ارزیابی ابعاد مختلف تولید بیوگاز در هاضم های بی هوازی

نوع مقاله : مقاله تحلیلی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی عمران- گرایش محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف

2 کارشناس ارشد مهندسی عمران- گرایش محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف *(مسئول مکاتبات)

چکیده

راهبردهای کلیدی به منظور توسعه یافتن یک منبع انرژی جایگزین با سوخت­های فسیلی برای جبران نیاز کنونی به انرژی و بعلاوه به منظور کاهش نگرانی­های زیست­محیطی (اعم از آلودگی حجم زیاد پسماند و گرم شدن جهانی) مطرح می­شوند. از این رو اقتصاد و فن‌آوری­ها تا حد زیادی بستگی به منابع انرژی تجدیدپذیر سازگار با معیارهای زیست­محیطی ازقبیل بیوگاز دارند. فناوری بیوگاز علاوه بر مزیت­های فراوانی که دارد با محدودیت­های خاصی نیز همراه است. به طوری که تولید انرژی بدون حضور عوامل متوقف­کننده یک کار دشوار است و برای اطمینان از توسعه پایدار، می‌بایست فناوری‌های دردسترس جاگزین شوند. پیشرفت­های بیشتر باعث توجه مجدد و عمیق­تری در فن­آوری تولید بیوگاز شده است. در حالی که این موضوع اثرات بزرگی در کاهش مسائل عمده اقتصادی مطرح در جهان دارد. مرور کنونی به عوامل محدود­کننده و ارزیابی پیشرفت­های تکنولوژیکی اخیر همراه با جنبه‌های مختلف تولید بیوگاز مانند استفاده از مواد خام پایدار، میکروبی و پویایی­های آنزیم، پارامتر بهینه­سازی و فرایند تفکیک برای افزایش این تکنولوژی می­پردازد. آماده­سازی زیستی آنزیمی و شناخت میکروب­های کارآمد، امکان تقویت انرژی هضم بی­هوازی را به طور قابل ملاحظه­ای فراهم می­کند. لذا بهینه­سازی پارامترهای مختلف برای سرعت بخشیدن به تولید بیوگاز در طول هضم بی­هوازی نسبت به قبل و بعد آن ترجیح داده شده است. همچنین علی‌رغم توسعه طرح­های هاضم چند مرحله ای به قصد دستیابی به موفقیت در فرایند تفکیک، تحقیقات بیشتر برای رسیدن به عملکرد بهتر سیستم نیاز است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

اصل مقاله

 

 

 

 

 

 

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 52، بهار 99

ارزیابی ابعاد مختلف تولید بیوگاز در هاضم­های بی­هوازی

 

مرسده طاهری[1]

نیما کریمی[2]

 مصطفی بیگدلی[3]*

mostafabigdeli@ymail.com

تاریخ دریافت: 07/08/95                                                                                                               تاریخ پذیرش: 13/11/95

چکیده

راهبردهای کلیدی به منظور توسعه یافتن یک منبع انرژی جایگزین با سوخت­های فسیلی برای جبران نیاز کنونی به انرژی و بعلاوه به منظور کاهش نگرانی­های زیست­محیطی (اعم از آلودگی حجم زیاد پسماند و گرم شدن جهانی) مطرح می­شوند. از این رو اقتصاد و فن‌آوری­ها تا حد زیادی بستگی به منابع انرژی تجدیدپذیر سازگار با معیارهای زیست­محیطی ازقبیل بیوگاز دارند. فناوری بیوگاز علاوه بر مزیت­های فراوانی که دارد با محدودیت­های خاصی نیز همراه است. به طوری که تولید انرژی بدون حضور عوامل متوقف­کننده یک کار دشوار است و برای اطمینان از توسعه پایدار، می‌بایست فناوری‌های دردسترس جاگزین شوند. پیشرفت­های بیشتر باعث توجه مجدد و عمیق­تری در فن­آوری تولید بیوگاز شده است. در حالی که این موضوع اثرات بزرگی در کاهش مسائل عمده اقتصادی مطرح در جهان دارد. مرور کنونی به عوامل محدود­کننده و ارزیابی پیشرفت­های تکنولوژیکی اخیر همراه با جنبه‌های مختلف تولید بیوگاز مانند استفاده از مواد خام پایدار، میکروبی و پویایی­های آنزیم، پارامتر بهینه­سازی و فرایند تفکیک برای افزایش این تکنولوژی می­پردازد. آماده­سازی زیستی آنزیمی و شناخت میکروب­های کارآمد، امکان تقویت انرژی هضم بی­هوازی را به طور قابل ملاحظه­ای فراهم می­کند. لذا بهینه­سازی پارامترهای مختلف برای سرعت بخشیدن به تولید بیوگاز در طول هضم بی­هوازی نسبت به قبل و بعد آن ترجیح داده شده است. همچنین علی‌رغم توسعه طرح­های هاضم چند مرحله ای به قصد دستیابی به موفقیت در فرایند تفکیک، تحقیقات بیشتر برای رسیدن به عملکرد بهتر سیستم نیاز است.

کلمات کلیدی: منبع تجدید پذیر، بیوگاز، مواد خام پایدار، جنبه های میکربی و آنزیمی، طرح های هاضم چندمرحله­ای

 

 

 

 

Human and Environment, No. 52, Spring 2020

Evaluating Different Aspects of Biogas Production

in Anaerobic Digesters

 

Mercedeh Taheri[4]

Nima Karimi[5]

Mostafa Bigdeli[6]*

mostafabigdeli@ymail.com

Abstract

The key strategies to develop an alternative energy source instead of fossil fuels are outlined to compensate for current energy needs and to decrease environmental concerns such as high volume of waste pollution and global warming. So the economy and technologies largely depends on consistent renewable source with environmental criteria of biomass and actually biogas. Biogas technology is associated with certain limitations in addition to the many advantages. So that energy production is a difficult task without having stopping elements in which the alternative concepts is necessary to ensure sustainable development with accessible technologies. Further advances in technology led to renewed and deeper interest in biogas production, while it has great effects in reducing major economic problems in the world. The current review addresses the limiting factors and evaluation of recent technological advances associated with various aspects of biogas production such as the use of sustainable feedstocks, microbial and enzyme dynamics, optimization parameter and dissociation process to enhance this technology. Enzymatic bioassay and efficient microbial identification enables the energy of anaerobic digestion to be significantly enhanced. Therefore, optimization of different parameters to accelerate biogas production during anaerobic digestion has been preferred to pre- and post-anaerobic digestion. In spite of the development of multi-step digestion schemes in order to succeed in the separation process, further research is needed to achieve better system performance.

Keywords: Renewable Source, Biogas, Sustainable raw materials, Microbial and Enzymatic Aspects, Multi-stage digester projects

 

 

 

مقدمه

 

محدودیت سوخت­های فسیلی، تجدیدناپذیری و انتشارات ناشی از آن­ها، تقاضای جهانی انرژی و مواردی از این قبیل همگی از عواملی هستند که باعث شده سیاست­مداران طی بررسی­های ساختاری، به تغییر حامل­های انرژی و حرکت آن­ها به سمت سوخت­های پاک بپردازند. یکی از بهترین گزینه­ها، استفاده از منابع زیست توده به صورت بیوگاز است.

هضم بی­هوازی[7] پسماندهای آلی برای تولید بیوگاز در ‌جهت فراهم کردن سوخت از منابع تجدیدپذیر، بسیار سودمند است (1). برخی از مزایای متعدد فناوری بیوگاز می­تواند به صورت تامین انرژی الکتریسیته و گرما (2)، کاهش انتشارات گازهای گلخانه­ای و پدیده گرمایش جهانی[8]، تولید کود با کیفیت بالا، جایگزینی مناسب در بخش حمل و نقل، توسعه اقتصادی و اجتماعی مناطق روستایی و استقلال دولت ­ها مطرح باشد (3).

در سال­های باستان، سیستم هضم بی­هوازی محدود به تصفیه پسماند گیاهی و حیوانی می­شد، به‌طوریکه در حال حاضر این عمل به طور گسترده برای تصفیه پسماند کشاورزی، صنعتی و مواد زائد جامد شهری[9]جهت به دست آوردن بیوگاز و در کنار آن، تضمین کاهش زباله و حفاظت از محیط زیست انجام می­پذیرد (4).

هضم بی هوازی، مجموعه­ای از فرآیندهایی است که مواد آلی قابل­تجزیه توسط میکروارگانیسم­های مربوطه و تحت شرایط بی­هوازی می­شکنند. این فرایند شامل چهار مرحله هیدرولیز (Hydrolysis)، اسیدسازی (Acidogeneiss)، استوژنسیس (Acetogenesis) و متان­زایی (Methanogenesis) می­باشد. مرحله اول عبارتست از تجزیه مواد با وزن مولکولی بالا از قبیل سلولز (Cellulose)، نشاسته، پروتئین­ها و چربی­ها و تبدیل آن­ها به ترکیبات با وزن مولکولی پایین مانند اسیدهای چرب، آمینواسیدها، دی­اکسیدکربن و هیدروژن که این گروه توسط باکتری­های گروه هیدرولیتیک
(Hydrolytic) انجام می­شود. در مرحله دوم محصولات نهایی مرحله اول توسط باکتری­های استوژن(Acetogen) به استات (Acetate) و هیدروژن تبدیل می­شوند. در مرحله سوم به منظور تولید استات بیشتر، ارگانیسم­های معروف به همواستوژن­ها (Hemoasetogen)، هیدروژن و ترکیبات ساده کربنی تولید شده در مراحل اول و دوم را به استات تبدیل می­کنند. مرحله چهارم عبارتست از تبدیل استات و ترکیبات ساده دیگر مانند فورمات (Formate)، دی­اکسید کربن و هیدروژن به گاز متان (Methane) (5). این مرحله را ارگانیسم­های متانوژن (Methanogen) انجام می­دهند. فرایند هضم بی­هوازی و تولید بیوگاز مانند سایر واکنش­های بیوشیمیایی، تحت تاثیر عوامل فیزیکی و شیمیایی متنوعی است. عوامل مختلف مانند ماهیت سوبستره (:Substrateمواد مغذی برای تغذیه آنزیم­ها)، رطوبت، مواد جامد فرار، ساختار مواد مغذی، اندازه ذرات و زیست‌تخریب‌پذیری آن­ها (6)، طراحی هاضم، تلقیح، قلیاییت، دما، نرخ بارگذاری، زمان ماند هیدرولیکی[10] (مدت زمانی که میکروارگانیسم ها برای شکستن مواد آلی و تبدیل آن به فرآورده‌های زیست توده فرصت دارند، این زمان در کیفیت بیومس خروجی تأثیر بسزایی دارد) و مواردی از این قبیل، ثبات فرایند و تولید بیوگاز را تحت تاثیر قرار می­دهند. به طورکلی، جنبه­های برجسته مختلف در این مرور برای کنترل فرایند و افزایش تکنولوژی تولید بیوگاز به صورت موارد زیر مطرح و در ادامه بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است.

