بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با افزایش رشد جمعیت و مصرف سوخت و با توجه به محدود بودن منابع سوخت هاي فسیلی و تجدیدناپذیر و همچنین مشکلات زیست محیطی ناشی از آن ها، تقاضا براي سوخت هاي تجدیدپذیر و پاك مانند بوتانول افزایش یافته است. اما تولید بوتانول به روش تخمیري در حال حاضر به علت قیمت بالاي سوبستراهاي معمولی مانند منابع قندي و نشاسته اي و میزان تولید پایین از لحاظ اقتصادي جایگاه خود را نیافته است. با توجه به قیمت پایین و دسترس بودن، استفاده از مواد خام لیگنوسلولزي می تواند مشکلات این فرآیند را تا حدودي بر طرف سازد.
پژوهش حاضر به بررسی و امکان سنجی یک واحد تولیدي استون، بوتانول، اتانول تخمیري با ظرفیت 2000 تن از علوفه ي ذرت در روز می پردازد. پس از شبیه سازي و طراحی این فرآیند به کمک نرم افزار طکغ؟طککخ پطبطکژأح و انجام موازنه هاي جرم و انرژي محاسبات اقتصادي انجام گرفت. میزان کل سرمایه گذاري اولیه این واحد حدود 440 میلیون دلار، سرمایه گذاري جاري سالانه حدود 270 میلیون دلار و میزان فروش سالانه محصولات آن حدود 345 میلیون دلار می باشد. با احتساب میزان سرمایه گذاري و درآمد سالانه میزان سود خالص سالانه معادل 76 میلیون دلار برآورد شد که با این میزان سود خالص کل سرمایه گذاري اولیه 6 سال پس از راه اندازي واحد برخواهد گشت.
-1 مقدمه
مصرف انرژي به علت رشد جمعیت و گسترش کشورهاي صنعتی در طول یک قرن اخیر به شدت افزایش یافته است. در این میان نفت خام مهمترین منبع براي برآورده ساختن این تقاضا در جامعه می باشد .[1] با ادامه روند استفاده از منابع تجدیدناپذیر انرژي و سوخت هاي فسیلی، بشر علاوه بر اینکه با مشکل کمبود جدي تامین سوخت مواجه خواهد شد بلکه آلاینده هاي گوناگونی را نیز وارد محیط زیست کرده و آن را آلوده می کند. بسیاري از آثار زیست محیطی مانند گرم شدن آب و هواي کره ي زمین، افزایش پدیده ي انتشار گازهاي گلخانه اي، تخریب لایه ازن، بارش باران هاي اسیدي و آلودگی هاي نفتی در سطح دریاها از جمله پیامدهاي مصرف نادرست این انرژي ها است
در سال هاي اخیر بوتانول توجهات بیشتري را نسبت به سایر سوخت هاي زیستی به خود جلب کرده است و علاوه بر آن کاربردهاي دیگر آن مانند استفاده در صنایع شیمیایی و حلال ها نیز افزایش یافته است. با توجه به اتمام ذخایر سوخت هاي فسیلی، آلودگی محیط زیست و انتشار گازهاي گلخانه اي و نوسانات زیاد قیمت نفت تمایل بر این است که بوتانول را از طریق تخمیر جایگزین فرآیند تولید نفتی آن کنند .[4] بوتانول مزیت هاي زیادي از قبیل مقدار بیشتر انرژي حاصل از سوختن و فراریت کمتري را نسبت به اتانول دارا می باشد. همچنین بوتانول قادر است که به صورت مستقیم یا به نسبت هاي مختلف با بنزین یا گازوئیل در موتور ماشین ها استفاده شود و نیاز به هیچ افزودنی دیگر نداشته باشد
تولید بوتانول به روش تخمیر ١غAB در سال هاي 1950 با قوت گرفتن تولید این ماده با استفاده از نفت خام و نیز افزایش قیمت مواد خام مورد نیاز براي تخمیر به سرعت کاهش پیدا کرد. اما در سالهاي اخیر با توجه به مشکل نشر بیش از حد گازهاي گلخانه اي و همچنین افزایش قیمت نفت خام مجددا توجه ها به سمت تولید بوتانول از فرایند تخمیر جلب شده است . به هر حال تخمیر استون بوتانول داراي محدودیت هاي زیادي از جمله تولید مقدار کم بوتانول، هزینه زیاد در خریداري و تهیه مواد خام ، هزینه زیاد دستگاه هاي جداسازي در برابر مقدار کم تولیدي بوتانول و وجود بازدارنده هاي تولیدي از جمله خود بوتانول به عنوان بازدارنده اصلی، بوده که فرایند تولید بوتانول را غیر اقتصادي کرده است .
