مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی تاثیر لیکور سیاه در تولید بیوگاز از پسماند زیستی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه صنایع چوب و کاغذ، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
2 دانشیار، گروه صنایع چوب و کاغذ، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
3 دانشگااه محقق اردبیلی
4 استادیار، گروه علوم مهندسی، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
10.22034/ijwp.2024.2031429.1673
چکیده
بیان مساله و اهداف: افزایش تقاضای جهانی برای راه حل‌های انرژی پایدار و نیاز به مدیریت مؤثر پسماند منجر به علاقه روزافزون به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر شده است. انرژی زیست‌توده در میان انرژی‌های تجدیدپذیر مقام نخست را در عرضه انرژی جهان دارا می‌باشد؛ به گونه‌ای که در سال 2005 حدود 10 درصد عرضه انرژی اولیه جهان از منابع زیست‌توده تأمین گردیده است. مطابق با یافته‌ها، زیست‌توده‌های ارگانیک می‌تواند به عنوان یکی از پتانسیل‌های تولید بیوگاز مطرح باشد. یکی از منابع آلی که به عنوان یک ماده پسماند محلول در آب شناخته شده است، لیکور سیاه می‌باشد. لیکور سیاه معمولاً حاوی غلظت بالایی از ترکیبات آلی مانند اسیدهای چرب فرار و سایر مواد زیست‌تخریب‌پذیر است. این ترکیبات آلی می‌توانند به عنوان یک سوبسترا عمل کنند و منابع کربن و انرژی اضافی را برای میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی مسئول تولید بیوگاز فراهم کنند. وجود این ترکیبات آلی در دسترس در لیکور سیاه به طور بالقوه می‌تواند کارایی کلی فرآیند هضم بی‌هوازی را افزایش دهد و به‌تنهایی منجر به افزایش بازده بیوگاز در مقایسه با استفاده از مواد زائد بیولوژیکی شود. مقالات مرتبط، در راستای تولید بیوگاز به روش پیرولیز مورد بررسی قرارگرفته‌اند که بررسی تأثیر لیکور سیاه در فرایند تولید بیوگاز به روش تخمیر بی‌هوازی به عنوان یک خلأ مشاهده گردید. بر این اساس هدف این مطالعه با بررسی اثرات هم‌افزایی ترکیب لیکور سیاه با پسماند بیولوژیکی، ارائه بینش‌های ارزشمندی در مورد بهینه‌سازی فرآیندهای تولید بیوگاز است که درنهایت به توسعه سیستم‌های انرژی تجدید پذیر کارآمدتر و پایدار کمک می‌کند.
مواد و روشها: در این مطالعه نمونه­های مورد آزمایش کاه گندم از مزرعه آموزشی و پژوهشی دانشگاه محقق اردبیلی تهیه گردید. به ­منظور انجام آزمایش­های پیش­استخراج و عملیات پخت کاه گندم، توسط دستگاه برش به اندازه­هایی به طول یک تا سه سانتی‌متر برش داده شدند و جهت رسیدن به رطوبت تعادل در محیط آزمایشگاه قرار داده شدند. برای ساخت راکتور در این آزمایش، از ۹ بطری شیشه‌ای با حجم ثابت 1 لیتر و حجم کارکرد مؤثر ۹/۰ لیتر استفاده شد و هر هاضم به دو بطری 5/1 لیتری جهت دریافت بیوگاز و اندازه‌گیری حجم تولید به روش جابه‌جایی آب متصل شدند. نمونه‌های آماده شده از طریق درب این بطری‌ها وارد راکتور شدند سپس با مهر موم کردن درب آن‌ها امکان خروج گاز اطراف درب از بین برده شد و هاضم‌ها )راکتورها) در داخل یک حمام آبی قرار داده شدند. یکی از شرایط مهم انجام آزمایش، ثابت نگه‌داشتن دمای محیط می‌باشد. برای این منظور استفاده از یک دماسنج دیجیتالی دمای موردنظر را با دقت 1/0± اندازه‌گیری کرده و راکتورها درون حمام آب گرم قرار داده شدند.  این مطالعه شامل سه تیمار با سه تکرار بود. تیمار اول تیمار شاهد با نسبت کربن به نیتروژن ۳۰ به عنوان بهترین نسبت کربن به نیتروژن برای تولید بالاترین حجم بیوگاز بود. در تیمار دوم و سوم میزان لیکور سیاه به ترتیب با نسبت‌های ۵ و ۱۰ درصد وزنی به نمونه‌ها اضافه گردید.
