پیش بینی خواص فیزیکی و مشخصات قطره­ سازی زیست سوخت به دست آمده از ریزجلبک کلامیدوموناس

امیدوار, امیر; امینی, الهام

پیش بینی خواص فیزیکی و مشخصات قطره سازی زیست سوخت به دست آمده از ریزجلبک کلامیدوموناس

نویسندگان

امیر امیدوار ¹

الهام امینی ²

¹ بخش مهندسی مکانیک و هوافضا،دانشگاه صنعتی شیراز،ایران

² بخش میکروب شناسی، دانشگاه علوم پزشکی شیراز، شیراز، ایران

چکیده

در این نوشتار خواص فیزیکی و مشخصات قطره سازی (Atomization) زیست سوخت به دست آمده از ریز جلبک کلامیدوموناس (Chlamydomonas) بررسی ومطالعه شده است.به تازگی گونه (species) خاصی از ریزجلبک کلامیدوموناس با نام MCCS 026 در برخی نواحی جنوبی ایران (استان فارس) شناسایی شد که پتانسیل تولید زیست سوخت را دارد. بر طبق تحقیقات فیزیولوژیکی-مولکولی انجام شده، این گونه خاص جلبکی علاوه بر نرخ سریع رشد و ظرفیت چربی مطلوب و قابل قبول، محیط کشت بسیار ساده و ارزان قیمتی دارد به طوری که حتی در شرایط اقلیمی ایران به طور طبیعی نیز قابل رشد و تکثیر است. علی رغم تمام این ویژگی ها، برای اطمینان از عملکرد مطلوب زیست سوخت جدید در موتورهای احتراق تراکمی لازم است خواص فیزیکی و خصوصیات قطرهسازی این سوخت مورد بررسی قرار گیرد. در تحقیق حاضر برای اولین بار خواص فیزیکی و خصوصیات قطره سازی زیست سوخت جدید به طور تحلیلی مطالعه شده است. نتایج نشان داد که سوخت به دست آمده از این گونه جلبکی خواص بسیار مشابهی با سوخت دیزل فسیلی دارد. تحلیل فرآیند قطره سازی سوخت نیز حاکی از این است که زیست سوخت جدید نسبت به برخی از زیست سوخت های مرسوم و مورد استفاده در اروپا و امریکا از جمله سویا و کانولا متیل استر عملکرد بسیار مطلوبتری دارد. همچنین بررسی ها نشان داد که زیست سوخت جدید نسبت به زیست سوخت به دست آمده از برخی ریز جلبک های مرسوم دیگر در تولید زیست سوخت مانند کلرلا (Chlorella) نیز از کیفیت بالاتری برخوردار است.

تازه های تحقیق

در این تحقیق خواص فیزیکی و مشخصات قطرهسازی زیست سوخت به دست آمده از ریزجلبک کلامیدوموناس بررسی و مطالعه شده است. بدین منظور کلیه مونو استرهای اسید چرب موجود در زیست سوخت جدید از نظر ساختار مولکولی بررسی شدهاند. سپس برخی از خواص فیزیکی مهم زیست سوخت جدید با توجه به شاخصهای توپولوژیکی هر یک از اجزای تشکیل دهنده آن محاسبه شد. در نهایت نیز برخی از ویژگیهای ماکروسکوپیک قطرهسازی سوخت از جمله قطر متوسط قطرات و طول نفوذ اسپری سوخت محاسبه و با سوخت دیزل معمولی و برخی زیست سوختهای متداول مقایسه شد. نتایج به دست آمده از این پژوهش را میتوان در قالب موارد زیر خلاصه کرد:

1- خواص فیزیکی این سوخت نسبت به سایر زیست سوختهای مرسوم و مورد استفاده در اروپا و امریکا مشابهت بیشتری به سوخت دیزل معمولی دارد. این امر باعث بهبود خواص قطرهسازی سوخت و به تبع آن بالا رفتن بازده احتراق میشود.

2- در بین خواص فیزیکی مهم، گرانروی نسبت به چگالی و کشش سطحی وابستگی بیشتری به ساختار مولکولی و نوع اسیدهای چرب موجود در سوخت دارد. از آنجا که گرانروی تأثیر مستقیم بر قطرهسازی سوخت پاششی دارد، لذا فرایند قطرهسازی سوخت به شدت به توپولوژی مولکولی استرهای اسید چرب موجود در سوخت وابسته است.

3- زیست سوخت جدید نسبت به کانولا متیل استر و سویا متیل استر راحتتر قطره قطره میشود که این امر باعث زیاد شدن نرخ تبخیر سوخت و بهبود کیفیت احتراق میشود.

