گرایش مهندسی شیمی ـ مهندسی ترمودینامیک و سنتیک

عنوان

استفاده از مدل سطحی برای بهینه سازی فرآیند هیدرولیز اسید رقیق از پوست سبز گردو برای تولید گلوکز

استاد راهنما

دكتر علی آراسته نوده

اساتید داور

دکتر اسدالله زاده و دکتر نکویی

تابستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان..……………………………………… …………………………………………..صفحه
چکیده………………………………….…………………….…………..…….………….1
فصل اول: مقدمه
1-1بیواتانول چیست؟………………………………………………………………..…………..…….3
1-2ضرورت استفاده از اتانول………………………………………………………………………..4
فصل دوم: کلیات
2-1مقدمه…………………………………………………………………. …………………….7
2-2تئوری احتراق……………………………………………………………………………………..7
2-2-1سوزاندن (احتراق مستقیم)……. ………………………………………………………………7
2-2-2فساد باکتریایی…………………………………………………………………………………..7
2-2-3تخمیر……………………………………………………………………………………      7….….
2-3روشهای هیدرولیز پسماندهای سلولزی…………………………………………………………8..
2-4مواد اولیه مورد استفاده در تولید بیواتانول…………………………………………………8……
2-4-1مواد اولیه قندی………………………………………………………………………………….8
2-4-2مواد اولیه نشاسته…………….…………………………………………………………….9
2-4-3مواداولیه سلولزی (لیگنوسلولز)………..………………………………………………….9
2-4-3-1سلوز…………………………………………………………………………………………14
2-4-3-2  همی سلولز…………….……………………………………15……………..…
2-4-3-3 لگنین15……………..……………………………………………………
2-5 بیواتانول سوخت سبز……………………………………………………17….……….
2-6 تولید بیواتانول بوسیله تخمیر کربوهیدراتها19….………….………………………….
2-7هیدرولیز……………….…………………………………………………………………..20
2-7-1هیدرولیز اسیدی………………………………………………………………………21
2-7-2هیدرولیز اسید رقیق22…..………………………………….…………………..

این مطلب را هم بخوانید :

2-7-2-1 محصولات جانبی هیدرولیز اسید رقیق…………………………………………….25
2-7-2-1-1اسید های آلی………………………..…………………………………………..26
2-7-2-1-2ترکیبات فنولیک27…..…………………………………………………….
2-7-2-1-3 ترکیبات فورال……………………………………………………………………………. 27
2-7-3هیدرولیز اسید غلیظ…………………………………………………………………………..28
2-7-4 هیدرولیز آنزیمی…….…….……………….……………………………….30
2-8 پیش فرآوری فیزیکی.…….…………………………………………………….31
2-8-1انفجاربخار……………………………………………………………………………………….31
2-8-2 انفجار آمونیاک و دی اکسید کربن……………………………………………………………..32
2-8-3 پیش فرآوری شیمیایی…………………………………………………………………………..32
2-8-4 پیش عملیات بیولوژیکی………………………………………………………………………..34
2-9تخمیر………………..………………………………………………………..34
2-10 بازیابی جامدات و محصول……………………………………………………………………..35
فصل سوم:روش آزمایش
3-1 مواد و سایل مورد استفاده 37………………………………………………………………………..
2-3آزمایشات 37…………………………………………………………………………………………..
3-3 طراحی روش آزمایش 37…………………………………………………………………………….
1-2-3اثر غلظت 40………………………………………………………………………………………..
2-2-3اثر دما 40……………………………………………………………………………………………
3-2-3اثر زمان 41………………………………………………………………………………………..
3-4 نتایج تست زایلوز (XYL)……………………………………………………………………….41
1-3-3اثر غلظت 41………………………………………………………………………………
2-3-3اثر دما 42…………………………………………………………………………………………..
3-3-3اثر زمان 42…………………………………………………………………………………………
3-4 نتایج تست فورفورال(FER)……………………………………………………………………..43
1-4-3غلظت 43.………………………………………………………………………………….
-2-4-3دما 43………………………………………………………………………………………………
-3-4-3زمان 44……………………………………………………………………………………………
3-5 نتایج تست گلوکز(GLU)…………………………………………………………………………44
1-5-3غلظت 44……………………………………………………………………………………………

