بخشی از مقاله
بهبود تولید بیوگاز با پیش فرآوري هاي گوناگون از ضایعات مرکبات
چکیده
امروزه جهان با کمبود و کاهش منابع انرژي و ذخایر سوخت هاي فسیلی روبه رو است. از سوي دیگر با رشد صنعتی کشور ها، مصرف انرژي رو به افزایش است.علاوه برآن مصرف سوخت هاي فسیلی منجر به آلودگی و گرم شدن جهانی هوا، تغییرات اقلیمی جو و رهاسازي گازهاي گلخانه به اتمسفر نیز می شود. از طرفی با افزایش و پیشرفت صنعت کشاورزي، ضایعات آن رو به فزونی هست که خود عاملی براي مشکلات زیست محیطی می شود. ضایعات مرکبات از جمله موادي هست که متشکل از پلیمرهاي مختلف کربوهیدرات محلول و غیر محلول بوده که این مواد، مناسب براي تولید سوخت هاي زیستی بیولوژیکی مانند بیوگاز می باشد. با توجه به در دسترس بودن این ضایعات و قیمت پایین آن ها، استفاده از آن ها می تواند مشکلات این فرآیند را تا حدودي بر طرف، آن را اقتصادي و به کاهش آلودگی هاي محیط زیست کمک نماید. در پژوهش حاضر بیوگاز از پوست پرتقال با انجام پیش فرآوري هاي اتوهیدرولیزي ، اسیدي و بازي تولید شده است. در پیش فرآوري اتوهیدرولیزي از آب مقطر در به مدت 2 ساعت،پیش فرآوري اسیدي از محلول اسید سولفوریک رقیق 1 درصد به مدت نیم ساعت و پیش فرآوري بازي از محلول سدیم هیدروکسید رقیق 1 درصد به مدت 2 ساعت استفاده شد. در تمامی پیش فرآوري ها از سیستم تقطیر با بخار ساده در دماي جوش محلول به منظور کاهش عوامل بازدارنده به کار برده شد. بیشترین متان تولیدي 543) میلی لیتر به ازاي هر گرم جامد فرار) مربوط به پیش فرآوري اسیدي و اتوهیدرولیزي بود.یک خط فاصله با قلم بینازنین 10
واژه هاي کلیدي:انرژي، بیوگاز، ضایعات مرکبات، پیش فرآوري
-1 مقدمه
تا به امروز، بخش عمده ي انرژي مورد نیاز در جهان، از طریق منابع تجدید ناپذیر مانند زغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی برآورده شده است. .[1] اگرچه مصرف گسترده انرژي حاصل از سوختهاي فسیلی موجب رشد سریع اقتصادي جوامع پیشرفته صنعتی شده است اما به واسطه انتشار آلایندههاي حاصل از احتراق و افزایش دياکسیدکربن در جو و پیامدهاي آن، جهان را دچار تغییرات برگشت ناپذیري کرده است. از طرف دیگر کاهش ذخایر انرژي فسیلی نظیر نفت ،گاز و زغال سنگ و تجدیدناپذیر بودن این منابع و پیشبینی افزایش نیاز و به تبع آن افزایش قیمت، بیش از پیش بر اهمیت و لزوم جایگزینی سیستم انرژي فعلی تأکید دارد .[1]
باقیمانده گیاهان شامل زائدات کشاورزي و جنگلی و فضولات جانوري و پساب برخی از صنایع حاوي کربن آلی میباشد، که به عنوان زیست توده شناخته میشوند. [2] همواره سوزاندن زائدات کشاورزي یکی از راههاي تولید انرژي بوده است اما سوزاندن همه زائدات کشاورزي به علت رطوبت زیاد مقدور نمیباشد بجز چوب و نی و برخی دیگر از زائدات می باشد. .[3]
وقتی ترکیبات آلی از قبیل مواد غذایی، ضایعات گیاهان، کود حیوانی، لجن فاضلاب و بخش زیست تخریب پذیر پسماند هاي جامد شهري در غیاب اکسیژن تجزیه شوند، گازي تولید می کنند که محتوي %40-60 متان بوده و ترکیب غالب در باقیماندهی آن دي اکسیدکربن است. در صورتی این گاز مشتعل شود مانند گازهاي مایع شده نفتییا گاز طبیعی فشرده به خوبی می سوزد. اینگاز معمولاً بیوگاز نامیده می شود. [1] براي برآورده شدن این هدف، تمامی سوخت هاي مبتنی برنفت می توانند به وسیله سوخت هاي زیست توده تجدیدپذیر از جمله اتانول، بیودیزل، بیوگاز، و بیوهیدروژن جایگزین شوند .[4]
