امروزه به دلیل کاهش منابع سوخت های فسیلی و اثرات مخرب این نوع سوخت ها بر محیط زیست، محققان به فکر جایگزین کردن آن می باشند. در سالهای اخیر، سوخت بیودیزل به علت تجدید پذیری و خاصیت آلایندگی کمتر، مناسب ترین جایگزین سوخت دیزل محسوب می گردد. منابع اولیه تولید بیودیزل شامل ضایعات چوبی، تفاله های محصولات کشاورزی، نیشکر، جلبک و روغن های گیاهی و حیوانی می باشند. روغن سبوس برنج یک روغن گیاهی است که به مقدار زیاد در کشورهای زیر کشت برنج موجود است. هدف از مطالعه حاضر طراحی و بهینه سازی تولید بیودیزل از روغن سبوس برنج به روش ترانس استریفیکاسیون با بهره گرفتن از آنزیم لیپاز می باشد. در این مطالعه آزمایشگاهی ابتدا از آنزیم لیپاز آزاد و لیپاز نووزیم 435 تثبیت شده بر روی نانوکیتوسان، محلول های آنزیمی تهیه و به 2 روش از جمله روش استفاده از سوبسترای پارانیتروفنیل پالمیتات (pNPP) تعیین فعالیت شدند و با اندازه گیری پروتئین تام موجود در محلول آنزیمی به روش برادفورد، فعالیت مخصوص آنزیم تعیین شد.

بالاترین بازده تولید بیودیزل با بهره گرفتن از آنزیم لیپاز نووزیم ۴۳۵ تثبیت شده بر روی نانوکیتوسان به مقدار۲۱% بدست آمد. استفاده از آنزیم لیپاز آزاد سیگما، میزان بازدهی برابر با %12 را نشان داد. میزان بالاتر بازده لیپاز نووزیم ۴۳۵ در مقایسه با لیپاز آزاد سیگما می‌‌تواند به دلیل پایداری بیشترآنزیم و حفظ فعالیت انزیمی بالاتر دراثرعملیات تثبیت باشد.

واژه های کلیدی: بیودیزل، ترانس استریفیکاسیون، روغن سبوس برنج، لیپاز آزاد و تثبیت شده، سوخت.

1-1- زیست توده

افزایش آگاهی محیط زیستی و کاهش ذخائر منابع فسیلی، صنعت را به سمت گسترش تولید سوختهای دیگر قابل دوام از منابع تجدید شدنی سوق می‏دهد که از نظر زیست محیطی قابل قبولترند. سوخت زیستی¹ نوعی از سوخت است که از منابع زیست توده بدست می‏آید. زیست توده ترجمه کلمهBiomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و فضولات آنها اطلاق می‏شود.

سوختهای فسیلی هم که امروزه مورد بهره‏ برداری قرارگرفته، منبع آن زیست توده بوده ولی در سالهای بسیار دور شکل گرفته‏اند.

امروزه به دلیل کاهش منابع سوخت های فسیلی، از سویی تأثیر مخرب استفاده از این نوع سوخت ها بر محیط زیست، محققان را بر آن داشته به فکر جایگزین کردن این منابع باشند. سوخت زیستی[1] نوعی از سوخت است که از منابع زیست توده بدست می آید. زیست توده ترجمه کلمه Biomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و یا زایدات و فضولات آنها اطلاق می شود.

سوخت های فسیلی هم که امروزه مورد بهره برداری قرار گرفته، منبع آن زیست توده بوده ولی در سال های بسیار دور شکل گرفته اند]1[.

1-2- منابع زیست توده

—جنگل­ها و ضایعات جنگل

—محصولات و ضایعات کشاورزی

این دسته از منابع زیست توده، شامل گیاهان مختلفی مانند ذرت، برنج، سیب زمینی ترشی (سورگم)، نیشکر، انواع میوه، گیاهان روغنی و ضایعات آنها مانند سبوس برنج، کاه و غره است. بطور نسبی، 25 درصد وزن هر محصول کشاورزی تفاله است، 25 درصد وزن برنج، متعلق به سبوس آن است. حدود 45 درصد از بادام زمینی نیز پوته است. مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که به لحاظ نظری می‌توان نیازهای سوخت خانگی مناطق روستایی را از طریق ضایعات تأمین کرد.

