تولید برق از پساب صنایع لبنی با استفاده از میکروارگانیسم ها

تولید برق از پساب صنایع لبنی با استفاده از میکروارگانیسم ها

(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

مسئله انرژی

کاربرد روز افزون انرژی و تامین آب برای ادامه حیات یکی از مظاهر زندگی جدید است.پایان پذیری انرژی حاصل از سوخت های فسیلی به ویژه نفت خام، جهان امروز را نیازمند استفاده از منابع دیگر برای جایگزین کردن آن می نماید.

اگر در گذشته بحران غذا و یا بحران آب آشامیدنی حیات بشر را به خطر می انداخت امروز کارشناسان بر این اعتقادند که بحران آینده که حیات بشر را تهدید می کند بحران انرژی است.

حیات بشر امروزی به طور مستقیم و غیر مستقیم به منابع مختلف انرژی مانند نفت و گاز و زغال سنگ وابسته بوده و تصور زندگی بدون دسترسی به این منابع دشوار و حتی غیر ممکن خواهد بود.

از طرفی گذشت سریع زمان این زنگ خطر را بلندتر و واضح تر به گوش می رساند که منابع انرژی تجدید پذیر در حال پایان است.

بنابراین ضرورت کشف و استفاده از منابع جدید بیش از پیش اهمیت دارد.

بهره گیری از انرژی از ابتدای تاریخ تمدن علوم انسانی مورد نطر بوده است.اصل بقای انرژی نیز مانند اصل بقاء جرم از پایه های گسترش علوم زبیعی است.این اصل که بعدها به عنوان قانون اول ترمودینامیک نامگذاری شد، اصلی است که حاکم بر کمیت انرژی در هر دستتگاه تعریف شده می باشد.

ترمودینامیک سپس با قانون دوم که در حقیقت بیان کیفیت انرژی است گسترش یافت.

قانون دوم بیان می کند که انواع متفاوت انرژی هر کدام نسبت به دیگری در مرتبه کیفی بالاتر و یا پایین تر قرار دارند.

به طوریکه از مرتبه کیفی بالاتر خود به خود به نوع پست تر تنزل کرده، لیکن برای ارتقاء به مرتبه کیفی بالاتر،اعمال کار از بیرون سیستم لازم است.

بدین خاطر دانشمندان از دیر باز در پی آن بوده اند که ابزار و ماشین هایی اختراع کنند که انرژی پست تر را به انرژی بالاتر تبدیل کند تا از آن بهره گیری بیشتری بنماید و در این رهگذر است که انگیزه ای قوی برای رشد صنعتی جوامع انسانی به وجود آمد.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

علی رغم اینکه مجمع انرژی های درون یک سیستم ثابت می ماند لیکن بخشی از آن یا تمام آن انرژی از یک شکل ممکن است به شکل دیگری تبدیل شود که این دلیل همان تفاوت در کیفیت انرژی است.

این تبدیل در طبیعت هرگز به صورت کامل و صد در صد صورت نمی گیرد.لذا ابزار و ماشین هایی که در اثر یا در جهت تبدیل انرژیها به کار گرفته می شوند همواره بازده یا راندمان کمتری از صد در صد دارند.

بدین معنی که همواربخشی از انرژی قابل دسترس در تبدیل به انرژی نوع دیگر از دسترس خارج شده و نهایتا به صورت انرژی پست تر(حرارات) تبدیل می شود.

از مطلب فوق نتیجه می شود که با گسترش روز افزون صنعت همواره مقدار زیادی انرژی حرارتی در هر لحظه به انرژی موجود در سطح زمین به صورت انرژی حرارتی اضافه می شود.

علاوه بر این گازهای گلخانه ای که مجموعه ای از گازهای آلوده کننده هوای موجود در سطح زمین هستند نیز مانند گلخانه ای که حرارت تابش خورشید را در فصل سرما در اطراف گل و گیاه نگه می دارد سبب می شوند که گرمایش اضافی به جو اطراف کره زمین بیافزایند.

