تولید انرژی های تجدیدپذیر از پسماندهای ناشی از تولید و فرآوری مواد غذایی

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 44، بهار 97

تولید انرژی های تجدیدپذیر از پسماندهای ناشی از تولید و فرآوری مواد غذایی

زهرهدیدار[1]^*

Z_didar57@yahoo.com

چکیده

خطوط فرآوری مواد غذایی برای تبدیل مواد خام به فرآورده نهایی، انرژی زیادی مصرف می­کنند به طوری که صنعت مواد غذایی یکی از هفت صنعت پر­مصرف انرژی محسوب می­شود. در این صنعت علاوه بر مصرف بالای انرژی، میزان زیادی ضایعات جامد و مایع نیز تولید می­گردد. این ضایعات اساساً شامل مواد آلی بیولوژیک تجزیه­پذیر هستند که تخلیه آن­ها در محیط، مشکلات محیط زیستی قابل توجهی ایجاد می­کند. به طور معمول میزان زیادی از ضایعات مواد غذایی در محل تخلیه زباله، مدفون می شوند ولی ضایعات مایع به رودخانه ها، دریاچه­ها یا اقیانوس ریخته شده و یا داخل فاضلاب تخلیه می­گردند.

اخیراً، قوانین سخت­گیرانه محیط زیستی تخلیه ضایعات جامد و مایع ناشی از فرآوری مواد غذایی به محیط زیست را به شدت محدود نموده است و لذا دفع این ضایعات از جمله معضلات بزرگ در صنعت مواد غذایی به حساب می­آید (­افزایش قیمت سوخت و هزینه بالای مصرف انرژی در صنعت مواد غذایی، استفاده از پسماندهای حاصل از این صنایع را جهت تولید انرژی ارزان قیمت و پاک به صورت بیودیزل، بیوگاز، روغن­های بیو و گازهای سنتزی قوت بخشیده است). این مقاله، مروری بر مهم­ترین روش­های تبدیل پسماندها و ضایعات غذایی به اشکال مختلف انرژی ( تولید بیودیزل، گازیفیکاسیون، هضم بی­هوازی، مایع سازی ترموشیمیایی و تولید بیواتانل) دارد.

کلمات کلیدی: پسماندهای فرآوری و تولید غذایی،  تکنیک های مدرن،  تولید انرژی.

مقدمه

تولید و فرآوری مواد غذایی سالیانه حجم بالایی از پسماند به­صورت جامد و مایع تولید می­کند. این ضایعات اساساً شامل مواد آلی بیولوژیکی تجزیه‌پذیر_­ند که تخلیه آن‌ها در محیط، مشکلات محیط زیستی قابل توجهی ایجاد می_­کند. به طور معمول میزان زیادی از ضایعات جامد مواد غذایی در محل تخلیه زباله، مدفون می‌شوند ولی ضایعات مایع به رودخانه‌ها، دریاچه‌ها یا اقیانوس ریخته می­شوند یا بدون هیچ عملیاتی در فاضلاب عمومی تخلیه می‌گردند. قوانین دولتی محافظت محیط زیست و افکار عمومی، تخلیه ضایعات به محیط را بسیار محدود نموده‌ است. برای تصفیه ضایعات مواد غذایی روش‌های مختلفی از جمله سوزاندن، دفع و تجزیه کامل به کار برده می‌شود. برای فرآوری ضایعات فاکتورهایی مانند ویژگی ضایعات، قوانین دولتی و هزینه تخلیه مواد اولیه مورد توجه قرار می­گیرد. استفاده از روش سوزاندن به دلیل هزینه بالای عملیات با محدودیت مواجه است.  تبدیل ضایعات مواد غذایی به انرژی‌های قابل استفاده مانند بیواتانول، بیودیزل، روغن بیو، بیوگاز، گاز سنتزی، بخار و الکتریسیته باعث کاهش هزینه‌های خرید انرژی و  هزینه تخلیه ضایعات می­شود. جدول1 حجم ضایعات کارخانجات تولید مواد غذایی در برخی کشورها را نشان می­دهد.

جدول 1- ضایعات میوه و سبزیجات در برخی کشورها

تکنولوژی‌های تبدیل ضایعات مواد غذایی به انرژی

همان‌طور که در شکل1 نشان داده شده است، برخی فرآیندها تبدیل شامل تبدیل بیولوژیکی، ترموشیمیایی و شیمیایی می‌توانند انواع مختلف ضایعات فرآوری مواد غذایی را به اشکال مختلف انرژی شامل گرما، انرژی و گاز شامل بیوگاز و گاز سنتزی، و سوخت مایع مانند بیواتانول، بیودیزل و روغن بیو تبدیل کنند.

شکل 1- تکنولوژی‌های تبدیل انرژی برای ضایعات ناشی از فرآوری‌های غذایی (6)

