هل يمكن استخدام النبيذ في إنتاج الطاقة؟
فى عام 2014، أنتجت البرازيل 280 مليار لتر من النبيذ، وهو عبارة عن نفايات ثانوية من إنتاج الإيثانول، والذي تبلغ نسبته (%97 ) تقريبًا، وقد كانت تُستخدم كسماد كما تم استخدامها في عملية ريّ قصب السكر نفسه، ولكن المشكلة في هي أن هذا الفعل يؤذي البيئة ويُهمل إمكانية استخدام النبيذ فى أشياء أفضل، مثل: إنتاج الطاقة، وتحويل النبيذ لغاز حيوي بواسطة جهاز الهضم الحيوي يمكن أن يحل هذه المشكلة، كما هو مُوضَح في المشروعين الذين تحت التنمية: مشروع منهم في مدرسة Sao Carlos للهندسة بجامعة Sao Carlos ((EESC-USP ، والمشروع الآخر في مختبر العلوم والتكنولوجيا (CTBE) للمركز البرازيلي للطاقة والمواد (.(CNPEM
ويعتبر النبيذ هو نفايات ثانوية للإيثانول التي نمت في أهمية بعد برنامج الكحول المحلي- المعروف باسم المؤيد للكحول، والذي تم إنشائه في عام 1975، ويُستخدم قصب السكر لإنتاج الكحول، وما يتبقى من هذه العملية هو النبيذ، والذي هو عبارة عن مادة عضوية غنية بالبوتاسيوم، والكالسيوم، والماغنسيوم، ومنذ أن كانت كمية النفايات القادمة تقريبًا من 400 مصنع يعمل فى البرازيل ضخمة جدًا لأسباب اقتصادية، تم الإفراط فى استخدامه كسماد، وهذا الاستخدام المفرط سبب ضررًا للبيئة، مثل: تلوث المياه الجوفية بالبوتاسيوم، وملوحة التربة، وترشيح المعادن والكبريتات، واطلاق الروائح الضارة وانبعاث الغازات الدفيئة على هيئة أكسيد النيتروز (N2O)، والذي هو أكثر تلوثًا بحوالي 300 مرة من ثانى أكسيد الكربون (CO2).
كما ينسق Marcelo Zaiat من EESC-USP المشروع والذي هدفه هو الاستفادة بشكل أفضل من النبيذ، وقد بدأ البحث في بداية عام 2011 ويتضمن 9 أبحاث من مجموعة من المؤسسات منهم EESC، الجامعة الفيدرالية لSao Carlos (UFSCar)، وجامعة ولاية Sao Paulo (Unesp) ومؤسسة Maua للتكنولوجيا (IMT)، والتى توجد في Sao Caetano do Sul. يقول Zaiat : "هدفنا الرئيسى هو تطوير جيل جديد من أجهزة الهضم اللاهوائية، والتي هي أكثر احكامًا، ومتانة واستقرارًا، وكفاءة عالية في تحويل المادة العضوية للنبيذ إلى غاز حيوي،"، ويلاحظ أن هذا النوع من المعدات صُمم لإنتاج ردود فعل مُحفَزة بواسطة البكتريا والكائنات الدقيقة العتيقة، وهذه العملية اللاهوائية تحدث في غياب الأكسجين خلال التخمر الذاتي لتنظيم المادة العضوية المُسبَبه بواسطة مجموعة من الكائنات الدقيقة التي تعيش في هذه البيئات.
ويقول Zaiat: "ما نريد أن نفعله هو أن نقوم بتحويل المادة العضوية للنبيذ إلى غاز عضوي بثقافة الكائنات الحية الدقيقة، والخصم الابتدائي للغاز الحيوي هو الميثان، بالإضافة إلى الكميات الصغيرة من ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى، وبعد أن يتم التعامل معها، يمكن أن يُستخدم الغاز الحيوي لتوليد كهرباء ذات كفاءة لدفع محرك المولد، علاوة على ذلك، فإن إنتاج الغاز الحيوي يُخفض من التأثير البيئي الناتج عن استخدام النفايات كسماد في زراعة قصب السكر، حيث يحتوي النبيذ المهضوم حيويًا على مواد عضوية أقل.
ولا توجد مفاعلات حيوية على نطاق واسع في البرازيل سوى مفاعل واحد صغير منذ الثمانينات s 1980 تم إيجاده في مصنع في Ribeirao Preto (Sao Paulo State)، والذي قام بعملية هضم حيوي لكمية صغيرة من النبيذ، مُنتِجًا غاز حيوي يُستخدم في تجفيف الخميرة. بقدر المعدات التي يطورها فريقه ويقوم بالاهتمام بها، ويقول Zaiat أن التقدم في المعرفة العلمية في أساسيات العمليات اللاهوائية التي تمت في أخر 30 عام ساعد في تصميم المفاعل الحيوي، ويقول Zaiat أيضًا: "على الرغم من أن العملية اللازمة هي نفسها، لكن مفاعلات هذه الأيام أكثر تقدمًا تكنولوجيا، كما أنها متاحة بكفاءة أعلى في المحادثة، وتوفراستقرارًا أكثر للعملية، في أنظمة أكثر اندماجًا وأمانًا."
وتعمل المجموعة مع تكوينات مختلفة لأجهزة الهضم الحيوي، ويُدون Zaiat: "هناك تقنيات مختلفة لهذا، لكن الواحدة الأكثر استخدامًا في منطقتنا تدعم سطح مادة خام حيث تلتحم البكتريا والكائنات العتيقة، مُكونة ما نسميه الغشاء الحيوي، ومكننا أيضًا استغلال قدرتهم الطبيعية فى الإلتصاق بالأسطح مع النبيذ كوسط ثقافة."
ويمكننا استخدام الغاز الحيوي الذي يتم إنتاجه في المفاعل الحيوي، مع تركيزات أقل من الأكسجين CO2، على سبيل المثال، في التوليد المشترَك للطاقة في غلايات المصانع، ومُطلِقَة التفل-الذي يُستخدم حاليًا في حرق وتوليد الكهرباء- وفي الإنتاج الخاص بالجيل الثانى للإيثانول، كما يمكن أن يُستخدم الغاز أيضًا في حل محل وقود الديزل المستخدم في الشاحنات والجرارات، وبالتالى فعل عملية إنتاج قصب السكر بمحافظة أكثر. كما أن النبيذ المهضوم حيويًا في الحالة السائلة يمكن أيضًا أن يُستخدم كسماد، والذي هو قليل في المواد العضوية ولكن يحفظ تقريبًا كل نفايات المواد الغذائية الاصلية، أو يمكنها أن تكون مُركزة ومُستخدمة كقاعدة لصياغة سماد عضوي لزراعة قصب السكلا، وهذا على أساس احتياجات مصنع قصب السكر في الحالة الأخيرة، وانسحاب المياه من عملية التركيز يمكن أن يعود لمصنع الإنتاج لاستخدامات عديدة، يقول Zaiat: "هذا ما أسميه التكامل: المخلفات تُستخدم في نفس عملية الإنتاج."
مصنع الإنتاج الافتراضي
المشروع الآخر الذي تم تنظيمه بواسطة CTBE والذي يتضمن أيضًا Zaiat، ويسعى خلال النماذج الرياضية لخلق مصنع إنتاج أكثر كفاءة في جميع عملياته، كما يدون Antonio Bonomi، والذي هو مهندس كيميائي ومُنظم المشروع، "نحن نطور النماذج الرياضية لعمليات المصنع المتنوعة، مثل: تسليم وتجهيز قصب السكر، واستخلاص العصير، والتسميد، البلورة ]السكر[، والتقطير والتجفيف ]الإيثانول[، والتوليد المشترك للطاقة والهضم الحيوي للنبيذ". "هذه النماذج تجعل من المحتمل تحسين العملية التي هي تعريف لظروف التشغيل تحت ما يجب أن يفعله معامل التكرير الحيوي لتحقيق أقصى قدر من إنتاجها وعائدها الاقتصادي."
وما تفعله مجموعة Bonomi في هذا المشروع هو بناء مصنع إنتاج افتراضي من الجيل الأول لفعل ذلك، وبرنامج المحاكاة المعروف بالبيئة من أجل التصميم، والمحاكاة والتحسين ((EMSO يُستخدَم لتشغيل النماذج الرياضية لكل عملية داخل المصنع، ويقول Bonomi: "في حالة عملية الهضم الحيوي للنبيذ، على سبيل المثال، سيُظهر النموذج الرياضى أي إمكانية، حيث تتدفق خلال إطعام جهاز الهضم الحيوي، وستنتج أعلى كمية من الغاز الحيوي". واحد من الأهداف الإضافية هو أن تنتج غاز يحتوي على نسبة عالية من الميثان، تم تطويره ل %96.5 لإنتاج ميثان حيوي، واليوم هو الحد الأقصى من المفاعلات المشتركة التي تم إنجازها هو %60 مع الميثان الحيوي، ومن الممكن أيضًا استبدال وقود الديزل في الشاحنات وآلات الزراعة، لحقنها داخل شبكة توزيع الغاز الطبيعي العام.
وحيث أن النماذج الرياضية والتقييمات لوحدة الهضم الحيوي قد تم تطويرها بواسطة Bruna de Souza Moraes، باحث CTBE، وتم تنظيمها بواسطة دكتور Rogers Ribeiro بجامعة Sao Paulo، كلية علم الحيوان وهندسة الطعام (FZEA-USP)، يقول Moraes: "مهمتنا هي تقييم إدراج إنتاج الغاز الحيوي في مصانع الإنتاج، بدايةً بالنفايات وإمكانية استخدامها في تعزيز تحسين الطاقة والمحافظة البيئية في القسم". "والفكرة هي طرح المزايا لهذه السيناريوهات بالأرقام، خلال التقييم التقني، والاقتصادى والبيئى، لمحاكاة التطبيق الواقعي لهذا التكوين الجديد الخاص بمعامل التكرير الحيوي."
ويُدون Moraes أن حتى الآن أظهرت النتائج أن إنتاج الغاز الحيوى من النبيذ هو أكثر فائدة عندما يتم تحويله إلى ميثان حيوى (غاز يحتوى على الأقل %96.5 ميثان). تقول: "من هذه السيناريوهات، تخفيض سعرها على شبكة الغاز الطبيعي العام واستخدامها كبديل لوقود الديزل أظهر أفضل المؤشرات الاقتصادية والبيئية"، وقد أظهر آخر تقييم أن من المحتمل الحصول على ما يصل إلى %42 اختزال فى انبعاثات غاز الإحتباس الحراري في إنتاج قصب السكر من خلال التبديل الجزئي للوقود الحيوي المعدل، ويبلغ السنوي الداخلي للعودة على الاستثمار لهذه السيناريوهات هو %25 من أجل معامل التكرير الحيوي مع قدرة معالجة تساوي 4 مليون طن متري من قصب السكر كل حصاد.
وقد تم طحن Moraes أيضًا الأعداد ليُظهر الإمكانية لتوليد طاقة كهربائية من النبيذ في مصنع يُنتِج %50 من الإيثانول و%50 من السكر مع قدرته على طحن 4 مليون طن متري من قصب السكر فى السنة، ومن الممكن أن تُنتج حوالي 2 مليون متر مكعب (m3) من النفايات في العام مُعتبِرًا أن 1m3 من النبيذ تملك إمكانية توليد حتى m314 من غاز حيوي، وحيث أن نفس معامل التكرير الحيوي سيمكنه أن يدعم 28 مليون متر مكعب (m3) من هذا الغاز في العام.
وهذه الكمية تمثل قدرة سنوية 000,65 ميجا وات ساعات من الكهرباء (MWh)، كما يقول Moraes "هذا يعنى أن الطاقة التى تم توليدها من إنتاج الغاز الحيوى من النبيذ في المصنع يمكن أن تمد احتياجات الكهرباء لحوالي 000,260 ساكن في المدينة لو تمت عملية الهضم الحيوي على كل النبيذ البرازيلي، وبذلك تكون الإمكانية لتوليد الكهرباء المحلية ستعادل %5.7 من قدرة الطاقة الكهرومائية لسد Itaipu."
حيث أن رابطة الصناعة البرازيلية لقصب السكر(Unica)، والتي تُمثل منتجي السكر والإيثانول، تدعم استخدام النبيذ في الري كطريقة لحفظ الماء بالتخصيب، ويقول Alfred Szwar: "التسميد ( تطبيق الأسمدة القابلة للذوبان خلال نظام الرى ) مع النبيذ أيضًا ويحفظ على استخدام الأسمدة الكيماوية."، ومستشار Unica على الانبعاثات والتقنيات. يقول Szwarc : "هناك طرق جديدة لاستخدام النبيذ، لكن ما زالوا على نطاق صغير، ومشاريع أخرى تنظر على طرق لتركيز وتحويل النبيذ إلى سماد تجاري.".
مراجعة: أميرة محمود.
ويعتبر النبيذ هو نفايات ثانوية للإيثانول التي نمت في أهمية بعد برنامج الكحول المحلي- المعروف باسم المؤيد للكحول، والذي تم إنشائه في عام 1975، ويُستخدم قصب السكر لإنتاج الكحول، وما يتبقى من هذه العملية هو النبيذ، والذي هو عبارة عن مادة عضوية غنية بالبوتاسيوم، والكالسيوم، والماغنسيوم، ومنذ أن كانت كمية النفايات القادمة تقريبًا من 400 مصنع يعمل فى البرازيل ضخمة جدًا لأسباب اقتصادية، تم الإفراط فى استخدامه كسماد، وهذا الاستخدام المفرط سبب ضررًا للبيئة، مثل: تلوث المياه الجوفية بالبوتاسيوم، وملوحة التربة، وترشيح المعادن والكبريتات، واطلاق الروائح الضارة وانبعاث الغازات الدفيئة على هيئة أكسيد النيتروز (N2O)، والذي هو أكثر تلوثًا بحوالي 300 مرة من ثانى أكسيد الكربون (CO2).
كما ينسق Marcelo Zaiat من EESC-USP المشروع والذي هدفه هو الاستفادة بشكل أفضل من النبيذ، وقد بدأ البحث في بداية عام 2011 ويتضمن 9 أبحاث من مجموعة من المؤسسات منهم EESC، الجامعة الفيدرالية لSao Carlos (UFSCar)، وجامعة ولاية Sao Paulo (Unesp) ومؤسسة Maua للتكنولوجيا (IMT)، والتى توجد في Sao Caetano do Sul. يقول Zaiat : "هدفنا الرئيسى هو تطوير جيل جديد من أجهزة الهضم اللاهوائية، والتي هي أكثر احكامًا، ومتانة واستقرارًا، وكفاءة عالية في تحويل المادة العضوية للنبيذ إلى غاز حيوي،"، ويلاحظ أن هذا النوع من المعدات صُمم لإنتاج ردود فعل مُحفَزة بواسطة البكتريا والكائنات الدقيقة العتيقة، وهذه العملية اللاهوائية تحدث في غياب الأكسجين خلال التخمر الذاتي لتنظيم المادة العضوية المُسبَبه بواسطة مجموعة من الكائنات الدقيقة التي تعيش في هذه البيئات.
ويقول Zaiat: "ما نريد أن نفعله هو أن نقوم بتحويل المادة العضوية للنبيذ إلى غاز عضوي بثقافة الكائنات الحية الدقيقة، والخصم الابتدائي للغاز الحيوي هو الميثان، بالإضافة إلى الكميات الصغيرة من ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى، وبعد أن يتم التعامل معها، يمكن أن يُستخدم الغاز الحيوي لتوليد كهرباء ذات كفاءة لدفع محرك المولد، علاوة على ذلك، فإن إنتاج الغاز الحيوي يُخفض من التأثير البيئي الناتج عن استخدام النفايات كسماد في زراعة قصب السكر، حيث يحتوي النبيذ المهضوم حيويًا على مواد عضوية أقل.
ولا توجد مفاعلات حيوية على نطاق واسع في البرازيل سوى مفاعل واحد صغير منذ الثمانينات s 1980 تم إيجاده في مصنع في Ribeirao Preto (Sao Paulo State)، والذي قام بعملية هضم حيوي لكمية صغيرة من النبيذ، مُنتِجًا غاز حيوي يُستخدم في تجفيف الخميرة. بقدر المعدات التي يطورها فريقه ويقوم بالاهتمام بها، ويقول Zaiat أن التقدم في المعرفة العلمية في أساسيات العمليات اللاهوائية التي تمت في أخر 30 عام ساعد في تصميم المفاعل الحيوي، ويقول Zaiat أيضًا: "على الرغم من أن العملية اللازمة هي نفسها، لكن مفاعلات هذه الأيام أكثر تقدمًا تكنولوجيا، كما أنها متاحة بكفاءة أعلى في المحادثة، وتوفراستقرارًا أكثر للعملية، في أنظمة أكثر اندماجًا وأمانًا."
وتعمل المجموعة مع تكوينات مختلفة لأجهزة الهضم الحيوي، ويُدون Zaiat: "هناك تقنيات مختلفة لهذا، لكن الواحدة الأكثر استخدامًا في منطقتنا تدعم سطح مادة خام حيث تلتحم البكتريا والكائنات العتيقة، مُكونة ما نسميه الغشاء الحيوي، ومكننا أيضًا استغلال قدرتهم الطبيعية فى الإلتصاق بالأسطح مع النبيذ كوسط ثقافة."
ويمكننا استخدام الغاز الحيوي الذي يتم إنتاجه في المفاعل الحيوي، مع تركيزات أقل من الأكسجين CO2، على سبيل المثال، في التوليد المشترَك للطاقة في غلايات المصانع، ومُطلِقَة التفل-الذي يُستخدم حاليًا في حرق وتوليد الكهرباء- وفي الإنتاج الخاص بالجيل الثانى للإيثانول، كما يمكن أن يُستخدم الغاز أيضًا في حل محل وقود الديزل المستخدم في الشاحنات والجرارات، وبالتالى فعل عملية إنتاج قصب السكر بمحافظة أكثر. كما أن النبيذ المهضوم حيويًا في الحالة السائلة يمكن أيضًا أن يُستخدم كسماد، والذي هو قليل في المواد العضوية ولكن يحفظ تقريبًا كل نفايات المواد الغذائية الاصلية، أو يمكنها أن تكون مُركزة ومُستخدمة كقاعدة لصياغة سماد عضوي لزراعة قصب السكلا، وهذا على أساس احتياجات مصنع قصب السكر في الحالة الأخيرة، وانسحاب المياه من عملية التركيز يمكن أن يعود لمصنع الإنتاج لاستخدامات عديدة، يقول Zaiat: "هذا ما أسميه التكامل: المخلفات تُستخدم في نفس عملية الإنتاج."
مصنع الإنتاج الافتراضي
المشروع الآخر الذي تم تنظيمه بواسطة CTBE والذي يتضمن أيضًا Zaiat، ويسعى خلال النماذج الرياضية لخلق مصنع إنتاج أكثر كفاءة في جميع عملياته، كما يدون Antonio Bonomi، والذي هو مهندس كيميائي ومُنظم المشروع، "نحن نطور النماذج الرياضية لعمليات المصنع المتنوعة، مثل: تسليم وتجهيز قصب السكر، واستخلاص العصير، والتسميد، البلورة ]السكر[، والتقطير والتجفيف ]الإيثانول[، والتوليد المشترك للطاقة والهضم الحيوي للنبيذ". "هذه النماذج تجعل من المحتمل تحسين العملية التي هي تعريف لظروف التشغيل تحت ما يجب أن يفعله معامل التكرير الحيوي لتحقيق أقصى قدر من إنتاجها وعائدها الاقتصادي."
وما تفعله مجموعة Bonomi في هذا المشروع هو بناء مصنع إنتاج افتراضي من الجيل الأول لفعل ذلك، وبرنامج المحاكاة المعروف بالبيئة من أجل التصميم، والمحاكاة والتحسين ((EMSO يُستخدَم لتشغيل النماذج الرياضية لكل عملية داخل المصنع، ويقول Bonomi: "في حالة عملية الهضم الحيوي للنبيذ، على سبيل المثال، سيُظهر النموذج الرياضى أي إمكانية، حيث تتدفق خلال إطعام جهاز الهضم الحيوي، وستنتج أعلى كمية من الغاز الحيوي". واحد من الأهداف الإضافية هو أن تنتج غاز يحتوي على نسبة عالية من الميثان، تم تطويره ل %96.5 لإنتاج ميثان حيوي، واليوم هو الحد الأقصى من المفاعلات المشتركة التي تم إنجازها هو %60 مع الميثان الحيوي، ومن الممكن أيضًا استبدال وقود الديزل في الشاحنات وآلات الزراعة، لحقنها داخل شبكة توزيع الغاز الطبيعي العام.
وحيث أن النماذج الرياضية والتقييمات لوحدة الهضم الحيوي قد تم تطويرها بواسطة Bruna de Souza Moraes، باحث CTBE، وتم تنظيمها بواسطة دكتور Rogers Ribeiro بجامعة Sao Paulo، كلية علم الحيوان وهندسة الطعام (FZEA-USP)، يقول Moraes: "مهمتنا هي تقييم إدراج إنتاج الغاز الحيوي في مصانع الإنتاج، بدايةً بالنفايات وإمكانية استخدامها في تعزيز تحسين الطاقة والمحافظة البيئية في القسم". "والفكرة هي طرح المزايا لهذه السيناريوهات بالأرقام، خلال التقييم التقني، والاقتصادى والبيئى، لمحاكاة التطبيق الواقعي لهذا التكوين الجديد الخاص بمعامل التكرير الحيوي."
ويُدون Moraes أن حتى الآن أظهرت النتائج أن إنتاج الغاز الحيوى من النبيذ هو أكثر فائدة عندما يتم تحويله إلى ميثان حيوى (غاز يحتوى على الأقل %96.5 ميثان). تقول: "من هذه السيناريوهات، تخفيض سعرها على شبكة الغاز الطبيعي العام واستخدامها كبديل لوقود الديزل أظهر أفضل المؤشرات الاقتصادية والبيئية"، وقد أظهر آخر تقييم أن من المحتمل الحصول على ما يصل إلى %42 اختزال فى انبعاثات غاز الإحتباس الحراري في إنتاج قصب السكر من خلال التبديل الجزئي للوقود الحيوي المعدل، ويبلغ السنوي الداخلي للعودة على الاستثمار لهذه السيناريوهات هو %25 من أجل معامل التكرير الحيوي مع قدرة معالجة تساوي 4 مليون طن متري من قصب السكر كل حصاد.
وقد تم طحن Moraes أيضًا الأعداد ليُظهر الإمكانية لتوليد طاقة كهربائية من النبيذ في مصنع يُنتِج %50 من الإيثانول و%50 من السكر مع قدرته على طحن 4 مليون طن متري من قصب السكر فى السنة، ومن الممكن أن تُنتج حوالي 2 مليون متر مكعب (m3) من النفايات في العام مُعتبِرًا أن 1m3 من النبيذ تملك إمكانية توليد حتى m314 من غاز حيوي، وحيث أن نفس معامل التكرير الحيوي سيمكنه أن يدعم 28 مليون متر مكعب (m3) من هذا الغاز في العام.
وهذه الكمية تمثل قدرة سنوية 000,65 ميجا وات ساعات من الكهرباء (MWh)، كما يقول Moraes "هذا يعنى أن الطاقة التى تم توليدها من إنتاج الغاز الحيوى من النبيذ في المصنع يمكن أن تمد احتياجات الكهرباء لحوالي 000,260 ساكن في المدينة لو تمت عملية الهضم الحيوي على كل النبيذ البرازيلي، وبذلك تكون الإمكانية لتوليد الكهرباء المحلية ستعادل %5.7 من قدرة الطاقة الكهرومائية لسد Itaipu."
حيث أن رابطة الصناعة البرازيلية لقصب السكر(Unica)، والتي تُمثل منتجي السكر والإيثانول، تدعم استخدام النبيذ في الري كطريقة لحفظ الماء بالتخصيب، ويقول Alfred Szwar: "التسميد ( تطبيق الأسمدة القابلة للذوبان خلال نظام الرى ) مع النبيذ أيضًا ويحفظ على استخدام الأسمدة الكيماوية."، ومستشار Unica على الانبعاثات والتقنيات. يقول Szwarc : "هناك طرق جديدة لاستخدام النبيذ، لكن ما زالوا على نطاق صغير، ومشاريع أخرى تنظر على طرق لتركيز وتحويل النبيذ إلى سماد تجاري.".
مراجعة: أميرة محمود.
الرابط مصدر المقال
