Enhanced Bioethanol Production in Batch Fermentation by Pervaporation Using a PDMS Membrane Bioreactor

تلفيق فرآيند تخمير ناپيوسته و جداسازي غشايي با استفاده از تراوش تبخيري در يك بيوراكتور غشايي به منظور افزايش توليد بيواتانول در مقايسه با فرآيند تخمير سنتي در شرايط عملكرد بهينه، مورد مطالعه قرار گرفت. به اين منظور، يك بيوراكتور غشايي در مقياس آزمايشگاهي طراحي و ساخته شد. غشاي متراكم آب گريز پلي دي متيل سيلوكسان (PDMS) در فرآيند تراوش تبخيري به كار رفت. براي انجام فرآيند تخمير از باكتري Saccharomyces cerevisiae به عنوان ميكروارگانيسم و گلوكز به عنوان سوبسترا استفاده گرديد. در فرآيند سنتي تخمير ناپيوسته، راندمان غلظت سلولي و اتانول توليدي برمبناي مصرف سوبسترا به ترتيب برابر 32/0 و g/g 54/0بود. اما در بيوراكتور غشايي، اين مقادير به ترتيب برابر 41/0 و g/g 59/0 بود. به علاوه، بهره وري اتانول نسبت به فرآيند تخمير سنتي ناپيوسته تا مقدار 83/26% افزايش يافت. هم چنين، غلظت اتانول در سمت تراوشي تقريباً 6 تا 7 برابر بيشتر از مقدار آن در محيط كشت داخل بيوراكتور بود. برمبناي مدل سينتيكي و بيولوژيكي مونود، حداكثر نرخ رشد ويژه برابر h-1 966/0 بوده كه آن بيشتر از مقدار h-1 864/0 در بيوراكتور سنتي بوده است. در مقايسه با فرآيند تخمير سنتي، بيوراكتور غشايي باعث افزايش غلظت سلولي، كاهش ممانعت اتانول، بهبود بهره وري و راندمان و هم چنين بازيافت اتانول تغليظ شده گرديد. موارد فوق به دليل حضور غشا به عنوان يك جداساز گزينش پذير براي حذف اتانول از محيط كشت داخل بيوراكتور مي باشد.

The integration of batch fermentation and membrane-based pervaporation process in a membrane bioreactor (MBR) was studied to enhance bioethanol production compared to conventional batch fermentation operated at optimum condition. For this purpose, a laboratory-scale MBR system was designed and fabricated. Dense hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) membrane was used for pervaporation. For fermentation, pure stock culture of Saccharomyces cerevisiae as microorganism and glucose as substrate were used. In conventional batch fermentation, the yields of cell and ethanol concentration based on substrate consumption were 0.32 and 0.54 g/g, respectively. But in MBR, these values improved to o.41 and 0.59 g/g, respectively. In addition, the ethanol productivity increased by at least 26.83% over conventional bioreactor. Furthermore, ethanol concentration in permeated side was approximately 6 to 7 times higher than that of the broth. Based on Monod biological kinetic model, maximum specific growth rate was 0.966 h-1, more than 0.864 h-1 in conventional system. Compared to conventional batch fermentation, the MBR resulted in increase of cell density, decreasing ethanol inhibition, improved productivity and yield, and resumption of clean and concentrated ethanol. These effects can be attributed to the presence of membrane as a selective separation barrier for removal of ethanol from fermentation broth.