تبدیل ترموشیمیایی شامل تجزیه مواد توسط گرما^[2]، تبدیل مواد به گاز^[3]، سوزاندن^[4] و مایع‌سازی با آب و تحت فشار بالا^[5] است. طی تبدیل ترموشیمیایی در دمای بالا و در حضور اکسیژن یا هوا، ضایعات آلی فرآوری مواد غذایی به مولکول‌های کوچک مایع یا گاز شکسته می‌شوند. در صورتی که هوای مورد نیاز برای سوزاندن (یا اکسیژن) کافی نبوده یا وجود نداشته باشد، از ضایعات آلی سوخت‌های گازی یا مایع تولید می‌شود. گازیفیکاسیون یک فرآیند با اکسیژن ناکافی برای تولید گاز سوختی است که عمدتاً مخلوطی از گازها شامل مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، متان و هیدروژن می‌باشد. پیرولیز یک فرآیند در غیاب اکسیژن است که قیر مایع^[6] و زغال جامد^[7] تولید می‌کند. تبدیل ترموشیمیایی  انواع مختلف ضایعات فرآوری مواد غذایی را می­تواند به انرژی قابل استفاده مانند بخار و الکتریسیته تبدیل کند. هضم بی‌‌هوازی و تخمیر دو روش مهم تبدیل بیولوژیکی برای تبدیل ضایعات به انرژی هستند. در طی هضم بی‌‌هوازی، میکروارگانیسم‌ها ضایعات آلی را شکسته و بیوگاز تولید می‌کنند که یک مخلوط گازی است که عمدتاً شامل متان و دی‌اکسیدکربن می‌باشد. در طی زمان تخمیر، میکروارگانیسم‌هایی مانند مخمرها، قندهای ساده را تخمیر کرده و به اتانول تبدیل می­کنند.

هضم بی‌‌هوازی ضایعات فرآوری موادغذایی

هضم بی‌‌هوازی از جمله روش‌های کاهش دهندۀ آلودگی و کاهش دهنده خطر بیماری زایی و نیز روشی برای بازیابی مواد با ارزش از انواع ضایعات مواد غذایی مانند ضایعات فرآوری میوه و سبزیجات، ضایعات فرآوری گوشت و ضایعات کشتارگاه‌ها می‌باشند. هضم بی‌هوازی یک فرآیند بیولوژیک است که مواد آلی در غیاب اکسیژن تجزیه شده و بیوگاز تولید می‌کنند. بیوگاز که اساساً از متان و دی اکسید کربن تشکیل شده است، می‌تواند به­عنوان منبع انرژی، جایگزین گاز طبیعی فسیلی باشد. متان 50 تا ­60% حجمی بیوگاز را تشکیل می‌دهد. در صورتی که بیوگاز تولیدی با هضم بی‌‌هوازی برای تولید الکتریسیته استفاده شود، راندمان تبدیل کلی به الکتریسیته حدود10% تا 16% است.

یکی از مهم‌ترین مزایای هضم بی‌‌هوازی این است که می‌تواند برای ضایعات آلی با حالت خمیری^[8] و هم‌چنین ضایعات با رطوبت بالا یا مایع نیز استفاده شود. هضم بی‌‌هوازی یک تکنولوژی تجاری است و به طور گسترده‌ای برای عمل آوری ضایعات آلی با رطوبت بالا (بیش از 90-80%) استفاده می‌شود. برای عمل آوری ضایعات حاصل از فرآوری مواد غذایی با روش
هضم بی‌‌هوازی علاوه بر این‌که برای تولید انرژی، متان تولید می‌کند، باعث تخریب باکتری‌های بیماری زای موجود در ضایعات و کاهش نشر آلودگی نیز می‌گردد. هضم بی‌‌هوازی با هیدرولیز ترکیبات موجود در ضایعات آلی شروع می‌شود. پروتئین‌ها به اسیدهای آمینه هیدرولیز می‌شوند. لیپیدها از طریق بتا اکسیداسیون^[9] به اسیدهای چرب با زنجیره بلند و گلیسرول تجزیه می‌شوند. کربوهیدرات‌ها نیز به قندها هیدرولیز می‌شوند. پس از هیدرولیز، واسطه‌های اسیدهای چرب با زنجیره بلند، اسیدهای آمینه و قندها توسط باکتری‌های تخمیر کننده به اسیدهای چرب فرّار با سه کربن یا بیش­تر، هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می‌شوند. از تخمیر اسیدهای آمینه، آمونیاک و سولفیدها به وجود می­آیند. قسمتی از اسیدهای چرب بلند زنجیره، اسیدهای چرب فرّار و ترکیبات خنثی مانند قندها توسط باکتری‌های استوژن^[10] تولید کننده هیدروژن به استات، هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می‌شوند. استات، هیدروژن و دی‌اکسیدکربن به طور کامل توسط باکتری‌های متانوژن^[11] تبدیل به گاز متان و دی اکسید کربن می‌شوند (شکل2).

شکل2- مسیرهضم بی‌‌هوازی ترکیبات مختلف موجوددرضایعات آلی (6)

زمان باقی­ماندن ضایعات در داخل هضم کننده^[12] در طی زمان هضم بی‌هوازی می‌تواند چندین روز تا یک‌ماه باشد. گاز تولیدی را می‌توان برای تولید الکتریسیته استفاده نمود و حرارت جانبی تولیدی نیز بازیابی‌شده و به عنوان منبع حرارت
در سیستم هضم بی‌‌هوازی یا خطوط فرآوری استفاده گردد. هضم بی‌‌هوازی را می­توان برای عمل آوری ضایعات ماهی، ضایعات کشتارگاه، ضایعات فرآوری میوه و سبزیجات و فاضلاب حاصل از فرآوری مواد غذایی به کار برد (جدول 2).

جدول 2-کاربرد هضم بی‌هوازی ضایعات فرآورده‌های غذایی

تخمیرضایعات فرآوری موادغذایی به الکل مصرفی در وسایل نقلیه

سالیان زیادی است که اتانول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می­گیرد این ماده شیمیایی دارای خواصی نظیرگرمای نهان تبخیر بالا، عدد اکتان بالا، نشر مواد سمی پایین آن و سازگاری با محیط زیست و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای[14] است.

با وجود این‌که ارزش گرمایی اتانول 60% گازوییل است ولی در مقابل، اتانول دو برابر گازوئیل گرمای نهان تبخیر دارد (در مورد الکل و گازوییل به ترتیب 686/839 و 64/325 کیلوژول در کیلوگرم)؛ بنابراین هر دو سوخت مقدار راندمان گرمایشی یکسانی دارند. علاوه بر این، با سوختن گازوییل، آب، دی‌اکسیدکربن، مونوکسیدکربن، ناخالصی‌هایی مانند سولفور و نیتروژن و فلزات سنگین تولید می‌شود در حالی که با سوختن اتانول، آب، دی‌اکسیدکربن و میزان کمی مونوکسید کربن تولید می‌شود. اتانول یک سوخت غیر وابسته به فرآورده­های نفتی و مناسب جهت وسایل نقلیه است. این ویژگی­ها اتانول را جایگزین مناسبی برای گازوییل نموده است. اتانول به تنهایی یا به صورت مخلوط با گازوئیل به عنوان سوخت اتومبیل به کار برده می­شود. اتانول را می­توان بدون تغییر یا با کمی تغییرات در وسایل نقلیه به کار برد.

سوخت اتانول از سه ماده خام اصلی تولید می‌شود: قندها، نشاسته‌ها و مواد لیگنوسلولزی. در حال حاضر بیش­تر اتانول تولیدی از ساکارز و نشاسته است. از جمله مشکلات صنعت تولید اتانول ناکافی بودن منابع نشاسته و ساکارز به عنوان ماده خام است. ضایعات فرآوری مواد غذایی می‌تواند به عنوان یک ماده خام ارزان قیمت برای تولید اتانول به کار برده شود. برخی ضایعات فرآوری مواد غذایی مانند ضایعات فرآوری میوه و سبزیجات، ضایعات فرآوری دانه­ها و ملاس تولیدی در صنعت قند، غنی از کربوهیدرات هستند و این ضایعات می‌توانند به عنوان ماده خام برای تولید قندهای قابل تخمیر به الکل مورد استفاده قرار گیرند. در مقایسه با قندها و نشاسته، ضایعات با منشا گیاهی مانند ضایعات میوه و سبزیجات غنی از سلولز هستند که در برابر شکستن و تجزیه شدن مقاوم هستند.

تخمیر اتانول از ضایعات فرآوری میوه و سبزیجات

بیش­تر کربوهیدرات‌های موجود در ضایعات مایع و جامد میوه‌ها و سبزیجات شامل قندهای محلول و پلی­ساکاریدهایی هستند که به آسانی قابل هیدرولیز هستند. ضایعات جامد و فاضلاب حاصل از خطوط فرآوری میوه و سبزیجات، می‌توانند برای تخمیر قندها استفاده شوند. تفاله سیب^[15] یکی از مهم‌ترین محصولات جانبی سرکه سیب و صنعت فرآوری آب میوه جات است و حدود 25% توده میوه اصلی را تشکیل می‌دهد. تفاله سیب عمدتاً 2/78-4/66% رطوبت و 0/22-5/9% کربوهیدرات دارد. قندهای قابل تخمیر در تفاله سیب مانند گلوکز، فروکتوز و ساکارز می‌توانند به اتانول تبدیل شوند. راندمان تولید اتانول 37/0 -33/0 گرم اتانول به ازای هر گرم گلوکز می­باشد. در طی زمان فرآوری مرکبات، حدود نیمی از میوه به عنوان آب میوه و باقی­مانده شامل پوست، هسته و... به­صورت ضایعات است. سلولز، پکتین و همی سلولز در ضایعات پوست مرکبات می‌توانند توسط آنزیم های پکتیناز یا سلولاز به قندهای ساده تبدیل شوند که می‌توانند توسط میکروارگانیسم‌ها برای تولید اتانول و دیگر محصولات تخمیری مصرف شوند.

امکان تولید اتانول از تفاله سیب توسط اوکان[16] و همکاران (2015) بررسی شد. در این روش، میزان تولید اتانول 747/8 گرم در لیتر و میزان راندمان تولید اتانول در این تحقیق به ازای هر گرم تفاله سیب 945/0 گرم گزارش شد (17).

تخمیر اتانول از ضایعات فرآوری قند

ملاس محصول فرعی صنعت قند است. ملاس چغندرقند و نیشکر برای تولید اتانول استفاده می‌شوند. ساریس[17] و همکاران (2014)  امکان تبدیل هم­زمان ملاس چغندر قند و ضایعات روغن زیتون به اتانول را مورد بررسی قرار دادند . مطابق این تحقیق به ازای هر لیتر ماده،  3/34 گرم اتانول تولید شد.  مطابق این تحقیق، این روش از­لحاظ اقتصادی برای تولید محصول نهایی،  مقرون به صرفه است (18).

تخمیر اتانول از آب پنیر

در میان ضایعات مواد غذایی، آب پنیر می­تواند بزرگ‌ترین منبع برای تولید الکل باشد. آب پنیر یکی از محصولات فرعی و مشکل‌ساز صنعت لبنیات است. آب پنیر حدوداً حاوی 5/6-6% ماده جامد است. مخمر ساکارومایسس سرویسیه که در حال حاضر برای تولید اتانول استفاده می‌شود، نمی تواند لاکتوز را تجزیه کند لذا هم­زمان آنزیم بتاگالاکتوزیداز و مخمر برای تولید اتانول از آب پنیر به کار برده می­شود.

