Production of biofuels from lignocellulosic waste /
Basma Ahmed Ali Mohamed,
Production of biofuels from lignocellulosic waste / حركة الأمواج في الجرافين الحراري ثلاثي الأبعاد و ذو طبقتين مختلفتين by Basma Ahmed Ali Mohamed ; Supervisors Prof. Dr. Bahia Yehia Riad, Prof. Dr. Nour Shafik El-Gendy, Dr. Heba K.A. Elhakim, Dr. Hussien Nassar. - 168 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 129-168.
The growing global energy demand and the environmental damage caused by
traditional fossil fuels have intensified the search for sustainable energy
alternatives, with biofuels emerging as a promising solution. This study explores
the potential of converting lignocellulosic waste, particularly rice straw, into
valuable biofuels through a combination of biological and thermochemical
processes.
Rice straw, an abundant but underutilized agricultural residue, presents a
significant opportunity for sustainable energy production. The study began with
the optimization of the Solid-State Fermentation (SSF) process to hydrolyze rice
straw into fermentable sugars. This was achieved by evaluating key parameters
such as pH, temperature, incubation time, salinity, and inoculum size using a one-
factor-at-a-time (OFAT) approach. Two fungal strains, Trichoderma
longibrachiatum DSMZ 16517 and Penicillium crustosum OR120431, were
employed in this process. The use of cost-effective spent waste media, like
molasses and corn steep liquor (CSL), as pre-cultivation media significantly
enhanced fungal growth and the saccharification efficiency of rice straw.
Molasses (10%) precultural media proved to be more effective, leading to
saccharification efficiencies of 34.77% for P. crustosum and 33.14% for T.
longibrachiatum, with total reducing sugar (TRS) yields of 25.76 g/L and 24.55
g/L, respectively.
Following the successful biological hydrolysis of rice straw, the study moved on
to optimize bioethanol production using response surface methodology (RSM).
Under optimal conditions, pH 5, 25°C, 50 rpm, and 5% inoculum size—an ethanol
yield of 14.7 g/L was achieved within 24 hours.
The remaining solid residues from the rice straw hydrolysis were then converted
into advanced biofuels using the hydrothermal carbonization (HTC) process.
Statistical optimization was employed to maximize the yields of hydrochar and
bio-oil. The HTC process yielded 55.22% hydrochar with a Higher Heating Value
(HHV) of 19.28 MJ/kg and 13.12% bio-oil with an HHV of 25 MJ/kg. The
optimal conditions for hydrochar production were identified as 160°C with a 1:20
biomass-to-water ratio for 12 hours, while for bio-oil production, the optimal
conditions were 180°C with a 1:30 biomass-to-water ratio for 20 hours.
This comprehensive approach highlights the effective conversion of rice straw
into bioethanol, hydrochar, and bio-oil, demonstrating the potential of using rice
straw for producing cleaner and more sustainable alternative biofuels to fossil
fuels. The study's findings not only contribute to addressing the global energy
crisis but also support environmental and economic sustainability goals by
providing viable solutions for waste disposal and greenhouse gas (GHG) emission
reduction. يتزايد الطلب العالمي على الطاقة، مما يجعل الاعتماد على الوقود الأحفوري المحدود والضار بالبيئة غير مستدام. لذلك، بات من الضروري البحث عن بدائل طاقة مستدامة، ويبرز الوقود الحيوي كأحد الحلول الواعدة. في هذا السياق، يركز هذا البحث على إمكانية تحويل النفايات اللجنوسليلوزية، وبالأخص قش الأرز، إلى وقود حيوي ذي قيمة، باستخدام تقنيات بيولوجية وكيميائية حرارية متقدمة.