در راس این گازها دی اکسید کربن است که خروجی اکثر ماشین هاست.لذا می بینیم که گسترش که گسترش بی رویه صنعت چگونه در افزایش دمای کره زمین موثر است.

و اگر این روند بدون توجه ادامه یابد در دراز مدت تهدید جدی برای محیط زیست جهانی خواهد بود.

متاسفانه آثار سوء این روند از یکی از یکی دو دهه پیش مشاهده شده است.

ذوب شدن تدریجی یخ های قطبی و افزایش دما در نقاط  مختلف جهان از جمله این آثار است.اکنون جامعه جهانی با چالش بزرگ روبرو است.

از یک طرف کشورهای در حال رشد نیاز به صنعتی شدن هر چه سریعتر دارند و کشورهای پیشرفته نیز همواره رقابتی برای نگه داشتن سطح پیشرفته خود دارند.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

و از کنفرانس های جهانی مانند نشست ریودوژانیرو و نشست توکیو از جمله تلاش ملت هاست.از جمله این راهکارهای مهم در درجه اول تاکید و هشدار جدی به جهانیان نسبت به اهمیت حفظ محیط زیست می باشد.

در این راستا مفهوم رشد ملی یا توسعه با تاکید بر کاربرد عبارت توسعه پایدار جای خود را باید تغییر دهد.شایان توجه است که تا چندی پیش مصرف انرژی در هر کشور شاخصی برای نشان دادن میزان پیشرفتگی آن کشور به حساب می آمد که خود این مطلب قابل تامل است.

زیرا کشورهایی هستند که در مصرف انرژی زیاده روی بلکه اسراف می کنند در حالیکه زیاد هم پیشرفته نیستند.

در مقابل آن، کشورهای پیشرفته هم هستند که علی رغم توسعه قابل توجه در سطح جهانی در بهینه سازی و کاهش سرانه مصرف انرژی پیشتازند.

روشهای تولید بهینه انرژی نیز در سطح کلان در کشورها بسیار مهم است.به عنوان مثال زغال سنگ و سوخت های فسیلی دیگر(نفت و گاز) بیشترین آلودگی را در محیط زیست ایجاد می کنند.

به علاوه آنکه هم به صورت غیر مستقیم گازهای گلخانه ای محیط را گرم کرده و دمای سطح زمین را بالاتر می برند.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

در مقایسه، انرژی برق آبی بدون هیچ آلاینده و بدون افزایش ذمای محیط از پاک ترین انواع انرژی می باشد.

انرژی هسته ای نیز با رعایت جدی و کامل اصول فنی ایمنی نیز از انواع انرژیهای پاک می باشد.هر چند مقدار اندکی در افزایش گرمای محیط زیست تاثیر دارد.

در عین حال پر واضح است که بهره برداری یا استحصال انرژی از منابع انرژیهای تجدید پذیر چنانچه به لحاظ فن آوری و اقتصادی توسعه های کارآمدی روی دهد به سهم خود جایگاه مناسبی در زمره بهترین ها خاهد داشت.[1]

2-2- رویکردی نوین

همانطور که اشاره شد استفاده از سوخت های فسیلی به خصوص نفت و گاز در سالهای اخیر افزایش چشمگیری داشته به طوریکه بحران جهانی انرژی را دامن زده است.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

بهره گیری از بیوانرژی تجدید پذیر، رویکردی نوین در جهت کاهش بحرانفعلی و گرم شدن کره زمین به تبعیت از آن است.

واضح است که سوخت های فسیلی مانند اتانول، متانول و هیدروژن اغلب توسط میکروارگانیسم ها تولید می شوند ولی تولید الکتریسیته با استفاده از میکروب ها یا همان پیل سوختی میکروبی(MFC) در بیولوژی انرژی،پیشرفت جدیدی به شمار می آیید که توجه زیادی را به خود معطوف داشته است.