سایر منابع

دورریزهای خوراکی از دیگر منابعی است که توسط محققین مختلف جهت تولید اتانول بررسی شده است. تولید اتانول از ضایعات مواد غذایی با پیش فرآیند اسیدی و آنزیمی توسط آکپان[18] و همکاران (2008) بررسی شد. در این فرایند اتانول با راندمان95% تولید گردید و میزان تولید اتانول 86/0 لیتر به ازای هر 500/2 گرم ضایعات مواد غذایی بود (19).

تولید سوخت ازضایعات روغن وچربی‌ها

اتمام سوخت‌های فسیلی و بروز معضلات محیط زیستی در اثر مصرف این‌گونه سوخت‌ها دو چالش مهمی است که جهان با آن روبروست. محدودیت این منابع به دلیل استخراج و استفاده بی‌رویه از سوخت‌های فسیلی هم‌چنین دسترسی کشورهای محدودی به این‌‌گونه سوخت‌ها همراه با مشکلات محیط زیستی (افزایش میزان دی‌اکسیدکربن در اتمسفر و در نتیجه پدیده گرم‌شدن گل­خانه‌ای در اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی) دانشمندان را به مطالعه بر روی سایر منابع تولید انرژی واداشته است. متیل استرهای اسیدهای چرب آزاد که به آن­ها بیودیزل نیز گفته می شود، ترکیباتی هستند که بیش­تر در این زمینه مورد توجه قرار گرفته‌اند و از واکنش تری گلیسریدهای روغن‌های گیاهی، چربی حیوانی با متانول تولید شده و می­توانند جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی باشند. این ترکیبات بیودیزل نامیده می‌شوند. مهم‌ترین مزیت استفاده از بیودیزل‌ها، خاصیت تجدیدپذیری، کیفیت بهتر گاز^[19] و قابلیت تجزیه میکروبی آن‌هاست. هم‌چنین این سوخت‌ها سبب افزایش میزان دی اکسید کربن در اتمسفر در نتیجه پدیده گرم شدن گل­خانه‌ای نمی‌شوند.

چالش اصلی برای تولید معمول بیودیزل از روغن‌ها و چربی‌های خوراکی، هزینه بالا و دسترسی محدود به این منابع است. هزینه مواد خام روغن‌ها و چربی‌های خوراکی 75-60% کل هزینه بیودیزل را دربر می‌‌گیرد. ضایعات روغن پخت، پسماند روغن رستوران ها و چربی‌های حیوانی می‌توانند مواد خام برای تولید بیودیزل باشند. استفاده از ضایعات روغن‌ها و چربی‌ها علاوه بر این‌که راه مناسبی جهت حل مشکل دفع این ضایعات است، سبب کاهش قابل توجهی در هزینه تولید بیودیزل می‌گردد. علاوه بر این استفاده از روغن‌های ضایعات ممکن است سبب بهبود میزان پایداری اکسایشی و عدد ستان^[20]  نسبت به روغن‌های گیاهی اولیه گردد. از جمله مشکلات استفاده از این منابع جهت تولید بیودیزل، غلظت بالای اسیدهای چرب آزاد و رطوبت بالا است که مانع  استفاده از روش استریفیکاسیون قلیایی می‌شود. در این شرایط می توان به منظور کاهش میزان اسیدهای چرب آزاد، از پیش فرآیندهای اسیدی استفاده کرد.

روغن‌های ضایعات و چربی حیوانی ذوب شده^[21] به عنوان ماده خام برای تولید بیودیزل‌ها استفاده می­شوند. مشکل روغن‌ها و چربی ضایعاتی این است که معمولاً حاوی میزان زیادی اسیدهای چرب آزاد هستند که در حضور کاتالیزور قلیایی، تبدیل به صابون شده و سبب تداخل در تولید بیودیزل می‌شود. میزان اسیدهای چرب در ضایعات روغن­های خوراکی معمولاً بیش­تر از 2% وزنی است. میزان رطوبت و اسیدهای چرب آزاد در روغن‌های جمع‌آوری شده رستورانی و چربی‌های حیوانی

 به میزان زیادی متفاوت بوده و به ترتیب 18% و 8/41% است. آب و اسید چرب آزاد می‌توانند سبب کند شدن سرعت واکنش ترانس استریفیکاسیون با کاتالیزور قلیایی شوند.  صابون تشکیل شده هم‌چنین مانع از جداشدن بیودیزل از گلیسرول می‌شود. در صورتی‌که روغن‌ها یا چربی ضایعاتی دارای اسیدهای چرب آزاد و رطوبت کمی‌ باشند، می‌توانند به عنوان ماده خام در فرآیند متداول کاتالیزور قلیایی برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار گیرند.

