بخشی از مقاله
چکیده
این آزمایش به منظور بررسی شرایط تخمیر ضایعات ارزان میوه خرما بر غلظت بیواتانول و کاهش هزینه ها در یک طرح کاملاٌ تصادفی با 3 تیمار - تخمیر در شرایط بی هوازی، هوازی، بی هوازی و هم زدن - و 5تکرار مورد بررسی قرار گرفت. در تمام مدت تخمیر دما تقریباً ثابت 3 - درجه نوسان - و به طور دائم با دماسنج اندازهگیری شد. در پایان تخمیر برای تکرارهای تیمارهای مختلف عمل تقطیر انجام، سپس با الکل سنج غلظت تعیین و ثبت شد. آنالیز داده ها با استفاده از نرم افزار SAS نشان داد که غلظت بیواتانول تکرارهای تیمار بی هوازی با هم زدن نسبت به سایر تیمارها بالاتر است . - P< 0.05 - غلظت بیواتانول در تکرارهای تیمار هوازی پایین تر از سایر گروه ها به دست آمد . - P < 0.05 - با توجه به نتایج، تخمیر الکلی یک فرآیند بی هوازی است و هم زدن غلظت را افزایش داد. این افزایش غلظت با کاهش هزینه های تقطیر مرتبط است و در نهایت با پیشرفت روز به روز قیمت نفت مقابله خواهد کرد.
کلمات کلیدی: خرما، تخمیر، غلظت، اتانول
.1 مقدمه
با توجه به کاهش منابع انرژی و نگرانی از افزایش آلودگی محیط زیست استفاده از سوخت های تجدیدپذیر زیستی نیاز حیاتی است. پیشرفت صنعت، علم و تکنولوژی سوخت بیواتانول مستلزم مواد اولیه ارزان جهت کاهش هزینه های تولید است. یک واحد تولیدی بیواتانول سوختی با عدد اکتان بالاتر از 110، نیاز به کارخانه ای مجهز دارد که برای احداث آن، سرمایه گذاری مناسب، توجیه اقتصادی کافی و نیروی متخصص کارآمد لازم است. صنعت تهیه اتانول هزینه های گزافی را به خود اختصاص می دهد. تولیدکنندگان باید همواره از قابلیت بالقوه مواد خوراکی جدید آگاه باشند، تا به عنوان جایگزین در صنایع تخمیری کشور مورد استفاده قرار گیرد.
اتانول یا الکل اتیلیک با فرمول شیمیایی C2H5OH را می توان هم به روش پتروشیمیایی - هیدراسیون گاز اتیلن - و هم به روش بیوتکنولوژی از مواد اولیه گوناگون با منشاء طبیعی تولید کرد. به اتانولی که به روش زیستی تولید شود "بیواتانول" گویند، سوختی تجدید پذیر با منشاء غیر فسیلی - والکر و همکاران، - 2010، سوخت غیرسمی، ایمن و قابل تجزیه بیولوژیکی است - بنی اسدی و همکاران، . - 1392 درحال حاضر تنها %7 از اتانول تولیدی جهان به روش شیمیایی و بقیه به روش تخمیر تولید می شود - رمضانی و همکاران، . - 1390 بیواتانول از هر نوع مواد کربوهیدرات با فرمول - CH2O - n استخراج می گردد. مشتقات شامل سه گروه: شکر، نشاسته و لیگنوسلولزی است که عبارتند از مواد قندی: نیشکر، چغندرقند، سورگوم شیرین، خرما و میوه ها - مازاد - ، ضایعات صنعت قنادی و ... ؛ مواد نشاسته ای: غلات، محصولات ریشه ای - سیب زمینی و ... - و ... و مواد سلولزی: چوب، باقی مانده های کشاورزی - کاه و ... - ، ضایعات کاغذ سازی و ... - والکر و همکاران، . - 2010 در سالهای اخیر تولید اتانول زیستی به طور وسیعی افزایش یافته است. کشور برزیل بزرگترین امتیاز تولید بیواتانول را دارد. در سال 1975 منبع تولید بیواتانول در این کشور، نیشکر بود. تولید اتانول از نیشکر در سال 2008 در کشور برزیل 30 میلیون لیتر است با افزایش تعداد واحدهای بیواتانول بالای 400 واحد در چند سال آینده تولید به 37 بیلیون در لیتر خواهد رسید - والکر و همکاران، . - 2010 تولید اتانول در ایالت متحده از 2,9 بیلیون گالن در سال - - 2003، به 5 بیلیون گالن در سال - 2005 - رسیده است - ملوین و همکاران، . - 2004 اولین مطالعه در تقطیر غلات در ایالت متحده امریکا در حدود 1907 منتشر شد. در ایالت متحده اکثر تولید اتانول از ذرت به دست میآید و از غلات دیگر هم استفاده می شود. تولید سالانه غلات تقطیری حدود یک میلیون تن در سال 1998 ، حدود 10 میلیون تن در سال 2006 به 16 میلیون تن در سال 2010 رسید - ویس و همکاران، . - 2007 تولید بیواتانول جهانی در سال 2007 به شرح جدول - 1 - میباشد.
