Date of Award

12-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Materials Science and Engineering (MSMSE)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Prof. Sulaiman Al-Zuhair

Abstract

In this study, a thermo-responsive switchable solvent (TSS), with a tunable hydrophobicity by simply changing the temperature (between 25 to 45oC) was used for simultaneous lipids extraction from wet microalgae and biodiesel production. By manipulating the hydrophobicity of the solvent, the cell wall disruption, lipid extraction and transesterification, and product separation steps were all carried out in a single pot, while eliminating the need for the energy intensive and time-consuming drying step. To overcome the problems currently encountered by using conventional alkaline catalysts in the transesterification of lipids, immobilized enzyme has been used. The proposed TSS consisted of an ionic liquid (N,N diethyl-Nmethylammonium methane sulfonate), a polymer poly (propylene) glycol (PPG) and water. The effectiveness of the proposed process was compared to that using conventional organic solvent, n-hexane, and other CO₂ triggered amine based switchable solvents, namely 1,8-diazabicyclo-[5.4.0]-undec-7-ene (DBU)-1-hexanol and DBU-Mono-ethanolamine (MEA). At the same conditions and solvent switching program, using immobilized lipase as a biocatalyst, the biodiesel yields were 45.5 ± 0.38 %, 37.8 ± 1.03 % and 5.9 ± 1.50 %, using TSS, DBU-hexanol, and DBU-MEA respectively. Using n-hexane resulted in insignificant yield of 3.1 ± 0.43 %. Furthermore, a reusability of the TSS-immobilized lipase system was investigated, and it was shown that the reusability biodiesel yield dropped from 50 ± 1.46 % in the first cycle to 20.4 ± 0.60 % in the fourth.

A parametric study was performed, using response surface methodology (RSM) to evaluate the effects of cell disruption and extraction/reaction durations in the range of 0-3 h, and methanol amount used in the range of 0.02 – 0.2 mL on the biodiesel production yield from 1 g of wet biomass. The results were used to develop a statistical model to predict the biodiesel yield under different conditions and to optimize the process. The optimum conditions were estimated to 0.5 hr, 3 hr and 0.15 mL for the cell disruption time, extraction-reaction time and methanol amount respectively, at which the yield was predicted to be 78.65 %. The experiment was repeated at the optimum conditions, and the actual yield was found to be 75.11 ± 1.03 %.

The successful use of TSS for simultaneous extraction-reaction and product separation from wet biomass has a significant effect on the simplification of microalgae to biodiesel process. By simply changing the temperature, the hydrophobicity of TSS can be manipulated, rendering the overall process easier, as compared to the CO₂ triggered Switchable Solvents. A process similar to the one presented in this work has never been reported before in literature.

Arabic Abstract

تم استخدام وقود الديزل الحيوي، المنتج من الدهون الطحلبية، كبديل واعد لوقود الديزل الأحفوري. من بين الخطوات الرئيسية في إنتاج الديزل الحيوي من الطحالب المجففة، فإن تجفيف الخلايا وتعطيل جدرانها هما الأكثر استهلاكاً للطاقة أو استهلاكاً للوقت. تتطلب خطوة استخراج الدهون الطحلبية، والتي تتم تقليدياً باستخدام المذيبات العضوية السامة التي تلوث الكتلة الحيوية المتبقية، خطوة إضافية لاسترداد المذيب مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات الغذائية أو الصيدلانية. لذلك، تعتبر هذه الخطوات العقبات الرئيسية التي تواجه تسويق عملية الديزل الحيوي الطحالب.

في هذه الدراسة، تم استخدام مذيب قابل للتحويل حرارياً (TSS)، مع درجة فوران من الماء قابلة للضبط من خلال تغيير درجة الحرارة (ما بين 25 إلى 45 درجة مئوية) لاستخراج الدهون من الطحالب الرطبة بالتزامن مع إنتاج الديزل الحيوي. من خلال التلاعب بدرجة فوران الماء لدى المذيب، تم تعطيل جدار الخلية واستخراج الدهون الطحلبية وإنتاج الديزل الحيوي مع فصل المنتج في وعاء واحد، مع التخلص من الحاجة إلى خطوة التجفيف المستهلكة للطاقة والكثير من الوقت، للتغلب على المشاكل الحالية التي تصاحب المحفزات القلوية التقليدية في تحويل الدهون إلى وقود الديزل الحيوي. تم استخدام إنزيم مثبت، يتكون TSS المقترح من سائل أيوني (N diethyl-N-methylammonium sulfonate) وبوليمر (propylene glycol (PPG)) وماء. تمت مقارنة فعالية العملية المقترحة مع استخدام المذيبات العضوية التقليدية، n-hexane وغيرها من المذيبات القابلة للتحويل عن طريق تعريضها لثاني أكسيد الكربون، وهي DBU-hexanol و DBU-MEA. في نفس الظروف وبرنامج تحويل المذيبات، باستخدام الإنزيم المثبت كحافز حيوي، كانت عائدات الديزل الحيوي 45.4±3.8%، 37.8±1.0% و 50.9±1.0% باستخدام TSS و DBU-hexanol و DBU-MEA على التوالي. أدى استخدام n-hexane إلى إنتاج ضئيل 3.4±0.3%. علاوة على ذلك، تم التحقق من إمكانية إعادة استخدام الإنزيم المثبت، واتضح أن إنتاج الديزل الحيوي انخفض من 46.0±1.0% في الدورة الأولى إلى 20.4±0.4% في الرابعة.

تم إجراء دراسة حديثة باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتقييم أثر مدة تعطيل جدران الخلايا ومدة الاستخراج والتفاعل في حدود 3 ساعات، وكمية الميثانول المستخدمة في حدود 20–30 مل على إنتاج الديزل الحيوي العائد من 1 غرام من الكتلة الحيوية الرطبة. تم استخدام النتائج لتطوير نموذج إحصائي للتنبؤ بعائد الديزل الحيوي في ظل ظروف مختلفة وتحسين العملية. تم تقدير الظروف المثلى إلى 0.5 ساعة و3 ساعات و15 مل لمدة تعطيل جدران الخلايا ومدة الاستخراج والتفاعل وكمية الميثانول على التوالي حيث كان من المتوقع أن يكون العائد 78.6%. تم تكرار التجربة في الظروف المثلى، ووجد أن العائد الفعلي هو 75.1±0.3%. إن الاستخدام الناجح لـ TSS للاستخراج المتزامن مع التفاعل لإنتاج وقود الديزل الحيوي وفصل المنتج عن الكتلة الحيوية الرطبة له تأثير كبير على تبسيط عملية إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب الدقيقة. ببساطة، عن طريق تغيير درجة الحرارة يمكن معالجة الفوران المائي لـ TSS، مما يجعل العملية الكلية أسهل بالمقارنة مع المذيبات القابلة للتحويل الناتجة عن ثاني أكسيد الكربون. لم يتم الإبلاغ عن أي عملية مماثلة لتلك المقدمة في هذا العمل من قبل.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: المذيبات القابلة للتحويل الحراري، الطحالب الدقيقة، الديزل الحيوي، الاستخراج بالتزامن مع التفاعل.

Download

Share

COinS