بهبود تخمیر بی‌هوازی ضایعات کشاورزی با استفاده از پیش‌تیمار فراصوت به‌منظور افزایش تولید بیوهیدروژن: مطالعه مسیر متابولیکی واکنش‌ها

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمود محمودی اشکفتکی ¹

امین لطفعلیان دهکردی ²

حمید خفاجه ¹

سیده حدیثه بهرام شابهرامی ¹

¹ گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه جهرم، جهرم، فارس، ایران

² گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

https://doi.org/10.22067/jam.2026.98121.1477

چکیده

تولید بیوهیدروژن از زیست‌توده‌های کشاورزی به‌عنوان یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، تأثیر پیش‌تیمار فراصوت بر بهبود تخمیر بی‌هوازی و افزایش تولید بیوهیدروژن از برخی ضایعات کشاورزی مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، سه نوع زیست‌توده شامل ضایعات ذرت، ضایعات سیب‌زمینی و پوست موز به‌عنوان بستر تخمیر مورد استفاده قرار گرفتند و نمونه‌ها تحت پیش‌تیمار فراصوت به مدت 5 دقیقه در توان 300 وات قرار گرفتند. نتایج نشان داد استفاده از پیش‌تیمار فراصوت به‌طور کلی موجب افزایش 50.87 درصدی تولید بیوهیدروژن نسبت به نمونه‌های بدون پیش‌تیمار شد. همچنین بررسی روند تجمعی گازهای تولیدی نشان داد که اعمال این پیش‌تیمار موجب افزایش 2.9 درصدی تولید متان گردید. در میان زیست‌توده‌های مورد بررسی، پوست موز بیشترین تأثیرپذیری از پیش‌تیمار فراصوت را نشان داد، به‌طوری‌که میزان تولید بیوهیدروژن در این بستر حدود 500 درصد افزایش یافت. در مقابل، تولید متان در برخی تیمارها اندکی کاهش نشان داد که می‌تواند ناشی از افزایش ترکیبات آنتی‌باکتریال نظیر تانن‌ها و فنول‌ها در محیط تخمیر در اثر اعمال پیش‌تیمار فراصوت باشد. به‌طور کلی نتایج این پژوهش نشان داد که پیش‌تیمار فراصوت می‌تواند به‌عنوان روشی مؤثر برای بهبود کارایی تخمیر بی‌هوازی و افزایش تولید بیوهیدروژن از ضایعات کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

بیوگاز

پیش‌تیمار فراصوت

ذرات فرار

ضایعات کشاورزی

هضم بی‌هوازی

موضوعات

• پایداری، زیست‌اقتصاد چرخشی و تاب‌آوری محیطی

---

Authors retain the copyright. This is an open access article distributed under Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0)

مراجع

1. Deshavath, N. N., Veeranki, V. D., & Goud, V. V. (2019). Lignocellulosic feedstocks for the production of bioethanol: Availability, structure, and composition. In Sustainable Bioenergy: Advances and Impacts (pp. 1–19). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817654-2.00001-0
2. Kamali, S. M., Abdi, R., Rohani, A., Abdollahpour, S., & Ebrahimi, S. (2022). Optimization of Biogas Production Efficiency from Anaerobic Digestion of Organic Fraction of Municipal Solid Waste under Thermal Pretreatment at Different Concentrations. Journal of Agricultural Machinery, 12(3), 409-421. https://doi.org/22067/jam.2021.68771.1018
3. Kim, D. (2018). Physico-chemical conversion of lignocellulose: Inhibitor effects and detoxification strategies: A mini review. Molecules, 23, 309. https://doi.org/10.3390/molecules23020309
4. Kumar, A. K., & Sharma, S., (2017). Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: A review. Bioresources and Bioprocessing, 4, Article 7. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0137-9
5. Mahmoodi-Eshkaftaki, M., & Ghani, A. (2022). An efficient process for improvement of biohydrogen and biomethane production from tomato waste: Inhibitory effects of ultrasonic pretreatment. Fuel, 328, 125273. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125273
6. Mahmoodi-Eshkaftaki, M., Ebrahimi, R., & Ghasemi-Pirbaloti, A. (2017). Qualitative and quantitative analysis of biogas generated from co-digestion of cow dung, municipal sewage and kitchen waste. Journal of Agricultural Machinery, 7(1), 192-203. https://doi.org/10.22067/jam.v7i1.47760
7. Mahmoodi-Eshkaftaki, M., Rafiee, M. R., & Mahmoudi, M. (2023). Efficiency of ultrasonic pretreatment on improving biodegradability of tomato wastes and increasing biohydrogen production. BioEnergy Research, 16(4), 2590-2603.
8. Mahmoodi-Eshkaftaki, M., & Rahmanian-Koushkaki, H. (2020). An optimum strategy for substrate mixture and pretreatment in biogas plants: Potential application for high-pH waste management. Waste Management, 113, 329-341.
9. Mockaitis, G., Bruant, G., Guiot, S. R., Peixoto, G., Foresti, E., & Zaiat, M. (2020). Acidic and thermal pretreatments for anaerobic digestion inoculum to improve hydrogen and volatile fatty acid production using xylose as the substrate. Renew Energy, 145, 1388-1398. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.06.134
10. Safari, M., & Abdi, R. (2016). Comparison of biogas production from rapeseed and wheat residues in compound with cattle manure. Journal of Agricultural Machinery, 6(2), 476-487. https://doi.org/10.22067/jam.v6i2.45667
11. Sami, M., Akram, A., & Sharifi, M. (2021). Potential evaluation and modeling of biogas production from apple pomace. Journal of Agricultural Machinery, 11(2), 305-316. https://doi.org/22067/jam.v11i2.80322
12. Taghinazhad, J., Abdi, R., & Adl, M. (2018). Modeling of biogas production process from cow manure with completely stirred tank reactor under semi continuously feeding. Journal of Agricultural Machinery, 8(1), 159-169. https://doi.org/22067/jam.v8i1.57758
13. Tajmirriahi, M., Momayez, F., & Karimi, K. (2020). The critical impact of rice straw extractives on biogas and bioethanol production. Bioresource Technology, 319, 124167. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124167
14. Wang, X., Tsang, Y. F., Li, Y., Ma, X., Cui, S., Zhang, T. A., Hu, J. & Gao, M. T. (2017). Inhibitory effects of phenolic compounds of rice straw formed by saccharification during ethanol fermentation by Pichia stipites. Bioresource Technology, 244, 1059-1067. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.096
15. Yalcinkaya, S., & Malina, J. F. (2015). Anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge and un- dewatered grease trap waste for assessing direct feed of grease trap waste in municipal digesters. International Biodeterioration & Biodegradation,104, 490-497. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2015.08.007
16. Yang, G., & Wang, J. L. (2019). Ultrasound combined with dilute acid pretreatment of grass for improvement of fermentative hydrogen production. Bioresource Technology, 275, 10-18. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.12.013