دانلود پایان نامه : مدل­سازی فرآيند توليد ترکيبات آلي با استفاده از سيستم پيل سوختي ميکروبي معکوس

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی شیمی

گرایش : بيوتکنولوژي

عنوان : مدل­سازی فرآيند توليد ترکيبات آلي با استفاده از سيستم پيل سوختي ميکروبي معکوس

 

دانشگاه اصفهان

دانشکده علوم و فناوريهاي نوين

گروه مهندسي بيوتکنولوژي

 

 

پايان نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي- بيوتکنولوژي

 

مدل­سازی فرآيند توليد ترکيبات آلي با استفاده از سيستم پيل سوختي ميکروبي معکوس

 

اساتيد راهنما:

دکتر داوود بي­ريا

دکتر حميد ريسماني يزدي

 بهمن ماه 1392

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

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 مقدمه………………………………….. 1

1-2 چرخه انرژي تجديدپذير بر پايه زيست توده 3

1-3 توليد زيست توده توسط فرآيند فتوسنتز 4

1-4 هيدروليز و تخمير 4

1-5 نياز به منابع آب و تصفيه پسابها 6

1-6 پيل سوختي 7

1-7 تعريف پيل‌سوختي 8

1-8 انواع پيل سوختي 8

1-9پيلهاي سوختي ميکروبي.. 9

1-9-1 کاربرد پيل سوختي ميکروبي……… 11

1-9-1-1 توليد برق……………… 12

1-9-1-2 تصفيه پساب­ها……………. 12

1-9-1-3 توليد هيدروژن…………… 13

1-9-1-4 حذف مواد شيميايي…………. 13

1-9-1-5 حسگرهاي زيستي……………. 13

1-9-2 مقايسه پيل­هاي سوختي ميکروبي با فرآيندهاي بيواتانولي و متان زدايي…………………………………… 14

1-9-2-1 فناوري­هاي متان­زدايي و پيل سوختي ميکروبي 14

1-9-2-2 فناوري­هاي بيواتانول و پيل سوختي ميکروبي 14

1-9-3 بررسي جامعه ميکروبي و زنجيره تنفسي در آن­ها   15

1-9-3-1 چگونگي انتقال الکترون­ها از سطح ميکروب به سطح آند پيل سوختي……………………………………….. 17

1-10پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس…….. 21

1-10-1 مکانيسم­هاي انتقال الکترون……….. 22

1-10-2 بيوفيلم­هاي کاتد………………… 24

1-10-3 الکترود کاتد……………………. 24

1-10-4 شيمي محلول………………………. 25

1-11هدف از پژوهش پيش رو………………………. 27

فصل دوم: بررسي پژوهش­هاي پيشين

2-1 مروري بر پيل­هاي سوختي از گذشته تا حال……… 28

2-2تاريخچه پيل سوختي ميکروبي 29

2-3 تاريخچه مدلسازي پيل سوختي ميکروبي 29

2-4 تاريخچه الکتروسنتز ميکروبي 33

فصل سوم: بررسي معادلات و ساختار مدل

3-1 فرضيات انجام گرفته ……………………………………………………………………………………………………………………………36

3-2 معادلات سرعت…………………………….. 37

3-2-1 معادلات مصرف سوبسترا……………………. 37

3-2-2 معادله سرعت پديده خود-اکسايي ميکروبهاي فعال. 40

3-2-3 معادله سرعت غير فعال شدن ميکروبهاي فعال.. 41

3-3 معادله بقاي جرم سوبسترا در بيوفيلم 41

3-4 بررسي ضريب انتقال جرم خارجي 43

3-5 معادله بقاي جرم سوبسترا در حجم مايع کاتوليت 44

3-6 معادله پتانسيل الکتريکي و قانون اهم 45

3-7 بررسي مقاومتهاي اهمي 47

3-8 معادله بقاي جرم زيست توده 48

3-9 نيم واکنش­های انجام گرفته در بخش آند و کاتد پيل سوختی ميکروبی معکوس 51

3-10 بررسي مدل مورد استفاده جهت تخمين پارامترهاي طراحي …………………………………………………………51

3-11 روش حل عددي 52

3-11-1 روش تفاضلات محدود.. 53

3-11-1-1 تفاضلات پيشرو……………………… 53

3-11-1-2 تفاضلات پسرو………………………. 53

3-11-1-3 تفاضلات مرکزي……………………… 53

فصل چهارم: نتايج به دست آمده و تجزيه و تحليل آن­ها

4-1 بررسي شرايط مرجع………………………… 57

4-2 اثر تغيير پتانسيل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع   61

4-3 مقايسه مقادير واقعی با مقادير حاصل از مدلسازی…………………………………………………………………………….68

4-4 جمع بندي و نتيجه گيري……………………. 69

4-4 پيشنهادات………………………………. 71

منابع و مراجع 72

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 معکوس 22

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 غلظتي     42

شکل 3-3: الگوريتم حل معادلات مذکور در فصل سوم…….. 56

شکل 4-1: تغييرات پتانسيل الکتريکي در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 58

شکل 4-2: تغييرات غلظت سوبسترا در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 59                   ………………………………………………………

شکل 4-3: تغييرات جزء حجمي ميکروب­هاي فعال در طول بيوفيلم   59

شکل 4-4: تغييرات ضخامت بيوفيلم با زمان………….. 60

شکل 4-5: تغييرات دانسيته جريان با زمان………….. 60

شکل 4-6: تغييرات بازده کلومبيک با غلظت سوبسترا در حجم مايع     63

شکل 4-7: روند تغييرات چگالي جريان با غلظت سوبسترا در حجم مايع  63

شکل 4-8: روند تغييرات ضخامت بيوفيلم با غلظت سوبسترا در حجم مايع    64

شکل 4-9: جمله نرنست-مونود نسبت به پتانسيل کاتد………… 64

شکل 4-10: تغييرات چگالي جريان با پتانسيل سطح کاتد… 65

نمودار 4-11: تغييرات چگالي جريان با زمان در پتانسيل اشباع و غلظت­هاي مختلف……………………………………………. 66

شکل 4-12: تغييرات چگالي جريان با زمان براي غلظت سوبستراي اشباع و پتانسيل­هاي مختلف……………………………………….. 67

شکل 4-13: توزيع ميکروب­هاي فعال در بيوفيلم، پتانسيل کاتد محدود کننده 67

شکل 4-14: توزيع ميکروب­هاي فعال در بيوفيلم، غلظت سوبستراي محدود کننده 68

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 معکوس……………………… 22

جدول4-1: مقادير عددي پارامترها براي حالت مرجع……. 58

جدول 4-2: محدوده تغييرات پتانسيل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع    62

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.

تعداد صفحه : 105

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --