بخشی از مقاله
چکیده
دیر یا زود سوخت هاي فسیلی مانند نفت ، زغال سنگ وگاز طبیعی تمام خواهد شد. محدود بودن منابع سوختهاي فسیلی و همچنین پیامدهاي زیانبار زیستمحیطی ناشی از احتراق سوختهاي فسیلی، جوامع صنعتی را در این اندیشه فرو برد که براي دریافت انرژي به جز منابع نفتی باید در جستجوي یک جایگزین مناسب بود. انرژي توده زیستی - بیومس - پتانسیل زیادي به عنوان یک منبع انرژي دارد زیرا با فرآیند تخمیر میتوان زیست توده را به بیو اتانول تبدیل نمود. بیواتانول به عنوان یک سوخت ارزان، تجدیدپذیر و تمیز امروزه به عنوان مناسبترین گزینه براي جایگزینی سوختهاي فسیلی مطرح است و تولید آن در دستور کار بسیاري از دولت ها قرار گرفته است.
اهمیت این ماده امروزه به جایی رسیده است که تحلیلگران می گویند بزودي کشورهاي دنیا به 2 گروه کشورهاي تولیدکننده اتانول و مصرفکننده اتانول تقسیم خواهند شد که قدرت، ثروت و ... در اختیار گروه اول خواهد بود. در این مقاله، شبیه سازي فرایندهاي هیدرولیز و تولید بیواتانول سوختی جایگزین بنزین از دانه هاي سورگوم جارویی توسط شبکه عصبی انجام شده است.
از آنجاییکه نشاسته منبع اصلی کربوهیدراتهاي ذخیره شده در دانههاي سورگوم جارویی است و حدود 70-75% از وزن دانه را تشکیل می دهد، تولید بیواتانول از سورگوم طی دو مرحله هیدرولیز آنزیمی و تخمیر انجام می پذیرد. که در این مقاله هر دو قسمت با استفاده از شبکه عصبی شبیه سازي شد.
در هیدرولیز آنزیمی نحوه اثر سه پارامتر مقدار سورگوم و مقدار آنزیم هاي آلفا آمیلاز و آمیلوگلیکوزیداز روي میزان قند هاي ساده تولید شده - ماده اولیه تولید بیواتانول - ، با شبکه عصبی پس انتشار پیشخور شبیه سازي شد و در قسمت تولید اتانول تاثیر پارامترهاي فوق روي تخمیر قندهاي ساده تولید شده در هیدرولیز آنزیمی به منظور تولید بیواتانول، با شبکه عصبی پس انتشار پیشخور شبیه سازي گردید.
میزان سورگوم و آنزیم هاي آلفا آمیلاز و آمیلوگلیکوزیداز به عنوان ورودي شبکه عصبی و میزان قندهاي ساده تولید شده و اتانول تولیدي به عنوان خروجی شبکه عصبی هیدرولیز و شبکه عصبی تخمیر در نظر گرفته شد. تعداد گذر، تعداد لایه هاي پنهان و تعداد نرون در هر لایه پنهان شبکه عصبی براي رسیدن به بهترین عملکرد، بهینه شد. با توجه به نتایج بدست آمده، تطابق بسیار مطلوبی بین داده هاي تجربی و مقادیر پیش بینی شده حاصل شد. لذا از شبکه عصبی می توان به عنوان ابزاري قدرتمند براي شبیه سازي هیدرولیز آنزیمی سورگوم و فرایند تولید بیواتانول از آن استفاده نمود.
-1 مقدمه
به دلیل تولید بالاي گاز هاي گلخانه اي و اثرات نامطلوب آن روي محیط زیست و محدود بودن منابع انرژي فسیلی و همچنین امنیت جهانی سوخت هاي مایع، توجه به توسعه سوختهاي جایگزین سوخت هاي فسیلی بسیار زیاد شده است
اتانول سلولزي می تواند به عنوان یک سوخت کلیدي، جایگزین سوخت هاي فسیلی گردد.
چند نوع ماده اولیه براي تولید بیواتانل وجود دارد که هر کدام در شرایط آب و هوایی مختلف قابل رشد می باشند.
از گیاهان با چهار کربن - C4 - مانند ذرت [11-10]، نیشکر و سورگوم [15-12] به علت بازده فتوسنتزي و بازده بیومس بالاترشان در هر هکتار به عنوان گیاهان انرژي زا می توان نام برد. بر اساس تحلیل هاي اقتصادي اخیر انجام شده سورگوم، از آنجاییکه محصولی با بالاترین بازده انرژي فتوسنتزي و بیومس بوده[16-15] و در شرایط خاك ضعیف نیز خود را تطبیق داده و هزینه تولید آن نیز از بقیه گیاهان کمتر می باشد، به عنوان بهترین محصول براي تولید بیواتانول معرفی شد.
