دانشگاه اصفهان
دانشکده علوم و فناوريهاي نوين
گروه مهندسي بيوتکنولوژي
پايان نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي- بيوتکنولوژي
مدلسازي فرآيند توليد ترکيبات آلي با استفاده از سيستم پيل سوختي ميکروبي معکوس
اساتيد راهنما:
دکتر داوود بيريا
دکتر حميد ريسماني يزدي
پژوهشگر:
مريم کاظمي
بهمن ماه 1392
کليه حقوق مادي مترتب بر دست‌آوردهاي مطالعات، ابتکارات و نوآوري‌هاي ناشي از پژوهش موضوع اين پايان‌نامه/ رساله متعلق به دانشگاه اصفهان است.دانشجو موظف به رعايت آئين‌نامه و منشور اخلاق در پژوهش براي ارائه و يا چاپ مطالب مستخرج از پايان‌نامه/ رساله خود مي‌باشد.
دانشگاه اصفهان
دانشکده علوم و فناوريهاي نوين
گروه مهندسي بيوتکنولوژي
پايان نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي خانم مريم کاظمي
تحت عنوان
مدلسازي فرآيند توليد ترکيبات آلي با استفاده از سيستم پيل سوختي ميکروبي معکوس
در تاريخ …../04/1393 توسط کميته تخصصي زير مورد بررسي و با درجه … به تصويب نهايي رسيد:
استاد راهنماي پايان نامهآقاي دکتر داوود بيريااستاد راهنماي پايان نامهآقاي دکتر حميد ريسماني يزدياستاد داورآقاي دکتر محمدعلي اسداللهياستاد داورخانم دکتر سحر رشيد نديميسرپرست تحصيلات تکميلي دانشکدهآقاي دکتر حسن محبت کارامضاي مديرگروه
سپاس خداي را که سخنوران، در ستودن او بمانند و شمارندگان، شمردن نعمت هاي او ندانند و کوشندگان، حق او را گزاردن نتوانند.و سلام و دورد بر محمّد و خاندان پاك او، طاهران معصوم، هم آنان که وجودمان وامدار وجودشان است…
با درود فراوان به روح پر فتوح پدر بزرگوارم…
و سپاس بيکران بر همدلي و همراهي و همگامي مادر دلسوز و مهربانم که سجده ي ايثارش گل محبت را در وجودم پروراند و دامان گهربارش لحظه هاي مهرباني را به من آموخت.
و سپاس از همسرم که سايه مهربانيش سايه سار زندگيم مي باشد، او که اسوه صبر و تحمل بوده و مشکلات مسير را برايم تسهيل نمود.
– از استاد با کمالات و شايسته؛ جناب آقاي دکتر داوود بيريا که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتني، از هيچ کمکي در اين عرصه بر من دريغ ننمودند و زحمت راهنمايي اين رساله را بر عهده گرفتند.و با تقدير و تشکر شايسته از استاد فرهيخته و فرزانه جناب آقاي دکتر حميد ريسماني يزدي که با نکته هاي دلاويز و گفته هاي بلند ، صحيفه هاي سخن را علم پرور نمود و همواره راهنما و راه گشاي نگارنده در اتمام واکمال پايان نامه بوده است.
سپاسگذار کساني هستم که سرآغاز تولد من هستند.از يکي زاده ميشوم و از ديگري جاودانه.استادي که سپيدي را بر تخته سياه زندگيم نگاشت و مادري که تار مويي از او بپاي من سياه نماند.
و با تشکر خالصانه خدمت همه دوستاني که مرا در به انجام رساندن اين مهم ياري نموده اند.
ماحصل آموخته هايم را تقديم مي کنم به:
روح پاک پدرم،
درياي بي کران فداکاري و عشق، مادرم،
و به همسرم، اسطوره زندگيم…
چکيده
منابع انرژي رو به زوال سوخت‌هاي فسيلي، جامعه رو به توسعه انساني را در آينده‌اي نه‌چندان دور دچار کمبود سوخت مي‌سازند. در نتيجه نگرانيهاي انتشار پيوسته و در حال افزايش دياکسيد کربن به اتمسفر و همچنين وسعت آلودگي ناشي از سوخت‌هاي فسيلي که زندگي در کره خاکي را دچار مشکل ساخته است، نياز به منابع انرژي از منابع تجديدپذير با حداقل تأثير منفي زيست محيطي را افزايش ميدهد. پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس با عملکردي در جهت عکس پيلهاي سوختي ميکروبي، باکتريها آب و دياکسيد کربن را با استفاده از الکترونهايي که در آند يا يک منبع الکتريکي خارجي به کاتد منتقل ميشوند، در فرآيندي شبيه به فتوسنتز به ترکيبات آلي تبديل ميکنند. اين ترکيبات آلي خود ميتوانند به سوخت تبديل شوند. در پژوهش پيش رو مدلي بر اساس هدايت مستقيم الکترونها در بيوفيلم ارائه شده است. خروجيهاي مدل حاضر شامل پروفايل تغييرات غلظت سوبسترا، پتانسيل الکتريکي، توزيع باکتريهاي فعال درون بيوفيلم، تغييرات زماني چگالي جريان و ضخامت بيوفيلم ميباشد. به منظور بررسي اثر عوامل مختلف نسبت به يک حالت شاهد، حالت مرجعي با استفاده از مقادير پارامترهاي موجود و براي سوبستراي دياکسيد کربن و جامعه ميکروبي خالص اسپروموسا اواتا ايجاد شد. بازده کلومبيک در اين مدل تابعي از غلظت سوبسترا و پتانسيل کاتد ميباشد. براي سوبستراي دياکسيد کربن و با وجود گونه ميکروبي اسپوروموسا اواتا، در صورت افزايش غلظت، بازده کلومبيک و چگالي جريان کاهش ولي ضخامت بيوفيلم افزايش يافت. از آنجا که ضريب هدايت الکتريکي بيوفيلم اسپوروموسا اواتا بسيار بالاست، بخش اعظم مقاومتهاي پيل سوختي ميکروبي با اين جامعه ميکروبي و سوبستراي دياکسيد کربن ناشي از مقاومتهاي انتقال جرم ميباشد. با وجود غلظت 025/0 ميلي مول بر سانتيمتر مکعب سوبسترا در کاتوليت، بيشينه چگالي جريان مصرفي 3/0 آمپر بر متر مربع و بازده کلومبيک 75% خواهد بود.دليل کم بودن بازده کلومبيک، مقاومتهاي کاتدي و اهمي در عملکرد پيل ميباشد. از آنجا که بازده کلومبيک تابعي از پتانسيل الکتريکي و غلظت سوبسترا در کاتوليت است و ماکزيمم بازده کلومبيک در غلظت 025/0 ميلي مول بر سانتي متر مکعب، 75% و در پتانسيل الکتريکي 13/1، 55% نمايان شد، در نتيجه با ايجاد حالتي بهينه در اين غلظت و در اين پتانسيل ميتوان به بازده توليد بالايي از استات دست يافت.