يعد قش الأرز مخلفًا زراعيًا وفيرًا ولكنه غير مستغل بشكل كافٍ، وقد أظهرت الدراسة إمكانية تحويله إلى سكريات قابلة للتخمير من خلال عملية التخمير بالحالة الصلبة (SSF). تمت عملية التحسين عبر تقييم مجموعة من العوامل مثل الرقم الهيدروجيني (pH)، درجة الحرارة، مدة الحضانة، الملوحة، وحجم اللقاح، باستخدام نهج "عامل واحد في كل مرة" (OFAT). و استُخدمت سلالات فطرية مثل Trichoderma longibrachiatum DSMZ 16517 وPenicillium crustosum OR120431، وأثبتت النتائج فعالية استخدام وسائط تحضيرية مثل عسل السكر (المولاس) في تعزيز عملية التحلل السكري، مما أدى إلى زيادة كفاءة إنتاج السكريات.
بعد عملية التحلل الحيوي لقش الأرز، تم تحسين إنتاج الإيثانول الحيوي باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM)، مما أدى إلى تحقيق إنتاجية مثلى بلغت 14.7 جرام/لتر تحت ظروف محددة بدقة. بعد ذلك، تم تحويل البقايا الصلبة الناتجة من عملية التحلل إلى وقود حيوي متقدم باستخدام عملية الكربنة المائية الحرارية (HTC). وقد أظهرت عملية HTC نتائج مبهرة في إنتاج الفحم الحيوي والزيت الحيوي، حيث بلغت القيمة الحرارية العالية (HHV) للفحم الحيوي 19.28 ميجا جول/كجم، وللزيت الحيوي 25 ميجا جول/كجم.
توضح هذه الدراسة الشاملة الفعالية الكبيرة في تحويل قش الأرز إلى إيثانول حيوي، وفحم حيوي، وزيت حيوي، مما يعزز من إمكانية استخدام هذه المنتجات كبدائل نظيفة ومستدامة للوقود الأحفوري. تسهم هذه النتائج في دعم الاستدامة البيئية والاقتصادية من خلال تقديم حلول مبتكرة لإدارة النفايات وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، وبالتالي مواجهة التحديات المرتبطة بأزمة الطاقة العالمية.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Biofuels
الوقود الحيوى
Biofuels Lignocellulosic biomass, Bioethanol Hydrothermal carbonization Circular bioeconomy Trichoderma Penicillium Biological saccharification Fermentation Spent waste biomass Hydrochar Bio oil
662.88
Production of biofuels from lignocellulosic waste / حركة الأمواج في الجرافين الحراري ثلاثي الأبعاد و ذو طبقتين مختلفتين by Basma Ahmed Ali Mohamed ; Supervisors Prof. Dr. Bahia Yehia Riad, Prof. Dr. Nour Shafik El-Gendy, Dr. Heba K.A. Elhakim, Dr. Hussien Nassar. - 168 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 129-168.
The growing global energy demand and the environmental damage caused by
traditional fossil fuels have intensified the search for sustainable energy
alternatives, with biofuels emerging as a promising solution. This study explores
the potential of converting lignocellulosic waste, particularly rice straw, into
valuable biofuels through a combination of biological and thermochemical
processes.
Rice straw, an abundant but underutilized agricultural residue, presents a
significant opportunity for sustainable energy production. The study began with
the optimization of the Solid-State Fermentation (SSF) process to hydrolyze rice
straw into fermentable sugars. This was achieved by evaluating key parameters
such as pH, temperature, incubation time, salinity, and inoculum size using a one-
factor-at-a-time (OFAT) approach. Two fungal strains, Trichoderma
longibrachiatum DSMZ 16517 and Penicillium crustosum OR120431, were
employed in this process. The use of cost-effective spent waste media, like
molasses and corn steep liquor (CSL), as pre-cultivation media significantly
enhanced fungal growth and the saccharification efficiency of rice straw.
Molasses (10%) precultural media proved to be more effective, leading to
saccharification efficiencies of 34.77% for P. crustosum and 33.14% for T.
longibrachiatum, with total reducing sugar (TRS) yields of 25.76 g/L and 24.55
g/L, respectively.
Following the successful biological hydrolysis of rice straw, the study moved on
to optimize bioethanol production using response surface methodology (RSM).
Under optimal conditions, pH 5, 25°C, 50 rpm, and 5% inoculum size—an ethanol
yield of 14.7 g/L was achieved within 24 hours.