علاوه براین، کربوهیدرات قابل حل - گلوکز، فروکتوز و ساکارزتقریباً 9/5 درصد جرمی - و کربوهیدرات هاي نامحلول - سلولز و همی سلولز، نزدیک به 10 درصد جرمی - در سورگوم خود می تواند بالقوه آنرا مستعد تولید بیواتانول نماید
از اینرو بررسی هاي زیادي به منظور تولید بیواتانول از سورگوم انجام شده است.[25-21] سورگوم جارویی یکی از انواع گیاه سورگوم - Sorghum - میباشد. از گیاه سورگوم جارویی براي تولید جارو استفاده میشود به این ترتیب که ابتدا دانههاي آن ریخته شده و با بستن ساقههاي آن جارو ساخته میشود. پس از ساخت جارو مقادیر زیادي دانه به عنوان پسماند باقی میماند که مقداري از آن را به دام میدهند و مابقی را میسوزانند. بنابراین مادهي اولیه در پروژهي ما یکی از ضایعات بزرگ داخل کشور میباشد.
تهیه اتانول از سورگوم در دو مرحله انجام می شود. مرحله اول شامل هیدرولیز آنزیمی سورگوم و تبدیل نشاسته سورگوم به قندهاي ساده می باشد. مرحله دوم شامل شکستن تخمیري قندهاي ساده تولید شده در مرحله اول توسط میکرواورگانیزم هاي ساکارومایسیس سروسیه می باشد. در این مقاله شرایط تولید آنزیمی قندهاي ساده از سورگوم توسط آنزیم هاي آمیلاز و آمیلوگلوکوزیداز و همچنین شرایط تخمیر قند هاي ساده تولید شده به منظور تولید بیواتانل بررسی شده است. در هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول میزان سوبسترا، میزان آنزیم هاي آمیلاز و میزان آمیلوگلوکوزیداز ، به عنوان فاکتور هاي موثر در نظر گرفته شدند.
امروزه از ابزارهاي مختلفی براي شبیه سازي فرایند ها و واکنشهاي پیچیده استفاده می شود. شبکه عصبی مصنوعی یکی از این ابزارهایی است که در شبیه سازي فرایندهاي پیچیده بسیار موفق بوده است.[28-26] در این مقاله از شبکه عصبی مصنوعی براي شبیه سازي فرایند تولید بیواتانول از سورگوم استفاده شده است. شبکه عصبی داراي سه نوع لایه - ورودي، پنهان و خروجی - می باشد. هر لایه حاوي نرون هایی می باشد. محاسبات اصلی شبکه عصبی در نرون ها انجام می شود.
ورودي هاي هر نرون در وزن هاي مختص به آن ضرب و با بایاس آن جمع می شود. حاصل آن از یک تابع انتقال گذشته و خروجی آن از نرون خارج شده و وارد نرون هاي لایه هاي بعدي می شود. با تنظیم وزن ها و بایاس نرون ها، شبکه آنقدر آموزش می بیند تا خروجی نرون هاي لایه خروجی با نتایج تجربی بدست آمده برابر شود - شکل . - 1
شکل-1شماتیک معماري شبکه عصبی
به منظور بررسی فرایند هیدرولیز و تولید اتانول از سورگوم ، سه متغیر میزان سوبسترا، آنزیم هاي آلفاآمیلاز و آمیلوگلوکوزیداز در پنج سطح در نظر گرفته شدند - جدول . - 1 فاکتور هاي فوق به عنوان ورودي شبکه عصبی و میزان قند تولید شده واتانول به عنوان خروجی شبکه در نظر گرفته شدند.
جدول -1 سطوح پارامترهاي متغییر هاي ورودي شبکه عصبی
:A سوبسترا - g /l - ، :B آلفاآمیلاز - - g/l و :C آمیلوگلیکوزیداز - - g/l
-2 روش کار تجربی
ابتدا دانههاي سورگوم جارویی، پس از خشک شدن، آسیاب، پودر و مشبندي گردید. براي بهینهسازي هیدرولیز آنزیمی اثر سه پارامتر روي هیدرولیز و شکستن پلی ساکارید نشاسته بررسی شد. یکی مقدار غلظت اولیهي دانهي سورگوم موجود در محلول، دیگري مقدار آنزیم آلفاآمیلاز و پارامتر سوم، مقدار آنزیم آمیلوگلوکوزیداز می باشد. آزمایشهاي اثر همزمان این سه پارامتر بر روي هیدرولیز آنزیمی به وسیلهي نرمافزار DESIGN EXPERT طراحی شد.
در هر آزمایش مقدار موردنظر از سورگوم به وسیلهي سود پیشتیمار میگردید. سپس در یک ارلن 1 لیتري به وسیلهي بافر پتاسیم هیدروژن فتالات 0/1 مولار و محلول 0/1 مولار سود، pH محلول را به 6 و حجم محلول نیز به یک لیتر رسانده شد. سپس مقادیر مشخص آلفا آمیلاز در هر آزمایش اضافه میگردید. بعد از طی 2 ساعت pH محلول به وسیلهي اسید فسفریک به 4/5 رسیده و مقادیر مشخص آمیلوگلوکوزیداز اضافه میگشت و مدت 72hr در شیکر در دماي 60 c و دور 150rpm باقی میماند.
پس از پایان هیدرولیز از محلول نمونه گرفته میشد. مقدار قندهاي سادهي به وسیلهي تست DNS - دي نیتروسالیسیلک اسید - محاسبه شدند. مقدار نشاستهي هر نمونه به وسیلهي تست Resorcinol - ریزرسینول - بدست آمدند. پس از پایان هیدرولیز آنزیمی و تولید قندهاي ساده، به محلول مخمر ساکارومایسیس سروزیه تلقیح شد.