2-5-3دما 45……………………………………………………………………………………………….
3-5-3زمان…………………………………………………………………………………………….45.
فصل چهارم:  نمودار و جداول
4-1مدل سازی فرآیند:………………………………………………………………………………….48
4-2بررسی انطباق نتایج حاصل از گلوكز استحصال شده در مدلهای پیشنهادی……………………48
4-2-1 مدل اول…………………………………………………………………………………………54
4-2-1-1بررسی صحت مدل…………………………………………………………………………..54
فصل پنجم: نتیجه گیری
نتیجه گیری56……………………………………………………………………….
پیشنهادها…………………………………………………………………………………………………57
مراجع……………………………………………………………………………………………………..58
فهرست جداول
جدول 1-1:مقایسه سه ماده قابل اشتعال اتانول، بنزین، گازوییل…………………………………………..3
جدول 1-2برخی ویژگیهای سوختهای الکلی…………………………………………………………………4
جدول 2-1فراوانی نسبی قندهای موجود در اجزای کربو هیدراتی چوب(%وزنی)(گلدشتاین1981)….13
جدول2-2 ترکیب گونه های مختلف زیست توده های سلولزی(%وزن خشک)(گلدشتاین،1981)…….13
جدول2-3 ترکیب بازدهی مواد متفاوت برای تولید بیواتانول(پواری، 2008)…………………………..13
جدول 2‑4 مقایسه روشهای هیدرولیز اسیدی………………………………………………………………22
جدول2-5 حدود درجه حرارت های تحقیق شده دوره اقامت و غلظت اسید………………………………23
جدول2-6 بازده تبدیلی هیدرولیزاسیدی غلیظ(بردارسایرین،1990)……………………………………..29
جدول2-7 میزان بازده تولیدبیواتانول از ساقه ذرت(بالات2008)……………………………………….29
جدول 3-1 نتایج بدست امده حاصل از انالیز بوسیله دستگاه hplc به قرار ریر است…………………..32
جدول4-1  ضرایب معادله دو جذوری حاصل از تطابق داده های آزمایشی با مدل……………………..49
فهرست نمودارها
نمودار 3-2-1 اثر غلظت بر روی اسید استیک…………………………………………………………………………………40
نمودار 3-2-2اثر دما بر روی اسید استیک……………………………………………………………………………………..40
نمودار 3-2-3اثر زمان بر روی اسید استیک……………………………………………………………………………………41
نمودار 3-3-1  اثر غلظت بر روی زایلوز……………………………………………………………………………………….41
نمودار 3-3- 2 اثر ذما بر روی زایلوز…………………………………………………………………………………………..42
نمودار 3-3-3 اثر زمان بر روی زایلوز………………………………………………………………………………………….42
نمودار 3-4-1اثر غلطت بر روی فور فورال……………………………………………………………………………………..43
نمودار 3-4-2اثر دما بر روی فورفورال…………………………………………………………………………………………..43
نمودار 3-4-3اثر زمان بر روی فورفورال………………………………………………………………………………………..44
نمودار 3-5- 1اثر غلظت بر روی گلوکز…………………………………………………………………………………………..44
نمودار 3-5- 2اثر دما بر روی گلوکز………………………………………………………………………………………………45
نمودار 3-5-3 اثر زمان بر روی گلوکز…………………………………………………………………………………………….45
نمودار 4-1 پاسخ سطحی برای غلظت گلوکز در هیدرولیز بصورت تابعی از دما وغلظت اسید بر طبق مدل…………… 50
نمودار 4-2پاسخ سطحی برای غلظت گلوکز در هیدرولیز بصورت تابعی از زمان وغلظت اسید بر طبق مدل………………..51
نمودار 4-3 پاسخ سطحی برای غلظت زایلوز در هیدرولیز بصورت تابعی از دما و غلظت اسید بر طبق مدل………………..51
نمودار 4-4 پاسخ سطحی برای غلظت زایلوز در هیدرولیز بصورت تابعی از زمان وغلظت اسید بر طبق مدل……………….52
نمودار 4- 5 پاسخ سطحی برای غلظت فورفورال در هیدرولیز بصورت تابعی از زمان وغلظت اسید بر طبق مدل…………..52
نمودار 4- 6 پاسخ سطحی برای غلظت فورفورال در هیدرولیز بصورت تابعی از دما وغلظت اسید بر طبق مدل……………..53
نمودار 4 – 7پاسخ سطحی برای غلظت اسیداستیک در هیدرولیز بصورت تابعی از زمان وغلظت اسید بر طبق مدل….53……
نمودار 4-8 پاسخ سطحی برای غلظت اسیداستیک در هیدرولیز بصورت تابعی ازدما وغلظت اسید بر طبق مدل……………..54
فهرست اشکال
شکل 2-1چرخه تولید بیو اتانول از مواد لیگنوسلولزی…………………………………………….12..
شکل 2-2 ساختار سه نوع لگنین سخت چوب، لگنین نرم چوب و لگنین علفی…………………..16..
شکل2-3فرآیند هیدرولیزاسید رقیق(بوردروسایرین،1995)23………………………………
شکل2-4محصولات جانبی در فرآیند هیدرولیز رقیق………………………………………………..26
شکل2-5 نمایش عملیاتی راکتورانفجاری بخاری در یک مدل بسته (زیمباردی،2000)………….32