جدول -1 تولید بیواتانول جهانی در سال - 2007 والکر و همکاران، - 2010
سالانه حجم دورریز ضایعات کشاورزی در مزارع کشور قابل تأمل است. استفاده از حداکثر پتانسیل ضایعات کشاورزی در داخل کشور یک راهکار منطقی و با ارزش است. در سال های اخیر از ضایعات مختلف محصولات کشاورزی جهت تولید بیواتانول استفاده می شود. بدین وسیله هم از مواد اولیه در دسترس استفاده میکنندو هم مشکلات دورریز این مواد و انباشته شدن آنها در محیط زیست را برطرف میکنند. در ایران تقریباً نیمی از محصولات کشاورزی بدون اینکه به مصرف برسد در مراحل مختلف از بین می روند و صنایع تبدیلی موجود در ایران به آن حد از رشد نرسیده که بتوانند از تمامی اجزاء یک محصول کشاورزی بهره مناسب و کامل ببرد با کسب تکنولوژی و ساماندهی میتوان از این مواد، در اکثر مواقع نیز مسایل زیست محیطی حادی را هم به دنبال دارد در جهت استفاده بهینه و تبدیل آنها به مواد با ارزش گامی در جهت شکوفایی اقتصاد کشاورز و کشاورزی برداشت - مهدوی و همکاران، . - 1383 استفاده %90 از 2 میلیون تن ضایعات کشاورزی حداکثر 410 میلیون لیتر بیو اتانول تهیه خواهد کرد که پاسخ گوی % 40 از متقاضیان تایوانی برای حمل ونقل است. مطلوب ترین منابع تولید بیواتانول در ایران گندم، باگاس نیشکر، برنج، جو و ذرت - نجفی و همکاران، - 1388، گیاه سورگوم شیرین می باشند - جان احمدی، . - 1391 خرما، یکی از محصولات عمده کشاورزی ایران، با ارزش غذایی بالا است. به علت دارا بودن مواد قندی علاوه بر مصرف غذایی در صنعت نیز کاربرد دارد. با توجه به انبوه ضایعات میوه خرما و قیمت پایین آن می توان با تخمیر قند به اتانول تبدیل کرد. در تحقیقی از خرماهای درجه 3و4 ضایعاتی به عنوان ماده اولیه ارزان برای تولید اتانول استفاده شد - فولادی، . - 1388
عوامل مختلفی اعم از شیمیایی و فیزیکی بر میزان تولید اتانول تأثیر دارند که می توانند تولید آن را افزایش دهند. روشهایی از قبیل انفجار بخاری، SO2 و سولفور رقیق شده غلات تقطیری باعث بالا رفتن میزان قند به اتانول می شود - ملوین و همکاران، . - 2004 ریاضی و همکاران - 1392 - در مطالعه ای نشان دادند که پس از هیدرولیز ساقه سورگوم با افزودن مخمر ساکارومایسس بر تولید بیواتانول تاثیر گذاشته که با احتساب %95 بازده تئوریک میزان اتانول تولیدی 45/9 گرم بر لیتر ارزیابی کردند. واعظی زاده و همکاران - 1389 - با استفاده از روش های شبیه سازی روابط متداول ریاضی جهت اندازه گیری میزان تولید اتانول از ضایعات خرما نشان دادند بهترین مدل برای تولید بیواتانول مدل گمپرتز با R2 بزرگتر از 0,98 بوده که از هر کیلوگرم شربت خرما با بریکس 20 - شیره خرما با بریکس 75 با اضافه کردن آب به بریکس 20 رسید - 72 گرم بیواتانول به دست آمده است. حتی میتوان خرمای ترش شده را توسط مخمر به روش تخمیر حالت غوطه وری استفاده و تفاله نهایی توسط نوعی قارچ غنی کرد - شکراللهی و همکاران، . - 1382 مهمترین چالش های روش ترموشیمیایی اقتصادی کردن آن برای تولید اتانول است. جهت کاهش هزینه ها می توان به موارد ذیل توجه نمود:
قیمت مواد اولیه - سوبسترای ارزان و در دسترس - غنی سازی مایع تخمیر جلوگیری از رشد میکروارگانیسم های مزاحم غلظت سوبسترا
شرایط تخمیر - بی هوازی، هوازی و ... - سوخت های زیستی باعث کاهش هزینه های حمل ونقل
افزایش غلظت اتانول با استفاده از ماده اولیه مناسب - سرشار از کربوهیدرات - جهت مقابله با بهای نفت مدیریت ضایعات کمک شایانی به کاهش آلودگی محیط زیست
با توجه به اینکه یکی از پارامترهای موثر در افزایش غلظت اتانول، شرایط تخمیر می باشد، تحقیق حاضر بر آن است تا با تهیه بیواتانول ضایعات خرما با غلظت بالاتر، هزینه های تولید را کاهش دهد.
