8/4 با استفاده از آنزیم های سلولاز و بتاگلوکوسیداز به مدت 72 ساعت نشان دادکه پس از عملیات پیش فرآوری توسط هیدروکسید سدیم بازده هیدرولیز از 65% تا 92% افزایش می یابد. همچنین اتانول تولیدی در فرآیند تخمیر محلول هیدرولیز باگاس فرآوری شده در دمای 32 درجه سانتی گراد و ph برابر 5/5 از حدود 50% تا بیش از 80% بهبود می یابد. آنالیز سوبسترا با استفاده از روش های مختلف بیان گر کاهش جزئی محتوای لیگنین، کاهش کریستالینیتی و باز شدن سطح سوبسترا در اثر عملیات پیش فرآوری می باشد. به دلیل این که روش های آلکالی و اسیدی مورد استفاده بیشتر برای فرآوری ضایعات کشاورزی مناسب بوده و تأثیر آن ها بر ضایعات چوبی کم تر است، برای بهبود بازده هیدرولیز چوب سخت صنوبر از پیش فرآوری توسط محلول 85% nmmo در دمای 120 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت استفاده شد. نتایج نشان داد که بعد از عملیات پیش فرآوری ضمن این که محتوای کربوهیدراتی سوبسترا تقریباً حفظ می شود، کریستالینیتی آن به میزان قابل توجهی کاهش و قابلیت تورم پذیری آن افزایش می یابد. بازده تولید قند از چوب صنوبر بعد از 96 ساعت هیدرولیز آنزیمی فقط در حدود 10% است که برای سوبسترای فرآوری شده توسط nmmo بعد از 24 ساعت هیدرولیز تا 76% افزایش یافته و در نهایت پس از 96 ساعت هیدرولیز به 96% رسیده است. همچنین بعد از عملیات پیش فرآوری، بازده تولید اتانول در مدت 24 ساعت تخمیر تا بیش از 9 برابر باگاس فرآوری نشده بهبود داشته است. برای چوب های سخت تر مانند چوب کبوده روش های قبلی کارایی چندانی نداشت، لذا پیش فرآوری مایع یونی با استفاده از حلال [emim[oac در دمای 120 درجه سانتی گراد و دماهای مختلف 1، 3 و 5 ساعت بر روی ضایعات چوب کبوده که یکی از مقاوم ترین درختان جنگلی محسوب می شود، صورت گرفت. نتایج حاصل نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی موجب افزایش قابل توجه بازده هیدرولیز آنزیمی ضایعات چوب از 3/5% به حدود 95% و بهبود تخمیر-پذیری آن تا بیش از 81% می گردد. آنالیز چوب بعد از فرآوری بیان گر کاهش محتوای لیگنین و کریستالینیتی سوبسترا و افزایش قابلیت تورم پذیری آن می باشد. همچنین نتایج حاصل از آزمایشات سیمون و جذب آنزیم نیز به خوبی نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی حتی در زمان کوتاه (یک ساعت) موجب افزایش قابل توجه سطح تماس و اندازه منافذ سوبسترا شده و میزان دسترسی آن به آنزیم تا 74% افزایش داده است.

