بررسی سینتیکی فرآیند تولید بیواتانول از محصولات هیدرولیز آنزیمی زیست‌توده ریز جلبک

نویسندگان

1 مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

2 مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، ایران

چکیده
ریزجلبک‌ها با ذخایری از کربوهیدرات‌ها به‌‌عنوان یکی از نویدبخش‌ترین منابع اولیه برای تولید بیواتانول معرفی شده‌اند. در این تحقیق، برای کاهش هزینه‌های فرآیندی از گونه‌های مختلط ریزجلبک استفاده شد. سپس استراتژی قحطی نیتروژن برای افزایش تجمع کربوهیدرات‌ها در ریزجلبک به کار گرفته شد. استفاده از کشت مختلط ریزجلبک به‌دلیل عدم نیاز به فرآیندهای استریل‌کردن، باعث توجیه‌پذیری اقتصادی فرآیند خواهد شد. بعد از برداشت و خشک‌نمودن توده زیستی ریزجلبک، فرآیند هیدرولیز آنزیمی زیست‌توده ریزجلبک به‌منظور استخراج کربوهیدرات‌های ریزجلبک صورت گرفت. سپس محصولات هیدرولیز آنزیمی توده زیستی ریزجلبک (25، 50 و 100گرم بر لیتر)، با استفاده از مخمر ساکارومایسس سروزیا تخمیر شد و مدل‌های سینتیکی فرآیند تخمیر مورد مطالعه قرار گرفت. در مدل‌های سینتیکی، اثر مهارکنندگی سوبسترای گلوکز و محصول بیواتانول در نظر گرفته شد. نرم‌افزار اکوسیم 0/2 برای مدل‌سازی فرآیند تولید بیواتانول به کار رفت. مقادیر حداکثر سرعت رشد مخصوص مخمر (μ) و ثابت اشباع رشد مونود (KS) به‌ترتیب h-1281/0 و 8/1گرم بر لیتر به‌دست آمد. همچنین نتایج نشان دادند که مدل سینتیکی به‌خوبی رفتار سیستم را پیش‌بینی کرده است