نتایج: بالاترین میزان کاهش مربوط به تیمار سوم می‌باشد. مطابق با مدل‌سازی به دست آمده تیمار دوم پتانسیل تولید بیوگاز را به میزان تقریباً ۱۹۰ درصد افزایش داده است. این در حالی است که پتانسیل تولید بیوگاز در تیمار سوم نسبت به تیمار دوم حدود ۳ درصد کاهش داشته است. با توجه به کاهش ۷۸ درصدی تأخیر تولید بیوگاز، کاهش ۳ درصدی پتانسیل تولید بیوگاز می‌تواند قابل چشم پوشی باشد. همچنین در صورتی که بازه زمانی کوتاه‌مدتی برای تولید بیوگاز مدنظر باشد، نیاز به کمترین تأخیر تولید بیوگاز می‌باشد. بر این اساس با جمع‌بندی‌های به دست آمده، می‌توان عنوان کرد تیمار سوم (حضور ۱۰ درصد لیکور سیاه محلول در آب) می‌تواند به عنوان بهترین تیمار با بالاترین بازدهی تولید بیوگاز مطرح شود.
نتیجه ­گیری: یافته‌های این مطالعه پتانسیل استفاده از لیکور سیاه را به عنوان ماده اولیه در هضم بی‌هوازی پسماند‌های بیولوژیکی برای افزایش تولید بیوگاز نشان می‌دهد. مشاهده شد که افزودن لیکور سیاه، غنی از ترکیبات آلی به آسانی قابل تجزیه زیستی، عرضه مداوم کربن و منابع انرژی به راحتی قابل‌دسترسی برای میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی مسئول تولید بیوگاز را فراهم می‌کند. این عرضه مداوم مواد آلی به آسانی در دسترس از لیکور سیاه به حفظ سطح فعالیت بالای باکتری‌های هضم کننده برای مدت طولانی کمک کرد و منجر به افزایش و بازده بیوگاز پایدارتر شد.
کلیدواژه‌ها

 [1] Mortaza, M., Najafi, B. (2022). 'Application of artificial neural network and response surface method in predicting and optimizing performance parameters and pollution of a dual-fuel diesel engine in the presence of water additive', Journal of Environmental Science Studies, 7(2), pp. 4937-4948. doi: 10.22034/jess.2022.334830.1751
[2] Amid, S., Aghbashlo, M., Tabatabaei, M., Hajiahmad, A., Najafi, B., Ghaziaskar, H.S., Rastegari, H., Hosseinzadeh-Bandbafha, H. and Mohammadi, P., 2020. Effects of waste-derived ethylene glycol diacetate as a novel oxygenated additive on performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with diesel/biodiesel blends. Energy conversion and management, 203, p.112245.
[3] Varling, A.S., Christensen, T.H. and Bisinella, V., 2023. Life cycle assessment of alternative biogas utilisations, including carbon capture and storage or utilisation. Waste Management, 157, pp.168-179.
[4] Sheng, Q., Lu, Y., Yuan, S., Li, X., Dai, X., Guo, Y. and Dong, B., 2023. Effect of nitrite on hydrolysis-acidification, biogas production and microbial community in semi-continuous two-phase anaerobic digestion of sewage sludge. Journal of Environmental Sciences, 126, pp.434-444.
[5] Santoso, A., Lukito, D.C., Sanjaya, E.H., Sumari, S., Wijaya, A.R., Putri, D.E. and Asrori, M.R., 2023, January. The effect of starter on biogas production of anaerobic digestion of cow manure using active zeolite. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2569, No. 1). AIP Publishing.
