فصل پنجم: نتايج
5-1- مقدمه50
5-2- نتيجه بيوديزل توليد شده با آنزيم (Novozyme) 50
5-3- نتيجه بيوديزل توليد شده با آنزيم ليپاز آزاد51
5-4- نتيجه بيوديزل توليد شده با آنزيم ليپاز نووزيم تثبيت شده (Immobilized Novozyme)52
5-5- شرايط بهينه توليد بيوديزل53
5-6- محاسبه بازده توليد بيوديزل با استفاده از نتايج کروماتوگرافي گازي53
منابع و مآخذ54
Abestract 58
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1 انواع سوخت هاي زيستي به همراه منابع گياهي و روش توليد7
جدول 1-2 مقايسه خواص بيوديزل بدست آمده از منابع گوناگون روغن هاي نباتي با پتروديزل10
جدول 1-3 ميزان روغن قابل استخراج محصولات مختلف کشاورزي برحسب واحدهاي مختلف11
جدول 3-1 محتويات معرف شماره يک درpH = 8 36
جدول 3-2 محتويات معرف شماره دو در pH = 436
جدول 3-3 روش کار اندازه گيري فعاليت ليپاز با استفاده از کيت پارس آزمون37
جدول 3-438
جدول 3-5 خواص فيزيکي متانول43
جدول5-1 نتايج توليد بيوديزل با آنزيم (Novozyme)51
جدول 5-2 نتايج توليد بيوديزل با آنزيم ليپاز آزاد52
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 ساختار شيميايي بيوديزل9
شکل 1-2 فرايند توليد بيوديزل11
شکل 2-1 واکنش ترانس استريفيکاسيون يا الکوليز18
شکل 3-1 دستگاه شيکر انکوباتوراليزا28
شکل 3-2 دستگاه سانتريفيوژ29
شکل 3-3 دستکاه اسپکترو فتومترUV- VIS29
شکل 3-4 دستگاه استيرر30
شکل 3-5 شيکر لوله30
شکل 3-6 PH متر31
شکل 3-7 ترازوي ديجيتال31
شکل 3-8 دستگاه حمام آب32
شکل 3-9 سمپلر هاي حجمي32
شکل 3-10 ميکسر لوله (Tube mixer)32
شکل 3-11 روغن سبوس برنج خالص و تصفيه شده41
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 3-1 منحني استاندارد جهت تعيين فعاليت ليپاز در طول موج 410 نانومتر به روش اسپکتروفتومتري34
نمودار 5-1 نتايج توليد بيوديزل با آنزيم (Novozyme)51
نمودار 5-2 نتايج توليد بيوديزل با آنزيم ليپاز آزاد52
چکيده
امروزه به دليل کاهش منابع سوخت هاي فسيلي و اثرات مخرب اين نوع سوخت ها بر محيط زيست، محققان به فکر جايگزين کردن آن مي باشند. در سالهاي اخير، سوخت بيوديزل به علت تجديد پذيري و خاصيت آلايندگي کمتر، مناسب ترين جايگزين سوخت ديزل محسوب مي گردد. منابع اوليه توليد بيوديزل شامل ضايعات چوبي، تفاله هاي محصولات کشاورزي، نيشکر، جلبک و روغن هاي گياهي و حيواني مي باشند. روغن سبوس برنج يک روغن گياهي است که به مقدار زياد در کشورهاي زير کشت برنج موجود است. هدف از مطالعه حاضر طراحي و بهينه سازي توليد بيوديزل از روغن سبوس برنج به روش ترانس استريفيکاسيون با استفاده از آنزيم ليپاز مي باشد. در اين مطالعه آزمايشگاهي ابتدا از آنزيم ليپاز آزاد و ليپاز نووزيم 435 تثبيت شده بر روي نانوکيتوسان، محلول هاي آنزيمي تهيه و به 2 روش از جمله روش استفاده از سوبستراي پارانيتروفنيل پالميتات (pNPP) تعيين فعاليت شدند و با اندازه گيري پروتئين تام موجود در محلول آنزيمي به روش برادفورد، فعاليت مخصوص آنزيم تعيين شد.
سپس آنزيم هاي ليپاز آزاد و تثبيت شده بعنوان کاتاليزور در واکنش ترانس استريفيکاسيون بکار رفتند. براي توليد بيوديزل ابتدا شرايط مطلوب واکنش ترانس استريفيکاسيون بررسي گرديد و در نهايت مخلوط واکنشي حاوي روغن سبوس برنج 9% وزني، آنزيم آزاد يا تثبيت شده به نسبت مولي 3:1 با متانول و نسبت 2:1 حجمي حلال ترت بوتانول در دماي Co40 به مدت 72 ساعت در 300 دور بر دقيقه بعنوان شرايط بهينه تعيين شد. بعد از اتمام واکنش، تاييد توليد متيل استر (بيوديزل) ابتدا به شيوه کيفي به روش کروماتوگرافي لايه نازک (TLC) انجام شد و سپس آناليز نهايي و کمي نمونه هاي بيوديزل با استفاده از دستگاه گاز کروماتوگرافي(GC) بعمل آمد.
بالاترين بازده توليد بيوديزل با استفاده از آنزيم ليپاز نووزيم ??? تثبيت شده بر روي نانوکيتوسان به مقدار??% بدست آمد. استفاده از آنزيم ليپاز آزاد سيگما، ميزان بازدهي برابر با %12 را نشان داد. ميزان بالاتر بازده ليپاز نووزيم ??? در مقايسه با ليپاز آزاد سيگما مي‌‌تواند به دليل پايداري بيشترآنزيم و حفظ فعاليت انزيمي بالاتر دراثرعمليات تثبيت باشد.
واژه هاي کليدي: بيوديزل، ترانس استريفيکاسيون، روغن سبوس برنج، ليپاز آزاد و تثبيت شده، سوخت.