کلیدواژه‌ها

موضوعات


He Y, Wang Sh, Lai KK. Global economic activity and crude oil prices: A cointegration analysis. Energy Econ. 2010;32(4):868-76. [Link] [DOI:10.1016/j.eneco.2009.12.005]
Nigam PS, Singh A. Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog Energy Combust Sci. 2011;37(1):52-68. [Link] [DOI:10.1016/j.pecs.2010.01.003]
Stephenson AL, Dennis JS, Scott SA. Improving the sustainability of the production of biodiesel from oilseed rape in the UK. Process Saf Environ Prot. 2008;86(6):427-40. [Link] [DOI:10.1016/j.psep.2008.06.005]
Ho SH, Huang SW, Chen CY, Hasunuma T, Kondo A, Chang JS. Bioethanol production using carbohydrate-rich microalgae biomass as feedstock. Bioresour Technol. 2013;135:191-8. [Link] [DOI:10.1016/j.biortech.2012.10.015]
Mata TM, Martins AA, Caetano NS. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renew Sustain Energy Rev. 2010;14(1):217-32. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2009.07.020]
Mitchell WJ, Slaughter JC. Biology and biochemistry for chemists and chemical engineers. Horwood: Ellis Horwood; 1989. [Link]
Harun R, Danquah MK. Influence of acid pre-treatment on microalgal biomass for bioethanol production. Process Biochem. 2011;46(1):304-9. [Link] [DOI:10.1016/j.procbio.2010.08.027]
Harun R, Danquah MK, Forde GM. Microalgal biomass as a fermentation feedstock for bioethanol production. J Chem Technol Biotechnol. 2010;85(2):199-203. [Link]
Hassanpour M, Abbasabadi M, Ebrahimi S, Hosseini M, Sheikhbaglou A. Gravimetric enrichment of high lipid and starch accumulating microalgae. Bioresour Technol. 2015;196:17-21. [Link] [DOI:10.1016/j.biortech.2015.07.046]
Mooij PR, Stouten GR, Tamis J, Van Loosdrecht MCM, Kleerebezem R. Survival of the fattest. Energy Environ Sci. 2013;6(12):3404-6. [Link] [DOI:10.1039/c3ee42912a]
Shokrkar H, Ebrahimi S, Zamani M. Bioethanol production from acidic and enzymatic hydrolysates of mixed microalgae culture. Fuel. 2017;200:380-6. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2017.03.090]
Shokrkar H, Ebrahimi S., Evaluation of different enzymatic treatment procedures on sugar extraction from microalgal biomass, experimental and kinetic study. Energy. 2018;148:258-68 [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2018.01.124]
Cataldo DA, Maroon M, Schrader LE, Youngs VL. Rapid colorimetric determination of nitrate in plant-tissue by nitration of salicylic-acid. Commun Soil Sci Plant Anal. 1975;6(1):71-80. [Link] [DOI:10.1080/00103627509366547]
Ariyajaroenwong P, Laopaiboon P, Salakkam A, Srinophakun P, Laopaiboon L. Kinetic models for batch and continuous ethanol fermentation from sweet sorghum juice by yeast immobilized on sweet sorghum stalks. J Taiwan Inst Chem Eng. 2016;66:210-6. [Link] [DOI:10.1016/j.jtice.2016.06.023]
Wanner O, Reichert P. Mathematical modeling of mixed-culture biofilms. Biotechnol Bioeng. 1996;49(2):172-84.
https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0290(19960120)49:2<172::AID-BIT6>3.0.CO;2-N [Link] [DOI:10.1002/(SICI)1097-0290(19960120)49:23.0.CO;2-N]
Yao C, Ai J, Cao X, Xue S, Zhang W. Enhancing starch production of a marine green microalga Tetraselmis subcordiformis through nutrient limitation. Bioresour Technol. 2012;118:438-44. [Link] [DOI:10.1016/j.biortech.2012.05.030]
Brányiková I, Maršálková B, Doucha J, Brányik T, Bišová K, Zachleder V, et al. Microalgae--novel highly efficient starch producers. Biotechnol Bioeng. 2011;108(4):766-76. [Link] [DOI:10.1002/bit.23016]
Markou G, Angelidaki I, Georgakakis D. Microalgal carbohydrates: An overview of the factors influencing carbohydrates production, and of main bioconversion technologies for production of biofuels. Appl Microbiol Biotechnol. 2012;96(3):631-45. [Link] [DOI:10.1007/s00253-012-4398-0]
Harun R, Danquah MK. Enzymatic hydrolysis of microalgal biomass for bioethanol production. Chem Eng J. 2011;168(3):1079-84. [Link] [DOI:10.1016/j.cej.2011.01.088]
Wöhrer W. A horizontal bioreactor for ethanol production by immobilized cells. Bioprocess Eng. 1989;4(3):105-11. [Link] [DOI:10.1007/BF00369758]
Luong JH. Kinetics of ethanol inhibition in alcohol fermentation. Biotechnol Bioeng. 1985;27(3):280-5. [Link] [DOI:10.1002/bit.260270311]
Thatipamala R, Rohani S, Hill GA. Effects of high product and substrate inhibitions on the kinetics and biomass and product yields during ethanol batch fermentation. Biotechnol Bioeng. 1992;40(2):289-97. [Link] [DOI:10.1002/bit.260400213]
Ge XM, Bai FW. Intrinsic kinetics of continuous growth and ethanol production of a flocculating fusant yeast strain SPSC01. J Biotechnol. 2006;124(2):363-72. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiotec.2005.12.029]
Oliveira SC, De Castro HF, Visconti AES, Giudici R. Continuous ethanol fermentation in a tower reactor with flocculating yeast recycle: Scale-up effects on process performance, kinetic parameters and model predictions. Bioprocess Eng. 1999;20(6):525-30. [Link] [DOI:10.1007/s004490050624]
Jin H, Liu R, He Y. Kinetics of batch fermentations for ethanol production with immobilized Saccharomyces cerevisiae growing on sweet sorghum stalk juice. Procedia Environ Sci. 2012;12(Pt A):137-45. [Link]
Thangprompan P, Thanapimmetha A, Saisriyoot M, Laopaiboon L, Srinophakun P. Production of ethanol from sweet sorghum juice using VHG technology: A simulation case study. Appl Biochem Biotechnol. 2013;171(2):294-314. [Link] [DOI:10.1007/s12010-013-0365-1]
Chen LJ, Xu YL, Bai FW, Anderson WA, Moo-Young M. Observed quasi-steady kinetics of yeast cell growth and ethanol formation under very high gravity fermentation condition. Biotechnol Bioprocess Eng. 2005;10(2):115-21. [Link] [DOI:10.1007/BF02932580]
Manikandan K, Saravanan V, Viruthagiri T. Kinetics studies on ethanol production from banana peel waste using mutant strain of Saccharomyces cerevisiae. Indian J Biotechnol. 2008;7(1):83-8. [Link]
Felix E, Clara O, Vincent AO. A kinetic study of the fermentation of cane sugar using Saccharomyces cerevisiae. Open J Phys Chem. 2014;4(1):26-31. [Link] [DOI:10.4236/ojpc.2014.41005]
Laopaiboon L, Nuanpeng S, Srinophakun P, Klanrit P, Laopaiboon P. Selection of Saccharomyces cerevisiae and investigation of its performance for very high gravity ethanol fermentation. Biotechnology. 2008;7(3):493-8. [Link] [DOI:10.3923/biotech.2008.493.498]
Ingledew WM. Alcohol production by Saccharomyces cerevisiae: A yeast primer. In: Jacques KA, Lyons TP, Kelsall DR, editors. The alcohol textbook: A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries. 3rd Edition. Nottingham: Nottingham University Press; 1999. pp. 49-87. [Link]