1-مصرف­بیومس (Biomass burning): گزینش طبیعی (در دسترس بودن، نسبت C/N[11])، هضم ترکیبی (سوبستره­های مختلف)، پیش­تصفیه (فیزیکی، شیمیایی، فیزیکی­شیمیایی، بیولوژیکی)

2-اضافه کردن آنزیم (فعالیت و پایداری آنزیم، سوبستره­های
مختص مخلوط آنزیم، بهینه­سازی آنزیم، کاهش هزینه)

3-طراحی هاضم، بهینه­سازی فرایند که عمدتاً شامل موارد (سیستم پیوسته، سیستم­های هضم تک­مرحله­ای[12]، سیستم­های هضم چندمرحله‌ای[13]، پارامترهای موثر مانند قلیاییت، دما، نسبتC/N، نرخ بارگذاری، کل جامدات و زمان ماند هیدرولیکی) می­شود.

4-تصفیه میکروبی (اجتماع میکروبی میکروارگانیسم­های بالقوه، بهبود ژنتیکی باکتری­ها، نرخ رشد میکروبی)

بیومس و معیارهای انتخاب آن

-نوع ماده خام ورودی

انواع زیست­توده می­تواند به عنوان خوراک برای تولید بیوگاز استفاده شود در حالی که خاصیت بیوانرژی هرکدام متفاوت از یکدیگر است. معیارهای اساسی انتخاب سوبستره برای تولید بیوگاز شامل ماهیت سوبستره، در دسترس بودن (7)، نسبت C/N، پتانسیل تولید و تاثیر زیست محیطی آن می­باشد.

منظور از ماهیت سوبستره، ترکیب مواد و میزان پروتئین، چربی و کربوهیدرات آن است . در سال 2014 میلادی طی گزارشی اعلام شد که پروتئین­ها دارای بیشترین حجم متان (70 درصد) و کمترین بازده تولید بیوگاز هستند. درحالی که چربی­ها دارای بیشترین تولید بیوگاز و دارای حجم متان در حدود 68 درصد می­باشند. کربوهیدرات­ها نیز دارای کمترین بازده تولید گاز متان و حجم متان (حدود 50 درصد) و بازده بیوگاز آن­ها متوسط (بین چربی­ها و پروتئین­ها) می­باشد. به همین دلیل استفاده از گوشت پخته و روغن پخت­و­پز در هاضم بی­هوازی موجب تولید بیوگاز بیشتر می­شود (8, 9).

مواد مورد استفاده در فرایند باید بدون پوشش سلولی یا پروتوپلاسم (Protoplasm) باشند چون این پوشش برای فعالیت باکتری­ها مناسب نمی­باشد. مخلوط مواد سلولزی و لیگنینی (Lignin: فیبرها) عمل تجزیه را سخت­تر می­کنند و به زمان بیشتری برای تجزیه شدن نیاز دارند.

سوبستره­ها با بخش­های آلی همراه با زیست تخریب پذیری بالا
یا مواد جامد فرار، تولید بیوگاز قابل ملاحظه­تری نسبت به سایر سوبستره­ها دارند (10). بطوری­که مطالعات انجام شده نشان داده که مواد گیاهی جوان دارای یک ماهیت نسبتا محلول هستند، از این رو می­توانند بیوگاز بیشتری نسبت به مواد گیاهی چوبی که دارای اجزای غیر محلول بیشتری در آب مانند لیگنین، سلولز، همی­سلولز (Hemicellulose) و پلی­آمید (Polyamide) هستند، تولید کنند (11, 12).

همچنین در ارتباط با پتانسیل تولید بیوگاز پسماندهای آلی مختلف، بررسی­هایی انجام گرفته است که نتایج نشان داده بهره­برداری از کودحیوانی در مقایسه با پسماند کشاورزی صنعتی[14] و مواد زائد جامد شهری، بیشتر است. بطوری که سهم بیوگاز تولیدی از کودحیوانی 36 درصد، از پسماند کشاورزی صنعتی30 درصد و از پسماند جامد شهری 34 درصد می­باشد (13). در این میان برای ورودی هاضم، از پسماند کشاورزی و میوه­جات هم استفاده می­شود که پسماند میوه­جات برای تولید بیوگاز مناسب­تر می­باشد. بررسی صورت گرفته در سال 2009 میلادی نشان داد که پسماند میوه­هایی مانند آناناس و پرتقال نسبت به سبزیجاتی مانند اسفناج و کدو، گاز متان بهتری تولید می­کنند (14).

از سایر موارد انتخاب سوبستره برای تولید بیوگاز، انتخاب سوبستره‌ای است که محیط زیست را بسیار آلوده می­کند تا علاوه بر تولید سوخت ­زیستی بسیار با ارزش بیوگاز، حفاظت محیط زیست را نیز سبب شود. مانند استفاده از زباله­های صنعتی­کیک دانه روغنی (Oil seed cake) ، پوشش میوه­ای جاتروفا (Jatropha) که موجب تولید قابل توجه بیوگاز شده است (15-17).

-نسبتC/N

خصوصیات بیوگاز عمدتا توسط نسبت C/N خوراک تعیین می­شود. باکتری­های بی­هوازی برای زنده ماندن و فعالیت­های متابولیسمی نیازمند کربن و نیتروژن هستند که کربن را به عنوان منبع انرژی و ازت را برای ساختن دیواره سلولی خود
مصرف می­کنند. نسبت این مواد در کنترل فعل و انفعالات شیمیایی درون هاضم بسیار مهم است (18). میزان مصرف کربن نسبت به ازت 30 تا 35 برابر سریع­تر است (19). وقتی این نسبت زیاد می­شود جذب نیتروژن توسط متانوژن­ها برای برطرف­سازی نیاز پروتئینی خود، افزایش می­یابد و با محتوای کربنی واکنش نمی­دهند در نتیجه تولید گاز کاهش می­یابد (20) و بالعکس زمانی که این نسبت کم می­شود نیتروژن آزاد شده، انباشته شده و متعاقباً منجر به تجمع آمونیاک می­شود که این امر موجب بالارفتن قلیاییت می‌شود و اثر سمی بر روی جمعیت متانوژن­ها دارد و از تبعات آن، کاهش تولید گاز می­باشد. گفتنی است در ضایعات با درصد بالای کربن زیست­تخریب­پذیر مانند لیگنین، نسبت کربن به نیتروژن نمی­تواند تاثیر مهمی در روند تخریب بگذارد (21). تحقیقات گسترده‌ای در زمینه تعیین نسبت مناسب کربن به نیتروژن و بهبود آن صورت گرفته که در زیر به برخی از آن­ها اشاره خواهد شد.

 در سال1965 میلادی، تاثیر C/N  روی هضم بی هوازی بررسی شد. مواد ورودی به هاضم در بررسی صورت گرفته، کود خوک به همراه مالتوز (Maltose)، گلوکز (Glucose)، لوسین (Leucine) و کاپروئیک اسید (Caprylic acid) بود. نتیجه حاکی از آن بود که نسبت کربن به نیتروژن برابر 16، یک تجزیه موفق را منجر می­شود و بیشتر از 1/21 موجب انهدام و توقف هضم می­شود (22).

البته به جهت بررسی تاثیر مواد گیاهی در تجزیه، بررسی­هایی نیز صورت گرفته است. در طی اولین آنالیز صورت گرفته در این زمینه در سال 1971 میلادی، کود گاوی با سایر مواد که بیشتر نباتی و گیاهی بودند مخلوط شد و در هاضم بسته مورد آزمایش قرار گرفت. نتیجه حاصل شده نشان داد که اضافه کردن مواد نیتروژنی مانند پروتئین شیر و اوره (Urea) باعث افزایش تجزیه کود شده و لذا  باعث افزایش تولید بیوگاز خواهد شد (23). در دیگر بررسی که در سال 1975 میلادی انجام گرفت، تاثیر تولید متان با افزودن پسماند سیب‌زمینی و خاک اره به کود مرغی بررسی شد. نتایج نشان داد هنگامی که خاک اره 2 تا 4 درصد باشد باعث افزایش 20 درصدی در متان پس از 110روز خواهد شد. از طرفی وقتی میزان خاک اره 8 درصد ­باشد، متان کل تولیدی تقریبا مساوی با زمانی می­شود که کود به تنهایی هضم می­شود. در نهایت بررسی انجام گرفته حاکی از آن بود که برای بهبود نسبت کربن به نیتروژن کود مرغی و افزایش تولید بیوگاز می‌توان از منابع حاوی کربن استفاده کرد (24). آنالیز دیگری بر روی کود خوک به همراه اوره و گلوکز در سال 1978 میلادی انجام یافت. نتایج نشان داد که نسبت C/N بهینه برای ماکزیمم تولید بیوگاز، 5/15 تا 19 است و بیشتر از این مقدار موجب ناپایداری هاضم به لحاظ اکولوژیکی می­شود (25).

به­طور خلاصه نسبت­های کربن به نیتروژن برای سوبستره­های در دسترس در جدول 1 آورده شده است (26, 27) که نشان می­دهد سوبستره­های دارای نسبت کربن به نیتروژن در محدوده 10 تا 35 برای جواب­گویی به نیازهای قابل پیش بینی انرژی، کافی هستند (28). همچنین در بررسی دیگری، گزارش شده که نسبت C/N  مساوی با 30 بهترین حالت ساختار مغذی سوبستره است (29).

 

 

 

 

 

 

 

جدول 1- نسبت کربن به نیتروژن در سوبستره­های مختلف*

مواد زیست‌تجدید‌پذیر

نسبتC/N

مواد زیست‌تجدید‌پذیر

نسبتC/N

مواد زیست‌تجدید‌پذیر

نسبتC/N

کود حیوانی

 

باقیمانده محصولات زراعی

 

سایر

 

کود گاو

6 تا 25

کاه برنج

51 تا 67

پسماند برگ

50 تا 53

کود ماکیان

3 تا 15

کاه گندم

50 تا 150

علوفه و متعلقات آن

10 تا 25

کود خوک

3 تا 14

تفاله نیشکر

140 تا 150

علف هرزه دریایی

70 تا 79

کود گوسفند

30 تا 33

ساقه/کاه ذرت

50 تا 56

جلبک

75 تا 100

کود اسب

20 تا 25

کاه جو

48 تا 50

یونجه

12 تا 17

پسماندهای خانگی

 

پوست/جوانه بادام زمینی

20 تا 31

پسماند کشتارگاه

22 تا 37

پسماند آشپزخانه

25 تا 29

شاخ و برگ چغندرقند

35 تا 46

خاک اره

200 تا 500

پسماند میوه­ها و سبزیجات

7 تا 35

ضایعات غلات

16 تا 40

محتوا معده/ روده داخلی

3 تا 5

پسماندهای غذایی

3 تا 17

پسماند باغی

100 تا 150

گنداب مخمر

4 تا 10

                                                                                                                                    (26, 27)

 

 

در سال 1979 میلادی برای افزایش تولید بیوگاز، کود با پسماندهای کربن­دار[15] مخلوط شد. هدف از این آزمایش یافتن مقدار مواد کربن‌دار بهینه بود، لذا پارامتر نسبت کربن در دسترس به نیتروژن برای بررسی میزان اختلاط معرفی شد (منظور از کربن در دسترس، همه کربن آلی منهای کربن لیگنین است). در این آزمایش6 عدد هاضم 4 لیتری آزمایشگاهی برای 11 ماه مورد آزمایش قرار گرفت. کود گاو شیری که دارای نسبت کربن در دسترس به نیتروژن مساوی 8/0 بود با گلوکز و سپس با سلولز مخلوط شد تا نسبت های C/N متفاوتی را شامل شود (این نسبت از 8 تا 7/51 متغیر بود). نتایج نشان داد هرچه نسبتC/N  افزایش یابد غلظت متان در گاز هاضم نیز کاهش یافته و به این ترتیب بیشترین متان در نسبت C/N  مساوی 25 حاصل می­شود (30). در
سال 1977 میلادی، با توجه به نتایج بدست آمده، پیشنهاد شد که برای بهبود نسبت­های کم C/N در کود حیوانی برای افزایش بیوگاز می­توان از پسماندهای سلولزی مانند علف و پوشال­های غله و گندم استفاده کرد (31).