تولید مخلوط حلال های صنعتی شامل استن، بوتانول و اتانول، به عنوان یک صنعت موفق تخمیری پیشینه طولانی دارد. در ابتدای دهه 1960 با افزایش قیمت سوبسترای مورد استفاده در آن زمان (ذرت و ملاس) و تولید پتروشیمیایی ارزان قیمت بوتانول و استن، این صنعت توانایی رقابت اقتصادی را از دست داد. با توجه به نقش تعیین کننده ی هزینه ماده اولیه در این فرایند، به کارگیری مواد لیگنوسلولزی به عنوان منبع کربنی ارزان قیمت در سال های اخیر به منظور تولید حلال ها و به ویژه بوتانول به عنوان یک سوخت زیستی پیشرفته پیشنهاد شده است. گلوکز یکی از برترین منابع کربنی باکتری تولید کننده حلال ها، از سلولز که بیش از 45 % مواد لیگنوسلولزی خام و گاهی تا 70 % از مواد فراوری شده را تشکیل داده است، قابل تولید می باشد. با توجه به اهمیت تبدیل مناسب سلولز به گلوکز، در این رساله ابتدا به کارگیری پیش فراوری جهت بهبود بازده تولید گلوکز از سلولز بررسی شد. پس از پیش فراوری با حلال سلولز، تولید گلوکز از سلولز به روش آنزیمی با بازده های 85 و 95 % به ترتیب با استفاده از 5 و 15 واحد آنزیم سلولاز بر گرم سلولز بدست آمد. همچنین با به کارگیری پیش فراوری بازده آبکافت اسیدی رقیق تا 43% افزایش یافت. پس از بررسی تبدیل سلولز به گلوکز، فرایندهای مختلفی جهت تبدیل مناسب سه ماده لیگنوسلولزی کاه برنج (ضایعات کشاورزی)، کاج (چوب نرم) و نارون (چوب سخت) به محلول های قندی قابل تخمیر بررسی شدند. محلول های قندی حاصل شده توسط باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکم تخمیر گردیدند. باکتری تولید کننده حلال قادر به تخمیر مناسب قندهای پنج کربنه همی سلولزی است، با این وجود اثرات منفی بازدارنده های فنولی ناشی از لیگنین بر این باکتری بسیار شدید است. بنابراین در این رساله فرایندهایی با هدف حذف لیگنین، بازیابی حداکثر قندهای همی سلولزی و آبکافت بهینه سلولز پیشنهاد شدند و مورد ارزیابی قرارگرفتند. سه نوع پیش فراوری اسید رقیق، آبکافت خودبه خودی، پیش فراوری با حلال آلی و همچنین تلفیق آن ها و سه نوع آبکافت اسید رقیق، خودبه خودی و آنزیمی در قالب ده فرایند بررسی شدند. از میان فرایندهای به کارگرفته شده برای تولید حلال ها از کاه برنج ، پیش فراوری با حلال آلی (180 درجه سانتی گراد، 30 دقیقه)، آبکافت آنزیمی و سپس تخمیر بهترین نتیجه (124 گرم حلال از هر کیلوگرم کاه برنج) را در پی داشت. آبکافت تلفیقی خودبه خودی-آنزیمی و تخمیر منجر به تولید 105 گرم حلال از هر کیلوگرم چوب کاج شد. با به کارگیری فرایند آبکافت خودبه¬خودی، پیش فراوری با حلال و آبکافت آنزیمی با استفاده از 5 % مواد فراوری شده در محلول قندی حاصل از آبکافت خودبه خودی و تخمیر، 137 گرم حلال از هر کیلوگرم چوب نارون با غلظت 1/10 گرم بر لیتر بدست آمد. استفاده از این فرایند با به کارگیری 8 % جامد در آبکافت آنزیمی منجر به تولید 108 گرم حلال از هر کیلوگرم نارون با غلظت 7/12 گرم بر لیتر شد. تغییر خواص مواد در طی فرایندها با استفاده از روش های مختلف sem، ftir، تعیین ترکیب درصد و قابلیت تورم اندازه گیری شد و تاثیر آن ها در بهبودهای حاصل شده بررسی شد.