با پیل های سوختی، امکان تولید انرژی الکتریکی از پسماندهای ارگانیک و بیومس تجدید پذیر، این منبع انرژی به نوعی کربن نوترال(خنثی) است.[2]

2-3-مطالعات انجام شده:

در سال 1910 پاتر پروفسور گیاه شناسی در دانشگاه درهام بیان کرد که می توان با استفاده از میکروارگانیسم ها تولید ولتاژ، جریان نمود.

او توانست توسط E.Coli و با استفاده از یک الکترود پلاتینی تولید الکتریسته نماید.کوهن ایده های پروفسور پارتر را در سال 1931 ادامه داد و با اتصال تعدادی نیم پیل میکروبی به هم یک باطری 35 ولتی با جریان 2 میلی آمپر ساخت.[3]

استفاده کاربردی از پیل های سوختی زیستی از سال 1960 شروع شد که در سال  1936 این پیل ها در رادیو، چراغ های ساده و تجهیزات دیگر به عنوان منبع تولید انرژی مورد استفاده قرار گرفتند .

هر چند که این دسته از گیل های سوختی به علت مشکلاتی که داشتند به صورت تجاری در نیامدند و پس از مدتی در بازار محو شدند.

با ظهور پیل های خورشید، میزان اهمیت به پیلهای زیستی مک رنگ تر شد تا اینکه کاربرد رشد میکروبی به همراه فرآیندهای مربوط به استحصال و استخراج الکترون برای تولید انرژی توسط میکرارگانیسم ها در یک ساختار طراحی شده جدید که آن پیل سوختی بیوشیمیایی نامیدند در سال 1966 کلید خورد.

در همین سال بود که اجزای اصلی یک پیل زیستی شامل آند، کاتد و ترکیبات واسطه اکسنده و کاهنده مورد آنالیز قرار گرفت.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

بنتو و همگارانش کاربردهای جدیدی را در مطالعه بر روی این پیل های زیستی که به تازگی ماهیت اجزای آن مورد بررسی قرار گرفته بود، با کشت باکتریهای هتروتروف و ارگانوتروف جهت اکسداسیون ترکیبات آلی و تبدیل بالای لاکتوز-ساکارز و گلوکز به جریان الکتریسیته در یک پیل سوختی دو محفظه ای انجام دادند.[4]

در همین سالها کاربرد تازه ای برای این پیل ها در تصفیه فاضلاب توسط دیگر محققان پیشنهاد گردید و از آن برای تصفیه پساب صنایع غذایی استفاده شد.

محققان با استفاده از پساب شهری و ضایعات حیوانی و با کشت باکتریایی مخلوط که از رسوبات و پساب ها جداسازی شده بودند نیز این فرآیند را ادامه داده و استفاده از پیل های میکروبی تک محفظه ای را با اکسیژن هوا کار میکردند و نیز برخی راکتورهای میکروبی مشابه و بهینه شده را در پروسه های تصفیه بیولوژیکی گسترش دادند.

لاولی و همکاران (2006) اولین کاربرد عملی این پیل ها را در محیط طبیعی گزارش کردند.

این دسته از پیل های میکروبی انرژی مورد نیاز خود را اکسیداتون 16 کیلوگرم توانی حدود 36 مگا وات تولید می کرد که این مقدار معادل استفاده از  261 باطری آلکالینی در یک سال می باشد.

از این سیستم مرکز هواشناسی برای اندازه گیری دما و رطوبت و انتقال داده ها به مرکز استفاده می شد.[5]

تجهیزات

برای انجام این پروژه تجهیزات، مواد و وسایل مصرفی یا غیر مصرفی بسیاری مورد استفاده قرار گرفت که هر یک به نوبه خود در یک یا چند قسمت از مراحل اجرای آزمایش نظیر نمونه برداری، ساخت راکتور، بررسی تولید جریان الکتریکی، آنالیزهای مرتبط به کار گرفته شد.