در یک بررسی دیگر در سال2012 میلادی در شهر یانگ لینگ (Yang ling) چین مقداری کود مرغی و کود لبنی از یک دامپروری و مقداری پوشال گندم از یک روستای محلی جمع آوری و به مدت سی روز وارد هاضم با دمای 35 درجه سانتی­گراد شد. نتایج نشان داد با نسبت C/N متعادل شده، پتانسیل متان تولیدی در حالت مخلوط سوبسترات بهتر از حالت انفرادی است. با افزایش نسبت C/N، ابتدا پتانسیل تولید متان افزایش و پس از مدتی کاهش یافت. در نهایت بازه بهینه C/N در قلیاییت پایدار و غلظت پایین آمونیوم نیتروژن، برابر 25 تا 30 اعلام شد (32).

 

 

 

-اندازه ذرات مواد ورودی

یکی دیگر از موارد عملیاتی تولید بیوگاز، اندازه ذارت می­باشد که باید به اندازه کافی کوچک باشد تا سطح تماس مناسبی برای حمله و تغذیه میکروارگانیسم­ها فراهم شود. در غیر این صورت، موجب ایجاد لخته شده و به علت وجود رطوبت، یک سطح غیرقابل نفوذ ایجاد کرده و باعث عدم فعالیت تغذیه­ای برای میکروارگانیسم­ها می­شود. در حالتی که سوبسترات تجزیه­پذیری کمی دارد، کاهش اندازه ذرات و در ادامه افزایش سطح ویژه موجب بهبود تولید متان می­شود. تحقیقات اندکی در زمینه ارزیابی تاثیر اندازه ذره سوبسترات بر تولید متان صورت گرفته است (33, 34). موضوع اصلی که از اکثر آن­ها استنباط می­شود این است که رابطه‌ای معکوس بین اندازه ذره و پتانسیل تولید بیوگاز وجود دارد. البته برخی نیز اذعان داشته­اند که رابطه محسوسی بین آن­ها وجود ندارد. لازم به ذکر است که در همه موارد بیان­شده اندازه ذره با اندازه ذره معیار، که کمتر از 10 میلی­متر اعلام شده است، بایستی قابل مقایسه باشد.

 

-آزمایشات هضم

هضم مواد زائد مختلف زیست تخریب پذیر ثابت کرده که پتانسیل تولید متان از طریق آزمایشات هضم ترکیبی نسبت به هضم انفرادی بالاتر است. اکثر پسماندهای کشاورزی دارای مواد مغذی زیادی (نیتروژن بالا) هستند در حالی که طبیعت لیگنوسلولوزیک (Lignocellulosic)، آن­ها را به مقاومت در برابر حمله آنزیم میکروبی وا می­دارد. با وجود این واقعیت بیوگاز ناکافی، از طریق هضم بی‌هوازی این نوع سوبستره­ها بدست می­آید. برای بهبود هضم باقی­مانده­های کشاورزی، آن‌ها را با کود دامی که دارای مقدار کربن زیادی است مخلوط می­کنند تا تولید بیوگاز حاوی مقدار مناسب متان، تسهیل یابد و موجب افزایش قابلیت اشتعال­پذیری بیوگاز شود. به عنوان مثال، هضم ترکیبی پسماند کاغذ با کود گاو منجر به تولید بیوگاز دارای مقدار و کیفیت بالاتر نسبت به زمانی که هضم آن­ها بصورت جداگانه انجام می­شود، می­گردد (35). بهترین نسبت ترکیب پسماندهای کشاورزی و کود دامی، نسبت یک به یک است (36, 37). در جدول2 برای برخی از سوبستره ها، هضم انفرادی و ترکیبی با هم مقایسه شده است.

 

جدول 2- مقایسه برخی از سوبستره­ها، هضم انفرادی و ترکیبی و میزان تجزیه­پذیری آن­ها

هضم ترکیبی

هضم انفرادی

تجزیه­پذیری

مترمکعب بر هر کیلوگرم

ترکیب همراه با خوراک اصلی

تجزیه­پذیری

مترمکعب بر هر کیلوگرم

خوراک

a 62/0

پسماند ماهی با دیزل زیستی

23/0 تا 62/0g

کود خوک

b 179/0

پسماند تفاله زیتون

2/0 تا 5/0h

کود گاوی

62/0c

پسماند کشاورزی و محصولات زراعی انرژی­زا

15/0 تا 47/0i

پسماند میوه و سبزی

532/0d

پسماند جامد شهری

-

پسماند جامد شهری

222/0e

خاکستر بادی

27/0 تا 39/0j

پسماند سیب­زمینی

35/0a

پسماند روغن و چربی از کارخانه تصفیه فاضلاب

68/0f

پسماند چغندرقند

 

(38)a:

(39)b:

(40)c:

(41)d:

(42)e:

(43)f:

(44)g:

(45)h:

(46)i:

(47)j:

 

 

در این زمینه تحقیقات گسترده‌ای صورت گرفته است که در زیر به برخی اشاره می­شود.

در سال 2012 میلادی، تخمیر بی‌هوازی ضایعات مواد غذایی به همراه عناصر مکمل کمیاب (کبالت، آهن، نیکل و مولیبدن) مورد بررسی قرار گرفت. تخمیر بی هوازی ضایعات مواد غذایی به تنهایی دچار شکست شد ولی به همراه عناصر مکمل به مدت 368 روز به طور مداوم صورت گرفت و بالاترین بازده متان (352- 450 میلی لیتر بر گرم ماده خشک فرار) در طی 20 تا 30 روز از زمان ماند بدست آمد(48).

آزمایش هضم ترکیبی کود گاو و زباله جامد آلی در سال 2005 میلادی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در حالت ترکیبی، تولید بیوگاز بیشتر بوده و روند با ثبات­تری دارد (49). در مورد بررسی روند ترکیبی بودن ضایعات، در همین سال، آزمایشات هضم ترکیبی ضایعات غذایی و لجن هوازی از ضایعات صنعتی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که هضم ترکیبی دو زباله می‌تواند مهار متانوژن را کاهش و عملکرد متان را افزایش دهد (50).

در سال 2008 میلادی نیز آزمایشی بر روی تولید بیوگاز بوسیله کنجاله خردل و کودگاوی انجام گرفت که نشان داد مخلوط 30 درصد کنجاله خردل با کود، بیوگاز بیشتری نسبت به حالت انفرادی تولید خواهد کرد (51).

-پیش تصفیه و تبدیل لیگنوسلولوزیک

مواد خام را نمی­توان به همان صورت وارد دستگاه بیوگاز کرد بلکه باید قبل از بارگیری، آن­ها را از نظر غلظت، قابلیت جذب باکتری، نسبت C/N، درجه حرارت و عدم وجود مواد سمی و عناصر بازدارنده مورد بررسی قرار داد (19). با توجه به پیشرفت‌های اخیر تکنولوژی، تبدیل لیگنوسلولوزیک از طریق پیش تصفیه قبل از شروع هضم می­تواند برای حفظ تعادل صنعتی به کار گرفته شود. پیش‌تصفیه موجب عدم تجمع لیگنوسلولوز در لیگنین، سلولز و همی­سلولز می­شود و تخریب آنزیمی بیشتر توسط باکتری انجام می‌گیرد، در نتیجه بیوگاز به اندازه کافی تولید ‌می‌شود. شواهد نشان داده که این روش موجب افزایش امکان دسترسی آنزیم­های هیدرولیتیک توسط لیگنوسلولزها می­شود و همچنین بهبود در روش پیش تصفیه باعث دسترسی بیشتر به خوراک ارزان­تر می­گردد، بنابراین تولید بیوگاز افزایش چشم­گیری خواهد داشت(48).

-عناصر سمی باز دارنده

برای تولید بیوگاز بایستی مقدار ترکیبات و ساختار شیمیایی آن­ها بررسی شود تا عامل بازدارنده­ای برای میکروارگانیسم­ها وجود نداشته باشد. به عنوان مثال آنتی­بیوتیک­ها، موادی که قابلیت تولید نیتروژن دارند، روی، آمونیاک، اسیدهای­چرب، سولفید هیدروژن موجب توقف فرایند هضم می­شوند (52). سولفات­ها نیز باعث کاهش تولید متان شده و بایستی مقدار آن­ها کمتر از 200 میلی­گرم بر لیتر و مقادیر آمونیاک کمتر از 2500 میلی­گرم بر لیتر باشد (53). عناصری مانندNa ،Ca ،Mg ،K ،Fe  اگر با غلظت کم وارد هاضم شوند موجب رشد باکتری­ها و افزایش تولید بیوگاز می­شوند ولی اگر غلظت آن­ها افزایش یابد باعث مرگ باکتری­های متان‌زا و توقف تولید بیوگاز می­شوند (50).

-وجود مواد تسریع کننده واکنش

با افزودن موادی مانند مواد پروتئینی به خونابه کشتارگاهی، جگر سفید یا گوشت­های فاسد شده و مواد آلی غنی از چربی و کربوهیدرات، کشت میکروبی که در واقع نقش کاتالیزور را داشته فعال شده و موجب می­شود هضم فاز اسیدی، سریع­تر انجام شود و به فاز متان­زایی و فساد برسد، با این­کار سرعت تولید گاز بهبود داده می­شود (54).

-پارامترهای موثر در بهینه سازی فرایند

دما

در تولید بیوگاز، سرعت واکنش تحت تاثیر دما قرار می­گیرد. به علاوه دما بر روی قابلیت حل فلزات سنگین، دی­اکسیدکربن و در نتیجه  بر روی ترکیب گاز اثر دارد. نوسانات دمایی بر رشد میکروبی تاثیر می­گذارد و کاهش قابل­ملاحظه­ای در تولید بیوگاز را در پی دارد. دما لازم برای انواع هضم بی هوازی به صورت زیر است (55).