دلیل تمایز بیوگاز نسبت به سایر انرژيهاي تجدیدپذیر ،جمعآوري و کنترل مواد آلی زائد کشاورزي، شهرها و صنایع میباشد که تأثیر فراوانی در حفاظت از محیط زیست دارد و موجب کاهش ورود گازهاي گلخانهاي به جو زمین میگردد.[5]
مواد ضایعاتی بخش غیر قابل انکار از جامعه بشري است. ضایعات توسط چندین بخش از جمله صنایع، جنگلداري، کشاورزي و شهرداري ها تولید می شود. تجمع زباله نتیجه در مشکلات متعدد زیست محیطی، مسائل مربوط به سلامت و خطرات، و جلوگیري از توسعه پایدار در شرایط بازیابی منابع و بازیافت مواد ضایعات .[6]
در میان محصولات کشاورزي، مرکبات فراوان ترین محصول در جهان با تولید سالانه بیش از 88 میلیون تن می باشد .[7] تقریبا % 33 از محصولات، از جمله پرتقال، لیمو، گریپ فروت و ماندارین، براي تولید آب میوه صنعتی استفاده می شوند،که در حدود نیمی از پردازش مرکبات شامل لایه برداري،غشاء و فرآیندهاي غشایی و دانه ها انجام می شود تا به عنوان ضایعات پردازش شود .[7] این باقیمانده جامد به عنوان ضایعات مرکبات به مقدار15میلیون تن در سال در سراسر جهان تولید می شود. [8] در حال حاضر، بخش هایی از ضایعات مرکبات خشک و به بازار عرضه شده و به عنوان خوراك گاو کم پروتئین به نام " مرکبات پلت پالپ "و بقیه در محل هاي دفن زباله دور ریخته می شود. دفع پوست هاي تازه ي مرکبات در حال تبدیل شدن به یک مشکل عمده براي بسیاري از کارخانه جات می باشد. با توجه به هزینه بالا و رو به رشد حمل و نقل و دفع اینضایعات به مرحله اي می رسیم که بازیافت مواد غذایی از ضایعات کشاورزي کاملأ توجیه اقتصادییافته است. علاوه بر آن، این زباله ها در ایجاد مشکلات متعدد زیست محیطی و همچنین مسائل مربوط به بهداشت و ایمنی و نقش بسزایی دارند 7] ، .[8
با توجه به اجزاي سازنده ضایعات مرکبات ، آنها داراي پتانسیل بالا براي کاهش آلودگی میکروبیولوژیکی و محیط زیستی هستند و همچنین می تواند به عنوان یک منبع طبیعی جایگزین منابع غیر تجدید پذیر شود. ضایعات مرکبات متشکل از پلیمرهاي مختلف کربوهیدرات محلول و غیر محلول بوده که این مواد خام، ایده آل و مناسب براي تولید و استخراج مواد با ارزش شیمیایی و همچنین احتمال تبدیل به سوخت هاي زیستی بیولوژیکی مانند اتانول و بیوگاز می باشد، که مزایایی از نظر بازیابی انرژي و کاهش نگرانی هاي زیست محیطی دارد، در واقع، ضایعات پرتقال به عنوانیک منبع بالقوه براي تولید بیوگاز نشان داده شده است .[9]
به منظور بهره برداري از حداکثر ارزش افزوده از پوست زباله، به اطلاعات قابل اعتماد در مورد ترکیب شیمیایی از آن ضروري است. به طور خلاصه پوست پرتقال حاوي نشاسته قند محلول، فیبر از جمله سلولز، همی سلولز، لیگنین و پکتین، خاکستر، چربی و پروتئین، هست که در جدول زیر شرح داده شده است .[10]
یکی از موانع اصلی و بازدارنده در استفاده از پرتقال زباله پوست براي بیوگاز، روغن پوست آن است . براي رسیدن به تخریب مورد نیاز براي تولید بیوگاز از پوست پرتقال به عنوان ماده خام، حذف و استخراج لیمونن مورد نیاز است . با این حال، بیش از 295ازروغنپوستدرحالحاضر داراي ماده اي به عنوان لیمونن که براي میکروارگانیسم هاي مورد استفاده در فرآیند بی هوازي بسیار سمی است ، وجود دارد. مرکبات تقریبا داراي% 1/4-0/8 لیمونن هستند که تا غلظت 0/05 تا % 0/1 اثر بازدارندگی دارند .[9]