1-1- زيست توده
افزايش آگاهي محيط زيستي و کاهش ذخائر منابع فسيلي، صنعت را به سمت گسترش توليد سوختهاي ديگر قابل دوام از منابع تجديد شدني سوق مي‏دهد که از نظر زيست محيطي قابل قبولترند. سوخت زيستي1 نوعي از سوخت است که از منابع زيست توده بدست مي‏آيد. زيست توده ترجمه کلمهBiomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و فضولات آنها اطلاق مي‏شود.
سوختهاي فسيلي هم که امروزه مورد بهره‏ برداري قرارگرفته، منبع آن زيست توده بوده ولي در سالهاي بسيار دور شکل گرفته‏اند.
امروزه به دليل کاهش منابع سوخت هاي فسيلي، از سويي تأثير مخرب استفاده از اين نوع سوخت ها بر محيط زيست، محققان را بر آن داشته به فکر جايگزين کردن اين منابع باشند. سوخت زيستي1 نوعي از سوخت است که از منابع زيست توده بدست مي آيد. زيست توده ترجمه کلمه Biomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و يا زايدات و فضولات آنها اطلاق مي شود.
سوخت هاي فسيلي هم که امروزه مورد بهره برداري قرار گرفته، منبع آن زيست توده بوده ولي در سال هاي بسيار دور شکل گرفته اند]1[.
1-2- منابع زيست توده
(جنگلها و ضايعات جنگل
چوب، خرده‌هاي چوب و خاک اره، از منابع جنگلي زيست توده به شمار مي‌روند. اين منبع انرژي از قرنها پيش براي مصارف خانگي و صنعتي مورد استفاده قرار مي‌گرفته است. حدود صد و پنجاه سال پيش، 75 درصد از انرژي مورد نياز بشر از زيست توده(عمدتاً از جنگلها و ضايعات جنگلي) تأمين مي‌شد. در حال حاضر، سالانه در جهان بيش از 1/2 گيگاتن چوب به مصرف توليد انرژي مي‌رسد. بسياري از صنايع کشورهاي در حال توسعه، مانند صنايع پخت نان، فرآوري محصولاتي مانند شکر، چاي، قهوه، نارگيل، کاکائو و کارخانه‌هاي آجرپزي و آهک پزي، از اين ضايعات به عنوان سوخت استفاده مي‌کنند.
(محصولات و ضايعات کشاورزي
اين دسته از منابع زيست توده، شامل گياهان مختلفي مانند ذرت، برنج، سيب زميني ترشي (سورگم)، نيشکر، انواع ميوه، گياهان روغني و ضايعات آنها مانند سبوس برنج، کاه و غره است. بطور نسبي، 25 درصد وزن هر محصول کشاورزي تفاله است، 25 درصد وزن برنج، متعلق به سبوس آن است. حدود 45 درصد از بادام زميني نيز پوته است. مطالعات انجام شده نشان مي‌دهد که به لحاظ نظري مي‌توان نيازهاي سوخت خانگي مناطق روستايي را از طريق ضايعات تأمين کرد.
الکل و بيوديزل، دو فرآورده انرژيزاي مهمي هستند که از محصولات و ضايعات کشاورزي بدست مي‌آيند.
( ضايعات فاضلابهاي صنعتي
در پساب برخي از کارخانه‌ها مانند صنايع نساجي، الکل سازي، چوب و کاغذ و پساب و ضايعات صنايع غذايي مانند پنير سازي و توليد آب ميوه، مقدار زيادي زيست توده وجود دارد که مي‌توان از آنها براي توليد انرژي و غذاي دام استفاده کرد. حدود 20 درصد از وزن ميوه را تفاله تشکيل مي‌دهد(بسته به نوع ميوه، اين مقدار بين 9 درصد تا 25 درصد متغير است). يکي ديگر از صنايع غذايي که فاضلاب آن آلودگي شديد در محيط زيست ايجاد مي‌کند، صنايع پنير سازي است. آب پنير مايعي است که پس از حذف چربي و کازئين شير، طي فرآيند پنير سازي بدست مي‌آيد. از آب پنير، هم به منظور غذاي دام و هم براي توليد الکل مي‌توان استفاده کرد. در صنايع غذاي دام، با پرورش موجودات زنده ذره بيني که مي‌توانند پروتئين زيادي را در خود جمع کنند و رشد بسيار خوبي بر روي آب پنير دارند، زيست توده بسيار غني و مغذي تهيه مي‌کنند، که پس از خشک کردن و آسياب کردن ماده حاصل، آن را به مصرف غذاي دام مي‌رسانند. در بسياري از کشورهاي جهان، از آب پنير به منظور توليد الکل استفاده مي‌شود.
( ضايعات جامد، فاضلابهاي شهري و فضولات دامي
ضايعات جامد شهري را مي‌توان به دو دسته تقسيم کرد:
زباله‌هاي معمولي: مانند زباله منازل، ادرات، فروشگاهها و رستورانها (پسماند مواد غذايي، کاغذ، کارتن) زباله‌هاي حجيم خانگي(وسايل چوبي مانند کمد، ميز و…) زباله باغها و گلخانه‌ها(شاخه و برگ).

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

زباله‌هاي ويژه: مانند زباله‌هاي صنعتي، نخاله‌هاي ساختماني، لاستيکهاي فرسوده، مواد تابش زاي هسته‌اي(راديواکتيو) و زباله‌هاي آلوده بيمارستاني.
1-3- کارکرد زيست توده
بخش اعظمي از سهم انرژي زيست توده در تامين انرژي اوليه مصرفي جهان به کاربردهاي حرارتي و احتراق مستقيم به ويژه در کشور هاي در حال توسعه اختصاص دارد. عمده ترين کاربرد منابع زيست توده در تامين حرارت و پخت و پز مي باشد]1[.
