منابع پایان نامه ارشد درباره جاری سازی، جوامع علمی، منابع غذایی، تجاری سازی

دانلود پایان نامه ارشد

O محلول اولیه (اتمسفر)

فشار CO در فاز گاز (اتمسفر)

توان همزن در حالتی که گاز جریان دارد (وات)
Pg
توان ورودی به ازای واحد حجم مایع (وات بر مترمکعب)
Pg/V
میزان محصول تولیدی (میلی مول بر لیتر)
Pi
حداکثر میزان محصول تولید شده (میلی مول بر لیتر)
Pmax,i
عدد توان
Pno
نرخ تولید ویژه (میلی مول برگرم بر ساعت)
q
نرخ مصرف CO ویژه (میلی مول بر گرم سلول بر ساعت)
qCO
حداکثر نرخ مصرف ویژه (میلی مول بر گرم سلول بر ساعت)
qmax
حداکثر نرخ تولید محصول (میلی مول بر لیتر بر ساعت)
Rmax,i
دور در دقیقه
rpm
زمان ماند گاز در بیوراکتور (ساعت)
RT
نرخ رشد ویژه (گرم سلول به گرم سوبسترا به ساعت)
SGR
فشار سوبسترای i(اتمسفر)
Si
حداکثر فشار بازدارندگی CO برای ممانعت از رشد (اتمسفر)
Sm,CO
نرخ تولید ویژه (مول بر گرم بر ساعت)
SPR
مجموع تفاضل مربعات
SSD
نرخ مصرف ویژه (مول بر گرم بر ساعت)
SUR
مدت زمان فرایند تخمیر (ساعت)
t
سرعت ظاهری گاز (متر بر ثانیه)
Us
حجم محیط کشت مایع (لیتر)
Vl
غلظت سلول در هر لحظه (گرم بر لیتر)
x
غلظت اولیه سلولی (گرم بر لیتر)
x0
جمعیت سلولی در حال رشد (گرم بر لیتر)
x1
جمعیت سلولی در حال کاهش (گرم بر لیتر)
x2
میزان تبدیل CO
XCO
حداکثر غلظت سلولی (گرم بر لیتر)
xm
بازده محصول تجربی (مول بر مول)
YP/S, exp
بازده محصول تئوری (مول بر مول)
YP/S, th
بازده تولید محصول از بیومس (میلی مول بر گرم)
YP/X
بازده بیومس از سوبسترا (گرم بر مول)
YX/S

حروف لاتین
ثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفاده
α
ثابت مربوط به پارامترهای هندسی راکتور و همزن مورد استفاده
β
معکوس غلظت نهایی سلول (لیتر بر گرم)
γ
تخلخل مایع

L
راندمان تبدیل سوبسترا به محصول (%)
η
ویسکوزیته محیط کشت (میلی پاسکال ثانیه)
ηs
مدت زمان تاخیر تا فاز نمایی تولید محصول (ساعت)
λi
نرخ رشد ویژه ( بر ساعت)
µ
نرخ رشد ویژه تجربی (بر ساعت)
µexp
حداکثر نرخ رشد ویژه (بر ساعت)
µm
نرخ رشد ویژه پیش بینی شده از مدل (بر ساعت)
µmodel
شدت جریان گاز (میلی لیتر بر دقیقه)