بررسی­های پردویک[22] (2008)  نشان‌ می­دهد امکان تولید بیودیزل با ویژگی‌های مناسب جهت جایگزینی به عنوان سوخت از ضایعات روغن آفتابگردان در طی واکنش ترانس استریفیکاسیون قلیایی با حضور متانول وجود دارد. مطابق این تحقیق بیودیزل حاصله تمامی ویژگی‌های استاندارد به عنوان جایگزین سوخت اعم از دانسیته در دمای C°15، ویسکوزیته سینماتیک در دمایC°40،  عدد اسیدی، میزان استرمتیل لینولئیک اسید و خلوص مناسب را دارا می‌باشد فقط عدد اسیدی بیودیزل حاصله بیش از 3 میلی‌گرم در گرم هیدروکسید پتاسیم گزارش شده است (20). بررسی صورت گرفته توسط گیراکول[23] و همکاران (2011) در منطقه کامپانیا^[24] برزیل نشان داده است در صورتی که از ضایعات دورریز روغن‌های خوراکی برای تولید بیودیزل استفاده شود، علاوه بر کاهش مشکلات محیط زیستی ناشی از ریختن این روغن‌ها به فاضلاب‌ها و خاک، به دلیل ارزان قیمت بودن ماده تولید بیودیزل و هم‌چنین مطابقت بیودیزل تولیدی با استانداردهای سوخت برزیل و در نتیجه امکان استفاده از آن به عنوان جایگزین سوخت، حدود 8/0 تا 5/4 میلیون دلار صرفه جویی اقتصادی حاصل خواهد شد (21).

تبدیل ترموشیمیایی ضایعات فرآوری موادغذایی

باقی­مانده جنگل­ها، محصولات کشاورزی و ضایعات آلی فرآوری مواد غذایی به عنوان منابع زیست توده هستند که می­توان آن‌ها را از طریق فرآیندهای بیولوژیکی و یا ترموشیمیایی به محصولات شیمیایی و انرژی تبدیل نمود. فرآیندهای ترموشیمیایی شامل سوزاندن، تجزیه مواد توسط گرما، گازیفیکاسیون و مایع سازی ترموشیمیایی است.

سوزاندن ضایعات فرآوری های غذایی

سوزاندن مستقیم زیست توده در حضور هوای کافی باعث تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده  در زیست توده به حرارت می­شود که حرارت حاصله می­تواند برای تولید انرژی مکانیکی و الکتریسیته مورد استفاده قرار گیرد. در طی سوزاندن، ضایعات آلی در دمای بالاتر از دمای سوزاندن خود با اکسیژن اکسیده می­شوند. ضایعات مواد غذایی آلی خشک با رطوبت کم­تر از­50% وزن خشک، برای سوزاندن مناسب هستند. ضایعات جامد فرآوری­های­ غذایی­ می­توانند هم به صورت مستقیم احتراق شوند یا این‌که ابتدا به سوخت‌های مایع یا گاز تبدیل گردند، سپس عمل سوزاندن صورت گیرد به عنوان مثال راندمان احتراق بیودیزل حاصل از ضایعات روغن پالم، 66-56% است(22). لاپیراتاناکان[25]  و همکاران (2017) از یک سیستم جدید جهت سوزاندن روغن­های ضایعات گیاهی استفاده کردند که دارای یک بستر متخلخل از توپ های کوچک سرامیکی بود. میزان راندمان گرمایشی این سیستم، %42 - 28% و راندمان احتراق تقریباً 5/99% گزارش شد. در این سیستم، میزان نشر گازهای مونوکسید کربن و اکسید نیتروژن به ترتیب ppm 171 و 40 است (23).

پیرولیز ضایعات فرآوری مواد غذایی   

پیرولیز، تبدیل زیست توده جامد در دمای C°500 یا بالاتر و درغیاب اکسیژن و هوا به بخش‌های مایع، جامد و گاز می‌باشد. پیرولیز برای تبدیل زیست توده خشک مناسب است. پیرولیز زیست توده، سه محصول اصلی تولید می­کند: زغال^[26] جامد، روغن مایع بیو^[27] و گاز. گاز پیرولیز که حاوی دی اکسید کربن و متان است می­تواند به عنوان سوخت برای تولید گرما و انرژی استفاده شود. بخش جامد، ماده متخلخلی است که می­توان به منظور بهبود ویژگی‌های فیزیکی خاک مانند بافت خاک، نفوذپذیری و ظرفیت نگهداری آب به کار برد. زغال هم‌می­تواند به طور مستقیم به عنوان یک سوخت جامد یا پس از گاززایی به عنوان سوخت گازی استفاده شود یا به منظور تبدیل به­ مواد شیمیایی با ارزش مانند کربن فعال فرآوری شود.

روغن پیرولیتیک حاصل از پیرولیز زیست توده، امکان ذخیره‌سازی و انتقال بهتری نسبت به ماده اولیه دارد.

با این حال، روغن پیرولیتیک حاوی نسبت بیش­تری از ترکیبات اکسیژن­دار است در نتیجه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن‌ها به سرعت تحت شرایط ذخیره سازی تغییر می­کند. بنابراین­ در صورتی که روغن پیرولیتیک به عنوان سوخت یا به عنوان ماده خام شیمیایی استفاده گردد باید فرآوری شود^[28] تا پایداری و ارزش گرمایی^[29] آن بهبود یابد.

پیرولیز برای تبدیل ضایعات جامد فرآوری های غذایی مانند نواله دانه­های روغنی به سوخت مایع استفاده می­شود. با این حال مواد خام مختلف و شرایط عملیات منجر به تفاوت‌های زیادی در راندمان و ترکیب روغن بیو می­شود.

کاتالیزور­های مختلف زئولیت برای تبدیل همزمان نواله کلزا و روغن گلرنگ به سوخت بیو توسط گیانوکوپائولو [30]و همکاران (2010) بررسی گردید. فرآیندها با فشار پایین در دمای 350 و­400 درجه سانتی­گراد صورت گرفت. راندمان و ترکیب محصول حاصله بسته به ماهیت کاتالیزور و دمای فرآیند، متغیر گزارش شد. فاز آلی عمدتاً شامل هیدروکربن­ها، اسیدهای چرب و نیتریل­ها بود. این مخلوط دارای ویژگی‌های مناسبی از نظر ارزش گرمایی، میزان آب­، دانسیته­، ویسکوزیته و ­pH­ در مقایسه با روغن‌های بیو است و قابلیت استفاده به عنوان سوخت بیو را دارد. فاز آبی در این واکنش شامل اسیدهای کربوکسیلیک محلول در آب، فنل­ها و ترکیبات هتروسیکلیک می­باشد (24).

