ریزجلبک‌ها؛ سوخت‌های سبز زیستی

ایسنا/خراسان رضوی با جهش سریع و باورنکردنی به سوی صنعتی شدن و به دنبال آن بالا رفتن سطح استاندارد زندگی و شکوفایی و رونق اقتصادی کشورها در یکصد سال اخیر، نیاز به منابع سوخت پایدار، ارزان و پاک بیش از پیش نمایان شده است. محدودیت منابع سوخت‌های فسیلی، مشکلات زیست محیطی ناشی از احتراق اینگونه سوخت‌ها و بالا رفتن قیمت حامل‌های انرژی از جمله مهمترین عواملی است که جوامع مدرن و صنعتی را با چالش‌های بزرگی روبرو کرده است. 

در حال حاضر زیست سوخت‌ها اغلب از گیاهان روغنی، پسماند روغن‌های خوراکی یا چربی‌های حیوانی تولید می‌شوند. محدودیت منابع و مواد خام اولیه برای تولید زیست سوخت‌ها یکی از مهمترین مشکلات بر سر راه استفاده از این سوخت‌ها است. منابع جلبکی مانند جلبک‌ها و ریزجلبک‌ها به دلیل ظرفیت بالای روغن و سرعت رشد زیاد، منابع مناسبی برای تولید زیست سوخت به نظر می‌رسند. در سالیان اخیر تحقیقات زیادی در مورد استفاده از ریزجلبک‌ها به عنوان مواد اولیه تولید زیست سوخت انجام شده است. هدف اصلی این نوشتار معرفی منابع جلبکی، روش تولید و همچنین بررسی مزایا و معایب آن‌ها است.

در این پژوهش با نگاهی اجمالی بر پژوهش‌های مربوط به بیوانرژی یا زیست انرژی تولید سوخت مایع زیستی برای جایگزینی نفت خام یا سوخت‌های فسیلی مشابه انجام شده است. سوخت‌های مایع زیستی اغلب به سه روش ترموشیمی، سنتز و تخمیر تولید می‌شوند. آذرکافت یکی از ساده ترین و قدیمی‌ترین روش‌های ترموشیمی و فرآیندسازی سوخت است. آذرکافت اصولاً به فرآیندهایی گفته می‌شود که هدف آن گردآوری مواد فرّار و چگال کردن آن‌ها برای تولید یک سوخت مایع است. روش دیگر سنتز یا ساخت مصنوعی سوخت‌های مایع است. با روش تخمیر اغلب اتانول تولید می‌شود. تخمیر یک فرآیند بیولوژیک بی‌هوازی است که در آن قند به الکل تبدیل می‌شود. بر خلاف متانول که می‌تواند جانشین بنزین شود، اتانول را نمی‌توان جایگزین بنزین کرد. اتانول به عنوان بهبوددهنده می‌تواند به گازوییل استفاده شود و اصطلاحاً سوختی بنام گازول تولید نماید. برای تولید الکل نیاز به منابع قندی است. که این قند می‌تواند از نیشکر استحصال شود. البته نشاسته موجود در سیب زمینی، ذرت و گندم را نیز می‌توان به قند تبدیل کرد و برای تولید اتانول استفاده شود. 

ایده اصلی و اولیه استفاده از سوخت‌های زیستی به نوعی به سال ۱۹۱۱ بر می‌گردد. در سال ۱۹۱۱ رودولف دیزل بیان کرد که موتور دیزل می‌تواند با روغن‌های نباتی تغذیه شود و موجب توسعه کشاورزی شود. این روغن‌ها را می‌توان از له کردن دانه برخی از گیاهان استحصال نمود. اگرچه تحقیقات زیادی در این زمینه انجام شد، اما با ورود نفت خام ارزان قیمت این موضوع تا مدت‌ها به دست فراموشی سپرده شد. در دهه‌های اخیر محدودیت منابع سوخت‌های فسیلی و آلایندگی ناشی از آن‌ها باعث شده است تا دوباره به موضوع سوخت‌های زیستی توجه ویژه شود. به‌طوری‌که کمیسیون اروپا اعلام کرد که تا سال ۲۰۱۰ باید۵/۷۵ درصد از سوخت مصرفی از منابع زیستی تأمین شود. 