هضم پسیکروفیلی (Psychrophilic) (زمان ماند بیش از 100 روز و دمای واکنش10 تا 20 درجه سانتی گراد)

هضم مزوفیلی (Mesophilic) (زمان ماند بین30 تا 60 روز و دمای واکنش 20 تا 35 درجه سانتی گراد)

هضم ترموفیلی (Thermophilic) (زمان ماند بین 10 تا 15روز و دمای واکنش 50 تا 60 درجه سانتی گراد)

واکنش­های غیر هوازی در دستگاه­های بیوگاز عموما در گرمای 10 الی 60 درجه سانتی‌گراد صورت می­گیرد. باکتری­های فعال در حرارت 30 تا 40 درجه سانتی­گراد به مزوفیلیک و آن­هایی که در 45 تا 60 درجه سانتی­گراد فعالیت حیاتی دارند به باکتری­های ترموفیلیک شهرت دارند. هضم ترموفیلیک، سرعت خروج گاز متان و تولید آن را بهبود می­بخشد، لذا زمان ماند کمتری نیاز دارد. هم­چنین این نوع هضم به دلیل دمای بالا موجب از بین رفتن پاتوژن­ها (Pathogen) شده (19) و برای سیستم­هایی با درصد جامدات بالا، نسبت به هضم مزوفیلیک بهتر عمل می‌کند. این نوع هضم در کنار مزایا، مشکلاتی هم دارد که می­توان به پایداری کمتر و حساسیت بیشتری نسبت به خوراک ورودی اشاره کرد (56). دمای بالای این نوع هضم باعث می­شود که فرایند و هاضم به کنترل و نگهداری بیشتری نیاز پیدا کند، به همین دلیل برای دماهای بالاتر از 45 درجه سانتی­گراد پیشنهاد نمی­شود. برای بهبود دمای تخمیر و جلوگیری از هدررفت آن، ساختمان واحدهای بیوگاز را با توجه به شرایط اقلیمی منطقه می‌سازند. به عنوان مثال دستگاه­های چینی را در عمق خاک قرار می­دهند تا موجب ازدیاد درجه حرارت شوند و واحدهای هندی را با استفاده از کود و.. عایق کاری می­کنند تا بدین ترتیب مانع هدر رفتن گرما شوند و تولید بیوگاز را افزایش دهند (52). همچنین استفاده از انرژی خورشیدی و تعبیه لوله­های آب­گرم و مبدل­های حرارتی یا کویل­ها در دستگاه­های صنعتی یکی از روش­های معمول گرم نگه داشتن واحد بیوگاز است. در مجموع هردو محدوده دمایی مزوفیلیک و ترموفیلیک محدوده مناسبی هستند به شرط این‌که دمای پیشنهادی مطابق با مشخصات عملکردی میکروبی باشد (57).

-میزان قلیاییت (pH)

بررسی‌ها نشان داده است به دلیل حساس بودن باکتری­های متان­زا ، قلیاییت در حدود 8/6 تا 2/7 (خنثی) برای تولید
 بیوگاز مناسب است. هرگونه نوسانی در قلیاییت، مشکلاتی در تولید بیوگاز و عمل تخمیر ایجاد می­کند. قلیاییت پایین موجب اختلال در زندگی باکتری­های متان زا می­شود و چنانچه برای مدت زیادی بدون تغییر باقی بماند موجب عدم فعالیت باکتری­های متان زا و شکست هاضم می­شود (58). در این حالت بایستی با اضافه کردن مواد قلیایی یا با افزایش درجه حرارت به بهبود وضعیت کمک کرد. هنگامی که pH محیط قلیایی است و به حالت تعادل می­رسد، می­توان سوبستره را به سیستم اضافه کرد و البته بایستی در نظر داشت که مواد اسیدی به سیستم اضافه نشود (59).

-غلظت مواد جامد و آب

برای اینکه باکتری­ها بتوانند مواد آلی را جذب کنند لازم است که مواد به صورت محلول در آیند زیرا آب یکی از عناصر اصلی جهت تغذیه میکروارگانیسم­ها است که موجب حرکت باکتری­ها، فعالیت آنزیم­های سلولی، هیدراسیون بیوپلیمرها و همچنین تسهیل شکست سلول­ها می­شود. ولی بایستی مد نظر داشت که مقدار بهینه آن مورد نظر است، زیرا مقدار کم رطوبت و متعاقبا افزایش غلظت مواد جامد موجب افزایش چسبندگی و انباشتگی اسیدهای فعال شده و فرایند تخمیر را به تاخیر می­اندازد. از طرفی اگر مقدار رطوبت زیاد باشد موجب لایه لایه شدن محلول و در صورت هم نزدن مداوم محلول باعث کاهش تولید بیوگاز می­شود (60).

اگر انتقال جرم مناسب مد نظر است، محتوای فاز جامد نباید از 10 درصد بیشتر شود (61). تحقیقات نشان داده که بهترین غلظت محلول برای تخمیر غیر هوازی در مخازن بیوگاز بایستی دارای 7 تا 9 درصد ماده جامد باشد. لذا برای رسیدن به نسبت مطلوب قبل از اینکه خوراک وارد هاضم گردد بایستی رقیق و یا هضم گردد. اگر ورودی هاضم به اندازه کافی رقیق نباشد، مسمومیت­های آمونیاکی خاصی به وجود می­آورد (2). در نتیجه سیستم های تولید بیوگاز با مواد جامد کل کمتر دارای اهمیت هستند و نرخ بارگذاری کم (حدود 7-8 درصد)، افزایش قابل توجهی در تولید گاز نشان می­دهد (36).

-اثر اختلاط

یکی دیگر از عوامل موثر درمیزان تولید گاز، هم­زدن کامل مواد داخل مخزن است. اختلاط موجب موارد زیر می­شود.

1-یکنواختی در ترکیب مواد، دما، غلظت و سایر عوامل ­محیطی 2-به حداقل رساندن تشکیل لایه سفت سطحی و جلوگیری از تصاعد گاز

3-جلوگیری از ته نشینی مواد سنگین در کف راکتور و شناورشدن مواد سبک در سطح راکتور

4-دسترسی بیشتر و مساوی میکروارگانیسم­ها به مواد غذایی در کلیه سطوح فوقانی، میانی، تحتانی هاضم

5-افزایش سرعت تکثیر میکروارگانیسم­ها و تحریک آن­ها و لذا تولید بیشتر گاز و افزایش راندمان هاضم بی­هوازی (53).

هم­زدن و اختلاط با اضافه کردن روزانه مواد انجام می­شود تا حرکتی در توده مواد به وجود آمده و مواد تجزیه نشده در مجاورت باکتری­های بی­هوازی قرار گیرند. این عمل می­تواند به‌صورت دستی، مکانیکی و نهایتاً هیدرولیکی با پمپ و با فشار گاز انجام شود (در مقیاس کوچک به صورت دستی انجام می­گیرد) (62). در مقیاس بزرگ و در تصفیه­خانه­ها علاوه بر استفاده از همزن­های مکانیکی، می­توان قسمتی از گاز بدست آمده را دوباره با فشار به قسمت پایین انبار تزریق کرد (53). بهتر است عمل هم زدن، روزانه انجام گیرد و در طول روز دو یا سه مرتبه برای مدت چند دقیقه تمام حجم مخزن هم­زده شود. در مواردی که درجه حرارت بالاست (به ندرت از 30 درجه

کمتر می­شود) می­توان عمل مخلوط کردن را قبل از ریختن مواد به داخل هاضم انجام داد و از هم زدن روزانه مخلوط صرف­نظر کرد. البته در این شیوه راندمان دستگاه پایین می­باشد. بررسی­ها نشان داده که گاز تولیدی در هاضم باعث حرکت مواد می­شود اما این مقدار معمولا برای مخلوط کردن مواد داخل هاضم کافی نیست (62).

-شرایط بی‌هوازی

از آنجا که فرایند هضم درون دستگاه تولید بیوگاز، فرایندی بی هوازیست لذا باید از ورود هوا به داخل سیستم جلوگیری کرد تا بهترین شرایط برای تخمیر ایجاد شود. یکی از روش­ها، عایق­بندی سیستم است که باعث عدم تبادل هوایی بین مواد درون هاضم با هوای بیرون می­شود. اگر مقداری هوا در حین فرایند وارد سیستم شود باعث وارد کردن دستگاه به فاز اسیدی طولانی و توقف فرایند می­شود (63).

-مدت زمان ماند هیدرولیکی

مدت زمان ماند مواد داخل هاضم بستگی به نوع مواد، سرعت تجزیه مواد ورودی، میزان گاز تولیدی، درجه حرارت تخمیر و سایر عوامل محیطی دارد­. تولید گاز با افزایش زمان ماند، روند افزایشی دارد. چنانچه مواد ورودی به اندازه کافی درون هاضم باقی نماند روند هضم و تخمیر کامل نشده و بیوگاز تولید نمی­شود (64). در جدول 3 حداقل زمان ماند مورد نیاز فرایند در دماهای مختلف آورده شده است (65).


 


جدول 3- حداقل زمان ماند مورد نیاز برای مراحل حرارتی مختلف*

مرحله حرارتی

دمای فرایند (درجه سانتی­گراد)

حداقل زمان ماند (روز)

پسیکروفیلیک

کمتر از 20 درجه

70 تا 80

مزوفیلیک

بین 30 تا 42 درجه

30 تا 40

ترموفیلیک

بین 43 تا 55 درجه

15 تا 20

 

                                                                                                   *(65)

 

 

طراحی دستگاه بیوگاز

به طور معمول هاضم­های تک­مرحله­ای بصورت گسترده برای تولید بیوگاز در گذشته مورد استفاده قرار می­گرفت در حالی که استفاده از آن­ها شامل محدودیت­هایی از جمله امکان بی­ثباتی بیشتر به­دلیل عوامل مختلف می­باشد (66). سیستم­های دومرحله­ای پیوسته بیوگاز، با تضمین تولید مستمر بیوگاز و دوغاب، مورد استفاده برای اهداف تجاری و صنعتی هستند. سیستم هضم دو­مرحله با تفکیک کردن مراحل هیدرولیز-اسیدسازی و متان­زایی برای هضم بی­هوازی میوه­ها و سبزیجات، ثبات بیشتر فرایند و افزایش تولید بیوگاز را نتیجه

می­دهد (67). مطالعات بیشتر نشان داد که تفکیک اسیدسازی و هیدرولیز در هضم بی­هوازی می­تواند کاهش زمان ماند همراه با افزایش تولید بیوگاز و گاز متان را در پی داشته باشد.

در جدول 4 انواع هاضم تک­مرحله‌ای و دومرحله‌ای با هم مقایسه شده که نشان می­دهد تولید بیوگاز سیستم­های چندمرحله‌ای بسیار بیشتر از تک­مرحله‌ای است (66). تحقیقی در جهت مقایسه این دو نوع هاضم صورت گرفته که نشان داده هاضم دو مرحله‌ای 5/18 درصد افزایش تولید انرژی نسبت به تک­مرحله‌ای دارد (68).


