مقدمه
آلودگی ناشی از موتورهای بنزینی و گازوئیلی در صنایع مختلف و حوزه حمل و نقل، مهم‌ترین مشکل زیست محیطی امروزه جامعه بشری است. با توجه به نیاز روز افزون بشر به منابع انرژی، سوخت و محدودیتی که در استفاده از سوخت‌های فسیلی وجود دارد، نیاز به بازیافت و استفاده بهینه از منابع مورد توجه بوده و از مواد و تکنیک‌های مختلفی در این راستا استفاده می‌گردد. از جمله این مواد مختلف مثل نی، ذرت، نیشکر، علف‌ها، برگ‌ها، ضایعات آلی خانگی و ضایعات غذایی می‌توان اشاره کرد که توانایی تبدیل به سوخت‌های زیستی با ارزش را دارند.
راه‌حلی جزئی برای مسائل مربوط به نفت، تبدیل زیست توده‌های کشاورزی به اتانول است که به دلایل زیر قابل توجه بوده است:
- مواد خام ارزان و قابل دسترس
- فرآیندی ارزش‌افزوده
- کاهش آلودگی هوا و گرم شدن زمین
مزایای سوخت زیستی
سوخت زیستی در حالت کلی به عنوان یک سوخت پاک دارای مزایایی نسبت به سوخت‌های مشتق شده از نفت خام است که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عدم وجود ترکیبات سنگین اکسید گوگرد
- میزان تولید ترکیبات اکسید نیتروژن در مقایسه با سایر سوخت‌ها، حدود 50 درصد کمتر است.
- قابلیت انتقال، جابجایی، پمپ شدن و انبار به راحتی
- جلوگیری از آلودگی محیط زیست
بر اساس این مزایا، تولید حجم انبوه سوخت زیست اتانول با استفاده از آنزیم سلولز، دارای مزایای اقتصادی و محیطی است.
پیشینه تولید سلولز
گام اصلی تولید اتانول از زیست‌توده تبدیل کربوهیدرات‌های مرکب گیاهان به قندهای ساده (از طریق فرآیندی به نام قندسازی) است که می‌تواند توسط میکروارگان‌ها تخمیر شود. وقتی زیست‌تودۀ فیبری به‌کار می‌رود، فرآیند قندسازی تاحد زیادی توسط آنزیم‌های سلولز انجام می‌شود.
روش‌های تولید آنزیم
این آنزیم‌های مورد استفاده در کاربرد تجاری، توسط روش تخمیر غوطه‌ور (SmF) تولید می‌شوند که در آن میکروارگان‌ها در رسانه‌ی آبی غنی از مواد مغذی کاشت می‌شوند. روش جایگزین برای روش SmF قدیمی کاشت حالت جامد (SSC) است که رشد میکروارگان‌ها را در مواد جامد و در غیاب مایع آزاد دربردارد. با توجه به اینکه SSC مایع کمتری نسبت به SmF دارد، پردازش پایین‌دستی از SSC از لحاظ نظری ساده‌تر و ارزان‌تر است.
مقایسه‌ی بین روش‌های SmF و SSC
از نقطه نظر اقتصادی، روش SSC برای تولید آنزیم حداقل سه مزیت نسبت به روش SmF قدیمی دارد:
(1) مصرف کمتر آب و انرژی
(2) کاهش جریان پسماند
(3) محصولی با غلظت بالاتر
روش SSC به نیاز کمتر به ظرفیت واحد و هزینه‌های عملیاتی نسبت به روش SmF قدیمی است. گرچه مزایایی ذاتی در روش SSC وجود دارند، مسائلی فنی که سبب محدودیت پیاده‌سازی آن در مقیاس بزرگ می‌شود، وجود دارد. برای مثال، به دلیل انتشار محدود در پایۀ جامد انتقال توده و گرما در SSC سخت‌تر از SmF است. انباشت گرما و کاهش آن در اکسیژن موجود اگر بدون کنترل باشد می‌تواند منجر به توقف فعالیت میکروبی هوازی مزوفیلی و در ادامه توقف تولید آنزیم شود.
یکی از رویکردهای غلبه بر مسالۀ انتقال توده و گرما استفاده از ارگانیسم‌هایی است که دماهای بالا و شرایط غیرهوازی را تحمل می‌کنند. مطالعات نشان داده است که انواع باکتری‌های ترموفیلیک غیرهوازی می‌توانند با استفاده از SSC رشد یابند. به‌ویژه، کلوستریدیوم ترموسلوم، با توجه به تولید قابل توجه سلولز، مناسب و امیدبخش به‌نظر می‌رسد.
شبیه‌سازی فرآیند تولید سوخت زیستی
فرآیند تولید با استفاده از روش‌های SSC و SmF شبیه سازی شده است. تجهیزاتی که در محاسبات اقتصادی در نظر گرفته شده، در شکل زیر مشخص شده است.
تحلیل اقتصادی
هزینه‌های اقتصادی محاسبه شده در Raw Material و Utilities:
به تحلیل‌های اقتصادی بررسی‌شده در جدول زیر اشاره شده است:
با تحلیل اقتصادی، تخمیر به سه قسمت، ورودی (مواد خام سلولزی)، محیط رشد (رسانه) و خروجی (باکتری‌های جدید، محصول نهایی آنزیم سلولز و فرآورده‌های دیگر تخمیر (FEP)) که معادله توازن بار مشاهده می‌شود:
مواد خام سلولزی (500000 کیلوگرم) –> باکتری جدید (50000 کیلوگرم) + محصول نهایی آنزیم سلولز (10000 کیلوگرم) + FEP (440000 کیلوگرم)
بر اساس آزمایش‌های انجام شده، نسبت تبدیل باکتری سلولز 1 به 10 فرض شده است. به طوری که جهت رشد 50000 کیلوگرم باکتری جدید باید 500000 کیلوگرم سلولز مصرف می‌شود.
نتیجه‌گیری
استفاده از سوخت‌های جایگزین در بخش‌های مختلف صنایع انرژی‌بر نه تنها موجب بهره‌وری بیشتر منابع انرژی می‌شود، بلکه به تخصیص بهینه این منابع، امنیت انرژی و توسعه پایدار زیست‌محیطی نیز کمک می‌کند. همچنین در این راستا مواد خام مورد استفاده ارزان بوده و بسیار قابل دسترس است و این سبب سهولت کار می‌گردد، در این مطالعه، فرآیندی به‌منظور تولید سوخت زیستی با استفاده از دو روش SSC و SmF مورد بررسی قرار گرفت.
تحلیل اقتصادی و شبیه سازی واحد تولید سوخت‌های زیستی در نرم‌افزار اسپن پلاس
در این پروژه، شبیه‌سازی و تحلیل اقتصادی فرآیند تولید سوخت‌های زیستی با اسپن پلاس نسخه 11 انجام شده است.جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.