کليد واژه ها: پيل سوخت ميکروبي معکوس، الکتروسنتز ميکروبي، الکتروسوخت، کاتد و مدلسازي.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالب…………………………………………………………………………………………………………………………………………………و
فهرست شکلها……………………………………………………………………………………………………………………………………………….ح
فهرست جداول ………………………………………………………………………………………………………………………………………………ط
فصل اول: بررسي اهميت موضوع و مفاهيم مرتبط با آن
1-1 مقدمه1
1-2 چرخه انرژي تجديدپذير بر پايه زيست توده3
1-3 توليد زيست توده توسط فرآيند فتوسنتز4
1-4 هيدروليز و تخمير4
1-5 نياز به منابع آب و تصفيه پسابها6
1-6 پيل سوختي7
1-7 تعريف پيل‌سوختي8
1-8 انواع پيل سوختي8
1-9پيلهاي سوختي ميکروبي9
1-9-1 کاربرد پيل سوختي ميکروبي11
1-9-1-1 توليد برق12
1-9-1-2 تصفيه پسابها12
1-9-1-3 توليد هيدروژن13
1-9-1-4 حذف مواد شيميايي13
1-9-1-5 حسگرهاي زيستي13
1-9-2 مقايسه پيلهاي سوختي ميکروبي با فرآيندهاي بيواتانولي و متان زدايي14
1-9-2-1 فناوريهاي متانزدايي و پيل سوختي ميکروبي14
1-9-2-2 فناوريهاي بيواتانول و پيل سوختي ميکروبي14
1-9-3 بررسي جامعه ميکروبي و زنجيره تنفسي در آنها15
1-9-3-1 چگونگي انتقال الکترونها از سطح ميکروب به سطح آند پيل سوختي17
1-10پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس……21
1-10-1 مکانيسمهاي انتقال الکترون22
1-10-2 بيوفيلمهاي کاتد24
1-10-3 الکترود کاتد24
1-10-4 شيمي محلول.25
1-11هدف از پژوهش پيش رو27
فصل دوم: بررسي پژوهشهاي پيشين
2-1 مروري بر پيلهاي سوختي از گذشته تا حال28
2-2تاريخچه پيل سوختي ميکروبي29
2-3 تاريخچه مدلسازي پيل سوختي ميکروبي29
2-4 تاريخچه الکتروسنتز ميکروبي33
فصل سوم: بررسي معادلات و ساختار مدل
3-1 فرضيات انجام گرفته ……………………………………………………………………………………………………………………………36
3-2 معادلات سرعت37
3-2-1 معادلات مصرف سوبسترا37
3-2-2 معادله سرعت پديده خود-اکسايي ميکروبهاي فعال40
3-2-3 معادله سرعت غير فعال شدن ميکروبهاي فعال41
3-3 معادله بقاي جرم سوبسترا در بيوفيلم41
3-4 بررسي ضريب انتقال جرم خارجي43
3-5 معادله بقاي جرم سوبسترا در حجم مايع کاتوليت44
3-6 معادله پتانسيل الکتريکي و قانون اهم45
3-7 بررسي مقاومتهاي اهمي47
3-8 معادله بقاي جرم زيست توده48
3-9 نيم واکنشهاي انجام گرفته در بخش آند و کاتد پيل سوختي ميکروبي معکوس51
3-10 بررسي مدل مورد استفاده جهت تخمين پارامترهاي طراحي …………………………………………………………51
3-11 روش حل عددي52
3-11-1 روش تفاضلات محدود53
3-11-1-1 تفاضلات پيشرو53
3-11-1-2 تفاضلات پسرو.53
3-11-1-3 تفاضلات مرکزي53
فصل چهارم: نتايج به دست آمده و تجزيه و تحليل آنها
4-1 بررسي شرايط مرجع57
4-2 اثر تغيير پتانسيل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع61
4-3 مقايسه مقادير واقعي با مقادير حاصل از مدلسازي…………………………………………………………………………….68
4-4 جمع بندي و نتيجه گيري69
4-4 پيشنهادات71
منابع و مراجع72
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل 1-1: انرژي تجديدپذير خورشيدي و انرژيهاي سرچشمه گرفته از آن- [2]2
شکل 1-2: نمايي کلي از چرخه توليد انرژي بر پايه زيست توده [5]4
شکل 1-3: نمايي از فرآيندهاي هيدروليز، تخمير، اسيدزدايي و متان زايي، محصولات و مواد اوليه هر کدام [5]6
شکل 1-4: شمايي از عملکرد پيل سوختي ميکروبي [13]10
شکل 1-5: زنجيره تنفسي درون سلول ميکروبها و پتانسيل کاهشي متناظر با هر مرحله [2]16
شکل 1-6: انتقال الکترون از سطح خارجي ميکروب به سطح آند توسط مواد واسط درونزا و برونزا [26]18
شکل 1-7: انتقال مستقيم الکترون از سطح سلول ميکروب به سطح آند با تماس مستقيم فيزيکي بين آن‌ها[26]20
شکل 1-8: انتقال الکترون از سطح سلول ميکروب به سطح آند توسط نانوسيم رسانا [26]20
شکل 1-9: گونه ميکروبي از خانواده (الف) ژئوباکتر (ب) شوانلا و نانوسيمهاي ايجاد شده [13]21
شکل 1-10: شمايي از تفاوت بين پيل سوختي ميکروبي و پيل سوختي ميکروبي معکوس22
