نگاهی به مراحل تولید بایودیزل از جلبک‌ها؛ از دنیای گیاهان به امپراطوری سیلندرها!

به گزارش پایگاه خبری «عصر خودرو»، همچنین با تعریف بایوفیول (Bio Fuel = سوخت زیستی) و دو نوع غالب امروزی آن، یعنی بایودیزل (گازوئیل زیستی) و بایواِتانول (الکل زیستی) آشنا شدید. در این شماره، یک قدم جلوتر رفته و نگاهی به فرآیند تولید بایودیزل از جلبک‌ها می‌اندازیم. امروزه جلبک‌ها (در کنار برخی منابع دیگر مثل پسماند روغن‌های خوراکی) یکی از اصلی‌ترین محورهای پژوهشی حوزه‌های مختلف زیست‌فناوری ازجمله بایودیزل بوده و  در بعضی کشورها مثل ایالات‌متحده سرمایه‌گذاری‌های کلانی را به خود اختصاص می‌دهند.
جلبک‌ها که جزو مهم‌ترین موجودات زنده و هدیه‌های کوچکی در طبیعت هستند، در دو گروه کلی میکروسکوپی و ماکروسکوپی طبقه‌بندی شده و انواع مختلفی همچون سبز، قرمز و قهوه‌ای دارند. این تنوع ساختاری وسیع در کنار توانایی فتوسنتز (همانند گیاهان پیشرفته) و همچنین گوناگونی شگفت‌انگیز زیستگاهی، ( که آتشفشان‌های داغ تا یخچال‌های سرد و انواع مختلف خشکی‌ها و دریاها را شامل می‌شود) باعث شده تا جلبک‌ها در زمینه تولید سوخت تجدیدپذیر بسیار مورد توجه قرار گیرند. قابلیت رشد در زمین‌های غیر‌زراعی، سازگاری با آب غیر‌آشامیدنی، تولید روغن‌های مناسب برای تبدیل به سوخت در مقیاس بسیار وسیع‌تر نسبت به گیاهان آوندی و سایر دانه‌های روغنی موجود، از شاخصه‌های مهم جلبک‌ها در زمینه تولید سوخت است. در مقابل، مسائلی همچون توسعه روش‌های مقرون‌به‌صرفه برای رشد، راه‌‌های کارآمد و کم‌هزینه برای کشت و برداشت محصول و ابداع راه‌حل‌های ارزان برای استخراج روغن و تبدیل به سوخت (که برای محیط زیست نیز مضر نباشد) از مهم‌ترین دغدغه‌های محققان حوزه بایودیزل جلبکی به شمار می‌روند.
شرایط مورد نیاز برای رشد جلبک‌ها بسیار ساده و ابتدایی است، به‌طوری‌که می‌توانند در آب‌های بسیار شور یا شیرین، بازه گسترده‌ای از PH، محیط بسیار خشک مثل خاک و تخته‌سنگ و تقریبا هرجایی در کره زمین که رطوبت کافی داشته باشد بدون مشکل خاصی رشد کرده و به حیات خود ادامه دهند. همین قدرت سازگاری کم‌نظیر سبب شده که گونه‌های غنی از چربی، مختص یک محیط یا گروه خاص نبوده و انواع مختلفی از روغن‌های موردنیاز برای بایودیزل تقریبا در تمامی نقاط دنیا (البته با بهره‌گیری از زیرساخت‌های صنعتی و مکانیزه) قابل تولید و بهره‌برداری باشند. برای درک بهتر این مورد بد نیست اشاره کنیم که در حال حاضر منابع اصلی نفت دنیا محدود به چند منطقه خاص ازجمله خاورمیانه بوده و اینطور نیست که در هر کشوری بتوان با حفاری و روش‌های صنعتی دست به تولید بنزین زد. البته بایودیزل حاصل از جلبک‌ها نیز برای بهره‌برداری گسترده، باید از لحاظ کیفی و فنی در سطح مطلوبی قرار داشته باشد که طبعا در همه جای دنیا قابل دستیابی نیست، اما مسئله اینجاست که تعداد مناطق مستعد تولید سوخت تجدیدپذیر یا همان بایودیزل از تعداد ذخایر نفتی موجود در دنیا بیشتر است. در ادامه نگاهی مختصر و مفید به مسیر تولید بایودیزل از جلبک‌ها می‌اندازیم.