گازیفیکاسیون ضایعات مواد غذایی

گازیفیکاسیون شامل اکسیداسیون جزئی^[31] مواد آلی در دمای بالا (C°800) و تولید مخلوطی از گازهای قابل احتراق (گاز سنتزی^[32])  است. گاز سنتزی عمدتاً حاوی مونوکسید کربن، هیدروژن، متان و دی‌اکسیدکربن می‌باشد.

در طی زمان گازیفیکاسیون قسمتی از زیست توده به جای گاز سنتزی، تبدیل به زغال و قیر می­شود. استفاده از گاز سنتزی به عنوان یک سوخت برای احتراق داخلی موتورها، توربین­های گازی و پیل سوختی برای تولید گرما و انرژی و به عنوان ماده خام برای سنتز سوخت‌های مایع و مواد شیمیایی استفاده می­شود. با تصفیه نمودن و خارج کردن ذرات گرد و غبار و ناخالصی­ها در گاز سنتزی، راندمان این فرآیند افزایش پیدا می کند. گاز سنتزی می­تواند مانند گاز طبیعی برای تولید انرژی و حرارت مورد استفاده قرار گیرد. گاز سنتزی حاصل از گازیفیکاسیون زیست توده توسط هوا دارای ارزش گرمایی پایینی است و می­توان در احتراق کننده­ها مورد استفاده قرار داد. گاز سنتزی­ با کیفیت بالا هم‌چنین می­تواند برای سنتز دیگر ترکیبات شیمیایی و سوخت‌های مایع مانند مایعات فیشر- تروپس^[33]، بوتانول، اتانول و متانول استفاده شوند.

ضایعات مواد غذایی با میزان رطوبت کم برای گازیفیکاسیون مناسب هستند. پوسته برنج یکی از این گونه ضایعات است. پوشش­های اطراف دانه برنج، پوسته را تشکیل می­دهند که در طی زمان آسیاب کردن، از دانه جدا می­شود. تولید کلی برنج در دنیا حدود 500 میلیون تن است. به دلیل این‌که پوسته برنج حدود 20% وزن دانه برنج را تشکیل می­دهد، سالیانه حدود 100 میلیون تن پوسته تولید می­شود. پوسته برنج می­تواند از طریق فرآیندهای تبدیل ترموشیمیایی به سوخت مایع یا گاز تبدیل شود (6).

تحقیقی که توسط کاتن[34] و همکاران (2010) بر روی ضایعات مواد غذایی صورت گرفت نشان داد که ضایعات مواد غذایی نسبت به چوب، دارای میزان اکسیژن کم­تر و نیتروژن، خاکستر و انرژی بیش­تری هستند به طوری که ضایعات مواد غذایی مطالعه شده در این تحقیق حاوی­70% آب بودند. میزان درجه­- حرارت و میزان نشر پلت­های^[35] خشک چوب، پلت‌های خشک شده ضایعات مواد غذایی و پلت­های خشک نشده ضایعات مواد غذایی اندازه‌گیری شد. درجه حرارت در مورد ضایعات مواد غذایی بیش­تر بود که نشان دهنده میزان انرژی بیش­تر آن‌ها نسبت به چوب است. میزان نشر اکسید نیتروژن و دود نیز در مورد ضایعات مواد غذایی بیش­تر بود (25). 

مایع سازی ترموشیمیایی

حلال­ها در دما و فشار بالا می­توانند زیست توده را هیدرولیز و مایع نموده و تبدیل به سوخت مایع نمایند. این عمل با تجزیه پیوندهای گلیکوزیدی و شکستن مولکول­ها به اجزاء کوچک‌تر محلول صورت می­گیرد. مایع سازی زیست توده  و تبدیل آن به یک هیدروکربن مایع پایدار در دماهای متوسط (C°400-300) و فشار بالا صورت می­گیرد. در طی زمان مایع سازی، از طریق یک سری تغییرات ساختاری فیزیکی و تغییرات شیمیایی شامل سالوولیز^[36]، دپلیمریزاسیون، دکربوکسیلاسیون، هیدروژنولیز^[37]­و هیدروژناسیون، ماده خام زیست توده به روغن بیو تبدیل می‌گردد. متناسب با شرایط فرآیند، قندهای قابل تخمیر، اسیدهای آلی و روغن‌های بیو سه محصول عمده حاصل از فرآیند مایع‌سازی زیست توده هستند. برخی محققین دریافتند بخشی ازمولکول‌های درشت لیگنین و همی سلولز پس از چند دقیقه قرار گرفتن در معرض آب داغ (دمای بالاتر از C°190) مایع سازی می­شوند و باقی­مانده لیگنوسلولز در دماهای بالاتر و به روش هیدروترمال مایع می­شود. فرآوری سلولز با آب در حالت نزدیک بحرانی یا فوق بحرانی سبب ایجاد قندهای قابل تخمیر به الکل می­شود.

تولید اسیدهای آلی از زیست توده از دیگر کاربردهای این تکنیک است. مطابق بررسیاسکات[38] و همکاران (2002) استفاده از کاتالیزور پالادیم  در دمای C°150 و مدت 5 ساعت، سبب تبدیل تقریباً 100% سلولز به اسیدهای آلی مانند اسید مالیک و اسید استیک می­شود (26).