الکل و بیودیزل، دو فرآورده انرژی­زای مهمی هستند که از محصولات و ضایعات کشاورزی بدست می‌آیند.

— ضایعات فاضلاب­های صنعتی

در پساب برخی از کارخانه‌ها مانند صنایع نساجی، الکل سازی، چوب و کاغذ و پساب و ضایعات صنایع غذایی مانند پنیر سازی و تولید آب میوه، مقدار زیادی زیست توده وجود دارد که می‌توان از آن­ها برای تولید انرژی و غذای دام استفاده کرد. حدود 20 درصد از وزن میوه را تفاله تشکیل می‌دهد(بسته به نوع میوه، این مقدار بین 9 درصد تا 25 درصد متغیر است). یکی دیگر از صنایع غذایی که فاضلاب آن آلودگی شدید در محیط زیست ایجاد می‌کند، صنایع پنیر سازی است. آب پنیر مایعی است که پس از حذف چربی و کازئین شیر، طی فرایند پنیر سازی بدست می‌آید. از آب پنیر، هم به منظور غذای دام و هم برای تولید الکل می‌توان استفاده کرد. در صنایع غذای دام، با پرورش موجودات زنده ذره بینی که می‌توانند پروتئین زیادی را در خود جمع کنند و رشد بسیار خوبی بر روی آب پنیر دارند، زیست توده بسیار غنی و مغذی تهیه می‌کنند، که پس از خشک کردن و آسیاب کردن ماده حاصل، آن را به مصرف غذای دام می‌رسانند. در بسیاری از کشورهای جهان، از آب پنیر به منظور تولید الکل استفاده می‌شود.

— ضایعات جامد، فاضلاب­های شهری و فضولات دامی

ضایعات جامد شهری را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

زباله‌های معمولی: مانند زباله منازل، ادرات، فروشگاه­ها و رستوران­ها (پسماند مواد غذایی، کاغذ، کارتن) زباله‌های حجیم خانگی(وسایل چوبی مانند کمد، میز و…) زباله باغ­ها و گلخانه‌ها(شاخه و برگ).

زباله‌های ویژه: مانند زباله‌های صنعتی، نخاله‌های ساختمانی، لاستیک­های فرسوده، مواد تابش زای هسته‌ای­(رادیواکتیو) و زباله‌های آلوده بیمارستانی.

1-3- کارکرد زیست توده

بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تامین انرژی اولیه مصرفی جهان به کاربردهای حرارتی و احتراق مستقیم به ویژه در کشور های در حال توسعه اختصاص دارد. عمده ترین کاربرد منابع زیست توده در تامین حرارت و پخت و پز می باشد]1[.

بیش از 25 میلیون هاضم های کوچک و متوسط در دنیا نصب شده که از فضولات و زایدات دامی و انسانی استفاده می کنند و از این طریق، تولید گاز صورت می گیرد. کشورهای هند و چین در این زمینه پیشتاز هستند. از جمله مباحث داغ که امروزه در زمینه زیست توده مطرح است، تولید سوخت خودرو از این طریق است که تولید 50 میلیارد لیتر سوخت از این منبع در سال 2006 صورت گرفته است. سوخت های زیستی(بیوفیول ها) شامل بیواتانول، بیو متانول و بیودیزل در کشورهای زیادی مورد توجه واقع شده و برزیل بخش اعظمی از مصارف بنزین خود را با سوخت های تجدیدپذیر جایگزین کرده است]1[.

در سال 2005 بیش از800 میلیون خانوار در سطح جهان برای گرمایش و پخت و پز از منابع زیست توده استفاده کردند.

هزینه تولید حرارت از زیست توده 1 تا 5 سنت بر کیلووات ساعت حرارتی است و متوسط نرخ رشد سالانه کاربردهای حرارتی 1/2% در سال طی سال های 2005-2000 بوده است.

در سال 2005 در مجموع 33 میلیارد لیتر بیواتانول با نرخ رشد سالانه 8% در جهان تولید شده که معادل 17 میلیون تن نفت خام است.