سه پیشنهاد براي کاهش محتوي مقدار لیمونن در پوست پرتقال وجود دارد. در واقع، لیمونن را می توان به صورت اسانس پوست پرتقال در مرحله پیش فرآوري بهبود داد. پیشنهاد دیگر این است که اسانس در پوست پرتقال فرار است و می توان با تبخیر بدست آورد. آخرین پیشنهاد این است که لیمونن را می توان به ترکیبات دیگر که انتظار می رود براي هضم بی هوازي سمی تبدیل شود. بر اساس این ایده، روش هاي مختلف پیش فرآوري براي COپوست پرتقال در نظر گرفته شده است، از جمله می توان بع عملیات فشار، تقطیر با بخار، انفجار بخار، درمان اسید /قلیایی، استخراج جامد و مایع، استخراج 2 فوق بحرانی، هوادهی، عملیات حرارتی اشاره نمود .[11]
روش هاي زیادي جهت پیش فرآوري مواد لیگنوسلولزي ارائه شده است که روش مناسب با توجه به نوع سوبسترا انتخاب می شود . این روش ها در چهار دسته کلی فیزیکی، شیمیایی، فیزیکی-شیمیایی و بیولوژیکی قرار می گیرند.[12] هر کدام از این روش ها معایب و مزایایی دارندکه با توجه به نوع سوبسترا، یک روش و حتی گاهی ترکیبی از روش ها براییک پیش فرآوري موثر انتخاب می شوند.
در کار ویکندري و همکارانش[13] به منظور حذف مواد بازدارنده از پیش فرآوري استخراج جامد- مایع (لیچینگ) با حلال هاي هگزان،دي اتیل اتر، دي کلرومتان و اتیل استات استفاده کرد . مواد پیش فرآوري شده را در رآکتورهاي بی هوازي به منظور تولید بیوگاز به کار برد. در اینروش از نسبت 12/1 پوست به حلال ( وزنی/حجمی ) به مدت 10 دقیقه در دماي 20 درجه سانتی گراد و حلال هگزان بهترین نتیجه تولید بیوگاز به میزان0/217 مترمکعب بر حسب کیلوگرم وي اس بدست آورد.
در این تحقیق در ابتدا براي آماده سازي سوبستراي مناسب از پیش فرآوري فیزیکی(آسیاب کردن) استفاده می شود. در ادامه به منظور حذف مواد بازدارنده، از سیستم تقطیر ساده با بخار براي انجام پیش فرآوري بر روي سوبسترا (ضایعات پوست پرتقال) مورد بررسی قرار گرفت. پیش فراوري ها شامل پیش فرآوري هاي اسیدي، بازي و اتوهیدرولیز بود که پس از انجام آن ، مواد مورد تجزیه بی هوازي و تولید بیوگاز قرار گرفت و پارامترهاي مؤثر بر آن بررسی گردید.
قبل از تیترهاي بعدي، یک خط فصله با قلم بی ¬نازنین 10
-2 مواد و روش ها
-1 -2 مواد اولیه
ضایعات مرکبات به عنوان بیومس از شهرهاي شمالی ایران تهیه شد و در تمامی آزمایش ها از آن استفاده گردید. از بین مرکبات ، پرتقال براي انجام آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت. نخست آب میوه توسط دستگاه آبمیوه گیري گرفته شد و پس از آن پوست پرتقال ها از سایر قسمت ها جدا گردید و در محیط و به کمک فن به مدت یک شبانه روز خشک گردید .در این قسمت اجزاي مختلف آن توزین گردید. مواد خشک شده را آسیاب و سپس به کمک مش هاي 20 و 80 الک گردیدند تا اندازه آن ها به کمتر از یک میلی متر قرار گیرند.
به منظور احتساب یک معیار براي انجام آزمایشات ، وزن خشک نمونه (جامدات کل) و همچنین میزان جامدات فرار خوراك اندازه گیره شد. بدین منظور که مقدار معینی از سوبسترا( نمونه خشک شده) در یک آونی با دماي 105 درجه سانتی گراد قرار داده شد.حداقل زمان لازم براي از بین رفتن رطوبت نمونه ها 4 ساعت می باشد . پس از گذشت این زمان، در مقاطع زمانی مختلف، نمونه ها تا زمان سرد شدن در دسیکاتور قرار داده و وزن شدند تا نهاتاًی وزن نمونه ها ثابت شد. مقدار رطوبت محاسبه شده و در تمامی مراحل آزمایش ها از سوبسترا بر مبناي وزن خشک استفاده گردیده است.