با توجه به اینکه هزینه سوبسترا حداقل ٪50 از کل هزینه ي محصول را در فرآیند تخمیري به خود اختصاص داده است، اقتصاد فرآیند و امکان پذیري توسعه واحدها وابستگی مستقیم به مواد خام دارند. مواد لیگنوسلولزي بزرگترین منبع ذخیره انرژي خورشیدي به شکل منبع کربن بر روي زمین می باشند که از همین رو داراي پتانسیلی بسیار مناسب براي خوراك فرایندهاي بیولوژیکی هستند.
مواد لیگنوسلولزياخیراً توانسته اند این هزینه را کاهش و گامی مثبت را در اقتصادي کردن فرآیند داشته باشند. بیومس لیگنوسلولزي شامل طیف وسیعی از صنایع کشاورزي، ته مانده فیبر هاي ذرت، علوفه ي ذرت ، ساقه گندم، ساقه جو، ملاس چغندر قند و ته مانده ي جامد هاي زیادي می باشد. مواد تشکیل دهنده لیگنوسلولز اغلب شامل سلولز - ٪ - 35-50، همی سلولز - ٪ - 25-35 و لیگنین - ٪ - 10-25 و مقدار کمی پروتئین و خاکستر است
باکتري هاي C. beijerinckii و C. acetobutylicum از مهمترین باکتري هاي شرکت کننده در تخمیر هستند که در این فرآیند استون، بوتانول، اتانول، بوتیریک اسید، هیدروژن و کربن دي اکسید جزء محصولات اصلی می باشند. هدف از انجام این پروژه بررسی و امکان سنجی اقتصادي تولید استون، بوتانول و اتانول از علوفه ي ذرت است که با شبیه سازي فرآیند تولید آن بوسیله نرم افزارصورت می گیرد.
-2 شبیه سازي
در این پروژه براي شبیه سازي فرآیند تولید غAB از نرم افزار ذحز طکغ؟طککخ پطبطکژأح استفاده شده است. این نرم افزار قادر است پس از طراحی فرآیند و ایجاد جریان هاي ورودي و تکمیل مشخصات و شرایط آن ها موازنه جرم و انرژي را انجام داده و مشخصات جریان هاي خروجی و اندازه ي دستگاه ها را تعیین کند.
-1-2 خوراك ورودي
این واحد تولیدي غAB بوسیله 2000 تن در روز - بر مبناي خشک - علوفه ذرت که حاوي 25 درصد رطوبت است به عنوان خوراك و به طور پیوسته تغذیه می شود. این خوراك بوسیله ي نوار هاي نقاله به داخل سیلوهاي ذخیره خوراك به مدت 48 ساعت نگه داري می شوند. ترکیب درصد مواد تشکیل دهنده ي علوفه ذرت که منبعی لیگنوسلولزي ارزان قیمت است، در جدول 1 نشان داده شده است.
جدول :1 ترکیب درصد خوراك علوفه ذرت
- 2-2 پیش فرآوري
قبل از مرحله ي پیش فرآوري سوبسترا بوسیله ي آب شسته و بوسیله ي آسیاب خرد می شود تا کارایی پیش فرآوري و هیدرولیز افزایش یابد. در این پروژه از پیش فرآوري اسیدي بوسیله ي اسید سولفوریک رقیق که قادر به جداسازي همی سلولز و تبدیل بالاي مواد به قند هاي قابل تخمیر مانند گلوکز می باشد، استفاده شد. سوبستراي خرد شده به همراه محلول اسید به داخل رآکتور پیش فرآوري پمپ می شود و براي صرفه جویی انرژي و انتقال آن از یک مبدل استفاده می شود. مشخصات و شرایط این پیش فرآوري از جمله دما، غلظت و زمان ماند و واکنش هاي انجام گرفته در جدول 2 در مقایسه با سایر کارهاي انجام شده آمده است و همچنین نمودار جریان فرآیند براي قسمت پیش فرآوري در شکل 1 آورده شده است.
-3-2 سم زدایی
شکست پلیمر هاي همی سلولز بوسیله ي فرآیند هاي شیمیایی موجب تشکیل زایلوز، آرابینوز، گالاکتوز و گلوکز می شود. علاوه بر این یک سري از بازدارنده ها از جمله اسیدهاي آلی - استیک اسید، فورمیک اسید، لوونیک اسید - ، فوران ها - فورفورال و ترکیبات فنولی نیز در طول هیدرولیز تولید می شوند .بعد از انجام پیش فرآوري بمنظور جلوگیري از تولید بازدارنده ها از فرآیند آهک زنی2 استفاده می شود. مخلوط مایع و جامد فیلتر شده و از هم جدا می شوند