در سال 2005 در مجموع 9/3 میلیارد لیتر بیودیزل با نرخ رشد 85% در جهان تولید شده که این میزان بیودیزل معادل 5/3 میلیون تن نفت خام است]1 .[

1-4- تقسیم بندی سوخت های زیستی

سوخت­های حاصل از زیست توده را می­توان در یک تقسیم بندی كلی به سوخت­های مایع و گازی شكل طبقه بندی كرد. سوختهای مایع عبارتند از بیواتانول، بیومتانول و بیودیزل. بیواتانول و بیومتانول از طریق تخمیر موادی همچون چغندرقند، سیب زمینی و یا غلات بدست می­آیند.

زیست توده چهارمین منبع انرژی جهان است و حدود 14 درصد از نیازهای انرژی جهان را تأمین می‌کنند. سوخت حاصل از فنآوری­های تبدیل زیست توده یا به حالت گاز(زیست گاز) و یا مایع(متانول، اتانول و بیودیزل) است که برای تولید الکتریسیته و گرما مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از منابع زیست توده، یکی از مناسب‌ترین و اقتصادی‌ترین راه حل­های تأمین نیازهای اساسی انرژی مردم فقیر در مناطق دور افتاده است.

سوخت دیزل زیستی و اتانول زیستی، از مهم ترین سوخت های زیستی هستند که می توان از آنها در صنعت حمل و نقل استفاده کرد. انواع سوخت های زیستی به همراه

امروزه به دلیل کاهش منابع سوخت های فسیلی و اثرات مخرب این نوع سوخت ها بر محیط زیست، محققان به فکر جایگزین کردن آن می باشند. در سالهای اخیر، سوخت بیودیزل به علت تجدید پذیری و خاصیت آلایندگی کمتر، مناسب ترین جایگزین سوخت دیزل محسوب می گردد. منابع اولیه تولید بیودیزل شامل ضایعات چوبی، تفاله های محصولات کشاورزی، نیشکر، جلبک و روغن های گیاهی و حیوانی می باشند. روغن سبوس برنج یک روغن گیاهی است که به مقدار زیاد در کشورهای زیر کشت برنج موجود است. هدف از مطالعه حاضر طراحی و بهینه سازی تولید بیودیزل از روغن سبوس برنج به روش ترانس استریفیکاسیون با بهره گرفتن از آنزیم لیپاز می باشد. در این مطالعه آزمایشگاهی ابتدا از آنزیم لیپاز آزاد و لیپاز نووزیم 435 تثبیت شده بر روی نانوکیتوسان، محلول های آنزیمی تهیه و به 2 روش از جمله روش استفاده از سوبسترای پارانیتروفنیل پالمیتات (pNPP) تعیین فعالیت شدند و با اندازه گیری پروتئین تام موجود در محلول آنزیمی به روش برادفورد، فعالیت مخصوص آنزیم تعیین شد.

بالاترین بازده تولید بیودیزل با بهره گرفتن از آنزیم لیپاز نووزیم ۴۳۵ تثبیت شده بر روی نانوکیتوسان به مقدار۲۱% بدست آمد. استفاده از آنزیم لیپاز آزاد سیگما، میزان بازدهی برابر با %12 را نشان داد. میزان بالاتر بازده لیپاز نووزیم ۴۳۵ در مقایسه با لیپاز آزاد سیگما می‌‌تواند به دلیل پایداری بیشترآنزیم و حفظ فعالیت انزیمی بالاتر دراثرعملیات تثبیت باشد.

واژه های کلیدی: بیودیزل، ترانس استریفیکاسیون، روغن سبوس برنج، لیپاز آزاد و تثبیت شده، سوخت.

1-1- زیست توده

افزایش آگاهی محیط زیستی و کاهش ذخائر منابع فسیلی، صنعت را به سمت گسترش تولید سوختهای دیگر قابل دوام از منابع تجدید شدنی سوق می‏دهد که از نظر زیست محیطی قابل قبولترند. سوخت زیستی¹ نوعی از سوخت است که از منابع زیست توده بدست می‏آید. زیست توده ترجمه کلمهBiomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و فضولات آنها اطلاق می‏شود.