شکل 2-1: مقايسه شبيهسازي مدل [8] و نتايج آزمايشگاهي [9] در غلظت 1 ميلي مولار استات- [8]31
شکل 3-1: نمايي از نحوه افرازش الکترونهاي توليد شده از منبع خارجي، توليد انرژي، تکثير سلولهاي جديد فعال و سازوکارهاي نابودي آنها [1]40
شکل 3-2: شماي ساده بيوفيلم چسبيده به کاتد و لايه مرزي غلظتي42
شکل 3-3: الگوريتم حل معادلات مذکور در فصل سوم56
شکل 4-1: تغييرات پتانسيل الکتريکي در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم58
شکل 4-2: تغييرات غلظت سوبسترا در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم59
شکل 4-3: تغييرات جزء حجمي ميکروبهاي فعال در طول بيوفيلم59
شکل 4-4: تغييرات ضخامت بيوفيلم با زمان60
شکل 4-5: تغييرات دانسيته جريان با زمان60
شکل 4-6: تغييرات بازده کلومبيک با غلظت سوبسترا در حجم مايع63
شکل 4-7: روند تغييرات چگالي جريان با غلظت سوبسترا در حجم مايع63
شکل 4-8: روند تغييرات ضخامت بيوفيلم با غلظت سوبسترا در حجم مايع64
شکل 4-9: جمله نرنست-مونود نسبت به پتانسيل کاتد64
شکل 4-10: تغييرات چگالي جريان با پتانسيل سطح کاتد65
نمودار 4-11: تغييرات چگالي جريان با زمان در پتانسيل اشباع و غلظتهاي مختلف66
شکل 4-12: تغييرات چگالي جريان با زمان براي غلظت سوبستراي اشباع و پتانسيلهاي مختلف67
شکل 4-13: توزيع ميکروبهاي فعال در بيوفيلم، پتانسيل کاتد محدود کننده67
شکل 4-14: توزيع ميکروبهاي فعال در بيوفيلم، غلظت سوبستراي محدود کننده68
شکل 4-15 شکل 4-15: مقايسه نتايح حاصل از مدلسازي با نتايج واقعي. (a نتيجه حاصل از مدلسازي و (b نتايج واقعي …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..69
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 1-1: تفاوت بين واکنشهاي انجام شده در بخش آند و کاتد پيل سوختي ميکروبي و پيل سوختي ميکروبي معکوس22
جدول4-1: مقادير عددي پارامترها براي حالت مرجع58
جدول 4-2: محدوده تغييرات پتانسيل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع62
فصل اول
بررسي اهميت موضوع و مفاهيم علمي مرتبط با آن
1-1 مقدمه
منابع انرژي رو به زوال سوخت‌هاي فسيلي، جامعه رو به توسعه انساني را در آينده‌اي نه‌چندان دور دچار کمبود سوخت مي‌سازند. با رشد سريع جمعيت و رسيدن آن به مرز 10 ميليارد نفر تا 50 سال ديگر نياز به منابع پايان‌ناپذير سوخت افزايش خواهد يافت]1[. بر اساس تخميني از رشد جمعيت و رشد اقتصادي همراه با آن و با در نظر گرفتن روند رشد تقاضاي انرژي، ميزان تقاضاي انرژي در سال 2050 ميلادي 27 تراوات و در سال 2100 ميلادي 43 تراوات خواهد بود]2[. بنابراين اگرچه نفت، گاز طبيعي و ذغال سنگ در کوتاه مدت ميتوانند نياز انرژي را برآورده نمايند، ولي در دهههاي آتي و با پيشي گرفتن تقاضاي نفت از عرضه آن، نميتوانند به عنوان يک گزينه مناسب مطرح شوند. در نتيجه با توجه به اينکه منابع سوختهاي فسيلي رفته رفته در حال کاهش است حتي در صورت يافتن منابع جديد نفت و يا افزايش بهرهبرداري از مخازن موجود، مشکل مهم تغييرات آب و هوايي نه تنها حل نميشود، بلکه تشديد نيز خواهد شد. بدون شک رهاسازي کربن ذخيره شده در سوختهاي فسيلي، غلظت دياکسيد کربن را در جو افزايش ميدهد؛ انباشتگي گازهاي گلخانهاي در سالهاي اخير سبب شده که دماي متوسط جهاني از دماهاي پيش از تاريخ نيز فراتر رفته و منجر به ذوب يخهاي طبيعي و افزايش سطح درياها بشود]2[. بنابراين حتي جايگزيني نفت و گاز با سوختهاي ديگري مانند ذغالسنگ، هيدرات متان و قطران ذغالسنگ نيز منجر به رهاسازي گاز دياکسيد کربن بيشتر به جو، تشديد نمودن آسيبهاي زيست محيطي و شتاب بخشيدن به تغييرات آب و هوايي ميگردد. بنابراين از اين ديدگاه ما به روشي براي توليد انرژي نيازمنديم که با نرخ بيش از 1% در هر قرن گاز دياکسيد کربن را به جو وارد ننمايد. بزرگترين چالش پيش رو اين است که علاوه بر برآورده نمودن نياز رو به رشد انرژي، مسئله نشر گازهاي گلخانهاي نيز به طور همزمان برطرف گردد.