چکیده
در این مطالعه مدلسازی هیدرولیز اسید رقیق پوست سبز گردو بعنوان یک نمونه  مواد لیگنوسلولزی به منظور تولید شکر قابل تخمیر در فرایند بیواتانول مطالعه شده است. چهار  پارامتر دما، زمان، غلظت اسید و جزءجامد در سه سطح مختلف بعنوان متغیر ومیزان تولید قند های شش کربنه نظیر گلوکز و پنج کربنه نظیر زایلان بعنوان محصولات اصلی و مواد بازدارنده نظیر فورفورال و اسیداستیک بعنوان محصولات فرعی و ناخواسته در نظر گرفته شده اند. واکنش در یک حمام بخار مجهز به کنترل دما و همزن انجام شده است. محصولات هیدرولیز پس از خنثی سازی و فیلتراسون و رقیق سازی توسط دستگاه کروماتورگرافی مایع[1] اندازه گیری شده اند. جهت بررسی نقش چهار متغیر یاد شده در میزان محصولات اصلی و فرعی مطالعه شده است. سپس با در نظر گرفتن یک معادله دو مجذوری و استفاده از مدل سطحی برای بهینه سازی فرآیند هیدرولیز اسید رقیق مدل شده اند. نتایج نشان می دهد كه پوست سبز گردو می تواند یک منبع لیگنوسولوزی برای تولید شکر قابل تخمیر در فرایند بیواتانول است. غلظت این ترکیبات با دما افزایش می یابد. همچنین افزایش تولید گلوکز در طی زمان مشخص می باشد. زمانی که محتوی جزءجامد افزایش می یابد، غلظت گلوکز و محصولات دیگر نیز افزایش می یابد. مدل سازی و شرایط هیدرولیز قابل بهینه سازی بر اساس دما، زمان، غلظت اسید و غلظت جامد قابل بهینه سازی است.
کلمات کلیدی :
مدل سطحی – بهینه سازی – هیدرولیز – اسید رقیق – پوست سبز گردو – گلوکز

فصل اول

مقدمه

1-1بیواتانول چیست؟

اتانول با فرمول بسته C2H5OH از گروه آلکالهای آلی است که در حالت معمولی مایعی بی رنگ با بویی ویژه است. قابلیت حل شدن اتانول در آب زیاد است بطوریکه به هر نسبتی با آب مخلوط می شود. نقطه جوش آن 3/78 و نقطه انجماد آن_115 است . دانسیته نسبی آن در 20 درجه سانتیگراد 78/0 است. الکلها سمی هستند و اتانول از لحاظ پزشکی، از الکلهای دیگر سمیت کمتری  دارد. در شرایط عادی، اتانول یک مایع فرار، قابل اشتعال، صاف و بی رنگ بوده که هم در آب و هم در حلال های غیر قطبی محلول می باشد.
بیواتانول که سوختی با طبیعت کربنی است، با فرمول CH3-CH2-OH(اتیل الکل)می توانند تا بیش از 70% از گازهای گلخانه ای آزاد شده را کاهش دهد. این سوخت دارای عدد اکتان بالاتر از (108)محدوده اشتعال پذیری گسترده تر گرمای تبخیر بالاتری نسبت به بنزین دارد. به علت وجود اکسیژن بالا باعث کاهش انتشار گاز در موتور های احتراق میگردد.
از معایب بیواتانول دانسیته انرژی پایین تری نسبت به بنزین دارد(بیواتانول 66درصد انرژی بنزین را دارد)، خورندگی، تابندگی مشعل کمتر، فشار بخار پائین تر، (استارت سرد را مشکل می سازد)، اختلاط پذیری با آب و سمیت برای اکوسیستمها می باشد. برخی ویژگیها در جدول 1-1 نشان داده شده است.
جدول 1-1:مقایسه سه ماده قابل اشتعال اتانول، بنزین، گازوییل

ناگفته نماند اعداد اکتان بالاتر در موتورهای احتراق داخل ترجیح داده می شود زیرا باعث کاهش ضربات سیلندر میگردد.