دانشگاه اصفهان

دانشکده علوم و فناوریهای نوین

گروه مهندسی بیوتکنولوژی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی شیمی- بیوتکنولوژی

مدل­سازی فرآیند تولید ترکیبات آلی با استفاده از سیستم پیل سوختی میکروبی معکوس

اساتید راهنما:

دکتر داوود بی­ریا

دکتر حمید ریسمانی یزدی

 بهمن ماه 1392

چکیده

منابع انرژی رو به زوال سوخت‌های فسیلی، جامعه رو به توسعه انسانی را در آینده‌ای نه‌چندان دور دچار کمبود سوخت می‌سازند. در نتیجه نگرانی­های انتشار پیوسته و در حال افزایش دی­اکسید کربن به اتمسفر و همچنین وسعت آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی که زندگی در کره خاکی را دچار مشکل ساخته است، نیاز به منابع انرژی از منابع تجدیدپذیر با حداقل تأثیر منفی زیست محیطی را افزایش می­دهد. پیل­های سوختی میکروبی معکوس با عملکردی در جهت عکس پیل­های سوختی میکروبی، باکتریها آب و دی­اکسید کربن  را با استفاده از الکترونهایی که در آند یا یک منبع الکتریکی خارجی به کاتد منتقل می­شوند، در فرآیندی شبیه به فتوسنتز به ترکیبات آلی تبدیل می­کنند. این ترکیبات آلی خود می­توانند به سوخت تبدیل ­شوند. در پژوهش پیش رو مدلی بر اساس هدایت مستقیم الکترون­ها در بیوفیلم ارائه شده است. خروجی­های مدل حاضر شامل پروفایل تغییرات غلظت سوبسترا، پتانسیل الکتریکی، توزیع باکتری­های فعال درون بیوفیلم، تغییرات زمانی چگالی جریان و ضخامت بیوفیلم می­باشد. به منظور بررسی اثر عوامل مختلف نسبت به یک حالت شاهد، حالت مرجعی با استفاده از مقادیر پارامترهای موجود و برای سوبسترای دی­اکسید کربن و جامعه میکروبی خالص اسپروموسا اواتا ایجاد شد. بازده کلومبیک در این مدل تابعی از غلظت سوبسترا و پتانسیل کاتد می­باشد. برای سوبسترای دی­اکسید کربن و با وجود گونه میکروبی اسپوروموسا اواتا، در صورت افزایش غلظت، بازده کلومبیک و چگالی جریان کاهش ولی ضخامت بیوفیلم افزایش یافت. از آنجا که ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم اسپوروموسا اواتا بسیار بالاست، بخش اعظم مقاومت­های پیل سوختی میکروبی با این جامعه میکروبی و سوبسترای دی­اکسید کربن ناشی از مقاومت­های انتقال جرم می­باشد. با وجود غلظت 025/0 میلی مول بر سانتی­متر مکعب سوبسترا در کاتولیت، بیشینه چگالی جریان مصرفی 3/0 آمپر بر متر مربع و بازده کلومبیک 75% خواهد بود.دلیل کم بودن بازده کلومبیک، مقاومت­های کاتدی و اهمی در عملکرد پیل می­باشد. از آنجا که بازده کلومبیک تابعی از پتانسیل الکتریکی و غلظت سوبسترا در کاتولیت است و ماکزیمم بازده کلومبیک در غلظت 025/0 میلی مول بر سانتی متر مکعب، 75% و در پتانسیل الکتریکی 13/1، 55% نمایان شد، در نتیجه با ایجاد حالتی بهینه در این غلظت و در این پتانسیل می­توان به بازده تولید بالایی از استات دست یافت.

