۲-۴-۱مواد اولیه قندی: تخمیر در برگیرنده میکروارگانیسم هایی است که از قندهای قابل تخمیر برای غذا در فرایند تولید اتانول ودیگر محصولات جانبی استفاده می کند. این میکرو ارگانیسم ها می توانند نوعأ از قندهای شش کربنی استفاده نمایند که رایج ترین آنها گلوکز است. بنابراین مواد زیست توده شامل سطوح بالایی از گلوکز ساده ترین مواد جهت تبدیل به اتانول می باشد. بیو مس های قندی مستقیمأ قابل تخمیر و تبدیل به اتانول می باشند و نیاز به پیش فرآوری خاصی ندارند. معمولاً در دسترس و ارزان ترین این پسماندها ملاس چغندر قند است که محصول جانبی کارخانجات تولید قند و شکر است و۴۰ تا۵۰ درصد قند قابل تخمیر دارد. ماده بعدی نیشکر می باشد. به هر حال، از آنجایی که مواد قندی در زنجیره غذایی انسان موجود است، این مواد جهت استفاده در تولید اتانول بسیار گران قیمت است.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

نیشکر در کشورهای گرمسیری و نیمه گرمسیری کشت شده در حالیکه چغندر قند فقط عمدتاً در کشورهای با آب و هوای معتدل کشت می شود. برزیل بزرگترین تولید کننده نیشکر با حدود ۲۷ درصد تولید جهانی و عملکرد ۱۸میلیون گرم ماده خشک در هکتار می باشد در حالیکه بالاترین عملکرد در پرو رخ می دهد،که بیشتر از ۳۲میلیون گرم ماده خشک نیشکر در هکتار تولید می کند. محصولات زراعی چقندر در بیشترکشورها کشت شده و نسبت به گندم بازدهی بیواتانول در هکتار بیشتری دارد. دیگر مزایای چقندر قند دوره کم تولید محصول، بازدهی بالاتر، مقاومت بالا به محدوده وسیعی از تغییرات آب و هوایی، نیاز آب کمتر و نیازهای کودی کمتر می باشد. در مقایسه با چقندر قند ۳۵-۴۰ درصد کمتر به آب و کود نیاز دارد. سورگوم شیرین یکی از امید بخش ترین مواد برای تولید بیواتانول در کشورهای در حال توسعه می باشد. از نظر تئوری، ۱۰۰گرم کلوکز، در حدود ۴/۵۱ گرم اتانول و ۸/۴۸ گرم دی اکسید کربن تولید می کند. به هر حال، در عمل این میکروارگانیسم ها از برخی از گلوکزها برای رشد بهره جسته و بازده واقعی آنها کمتر از ۱۰۰% می باشد.
۲-۴-۲مواد اولیه نشاسته ای
دیگر ماده بالقوه در تولید اتانول نشاسته می باشد(یوسین ودیگران۲۰۰۷). مولکولهای نشاسته متشکل از زنجیره های طولانی مولکولهای گلوکز می باشد. بنابراین مواد نشاسته ای می توانند پس از شکستن مولکول های نشاسته به مولکولهای ساده گلوکز، تخمیر شوند. نمونه هایی از مواد نشاسته ای که در سراسر جهان برای تولید اتانول استفاده می شوند. شامل گیاهان گندمی، سیب زمینی، سیب زمینی شیرین و نشاسته کاساو می باشد. هر ۳/۲۵ کیلوگرم ذرت می توانند بین۴/۹-۹/۱۰ لیتر اتانول خالص بسته به تکنولوژیی است که مورد استفاده قرار می گیرد، تولید نماید. مواد نشاسته ای نیازمند واکنش نشاسته ای با آب هستند تا بتوانند نشاسته را به قند قابل تخمیر بشکنند(قند سازی )عملأ هیدرولیز به وسیله ترکیب کردن نشاسته با آب انجام می شود تا دوغابی شکل گیرد(فرایند ژلاتینی کردن ) و پس از تکان دادن و گرم کردن آن بتوان دیواره های سلولی را قطع کرد. آنزیمهای خاصی که بتوانند ترکیبهای شیمیایی را بشکنند در مقاطع زمانی مختلفی