4- از آنجا که خواص زیست سوخت جدید به دست آمده از ریزجلبک کلامیدوموناس نسبت به سایر زیست سوختهای متداول شباهت بیشتری با دیزل معمولی دارد، لذا میتوان در تشکیل سوختهای ترکیبی از درصد بیشتری از این سوخت استفاده کرد. این امر باعث صرفهجویی بیشتر در مصرف سوختهای فسیلی و کاهش آلودگیهای زیست محیطی میشود.

5- زیست سوخت جدید نسبت به سایر زیست سوختهای جلبکی مرسوم به مراتب از کیفیت بالاتری برخوردار است. تاکنون، کلرلا به عنوان یکی از گونههای جلبکی باکیفیت برای تولید زیست سوخت معرفی شده است. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که زیست سوخت جدید از نظر خواص فیزیکی و قطرهسازی از زیست سوخت جلبکی کلرلا نیز به مراتب بهتر است. به نظر میرسد این سوخت از نظر کیفی میتواند به عنوان رقیب سرسختی برای زیست سوخت جلبکی کلرلا مطرح باشد.

محققان پیشین بر این باورند که گونه MCCS 026 از ریز جلبک کلامیدوموناس علاوه بر غنای مناسب و مطلوب از نظر مقدار چربی و سازگاری زیاد با شرایط اقلیمی ایران، هم به صورت طبیعی و هم در شرایط کنترل شده در محیطهای کشت بسیار ارزان و در مقیاس زیاد قابل تولید است. تحقیق حاضر بررسیها پیرامون این زیست سوخت جدید را یک گام به جلو برد و نشان داد که زیست سوخت به دست آمده از این ریزجلبک از نظر خواص فیزیکی و مشخصات قطرهسازی سوخت شباهت زیادی با سوختهای فسیلی مرسوم دارد و در صورتی که چنین سوختی تولید شود میتواند به راحتی در موتورهای دیزل قطره قطره شده و شرایط مناسبی را برای احتراق فراهم کند. نکته دیگری که در تولید زیست سوختها باید مورد بررسی قرار گیرد مثبت بودن موازنه انرژی است. موازنه انرژی در فرآیند تولید سوختهای زیستی به صورت نسبت انرژی زیستی به دست آمده به انرژی فسیلی مصرف شده برای انجام فرآیند تعریف میشود. بدیهی است که زمانی تولید زیست سوخت مقرون به صرفه است که عدد به دست آمده برای موازنه انرژی بزرگتر از یک باشد. این امر در ادبیات مربوط به تولید سوختهای بیولوژیک تحت عنوان مثبت بودن موازنه انرژی نامیده میشود.

فرآیند تولید زیست سوخت از ریزجلبکها شامل چهار مرحله رشد و پرورش ریز جلبک، برداشت یا جداسازی، روغنکشی و سرانجام تبدیل روغن به زیست سوخت میشود. مراحل روغنکشی و تبدیل روغن به زیست سوخت برای ریزجلبکها و سایر منابع گیاهی که در حال حاضر در اروپا و امریکا استفاده میشوند مانند کانولا و سویا مشابه است. بنابراین انرژی لازم برای انجام این مراحل از فرآیند نیز کاملاً مشابه است. عمدهترین تفاوت بین فرآیند تولید زیست سوختهای جلبکی با زیست سوختهای به دست آمده از دانههای روغنی در مراحل رشد و برداشت است. بنابراین برای اطمینان از مثبت بودن موازنه انرژی در فرآیند تولید زیست سوختهای جلبکی کافی است مقدار انرژی لازم برای انجام این مراحل با دقت بیشتری مورد مطالعه قرار گیرد.

به تازگی پژوهشی در مورد مثبت بودن موازنه انرژی در زیست سوختهای ریز جلبکی انجام شد]33[. نتایج این تحقیق نشان داد که اگر انرژی لازم برای فرآیند تولید زیست سوختهای جلبکی از منابع بازگشتپذیر انرژی مانند انرژی خورشیدی تأمین شود موازنه انرژی فرآیند مثبت خواهد بود]33[. همچنین برای تغذیه ریزجلبکها میتوان از فاضلاب استفاده کرد که این امر علاوه بر اینکه مشکلات آلودگی فاضلابها و تصفیه آنها را تا حد زیادی برطرف میکند، انرژی و هزینه لازم برای پرورش ریزجلبکها را کاهش داده و به مثبت شدن موازنه انرژی کمک میکند. همچنین تفالههای باقیمانده از فرآیند روغنکشی غذای مقوی و مناسبی برای دامها به شمار میرود. با این نگاه به نظر میرسد که بتوان فرآیندهای تولید زیست سوخت از ریزجلبک کلامیدوموناس را به گونهای طراحی کرد که موازنه انرژی کلی مثبت باشد. ولی با این وجود باز هم بررسی مثبت بودن موازنه انرژی در فرآیند تولید زیست سوخت از این گونه جلبکی خاص امری لازم و اجتناب ناپذیر است و میتواند موضوع مناسبی برای تحقیقات آتی باشد.

کلیدواژه‌ها

زیست سوخت

ریزجلبک

کلامیدوموناس

قطره سازی

خواص فیزیکی

عنوان مقاله English

Predicting of Physical Properties and Atomization Characteristics of the Biofuel Derived from Chlamydomoinas Microalga

نویسندگان English

Amir Omidvar ¹

Elham Amini ²

¹ Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Shiraz University of Technology,, Iran

² Department of Microbiology, Shiraz University of Medical Sciences, Shiraz, Iran

چکیده English

The overall objective of present research is to provide insight into physical properties and atomization characteristics of the Chlamydomonas algal biofuel. Biofuels are produced mainly from oil crops, animal fat and waste cooking oil. Because of low productivity and efficiency, these sources are not suitable for continuous and large-scale production of biofuel. Microalgae appear to be the only source of renewable biodiesel that is capable of meeting the global fuel demand. According to a novel physiological-molecular research, the naturally isolated microalga Chlamydomonas sp. MCCS 026 can be used as a valuable feedstock for biofuel production in our country. This species has high growth rate and lipid content requiring just a simple and low-cost culture medium. However, these benefits do not guarantee the practical usage of this new green fuel in DI engines. In order to employ a biodiesel well, it is necessary to know its key properties, i.e. density, viscosity and surface tension. These properties are closely related to the molecular structures of its fatty acid components. This study presents a predictive analytical investigation of the effects of viscosity, density and surface tension on atomization characteristics of the new suggested green fuel. Results from statistical analysis showed that Chlamydomonas algal fuel had near-similar properties to the petroleum diesel fuel. The atomization analysis indicated that for the same operating conditions, the novel biofuel shows better spray characteristics than well-known biofuels, i.e. soybean and canola methyl esters. Also, the results showed that the quality of this new biofuel is higher than other alga-based biofuels.

کلیدواژه‌ها English

Biofuel

Microalga

Chlamydomonas

Atomization

Physical properties

1. Erazo, J., Sequera, A., Parthsarathy, R., and Gollahalli, S. R., “Comparison of Spray Characteristics of Biodiesel and Diesel fuel,” AIAA 4816, 2007.

2. Murillo, S., Lĭguez, J. L., Porterio, J., Geranada, E., and Moran, J. C., “Performance and Exhaust Emissions in the Use of Biodiesel in Outboard Diesel Engines,” Fuel, 86, pp 1765-1771, 2007.

3. زنوزی، ع؛ قبادیان، ب؛ توکلی هشجین، ت؛ فیض الله نژاد، م؛ و باقرپور، ح؛ "تأثیر ترکیب سوختهای دیزل و بیودیزل حاصل از پسماند روغنهای خوراکی در عملکرد موتور اشتعال تراکمی(CI)،" نشریه علمی- پژوهشی سوخت و احتراق، سال اول، شماره اول، ص 53- 60، شهریور 1387.

4. نجفی، ب؛ پیروزپناه، و؛ و قبادیان، ب؛ "تأثیر استفاده از بیودیزل در کاهش آلایندگی موتور دیزل،" مجموعه مقالات اولین کنفرانس احتراق ایران، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران، بهمن ماه 1384.

5. Tyson, S. K., “Biodiesel Handling and Use Guidelines,” US Department of Energy, DOE/GO;102004, 1999.

6. Almeida, S. C. A., Belchior, C. R., Nascimento, M. V. G., Viera, L. S. R., and Fleury, G., “Performance of a Diesel Generator Fuelled with Palm Oil,” Fuel, 81, pp 2097-2102, 2002.

7. Bhatti, H. N., Hanif, M. A., Qasim, M., and Rehman, A., “Biodiesel Production from Waste Tallow,” Fuel, 87, pp 2961-2966, 2008.

8. Lam, S. C. A., “Biodiesel Droplet Combustion,” MS.c Thesis, University of Windsor, Ontario, Canada, 2007.

9. Altiparmak, D., Keskin, A., Koca, A., and Guru, M., “Alternative Fuel Properties of Tall Oil Fatty Acid Methyl Ester-Diesel Fuel Blends,” Bioresource Technology, 98, pp. 241-246, 2007.

10. Preyra-Irajo, G. A., Izqaierdo, N. G., Covi, M., Nolasco, S. M., Quiroz, F., and Aguirrezabal, L. A. N., “Variability in Sunflower Oil Quality for Biodiesel Production: A Simulation Study,” Biomass and Bioenergy, 33, pp. 459-468, 2009.

