دانلود پایان نامه
تولید سوخت زیستی مناسب
تولید انرژی مفید از سوخت زیستی
در این چرخه، فتوسنتز انرژی خورشیدی را گرفته و طی یک فرآیند کاهشی با حضور دیاکسید کربن، زیست توده را به شکل گیاه و جلبک ایجاد مینماید]5[. در واقع در این مرحله انرژی خورشیدی به شکل انرژی پیوندهای مولکولی در مواد آلی تشکیل دهنده گیاهان و جلبکها ذخیره میگردد.
در بیشتر موارد زیست تودهای که به عنوان منبع سوخت زیستی به کار میرود، از پلیمرهایی شامل پروتئینها، لیپیدها و پلی ساکاریدها ساخته شده است. این پلیمرهای پیچیده معمولاً برای استفاده مستقیم در تولید انرژی مناسب نیستند ]5[؛ زیرا شکستن و تجزیه آنها به سختی صورت میگیرد. بنابراین یک سری واکنشهای میکروبیولوژیکی جهت تبدیل زیست توده به سوخت زیستی مناسب مانند متان، هیدروژن و اتانول مورد نیاز است. استات نیز یک سوخت زیستی مفید به شمار میآید. این سوختها دارای ساختار مولکولی سادهتر بوده و به سهولت اکسید میگردند. فرآیند تبدیل زیست توده به سوختهای زیستی شامل مجموعهای از فرآیندهای هیدرولیز، تخمیر، اسیدزدایی و متان زایی میباشد که در قسمتهای آتی به آنها پرداخته میشود. میکروارگانیسمها میتوانند در هر کدام از این فرآیندها حضور داشته باشند.
سوختهای نهایی میتوانند پس از جمع آوری، با اکسیژن واکنش داده و انرژی مفید تولید نمایند ]5[. این فرآیند در واقع همان اکسیداسیون سوخت زیستی میباشد که در نهایت منجر به تولید انرژی مفید میگردد. این اکسیداسیون شامل سوزاندن سوخت زیستی و تولید گرما و یا اکسیداسیون مستقیم آنها در پیل سوختی و بازیابی انرژی به شکل جریان الکتریکی است. دیاکسید کربن تولید شده طی سوخت و ساز میکروبی و فرآیند اکسیداسیون سوختهای زیستی نیز توسط فرآیند فتوسنتز بازیافت شده و بنابراین فرآیندهای بر پایه زیست توده از دیدگاه تولید کربن اضافی خنثی میباشند.

شکل 1-2: نمایی کلی از چرخه تولید انرژی بر پایه زیست توده ]5[.
تولید زیست توده توسط فرآیند فتوسنتز
فتوسنتز یک واکنش بیوشیمیایی است که انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل میکند. مواد اولیه برای فتوسنتز آب و دیاکسید کربن است که تشکیل دهنده بخش نخست در چرخه شکل 1-2 میباشد. یک واکنش فتوسنتز برای تولید گلوکز در زیر مشخص شده است.
(1-1) 6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2
اگرچه واکنش 1-1 از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است، ولی اندامهای فتوسنتزی در سلولهای زیستی انرژی نور را گرفته و انرژی لازم برای انتقال الکترون از آب به دیاکسید کربن (به ازای هر مول گلوکز 2870 کیلوژول انرژی) را تأمین مینمایند]5[.
با توجه به طبیعت واکنش فتوسنتزی (واکنش 1-1) و مصرف انرژی نور خورشید در آن، میتوان گفت که هدف کلیه سامانههای تولید انرژی از زیست توده، به جلو بردن واکنش فتوسنتزی در جهت عکس آن میباشد. روش به دست آوردن انرژی از زیست توده به نوع زیست توده بستگی دارد.
هیدرولیز و تخمیر
هیدرولیز نخستین گام در تبدیل زیست تودههایی مانند پسابها و پسماندهای کشاورزی به سوختهای زیستی ارزشمند میباشد. طی فرآیند هیدرولیز، جامدات آلی و مولکولهای بزرگ پلیمری به مولکولهای قابل حل و قابل نفوذ در سلولهای زیستی تبدیل میشوند. در این فرآیند، میکروارگانیسمها آنزیمهایی را تولید مینمایند که پلیمرهای بزرگ مانند پروتئینها و لیپیدها را به مونومرها و ساختارهای کوچکتر تبدیل مینمایند ]5[. این دسته از مولکولهای کوچکتر برای سوخت و ساز میکروبی در مراحل بعدی مفید و قابل استفاده میباشند.
فرآیند تخمیر نیز با بازآرایی پیوندهای مولکولی و شکستن آنها به محصولات کوچکتر، سوختهای زیستی را تولید مینماید. مجموعه فرآیندهای هیدرولیز و تخمیر در شکل 1-3 مشاهده میگردد.
محصولات فرآیند تخمیر میتواند شامل اسیدهای چرب فرار، الکلهای ساده، استات، هیدروژن و دیاکسید کربن باشند. در صورت تشکیل اسیدهای چرب فرار و الکلها، در گام بعدی استات، هیدروژن و دیاکسید کربن توسط فرآیند اسیدزایی تولید میگردند. برای مثال اتانول از تخمیر مستقیم شکرها مانند گلوکز طبق واکنش زیر به دست میآید ]5[.
(1-2) C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
همانگونه که در شکل 1-3 مشخص است، متان در آخرین مرحله فرآیندهای زیست شناختی و طی فرآیند متانزایی تولید میگردد. میکروبهایی که در فرآیند متانزایی شرکت میکنند، متان زاها نامیده میشوند. این میکروبها شامل دو دسته میباشند که یکی از آنها هیدروژن تولیدی و دیگری استات تولیدی از فرآیندهای تخمیر و اسیدزایی را به متان تبدیل مینمایند. این واکنشها به ترتیب در زیر آمدهاند:
(1-3) 4 H2 + CO2 ⇌ CH4 + 2 H2O
(1-4) CH3COO- + H2O ⇌ CH4 + HCO3-
با توجه به شکل 1-3، میتوان گفت تمام الکترونهای محصولات تخمیر از طریق هیدروژن و استات در نهایت به متان با عدد اکسیداسیون 4- منتقل میشوند.
با احتراق گاز متان تولید شده میتوان، انرژی منتقل شده به آن را آزاد نمود. علاوه بر این امر میتوان با اکسیداسیون مستقیم محصولات پیش از متان مانند استات و هیدروژن در پیلهای سوختی، انرژی و الکترونهای ذخیره شده را بازیابی نمود.

مطلب مرتبط :   روایات، ابوبکر، سکینه، شیعه، المنار، خدا(ص)

شکل 1-3: نمایی از فرآیندهای هیدرولیز، تخمیر، اسیدزایی و متانزایی، محصولات و مواد اولیه هر کدام ]5[.
نیاز به منابع آب و تصفیه پسابها
در کنار بحران انرژی و محیط زیست، بحران آب و کمبود منابع آن نیز از مسائل مهم پیش روی جوامع است؛ لذا حفاطت از منابع آب شیرین جهت برآوردهسازی نیاز افزاینده جوامع بسیار حیاتی است و بیش از این نمیتوان منابع نهفته آبی را هدر داد. برای مثال پسابهای صنعتی و خانگی در همه جا وجود دارند و منبع نهفتهای از آب و انرژی به شمار میآیند.