 

جدول 4- مقایسه انواع هاضم*

نوع هاضم

مزایا

معایب

سیستم­های تک­مرحله­ای

کاهش هزینه

تولید متان کم

نرخ بارگذاری آلی پایین

بهره­برداری و نگهداری آسان

زمان ماند هیدرولیکی بالا

جدول 5- مقایسه انواع هاضم*

 

 

پایین بودن پایداری فرایند

احتمال انفجار و بیرون­ریزی بالا

سیستم­های چندمرحله­ای

تولید متان زیاد

نگهداری و بهره­برداری پیچیده

پایداری بیشتر فرایند

نسبتاً گران

زمان ماند کم

نرخ بارگذاری آلی بالا

انعطاف طراحی

نیاز به نیروی ماهر

احتمال انفجار و بیرون­ریزی پایین

بهینه­سازی فرایند

                                                                                                                                               *(66)

 

جدول 6- اهم روش­های انجام شده در جهت بهینه سازی فرایند هضم

روش

درصد افزایش تولید بیوگاز

سال مورد بررسی

جدا کردن دی­اکسید­کربن در راکتور ساباتیر (Sabatier) (که باعث استفاده از کربن به عنوان یک حامل هیدورژن می­شود) a

-

2012 میلادی

استفاده از فرایند سونولیز (Sonolysis) b

24

استفاده از شبکه عصبی مصنوعی به همراه الگوریتم ژنتیکc

64/8

استفاده از پیش­تصفیه، فیلتراسیون غشایی و شبکه عصبیd

بیش از 30

2012 میلادی

استفاده از ساقه ذرت و کود گاوی در هضم ترکیبی و بهینه­سازی شرایط تخمیرe

3/12

 

(69)a:

(70)b:

(71)c:

(72)d:

(73)e:

 


مروری بر تحقیقات انجام گرفته در جهت بهبود فرایند هضم بی هوازی

در این قسمت به برخی تحقیقات با هدف افزایش تولید بیوگاز اشاره شده است. در این روش­ها، تلاش­هایی جهت تغییر در فرایند بیوگاز به صورت صنعتی کردن آن در قبل و بعد این فرایند انجام شده است. تغییرات قابل انجام قبل از فرایند شامل نگهداری و محافظت از دما، رطوبت، قلیاییت و میکروارگانیسم­ها می­باشد. در حالی که تغییرات پس از فرایند شامل تصفیه (که منجر به حذف شدن بخار آب، کربن‌دی‌اکسید و H2S از طریق کربن­فعال[16]و آب­پاشی می­شود) می‌باشد. مهمترین نکات در این زمینه در جدول 6 آورده شده است. بیشتر تمرکز در این قسمت، روی بهینه­سازی پارامترهای محیطی و سوبستراتی فرآیند بوده و کمتر به جنبه­های میکروبی توجه شده است.

به‌طور‌کلی، روش‌های مورداستفاده جهت بهبود فرایند هضم با تکیه بر بهینه‌سازی پارامترهای محیطی و سوبستراتی، در انواع روش‌های پیش‌تصفیه، شبکه عصبی مصنوعی، فرایندهایی که موجب افزایش حلالیت پسماند جامد آلی می‌شوند (مانند سونولیز)، تفکیک کربن‌دی‌اکسید و بهینه‌سازی شرایط تخمیر با استفاده از ترکیب مناسب سوبستره، دسته‌بندی ‌می‌شوند.

-جنبه­های میکروبی و آنزیم­شناسی مربوط به پتانسیل تولید

جنبه­های میکروبی مربوط به پتانسیل تولید

باکتری­ها نقش اساسی در هضم بی‌هوازی ایفا می­کنند و برای فرآیند هضم کارآمد، ضروری هستند. ارتباط میکروب‌های بالقوه در مراحل هضم بی‌هوازی، علاوه بر کاهش طول مدت فرایند هضم، تولید بیوگاز را افزایش می­دهد. تعداد گونه­های جهش یافته باکتری­های متانوژن با ویژگی مهارکننده-مقاوم می­تواند تولید بیوگاز را بالا ببرد. گونه­های جهش یافته متانوژن‌ها مانند متانوکوکسوس‌ولتاPS  (Methanococcus voltae PS)، ماریپلودیس‌متانوکوکسوس (Maripaludis Methanococcus)،  متانوسارسینا  (Methanosarcina) و گونه­های تبدیل­شده کلستریدیوم SP (Clostridium SP)، کلبسیلا (Klebsiella)، اشریشیاکلی (E-coli)، لاکتوباسیلوس (Lactobacillus) و غیره، بیشترین فعالیت تخریب را نسبت به گونه­های معمولی از خود نشان داده­اند (74). جدول 7 بهبود فرایند هضم در مراحل مختلف آن را به تفکیک نشان می­دهد


-ازدیاد میکروبی عامل افزایش تولید بیوگاز

ازدیاد بعضی از باکتری­ها و قارچ­ها جهت افزایش تولید بیوگاز، بوسیله برانگیختن فعالیت آنزیم­های مخصوص، شناخته شده است. ازدحام سلولوزیکی مانند اکتینومیسیتس (Actinomycetes) جهت بهبود تولید بیوگاز از دام در محدوده 4/8 تا 44 درصد، شناخته شده است (80). طی مطالعه‌ای، سه باکتری فیبرولیتیک (fibrolytic) از روده بزرگ دام که از سلولز، زیلان (Xylan) و لیگنین به عنوان سوبستره انتخابی استفاده می­کنند، جدا شده‌اند. این ترکیب بعنوان تلقیح برای تخمیر مصنوعی مدفوع، موجب افزایش تولید کلی گاز به میزان 36/56 درصد و 09/18درصد گاز متان در مقایسه با تخمیر طبیعی توسط باکتری­های مدفوعی شده‌ است (81).

-توانایی آنزیمی در تخریب سوبستره

آماده سازی زیستی آنزیمی، به تغییر تولید بیوگاز از مقیاس
پایلوتی به مقیاس بزرگ کمک می‌کند و در ‌نتیجه نیازهای انرژی در چشم‌انداز را تحقق می‌بخشد. استفاده از آنزیم‌های خام و تجاری در پیش تصفیه مواد آلی پیچیده، منجر به بهبود قابل‌توجه در تولید بیوگاز می‌شود، به عنوان مثال تولید بیوگاز از مواد لیگنوسلولوزیک، پس از پیش تصفیه با سلولازها (Cellulase) و میکروارگانیسم­های تولیدکننده سلولاز، افزایش می‌یابد، همچنین عملکرد متان هنگامی­که فاضلاب غنی از چربی، با لیپاز (Lipase) و میکروارگانیسم­های تولیدکننده لیپاز، پیش تصفیه می­شوند، بهبود می‌یابد. آنزیم اضافه­شده به مخلوط لجن قبل ازهضم بی­هوازی، موجب بهبود هضم لجن و افزایش تولید گاز متان شده است (26). مطالعه انجام شده توسط پلیچ نیز نشان داد که استفاده از آنزیم های هیدرولیتیک، افزایش سیالیت مواد آلی پیچیده را که به افزایش تولید بیوگاز با کاهش مصرف برق می انجامد، موجب خواهد شد (82).

 

 

جدول 7- تحقیقات انجام شده در مراحل مختلف هضم بی­هوازی

مراحل هضم

روش

افزایش بیوگاز(درصد)

سال

 

مرحله هیدرولیز

فرایند پلاگ­فلو (Plug flow) هیدرولیز جهت پیش­تصفیه لجن قبل از هضم که موجب شکست ساختار لیپوپروتئین (Lipoprotein) و افزایش تولید گاز می­شودa

-

2003 میلادی

 

هیدرولیز ترموشیمیایی که موجب کاهش حدود 90 درصد [17]ThOD و 80 درصد مواد فرار می‌شودb

5/79

2005 میلادی

 

افزودن باکتری همی­سلولوزیک در ژئولیت فعال[18]c

53

2010 میلادی

 

مرحله متان­زایی

بهبود متان­زایی از طریق استفاده از مخلوط آزاد شده (سلولوزیک با متانوژن)d

-

1985 میلادی

 

فرایند عدم انتقال کووالانسی (Covalent) متانوژن‌ها بر روی بستر پلیمری گرانولی (که منجر به کاهش انتقال اکسیژن جهت تولید بیوگاز می‌شود)e

2001 میلادی

 

 

(75)e:

(76)d:

(77)c:

(78)b:

(79)a:
                   

 

 

 

-مهندسی ژنتیک میکروارگانیسم­ها و آنزیم­ها برای افزایش تولید بیوگاز

مهندسی ژنتیک نقش عمده‌ای در تمام جنبه‌های بیوتکنولوژی و همچنین در تولید سوخت‌های زیستی ایفا می­کند. بهبود تولید سوخت بیوگاز با تکیه بر این علم از طریق دستکاری ژن با روش­های خاصی و یا ترکیب کردن قسمت­هایی ازDNA  برای رسیدن به اهداف گوناگون، تحقق می­یابد.

-چالش­های پیش­روی

تولید بیوگاز تا حد زیادی توسط تکنولوژی­های جدید بهبود یافته اما هنوز چالش­هایی وجود دارد که بایستی در آینده بررسی شود. این چالش­ها عبارتند از:

  • · در فرایند هیدرولیز، مواد آلی نامحلول پیچیده توسط آنزیم‌های خارج سلولی که عامل محدودکننده سرعت فرایند هستند، هیدرولیز می­شوند.
  • · لیگنوسلولوزیک به عنوان منبع زیست توده برای تولید بیوگاز آن­طور که باید قابل استفاده نیست.
  • · هزینه­های بالای تولید آنزیم­های تجاری، کاربرد هیدرولیز آنزیمی در تولید بیوگاز در مقیاس بزرگ را محدود می­کند (83).

امروزه تحقیقات گسترده­ای برای بهبود تولید بیوگاز، درحال انجام است. به عنوان مثال، استفاده از نانوذرات اکسیدآهن در هاضم بی­هوازی، افزایش تولید بیوگاز را در پی دارد (84). پیش­بینی می­شود مواد نانو از پسماند بیولوژیکی تجدید­پذیر، تمرکز اصلی تحقیقات آینده خواهد بود.گسترش تکنولوژی نوترکیب DNA برای توسعه پتانسیل باکتری­های بی­هوازی، موجب کاهش زمان ماند هیدرولیکی می‌شود، که به نوبه خود باعث اطمینان از افزایش تولید بیوگاز در آینده خواهد شد.