در طول مدت سیکل گرمایشی بدان افزوده می شوند. این نوع زیست توده پر استفاده ترین ماده برای تولید بیواتانول در امریکای جنوبی و اروپا است. گندم و ذرت عمدتاً با چنین اهدافی بکار گرفته می شوند. آمریکا دارای صنعت بزرگ بیواتانول بر پایه ذرت با ظرفیت بیشتراز ۱۵ بیلیون لیتر در سال است، ذرت که در حال حاضر برای ساختن حدودأ ۹۰% کل بیواتانول امریکا استفاده می شود. انتظار است تا زیست توده برتر باقی بماند اگر چه احتمالاً کم کم تا ۲۰۱۶ کاهش میابد.
صنعت بیواتانول بر پایه نشاسته به لحاظ تجاری بمدت سی سال زنده مانده است. در طی این زمان بهبود های چشمگیری در کارایی آنزیم، کاهش هزینه ها و زمان فراوری و افزایش عملکرد های بیواتانول صورت گرفت. دو دلیل عمده برای افزایش هزینه وجود دارد. یکی آن است که هر چقدر مخمر ساکارومایسیس نتواند از مواد نشاسته ای بهره ببرد مقادیر زیادی از آنزیمهای آمیلولایتیک بنام گلوکومیلاز و آلفا- آمیلاز نیاز به اضافه شدن دارد. دیگری آن است که مواد نشاسته ای نیاز به پختن در دمای بالا ۴۵۳-۴۱۳ کلوین دارد تا بهره بالای بیواتانول بدست آید.
۲-۴-۳مواداولیه سلولزی (لیگنوسلولز)
همانند مواد قندی، مواد نشاسته ای نیز در زنجیره غذایی انسان قرار دارد در نتیجه گران قیمت می باشد، خوشبختانه گزینه سومی وجود دارد که مواد سلولزی می باشند. این مواد سازنده نسل دوم تولید بیواتانول هستند. نمونه های مواد سلولزی عبارتند از:کاغذ، مقوا، چوب و دیگر مواد گیاهی، لیگنو سلولز نیمی از کل مواد حاصل از فتو سنتز را شامل می شود. و متشکل از سه پلیمر سلولز، همی سلولز و لیگنین است. این پلیمرها پیوندهای فیزیکی و شیمیایی نزدیک و محکمی با هم دارند و همه آنها در طبیعت به وسیله باکتری ها و قارچها تجزیه می شوند. در دیواره سلولزی بافتهای آوندی گیاهان خشک زی، الیاف سلولز در میان ماده زمینه غیر بلورین لیگنین و همی سلولز محصور شده است.
این سه پلیمر با نیروهای غیر کوالان و پیوندهای تقاطعی کوالان بطور محکم به یکدیگر متصل می شوند و ترکیبی به نام لیگنو سلولز را میسازند که بیش از ۹۰ درصد وزن خشک سلول گیاهی را تشکیل می دهند. نسبت وزنی هر یک از پلیمرها بر حسب گونه و سن گیاه و از اندامی به اندام دیر متفاوت است. بطور میانگین ماده لیگنو سلولز دارای ۴۵ درصد سلولز،۳۰ درصد همی سلولز و ۲۵ درصد لیگنین است.
منابع سلولزی به وفور و در سطح وسیعی یافت می شوند. به عنوان مثال جنگلها در حدود ۸۰% درصد از زیست توده جهان را شکل می دهند. بواسطه فراوانی و بیرون بودن از زنجیره غذایی انسان ها مواد سلولزی به طور متناسبی برای تولید اتانول ارزان قیمت می باشند. مواد سلولزی متشکل از مواد چوبی همی سلولز و سلولز می باشند و بنابراین به آنها مواد سلولزی متشکل از بافت های چوبی میگویند. درکل، سوخت های زیستی مانند بیواتانول و بیودیزلاز محصولات کشاورزی بدست می آیند.