سوختهای فسیلی هم که امروزه مورد بهره‏ برداری قرارگرفته، منبع آن زیست توده بوده ولی در سالهای بسیار دور شکل گرفته‏اند.

امروزه به دلیل کاهش منابع سوخت های فسیلی، از سویی تأثیر مخرب استفاده از این نوع سوخت ها بر محیط زیست، محققان را بر آن داشته به فکر جایگزین کردن این منابع باشند. سوخت زیستی[1] نوعی از سوخت است که از منابع زیست توده بدست می آید. زیست توده ترجمه کلمه Biomass است و به تمام مواد حاصل از موجودات زنده و یا زایدات و فضولات آنها اطلاق می شود.

سوخت های فسیلی هم که امروزه مورد بهره برداری قرار گرفته، منبع آن زیست توده بوده ولی در سال های بسیار دور شکل گرفته اند]1[.

1-2- منابع زیست توده

—جنگل­ها و ضایعات جنگل

—محصولات و ضایعات کشاورزی

این دسته از منابع زیست توده، شامل گیاهان مختلفی مانند ذرت، برنج، سیب زمینی ترشی (سورگم)، نیشکر، انواع میوه، گیاهان روغنی و ضایعات آنها مانند سبوس برنج، کاه و غره است. بطور نسبی، 25 درصد وزن هر محصول کشاورزی تفاله است، 25 درصد وزن برنج، متعلق به سبوس آن است. حدود 45 درصد از بادام زمینی نیز پوته است. مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که به لحاظ نظری می‌توان نیازهای سوخت خانگی مناطق روستایی را از طریق ضایعات تأمین کرد.

الکل و بیودیزل، دو فرآورده انرژی­زای مهمی هستند که از محصولات و ضایعات کشاورزی بدست می‌آیند.

— ضایعات فاضلاب­های صنعتی

در پساب برخی از کارخانه‌ها مانند صنایع نساجی، الکل سازی، چوب و کاغذ و پساب و ضایعات صنایع غذایی مانند پنیر سازی و تولید آب میوه، مقدار زیادی زیست توده وجود دارد که می‌توان از آن­ها برای تولید انرژی و غذای دام استفاده کرد. حدود 20 درصد از وزن میوه را تفاله تشکیل می‌دهد(بسته به نوع میوه، این مقدار بین 9 درصد تا 25 درصد متغیر است). یکی دیگر از صنایع غذایی که فاضلاب آن آلودگی شدید در محیط زیست ایجاد می‌کند، صنایع پنیر سازی است. آب پنیر مایعی است که پس از حذف چربی و کازئین شیر، طی فرایند پنیر سازی بدست می‌آید. از آب پنیر، هم به منظور غذای دام و هم برای تولید الکل می‌توان استفاده کرد. در صنایع غذای دام، با پرورش موجودات زنده ذره بینی که می‌توانند پروتئین زیادی را در خود جمع کنند و رشد بسیار خوبی بر روی آب پنیر دارند، زیست توده بسیار غنی و مغذی تهیه می‌کنند، که پس از خشک کردن و آسیاب کردن ماده حاصل، آن را به مصرف غذای دام می‌رسانند. در بسیاری از کشورهای جهان، از آب پنیر به منظور تولید الکل استفاده می‌شود.

— ضایعات جامد، فاضلاب­های شهری و فضولات دامی

ضایعات جامد شهری را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

زباله‌های معمولی: مانند زباله منازل، ادرات، فروشگاه­ها و رستوران­ها (پسماند مواد غذایی، کاغذ، کارتن) زباله‌های حجیم خانگی(وسایل چوبی مانند کمد، میز و…) زباله باغ­ها و گلخانه‌ها(شاخه و برگ).

زباله‌های ویژه: مانند زباله‌های صنعتی، نخاله‌های ساختمانی، لاستیک­های فرسوده، مواد تابش زای هسته‌ای­(رادیواکتیو) و زباله‌های آلوده بیمارستانی.