بيش از 25 ميليون هاضم هاي کوچک و متوسط در دنيا نصب شده که از فضولات و زايدات دامي و انساني استفاده مي کنند و از اين طريق، توليد گاز صورت مي گيرد. کشورهاي هند و چين در اين زمينه پيشتاز هستند. از جمله مباحث داغ که امروزه در زمينه زيست توده مطرح است، توليد سوخت خودرو از اين طريق است که توليد 50 ميليارد ليتر سوخت از اين منبع در سال 2006 صورت گرفته است. سوخت هاي زيستي(بيوفيول ها) شامل بيواتانول، بيو متانول و بيوديزل در کشورهاي زيادي مورد توجه واقع شده و برزيل بخش اعظمي از مصارف بنزين خود را با سوخت هاي تجديدپذير جايگزين کرده است]1[.
در سال 2005 بيش از800 ميليون خانوار در سطح جهان براي گرمايش و پخت و پز از منابع زيست توده استفاده کردند.
هزينه توليد حرارت از زيست توده 1 تا 5 سنت بر کيلووات ساعت حرارتي است و متوسط نرخ رشد سالانه کاربردهاي حرارتي 1/2% در سال طي سال هاي 2005-2000 بوده است.
در سال 2005 در مجموع 33 ميليارد ليتر بيواتانول با نرخ رشد سالانه 8% در جهان توليد شده که معادل 17 ميليون تن نفت خام است.
در سال 2005 در مجموع 9/3 ميليارد ليتر بيوديزل با نرخ رشد 85% در جهان توليد شده که اين ميزان بيوديزل معادل 5/3 ميليون تن نفت خام است]1 .[
1-4- تقسيم بندي سوخت هاي زيستي
سوختهاي حاصل از زيست توده را ميتوان در يك تقسيم بندي كلي به سوختهاي مايع و گازي شكل طبقه بندي كرد. سوختهاي مايع عبارتند از بيواتانول، بيومتانول و بيوديزل. بيواتانول و بيومتانول از طريق تخمير موادي همچون چغندرقند، سيب زميني و يا غلات بدست ميآيند.
زيست توده چهارمين منبع انرژي جهان است و حدود 14 درصد از نيازهاي انرژي جهان را تأمين مي‌کنند. سوخت حاصل از فنآوريهاي تبديل زيست توده يا به حالت گاز(زيست گاز) و يا مايع(متانول، اتانول و بيوديزل) است که براي توليد الکتريسيته و گرما مورد استفاده قرار مي‌گيرد. استفاده از منابع زيست توده، يکي از مناسب‌ترين و اقتصادي‌ترين راه حلهاي تأمين نيازهاي اساسي انرژي مردم فقير در مناطق دور افتاده است.
سوخت ديزل زيستي و اتانول زيستي، از مهم ترين سوخت هاي زيستي هستند که مي توان از آنها در صنعت حمل و نقل استفاده کرد. انواع سوخت هاي زيستي به همراه منابع گياهي و روش توليد در جدول1-1 آورده شده است.
جدول (1-1): انواع سوخت هاي زيستي به همراه منابع گياهي و روش توليد
سوختنام معمول يا جايگزينمنبع گياهيروش توليدبيواتانول-چغندرقند، غلاتهيدروليسيزروغن گياهيPure Plant Oil
(PPO)گياهان روغني
(کلزا، سويا)پرس سرد/ اکستراکسوينبيوديزل-گياهان روغني (کلزا، سويا، آفتابگردان، …)ترانستريفيکاسيون – پيروليسيز و ميکروامولسيونبيوديزل-روغن پسماند (WVO)ترانستريفيکاسيونبيوگاز-زيست توده (biomass)اتاق هاضمBio-ETBE-بيواتانولترکيب شيمياييبيواتانولCellulosic
bioethanolLignocellulosic
Materialهيدروليسيز پيشرفته و تخميربيوفيول ترکيبيFischer-Tropsch
(FT) diesel
Synthetic
Biodiesel
Biomass-to-
liquidsLignocellulosic
MaterialGasification and
Synthesisبيوفيول ترکيبيHeavier mixed
Alcohols
Biomass-to-liquidLignocellulosic
MaterialGasification and
SynthesisبيوگازBio-SNG
(synthetic natural Gas)Lignocellulosic
MaterialGasification and
SynthesisبيومتانولBiomass-to-liquidLignocellulosic
MaterialGasification and
SynthesisBiodimethyletherBio-DMELignocellulosic
MaterialGasification and
Synthesisبيوهيدروژن-Lignocellulosic
MaterialGasification and
Synthesis
1-5- بيوديزل
تاکنون مهم ترين و معمول ترين سوخت، براي استفاده در بخش حمل و نقل، در بسياري از کشور ها بنزين و گازوييل بوده است. از آنجا که قسمت اعظم آلاينده هاي مختلف و ذرات جامد معلق، از گاز خروجي اگزوز موتورهاي ديزلي ناشي مي شود، لذا در ميان سوخت هاي زيستي موجود، تحقيق در راستاي يافتن سوختي جايگزين و مناسب براي پترو ديزل(گازوئيل يا ديزل پايه نفتي) سهم وسيعي از تحقيقات را به خود اختصاص داده است.
بيوديزل به سوختهايي اطلاق مي شود که منشاء بيولوژيکي دارند و يک عنوان کلي است که به گستره اي از سوختهاي اکسيژن دهي شده با پايه استري(که از منابع بيولوژيکي تجديد پذير نشات مي گيرد) نسبت داده مي شود. بيوديزل ممکن است از روغن هاي آلي و چربيها توليد شود. از ديدگاه علم شيمي، بيوديزل به استرهاي منوالکيل با زنجيرهاي بلند اسيد چرب که بيوليپيدهاي تجديدپذير مشتق مي شوند منسوب مي شود.
