رضا بیگزاده

سابقه و هدف: یکی از چالش‌های مهم در تولید بیواتانول، بهینه‌سازی شرایط فرایند تخمیر است. در این زمینه، مدل‌سازی و پیش‌بینی دقیق فرایندها با استفاده از روش‌های مدرن، امری ضروری محسوب می‌شود. شیره توت قرمز (Morus rubra, Red mulberry)، به‌عنوان منبع غنی قندهای طبیعی، می‌تواند به‌عنوان ماده خام برای تولید بیواتانول استفاده شود. Saccharomyces cerevisia به‌عنوان مخمر صنعتی اصلی برای تخمیر قندها و تولید بیواتانول شناخته می‌شود. مطالعه حاضر، پس از مرور ادبیات و پیش‌زمینه‌های مربوط، شامل مراحل تولید بیواتانول از شیره رقیق‌شده توت قرمز، بهینه‌سازی شرایط عملیاتی برای تولید بیواتانول با خلوص بالا، جداسازی و خالص‌سازی بیواتانول با درصد خلوص بالا، و مقایسه بین دو روش طراحی تجربی(روش سطح پاسخ (RSM) و منطق فازی) برای پیش‌بینی نتایج خروجی است. مواد و روش‌ها: مواد خام استفاده‌شده برای تولید بیواتانول، آبمیوه توت قرمز با ارزش بریکس برابر با 78 بود که از بازارهای محلی سنندج تهیه شد، مخمر Saccharomyces cerevisia با کد. PTCC 5269 از مؤسسه پاستور ایران تهیه و فعال‌سازی شد. شیره توت قرمز با آب مقطر تا بریکس برابر با 10 رقیق شد. محلول تهیه‌شده با pH اسیدی 4.75 تنظیم شد (که مقدار بهینه رشد برای مخمر استفاده‌شده است). غلظت مخمر به مقدار g/L 0.375 اضافه شد و مخلوط در شیکر انکوباتور با شرایط سرعت 200 دور در دقیقه و °C 30 قرار گرفت. مقادیر ثابت شامل حجم تلقیح mL 150 و حجم خوراک اولیه mL 350 با غلظت بریکس برابر با 10 بود. طراحی آزمایشی برای بهینه‌سازی pH، مدت‌زمان و دمای فرایند تولید بیواتانول به‌منظور حداکثر سازی بازده تولید بیواتانول انجام شد. یافته‌ها: برای اعتبارسنجی متغیرهای مستقل در طراحی آزمایش، از آستانه مقدار p-value برابر با 05/0 به‌طور مشابه روش‌ها استفاده شد. برای متغیرهای مستقل (دما، مدت فرایند و pH)، اثرات خطی متغیرهای مستقل (دما، زمان و pH) بر غلظت اتانول معنی‌دار بودند؛ مقدار p برای آن‌ها به ترتیب 0.009، 0.001 و 0.009 بود. مقدار R² مدل برابر با 96.93% بود که نشان‌دهنده برازش مناسب و توان پیش‌بینی بالای مدل است. نقطه بهینه که از طراحی آزمایشی شناسایی شد، تقریباً برابر با 66 ساعت زمان فرایند در دمای °C 30.65 و pH برابر با 5.18است، که با استفاده از شیره توت قرمز، بازده تولید اتانول حدود 14.86% خواهد بود. بیواتانولی که در این مطالعه تولید شد، خلوص نسبتاً پایینی داشت و بازده بهینه برابر با 14.62٪ بود؛ این کاهش خلوص به وجود ترکیبات معلق و نامحلول مانند اسیدها، قندها، پروتئین‌ها و فرآورده‌های جانبی نسبت داده می‌شود. جداسازی اتانول از محلول بهینه از طریق تقطیر انجام شد. پس از 12 ساعت تقطیر، محصول پالایش‌شده و توسط آنالیز رفراکتومتری تجزیه‌وتحلیل شد و خلوص 90.39٪ به‌دست آمد. سپس چندین تابع عضویت (مثلثی، ذوزنقه‌ای، زنگدیس تعمیم‌یافته، گاوسی، گاوسی ترکیبی و Π شکل) برای طراحی مدل فازی ارزیابی شدند. درنهایت، مدل بهینه شامل 4، 3 و 3 تابع عضویت برای سه پارامتر ورودی و 36 قانون فازی انتخاب شد. مدل فازی عملکرد مناسبی داشت و میانگین خطای نسبی آن 8.51٪ بود. نتیجه‌گیری: شیره توت قرمز پتانسیل بالایی برای تولید بیواتانول نشان داد. مخمر Saccharomyces cerevisia نشان‌دهنده توان مقاوم در تولید بیواتانول بود و تحلیل‌ها نشان داد که این عامل به‌طور معناداری بر بازده اتانول تأثیر می‌گذارد. ویژگی‌های محصول نهایی نشان‌دهنده محتوای اتانول مناسب با تیرگی کم و رنگ مناسب بود. فرایند تقطیر منجر به تولید بیواتانولی با خلوص بالاتر و مقدار بریکس پایین‌تر نسبت به نمونه اولیه گردید.