1-3- کارکرد زیست توده

بخش اعظمی از سهم انرژی زیست توده در تامین انرژی اولیه مصرفی جهان به کاربردهای حرارتی و احتراق مستقیم به ویژه در کشور های در حال توسعه اختصاص دارد. عمده ترین کاربرد منابع زیست توده در تامین حرارت و پخت و پز می باشد]1[.

بیش از 25 میلیون هاضم های کوچک و متوسط در دنیا نصب شده که از فضولات و زایدات دامی و انسانی استفاده می کنند و از این طریق، تولید گاز صورت می گیرد. کشورهای هند و چین در این زمینه پیشتاز هستند. از جمله مباحث داغ که امروزه در زمینه زیست توده مطرح است، تولید سوخت خودرو از این طریق است که تولید 50 میلیارد لیتر سوخت از این منبع در سال 2006 صورت گرفته است. سوخت های زیستی(بیوفیول ها) شامل بیواتانول، بیو متانول و بیودیزل در کشورهای زیادی مورد توجه واقع شده و برزیل بخش اعظمی از مصارف بنزین خود را با سوخت های تجدیدپذیر جایگزین کرده است]1[.

در سال 2005 بیش از800 میلیون خانوار در سطح جهان برای گرمایش و پخت و پز از منابع زیست توده استفاده کردند.

هزینه تولید حرارت از زیست توده 1 تا 5 سنت بر کیلووات ساعت حرارتی است و متوسط نرخ رشد سالانه کاربردهای حرارتی 1/2% در سال طی سال های 2005-2000 بوده است.

در سال 2005 در مجموع 33 میلیارد لیتر بیواتانول با نرخ رشد سالانه 8% در جهان تولید شده که معادل 17 میلیون تن نفت خام است.

در سال 2005 در مجموع 9/3 میلیارد لیتر بیودیزل با نرخ رشد 85% در جهان تولید شده که این میزان بیودیزل معادل 5/3 میلیون تن نفت خام است]1 .[

1-4- تقسیم بندی سوخت های زیستی

سوخت­های حاصل از زیست توده را می­توان در یک تقسیم بندی كلی به سوخت­های مایع و گازی شكل طبقه بندی كرد. سوختهای مایع عبارتند از بیواتانول، بیومتانول و بیودیزل. بیواتانول و بیومتانول از طریق تخمیر موادی همچون چغندرقند، سیب زمینی و یا غلات بدست می­آیند.

زیست توده چهارمین منبع انرژی جهان است و حدود 14 درصد از نیازهای انرژی جهان را تأمین می‌کنند. سوخت حاصل از فنآوری­های تبدیل زیست توده یا به حالت گاز(زیست گاز) و یا مایع(متانول، اتانول و بیودیزل) است که برای تولید الکتریسیته و گرما مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از منابع زیست توده، یکی از مناسب‌ترین و اقتصادی‌ترین راه حل­های تأمین نیازهای اساسی انرژی مردم فقیر در مناطق دور افتاده است.

سوخت دیزل زیستی و اتانول زیستی، از مهم ترین سوخت های زیستی هستند که می توان از آنها در صنعت حمل و نقل استفاده کرد. انواع سوخت های زیستی به همراه منابع گیاهی و روش تولید در جدول1-1 آورده شده است.

جدول (1-1): انواع سوخت های زیستی به همراه منابع گیاهی و روش تولید

1-5- بیودیزل

تاکنون مهم ترین و معمول ترین سوخت، برای استفاده در بخش حمل و نقل، در بسیاری از کشور ها بنزین و گازوییل بوده است. از آنجا که قسمت اعظم آلاینده های مختلف و ذرات جامد معلق، از گاز خروجی اگزوز موتورهای دیزلی ناشی می شود، لذا در میان سوخت های زیستی موجود، تحقیق در راستای یافتن سوختی جایگزین و مناسب برای پترو دیزل(گازوئیل یا دیزل پایه نفتی) سهم وسیعی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است.

در اغلب موارد مهم ترین منابع تامین لیپید های تجدید پذیر را چربی های حیوانی و روغن های نباتی تشکیل می دهند. بخش عمده این روغن ها تری گلیسیریدها هستند. لذا در اثر انجام این واکنش علاوه بر استر، محصول ارزشمند دیگری به نام گلیسیرین نیز حاصل می شود.