در اغلب موارد مهم ترين منابع تامين ليپيد هاي تجديد پذير را چربي هاي حيواني و روغن هاي نباتي تشکيل مي دهند. بخش عمده اين روغن ها تري گليسيريدها هستند. لذا در اثر انجام اين واکنش علاوه بر استر، محصول ارزشمند ديگري به نام گليسيرين نيز حاصل مي شود.
سوخت ايمن و تميز بيوديزل سلامت اپراتور هايي را که با اين سوخت سرو کار دارند، تضمين مي کند. همچنين جايگزين تميزي براي سوختهاي نفتي است و در زمره سوختهاي سبز قرار مي گيرند. اين سوختها به خاطر اين که پايه گياهي و حيواني دارند مورد توجه بسياري از کشورها قرار گرفته اند.
مهم ترين تفاوت اساسي در ترکيبات بيوديزل و ديزل، محتواي اکسيژن است. ميزان اکسيژن موجود در ديزل صفر است، در حالي که بيوديزل حاوي 10 -12 درصد وزني اکسيژن را داراست که سبب کاهش دانسيته انرژي و انتشار ذرات معلق مي شود. به علاوه بيوديزل سوختي بدون گوگرد است، در حالي که در ديزل گوگرد وجود دارد که در سيستم اگزوز موتور به اکسيد هاي گوگرد و سپس بخشي از آن به اسيد سولفوريک تبديل مي شود. اين اسيد خود به توليدات ريز منجر مي شود. گازوييل به طور معمول 20-40 درصد حجمي آروماتيک دارد که سبب افزايش انتشار آلاينده هاي مختلف و ذرات معلق مي شود. بيوديزل به طور اساسي بدون آروماتيک است. در گازوييل هيچ پيوند دوگانه وجود ندارد، در حالي که در بيوديزل به واسطه حضور چشمگير محل هاي غير اشباع پايداري در مقابل اکسيداسيون کم است]2[.
شکل(1-1) ساختار شيميايي بيوديزل]3[.
بيوديزل درست مانند پتروديزل در موتورهاي احتراقي کار مي کند و براي اين کار اصولا هيچگونه تغيير بر روي موتور لازم نيست. بيوديزل، ظرفيت و دامنه کار پتروديزل را حفظ مي کند]4[.
استفاده از بيوديزل در يک موتور ديزلي معمولي منجر به کاهش اساسي هيدروکربن هاي نسوخته، منو اکسيد کربن و ذرات معلق مي شود. خروج اکسيدهاي نيتروژن (NOX)بسته به سيکل کاري و روش هاي آزمايشي، کمي کاهش و يا افزايش مي يابد. با بکار بردن اين سوخت، از سهم کربن موجود در ذرات معلق کاسته مي شود(چون اکسيژن موجود در بيوديزل در اثر احتراق کامل، تشکيل 2 COرا ممکن مي سازد). بخش سولفات از بين مي رود(زيرا در اين سوخت اصلا سولفور وجود ندارد) اما قسمتي محلول يا هيدروکربن به همان صورت باقي مي ماند يا افزايش پيدا مي کند، بنابراين بيوديزل با فناوري جديدي مانند استفاده از کاتاليست ها(که از ذرات محلول گازوئيل مي کاهند نه کربن جامد) و ERG(با کربن کمتر عمر موتور بيشتر مي شود) بسيار خوب کار مي کند]4[.
مخلوط هاي حاوي تا 20% بيوديزل(80% پتروديزل) مي توانند در تمام موتورها و خودروهاي ديزلي استفاده شوند و مخلوط هايي با نسبت هاي بالاتر بيوديزل(100% بيوديزل خالص) هم مي توانند در موتورهاي ساخته شده از سال 1994 به بعد با اندک تغييراتي و يا حتي بدون نياز به آنها مورد استفاده قرار بگيرند که البته حمل و نقل و ذخيره سازي آنها نيازمند تمهيدات خاصي است]2[.
يکي از تفاوت هاي اساسي بين ترکيبات بيوديزل و پتروديزل در محتواي اکسيژن آنهاست. ميزان اکسيژن موجود در پتروديزل صفر است در حالي که بيوديزل حاوي 12-10% وزني اکسيژن است که باعث کاهش دانسيته انرژي و انتشار ذرات معلق مي شود. به علاوه ميزان گوگرد موجود در بيوديزل حداکثر 2ppm10 است که درصد آلايندگي آن نسبت به پتروديزل مصرفي که حداقل حدود ppm50(پتروديزل اروپا) گوگرد دارد به مراتب کمتر است(البته ميزان پتروديزل مصرفي ايران بيش ازppm50 است). گوگرد موجود در سوخت، در سيستم اگزوز موتور به اکسيدهاي گوگرد و سپس بخشي از آن به اسيد سولفوريک تبديل مي شود. پتروديزل معمولا 40-20% حجمي، ترکيبات آروماتيک دارد که باعث افزايش انتشار آلاينده هاي مختلف مي شود در حالي که بيوديزل اساسا عاري از آروماتيک هاست]2[.
در پتروديزل هيچ پيوندي دوگانه (اَلفيني) وجود ندارد در حالي که در بيوديزل به دليل وجود تعداد قابل ملاحظه اي محل‌هاي غير اشباع، پايداري در مقابل اکسيداسيون کم مي باشد. افزايش ايمني و کاهش بو و دوده توليدي در هنگام استفاده و افزايش روانکاري موتور، از طرفي ميزان انرژي حاصل از سوختن واحد بيوديزل، 33300 کيلوکالري و ميزان انرژي ناشي از پتروديزل حدود 24000 کيلوکالري است]2[.