چون سوختهای زیستی از گیاهانی به دست می آیند که هنگام رشدشان کربن هوا را جذب می کنند در نتیجه می توانند انتشار دی اکسیدکربن را جبران نموده و تغییرات آب و هوایی ناشی از احتراق(سوختن) سوختهای فسیلی را کاهش دهند. جایگزین سوختهای زیستی نسل اول به جای سوخت های فسیلی ممکن است مشکلات گرم شدن زمین و آلودگی محیط زیست را کاهش دهد. علیرغم تمام مزایای سوختهای زیستی نسل اول، این سوختها معایبی نیز دارند. یکی از آنها نابود کردن ذخایر غذایی از جمله محصولات کشاورزی مانند روغن نخل، سویا و شلغم روغنی است که به عنوان منابع مهم چربی و روغن کاربرد وسیعی دارند. ذرت و نیشکرکه منابع بیواتانول در ایالات متحده آمریکای جنوبی محسوب می شوند به ترتیب برای تولید مواد غذایی و قند به عنوان کالاهای مصرفی به کار رفته اند. با افزایش تقاضا برای این محصولات کشاورزی مطابق با افزایش تولید سوخت های زیستی درسراسر دنیا، این نگرانی وجود دارد که این رویداد باعث بالارفتن بیش از حد قیمت مواد غذایی مذکور شود. درنهایت هزینه های اضافی مربوط به قیمتهای بالای مواد غذایی به عهده مصرف کنندگان خواهند بود و بعدها باعث اعتراض و هرج ومرج می شود. برای مثال، هزاران مکزیکی به خاطر قیمت بالای توردیلا که در اصل با ذرت یکی از منابع غذایی مورد استفاده به عنوان منبع بیواتانول در ایالات متحده تهیه می شود راهپیمایی و اعتراض کردند. چون محصولات کشاورزی ماده اصلی سوخت های زیستی هستند، به محیط کشاورزی وسیعی مطابق با تقاضای بالا نیاز است. جنگل های گرمسیری که سرشار از زیستگاههای مهم و متنوع زیستی هستند به خاطر بعضی گیاهان وجانوران در معرض خطر قربانی شدن هستند. تا محصولات انرژی زیستی مانند سویا که پرورش داده شوند. درنتیجه، مقاومت اکولوژیکی تحت تاثیر قرار گرفته و باعث تشدید آلودگی زیست محیطی می شود. از سوی دیگر، اعتراضات شدیدی از سوی طرفداران محیط زیست به تولید بیش از حد محصولات انرژی زیستی شده است. این طرفداران حفاظت محیط زیست برای تحریم فرآوردهای بدست آمده از این محصولات که به صورت بی وقفه تولیدمی شوند، گرد هم جمع شده اند. با تمام مشکلات بحث برانگیز مربوط به سوختهای زیستی نسل اول، به نظر می رسد که این سوختها منبع اصلی ذخیره انرژی نامناسبی هستند. درعوض، سوختهای زیستی نسل دوم بهترین گزینه ای است که در حال حاضر وجود دارد. بیواتانول نسل دوم فقط به زیست توده سلولزی ارزان قیمتی به عنوان ماده اولیه نیاز دارد که در سرتاسر دنیا فراوان و سهل الوصول است. افزایش در سوختهای زیستی نسل اول که محصولات کشاورزی با ارزشی مانند نیشکر و ذرت را به عنوان ماده اولیه استفاده می کنند، دیگر ضروری نیست. درنتیجه قیمت بیواتانول با زیست توده ارزان بعنوان ماده اولیه با بنزین قابل رقابت است.
بیواتانول نسل دوم، سوخت های زیستی هستند که از منابع غیر خوراکی مانند زیست توده حاوی سلولز، همی سلولز ولیگنین تولید می شوند. به جز لیگنین، پلی ساکارید های بلند زنجیره هیدرولیز شده و مخلوطی از پنتوزها(C5) و هگزوزها(C6) را تولید می کنند. گلوکز یکی از هگزوزها و ماده اولیه فرایند تخمیر توسط آنزیم ها می باشد مثلاً در تولید اتانول از ذرت و نیشکر، تفاوت میان بیواتانول نسل اول و دوم این است که در نوع دوم به یک مرحله اضافی برای هیدرولیز زیست توده (بیومس) لیگنو سلولزی نیاز داریم همان طور که در شکل۲ -۱ نشان داده شده است .