امروزه نسل دوم سوختهای زیستی از مواد لیگنوسلولزی به عنوان جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی به شمار می رود. برای تولید این سوختها با راندمان بالا و در مقیاس صنعتی، به یک مرحله پیش فرآوری نیاز است. به علاوه استفاده از پیش فرآوری هایی که خود از نظر زیست محیطی آثار منفی نداشته باشند یک ویژگی تعیین کننده است. در بخش اول این پژوهش روش های نوین پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی با حلال اِن-متیل-مورفولین-اِن-اکسید (nmmo) و مایعات یونی 1-بوتیل-3-متیل-ایمیدازولیوم استات ([bmim][oac]) و 1-اتیل-3-متیل-ایمیدازولیوم استات ([emim][oac]) برای تولید اتانول و بیوگاز بررسی شد. این مواد حلال های بسیار قوی برای سلولز بوده و پسماند های سمی تولید نمی کنند. مزیت دیگر این مواد غیر سمی بودن و قابلیت بازیابی و استفاده مجدد از آنهاست. پیش فرآوری توسط حلال ها در دمای 120 درجه سانتیگراد و به مدت 1تا 15 ساعت انجام شد. سپس بر روی نمونه های چوب هیدرولیز آنزیمی انجام شده و بعد از آن از بخش مایع آن اتانول تولید شد. همچنین میزان تولید بیوگاز از نمونه های پیش فرآوری شده با nmmo بررسی و با بیوگاز حاصل از نمونه های پیش فرآوری نشده مقایسه شد. پیش فرآوری راندمان اتانول از چیپس و پودر چوب کاج را به ترتیب از 7/1% و 2/7% تا حداکثر 2/51 و 1/86% راندمان تئوری افزایش داد. این پیش فرآوری راندمان بیوگاز از چیپس و پودر چوب کاج را به ترتیب 8/6 و 4/3 برابر افزایش داد. حلال nmmo و مایعات یونی [bmim][oac] و [emim][oac] راندمان تولید اتانول از پودر چوب صنوبر را از 7/9% به ترتیب تا 4/69%، 0/81% و 5/81% افزایش دادند. راندمان تولید اتانول از چیپس چوب صنوبر پس از پیش فرآوری با این سه حلال از 7/2% به ترتیب تا 1/36%، 8/51% و 8/66% افزایش پیدا کرد. برای درک بهتر فرایند پیش فرآوری ، آنالیز های ساختاری از جمله طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه، پراش اشعه ایکس، عکس برداری با میکروسکوپ الکترونی، و اندازه گیری جذب آب و آنزیم روی سطح انجام شد. آنالیز طیف سنجی مادون قرمز نشان داد که پیش فرآوری با nmmo باعث افزایش نسبت سلولز به لیگنین در سطح چوب شده است. همچنین کاهش بلورینگی و افزایش تخلخل نیز در چوب مشاهده شد که هر کدام می توانند دلایل بهبود راندمان اتانول و بیوگاز در اثر پیش فرآوری با nmmo باشند. در بخش بعدی این پژوهش آنالیز اقتصادی 10 فرایند تولید اتانول و بیوگاز از مواد اولیه کاه گندم، کاه برنج، چوب کاج و کاغذ باطله که با روش های انفجار با بخار یا nmmo پیش فرآوری شده اند بررسی شد. بدین منظور فرایندها توسط نرم افزار aspen plus شبیه سازی و سپس توسط نرم افزار آنالیز اقتصادی aspen pea مورد بررسی اقتصادی قرار گرفتند. در هر مورد قیمت تمام شده سوختهای زیستی با قیمت محصول موجود در بازار با احتساب هزینه های جانبی مقایسه شد. بررسی ها نشان داد که تولید سوختهای زیستی در کشور سوئد به دلیل وضع مالیاتهای انرژی وتولید دی اکسید کربن، مقرون به صرفه است تا جاییکه حدود 57% از قیمت بنزین موجود در بازار را مالیات تشکیل می دهد. قیمت تمام شده سوختهای زیستی موجود در بازار سوئد حدود 10% کمتر از بنزین است و قیمت تمام شده سوختهای زیستی در این مطالعه 18 الی 39% کمتر از بنزین بدست آمد. نتایج نشان داد که اگرچه استفاده از سوختهای زیستی در ایران هنوز مقرون به صرفه نیست اما با حذف کامل یارانه ها و افزایش مالیاتها (که در برنامه های دولت قرار دارند) آینده این سوختها روشن به نظر میرسد. اگرچه پیش فرآوری با nmmo راندمان تولید سوختهای زیستی را بیشتر از انفجار با بخار افزایش داده است، اما فرایندهایی که در آنها از پیش فرآوری با بخار استفاده شده بود به دلیل عدم نیاز به حلال، هزینه پیش فرآوری پایین تر و صرفه اقتصادی بیشتری داشتند.