فشار گاز کل (اتمسفر)
π
دانسیته محیط کشت (کیلوگرم بر متر مکعب)
ρ

1 فصل اول: مقدمه

1-1 مقدمه
از آغاز قرن بیستم، تولید سوخت و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز به عنوان روشی برای تولید سوختهای تجدید پذیر مورد توجه جوامع علمی و صنعتی قرار گرفت. هر چند، بیشتر پیشرفتها و اکتشافاتی که در این زمینه انجام گرفته است به استفاده از فرایندهای کاتالیستی و کاتالیستهای پایه فلزی مربوط می شود. اخیرا، توجه محققین و پژوهشگران به تولید سوختهای بیولوژیکی و ترکیبات شیمیائی از گاز سنتز از طریق روشهای بیولوژیکی معطوف گردیده است چرا که استفاده از میکروبها به عنوان بیوکاتالیست مزیتهایی را نسبت به کاتالیستهای پایه فلزی به همراه دارد.
امروزه تلاشهای فراوانی در جهت تولید سوختهای بیولوژیکی صورت می گیرد اما این مساله تبدیل به یکی از موضوعات بحث برانگیز در جوامع علمی و انسانی گردیده است. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول1 از منابع غذایی با توجه به نیاز مبرم بسیاری از کشورها به غذا امری غیر اخلاقی تلقی شده و همواره مورد انتقاد قرار گرفته است. تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم2 می تواند پاسخگوی بخش عمده ای از انتقادها نسبت به تولید سوخت از محصولات غذایی باشد. تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از منابع غیر غذایی، عموما ضایعات کشاورزی و پسماندهای آلی، شامل دو تکنولوژی اساسی است که در آن ابتدا بیومس تبدیل به گاز شده و سپس گاز سنتز تولید شده به عنوان سوبسترا در فرایند میکروبی یا کاتالیستی به سوخت بیولوژیکی تبدیل می گردد.
با وجود مطالعات و تحقیقاتی که به تازگی روی فرایند تخمیر گاز سنتز به عنوان روشی پایدار و تجدید پذیر برای تولید سوختهای بیولوژیکی صورت گرفته است، این فرایند همچنان یک تکنولوژی تکامل نیافته محسوب می گردد و لازم است چالش های تکنیکی و اقتصادی مختلفی را قبل از تجاری سازی این فرایند مرتفع ساخت.

1-2 سوختهای بیولوژیکی
تولید جهانی سوختهای بیولوژیکی در دهه اخیر به سرعت افزایش یافته است اما این صنعت رو به رشد نگرانی های مهمی را با خود به همراه داشته است. سوختهای بیولوژیکی نسل اول از منابع غذایی اولیه مانند نشاسته، قند، روغنهای گیاهی و چربیهای حیوانی تولید می شوند. با وجود آنکه تولید سوختهای بیولوژیکی نسل اول مانند تولید اتانول از ذرت در ایالات متحده، اتانول از نیشکر در برزیل و بیودیزل از کلزا و آفتابگردان در اروپا همچنان به عنوان فرایندهای تجاری سازی شده ادامه دارد، اما با وجود انتقادهای فراوان نسبت به پایداری تولید این سوختها و رقابت آنها با تولید مواد غذایی، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد توجه فراوانی قرار گرفته اند [1]. سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از بیومسهای لیگنوسلولزی3 که منبع غذایی نباشند تولید می گردند. نمایی کلی از منابع اولیه ای که برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مورد استفاده قرار می گیرند در شکل 1-1 ارائه شده است [1, 2]. به طور کلی، این مواد اولیه به ضایعات کشاورزی، پسماندهای آلی و بیومسهایی که رشد سریع دارند و به منظور تولید انرژی کشت می شوند4، تقسیم بندی می گردند. بنابراین، سوختهای بیولوژیکی نسل دوم مزایایی همانند استفاده از ضایعات و پسماندها و استفاده از زمینهای بایر به خصوص در مناطق روستایی دارند. هرچند، چنانچه تولید این سوختها با محصولات غذایی بر سر زمینهای موجود رقابت کند مناسب بودن این سوختها از لحاظ پایداری تولید مورد تردید قرار خواهد گرفت. نگرانی دیگری نیز در این زمینه وجود دارد که برداشت بی رویه ضایعات کشاورزی به منظور تولید سوخت و انرژیهای بیولوژیکی، تاثیر منفی روی حاصل خیزی خاک و کیفیت آن خواهد داشت [3].