11. Giannelos, P. N., Sxizas, S., Lois, E., Zannikos, F., and Anastopoulos, G., “Physical, Chemical and Fuel Related Properties of Tomato Seed Oil for Evaluating Its Direct Use in Diesel Engines,” Industrial Crops and Products, 22, pp. 193-199, 2005.

12. Chisti, Y., “Biodiesel from Microalgae,” Biotechnology Advances, 25, pp 294-306, 2007.

13. Chisti, Y., “Biodiesel from Microalgae Beats Bioethanol,” Trends in Biotechnology, 26, No. 3, pp. 126-131, 2008.

14. Xu, H., Miao, X., and Wu, Q., “High Quality Biodiesel Production from a Microalga Chlorella Protothecoides by Heterotrophic Growth in Fermenters,” Journal of Biotechnology, 126, pp. 499-507, 2006.

15. Mata, T. M., Martins, A. A., and Caetano, N. S., “Microalgae for Biodiesel Production and other Applications: A Review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, pp. 217-232, 2010.

16. Morowvat, M. H., Rasoul-Amini, S., and Ghasemi, Y., “Chlamydomonas as a “New” Organism for Biodiesel Production,” Bioresource Technology, 101, pp. 2059-2062, 2010.

17. Ejim, C. E., Fleck, B. A., and Amirfazli, A., “Analytical Study for Atomization of Biodiesels and their Blends in a Typical Injector: Surface Tension and Viscosity Effects,” Fuel, 86, pp. 1543-1544, 2007.

18. Knothe, G., “Dependence of Biodiesel Fuel Properties on the Structure of Fatty Acid Alkyl Esters,” Fuel Processing Technology, 86, pp. 1059-1070, 2005.

19. Allen, C. A. W., Watts, K. C., and Ackman, R. G., “Predicting the Surface Tension of Biodiesel Fuels from their Fatty Acid Composition,” Journal of American Oil Chemists Society, 76, pp. 317-323, 1999.

20. Allen, C. A. W., “Properties of Biodiesel Fuel Atomization Characteristics Based on Measured Properties,” Ph.D. Thesis, DalTech, Dalhousie University, Nova Scotia, Canada, 1998.

21. Poling, B. E., Parausnitz, J. M., and O’Connel, J. P., The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, NewYork, 2001.

22. Shu, Q., Yang, B., Yang, J., and Qing, S., “Predicting the Viscosity of Biodiesel Fuels Based on the Mixture Topological Index Method,” Fuel, 86, pp 1849-1854, 2007.

23. Shu, Q., Wang, J., Peng, B., Wang, D., and Wang, G., “Predicting the Surface Tension of Biodiesel Fuels by Mixture Topological Index Method, at 313K,” Fuel, 87, pp. 3586-3590, 2007.

24. Uryadov, V. G., Aristova, N. V., and Ofitserov, E. N., “Relationship between the Dynamic Viscosity of Hydrocarbons and the Wiener Topological Index,” Russian Journal of Physical Chemistry A, 81, No. 4, pp. 644-647, 2007.

25. Uryadov, V. G., Aristova, N. V., and Ofitserov, E. N., “Topological Approach to Description of Dynamic Viscosity of Heteroatom-Containing Organic Compounds,” Chemistry and Computational Simulation Butlerov Communications, 3, No. 9, pp. 53-58, 2002.

26. Sazhin, S. S., Feng, G., and Heikal, M. R., “A Model for Fuel Spray Penetration,” Fuel, 80, pp. 2171-2180, 2001.

27. Chehroudi, B., and Bracco, F. V., “Structure of Transient Hollow Cone Spray,” SAE Report 880522, 1988.

28. Pozorski, J., Sazhin, S., Waklawczyk, M., Crua, C., Kenneird, D., and Heikal, M., “Spray Penetration in Turbulent flow,” Flow Turbulence and Combustion, 68, pp. 153-165, 2002.

29. Peterson, B. R., and Ghandhi, J. B., “Transient High-Pressure Hydrogen Jet Measurements,” SAE Report 2006-01-0652, 2006.

30. Kumar, S., Watson, H., Milkins, E., and Edsen, J., “Combustion Modeling of Diesel Fuel, Seed Oil and Methyl Ester of Seed Oils,” SAE Report 861564, 1986.

31. Lee, C. S., Park, S. W., and Known, S. I., “An Experimental Study on the Atomization and Combustion of Biodiesel-Blended Fuels,” Energy Fuels, 19, pp. 2201-2208, 2005.

32. Yule, A. J., Mo, S. L., Tham, S. Y., and Aval, S. M., “Diesel Spray Structure,” ICLASS-85, London, UK, 1985.

33. Ehimen, E. A., “Energy Balance of Microalgal-Derived Biodiesel,” Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 32, No. 12, pp. 1111-1120, 2010.