منابع زیستی با استفاده از فتوسنتز گازهای گلخانه‌ای را بازیافت می‌کنند

طبق تحقیقات صورت گرفته در حال حاضر انرژی لازم در بخش حمل و نقل به شدت به سوخت‌های فسیلی وابسته است. در طی فرآیند احتراق اینگونه سوخت‌ها مقدار زیادی گاز دی اکسید کربن و آلاینده‌های خطرناک دیگر وارد جو زمین می‌شوند که می‌توانند باعث آلودگی هوا، تشدید اثرات گلخانه‌ای و گرم شدن کره زمین شوند. برای کنترل میزان گازهای گلخانه‌ای در جو زمین لازم است که چرخه کربنی در اتمسفر زمین به گونه‌ای بسته شود. بهترین راه برای بستن چرخه کربن استفاده از منابع بیولوژیک یا زیستی مانند گیاهان است. منابع زیستی با استفاده از فرآیند فتوسنتز می‌توانند گازهای گلخانه‌ای را بازیافت کنند. بدین ترتیب ایده اصلی استفاده از سوخت‌های زیستی شکل گرفت. سوخت‌های زیستی یا زیست سوخت‌ها در واقع، مخلوطی از مونو آلکیل استرهای زنجیره‌های اسیدهای چرب هستند که معمولاً از فرآیند استریفیکاسیون "esterification" روغن‌های گیاهی، چربی‌های حیوانی یا پسماند روغن‌های خوراکی به دست می‌آیند. 

سوخت‌های زیستی غیر سمی هستند، در طبیعت به راحتی تجزیه می‌شوند و سازگاری زیادی با محیط زیست دارند. همچنین بررسی‌ها نشان داده است که استفاده از سوخت‌های زیستی باعث کاهش آلاینده‌ها از جمله مونوکسید کربن، دی اکسید گوگرد، هیدروکربن‌های سوخته نشده و ذرات معلق می‌شود.

اکسیژن، تشکیل دهنده ۱۰ درصد وزن سوخت‌های فسیلی

تقریباً ۱۰درصد وزن سوخت‌های زیستی را اکسیژن تشکیل می‌دهد. وجود چنین سهمی از اکسیژن در ساختار زیست سوخت‌ها باعث بهبود فرآیند احتراق و کاهش آلاینده‌ها است. در ترکیب زیست سوخت‌ها گوگرد، ترکیبات آروماتیک و ترکیبات فلزی وجود ندارد. نبود گوگرد در ساختار زیست سوخت‌ها علاوه بر حذف اکسیدهای گوگردی در هوا، از اثرات خوردگی ناشی از ترکیبات گوگردی در داخل موتور نیز می‌کاهد. همچنین زیست سوخت‌ها عملیات روغن‌کاری و روان‌سازی را در موتور بهبود می‌دهند. 
در کنار مزیت‌های بسیار زیاد سوخت‌های زیستی، این سوخت‌ها معایبی نیز دارند. یکی از نقاط ضعف اینگونه سوخت‌ها در زمان شروع به کار موتور در محیط‌های سرد رخ می‌نماید. در چنین شرایطی زیست سوخت کمی حالت ژلاتینی به خود گرفته و پمپاژ آن با مشکل روبرو می‌شود. البته این نقص به راحتی با اضافه کردن افزودنی‌های خاصی به سوخت برطرف می‌شود. همچنین به دلیل وجود اکسیژن بیشتر در زیست سوخت‌ها، دمای احتراق آن‌ها نیز به مراتب بالاتر از سوخت‌های فسیلی است. این امر احتمال وجود اکسیدهای نیتروژن را در آلاینده‌های خروجی اگزوز افزایش می‌دهد. این مشکل را نیز می‌توان با تنظیم زمان‌بندی پاشش سوخت تا حد زیادی مرتفع نمود. زیست سوخت‌ها را اغلب از منابع گیاهی مانند دانه‌های روغنی، چربی‌های حیوانی، پس‌آب یا فاضلاب‌هایی که منبع آلی دارند یا حتی از پسماند روغن‌های خوراکی به دست می‌آورند. 

