Date of Award

5-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemical Engineering

Department

Chemical Engineering

First Advisor

Sulaiman Al-Zuhair

Second Advisor

Bart Van der Bruggen

Third Advisor

Emad Elnajjar, Boguslaw Kruczek and Raed Hashaikeh

Abstract

With the rising environmental concerns related to fossil fuels utilization and the depletion of these resources, interest in bioethanol from lignocellulosic waste as an alternative, sustainable energy source has been increasing. Date palm waste is considered a good feedstock for bioethanol production, especially in countries of large date palm plantations, such as the United Arab Emirates.

In the lignocellulose to bioethanol process, the enzymatic hydrolysis of celluloses to produce simple sugars that can be converted to bioethanol by fermentation is the most challenging step, and enhancing it is essential for efficient and feasible operation. Enzyme inhibition by the products is one of the several problems that hinders the cellulose bioconversion. To resolve this problem, a novel membrane bioreactor (MBR) was designed with an inverted dead-end filtration concept for simultaneous removal of the product during the reaction. Polyethersulfone membranes (PES) were used, and their selectivity in allowing only product permeation was proven. The effects of water flowrate and initial substrate concentration were investigated, and a mathematical kinetic model that was based on the mechanistic steps was developed to predict the dynamic behavior of the system, and the kinetic parameters were estimated by fitting the experimental data. The experimental results were also used to develop a statistical non-linear interactive model. Using standard cellulose, the glucose production yield increased from 7% without product separation to 45% with product separation. Both kinetic and statistical models showed good agreement (R2: 0.96 and 0.97, respectively). The process was optimized, and the optimal conditions were determined to be at substrate concentration of 2.67 g/L and a water flowrate of 0.8 mL/min, at which a maximum yield of 86.7% was achieved.

To increase the efficiency of the process by increasing solids loading and mixing quality, another novel tubular radial-flow MBR was designed. The effectiveness of the inverted dead-end MBR versus radial-flow MBR designs was assessed using real, complex lignocellulose biomass, namely date seeds (DSs). The tubular radial-flow MBR used here had more than a 10-fold higher membrane surface area than the flat-sheet MBR design. With simultaneous product separation using the flat-sheet inverted dead-end filtration MBR, a total reducing sugars yield of 10.8% from pretreated DSs was achieved within 8 h of reaction, which was three times higher than the yield without product separation, which was only 3.5% within the same time and under the same conditions. The superiority of the tubular radial-flow MBR to hydrolyze pretreated DSs was confirmed with a total reducing sugars yield of 29% within 8 h. A detailed kinetic model was developed to predict the dynamic behavior of the tubular radial-flow MBR, and the kinetic parameters were estimated from the experimental data. The novel reactor was proved to successfully operate at high solids loading, and with a developed statistical non-linear interactive model the total reducing sugars production was optimized with optimal conditions of substrate concertation of 28.9 g/L and water flowrate of 1.2 mL/min resulting in a maximum glucose production of 8.7 g. In addition, the effects of different glucose concentrations, water flowrates, and membrane cut-offs on glucose diffusion were studied. The promising results obtained by this research could pave the way for an economic lignocellulose-to-bioethanol process.

Arabic Abstract

مع تزاید المخاوف البیئیة المتعلقة باستخدام الوقود الأحفوري واستنفاد ھذه الموارد، یتزاید الاھتمام بالإیثانول الحیوي من النفایات السلیلوزیة كبدیل، مصدر طاقة مستدام. تعتبر مخلفات نخیل التمر من المواد الأولیة الجیدة لإنتاج البیوإیثانول، خاصة في البلدان التي تضم مزارع نخیل التمر الكبیرة، مثل الإمارات العربیة المتحدة.