روغن بیو از جمله ترکیباتی است که می­توان به کمک این روش تولید نمود. مایع‌سازی زیست توده، شامل تجزیه پلیمرهای زیست توده و تبدیل آن‌ها به اجزاء کوچک‌تر است. انواع مختلف واکنش‌ها مانند دکربوکسیلاسیون، دهیدراسیون، دهیدروژناسیون و داکسیژناسیون^[39] ممکن است در طی مایع‌سازی زیست توده صورت گیرد. اجزاء ناپایدار ممکن است از طریق کندانس‌شدن، حلقوی‌شدن و پلیمریزاسیون مجدداً نظم یافته و به ترکیبات جدید مانند ترکیبات آروماتیک تبدیل گردند. شکل‌گیری روغن‌های بیو در طی واکنش مایع‌سازی زیست توده در فشار بالا، در مخلوط پیچیده­ای از اسیدهای آلی فرّار، الکل­ها، آلدئیدها، اترها، کتون‌ها، فوران‌ها، فنل­ها، هیدروکربن­ها و دیگر ترکیبات غیر­فرّار صورت می­گیرد. روغن حاصل از این واکنش‌ها را می­توان با کاتالیزور به فرآورده­های تقطیری آلی یا ترکیبات شیمیایی مفید نظیر تولوئن، گزیلن و فنل­ها تبدیل نمود.

تحقیقی توسط هامر اسمید[40] و همکاران (2010) در زمینه تولید سوخت بیو از ضایعات آلی مرطوب با آب در شرایط نزدیک به نقطه بحرانی (دمای بالاتر از 300 درجه سانتی‌‌گراد و فشار بیش از 1/22 مگاپاسکال) در یک فرآیند یک مرحله­ای مداوم با دو نوع کاتالیزور شامل کاتالیزور همگن (کربنات پتاسیم) و کاتالیزور ناهمگن ( اکسید زیرکونیوم[41]) صورت گرفت. مطابق این تحقیق عملیات هیدروترمال زیست توده پس از آبگیری منجر به تولید روغن بیو با ارزش گرمایی بالا شد (27).

نتیجه گیری

صنعت مواد غذایی جزو صنایع با مصرف انرژی بالا دسته بندی می­شود. محدود بودن سوخت های فسیلی، افزایش هزینه سوخت، افزایش غلظت گازهای گل­خانه­ای از جمله مهم­ترین عواملی هستند که دانشمندان را به یافتن روش­هایی جهت استفاده بهینه از منابع ارزان قیمت انرژی که مشکلات زیست محیطی نیز ایجاد نکنند، واداشته است. از جمله منابع ارزان قیمت، حجم عظیم پسماندهای جامد و مایع است که در اثر فرآوری و تولید مواد غذایی سالیانه ایجاد می­گردد. تکنیک­هایی نظیر هضم بی­هوازی، تولید سوخت­های بیودیزل، گازیفیکاسیون و مایع سازی ترموشیمیایی از جمله روش­هایی هستند که می توان جهت تولید منابع انرژی نظیر بیودیزل، گازهای سنتزی مانند متان، روغن­های بیو، اتانول سوختی از پسماندهای غذایی به کار برد  ولی در حال حاضر استفاده از پسماندها جهت تولید این نوع از سوخت­ها با چالش­های تکنیکی روبرو است و نیازمند مطالعه بیش­تر و بهینه سازی روش­های تولید سوخت از این منابع ارزان قیمت است.

منابع

1-      Garot, G., 2014. LutteContre le Gas­pi­ll­a geAlimentaire: Propositions Pour­une ­Po­li­ t iquePublique. Rapport de Guillaume Gar­o tDéputé de la Mayenne Ancien­Min­ist re­d­é légué à l’Agr oali mentaire.

2-      Kranert, M., Hafner, G., Barabosz, J., 2012. Ermittlung der wegge worfe nenLebensmittelmengen und Vor­sc­hläge­z urVerminderung der Wegwer­fra­teb­eiL­eb­e nsmitteln in Deutschland [Investigation of food waste amounts and options for their reduction in Germany]. Germany: Institu­tf ürSiedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA), Universität St­ut­t gart.

3-      Monier, V., Mudgal, S., Escalon, V., O’­Co­n nor, C., Gibon, T., Anderson, G., Montoux, H., Reisinger, H., Dolley, P., Ogilvie, S., M­o­rton, G., ­2010. Final report­-­Preparatory study on food waste across EU 27; European Commission [DG ENV­-­Directorate C]. B­I O Intelligence Service, Paris.

4-      Hanssen, O.J., Schakenda, V., 2013. Nyttbartmatsvinn i Norge 2011, Analyserav status ogutvikling i matsvinn i Norge 2010-11-Rapport fraForMat-prosjektet. ForMat project report Nr. 1413, Ostfoldforskning.

5-      Department for Environment. Food and Rural Affairs., 2015: Food Statistics Po­c­k­e­t book.

6-      دیدار، زهره. »تولید انرژی از ضایعات مواد غذایی«. چاپ اول انتشارات دانشگاه آزاد اسلامی واحد نیشابور، 1393، فصل اول.

7-      Serrano, A., Siles, J., Chica, A., Martín, M.A., 2013. Agri-food waste valorization through anaerobic co-digestion: fish and strawberry residues. Journal of Cleaner Production, vol. 54, pp. 125–132

8-      Markou, G., 2015. Improved anaerobic digestion performance and biogas production from poultry litter after lowering its nitrogen content. Bioresource Technology, vol. 196, pp. 726–730.