طبق تحقیقات صورت گرفته در آمریکا روغن سویا یکی از مهمترین منابع تولید سوخت سبز یا زیست سوخت است. روغن کانولا، خرما، ذرت و نارگیل از جمله دیگر منابع مرسوم تولید زیست سوخت در کانادا و اروپا هستند. جلبک‌ها منابع غنی روغن منابع گیاهی مرسوم برای تولید زیست سوخت نمی‌توانند نیاز روز افزون به منابع سوخت را برآورده کنند. برای تولید این مواد زمینه‌ای قابل کشت زیادی مورد نیاز است. همچنین نرخ رشد این گیاهان و فرکانس محصول دهی آن‌ها کند است. نیاز به انرژی‌های فسیلی نسبتاً زیاد، مصرف آب بالا، اثرات فرسایش خاک، رقابت با غذا و عدم هماهنگی با زیر ساخت‌های موجود از جمله مشکلات عمده دیگر بر سر راه استفاده مواد خام نسل اول است. از سوی دیگر نرخ تولید آلاینده‌ها و گازهای گلخانه‌ای به شدت رو به افزایش است. با توجه به مشکلات مذکور به راحتی می‌توان چنین استنتاج نمود که بستن چرخه کربنی در محیط زیست و کنترل میزان گازهای گلخانه‌ای به وسیله مواد خام نسل اول تقریباً کاری غیر ممکن است. لذا باید به دنبال منابع مناسب‌تری رفت که بازدهی بالاتر و نرخ رشد سریع‌تری داشته باشند.

جلبک‌ها دارای خصوصیات و ویژگی‌های زیستی و فنی زیادی هستند که می‌توانند ما را در جهت غلبه بر این مشکلات یاری دهند. جلبک‌ها در جذب و استفاده از نور خورشید بازدهی بسیار بیشتری نسبت به گیاهان زمینی دارند و آلاینده‌های مضر را مصرف می‌کنند و نیاز به منابع کمتری دارند. جلبک‌ها هیچگونه رقابتی با منابع غذایی نسل بشر ندارند و استفاده از آن‌ها در تولید سوخت هیچگونه محدودیتی را در منابع غذایی به دنبال ندارد. نرخ رشد جلبک‌ها زیاد است و تقریباً در هر روز از هر متر مربع ۱۲ گرم جلبک استخراج می‌شود. در مقایسه با منابع نسل اول مانند ذرت و سویا، جلبک‌ها دوره رشد بسیار کوتاهی دارند بطوری‌که تقریباً در هر ۲۴ ساعت به حداکثر رشد خود می‌رسند و در هر ۳.۵ ساعت مقدارشان دو برابر می‌شود. 

قابلیت پرورش جلبک‌ها در آب‌هایی با PH مختلف

جلبک‌ها برای رشد و نمو امکانات و منابع خاصی نیاز ندارند و نیازهای آن‌ها در حد نیازها اولیه مانند آب، دی اکسید کربن، نور خورشید و مواد مغذی است. در اغلب مناطق نور خورشید به اندازه کافی وجود دارد. گاز دی اکسید کربن لازم برای رشد جلبک‌ها را می‌توان از گازهای خروجی نیروگاه‌ها یا سایر سازوکارهای صنعتی تأمین کرد. جلبک‌ها در آب‌های با PH مختلف قابل رشد هستند که شامل آب شرب، آب‌های شور و بدمزه یا حتی فضلاب‌ها می‌شود. 

نیاز جلبک‌ها به مواد مغذی نسبت به سایر مواد خام نسل اول به مراتب کمتر است. این امر به خاطر ساختار ساده تک سلولی آن‌ها است. از جمله مهمترین مواد مغذی مورد نیاز برای رشد جلبک‌ها نیتروژن و فسفر است که می‌توان آن‌ها را از کودهای شیمیایی سنتی تهیه کرد. البته این مواد در فاضلاب‌ها به حد کافی وجود دارد که اگر از فاضلاب برای رشد جلبک‌ها استفاده شود نیاز آن‌ها به مواد مغذی اضافی به شدت کاهش می‌یابد. تکثیر و پرورش جلبک‌ها معمولاً به دو صورت انجام می‌گیرد که شامل استفاده از استخرهای باز و استفاده از فتو بیو رآکتورهای بسته می‌شود. روش استخر باز یک روش ساده و بسیار ارزان قیمت است. در روش استخر باز ارسال و نقل و انتقال گاز دی اکسید کربن با مکانیزم انتقال جرم طبیعی صورت می‌گیرد. از آنجا که تنها ۰/۳۶  درصد از هوای اتمسفر را دی اکسید کربن تشکیل می‌دهد، انتقال این گاز به داخل استخر با محدودیت‌هایی همراه است. بدین منظور برای انتقال بهتر گاز دی اکسید کربن از روش حباب زنی استفاده  ‌شود که باز هم به دلیل باز بودن استخرها، بخش اعظمی از گاز انتقال یافته می‌تواند فرار کند. 