اگر یک مرحله پردازش(تولید) اضافی در هیدرولیز لیگنو سلولز با گلوکز وجود داشته باشد، لیگنوسلولز از نظر دسترس پذیری بسیار فراوان و متنوع است. علاوه براین، به تقویت و افزایش کشاورزی در بیواتانول نسل اول که بازدهی (تولید) محصولات را مطابق با افزایش تقاضای ماده اولیه برای سوخت های زیستی افزایش می دهد، نیازی نیست. در نهایت، هزینه ماده اولیه برای لیگنو سلولز در مقایسه با محصولات کشاورزی کمتر است که برای بیواتانول نسل اول هزینه کل تولید به ۷۰% می رسد. درنتیجه قیمت بیواتانول نسبت به سوختهای فسیلی مانند بنزین یا گازوئیل حالت رقابتی بیشتری خواهد داشت. منابع زیست توده لیگنو سلولزی برای تولید به سه نوع اصلی تقسیم شده است. یکی از آنها بقایای جنگل است که شامل چوب ها و کاه های باقی مانده از صنایع خمیر وکاغذ و عملیات قطع درختان می شود. تمام بقایای زیست توده سرشار از لیگنوسلولز است استفاده از آن به عنوان ماده اولیه مناسب می باشد و علاوه بر این، محصولات کشاورزی خاصی مانند گندم و محصولات با گردش زراعی کوتاه وجود دارند که برای اهداف کسب انرژی کشت شده اند. برای مثال گندم مانند میسکانتوس(میسکانتوس-گیگانتنوس) و سویچ گراس به عنوان راه حلی برای منابع فراوان و ارزان لیگنوسلولز وارد بازار شدند. مواد زائد درجه ۲و۳ نیز وجود دارد. مانند زباله های (جامد )شهری، کودهای حیوانی و زباله های ناشی از صنایع تولید موادغذایی، هالوفیتها تمام این منابع سرشار از لیگنو سلولز هستند و به جای استفاده از محصولات خوراکی مانند ذرت و نیشکر در بیواتانول نسل اول، این منابع بعنوان ماده اولیه بیواتانول استفاده می شود.
لیگنوسلولز بجز فراوان و ارزان بودن، مزایای زیست محیطی و تولید دیگری نسبت به محصولات کشاورزی متداول دیگر دارد. برای مثال، از نظر بازدهی تولید، گیاه میسکانتوس می توانند سالانه ۴۰ تن در هکتار تولید شود. نیشکر یه مورد استثنایی است که بازدهی آن بسیار بالا یعنی۸۵ تن در هکتار می باشد. در مقایسه با نیشکر که فقط در مناطق گرمسیری رشد می کند، طبق گزارشات گیاه میسکانتوس در برابر شرایط آب و هوایی مقاومت بیشتری دارد. بنابراین در اب و هوای سرد نیز به زیست خود ادامه می دهد. با وجود این نیشکر منبع سلولزی مهمی حساب می شود و به همراه باگاس(تفاله نیشکر) و کاه به عنوان ماده اولیه ارزان قیمت قابل استفاده اند.
جدول ۲-۱فراوانی نسبی قندهای موجود در اجزای کربو هیدراتی چوب (%وزنی) (گلدشتاین۱۹۸۱)

قند
چوبهای نرم
پوست چوبهای نرم
چوبهای سخت
پوست چوبهای سخت

گلوکز

۶۵-۶۲

۶۳-۵۷

۷۳-۵۵

۶۵-۵۳

زایلوز

۱۳-۹

۱۵-۱۱

۳۹-۲۰

۳۶-۱۸

مانوز

۱۶-۷

۱۶-۶

۴-۴/۰

۳-۳/۰

گالاکتوز

۱۷-۶

۵-۱

۴-۱

۶-۱