بيوديزل مي تواند با سوخت ديزل معمولي، با هر نسبتي حتي در مقادير بسيار کم که سبب انتشار کمتر آلاينده ها و رواني بهتر موتور مي گردد مخلوط مي شود. 1% بيوديزل رواني را تا 65% افزايش خواهد داد.
رواني بهتر به معني ستايش کمتر موتور، نهايتا کاهش هزينه تعمير و نگهداري است]5[.
جدول(1-2) مقايسه خواص بيوديزل بدست آمده از منابع گوناگون روغن هاي نباتي با پتروديزل]9[.
خواصپتروديزلروغن
سبوس برنجبيوديزل
سبوس برنجروغن
کلزابيوديزل
کلزاروغن
آفتابگردانبيوديزل
آفتابگردانروغن سويابيوديزل
سوياويسکوزيته
6/203/4064/47/332/50/304/49/316/4دانسيته
86/85092087778/91085/86278/91086/87478/91077/922محتواي انرژي
453434110042200397094044939575398003962339800نقطه ابري شدن
15-1399/3-102/709/3-2نقطه اشتعال
52316183250<180274164254171نقطه جوش
350——400340380—380350عدد ستان471/508/633754376/46382/46
جدول(1-3) ميزان روغن قابل استخراج محصولات مختلف کشاورزي برحسب واحدهاي مختلف]14].
محصولروغن
(کيلوگرم در هکتار)روغن
(ليتر در هکتار)روغن
(پوند در ايکر)روغن
(گالن در ايکر)ذرت14517212918کناف23027320529شاهدانه30536327239سويا37544633548بذر کتان40247835951بذر خردل48157243061کاملينا49058343862کنجد58569652274گلرنگ65577958583برنج69682862274روغن تانگ790940705100آفتابگردان800952714102بادام زميني8901059795113کلزا10001190893127کرچک118814131061151گردوي pecan150517911344191پالم500059504465635
شکل (1-2) فرايند توليد بيوديزل
1-6- محدوديتهاي توليد و استفاده از سوختهاي سبز
يکي از مشکلات توليد اين سوختها، کمبود زمينهاي کشاورزي ميباشد که براي کاشتن گياهان روغني به ناچار بايد اقدام به از بين بردن جنگلهاي موجود کرد. براي مثال در کشور آمريکا اگر سوختهاي گياهي بخواهد بطور کامل جايگزين سوختهاي فسيلي مورد نياز صنعت و حمل و نقل در اين کشور بشود، نياز به اراضي کشاورزي به مقدار دو برابر زمين هاي مستعد کشاورزي فعلي ميباشد.
– براي تأمين زمين کشاورزي مورد نياز سوختهاي سبز در بعضي از کشورها اقدام به از بين بردن جنگلها ميکنند که اين کار باعث افزايش گازهاي گلخانهاي و گرم شدن جهاني ميشود. امروزه جنگلها بهترين منبع به دام انداختن گاز دي اکسيد کربن هستند که در صورت از بين رفتن، تهديدهايي جدي براي محيط زيست بوجود ميآيد.
– از نظر اقتصادي حتي با وجود بالارفتن قيمت نفت، همچنان توليد سوختهاي گياهي قابل رقابت با سوختهاي فسيلي نظير بنزين نيست.
– استفاده از کشاورزي جهت توليد سوخت مي تواند منجر به کمبودهايي در توليدات غذايي شود. براي مثال در کشور چين افزايش استفاده کشاورزي ذرت جهت توليد اتانول منجر به افزايش ?? درصدي قيمت خوراک دام شده است. از ديگر معايب آن مي توان به موارد زير اشاره کرد:

-ويسکوزيته بالا
-حجم انرژي پايينتر
-نقطه تيرگي بالاتر
– قدرت و سرعت موتور پايينتر موتور
1-7- مزاياي مواد بيوديزلي بعنوان سوخت ديزلي
– قابليت دسترسي و قابليت تجديد مواد بيوديزلي
بيوديزل تنها سوخت متناوبي است که مي تواند در هر جايي ذخيره و نگهداري شود. مواد بيوديزلي ميتوانند از
محصولات دان? روغني قابل تجديد حيات نظير سويا، دان? شلغم روغني و آفتابگردان بصورت خانگي ساخته شده باشند. خطرات نگهداري، حمل و نقل و ذخيره سازي مواد بيوديزلي خيلي کمتر از آنهايي مي باشد که با مواد سوختي نفتي همراه شدهاند. مواد بيوديزلي براي نگهداري و حمل ونقل مناسب و مطمئن بوده زيرا بصورت قابل تجزيه زيستي و قند ميباشد و نقط? اشتعال بالايي را در مقايسه با سوخت ديزلي نفتي دارد.
راندمان احتراق بالاتر مواد بيوديزلي
حجم اکسيژن مواد بيوديزلي فرايند احتراق را بهبود ميدهد و پتانسيل اکسيداسيون آن را کاهش ميدهد. به همين خاطر راندمان احتراق مواد بيوديزلي بالاتر از سوخت ديزلي نفتي است و همچنين راندمان احتراق متانول يا اتانول بالاتر از گازوئيل است. مواد بيوديزلي حاوي 11% اکسيژن ميباشند و سولفور در آن وجود ندارد. استفاده از مواد بيوديزلي مي‌تواند عمر موتورهاي ديزلي را افزايش دهد، زيرا نسبت به سوخت ديزلي نفتي جلادهندگي بيشتري دارد. مواد بيوديزلي خصوصيات درخشندگي بهتري را نسبت به مواد ديزلي نفتي دارند.
