پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی جهت بهبود تولید اتانول و بیوگاز و آنالیز فنی- اقتصادی
چکیده
امروزه نسل دوم سوختهای زیستی از مواد لیگنوسلولزی به عنوان جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی به شمار می رود. برای تولید این سوختها با راندمان بالا و در مقیاس صنعتی، به یک مرحله پیش فرآوری نیاز است. به علاوه استفاده از پیش فرآوری هایی که خود از نظر زیست محیطی آثار منفی نداشته باشند یک ویژگی تعیین کننده است. در بخش اول این پژوهش روش های نوین پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی با حلال اِن-متیل-مورفولین-اِن-اکسید (nmmo) و مایعات یونی 1-بوتیل-3-متیل-ایمیدازولیوم استات ([bmim][oac]) و 1-اتیل-3-متیل-ایمیدازولیوم استات ([emim][oac]) برای تولید اتانول و بیوگاز بررسی شد. این مواد حلال های بسیار قوی برای سلولز بوده و پسماند های سمی تولید نمی کنند. مزیت دیگر این مواد غیر سمی بودن و قابلیت بازیابی و استفاده مجدد از آنهاست. پیش فرآوری توسط حلال ها در دمای 120 درجه سانتیگراد و به مدت 1تا 15 ساعت انجام شد. سپس بر روی نمونه های چوب هیدرولیز آنزیمی انجام شده و بعد از آن از بخش مایع آن اتانول تولید شد. همچنین میزان تولید بیوگاز از نمونه های پیش فرآوری شده با nmmo بررسی و با بیوگاز حاصل از نمونه های پیش فرآوری نشده مقایسه شد. پیش فرآوری راندمان اتانول از چیپس و پودر چوب کاج را به ترتیب از 7/1% و 2/7% تا حداکثر 2/51 و 1/86% راندمان تئوری افزایش داد. این پیش فرآوری راندمان بیوگاز از چیپس و پودر چوب کاج را به ترتیب 8/6 و 4/3 برابر افزایش داد. حلال nmmo و مایعات یونی [bmim][oac] و [emim][oac] راندمان تولید اتانول از پودر چوب صنوبر را از 7/9% به ترتیب تا 4/69%، 0/81% و 5/81% افزایش دادند. راندمان تولید اتانول از چیپس چوب صنوبر پس از پیش فرآوری با این سه حلال از 7/2% به ترتیب تا 1/36%، 8/51% و 8/66% افزایش پیدا کرد. برای درک بهتر فرایند پیش فرآوری ، آنالیز های ساختاری از جمله طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه، پراش اشعه ایکس، عکس برداری با میکروسکوپ الکترونی، و اندازه گیری جذب آب و آنزیم روی سطح انجام شد. آنالیز طیف سنجی مادون قرمز نشان داد که پیش فرآوری با nmmo باعث افزایش نسبت سلولز به لیگنین در سطح چوب شده است. همچنین کاهش بلورینگی و افزایش تخلخل نیز در چوب مشاهده شد که هر کدام می توانند دلایل بهبود راندمان اتانول و بیوگاز در اثر پیش فرآوری با nmmo باشند. در بخش بعدی این پژوهش آنالیز اقتصادی 10 فرایند تولید اتانول و بیوگاز از مواد اولیه کاه گندم، کاه برنج، چوب کاج و کاغذ باطله که با روش های انفجار با بخار یا nmmo پیش فرآوری شده اند بررسی شد. بدین منظور فرایندها توسط نرم افزار aspen plus شبیه سازی و سپس توسط نرم افزار آنالیز اقتصادی aspen pea مورد بررسی اقتصادی قرار گرفتند. در هر مورد قیمت تمام شده سوختهای زیستی با قیمت محصول موجود در بازار با احتساب هزینه های جانبی مقایسه شد. بررسی ها نشان داد که تولید سوختهای زیستی در کشور سوئد به دلیل وضع مالیاتهای انرژی وتولید دی اکسید کربن، مقرون به صرفه است تا جاییکه حدود 57% از قیمت بنزین موجود در بازار را مالیات تشکیل می دهد. قیمت تمام شده سوختهای زیستی موجود در بازار سوئد حدود 10% کمتر از بنزین است و قیمت تمام شده سوختهای زیستی در این مطالعه 18 الی 39% کمتر از بنزین بدست آمد. نتایج نشان داد که اگرچه استفاده از سوختهای زیستی در ایران هنوز مقرون به صرفه نیست اما با حذف کامل یارانه ها و افزایش مالیاتها (که در برنامه های دولت قرار دارند) آینده این سوختها روشن به نظر میرسد. اگرچه پیش فرآوری با nmmo راندمان تولید سوختهای زیستی را بیشتر از انفجار با بخار افزایش داده است، اما فرایندهایی که در آنها از پیش فرآوری با بخار استفاده شده بود به دلیل عدم نیاز به حلال، هزینه پیش فرآوری پایین تر و صرفه اقتصادی بیشتری داشتند.