نتیجه­گیری

بیوانرژی به این دلیل که جایگزینی مناسب و اقتصادی برای سوخت‌های فسیلی ارائه می­دهد، یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدید­پذیر به‌شمار می‌آید. از طرفی امید به پیشرفت بهبود تولید بیوگاز با‌ توجه به اینکه منبعی ارزان و در دسترس است،
زیاد می­باشد. استفاده از زیست توده پایدار برای تولید بیوگاز، از طریق هاضم‌های چند‌مرحله‌ای و فرایند پیش‌تصفیه توسط میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌های کارآمد بالقوه و یا اصلاح‌شده ژنتیکی، منجر به تبدیل انواع پسماند آلی پیچیده به ساختارهای قابل تجزیه و سازگار با محیط‌زیست می‌شود. طراحی هاضم‌های چندمرحله‌ای، به نظارت مستمر فرایند، نمونه‌برداری و کنترل عوامل محدود‌کننده‌ای چون pH، دما، نرخ بارگذاری و غلظت مواد، کمک شایانی می‌کند. به طور موازی انتخاب سوبستره به لحاظ ماهیت، میزان دسترسی، نسبت C/N، پتانسیل تولید بیوگاز و  عملکرد ترکیب‌های متفاوت آن، در روند هضم و تولید بیوگاز، تاثیر به‌سزایی دارد. ‌در مجموع تکنولوژی تولید بیوگاز برای بهبود فرایند در جنبه های مختلف آن، نیازمند توجه و بررسی بیشتری می‌باشد تا زمانی که این تکنولوژی به یک گزینه برجسته برای توسعه پایدار در آینده تبدیل شود.

مراجع

         1-         Gupta P, Singh RS, Sachan A, Vidyarthi AS, Gupta A. A re-appraisal on intensification of biogas production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(7):4908-16.

         2-         Tarbaghia TM. Design of biogas plant to product energy with special application to Benghazi, Libya. Renewable energy. 1993;3(2):207-9.

         3-         Holm-Nielsen JB, Al Seadi T, Oleskowicz-Popiel P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource technology. 2009;100(22):5478-84.

         4-         Ward AJ, Hobbs PJ, Holliman PJ, Jones DL. Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource technology. 2008;99(17):7928-40.

 

         5-         Curry N. Modeling and Design of a Food Waste to Energy System for an Urban Building: Concordia University Montréal, Québec, Canada; 2010.

         6-         Kiran EU, Trzcinski AP, Ng WJ, Liu Y. Bioconversion of food waste to energy: a review. Fuel. 2014;134:389-99.

         7-         Okonko IO, Adeola O, Aloysius F, Damilola A, Adewale O. Utilization of food wastes for sustainable development. EJEAFChe. 2009;8(4):120-44.

         8-         Hahn H, Krautkremer B, Hartmann K, Wachendorf M. Review of concepts for a demand-driven biogas supply for flexible power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;29:383-93.

         9-         Silva M, Naik T. Review of composting and anaerobic digestion of municipal solid waste and a methodological proposal for a mid-size city. Sustainable Construction Materials and Technologies. 2007;63.

       10-       Schlegel M, Kanswohl N, Rossel D, Sakalauskas A, editors. Essential technical parameters for effective biogas production. Agronomy Research; 2008: Estonian University of Life Sciences, Jõgeva Plant Breeding Institute, Estonian Research Institute of Agriculture.

       11-       Zhu JY, Pan X, Zalesny Jr RS. Pretreatment of woody biomass for biofuel production: energy efficiency, technologies, and recalcitrance. Applied microbiology and biotechnology. 2010;87(3):847-57.

       12-       Singh R, Shukla A, Tiwari S, Srivastava M. A review on delignification of lignocellulosic biomass for enhancement of ethanol production potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;32:713-28.

       13-       Chaiprasert P. Biogas production from agricultural wastes in Thailand. J Sustainable Energ Environ Spec Issue. 2011:63-5.

       14-       Sagagi B, Garba B, Usman N. Studies on biogas production from fruits and vegetable waste. Bayero Journal of Pure and Applied Sciences. 2009;2(1):115-8.

       15-       Chandra R, Vijay VK, Subbarao PM, editors. A study on biogas generation from non-edible oil seed cakes: potential and prospects in India. The 2nd Joint International Conference on Sustainable Energy and Environment; 2006.

       16-       Dhanya M, Gupta N, Joshi H. Biogas potentiality of agro-wastes Jatropha fruit coat. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Environmental, Chemical, Ecological, Geological and Geophysical Engineering. 2009;3(3):70-4.

       17-       Chellapandi P, Prabaharan D, Uma L. A preliminary study on co-digestion of ossein industry waste for methane production. 2010.

       18-       Jash T, Ghosh D. Studies on the solubilization kinetics of solid organic residues during anaerobic biomethanation. Energy. 1996;21(7):725-30.

       19-       Ten Brummeler, E., M. Aarnink, and I. Koster, Dry anaerobic digestion of solid organic waste in a biocel reactor at pilot-plant scale. Water Science and Technology, 1992. 25(7): p. 301-310.

       20-       Chandra R, Takeuchi H, Hasegawa T. Methane production from lignocellulosic agricultural crop wastes: A review in context to second generation of biofuel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(3):1462-76.

       21-       Puyuelo B, Ponsá S, Gea T, Sánchez A. Determining C/N ratios for typical organic wastes using biodegradable fractions. Chemosphere. 2011;85(4):653-9.

       22-       Sanders F, Bloodgood DE. The effect of nitrogen-to-carbon ratio on anaerobic decomposition. Journal (Water Pollution Control Federation). 1965:1741-52.

       23-       Laura R, Idnani M. Increased production of biogas from cowdung by adding other agricultural waste materials. Journal of the Science of Food and Agriculture. 1971;22(4):164-7.

       24-       Hassan HM, Belyea DA, El-Domiaty Hassan A, editors. Characterization of methane production from poultry manure. International Symposium on Livestock, 3; 1975: ASAE.

       25-       Mitchell M, Hartenstein R, Swift B, Neuhauser E, Abrams B, Mulligan R, et al. Effects of different sewage sludges on some chemical and biological characteristics of soil. Journal of Environmental Quality. 1978;7(4):551-9.

       26-       Parawira W, Read JS, Mattiasson B, Björnsson L. Energy production from agricultural residues: high methane yields in pilot-scale two-stage anaerobic digestion. Biomass and Bioenergy. 2008;32(1):44-50.

       27-       Schnurer A, Jarvis A. Microbiological handbook for biogas plants. Swedish Waste Management U. 2010;2009:1-74.

       28-       Naik L, Gebreegziabher Z, Tumwesige V, Balana BB, Mwirigi J, Austin G. Factors determining the stability and productivity of small scale anaerobic digesters. biomass and bioenergy. 2014;70:51-7.

       29-       Anand V, Chanakya H, Rajan M. Solid phase fermentation of leaf biomass to biogas. Resources, conservation and recycling. 1991;6(1):23-33.

       30-       Hills DJ. Effects of carbon: nitrogen ratio on anaerobic digestion of dairy manure. Agricultural wastes. 1979;1(4):267-78.

       31-       Fraser MD, editor The economics of SNG production by anaerobic digestion of specially grown plant matter. Clean Fuels from Biomass and Wastes; 1977.

       32-       Wang X, Yang G, Feng Y, Ren G, Han X. Optimizing feeding composition and carbon–nitrogen ratios for improved methane yield during anaerobic co-digestion of dairy, chicken manure and wheat straw. Bioresource Technology. 2012;120:78-83.

       33-       Nopharatana A, Pullammanappallil PC, Clarke WP. Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor. Waste management. 2007;27(5):595-603.

       34-       Rubindamayugi MS, Mshandete AM, Björnsson L, Kivaisi AK, Mattiasson B. Effect of Particle Size on Biogas Yield from Sisal Fibre Waste. 2006.

       35-       Ofoefule AU, Nwankwo JI, Ibeto CN. Biogas Production from Paper Waste and its blend with Cow dung. Adv Appl Sci Res. 2010;1(2):1-8.

       36-       Iyagba ET, Mangibo IA, Mohammad YS. The study of cow dung as co-substrate with rice husk in biogas production. Scientific Research and Essays. 2009;4(9):861-6.

       37-       Vivekanandan S, Kamaraj G. The study of biogas production from rice chaff (karukka) as co-substrate with cow dung. Indian Journal of Science and Technology. 2011;4(6):657-9.

       38-       Álvarez J, Otero L, Lema J. A methodology for optimising feed composition for anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes. Bioresource technology. 2010;101(4):1153-8.

       39-       Goberna M, Schoen M, Sperl D, Wett B, Insam H. Mesophilic and thermophilic co-fermentation of cattle excreta and olive mill wastes in pilot anaerobic digesters. biomass and bioenergy. 2010;34(3):340-6.

       40-       Cavinato C, Fatone F, Bolzonella D, Pavan P. Thermophilic anaerobic co-digestion of cattle manure with agro-wastes and energy crops: comparison of pilot and full scale experiences. Bioresource technology. 2010;101(2):545-50.

       41-       Sosnowski P, Wieczorek A, Ledakowicz S. Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes. Advances in Environmental Research. 2003;7(3):609-16.

       42-       Lo H, Kurniawan T, Sillanpää M, Pai T, Chiang C, Chao K, et al. Modeling biogas production from organic fraction of MSW co-digested with MSWI ashes in anaerobic bioreactors. Bioresource Technology. 2010;101(16):6329-35.

       43-       Parawira W, Murto M, Zvauya R, Mattiasson B. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone and in combination with sugar beet leaves. Renewable Energy. 2004;29(11):1811-23.

       44-       Hejnfelt A, Angelidaki I. Anaerobic digestion of slaughterhouse by-products. Biomass and bioenergy. 2009;33(8):1046-54.

       45-       Avcioğlu, A.O. and U. Türker, Status and potential of biogas energy from animal wastes in Turkey. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. 16(3): p. 1557-1561.

       46-       Scaglione D, Caffaz S, Ficara E, Malpei F, Lubello C. A simple method to evaluate the short-term biogas yield in anaerobic codigestion of WAS and organic wastes. Water Science and Technology. 2008;58(8):1615-22.

       47-       Kang H, Weiland P. Ultimate anaerobic biodegradability of some agro-industrial residues. Bioresource technology. 1993;43(2):107-11.

       48-       Song Z, Yang G, Guo Y, Zhang T. Comparison of two chemical pretreatments of rice straw for biogas production by anaerobic digestion. BioResources. 2012;7(3):3223-36.

       49-       Hartmann H, Ahring BK. Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: influence of co-digestion with manure. Water research. 2005;39(8):1543-52.

       50-       Carucci G, Carrasco F, Trifoni K, Majone M, Beccari M. Anaerobic digestion of food industry wastes: effect of codigestion on methane yield. Journal of Environmental Engineering. 2005;131(7):1037-45.

       51-       Satyanarayan S, Murkute P. Biogas
production enhancement by Brassica compestries amendment in cattle dung digesters. Biomass and Bioenergy. 2008;32(3):210-5.

       52-       Clark SE. Method for anaerobic sludge digestion. Google Patents; 1995.

       53-       Bardiya N, Somayaji D, Khanna S. Biomethanation of banana peel and pineapple waste. Bioresource technology. 1996;58(1):73-6.

       54-       Tedjani F, Khouider A, Ghoualem H, editors. Characterisation and anaerobic treatment of a dairy effluent. The 2nd Maghreb Conference on desalination and water treatment, CMTDE, Hammamet, Tunisia; 2010.

       55-       Safley L, Westerman P. Performance of a low temperature lagoon digester. Bioresource Technology. 1992;41(2):167-75.

       56-       Gray D, Suto P, Peck C. Anaerobic digestion of food waste. East Bay Municipal Utility District Report. 2008.