گونه‌های جلبکی مرسوم در تولید زیست سوخت تاکنون گونه‌های مختلفی از ریز جلبک‌ها از جمله کلرلا "Chlorella  "، دونالیلا "Dunaliella  " و اسپیرولینا "Spirulina " با هدف تولید سوخت مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به تازگی گونه خاصی از ریز جلبک کلامیدوموناس "Chlomydomonas " با نام "MCCS۲۰۶ " در برخی نواحی جنوبی ایران مانند استان فارس شناسایی شد که می‌تواند به عنوان منبع مناسبی برای تولید سوخت سبز مورد استفاده قرار گیرد. طبق تحقیقات انجام شده این گونه خاص جلبکی علاوه بر نرخ سریع رشد و ظرفیت لیپیدی نسبتاً بالا، محیط کشت بسیار ساده و ارزان قیمتی که دارد به‌طوری‌که حتی در شرایط اقلیمی ایران بطور طبیعی نیز قابل رشد و تکثیر است. نتایج برخی تحقیقات انجام شده نشان داده است که سوخت به دست آمده از این سویه جلبکی خواص بسیار مشابهی با سوخت دیزل فسیلی دارد. این زیست سوخت جدید نسبت به زیست سوخت بدست آمده از برخی ریز جلبک‌های دیگر مانند کلرلا "Chlorella " نیز از کیفیت بسیار بالاتری برخوردار است.

زیست سوخت‌های جلبکی در آینده نزدیک در سال ۲۰۰۷ میلادی هزینه تولید روغن از یک گونه ریزجلبکی با ظرفیت چربی ۳۰درصد با استفاده از روش فتوبیورآکتورهای بسته با ظرفیت ۱۰ هزار تن در سال تقریباً برابر با ۱۰.۵ دلار برای هر گالن تخمین زده شد. البته این مبلغ بدون در نظر گرفتن هزینه‌های مربوط به تبدیل روغن به زیست سوخت، هزینه حمل و ارسال سوخت و مالیات محاسبه شد. این در حالی است که در همان زمان هزینه سوخت فسیلی برای هر گالن چیزی حدود ۴ دلار بود. در حال حاضر هزینه بالای تولید زیست سوخت‌های جلبکی بزرگترین چالش اینگونه سوخت‌ها است. اما در چند سال آینده با محدودیت منابع سوخت‌های فسیلی و رشد روز افزون قیمت آن‌ها از یک سو و با بهینه‌سازی فرآیندهای تولید زیست سوخت‌های جلبکی از سوی دیگر، شرایط تغییر خواهد کرد و به زودی زمانی فرا خواهد رسید که زیست سوخت‌های جلبکی مقرون به صرفه خواهند شد.

بر اساس مطالعات گزارش شده امروزه مطالعه و تحقیق در محصولات گیاهی دارای روغن به منظور استحصال ماده اولیه تولید انرژی و حل مشکلات ناشی از محدودیت‌های آتی سوخت جهانی بسیار گسترش یافته است. یکی از مشکلات بوجود آمده‌ای که در آینده پرورش گیاهان روغنی با هدف تولید انرژی را محدود خواهد ساخت، تغذیه انسانی از این منابع گیاهی است. دومین مشکل عدم کارآیی بالا در تولید گیاهان روغنی به خصوص با بهره‌گیری از سیستم کشت سنتی فعلی است که حتی با بهره‌گیری از روش‌های جدید و مکانیزاسیون، وسعت زمین‌های تحت اشغال برای تولید سوخت جهانی از آن‌ها بسیار زیاد خواهد بود. میکرو جلبک‌ها بالاترین پتانسیل را برای تولید انرژی از خود نشان دادند. این ارگانیسم‌ها از نور خورشید، آب و دی اکسید کربن برای تولید زیست توده استفاده می‌نمایند.

نقش منحصر به‌فرد جلبک‌ها در آبزی پروری

در بررسی‌های ترکیبات بیوشیمیایی ریز جلبک‌ها درصدهای قابل توجهی از پروتئین، چربی، کربوهیدرات‌ها و ویتامین‌ها به همراه مواد معدنی بدست آمده که بسیاری از آن‌ها را به عنوان غذاهای با ارزش در صنعت آبزی پروری معرفی نموده است. امروزه بالغ بر ۳۲ گونه ریز جلبک در آبزی‌پروری دنیا نقش تغذیه‌ای منحصر به‌فردی در مراحل اولیه زیستی آبزی پرورشی، که از حساسیت خاصی برخوردار است ایفا می‌نمایند. 