[6] Carvalheiro, F., Duarte, L.C. and Gírio, F., 2008. Hemicellulose biorefineries: a review on biomass pretreatments. Journal of scientific & industrial research, pp.849-864.
[7] Sonsale, A.N., Purohit, J.K. and Pohekar, S.D., 2021. Renewable & alternative energy sources for strategic energy management in recycled paper & pulp industry. Bioresource Technology Reports, 16, p.100857.
[8] Zainab, A.K., Pradhan, R., Thevathasan, N., Arku, P., Gordon, A. and Dutta, A., 2018. Beneficiation of renewable industrial wastes from paper and pulp processing. Aims Energy, 6(5), pp.880-907.
[9] Hosseinzadeh-Bandbafha, H., Nazemi, F., Khounani, Z., Ghanavati, H., Shafiei, M., Karimi, K., Lam, S.S., Aghbashlo, M. and Tabatabaei, M., 2022. Safflower-based biorefinery producing a broad spectrum of biofuels and biochemicals: A life cycle assessment perspective. Science of The Total Environment, 802, p.149842.
[10] Kumar, A., 2021. Current and future perspective of microalgae for simultaneous wastewater treatment and feedstock for biofuels production. Chemistry Africa, 4, pp.249-275.
[11] Karpagam, R., Jawaharraj, K. and Gnanam, R., 2021. Review on integrated biofuel production from microalgal biomass through the outset of transesterification route: a cascade approach for sustainable bioenergy. Science of The Total Environment, 766, p.144236.
[12] Jeswani, H.K., Chilvers, A. and Azapagic, A., 2020. Environmental sustainability of biofuels: a review. Proceedings of the Royal Society A, 476(2243), p.20200351. [W. Wu, Y.-C. Lei, and J.-S. J. B. t. Chang, "Life cycle assessment of upgraded microalgae-to-biofuel chains," vol. 288, p. 121492, 2019.
[13] Ziaei, M. and Hajizadeh, F., 2010. Biomass Energy and Environment, First Iranian Bioenergy Conference, Eslamshahr, https://civilica.com/doc/92436
[14] Brown, T.R. and Brown, R.C., 2013. A review of cellulosic biofuel commercial‐scale projects in the United States. Biofuels, bioproducts and biorefining, 7(3), pp.235-245.
[15] Robertson, M., 2021. Sustainability principles and practice.
[16] Robertson, G.P., Hamilton, S.K., Barham, B.L., Dale, B.E., Izaurralde, R.C., Jackson, R.D., Landis, D.A., Swinton, S.M., Thelen, K.D. and Tiedje, J.M.,
2017. Cellulosic biofuel contributions to a sustainable energy future: Choices and outcomes. Science, 356(6345), p.eaal2324.
[17] Pflieger, M. and Kroflič, A., 2017. Acute toxicity of emerging atmospheric pollutants from wood lignin due to biomass burning. Journal of hazardous materials, 338, pp.132-139.
[18] Walton, S.L., Hutto, D., Genco, J.M., Walsum, G.P.V. and Heiningen, A.R.V., 2010. Pre-extraction of hemicelluloses from hardwood chips using an alkaline wood pulping solution followed by kraft pulping of the extracted wood chips. Industrial & Engineering Chemistry Research, 49(24), pp.12638-12645.
[19] Perlack, R.D., 2005. Biomass as feedstock for a bioenergy and bioproducts industry: the technical feasibility of a billion-ton annual supply. Oak Ridge National Laboratory.
[20] Nwokolo, N., Mukumba, P., Obileke, K. and Enebe, M., 2020. Waste to energy: A focus on the impact of substrate type in biogas production. Processes, 8(10), p.1224.
[21] Hübner, T. and Mumme, J., 2015. Integration of pyrolysis and anaerobic digestion–use of aqueous liquor from digestate pyrolysis for biogas production. Bioresource technology, 183, pp.86-92.
[22] Najafi, B. and Ardabili, S.F., 2018. Application of ANFIS, ANN, and logistic methods in estimating biogas production from spent mushroom compost (SMC). Resources, Conservation and Recycling, 133, pp.169-178.