       57-       Kwietniewska E, Tys J. Process characteristics, inhibition factors and methane yields of anaerobic digestion process, with particular focus on microalgal biomass fermentation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:491-500.

       58-       Liu C-f, Yuan X-z, Zeng G-m, Li W-w, Li J. Prediction of methane yield at optimum pH for anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste. Bioresource Technology. 2008;99(4):882-8.

       59-       Haga R, Ishida M, Odawara Y. Anaerobic digestion process of wastes containing cellulose. Google Patents; 1985.

       60-       Suryawanshi P, Chaudhari A, Kothari R. Thermophilic anaerobic digestion: the best option for waste treatment. Critical reviews in biotechnology. 2010;30(1):31-40.

       61-       Udelhoven T, Delfosse P, Bossung C, Ronellenfitsch F, Mayer F, Schlerf M, et al. Retrieving the bioenergy potential from maize crops using hyperspectral remote sensing. Remote Sensing. 2013;5(1):254-73.

       62-       Hobson PN, Wheatley A. Anaerobic digestion: modern theory and practice: Kluwer Academic Pub; 1993.

       63-       Omrani A, Ghiasseddin M. A PILOT PLANT FOR THE BIOGAS PRODUCTION. Iranian Journal of Public Health. 1988;17(1-4):19-28.

       64-       Fedailaine M, Moussi K, Khitous M, Abada S, Saber M, Tirichine N. Modeling of the Anaerobic Digestion of Organic Waste for Biogas Production. Procedia Computer Science. 2015;52:730-7.

       65-       Al Seadi T. Biogas handbook. 2008.

       66-       Kizilaslan H, Onurlubas HE. Potential of Production of Biogas from Animal Origin Waste in Turkey (Tokat Provincial Example). Journal of Animal and Veterinary Advances. 2010;9(6):1083-7.

       67-       Schulz H, Eder B. Biogas-Praxis: Grundlagen. Planung, Anlagenbau, Beispiele. 2001.

       68-       Nasr, N., et al., Comparative assessment of single-stage and two-stage anaerobic digestion for thetreatment of thin stillage. Bioresource technology, 2012. 111: p. 122-126.

       69-       Mohseni F, Magnusson M, Görling M, Alvfors P. Biogas from renewable electricity–Increasing a climate neutral fuel supply. Applied Energy. 2012;90(1):11-6.

       70-       Cesaro A, Naddeo V, Amodio V, Belgiorno V. Enhanced biogas production from anaerobic codigestion of solid waste by sonolysis. Ultrasonics sonochemistry. 2012;19(3):596-600.

       71-       Kana EG, Oloke J, Lateef A, Adesiyan M. Modeling and optimization of biogas production on saw dust and other co-substrates using artificial neural network and genetic algorithm. Renewable Energy. 2012;46:276-81.

       72-       Thorin E, Lindmark J, Nordlander E, Odlare M, Dahlquist E, Kastensson J, et al. Performance optimization of the Växtkraft biogas production plant. Applied energy. 2012;97:503-8.

       73-       Zheng Y, Wei J, Li J, Feng S, Li Z, Jiang G, et al. Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(7):4588-96.

       74-       Senthilkumar V, Gunasekaran P. Bioethanol production from cellulosic substrates: Engineered bacteria and process integration challenges. Journal of Scientific and Industrial Research. 2005;64(11):845.

       75-       Lalov IG, Krysteva MA, Phelouzat J-L. Improvement of biogas production from vinasse via covalently immobilized methanogens. Bioresource Technology. 2001;79(1):83-5.

       76-       Kalle, G., K.K. Nayak, and C. De Sa, An approach to improve methanogenesisthrough the use of mixed cultures isolated from biogas digester. Journal of Biosciences, 1985. 9(3-4): p. 137-144.

       77-       Weiß S, Tauber M, Somitsch W, Meincke R, Müller H, Berg G, et al. Enhancement of biogas production by addition of hemicellulolytic bacteria immobilised on activated zeolite. Water research. 2010;44(6):1970-80.

       78-       Park C, Lee C, Kim S, Chen Y, Chase HA. Upgrading of anaerobic digestion by incorporating two different hydrolysis processes. Journal of bioscience and bioengineering. 2005;100(2):164-7.

       79-       Christy PM, Gopinath L, Divya D. A review on anaerobic decomposition and enhancement of biogas production through enzymes and microorganisms. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:167-73.

       80-       Attar Y, Mhetre S, Shawale M, editors. Biogas production enhancement by cellulytic strains of Actinomycetes. Biogas Forum I; 1998.

       81-       Wahyudi, A., L. Hendraningsih, and A. Malik, Potency of fibrolytic bacteria isolated from Indonesian sheep’s colon as inoculum for biogas and methane production. African Journal of Biotechnology, 2010. 9(20).

       82-       Plochl M, Hilse A, Heiermann M, Surez Quinones T, Budde J, Prochnow A. Hydrolytic enzymes improve fluidity of biogas feedstock. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal Manuscript. 2009;1529.

       83-       Berlin A, Gilkes N, Kurabi A, Bura R, Tu M, Kilburn D, et al., editors. Weak lignin-binding enzymes. Twenty-Sixth Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals; 2005: Springer.

       84-       Luna-delRisco M, Orupõld K, Dubourguier H-C. Particle-size effect of CuO and ZnO on biogas and methane production during anaerobic digestion. Journal of hazardous materials. 2011;189(1):603-8.

 


[1]  -کارشناس ارشد مهندسی عمران- گرایش محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف

 - [2]کارشناس ارشد مهندسی عمران- گرایش محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف

[3]  -کارشناس ارشد مهندسی عمران- گرایش محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف *(مسئول مکاتبات)

[4]- MS Graduate, Environmental Engineering, Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology

[5]- MS Graduate, Environmental Engineering, Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology

[6]- MS Graduate , Environmental Engineering, Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology* (Corresponding author)

[7]-Anaerobic Digestion

[8]-Global Warming

[9]-Municipal Solid Waste

[10] -Hydraulic Retention Time (HRT)

[11] -Carbon to Nitrogen ratio-(نسبت کربن به نیتروژن، در تولید زیست­توده و روند هضم نقش بسزایی دارد)

[12] -Single-stage digester

[13] -Multi-stage digester

[14]-Industrial Agricultural Waste

[15]-Carbonaceous Waste

[16]-Activated Carbon(AC)

[17] -Theoretical Oxygen Demand

[18] -Activated Zeolite

مراجع

         1-         Gupta P, Singh RS, Sachan A, Vidyarthi AS, Gupta A. A re-appraisal on intensification of biogas production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(7):4908-16.
         2-         Tarbaghia TM. Design of biogas plant to product energy with special application to Benghazi, Libya. Renewable energy. 1993;3(2):207-9.
         3-         Holm-Nielsen JB, Al Seadi T, Oleskowicz-Popiel P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource technology. 2009;100(22):5478-84.
         4-         Ward AJ, Hobbs PJ, Holliman PJ, Jones DL. Optimisation of the anaerobic digestion of agricultural resources. Bioresource technology. 2008;99(17):7928-40.
 