در نتيجه نگرانيهاي انتشار پيوسته و در حال افزايش دياکسيد کربن به اتمسفر و همچنين وسعت آلودگي ناشي از سوخت‌هاي فسيلي که زندگي در کره خاکي را دچار مشکل ساخته است، نياز به منابع انرژي از منابع تجديدپذير با حداقل تأثير منفي زيست محيطي را افزايش ميدهد]3[. در اين ارتباط قوانين سخت گيرانه تر زيست‌محيطي وضع گرديده و اعتبارهاي مالي بالايي براي پژوهش در زمينه بهره‌برداري از انرژي‌هاي نو تصويب گرديده است]1[.
گزينش جايگزينهاي مناسب، ارزان‌قيمت و تميز براي سوخت‌هاي فسيلي، به هر ترتيب يک ضرورت آشکار است. انرژيهاي تجديدپذيري مانند انرژي خورشيدي، باد، زمين گرمايي و انرژي حاصل از زيست توده گزينههاي مناسبي به شمار ميآيند. در اين بين انرژي خورشيدي يک منبع انرژي مناسب و جذاب ميباشد، زيرا علاوه بر تجديدپذيري به ميزان زيادي نيز در دسترس ميباشد. ولي به علت وجود مشکلات فني و اقتصادي، در حال حاضر نميتوان در کوتاه مدت به طور کامل به اين انرژي متکي بود. در حدود 200 تراوات از 170000 تراوات انرژي خورشيدي تابيده شده، به انرژي باد تبديل ميگردد؛ در حالي که از اين ميزان 67 تراوات از طريق چرخههاي آبي به انرژي آب و 100 تراوات نيز از طريق فتوسنتز به شکل زيست توده ذخيره ميگردد]4[. نمايي از اين امر در شکل 1-1 نشان داده شده است. بخشي از فناوريهاي مرتبط با اين انرژيها مانند توربينهاي بادي، سدهاي برقابي، صفحات خورشيدي و فرآيندهاي توليد اتانول و متان از زيست توده در سالهاي اخير توسعه يافتهاند ولي با اين حال، با رشد جوامع، بايستي نرخ رشد و توسعه اين فناوريها نيز افزايش يابد.
شکل 1-1 انرژي تجديدپذبر خورشيدي و انرژيهاي سرچشمه گرفته از آن]2[.
1-2 چرخه انرژي تجديدپذير بر پايه زيست توده
همان گونه که پيش از اين نيز اشاره شد، انرژي خورشيدي و انرژيهايي که از آن سرچشمه ميگيرند، يک راهکار مناسب براي رفع چالشهاي انرژي و محيط زيست در دراز مدت ميباشند. ولي اين امر کاملاً به چگونگي دريافت و استفاده از اين انرژي بستگي دارد. خورشيد در تمام روز و در تمام نواحي به شکل يکنواخت نميتابد. بنابراين صفحات خورشيدي ميتوانند نياز برق را در طول روز مرتفع سازند، ولي بدون وجود روش مناسبي براي ذخيرهسازي اين انرژي، نميتوان از آن به عنوان منبع اصلي تأمين انرژي در تمام مدت شبانه روز استفاده کرد.
انرژي زيست توده شکلي از انرژي خورشيدي گرفته شده ميباشد که در آن انرژي خورشيدي جهت فرآوري و نقل و انتقال راحتتر به صورت فشرده در زيست توده ذخيره شده است. اين ذخيره سازي از طريق فرآيند فتوسنتز و جذب انرژي نور خورشيد در پيوند مولکولهاي آلي زيستتودهها انجام ميگيرد.
شکل 1-2 نمايي کلي از چرخه انرژي تجديد پذير بر پايه زيست توده را نشان ميدهد. در اين شکل، ميکروارگانيسمها زيست توده را به سوخت تبديل مينمايند.اين چرخه شامل سه بخش اصلي است:
* توليد زيست توده توسط نورخورشيد و فتوسنتز
* توليد سوخت زيستي مناسب
* توليد انرژي مفيد از سوخت زيستي
در اين چرخه، فتوسنتز انرژي خورشيدي را گرفته و طي يک فرآيند کاهشي با حضور دياکسيد کربن، زيست توده را به شکل گياه و جلبک ايجاد مينمايد]5[. در واقع در اين مرحله انرژي خورشيدي به شکل انرژي پيوندهاي مولکولي در مواد آلي تشکيل دهنده گياهان و جلبکها ذخيره ميگردد.