کلید واژه ها: پیل سوخت میکروبی معکوس، الکتروسنتز میکروبی، الکتروسوخت، کاتد و مدل­سازی.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                 صفحه

فهرست مطالب…………………………………………………………………………………………………………………………………………………و

فهرست شکل­ها……………………………………………………………………………………………………………………………………………….ح

فهرست جداول ………………………………………………………………………………………………………………………………………………ط

فصل اول: بررسی اهمیت موضوع و مفاهیم مرتبط با آن

1-1 مقدمه………………………………….. 1

1-2 چرخه انرژی تجدیدپذیر بر پایه زیست توده 3

1-3 تولید زیست توده توسط فرآیند فتوسنتز 4

1-4 هیدرولیز و تخمیر 4

1-5 نیاز به منابع آب و تصفیه پسابها 6

1-6 پیل سوختی 7

1-7 تعریف پیل‌سوختی 8

1-8 انواع پیل سوختی 8

1-9پیلهای سوختی میکروبی.. 9

1-9-1 کاربرد پیل سوختی میکروبی……… 11

1-9-1-1 تولید برق……………… 12

1-9-1-2 تصفیه پساب­ها……………. 12

1-9-1-3 تولید هیدروژن…………… 13

1-9-1-4 حذف مواد شیمیایی…………. 13

1-9-1-5 حسگرهای زیستی……………. 13

1-9-2 مقایسه پیل­های سوختی میکروبی با فرآیندهای بیواتانولی و متان زدایی…………………………………… 14

1-9-2-1 فناوری­های متان­زدایی و پیل سوختی میکروبی 14

1-9-2-2 فناوری­های بیواتانول و پیل سوختی میکروبی 14

1-9-3 بررسی جامعه میکروبی و زنجیره تنفسی در آن­ها   15

1-9-3-1 چگونگی انتقال الکترون­ها از سطح میکروب به سطح آند پیل سوختی……………………………………….. 17

1-10پیلهای سوختی میکروبی معکوس…….. 21

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

1-10-2 بیوفیلم­های کاتد………………… 24

1-10-3 الکترود کاتد……………………. 24

1-10-4 شیمی محلول………………………. 25

1-11هدف از پژوهش پیش رو………………………. 27

فصل دوم: بررسی پژوهش­های پیشین

2-1 مروری بر پیل­های سوختی از گذشته تا حال……… 28

2-2تاریخچه پیل سوختی میکروبی 29

2-3 تاریخچه مدلسازی پیل سوختی میکروبی 29

2-4 تاریخچه الکتروسنتز میکروبی 33

فصل سوم: بررسی معادلات و ساختار مدل

3-1 فرضیات انجام گرفته ……………………………………………………………………………………………………………………………36

3-2 معادلات سرعت…………………………….. 37

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

3-2-2 معادله سرعت پدیده خود-اکسایی میکروبهای فعال. 40

3-2-3 معادله سرعت غیر فعال شدن میکروبهای فعال.. 41

3-3 معادله بقای جرم سوبسترا در بیوفیلم 41

3-4 بررسی ضریب انتقال جرم خارجی 43

3-5 معادله بقای جرم سوبسترا در حجم مایع کاتولیت 44

3-6 معادله پتانسیل الکتریکی و قانون اهم 45

3-7 بررسی مقاومتهای اهمی 47

3-8 معادله بقای جرم زیست توده 48

3-9 نیم واکنش­های انجام گرفته در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی معکوس 51

3-10 بررسی مدل مورد استفاده جهت تخمین پارامترهای طراحی …………………………………………………………51

3-11 روش حل عددی 52

3-11-1 روش تفاضلات محدود.. 53

3-11-1-1 تفاضلات پیشرو……………………… 53

3-11-1-2 تفاضلات پسرو………………………. 53

3-11-1-3 تفاضلات مرکزی……………………… 53

فصل چهارم: نتایج به دست آمده و تجزیه و تحلیل آن­ها

4-1 بررسی شرایط مرجع………………………… 57

4-2 اثر تغییر پتانسیل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع   61

4-3 مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر حاصل از مدلسازی…………………………………………………………………………….68

4-4 جمع بندی و نتیجه گیری……………………. 69

4-4 پیشنهادات………………………………. 71

منابع و مراجع 72

فهرست شکل­ها

عنوان                                                                                                                                      صفحه