         5-         Curry N. Modeling and Design of a Food Waste to Energy System for an Urban Building: Concordia University Montréal, Québec, Canada; 2010.
         6-         Kiran EU, Trzcinski AP, Ng WJ, Liu Y. Bioconversion of food waste to energy: a review. Fuel. 2014;134:389-99.
         7-         Okonko IO, Adeola O, Aloysius F, Damilola A, Adewale O. Utilization of food wastes for sustainable development. EJEAFChe. 2009;8(4):120-44.
         8-         Hahn H, Krautkremer B, Hartmann K, Wachendorf M. Review of concepts for a demand-driven biogas supply for flexible power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;29:383-93.
         9-         Silva M, Naik T. Review of composting and anaerobic digestion of municipal solid waste and a methodological proposal for a mid-size city. Sustainable Construction Materials and Technologies. 2007;63.
       10-       Schlegel M, Kanswohl N, Rossel D, Sakalauskas A, editors. Essential technical parameters for effective biogas production. Agronomy Research; 2008: Estonian University of Life Sciences, Jõgeva Plant Breeding Institute, Estonian Research Institute of Agriculture.
       11-       Zhu JY, Pan X, Zalesny Jr RS. Pretreatment of woody biomass for biofuel production: energy efficiency, technologies, and recalcitrance. Applied microbiology and biotechnology. 2010;87(3):847-57.
       12-       Singh R, Shukla A, Tiwari S, Srivastava M. A review on delignification of lignocellulosic biomass for enhancement of ethanol production potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;32:713-28.
       13-       Chaiprasert P. Biogas production from agricultural wastes in Thailand. J Sustainable Energ Environ Spec Issue. 2011:63-5.
       14-       Sagagi B, Garba B, Usman N. Studies on biogas production from fruits and vegetable waste. Bayero Journal of Pure and Applied Sciences. 2009;2(1):115-8.
       15-       Chandra R, Vijay VK, Subbarao PM, editors. A study on biogas generation from non-edible oil seed cakes: potential and prospects in India. The 2nd Joint International Conference on Sustainable Energy and Environment; 2006.
       16-       Dhanya M, Gupta N, Joshi H. Biogas potentiality of agro-wastes Jatropha fruit coat. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Environmental, Chemical, Ecological, Geological and Geophysical Engineering. 2009;3(3):70-4.
       17-       Chellapandi P, Prabaharan D, Uma L. A preliminary study on co-digestion of ossein industry waste for methane production. 2010.
       18-       Jash T, Ghosh D. Studies on the solubilization kinetics of solid organic residues during anaerobic biomethanation. Energy. 1996;21(7):725-30.
       19-       Ten Brummeler, E., M. Aarnink, and I. Koster, Dry anaerobic digestion of solid organic waste in a biocel reactor at pilot-plant scale. Water Science and Technology, 1992. 25(7): p. 301-310.
       20-       Chandra R, Takeuchi H, Hasegawa T. Methane production from lignocellulosic agricultural crop wastes: A review in context to second generation of biofuel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(3):1462-76.
       21-       Puyuelo B, Ponsá S, Gea T, Sánchez A. Determining C/N ratios for typical organic wastes using biodegradable fractions. Chemosphere. 2011;85(4):653-9.
       22-       Sanders F, Bloodgood DE. The effect of nitrogen-to-carbon ratio on anaerobic decomposition. Journal (Water Pollution Control Federation). 1965:1741-52.
       23-       Laura R, Idnani M. Increased production of biogas from cowdung by adding other agricultural waste materials. Journal of the Science of Food and Agriculture. 1971;22(4):164-7.
       24-       Hassan HM, Belyea DA, El-Domiaty Hassan A, editors. Characterization of methane production from poultry manure. International Symposium on Livestock, 3; 1975: ASAE.
       25-       Mitchell M, Hartenstein R, Swift B, Neuhauser E, Abrams B, Mulligan R, et al. Effects of different sewage sludges on some chemical and biological characteristics of soil. Journal of Environmental Quality. 1978;7(4):551-9.
       26-       Parawira W, Read JS, Mattiasson B, Björnsson L. Energy production from agricultural residues: high methane yields in pilot-scale two-stage anaerobic digestion. Biomass and Bioenergy. 2008;32(1):44-50.
       27-       Schnurer A, Jarvis A. Microbiological handbook for biogas plants. Swedish Waste Management U. 2010;2009:1-74.
       28-       Naik L, Gebreegziabher Z, Tumwesige V, Balana BB, Mwirigi J, Austin G. Factors determining the stability and productivity of small scale anaerobic digesters. biomass and bioenergy. 2014;70:51-7.
       29-       Anand V, Chanakya H, Rajan M. Solid phase fermentation of leaf biomass to biogas. Resources, conservation and recycling. 1991;6(1):23-33.
       30-       Hills DJ. Effects of carbon: nitrogen ratio on anaerobic digestion of dairy manure. Agricultural wastes. 1979;1(4):267-78.
       31-       Fraser MD, editor The economics of SNG production by anaerobic digestion of specially grown plant matter. Clean Fuels from Biomass and Wastes; 1977.
       32-       Wang X, Yang G, Feng Y, Ren G, Han X. Optimizing feeding composition and carbon–nitrogen ratios for improved methane yield during anaerobic co-digestion of dairy, chicken manure and wheat straw. Bioresource Technology. 2012;120:78-83.
       33-       Nopharatana A, Pullammanappallil PC, Clarke WP. Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor. Waste management. 2007;27(5):595-603.
       34-       Rubindamayugi MS, Mshandete AM, Björnsson L, Kivaisi AK, Mattiasson B. Effect of Particle Size on Biogas Yield from Sisal Fibre Waste. 2006.
       35-       Ofoefule AU, Nwankwo JI, Ibeto CN. Biogas Production from Paper Waste and its blend with Cow dung. Adv Appl Sci Res. 2010;1(2):1-8.
       36-       Iyagba ET, Mangibo IA, Mohammad YS. The study of cow dung as co-substrate with rice husk in biogas production. Scientific Research and Essays. 2009;4(9):861-6.
       37-       Vivekanandan S, Kamaraj G. The study of biogas production from rice chaff (karukka) as co-substrate with cow dung. Indian Journal of Science and Technology. 2011;4(6):657-9.
       38-       Álvarez J, Otero L, Lema J. A methodology for optimising feed composition for anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes. Bioresource technology. 2010;101(4):1153-8.
       39-       Goberna M, Schoen M, Sperl D, Wett B, Insam H. Mesophilic and thermophilic co-fermentation of cattle excreta and olive mill wastes in pilot anaerobic digesters. biomass and bioenergy. 2010;34(3):340-6.
       40-       Cavinato C, Fatone F, Bolzonella D, Pavan P. Thermophilic anaerobic co-digestion of cattle manure with agro-wastes and energy crops: comparison of pilot and full scale experiences. Bioresource technology. 2010;101(2):545-50.
       41-       Sosnowski P, Wieczorek A, Ledakowicz S. Anaerobic co-digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid wastes. Advances in Environmental Research. 2003;7(3):609-16.
       42-       Lo H, Kurniawan T, Sillanpää M, Pai T, Chiang C, Chao K, et al. Modeling biogas production from organic fraction of MSW co-digested with MSWI ashes in anaerobic bioreactors. Bioresource Technology. 2010;101(16):6329-35.
       43-       Parawira W, Murto M, Zvauya R, Mattiasson B. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone and in combination with sugar beet leaves. Renewable Energy. 2004;29(11):1811-23.
       44-       Hejnfelt A, Angelidaki I. Anaerobic digestion of slaughterhouse by-products. Biomass and bioenergy. 2009;33(8):1046-54.
       45-       Avcioğlu, A.O. and U. Türker, Status and potential of biogas energy from animal wastes in Turkey. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. 16(3): p. 1557-1561.
       46-       Scaglione D, Caffaz S, Ficara E, Malpei F, Lubello C. A simple method to evaluate the short-term biogas yield in anaerobic codigestion of WAS and organic wastes. Water Science and Technology. 2008;58(8):1615-22.
       47-       Kang H, Weiland P. Ultimate anaerobic biodegradability of some agro-industrial residues. Bioresource technology. 1993;43(2):107-11.
       48-       Song Z, Yang G, Guo Y, Zhang T. Comparison of two chemical pretreatments of rice straw for biogas production by anaerobic digestion. BioResources. 2012;7(3):3223-36.
       49-       Hartmann H, Ahring BK. Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: influence of co-digestion with manure. Water research. 2005;39(8):1543-52.
       50-       Carucci G, Carrasco F, Trifoni K, Majone M, Beccari M. Anaerobic digestion of food industry wastes: effect of codigestion on methane yield. Journal of Environmental Engineering. 2005;131(7):1037-45.
       51-       Satyanarayan S, Murkute P. Biogas
production enhancement by Brassica compestries amendment in cattle dung digesters. Biomass and Bioenergy. 2008;32(3):210-5.
       52-       Clark SE. Method for anaerobic sludge digestion. Google Patents; 1995.
       53-       Bardiya N, Somayaji D, Khanna S. Biomethanation of banana peel and pineapple waste. Bioresource technology. 1996;58(1):73-6.
       54-       Tedjani F, Khouider A, Ghoualem H, editors. Characterisation and anaerobic treatment of a dairy effluent. The 2nd Maghreb Conference on desalination and water treatment, CMTDE, Hammamet, Tunisia; 2010.
       55-       Safley L, Westerman P. Performance of a low temperature lagoon digester. Bioresource Technology. 1992;41(2):167-75.
       56-       Gray D, Suto P, Peck C. Anaerobic digestion of food waste. East Bay Municipal Utility District Report. 2008.
       57-       Kwietniewska E, Tys J. Process characteristics, inhibition factors and methane yields of anaerobic digestion process, with particular focus on microalgal biomass fermentation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:491-500.
       58-       Liu C-f, Yuan X-z, Zeng G-m, Li W-w, Li J. Prediction of methane yield at optimum pH for anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste. Bioresource Technology. 2008;99(4):882-8.
       59-       Haga R, Ishida M, Odawara Y. Anaerobic digestion process of wastes containing cellulose. Google Patents; 1985.
       60-       Suryawanshi P, Chaudhari A, Kothari R. Thermophilic anaerobic digestion: the best option for waste treatment. Critical reviews in biotechnology. 2010;30(1):31-40.
       61-       Udelhoven T, Delfosse P, Bossung C, Ronellenfitsch F, Mayer F, Schlerf M, et al. Retrieving the bioenergy potential from maize crops using hyperspectral remote sensing. Remote Sensing. 2013;5(1):254-73.
       62-       Hobson PN, Wheatley A. Anaerobic digestion: modern theory and practice: Kluwer Academic Pub; 1993.
       63-       Omrani A, Ghiasseddin M. A PILOT PLANT FOR THE BIOGAS PRODUCTION. Iranian Journal of Public Health. 1988;17(1-4):19-28.
       64-       Fedailaine M, Moussi K, Khitous M, Abada S, Saber M, Tirichine N. Modeling of the Anaerobic Digestion of Organic Waste for Biogas Production. Procedia Computer Science. 2015;52:730-7.
       65-       Al Seadi T. Biogas handbook. 2008.
       66-       Kizilaslan H, Onurlubas HE. Potential of Production of Biogas from Animal Origin Waste in Turkey (Tokat Provincial Example). Journal of Animal and Veterinary Advances. 2010;9(6):1083-7.
       67-       Schulz H, Eder B. Biogas-Praxis: Grundlagen. Planung, Anlagenbau, Beispiele. 2001.
       68-       Nasr, N., et al., Comparative assessment of single-stage and two-stage anaerobic digestion for thetreatment of thin stillage. Bioresource technology, 2012. 111: p. 122-126.
       69-       Mohseni F, Magnusson M, Görling M, Alvfors P. Biogas from renewable electricity–Increasing a climate neutral fuel supply. Applied Energy. 2012;90(1):11-6.
       70-       Cesaro A, Naddeo V, Amodio V, Belgiorno V. Enhanced biogas production from anaerobic codigestion of solid waste by sonolysis. Ultrasonics sonochemistry. 2012;19(3):596-600.
       71-       Kana EG, Oloke J, Lateef A, Adesiyan M. Modeling and optimization of biogas production on saw dust and other co-substrates using artificial neural network and genetic algorithm. Renewable Energy. 2012;46:276-81.
       72-       Thorin E, Lindmark J, Nordlander E, Odlare M, Dahlquist E, Kastensson J, et al. Performance optimization of the Växtkraft biogas production plant. Applied energy. 2012;97:503-8.
       73-       Zheng Y, Wei J, Li J, Feng S, Li Z, Jiang G, et al. Anaerobic fermentation technology increases biomass energy use efficiency in crop residue utilization and biogas production. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(7):4588-96.
       74-       Senthilkumar V, Gunasekaran P. Bioethanol production from cellulosic substrates: Engineered bacteria and process integration challenges. Journal of Scientific and Industrial Research. 2005;64(11):845.
       75-       Lalov IG, Krysteva MA, Phelouzat J-L. Improvement of biogas production from vinasse via covalently immobilized methanogens. Bioresource Technology. 2001;79(1):83-5.
       76-       Kalle, G., K.K. Nayak, and C. De Sa, An approach to improve methanogenesisthrough the use of mixed cultures isolated from biogas digester. Journal of Biosciences, 1985. 9(3-4): p. 137-144.
       77-       Weiß S, Tauber M, Somitsch W, Meincke R, Müller H, Berg G, et al. Enhancement of biogas production by addition of hemicellulolytic bacteria immobilised on activated zeolite. Water research. 2010;44(6):1970-80.
       78-       Park C, Lee C, Kim S, Chen Y, Chase HA. Upgrading of anaerobic digestion by incorporating two different hydrolysis processes. Journal of bioscience and bioengineering. 2005;100(2):164-7.
       79-       Christy PM, Gopinath L, Divya D. A review on anaerobic decomposition and enhancement of biogas production through enzymes and microorganisms. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:167-73.
       80-       Attar Y, Mhetre S, Shawale M, editors. Biogas production enhancement by cellulytic strains of Actinomycetes. Biogas Forum I; 1998.
       81-       Wahyudi, A., L. Hendraningsih, and A. Malik, Potency of fibrolytic bacteria isolated from Indonesian sheep’s colon as inoculum for biogas and methane production. African Journal of Biotechnology, 2010. 9(20).
       82-       Plochl M, Hilse A, Heiermann M, Surez Quinones T, Budde J, Prochnow A. Hydrolytic enzymes improve fluidity of biogas feedstock. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal Manuscript. 2009;1529.
       83-       Berlin A, Gilkes N, Kurabi A, Bura R, Tu M, Kilburn D, et al., editors. Weak lignin-binding enzymes. Twenty-Sixth Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals; 2005: Springer.
       84-       Luna-delRisco M, Orupõld K, Dubourguier H-C. Particle-size effect of CuO and ZnO on biogas and methane production during anaerobic digestion. Journal of hazardous materials. 2011;189(1):603-8.

فایل ها

اشتراک گذاری

ارجاع به این مقاله

آمار