در بيشتر موارد زيست تودهاي که به عنوان منبع سوخت زيستي به کار ميرود، از پليمرهايي شامل پروتئينها، ليپيدها و پلي ساکاريدها ساخته شده است. اين پليمرهاي پيچيده معمولاً براي استفاده مستقيم در توليد انرژي مناسب نيستند ]5[؛ زيرا شکستن و تجزيه آنها به سختي صورت ميگيرد. بنابراين يک سري واکنشهاي ميکروبيولوژيکي جهت تبديل زيست توده به سوخت زيستي مناسب مانند متان، هيدروژن و اتانول مورد نياز است. استات نيز يک سوخت زيستي مفيد به شمار ميآيد. اين سوختها داراي ساختار مولکولي سادهتر بوده و به سهولت اکسيد ميگردند. فرآيند تبديل زيست توده به سوختهاي زيستي شامل مجموعهاي از فرآيندهاي هيدروليز، تخمير، اسيدزدايي و متان زايي ميباشد که در قسمتهاي آتي به آنها پرداخته ميشود. ميکروارگانيسمها ميتوانند در هر کدام از اين فرآيندها حضور داشته باشند.
سوختهاي نهايي ميتوانند پس از جمع آوري، با اکسيژن واکنش داده و انرژي مفيد توليد نمايند ]5[. اين فرآيند در واقع همان اکسيداسيون سوخت زيستي ميباشد که در نهايت منجر به توليد انرژي مفيد ميگردد. اين اکسيداسيون شامل سوزاندن سوخت زيستي و توليد گرما و يا اکسيداسيون مستقيم آنها در پيل سوختي و بازيابي انرژي به شکل جريان الکتريکي است. دياکسيد کربن توليد شده طي سوخت و ساز ميکروبي و فرآيند اکسيداسيون سوختهاي زيستي نيز توسط فرآيند فتوسنتز بازيافت شده و بنابراين فرآيندهاي بر پايه زيست توده از ديدگاه توليد کربن اضافي خنثي ميباشند.
شکل 1-2: نمايي کلي از چرخه توليد انرژي بر پايه زيست توده ]5[.

1-3 توليد زيست توده توسط فرآيند فتوسنتز
فتوسنتز يک واکنش بيوشيميايي است که انرژي نور را به انرژي شيميايي تبديل ميکند. مواد اوليه براي فتوسنتز آب و دياکسيد کربن است که تشکيل دهنده بخش نخست در چرخه شکل 1-2 ميباشد. يک واکنش فتوسنتز براي توليد گلوکز در زير مشخص شده است.
(1-1)6 H2O + 6 CO2 ? C6H12O6 + 6 O2 اگرچه واکنش 1-1 از نظر ترموديناميکي نامطلوب است، ولي اندامهاي فتوسنتزي در سلولهاي زيستي انرژي نور را گرفته و انرژي لازم براي انتقال الکترون از آب به دياکسيد کربن (به ازاي هر مول گلوکز 2870 کيلوژول انرژي) را تأمين مينمايند]5[.
با توجه به طبيعت واکنش فتوسنتزي (واکنش 1-1) و مصرف انرژي نور خورشيد در آن، ميتوان گفت که هدف کليه سامانههاي توليد انرژي از زيست توده، به جلو بردن واکنش فتوسنتزي در جهت عکس آن ميباشد. روش به دست آوردن انرژي از زيست توده به نوع زيست توده بستگي دارد.

1-4 هيدروليز و تخمير
هيدروليز نخستين گام در تبديل زيست تودههايي مانند پسابها و پسماندهاي کشاورزي به سوختهاي زيستي ارزشمند ميباشد. طي فرآيند هيدروليز، جامدات آلي و مولکولهاي بزرگ پليمري به مولکولهاي قابل حل و قابل نفوذ در سلولهاي زيستي تبديل ميشوند. در اين فرآيند، ميکروارگانيسمها آنزيمهايي را توليد مينمايند که پليمرهاي بزرگ مانند پروتئينها و ليپيدها را به مونومرها و ساختارهاي کوچکتر تبديل مينمايند ]5[. اين دسته از مولکولهاي کوچکتر براي سوخت و ساز ميکروبي در مراحل بعدي مفيد و قابل استفاده ميباشند.
فرآيند تخمير نيز با بازآرايي پيوندهاي مولکولي و شکستن آنها به محصولات کوچکتر، سوختهاي زيستي را توليد مينمايد. مجموعه فرآيندهاي هيدروليز و تخمير در شکل 1-3 مشاهده ميگردد.
محصولات فرآيند تخمير ميتواند شامل اسيدهاي چرب فرار، الکلهاي ساده، استات، هيدروژن و دياکسيد کربن باشند. در صورت تشکيل اسيدهاي چرب فرار و الکلها، در گام بعدي استات، هيدروژن و دياکسيد کربن توسط فرآيند اسيدزايي توليد ميگردند. براي مثال اتانول از تخمير مستقيم شکرها مانند گلوکز طبق واکنش زير به دست ميآيد ]5[.
(1-2) C6H12O6 ? 2 CH3CH2OH + 2 CO2 همانگونه که در شکل 1-3 مشخص است، متان در آخرين مرحله فرآيندهاي زيست شناختي و طي فرآيند متانزايي توليد ميگردد. ميکروبهايي که در فرآيند متانزايي شرکت ميکنند، متان زاها1 ناميده ميشوند. اين ميکروبها شامل دو دسته ميباشند که يکي از آنها هيدروژن توليدي و ديگري استات توليدي از فرآيندهاي تخمير و اسيدزايي را به متان تبديل مينمايند. اين واکنشها به ترتيب در زير آمدهاند:
(1-3)4 H2 + CO2 ? CH4 + 2 H2O (1-4) CH3COO- + H2O ? CH4 + HCO3- با توجه به شکل 1-3، ميتوان گفت تمام الکترونهاي محصولات تخمير از طريق هيدروژن و استات در نهايت به متان با عدد اکسيداسيون 4- منتقل ميشوند.
با احتراق گاز متان توليد شده ميتوان، انرژي منتقل شده به آن را آزاد نمود. علاوه بر اين امر ميتوان با اکسيداسيون مستقيم محصولات پيش از متان مانند استات و هيدروژن در پيلهاي سوختي، انرژي و الکترونهاي ذخيره شده را بازيابي نمود.