شکل 1-1: انرژی تجدیدپذیر خورشیدی و انرژی­های سرچشمه گرفته از آن- [2] 2

شکل 1-2: نمایی کلی از چرخه تولید انرژی بر پایه زیست توده [5]   4

شکل 1-3: نمایی از فرآیندهای هیدرولیز، تخمیر، اسیدزدایی و متان زایی، محصولات و مواد اولیه هر            کدام [5]…………….. 6

شکل 1-4: شمایی از عملکرد پیل سوختی میکروبی [13]….. 10

شکل 1-5: زنجیره تنفسی درون سلول میکروب­ها و پتانسیل کاهشی متناظر با هر مرحله [2]……………………………………. 16

شکل 1-6: انتقال الکترون از سطح خارجی میکروب به سطح آند توسط مواد واسط درون­زا و برون­زا [26]……………………………… 18

شکل 1-7: انتقال مستقیم الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند با تماس مستقیم فیزیکی بین آن‌ها[26]…………………….. 20

شکل 1-8: انتقال الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند توسط نانوسیم رسانا [26]………………………………………… 20

شکل 1-9: گونه میکروبی از خانواده (الف) ژئوباکتر (ب) شوانلا و نانوسیم­های ایجاد شده [13]……………………………….. 21

شکل 1-10: شمایی از تفاوت بین پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس 22

شکل 2-1: مقایسه شبیه­سازی مدل [8] و نتایج آزمایشگاهی [9] در غلظت 1 میلی مولار استات- [8]…………………………………… 31

شکل 3-1: نمایی از نحوه افرازش الکترون­های تولید شده از منبع خارجی، تولید انرژی، تکثیر سلول­های جدید فعال و سازوکارهای نابودی آنها [1]   40

شکل 3-2: شمای ساده بیوفیلم چسبیده به کاتد و لایه مرزی غلظتی     42

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

شکل 4-1: تغییرات پتانسیل الکتریکی در طول بیوفیلم در روزهای سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 58

شکل 4-2: تغییرات غلظت سوبسترا در طول بیوفیلم در روزهای سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 59                   ………………………………………………………

شکل 4-3: تغییرات جزء حجمی میکروب­های فعال در طول بیوفیلم   59

شکل 4-4: تغییرات ضخامت بیوفیلم با زمان………….. 60

شکل 4-5: تغییرات دانسیته جریان با زمان………….. 60

شکل 4-6: تغییرات بازده کلومبیک با غلظت سوبسترا در حجم مایع     63

شکل 4-7: روند تغییرات چگالی جریان با غلظت سوبسترا در حجم مایع  63

شکل 4-8: روند تغییرات ضخامت بیوفیلم با غلظت سوبسترا در حجم مایع    64

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

شکل 4-10: تغییرات چگالی جریان با پتانسیل سطح کاتد… 65

نمودار 4-11: تغییرات چگالی جریان با زمان در پتانسیل اشباع و غلظت­های مختلف……………………………………………. 66

شکل 4-12: تغییرات چگالی جریان با زمان برای غلظت سوبسترای اشباع و پتانسیل­های مختلف……………………………………….. 67

شکل 4-13: توزیع میکروب­های فعال در بیوفیلم، پتانسیل کاتد محدود کننده 67

شکل 4-14: توزیع میکروب­های فعال در بیوفیلم، غلظت سوبسترای محدود کننده 68

شکل 4-15 شکل 4-15: مقایسه نتایح حاصل از مدلسازی با نتایج واقعی.  (a نتیجه حاصل از مدلسازی و (b نتایج واقعی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..69

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                                                     صفحه

جدول 1-1: تفاوت بین واکنش­های انجام شده در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس……………………… 22

جدول4-1: مقادیر عددی پارامترها برای حالت مرجع……. 58

جدول 4-2: محدوده تغییرات پتانسیل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع    62

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.