سوخت ایمن و تمیز بیودیزل سلامت اپراتور هایی را که با این سوخت سرو کار دارند، تضمین می کند. همچنین جایگزین تمیزی برای سوختهای نفتی است و در زمره سوختهای سبز قرار می گیرند. این سوختها به خاطر این که پایه گیاهی و حیوانی دارند مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته اند.

مهم ترین تفاوت اساسی در ترکیبات بیودیزل و دیزل، محتوای اکسیژن است. میزان اکسیژن موجود در دیزل صفر است، در حالی که بیودیزل حاوی 10 -12 درصد وزنی اکسیژن را داراست که سبب کاهش دانسیته انرژی و انتشار ذرات معلق می شود. به علاوه بیودیزل سوختی بدون گوگرد است، در حالی که در دیزل گوگرد وجود دارد که در سیستم اگزوز موتور به اکسید های گوگرد و سپس بخشی از آن به اسید سولفوریک تبدیل می شود. این اسید خود به تولیدات ریز منجر می شود. گازوییل به طور معمول 20–40 درصد حجمی آروماتیک دارد که سبب افزایش انتشار آلاینده های مختلف و ذرات معلق می شود. بیودیزل به طور اساسی بدون آروماتیک است. در گازوییل هیچ پیوند دوگانه وجود ندارد، در حالی که در بیودیزل به واسطه حضور چشمگیر محل های غیر اشباع پایداری در مقابل اکسیداسیون کم است]2[.

 منابع گیاهی و روش تولید در جدول1-1 آورده شده است.

جدول (1-1): انواع سوخت های زیستی به همراه منابع گیاهی و روش تولید

1-5- بیودیزل

تاکنون مهم ترین و معمول ترین سوخت، برای استفاده در بخش حمل و نقل، در بسیاری از کشور ها بنزین و گازوییل بوده است. از آنجا که قسمت اعظم آلاینده های مختلف و ذرات جامد معلق، از گاز خروجی اگزوز موتورهای دیزلی ناشی می شود، لذا در میان سوخت های زیستی موجود، تحقیق در راستای یافتن سوختی جایگزین و مناسب برای پترو دیزل(گازوئیل یا دیزل پایه نفتی) سهم وسیعی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است.

در اغلب موارد مهم ترین منابع تامین لیپید های تجدید پذیر را چربی های حیوانی و روغن های نباتی تشکیل می دهند. بخش عمده این روغن ها تری گلیسیریدها هستند. لذا در اثر انجام این واکنش علاوه بر استر، محصول ارزشمند دیگری به نام گلیسیرین نیز حاصل می شود.

سوخت ایمن و تمیز بیودیزل سلامت اپراتور هایی را که با این سوخت سرو کار دارند، تضمین می کند. همچنین جایگزین تمیزی برای سوختهای نفتی است و در زمره سوختهای سبز قرار می گیرند. این سوختها به خاطر این که پایه گیاهی و حیوانی دارند مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته اند.

مهم ترین تفاوت اساسی در ترکیبات بیودیزل و دیزل، محتوای اکسیژن است. میزان اکسیژن موجود در دیزل صفر است، در حالی که بیودیزل حاوی 10 -12 درصد وزنی اکسیژن را داراست که سبب کاهش دانسیته انرژی و انتشار ذرات معلق می شود. به علاوه بیودیزل سوختی بدون گوگرد است، در حالی که در دیزل گوگرد وجود دارد که در سیستم اگزوز موتور به اکسید های گوگرد و سپس بخشی از آن به اسید سولفوریک تبدیل می شود. این اسید خود به تولیدات ریز منجر می شود. گازوییل به طور معمول 20–40 درصد حجمی آروماتیک دارد که سبب افزایش انتشار آلاینده های مختلف و ذرات معلق می شود. بیودیزل به طور اساسی بدون آروماتیک است. در گازوییل هیچ پیوند دوگانه وجود ندارد، در حالی که در بیودیزل به واسطه حضور چشمگیر محل های غیر اشباع پایداری در مقابل اکسیداسیون کم است]2[.