شکل 1-3: نمايي از فرآيندهاي هيدروليز، تخمير، اسيدزايي و متانزايي، محصولات و مواد اوليه هر کدام ]5[.
1-5 نياز به منابع آب و تصفيه پسابها
در کنار بحران انرژي و محيط زيست، بحران آب و کمبود منابع آن نيز از مسائل مهم پيش روي جوامع است؛ لذا حفاطت از منابع آب شيرين جهت برآوردهسازي نياز افزاينده جوامع بسيار حياتي است و بيش از اين نميتوان منابع نهفته آبي را هدر داد. براي مثال پسابهاي صنعتي و خانگي در همه جا وجود دارند و منبع نهفتهاي از آب و انرژي به شمار ميآيند.
پسابها يک منبع ارزشمند قابل بازيافت آب ميباشند. اگرچه آنها شامل مواد خطرناک و آلودهاي براي محيط زيست و سلامت عموم ميباشند، ولي در حدود 99% آنها را آب تشکيل ميدهد؛ لذا ايجاد و توسعه فناوريهايي براي تصفيه و جداسازي مواد آلوده پسابها و ورود مجدد پسابهاي تصفيه شده به شبکه توزيع آب يک امر ضروري به نظر ميرسد.
از طرفي پسابها به شکل مواد آلي زيست تخريب پذير، حاوي انرژي ميباشند؛ اين در حالي است که ما به جاي بازيابي آن، انرژي اضافي را جهت تصفيه و جداسازي مواد آلاينده پساب به کار ميگيريم.
تخمين زده ميشود که پسابهاي خانگي و پساب صنايع فرآوري غذايي در آمريکا حاوي 17 گيگاوات انرژي باشند. اين مقدار تقريباً معادل ميزان انرژي است که در حال حاضر براي کل زيرساختهاي آبي در آمريکا مصرف ميشود]2[. بنابراين اگر بتوان اين ميزان انرژي را بازيابي نمود، زيرساختهاي آبي از لحاظ انرژي خودکفا خواهند شد.
تاکنون فناوريهاي مختلفي جهت تصفيه پسابها به وجود آمدهاند که معروفترين و پرکاربردترين آنها تصفيه زيست شناختي به روش لجن فعال ميباشد. اين فرآيند قادر است تقاضاي اکسيژن زيستي2 بالاتر از 300 ميلي گرم بر ليتر را به کمتر از 5 ميليگرم بر ليتر کاهش دهد. با گندزدايي بيشتر ميتوان تا %999/99 باکتريهاي موجود را حذف نمود]4[. فناوريهاي پيشرفته تصفيه نيز مانند ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، اسمز معکوس و فرآيندهاي اکسيداسيون پيشرفته جهت حذف آلايندههايي به کار ميروند که طي تصفيههاي عادي و مرسوم از بين نميروند. در اين فرآيندها تنها با صرف انرژي، مواد آلاينده و خطرناک از پساب جدا شده ولي انرژي نهفته در آن بازيابي نميگردد. در راستاي بازيابي همزمان آب و انرژي از پسابها، فرآيند هضم بيهوازي با توليد متان ميتواند يک گزينه مناسب باشد. با اين وجود اين فرآيند به دماي بالا (36 درجه سانتيگراد)، زمان اقامت بالا و پسابهايي با غلظت زياد نياز دارد.
با توجه به مطالب عنوان شده، براي مديريت بهينه منابع آب و انرژي، ايجاد و توسعه فناوريهايي که قادر به بازيابي همزمان آب و انرژي از پسابها و يا زيست تودههايي با محتوي آب بالا باشند، ضروري به نظر ميرسد.
از ديگر فرآيندهايي که مواد آلي موجود در پسابها و يا زيست تودهها را اکسيد کرده و ضمن حذف از پسابها، توليد انرژي مينمايد، فرآيند پيل سوختي ميکروبي است که در يک دهه اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در ادامه ابتدا به معرفي پيل سوختي و انواع آن پرداخته و پس از آن پيلهاي سوختي ميکروبي را دنبال ميکنيم.

1-6 پيل سوختي
انرژي الکتريکي توليد شده به وسيله پيل‌هاي سوختي3 از جمله انرژي‌هاي مطرح است، که به دليل بازدهي بسيار بالا و عدم آلايندگي محيط‌زيست و نيز مصرف هيدروژن به عنوان سوخت، در حال حاضر راه‌حل مناسبي جهت عبور از تنگناي انرژي و آلودگي محيط زيست مي‌باشد. گاز هيدروژن را مي‌توان از منابع انرژي تجديدپذير و تجديدناپذير به دست آورد.امروزه استفاده از گاز طبيعي اقتصادي‌ترين روش توليد هيدروژن است]1[.
دامنه استفاده از پيل‌هاي سوختي بسيار گسترده است، به‌عنوان مثال از آن‌ها در زيردريايي‌ها، سفينه‌هاي فضايي، کشتي‌ها و هواپيماها مي توان استفاده کرد و يا آن‌ها را در وسايل نقليه، مانند اتوبوس‌ها، کاميون‌ها و سواري‌ها به‌کار برد. در روستاها و مناطق دورافتاده که امکان استفاده از شبکه برق سراسري وجود ندارد (روستاها) مي‌توان از آن‌ها به مثابه نيروگاه استفاده کرد. هم‌چنين مي‌توانند منبع تأمين نيروي برق پايدار براي مناطق حساسي نظير بانک‌ها، مراکز معاملات سهام، بيمارستان‌ها و مراکز رايانه‌اي باشند]6[.