شکل ‏11: نمایی کلی از مواد اولیه مناسب برای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم

1-3 روشهای تولید سوختهای بیولوژیکی نسل دوم
سوختهای بیولوژیکی نسل دوم از دو روش بیوشیمیائی و شیمیائی-حرارتی تولید می گردند. در فرایند تبدیل بیوشیمیائی، اجزای سلولزی و همی سلولزی بیومس توسط آنزیم یا هیدرولیز اسیدی به مخلوطی از قندهای تخمیرپذیر تبدیل شده و سپس با انجام عمل تخمیر توسط میکروارگانیزمها قندها به الکل، عمدتا اتانول، تبدیل می گردند. فرایند تبدیل بیوشیمیائی مبتنی بر استفاده از بیوکاتالیستها از جمله آنزیمها و میکروارگانیزمهاست.
در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی از تکنولوژی پیرولیز5 یا تبدیل به گاز کردن6 در دماهای بالا برای تبدیل اجزای لیگنوسلولزی بیومس به یک ترکیب واسطه مایع یا گاز استفاده می گردد. سپس ترکیب واسطه تولید شده به انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی سنتزی از قبیل دیزل، سوخت هواپیما و اتانول تبدیل می گردد [4-6]. بسیاری از سوختهایی که هم اکنون از سوختهای فسیلی تولید می شوند همانند سوختهای مایع فیشر-تروپ7 و متانول را می توان از فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تولید کرد [3, 7]. با وجود آنکه هر کدام از این فرایندهای تبدیل مزایا و معایب خاص خودشان را دارند، بازده تولید و مشکلات اقتصادی و زیست محیطی دو فرایند بسیار قابل مقایسه است. تاکنون، هیچ برتری تجاری یا تکنولوژیکی شفافی بین دستاوردهای این دو روش به اثبات نرسیده است [4, 8, 9].
در فرایند تبدیل بیوشیمیائی می توان به گزینش پذیری و بازده تبدیل بالا دست یافت. هرچند، این روش نیازمند فرایندهای آماده سازی8 بسیار حساس است که طی آن ساختار بیومس تغییر یافته و سلولز و همی سلولز در معرض هیدرولیز آنزیمی قرار می گیرند. این فرایند آماده سازی و هزینه بالای آنزیم، هزینه کلی فرایند را افزایش می دهد. در مقابل، فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی تکنولوژی استوار و پایداری است که می تواند انواع مختلفی از بیومسهای لیگنوسلولزی را فرایندسازی کند. مساله عمده در این روش، هزینه مقدار انبوه بیومس است که باید جمع آوری و منتقل شده و در محل اجرای پروژه تحویل داده شود. این هزینه باید به اندازه کافی معقول باشد تا فرایند تولید سوخت بیولوژیکی به صورت تجاری مقرون به صرفه باشد [4].
به طور کلی، چندین تفاوت اساسی بین این دو روش تبدیل وجود دارد. اول اینکه در فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی، لیگنین موجود در بیومس نیز همراه با سلولز و همی سلولز به گاز تبدیل می گردد. در حالیکه، در روش بیوشیمیائی، تخریب لیگنین (که 10 تا 40% اجزای بیومس را تشکیل می دهد) به ترکیبات تخمیر پذیر با استفاده از واکنشهای آنزیمی به سختی انجام می گیرد [10]. دوم اینکه، اتانول محصول تخمیری اصلی در فرایند تبدیل بیوشیمیائی است، در حالیکه، انواع مختلفی از سوختهای بیولوژیکی را می توان از گاز سنتز در روش شیمیائی-حرارتی تولید کرد. با این حال، فرایند تبدیل بیوشیمیائی روش شناخته شده تری برای تولید اتانول از بیومسهای لیگنوسلولزی است و روش شیمیائی-حرارتی در متون علمی مورد توجه کمتری قرار گرفته است.
تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس و سنتز سوخت بیولوژیکی را تلفیق می کند، شماتیکی از این فرایند در شکل 1-2 نشان داده شده است. تولید سوخت بیولوژیکی از گاز سنتز می تواند به دو صورت انجام گیرد؛ با استفاده از کاتالیستهای پایه فلزی یا غیرآلی که به عنوان فرایند فیشر-تروپ شناخته شده است و یا با استفاده از کاتالیستهای میکروبی که تخمیر گاز سنتز نامیده می شود [11, 12].