از نظر بیوسیستماتیک، ریز جلبک‌ها در کلاس‌های مختلف دسته‌بندی شده‌اند که بر اساس رنگدانه، چرخه زیستی و ساختار سلولی تقسیم بندی می‌شوند. دیاتومه‌‎ها "Bacillariophyceae"  یک نمونه از این جلبک‌ها هستند که درغالب اقیانوس‌ها وجود دارند ولی در آب‌های شیرین و لب شور یافت نمی‌شوند. تاکنون تقریبا ۱۰۰ هزار گونه از آن‌ها شناسایی شدند. دیاتومه‌ها دارای سیلیکا پلیمریزه شده در دیواره سلولی خود هستند. همه سلول‌ها ذخیره کننده کربن در شکل‌های متفاوت هستند دیاتومه‌ها نیز کربن را به شکل روغن‌های طبیعی یا پلیمر کربوهیدراتی به نام کایرسولامینارین"Chyrsolaminarin " ذخیره می‌کنند. 

جلبک‌های سبز "Chlorophyceae " این جلبک‌ها بوفور در آب‌های شیرین یافت که بشکل سلول‌های انفرادی یا کلونی دیده می‌شوند. جلبک‌های سبز از نظر تکامل اجدادی، جزو گیاهان پیشرفته و مدرن هستند. ماده اصلی ذخیره‌ای در آن‌ها نشاسته است که البته تحت شرایط معینی می توان از آن‌ها روغن بدست آورد. جلبک‌های سبز- آبی "Cyanophyceae " این جلبک‎ها از نظر ساختار و سازمان بندی به باکتری‌ها بسیار نزدیک هستند و نقش مهمی در تثبیت نیتروژن از اتمسفر دارند. تقریبا حدود ۲۰۰۰ گونه از آن‌ها تاکنون شناخته شده است که در زیستگاه‌های مختلف یافت می‌شوند.

جلبک‌های طلایی "Chrysophyceae "،  این گروه از جلبک‌ها به دیاتومه‌ها بسیار شبیه هستند ولی سیستم رنگدانه‌ای آن‌ها پیچیده تر است به‌طوری‌که به رنگ‌های زرد، قهوه‌ای یا نارنجی دیده می‌شوند. حدود ۱۰۰۰ گونه از آن‌ها تاکنون شناخته شده که عمدتا در آب‌های شیرین یافت شدند. از نظر ساختار و ترکیبات بیوشیمیایی شبیه به دیاتومه‌ها هستند. این جلبک‌های طلایی قادر به تولید روغن‌های طبیعی و کربوهیدرات‌ها یه عنوان ترکیبات ذخیره‌ای درخود هستند. در آمریکا، انستیتو تحقیقات انرژی خورشیدی از سال ۱۹۷۸ برنامه‌ای تحت عنوان برنامه گونه‌های آبزی را پیگیری می‌نماید که با صرف هزینه‌های میلیارد دلاری و بهره‌گیری ازمتخصصان اقدام به نمونه برداری از ریزجلبک‌های مناطق مختلف کشور با تقسیم بندی‌های جغرافیایی خشک، مرطوب، با دماهای بالا و پایین و همچنین دارای نوسانات زیاد دمایی نموده با این هدف که گونه‌هایی مقاوم با توان تولید روغن بالا را معرفی نموده بطوریکه با ایجاد شرایط کشت انبوه امکان تولید روغن‌های قابل سوخت به عنوان دیزل زیستی از آن‌ها فراهم گردد.

بر اساس مطالعات صورت گرفته تاکنون بالغ بر ۳۰۰۰ گونه ریز جلبک از مناطق مختلف جمع آوری شده، توان تحمل کشت آن‌ها در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت با کشت اختصاصی و تولید انبوه، مقادیر قابل توجهی روغن از آن‌ها استخراج شده است. دستکاری‌ها در محیط کشت از جمله ایجاد محدویت‌های غذایی شامل محرومیت نیتروژن و سیلیس و همچنین دستکاری‌های ژنتیکی منجر به تولید بیشتر روغن در سویه‌های مورد مطالعه شده است ضمن آنکه تحمل شرایط سخت اکولوژیکی را برای کشت انبوه آن‌ها میسر ساخته است.

منابع:
* حافظیه، م و حافظیه، س. (۱۳۸۹). «بیودیزل از ریز جلبک‌ها»، نخستین همایش بیوانرژی ایران. تهران. صص:۱-۱۲.
* امیدوار، م. (۱۳۹۳). «ریزجلبک‌ها، منابع آینده تولید انرژی زیستی»، فصلنامه علمی-تخصصی انرژی‌های تجدید پذیر و نو. سال اول.  شماره ۱. صص: ۱-۷

انتهای پیام