– مواد خروجي کمتر با استفاده از مواد بيوديزلي
کاهش انتشار آلاينده هاي اکسيد گوگرد و منو اکسيد کربن و ذرات معلق، کاهش بو، دوده
– ايمني بيشتر و افزايش روانکاري موتور به هنگام استفاده
1-8- بازار بيوديزل
بيوديزل سوختي تقريبا ناشناخته است و براي رسيدن به استفاده تجاري گسترده بايد از موانع گوناگوني بگذرد. اين سوخت مي بايست قبل از هرگونه ورود به بازار، بر موانع نظارتي فائق آيد و قيمت آن نيز رقابتي تر شود.
فاکتور اقتصادي اصلي براي بررسي قيمتهاي داخلي و توليد مواد زيست ديزلي، موجودي ذخاير آنهاست که تقريباً 80% کل قيمت عملکرد است. ساير هزينههاي مهم کار، متانول وکاتاليست هستند که بايستي به ذخاير موجودي اضافه شوند. در بعضي از کشورها ايستگاههاي سوخت رساني، مواد زيست ديزلي را خيلي ارزانتر از سوختهاي ديزلي قديمي ميفروشند. قيمت بالاي مواد زيست ديزلي در بعضي از مناطق، ناشي از قيمت بالاي مواد ذخيره شده است. بايد دانست که مواد زيست ديزلي ميتوانند از ساير مواد ذخيره شده نظير چربي گاو، چربي خوک و چربي زرد نيز ساخته شده باشند. مواد زيست ديزلي از لحاظ تکنولوژي نسبت به مواد پتروديزل عمليتر ميباشند اما امروزه قيمت مواد زيست ديزلي 5/1 تا 3 برابر بالاتر از قيمت سوخت فسيلي در کشورهاي پيشرفته مي باشد. مواد زيست ديزلي نسبت به پتروديزل خيلي گران‌تر بوده اگر چه هنوز هم به طور معمول در مقادير نسبتاً کوچکي توليد ميشود. رقابت مواد زيست ديزلي با مواد پتروديزل به روشها و سطوح وضع ماليات سوخت وابسته است و در کل هزينههاي توليد مواد زيست ديزلي در مقايسه با مواد پتروديزل بيشتر ميباشد منافع اقتصادي صنعت زيست ديزل شامل ارزش افزوده به مواد موجودي و افزايش تعدادي از مشاغل در کارخانجات سازند? محلي، افزايش درآمد مالياتي، سرمايه گذاريها در طرح و تجهيزات خواهد بود. مواد زيست ديزلي اخيراً به خاطر منافع محيطي جذابيت بيشتري را داشته، بنابراين قيمت مواد زيست ديزلي مانع اصلي براي تجاري ساختن محصولات است. استفاده از روغن‏هاي آشپزخانهاي که به عنوان مواد خام استفاده شدهاند.
توانايي فرايند ترانس استريفيکاسيون مداوم و بازيافت گليسرول با کيفيت بالا به عنوان يک محصول فرعي زيست ديزلي، جنبههاي مهمي هستند که براي کمتر کردن قيمت مواد زيست ديزلي بررسي شدهاند.
امروزه ظرفيت توليد بيوديزل به سرعت رو به افزايش است. در طي سال هاي 2006-2002 سرعت افزايش توليد بيش از 40% بوده است. در اواخر سال 2004 ميزان توليد بيوديزل در دنيا حدود 3 ميليون تن(9/0 بيليون گالن)، در سال 2005، 34/3 ميليون تن(1 بيليون گالن) و در سال 2006 حدود 6-5 ميليون تن(8/1 – 5/1 بيليون گالن) بوده است. از اين ميزان، 9/4 ميليون تن(47/1 بيليون گالن) در اروپا و بيشتر مابقي در آمريکا توليد شده است. اين ميزان در سال 2007 در اروپا به 3/10 ميليون تن(3 بيليون گالن) رسيده است.
به نظر مي رسد که طي دهه آينده، بيشترين افزايش توليد در اتحاديه اروپا، برزيل، آرژانتين و کانادا مشاهده شود. اگرچه اخيرا اروپا 90 – 80 % توليد و مصرف بيوديزل جهاني را به خود اختصاص داده است، اما توليد و مصرف بيوديزل در آمريکا با سرعتي بيش از اروپا در حال صعود است]6[.
وجود ظرفيت بالقوه خوبي که در افزايش سهم سوخت هاي زيستي در بخش حمل و نقل از طريق توسعه استاندارد ها در آمريکا ايجاد شده موجب آن گشته که پيش بيني ها نويد از توليد و عرضه 3/2 ميليون بشکه در روز سوخت زيستي را تا سال 2022 دهد و از نظر اروپايي ها اين ميزان عرضه در سال 2020 محقق مي شود ]7[.
2-1- تاريخچه توليد بيوديزل
توليد بيوديزل با استفاده از روغن هاي طبيعي از اوايل قرن بيستم در ارتباط با اولين بحران نفتي در سال 1872 به عنوان سوخت خودروها مورد توجه قرار گرفت.
رادلف ديزل مخترع موتور ديزل، از بادام زميني به عنوان سوخت براي اثبات آن در سال 1900 در نمايشگاه پاريس استفاده کرد و گفت: “استفاده از روغن هاي گياهي براي سوختهاي موتور ممکن است امروزه ناچيز به نظر برسد اما چنين روغن هايي ممکن است در طي زمان به مهمي نفت خام و محصولات زغال سنگي زمان حاضر تلقي شوند”. در سال هاي 1912 -1911 او موفق به اثبات امکان پذيري استفاده از انواع ديگر روغن هاي نباتي در جايگزيني با سوخت ديزل شد ]14[.