The remaining solid residues from the rice straw hydrolysis were then converted
into advanced biofuels using the hydrothermal carbonization (HTC) process.
Statistical optimization was employed to maximize the yields of hydrochar and
bio-oil. The HTC process yielded 55.22% hydrochar with a Higher Heating Value
(HHV) of 19.28 MJ/kg and 13.12% bio-oil with an HHV of 25 MJ/kg. The
optimal conditions for hydrochar production were identified as 160°C with a 1:20
biomass-to-water ratio for 12 hours, while for bio-oil production, the optimal
conditions were 180°C with a 1:30 biomass-to-water ratio for 20 hours.
This comprehensive approach highlights the effective conversion of rice straw
into bioethanol, hydrochar, and bio-oil, demonstrating the potential of using rice
straw for producing cleaner and more sustainable alternative biofuels to fossil
fuels. The study's findings not only contribute to addressing the global energy
crisis but also support environmental and economic sustainability goals by
providing viable solutions for waste disposal and greenhouse gas (GHG) emission
reduction. يتزايد الطلب العالمي على الطاقة، مما يجعل الاعتماد على الوقود الأحفوري المحدود والضار بالبيئة غير مستدام. لذلك، بات من الضروري البحث عن بدائل طاقة مستدامة، ويبرز الوقود الحيوي كأحد الحلول الواعدة. في هذا السياق، يركز هذا البحث على إمكانية تحويل النفايات اللجنوسليلوزية، وبالأخص قش الأرز، إلى وقود حيوي ذي قيمة، باستخدام تقنيات بيولوجية وكيميائية حرارية متقدمة.
يعد قش الأرز مخلفًا زراعيًا وفيرًا ولكنه غير مستغل بشكل كافٍ، وقد أظهرت الدراسة إمكانية تحويله إلى سكريات قابلة للتخمير من خلال عملية التخمير بالحالة الصلبة (SSF). تمت عملية التحسين عبر تقييم مجموعة من العوامل مثل الرقم الهيدروجيني (pH)، درجة الحرارة، مدة الحضانة، الملوحة، وحجم اللقاح، باستخدام نهج "عامل واحد في كل مرة" (OFAT). و استُخدمت سلالات فطرية مثل Trichoderma longibrachiatum DSMZ 16517 وPenicillium crustosum OR120431، وأثبتت النتائج فعالية استخدام وسائط تحضيرية مثل عسل السكر (المولاس) في تعزيز عملية التحلل السكري، مما أدى إلى زيادة كفاءة إنتاج السكريات.
بعد عملية التحلل الحيوي لقش الأرز، تم تحسين إنتاج الإيثانول الحيوي باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM)، مما أدى إلى تحقيق إنتاجية مثلى بلغت 14.7 جرام/لتر تحت ظروف محددة بدقة. بعد ذلك، تم تحويل البقايا الصلبة الناتجة من عملية التحلل إلى وقود حيوي متقدم باستخدام عملية الكربنة المائية الحرارية (HTC). وقد أظهرت عملية HTC نتائج مبهرة في إنتاج الفحم الحيوي والزيت الحيوي، حيث بلغت القيمة الحرارية العالية (HHV) للفحم الحيوي 19.28 ميجا جول/كجم، وللزيت الحيوي 25 ميجا جول/كجم.
توضح هذه الدراسة الشاملة الفعالية الكبيرة في تحويل قش الأرز إلى إيثانول حيوي، وفحم حيوي، وزيت حيوي، مما يعزز من إمكانية استخدام هذه المنتجات كبدائل نظيفة ومستدامة للوقود الأحفوري. تسهم هذه النتائج في دعم الاستدامة البيئية والاقتصادية من خلال تقديم حلول مبتكرة لإدارة النفايات وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة، وبالتالي مواجهة التحديات المرتبطة بأزمة الطاقة العالمية.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Biofuels
الوقود الحيوى
Biofuels Lignocellulosic biomass, Bioethanol Hydrothermal carbonization Circular bioeconomy Trichoderma Penicillium Biological saccharification Fermentation Spent waste biomass Hydrochar Bio oil
662.88