از سال 1839 ميلادي که اصول کار فناوري پيل سوختي توسط سر ويليام گرو، دانشمند انگليسي کشف شده است، تا به امروز قريب به 170 سال ميگذرد اما هيچگاه به اندازه دو دهه اخير اين فناوري مورد توجه قرار نگرفته است. دلايل متعددي براي توجيه و تفسير اين موضوع ذکر ميگردد؛ اما در مجموع ميتوان اين دلايل را در سه بخش زير جداگانه تقسيم نمود]7[:
1-در حاليکه مصرف سوختهاي فسيلي مانند نفت، گاز و زغال سنگ به عنوان اولين منبع انرژي در جهان، کماکان در حال افزايش است، ماهيت پايانپذيري و تجديدناپذيري اين منابع و کاهش آن، حرکت به سمت انرژيهاي جايگزين را سرعت ميبخشد. در اين بين پيل سوختي فناوريي است که در عين بازدهي بسيار بالا نسبت به فناوريهاي رقيب در تبديل سوختهاي فسيلي به انرژي، اين قابليت را دارد که از منابع انرژي تجديدپذير و نو مانند آب، زيست توده و هر مادهاي که داراي عنصر هيدروژن و يا ترکيبات آن باشد استفاده و توليد انرژي نمايد.
2-اثرات نامطلوب زيست محيطي انرژيهاي فسيلي موجود در وسايل حمل و نقل (به ويژه خودرو) و نيروگاههاي برق، معضلات فراواني را براي جوامع ايجاد نموده است. به همين منظور هر روز فضاي استفاده از اين منابع انرژي و فناوريهاي تبديل آنها در دنيا کاهش يافته و استفاده از فناوريهاي سبز مانند پيل سوختي به عنوان يکي از گزينههاي توليد انرژي پاک و حرکت به سمت توسعه پايدار بيشتر رواج مييابد.
3-کاهش مسائل و مشکلات فني و جايگزيني مواد ارزان قيمت، کاهش قيمت تمام شده پيل سوختي را به دنبال داشته و زمينه تجاري سازي اين فناوري را مهيا نموده است. به عنوان مثال پيشرفتهاي فناوري در حوزه نانوفناوري، باعث کاهش ميزان استفاده از فلزات گرانبها در ساختار الکترود پيل سوختي شده است. نقشه راه کشورهاي پيشرو در توسعه اين فناوري در ده سال آينده، بيانگر رقابتي شدن پيل سوختي با فناوريهاي رقيب ميباشد.
1-7 تعريف پيل‌سوختي
پيل‌سوختي دستگاهي الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي حاصل از واکنشهاي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند. انرژي حاصل در پيلهاي سوختي ناشي از تبديل مستقيم انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي است. عملکرد پيل‌هاي سوختي مانند باتري نيست که انرژي را در خود ذخيره کند، بلکه در پيل‌هاي سوختي حالتي از انرژي به حالت ديگر تبديل شده و در طي آن مواد داخل پيل مصرف نمي‌شوند. چگالي انرژي توليدي در باتري کمتر از پيل‌سوختي مي‌باشد. توان تبديلات الکتروشيميايي در باتري‌ها بعد از چندين بار شارژ شدن و تخليه شارژ، کاهش مي‌يابد، در حاليکه در پيل‌هاي سوختي چنين مشکلي وجود ندارد. به‌عنوان مثال توده پيل‌هاي سوختي کارکرده در يک خودرو قابل انتقال به خودرو جديد مي‌باشد]8[.

1-8 انواع پيل سوختي
* پيل سوختي پليمري
* پيل سوختي قليايي
* پيل سوختي اسيد فسفريک
* پيل هاي سوختي اکسيد جامد
* پيل سوختي متانولي
* پيل سوختي سراميکي پروتوني
* پيل سوختي روي – هوا
* پيل‌هاي سوختي اسيد فرميک
* پيل سوختي الکتروگالوانيزه
* پيل سوختي کربنات مذاب
* پيلهاي سوختي ميکروبي4
* پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس5
به دليل اهميت پيلهاي سوختي ميکروبي و پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس، در ادامه به بررسي آنها پرداخته ميشود.
1-9 پيل سوختي ميکروبي
فرآيند پيل سوختي ميکروبي در يک دهه اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين فرآيند مواد آلي موجود در پسابها و يا زيست تودهها اکسيد شده و ضمن حذف از پسابها، توليد انرژي مينمايند. بنابراين از ديدگاه بازيابي همزمان آب و انرژي يک فناوري جذاب و جالب توجه به شمار ميآيد.
شکل 1-4، نمايي کلي و ساده از فرآيند پيل سوختي ميکروبي را نشان ميدهد. به طور کلي پيلهاي سوختي ميکروبي همانند ديگر پيلهاي سوختي از دو محفظه جدا از هم آندي و کاتدي تشکيل شدهاند. اين دو محفظه توسط غشاء تبادل يون که بين آنها قرار دارد، از نظر فيزيکي از يکديگر جدا شدهاند. در هر محفظه يک الکترود قرار دارد که از طريق يک مدار خارجي و يک مقاومت الکتريکي خارجي به يکديگر متصل شدهاند. مايع موجود در محفظه آند، آنوليت و مايع موجود در محفظه کاتد، کاتوليت ناميده ميشود. واسطه عبور يونها، شامل غشاء و محيط مايع بر سر راه آنها، نيز الکتروليت نام دارد.