.2 مواد و روش ها
این آزمایش در یک طرح کاملاٌ تصادفی با 3 تیمار - تخمیر در شرایط بی هوازی، هوازی، بی هوازی و هم زدن - و 5 تکرار مورد بررسی قرار گرفت. برای انجام فرایند تخمیر و تولید بیواتانول، خرمای ضایعاتی بدون هسته آسیاب و مقداری مخمر ساکارومایسس سرویزیه به آن اضافه گردید. سپس تخمیر به سه روش بی هوازی، هوازی و بی هوازی و هم زدن انجام شد. پس از تخمیر، تقطیر خانگی انجام گرفت و غلظت با استفاده از الکل سنج تعیین و ثبت شد. تقطیر الکل باعث جداسازی اتانول از مخلوط دوتایی آب و الکل براساس نقطه جوش می گردد. داده ها به کمک نرم افزار SAS مورد تجزیه آماری قرار گرفتند. برای تعیین اختلاف میانگین تیمارها از آزمون چند دامنه ای دانکن در سطح 5 درصد استفاده شد.
.3 نتایج و بحث
آنالیز واریانس داده ها در جدول - 2 - نشان داد بالاترین درصد غلظت اتانول، در تیمار تخمیر با شرایط بی هوازی و هم زدن مشاهده شد . - p< 0.05 - کمترین میزان غلظت اتانول در تیمار تخمیر با شرایط هوازی که اختلاف معنی دار با تیمار بی هوازی داشت مشاهده گردید. افزایش غلظت اتانول نشان دهنده قند بالا در خرما است. در تحقیقی آل شهیب و همکاران - 2010 - گزارش کردند خرما شامل درصد بالایی از کربوهیدرات - %88-44 - است. همچنین بارولد - 1993 - در آزمایشی نشان داد خرما مخلوطی از گلوکز - %32 - ، ساکارز - - %2/8 و فروکتوز - %7/32 - می باشد. قندها با تخمیر به اتانول و دی اکسید کربن تبدیل می شوند. در تحقیقی والکر و همکاران - 2010 - بیان کردند در فرآیند تخمیر ابتدا اسید پیروویک تشکیل، سپس اسید پیروویک تجزیه و به الکل اتیلیک تبدیل می گردد. تقریباً %90 اتانول توسط گلوکز و هگزوزها تولید میگردد. از هر کیلوگرم گلوکز تخمیر شده حدود 470 گرم اتانول تولید می شود - والکر و همکاران، . - 2010 جهت افزایش کیفیت تخمیر، مخمر ساکارومایسس سرویزیه به عنوان مایه مخمر به مخلوط خرما اضافه شد. میکروارگانیسمی که با سرعت بیشتر و هزینه کمتر قادر است به خوبی گلوکز خرما به اتانول تبدیل نماید. این تحقیق با گزارش باتکاک و همکاران - 1998 - که بیان کردند مخمر ساکارومایسس سرویزیه به طور معمول برای تولید اتانول از گلوکز مورد استفاده قرار می گیرد همسو است. همچنین موافق با تحقیق والکر و همکاران - 2010 - که گزارش کردند مخمر ساکارومایسس سرویزیه ، میکروارگانیسمی جهت تخمیر اتانولیک است. فولادی - 1388 - در آزمایشی نشان داد پودر خمیر مایه خارجی و استفاده از مواد مغذی باعث افزایش میزان تولید اتانول در محیط کشت شده و همچنین اضافه کردن مواد مغذی سرعت تخمیر را تسریع می کند. استفاده از شربت خرما با بریکس 20 برای تولید اتانول به وسیله مخمر ساکارومایسس قابل توصیه است - فولادی، . - 1388 ضایعات خرما سوبسترای مناسبی برای تولید اتانول با مخمر ساکارومایسس سرویزیه است.
طبق نتایج به دست آمده، تخمیر خرما فرآیندی بی هوازی است تا از رشد میکروارگانیسم های مزاحم جلوگیری شود. همچنین نتایج حاکی از آن است که مقادیر جزئی اکسیژن می تواند تخمیر را تحریک نماید زیرا حضور اکسیژن باعث رشد مخمر می گردد. این آزمایش با نتایج گرجی و همکاران - 1385 - موافق است که نشان دادند با حضور اکسیژن رشد مخمر و حفظ قابلیت زنده ماندن آن را به عنوان یک واحد ساختمانی در بیوسنتز چربی ها و لیپیدهای غیراشباع در میتوکندری، غشاء پلاسمایی و قابلیت زیست پذیری سلول ها افزایش می یابد.