9-      Rajagopal, R., Massé, D., 2016. Start-up of dry anaerobic digestion system for pro­ce­s sing solid poultry litter using adapted liquid inoculum. Process Safety and Env­iro­nm­e­n tal Protection, vol. 102, pp. 495–502.

10-  Meng, Y., Jost, C., Mumme, J., Wang, K., 2016. An analysis of single and two stage, mesophilic and thermophilic high rate systems for anaerobic digestion of corn­s­t alk. Chemical Engineering Journal, vol. 288, pp.­7­9 -86.

11-  Riggio, V., Comino, E., Rosso, M., 2015. Energy production from anaerobic co-digestion processing of cow slurry, olive pomace and apple pulp. ­Renewable E­n   ergy, vol. 83, pp.­1043–1049.

12-  Calabrò, P., Greco, R., Evangelou, A., Komilis, D., 2015. Anaerobic di­g­e­s­t­i­on of tomato processing waste: Effect of alkaline pretreatment.­­­ Journal­ of Environmental Management, vol. 163, pp. 49–52.

13-  Suksong, W., Kongjan, P., Prasertsan, P. Imai, T. O-Thong, S., 2016. Opti­m ization and microbial community anal­y sis for production of biogas from solid waste residues of palm oil mill industry by solid-state anaerobic digestion          . Bi­o­r esource Technology, vol. 214, pp. 166–174.

14-  Majhi, B.K., Jash, T., 2016. Two-p­h­a se anaerobic digestion of vegetable m­a rket waste fraction of municipal solid waste and development of improved technology for phase separation in two-phase reactor.Waste Management. D­OI:­10.1016/j.wasman.2016.09.009.

15-  Gomez-Romero, J., Gonzalez-Garcia, A., Chairez, I., Torres, L., García-Peña, E.I., 2014.Selective adaptation of an anaerobic microbial community: Bio­hy drogen production by co-digestion of cheese whey and vegetables fruit waste. International Journal of Hydrogen E­n­e rgy, vol. 39(24), pp. 12541–12550

16-  Sanjaya, A.P., Cahyanto, M.N. Millati, R., 2016. Mesophilic batch anaerobic digestion from fruit fragments. Re­n­e wable Energy, vol. 98, pp. 135–141.

17-  Evcan, E., Tari, C., 2015. Production of bioethanol from apple pomace by using cocultures: Conversion of agro­ind­­u­st rial waste to value added product. En­er gy, vol. 88, pp. 775–782

18-  Sarris, D., Matsakas, L., Aggelis, G.­K  outinas, A.A., Papanikolaou, S., 2014. Aerated vs non-aerated conversions of molasses and olive mill wastewaters blends into bioethanol by Sacc­ha­­r­o­m­y­c es cerevisiae under non-aseptic co­nd­it ions. Industrial Crops and Products, vol. 56, pp. 83-93.

19-  Akpan, U.J. Alhakim, A., A. Josiah, U­. J., 2008.  Production of Ethanol Fuel from Organic and Food Wast­es. Le­on­a rdo Electronic Journal of Practices and Technologies, vol. 13 , pp. 1-11.

20-  Predojević, Z.J., 2008. The production of biodiesel from waste frying oils: A comparison of different purification steps. Fuel, vol. 87, pp.3522-3528.

21-  Giraçol, J., Passarini, K. C., Catureba da Silva Filho, S., AraújoCalarge, F., Tambourgi, E.B., Curvelo Santana, J. C., 2011. Reduction in ecological cost through biofuel production from cooking oils: An ecological solution for the city of Campinas, Brazil. Journal of Cleaner Production, vol. 19, pp. 1324-1329

22-  Tashtoush, G., M.I. Al-­Widyn, and A­. O.Al-­Shyoukh., 2003. Combustion per formance and emission of ethyl ester of a waste vegetable oil in a water- cooler furnace. Applied Thermal Engi­neering, vol. 23, pp. 285-293.

23-  Lapirattanakun, A., Charoensuk, J., 2017. Developement of porous media b urner operating on waste vegetable oil. Applied Thermal Engineering, vol.110(5), pp.190–201

24-  Giannakopoulou, K., Lukas, M., Va­sil­i ev, A, Brunner,­C. Schnitzer, ­H., ­2­0­1­0­­. Low pressure catalytic co-conversion of bio genic waste (rapeseed cake) and veg­et able oil. Bioresource Technology, vol. 101, pp.3209-3219.

25-  Caton, P.A., Carr, P.A., Kim, A.A., Bea utyman, M.J., 2010. Energy recovery from waste food by combustion or gasification with the potential for regenerative dehydration: A case study. Energy Conversion and Management, vol.51, pp. 1157-1169.

26-  Schutt, B.D., B. Serrano, R.L. Cerro, and M.A. Abraham., 2002. Production of chemicals from cellulose and bi­o­m­a ss- derived compound through ca­taly­t ic sub- critical water oxidation in a mon olith reactor. Biomass and Bioenergy, vol.22, pp. 365-375.

27-  Hammerschmidt, A., Boukis, N., Ha­ue r, E., Galla, U., Dinjus, E., Hitzmann, B .­Larsen, T. Nygaard, S.D., 2010. Ca­t­a­l ytic conversion of waste biomass by hydrothermal treatment. Fuel, vol. 90, pp. 555-562.