في عملیة تحویل المواد السلیلوزیة إلى البیوإیثانول، فإن التحلل المائي الأنزیمي للسلیلوز لإنتاج السكریات البسیطة التي یمكن تحویلھا إلى إیثانول حیوي عن طریق التخمیر ھو الخطوة الأكثر تحدیاً، وتعزیزھا ضروري للتشغیل الفعال والمجدي. یعد تثبیط الإنزیم بواسطة المنتجات أحد المشكلات العدیدة التي تعیق التحویل الحیوي للسلیلوز. لحل ھذه المشكلة، تم تصمیم مفاعل حیوي غشائي جدید (MBR) بمفھوم ترشیح نھایة مسدود مقلوب للإزالة المتزامنة للمنتج أثناء التفاعل. تم استخدام أغشیة البولي إیثر سلفون (PES)، وتم إثبات انتقائھا في السماح بنفاذ المنتج فقط. تم دراسة تأثیر تدفق الماء والتركیز الأولي للركیزة، وتم تطویر نموذج حركي ریاضي شامل یعتمد على الخطوات المیكانیكیة للتنبؤ بالسلوك الدینامیكي للنظام، وتم تقدیر المعلمات الحركیة من خلال ملاءمة البیانات التجریبیة. كما تم استخدام النتائج التجریبیة لتطویر نموذج إحصائي تفاعلي غیر خطي. باستخدام السلیلوز القیاسي، زاد إنتاج الجلوكوز من 7٪ دون فصل المنتج إلى 45 ٪ مع فصل المنتج. أظھر كلا النموذجین الحركي والإحصائي توافق جید (R2:0.96 و0.97 على التوالي). تم تحسین العملیة وتم تحدید الظروف المثلى لتكون عند تركیز الركیزة 2.67 جم / لتر وتدفق ماء قدره 0.8 مل / دقیقة، حیث تم تحقیق أقصى عائد 86.7%.

لزیادة كفاءة العملیة عن طریق زیادة جودة التحمیل والخلط الصلبة، تم تصمیم مفاعل آخر جدید للتدفق الشعاعي نصف قطري. تم تقییم فعالیة المفاعل المسدود المقلوب مقابل تصمیمات MBR ذات التدفق الشعاعي باستخدام الكتلة الحیویة الحقیقیة والمعقدة من السلیلوزیة، وھي بذور التمر. بذور التمر یحتوي MBR الأنبوبي ذو التدفق الشعاعي المستخدم ھنا على مساحة سطح غشاء أعلى بمقدار 10 أضعاف من تصمیم MBR ذي الصفیحة المسطحة. مع فصل المنتج المتزامن باستخدام الترشیح المسدود المقلوب ذو الطرف المسدود MBR، تم تحقیق عائد جلوكوز بنسبة 10.8% من DSs المُعالجة مسبقًا خلال 8 ساعات من التفاعل، وھو أعلى بثلاث مرات من الناتج دون فصل المنتج، والذي كان 3.5 ٪ فقط في نفس الوقت وبنفس الشروط. تم تأكید تفوق MBR الأنبوبي ذو التدفق الشعاعي على DSs المُعالجة بالماء مع عائد جلوكوز بنسبة 29 ٪ خلال 8 ساعات. تم تطویر نموذج حركي مفصل للتنبؤ بالسلوك الدینامیكي للتدفق الشعاعي الأنبوبي MBR، وتم تقدیر المعلمات الحركیة من البیانات التجریبیة. ثبت أن المفاعل الجدید یعمل بنجاح عند تحمیل صلب عالٍ، وباستخدام نموذج إحصائي تفاعلي غیر خطي مطور، تم تحسین إنتاج الجلوكوز الكلي بالظروف المثلى لترابط الركیزة البالغ 28.9 جم / لتر ومعدل تدفق الماء 1.2 مل /دقیقة مما أدى إلى یبلغ الحد الأقصى لإنتاج الجلوكوز 8.7 جم. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة تأثیر تركیزات الجلوكوز المختلفة، ومعدلات تدفق المیاه، وانقطاعات الأغشیة على انتشار الجلوكوز. النتائج الواعدة التي تم الحصول علیھا من خلال ھذا البحث یمكن أن تمھد الطریق لعملیة اقتصادیة من السلیلوزیة إلى البیوإیثانول.

Download

Share

COinS