1-3-1 فرایند تبدیل شیمیائی-حرارتی بیومس
1-3-1-1 تبدیل به گاز کردن بیومس
تبدیل به گاز کردن بیومس فرایندی شیمیائی-حرارتی است که در طی آن ساختار کربنی بیومس در فرایند احتراق ناقص در دماهای بالا تبدیل به گاز می شود. در فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس، ساختار لیگنوسلولزی بیومس در اثر حرارت شکسته شده و تبدیل به منوکسید کربن (CO)، هیدروژن (H2) و دی اکسید کربن (CO2) که اجزای اصلی گاز سنتز هستند و مقادیر کمتری متان (CH4) و گازهای دیگر می شود. ترکیب شیمیائی گاز سنتز در این فرایند به عوامل مختلفی همچون خصوصیات ماده اولیه (میزان خاکستر، رطوبت، اندازه ذرات)، سیال گازی کننده9 (هوا، بخار، اکسیژن خالص یا هر ترکیبی از آنها)، نوع راکتور ( بستر ثابت، متحرک، سیالی شده) و شرایط عملیاتی (دما، نسبت سیال گازی کننده به خوراک و غیره) بستگی دارد [13, 14].
با وجود آنکه تاکنون از راکتورها و سیستمهای مختلفی برای تولید گاز سنتز از بیومس لیگنوسلولزی استفاده شده است اما با در نظر گرفتن عواملی همچون توان عملیاتی، هزینه ها، پیچیدگی و بازده فرایند، تبدیل به گاز کردن بیومس در راکتورهای بستر سیالی شده مناسب ترین فرایند برای تولید گاز در مقیاس بزرگ می باشد [15].

شکل ‏12: شمایی از فرایند تبدیل به گاز کردن بیومس همراه با فرایند تخمیر گاز سنتز برای تولید سوختهای بیولوژیکی

1-3-1-2 تخمیر گاز سنتز
گاز سنتز یکی از سوبستراهای به صرفه و انعطاف پذیر برای فرایند تخمیر بیولوژیکی به منظور تولید انواع وسیعی از سوختهای تجدید پذیر و ترکیبات شیمیائی است. گاز سنتز را می توان از انواع مختلفی از مواد آلی و از جمله بیومس تولید کرد که نشان دهنده انعطاف پذیری این سوبستراست. هزینه تولید گاز سنتز کمتر از 6 دلار به ازای هر میلیون بی تی یو با هزینه مواد اولیه کمتر از 1/0 دلار به ازای هر پوند محصول است که ارزان قیمت و با صرفه بودن این سوبسترا را نشان می دهد [12].
با وجود آنکه چندین روش متفاوت برای تبدیل گاز سنتز وجود دارد، بیشتر فرایندهای تبدیل از طریق روشهای میکروبی یا شیمیائی-حرارتی انجام می گیرد [16]. فرایند تخمیر گاز سنتز یک فرایند بیولوژیکی است که در آن از میکروارگانیزمهای بی هوازی برای تبدیل بیوکاتالیستی اجزای گاز سنتز به انواع گسترده ای از سوختها و ترکیبات شیمیائی و بیولوژیکی استفاده می گردد [17]. این میکروارگانیزمهای بی

پایان نامه
Previous Entries منابع و ماخذ مقاله کودکان و نوجوان، کودکان و نوجوانان، رفاه اجتماعی، کودک و نوجوان Next Entries منابع پایان نامه ارشد درباره بازدارندگی، ایالات متحده، جاری سازی، تجاری سازی