میزانجامدات فرار نیز از معیارهایی است که براي اندازه گیري مقدار مواد آلی موجود در نمونه به کار برده می شود و معمولاً بیوگاز تولیدي ترکیبات لیگنوسلولزي بر حسب واحد جامدات فرار بیان می شود .[13] براي تعیین میزان جامدات فرار، مقدار مشخصی از نمونه را که قبلأ وزن خشک آن تعیین شده بود را به مدت نیم TSساعت در کوره الکتریکی در درجه حرارت حدود550 VS درجه سانتیگراد قرار داده و در نهایت وزن خاکستر باقی مانده تعیین می شود. درصد جامدات کل ( ) از فرمول (1) و مقدار درصد جامدات فرار ( ) نمونه از فرمول (2) محاسبه می گردند .[14]
که در روابط فوق، w1 وزن بوتهي خالی، w2 وزن بوته و نمونه، w3 وزن بوته و نمونه خشک و w4 وزن بوته به همراه خاکستر باقیمانده می باشد.
-2-2 پیش فرآوري
سوبستراي مورد نظر پس از اندازه گیري آزمایش هاي اولیه صورت گرفته به منظور انجام و تولید بیوگاز مورد پیش فرآوري قرار گرفت. در انجام این کار از سه روش پیش فرآورییعنی پیش فرآوري اسیدي ،پیش فرآوري بازي و اتوهیدرولیز استفاده گردید.
در همه ي پیش فرآوري ها از سیستم تقطیر بخار ساده که در آزمایشگاه بیوتکنولوژي دانشکده مهندسی شیمی راه اندازي شده است انجام پذیرفت.این سیستم متشکل از یک ظرف بالونی شکل،یک کندانسور، گرم کننده برقی به همراه همزن، لوله هاي رابط و یک ظرف حاوي آب مقطر به منظور جبران آب به کار برده می شود، می باشد .
براي انجام پیش فرآوري اسیدي از محلول رقیق اسید سولفوریکیک درصد (حجمی/حجمی) با نسبت جامد به مایع 1 به ) 20 بر مبناي وزن خشک)، به مدت زمان 30 دقیقه در دماي جوش محلول ( با توجه به فشار محیط آزمایشگاه، نقطه جوش برابر هست با 94/5 درجه سانتی گراد) استفاده گردید. به دلیل اینکه تماس جامد و مایع در حین فرآیند بهتر صورت بگیرد،همزن دستگاه گرمکن با دور متوسط مورد استفاده قرار گرفت. به منظور حفظ غلظت درون محلول که به خاطر از دست رفتن میزان آب کاهش مییابد، مقداري آب جبرانی به سیستم افزوده می شود.پس از انجام این فرآیند،جامد پیش فرآوري شده از مایع جدا شده و براي استفاده در مراحل بعدي درون یخچال نگهداري شد.
براي انجام پیش فرآوري بازي از محلول سدیم هیدروکسید رقیقیک درصد (وزنی/حجمی) با نسبت جامد به مایع 1 به ) 20 بر مبناي وزن خشک)، به مدت زمان 2 ساعت در دماي جوش محلول همانند پیش فرآوري اسیدي استفاده گردید وجامد پیش فرآوري شده از مایع جدا شده و براي استفاده در مراحل بعدي درون یخچال نگهداري شد .
در پیش فرآوري دیگر که از آب مقطر استفاده شد، فرآیند همچنان همانند پیش فرآوري اسیدي در مدت زمانی 2 ساعت صورت پذیرفت و جامد و مایع آن به صورت جداگانه درون یخچال نگهداري شد.
-2-2 خنثی سازي
بعد از پیش فرآوري، براي کاهش مواد سمی و بازدارنده و همچنین تنظیم PH و خنثی سازي سوبسترا، مایع پیش فرآوري شده ي اسیدي به وسیلهی پودر کلسیم هیدروکسید در دماي محیط خنثی شد . براي مایع پیش فرآوري شده بازي به کمک محلول اسید سولفوریک دومولار این کار صورت پذیرفت. سپس براي حذف رسوبات تشکیل شده، محلول سانتریفیوز گشت و براي استفاده هاي بعدي در دماي زیر صفر درجه سانتی گراد نگه داشته شد.[15]
جامد هاي بدست آمده از پیش فرآوري ها به کمک آب شست وشو و خنثی گردیدند. در پایان جامدات در دماي محیط براي مدت 24 ساعت خشک شدند و در کیسه هاي مخصوص نگه داري شدند.