در يک پيل سوختي ميکروبي، ميکروارگانيسمهاي موجود در محفظه آندي طي يک نيم واکنش افزايشي، مواد آلي موجود در آنوليت را شکسته و جرياني از الکترونها را توليد مينمايند که با عبور از مراحل سوخت و ساز سلولي در ميکروبها، براي آنها انرژي توليد مينمايند. مواد آلي موجود در واقع همان سوبسترا (سوخت) پيل را تشکيل ميدهند. همانگونه که در شکل 1-4 نيز مشخص است، با اکسيد شدن سوبسترا درون توده ميکروبي جرياني از الکترونها، پروتونها و دياکسيد کربن تشکيل ميشود.
الکترونها پس از خروج از سلول ميکروبي به سطح آند منتقل شده و از طريق الکترود آند وارد مدار خارجي ميگردند و با عبور از مقاومت الکتريکي خارجي توان الکتريکي توليد مينمايند. در اينجا جريان الکتريکي معرف ميزان و تعداد الکترونهاي توليد شده در واحد زمان و اختلاف پتانسيل الکتريکي نيز بيانگر انرژي قابل حمل توسط هر بار الکتريکي ميباشد.
الکترونهاي توليدي پس از عبور از مقاومت (بار) خارجي و از دست دادن انرژي خود از طريق الکترود کاتد وارد محفظه کاتدي ميشوند. در آنجا با حضور يونهاي هيدروژن نفوذ کرده از طريق الکتروليت، و طي يک نيم واکنش کاهشي، با يک پذيرنده نهايي الکترون (مانند اکسيژن) ترکيب شده و محصولات نهايي (مانند آب) توليد ميگردند. پس از طي اين مراحل واکنشهاي افزايش/ کاهش تکميل شده و در نهايت با مصرف سوبسترا انرژي الکتريکي، گاز دياکسيد کربن و آب توليد ميشود.
شکل 1-4: شمايي از عملکرد پيل سوختي ميکروبي ]13[.

غشاء تبادل يون علاوه بر جداسازي فيزيکي محفظههاي آند و کاتد و جلوگيري از ترکيب مستقيم گونه الکترون دهنده و الکترون گيرنده، امکان عبور گزينشي يونها را از يک محفظه به محفظه ديگر فراهم ميآورد. سمت و سوي انتقال اين يونها بستگي به نوع غشاي به کار رفته دارد.
با توجه به مطالب بالا ميتوان گفت، ميکروبهايي که در محفظه آندي رشد ميکنند، فرآيند انتقال الکترون از مولکول ماده آلي به الکترود آند را کاتاليز نموده و نقش بيوکاتاليست را براي فرآيند بازي مينمايند ]4[. از اين رو يکي از مزاياي استفاده از پيلهاي سوختي ميکروبي اين است که ميکروبها در آن به عنوان کاتاليست خودکفا بوده و پس از غيرفعال شدن، با تکثير ميکروبي، خود به خود جايگزين ميشوند ]2[.
برخي از ميکروبها ميتوانند الکترون ناشي از اکسيداسيون سوبسترا درون سلول خود را پس از طي زنجيره تنفسي به بيرون از سلول خود و در نهايت به يک الکترون گيرنده انتقال دهند. اين گونه ميکروبها با عنوان ميکروبهاي برون الکترونزا6 شناخته ميشوند ]2[ و ميتوانند براي توليد توان الکتريکي در پيلهاي سوختي ميکروبي مورد استفاده قرار گيرند. آنها انرژي مورد نياز خود را از طريق انتقال الکترون در يک سري واکنشهاي افزايش/ کاهش درون سلول خود (زنجيره تنفسي7) به دست ميآورند. ميکروبهاي موجود در آند به صورت بيهوازي تنفس مينمايند و لذا بايد تا حد امکان از حضور اکسيژن در محفظه آند جلوگيري به عمل آورد.اين ميکروبها در محفظه آندي ميتوانند به دو صورت معلق در آنوليت و يا به شکل بيوفلم چسبيده به سطح الکترود آند وجود داشته باشند. البته طبق پژوهشهاي انجام شده بيوفيلمها نقش اساسي را در کاتاليز نمودن فرآيند واکنش اکسيداسيون در آند بر عهده دارند و در صورت نبود ميکروارگانيسمهاي معلق عملکرد سامانه تغيير چنداني نميکند ]14؛15[.
در فرآيند توليد متان از زيستتودهها، نامگذاري به کار رفته براي فرآيند، ميکروارگانيسمها و راکتور مربوطه به ترتيب به صورت متانزايي 8 (و يا هضم بيهوازي)، متانزا و هضم کنندههاي بيهوازي9 ميباشد؛ به روش مشابه ميتوان فرآيند توليد الکترون از زيست توده را الکترونزايي 10 با باکتريهاي برون الکترونزا در راکتور پيل سوختي ميکروبي نامگذاري نمود ]2[.
با توجه به شکل 1-3، مواد آلي مختلف پيش از تشکيل متان از جمله پروتئينها، اسيدهاي چرب، شکرها و استات ميتوانند به عنوان الکترون دهنده و يا سوبسترا (سوخت) در يک پيل سوختي ميکروبي مورد استفاده قرار گيرند. پذيرندههاي الکترون نيز ميتواند شامل اکسيژن، پتاسيم هگزاسيانو فرات11 (و يا فريسيانيد) و نيترات12 بوده و در محفظه کاتدي به صورت الکتروشيميايي و يا بيوالکتروشيميايي کاهش يابند ]4[. استفاده از فريسيانيد به جاي اکسيژن در نهايت موجب دستيابي به پتانسيل بالاتر براي پيل ميگردد ] 13[.
اگر از استات به عنوان الکترون دهنده و از اکسيژن به عنوان الکترون گيرنده نهايي استفاده گردد، نيم واکنشهاي آندي و کاتدي به ترتيب ذيل خواهند



قیمت: تومان


پاسخ دهید