با اين وجود، در سال هاي بعد به واسطه توسعه سريع فرآيند هاي پالايش نفت خام، ارزان بودن اين مواد در مقايسه با سوخت هاي گياهي و افزايش تقاضاي سوخت ديزل، بکارگيري يکي از محصولات جانبي اين فرايندها(پتروديزل)، جايگزين استفاده از بيوديزل شد. البته در سال هاي 1940-1930 و بويژه در موقعيت هاي اضطراري نظير جنگ جهاني استفاده از اين دسته از سوخت ها مجددا مورد بررسي قرار گرفت. علاوه بر اين آلاينده هاي خروجي از اگزوز موتورهاي ديزل از ديگر دلايلي است که استفاده از اين سوخت ها را توجيه مي کند]10[.
در موارد فوق، روغن هاي مورد استفاده به عنوان سوخت، بصورت خام هستند. با وجود سادگي استفاده مستقيم از روغن‏ها به عنوان سوخت، وجود ويژگي هايي نظير ويسکوزيته بالا، ترکيبات اسيدي، تشکيل زودهنگام مواد صمغي و پليمري، تشکيل کک بواسطه عدم احتراق کامل و خورندگي زياد مهم ترين عواملي هستند که استفاده از اين روش را محدود مي کند]10[.
لذا تحقيقات وسيعي در راستاي رفع اين مشکل ها انجام شد. بر اساس تحقيقات انجام شده چهار راهکار کلي براي کاهش ويسکوزيته اين سوخت ها توصيه مي شود که عبارتند از: اختلاط با ساير سوخت ها، ميکروامولسيون، پيروليز و ترانس استريفيکاسيون.
جزئيات کامل اين روش ها توسط Ma و همکارانش(در سال 1999) مورد مطالعه قرار گرفته است]16[.
در روش اختلاط، مخلوط کردن روغن با ساير سوخت هاي موجود منجر به کاهش ويسکوزيته آن مي شود. براي نمونه ترکيبي از روغن و پتروديزل با نسبت حجمي 3:1 داراي ويسکوزيته در حدود mPa.s4/44 است که تقريبا يک ششم ويسکوزيته روغن هاي نباتي است]16[.
البته سوخت هاي حاصل بواسطه عدم پايداري فازي در مراحل نگهداري و انتقال منجر به مشکلاتي مي شود که استفاده از آنها را محدود مي کند]15[.
براي اولين بار Anon و همکارانش در سال 1982 ميلادي روغن هاي نباتي سوخته را بصورت خالص و مخلوط 95% حجمي با پتروديزل مورد استفاده قرار دادند]15[.
در روش ميکروامولسيون با استفاده از حلال هايي نظير اتانول، متانول و بوتانول به کاهش ويسکوزيته روغن هاي نباتي مورد استفاده پرداخته مي شود. ترکيب حاصل يک مخلوط ميکروامولسيون است. يک ترکيب امولسيوني عبارت است از مخلوط کلوئيدي تعادلي از سيالات ميکروساختاري که از لحاظ اُپتيکي ايزوتوپ هستند. اين مخلوط از ذراتي با اندازه اي در حدود nm150-1 از دو مايع ذاتا امتزاج ناپذير به همراه يک يا بيش از يک افزودني يوني يا غير يوني تشکيل شده است]14[.
در مورد مخلوطي با 53% حجمي روغن، 5/13% اتانول و 5/33% بوتانل ويسکوزيته اي برابر با cSt 31/6 گزارش شده است. در مقايسه با حالت قبل، اين روش علاوه بر بهبود ويسکوزيته منجر به بهبود عدد ستان و ميزان خاکستر توليدي سوخت نيز مي شود]15[.
موادي نظير روغن هاي گياهي، چربي هاي حيواني، اسيدهاي چرب اشباع و متيل اتر اسيدهاي چرب از دسته موادي هستند که توانايي توليد مواد جديد را تحت عمل پيروليز دارا هستند. پتروليز عبارت است از تبديل يک ماده به ماده يا مواد ديگر با استفاده از حرارت در حضور يا عدم حضور کاتاليزور. اين عمل بايستي در غياب اکسيژن يا هوا صورت پذيرد تا از سوختن مواد اوليه و محصولات جلوگيري شود. قدمت پيروليز اين دسته از مواد به بيش از يکصد سال پيش مربوط مي شود. اين عمل خصوصا در مناطقي که با کمبود مواد نفتي مواجه بوده اند از سال هاي پيش مورد توجه قرار گرفته است]10[.
براي اولين بار پيروليز روغن ها در جنگ جهاني اول و از سوي کشورهاي تحت فشار براي تهيه يک سوخت مناسب از روغن هاي نباتي و چربي ها ي حيواني بکار گرفته شد. در سال 1947 يک واحد شکست حرارتي روغن هاي نباتي چرب ايجاد شد. در اين فرآيند، روغن در ابتدا به صورت صابون درآمده و در مرحله بعد براي تيه نفت تحت عمل پتروليز قرار مي گرفت. نفت خام توليدي بعد از پالايش به محصولاتي نظير سوخت ديزل، بنزين و نفت سفيد تبديل مي شود. در مجموع از پتروليز 68 کيلوگرم روغن چيزي در حدود 50 ليتر نفت خام حاصل مي شود]10[.
در حالت کلي اين روش بصورت پتروليز روشاول، پيروليز سريع و پيروليز ناگهاني انجام مي شود]15[.
نظير اغلب فرآيندهاي شامل پيروليز، در پيروليز روغن هاي نباتي نيز معمولا از کاتاليزورها براي بهبود سرعت و انتخاب پذيري واکنش ها استفاده مي شود. يکي از رايج ترين کاتاليزورهاي مورد استفاده عبارت است از SiO2- AL2O3که در صنايع نفت نيز بصورت گسترده استفاده مي شود]10[.