تجهیزات مورد استفاده به منظور طراحی پیل سوختی میکروبی راکتور طراحی شده در این مطالعه و محفظه ای بدون غشاء بود که جهت ساخت آن تجهیزات ذکر شده مورد استفاده قرار گرفت.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

-بطریهای درب دار به عنوان محفظه های آندی و کاتدی

-لوله شیشه ای U شکل به منظور استفاده به عنوان پل نمکی

-درب پوش پلاستیکی به منظور مهر و موم نمودن محفظه ها

– سیم مسی و گیره جهت انتقال جریان اندازه گیری پارامترهای الکتریکی

– میله کربنی به عنوان الکترود

– شلنگ آنژیوکت به منظور نقل و انتقال مواد داخل محفظه آندی

3-1-2 دستگاههای مورد استفاده

دستگاههای مورد استفاده در این مطالعه از ابتدا تا انتهای مراحل اجرای آزمایش به شرح زیر می باشند:

– ترازوی دیجیتال

– شیکر

– مولتی متر دیجیتال

– اتوکلاو

-PH متر

– سانتریفیوژ

– انکوباتور

-اسپکتروفتومترپ

– فتومتر

– میکروسکوپ نوری

– هود آزمایشگاهی

– یخچال و فریزر

– کاتد و آند

پیل سوختی از دو قسمت آندی و کاتدی تشکیل شده است که واکنشهای الکتروشیمیایی روی آن انجام می شود.

این الکترودها از جنس گرافیت هستند هر پیل سوختی از یک پل تشکیل شده که اجازه عبور ذرات باردار را می دهد.در این نوع پیل یک ممبران در داخل پل قرار میگیرد که به طور انتخابی قابلیت عبور کاتیون را دارد.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

3-1-3- طراحی پیل سوختی میکروبی

این مطالعه توسط یک بیوراکتور دو محفظه ای با سوستری پساب و فلور میکروبی مستقر در آن به انجام رسید. محفظه آندی که در آن پساب توسط میکروارگانیسم ها کاتالیز می شود تحت شرایط بی هوازی قرار داده شد تا گیرنده نهایی الکترون جهت تولید جریان الکتریسیته به جای اکسیژن، الکترود غوطه ور در آن باشند.محفظه کاتدی نیز محتوی آب مقطر بود که به نوعی به عنوان جایگزین بافر جهت دریافت یونهای پروتون مورد استفاده قرار گرفت.محفظه ها از جنس شیشه ای درب دار و به حجم های cc100 و  cc 300 بودند.

الکترودهای به کار رفته در این تحقیق از جنس کربن بوده  که توسط سیم مسی به گیرنه های فلزی، با محفظه آندی و کاتدی از یک سو و مولتی متر از سوی دیگر در ارتباط بودند.

به منظور نقل و انتقال یونهای پروتون تولید شده زی اکسیداسیون سوبسترا در محفظه آندی و به سمت محفظه کاتدی نیز از پل نمکی (Salt bridge) پتاسیم کلرید kcl استفاده شد. برای این منظور مقدار 4 گرم پتاسیم کلرید پس از توزین، در محل 4/0 آگارز افزوده شد به طوریکه پل نمکی با غلظت 1 مولار تهیه گردید.

محلول نمکی در لوله U شکل با گنجایش مشخص ریخته شد، تا پس از بستن آن در لوله، به عنوان سیستم انتقال دهنده پروتونی به کار گرفته شود.پیل سوختی میکروبی طراحی شده در این مطالعه بدون غشاء و بدون بافر در نظر گرفته شد که طی آن از آب مقطر به عنوان بافر استفاده شد و انتقال یونهای مثبت از آند به کاتد توسط سیستم پل نمکی به مرحله اجرا درآمد.(تولید برق از پساب صنایع لبنی)

برای مشاهده مطالب بیشتر به تولید برق از پساب صنایع لبنیسایت فرزدان مراجعه نماید.