علاوه بر سوخت هاي مايع نظير بيوديزل، در برخي از تحقيقات، پيروليز به منظور توليد سوخت هاي گازي از روغن‌هاي نباتي مورد استفاده قرار گرفته است. براي نمونه Marquevich و همکارانش (2000) توسط کراکينگ روغن هاي نباتي با استفاده از بخار به توليد هيدروژن پرداخته اند]15[.
بر اساس تحقيقات Schwab و همکارانش(1988)، در حدود 60% ترکيبات حاصل از پيروليز روغن هاي نباتي را ترکيبات آلکاني و آلکني تشکيل مي دهد]10[. در مورد خوراک هايي با درصد بالاي اسيدهاي چرب آزاد، نظير فرآيند گزارش شده توسط Chang و همکارانش(1947) مي توان در ابتدا با استفاده از آهک، خوراک مصرفي را به صابون تبديل کرده و سپس مواد حاصل را تحت عمل پيروليز قرار داد]15[.
چهارمين و رايج ترين روش در صنعت براي توليد سوخت از روغن هاي گياهي و چربي هاي حيواني ترانس‌استريفيکاسيون يا الکوليز است]15[. ترانس استريفيکاسيون عبارت است از واکنش دادن يک روغن گياهي يا چربي حيواني با يک الکل براي توليد استر (سوخت زيستي) و گليسرول. مکانيسم و شرايط حاکم بر اين واکنش ها در فصل بعدي به تفسير ارائه خواهد شد.
شکل (2-1) واکنش ترانس استريفيکاسيون يا الکوليز
محققاني نظير Meher و همکارانش(2003) و Gerpen(2004) به جمع بندي مطالعات انجام شده در اين زمينه پرداخته اند]10و15و16و17[.
نتايج گزارش شده توسط Freedman همکارانش(1986) حاکي از آن است که واکنش ترانس استريفيکاسيون خود متشکل از تعدادي واکنش هاي سري است]16[. بر اساس نتايج ارائه شده توسط Eckey و همکارانش(1956) اين واکنش طي سه مرحله تعادلي صورت مي گيرد]10[.
Darnoko و همکارانش(2000) با فرض تعادلي بودن واکنش (برگشت پذير بودن مراحل مختلف واکنش) ترانس‌استريفيکاسيون به بررسي سينتيک حاکم بر آن پرداختند]18[. در اين تحقيق کاتاليزورهاي مورد استفاده از نوع قليايي و همگن است.
علاوه بر اين تحقيقات Issariyakul و همکارانش(2006) نيز به بررسي سينتيک واکنش ترانس استريفيکاسيون پرداختند]19[. اما برخلاف تحقيقات قبل، آنها بجاي استفاده از متانول يا اتانول خالص از مخلوط اين الکل ها با نسبت 3:3 الي 5:1 استفاده کرده اند.
بواسطه آلودگي هاي ناشي از حضور کاتاليزورهاي هموژن در محصولات نهايي فرآيند، دانشمندان به بررسي امکان استفاده از کاتاليزورهاي هتروژن در اين واکنش پرداختند. لذا Kim و همکارانش(2004) تأثير استفاده از کاتاليزور هتروژن- AL2O3?/ NaOH/Na بر بازده و سرعت واکنش ترانس استريفيکاسيون را مورد بررسي قرار دادند]20[.
از سوي ديگر Diasakou و همکارانش(1998) به بررسي روش هايي پرداختند که در آنها واکنش ترانس‌استريفيکاسيون بدون نياز به کاتاليزور انجام مي شود]22[.
براي اين منظور استفاده از ترکيبلا کمک حلال و شرايط فوق بحراني الکل مورد بررسي قرار گرفت]23[. بواسطه مشکل بودن شرايط عملياتي مورد نياز فرآيند در روش الکل فوق بحراني( P>80atm&T= 350- 400?C) اين روش در مقياس هاي صنعتي و تجاري کمتر مورد توجه قرار گرفته است]9 [.
علاوه بر کاتاليزورهاي اسيدي و قليايي مي توان از کاتاليزورهاي آنزيمي نيز استفاده کرد]9و10و14 [.لذا Yuanyuan و همکارانش(2004) به بررسي سينتيک تبديل تري گليسيريدها به بيوديزل با استفاده از کاتاليزورهاي آنزيمي پرداخته است]29[.
بر اساس نتايج حاصل واکنش کلي از سه مرحله تعادلي سري تشکيل شده و معادلات سرعت حاصل از مرتبه 2 هستند.
Sendzikiene و همکارانش(2004) به مطالعه سينتيک تبديل اسيدهاي چرب آزاد به بيوديزل با استفاده از متانول و کاتاليزور اسيدي پرداخته اند]26[.
در اين تحقيق دماهاي مورد استفاده در محدوده ?C60-20 بوده و از 1% وزني اسيد سولفوريک استفاده شده است. علاوه بر تحقيق اخير، Tesser و همکارانش(2005) نيز به بررسي سينتيک حاکم بر استريفيکاسيون اولئيک اسيد در حضور تري گليسيريدها با استفاده از کاتاليزور اسيدي پرداخته اند]33[. بر اساس نتايج حاصل از اين تحقيق، معادلات سرعت حاصل از مرتبه 2 هستند.
Chuang و همکارانش(2005) ضريب توزيع متانول و کاتاليزور مورد استفاده در واکنش ترانس استريفيکاسيون را بين فازهاي آبي و آلي موجود(گليسيرين و بيوديزل توليدي) مورد بررسي قرار داده اند]24[. براي اين منظور آنها از معادلات تعادلي VLE و ويلسون استفاده نمودند.
کليه مباحث فوق، تحقيقاتي هستند که در مقياس آزمايشگاهي توليد بيوديزل انجام شده اند. در ادامه به بررسي مواردي پرداخته مي شود که در آنها بيوديزل در مقياس تجاري يا نيمه تجاري توليد مي شود.


دیدگاهتان را بنویسید