1. انتخاب گونه مناسب
پیش از هر چیز باید یکسری مطالعه و بررسی‌های علمی  دقیق صورت گیرد تا نمونه جلبکی مناسب شناخته‌شده و فهرستی از تمامی زیستگاه‌های بالقوه آن تهیه شود. سپس به دوراهی استفاده از گونه‌های خودروی موجود در طبیعت یا انواع کشت شده آزمایشگاهی می‌رسیم که در اغلب موارد گزینه دوم مورد توجه صنعتگران و محققان قرار می‌گیرد؛ چراکه برای تولید سوخت باکیفیت، نیاز به نوع خاصی از زیست‌توده جلبکی داریم که در گونه‌های طبیعی یا تولید نمی‌شوند یا از مقدار و غلظت کافی برخوردار نیستند.

2. کشت صنعتی جلبک‌ها
کشت صنعتی جلبک‌ها  با روش‌های متنوعی صورت می‌گیرد. امروزه استخرهای روباز و رآکتورهای زیستی-‌نوری دو بستر عمده برای کشت بوده که هرکدام مزایا و معایب مختص به خود را دارند. در ادامه، با این دو بستر کشت بیشتر آشنا خواهیم شد.
استخرهای روباز درواقع حوضچه‌هایی کم‌عمق به شکل بیضی یا دایره هستند. این نوع کشت می‌تواند مستقیما روی سطح خاک یا روی بستری با پوشش مصنوعی انجام شود تا هدررفت آب به حداقل رسیده و بازدهی کشت به حد بهینه برسد. از مزایای مهم این روش می‌توان هوادهی و تغذیه مناسب، سازگاری با آب شور یا پسماند، عدم نیاز به آب شیرین و هزینه‌های پایین نگهداری را نام برد. اما این تنها بخشی از ماجراست، چراکه مسائلی مثل هدررفت آب به‌واسطه تبخیر سطحی، احتمال بالای ورود میکروب‌ها به محلول کشت و خطر گیاه‌خواران چالش‌برانگیز بوده و به راه‌حل دائمی نیاز دارند.
روش دیگر، رآکتور زیستی‌نوری است. رآکتور زیستی‌نوری به محفظه بسته و شفافی گفته می‌شود که می‌تواند به‌صورت کیسه‌های پلاستیکی، پنل مسطح، لوله‌های مارپیچ و... باشد. نور مورد نیاز این رآکتورها از نور خورشید و روش‌های مقرون‌به‌صرفه‌ای همچون دیودهای نوری (LED) تأمین می‌شود. از جمله مهم‌ترین مزایای کشت صنعتی جلبک‌ها با این روش، می‌توان به نگهداری و کنترل آسان‌تر، نسبت سطح به حجم بیشتر، مقاومت زیاد نسبت به آلودگی و گیاه‌خواران و بازدهی بالاتر اشاره کرد. اما روش مذکور به‌واسطه وجود برخی چالش‌های علمی پیش رو، هنوز کاملا مورد تأیید قرار نگرفته است.

3. برداشت محصول
پس از بلوغ جلبک‌ها، نوبت به برداشت می‌رسد. محلول حاوی جلبک‌های بالغ، بسیار رقیق بوده و حتما باید با پربازده‌ترین روش ممکن آبگیری شود. این فرایند می‌تواند بسته به هدف نهایی در یک یا چند مرحله انجام شود که البته فارغ از هر چیز، هزینه نهایی آن بسیار تعیین‌‌کننده است. امروزه دو روش عمده برای برداشت جلبک‌های بالغ مورداستفاده قرار می‌گیرد؛ یکی سانتریفیوژ‌کردن که به معنی جداسازی جلبک‌ها از محلول از طریق ته‌نشین‌سازی است‌ و دیگری صاف‌کردن که شامل بهره‌گیری از  یکسری فیلتر است که محلول را از خود عبور داده و جلبک‌ها را روی خود نگه می‌دارند. به دلیل گستردگی و پیچیدگی نسبی مسائل مربوط به هرکدام از روش‌ها، از توضیح جزءبه‌جزء خودداری کرده و به دو نکته کلیدی اکتفا می‌کنیم. در مواردی که هدف از کشت تولید سوخت صنعتی است؛ روش‌شناسی برداشت و آبگیری اهمیت زیادی داشته و از سانتریفیوژ و صاف‌کردن استفاده نسبتا وسیعی می‌شود. از روش‌های دیگر نیز می‌توان برای مصارف غیر‌سوختی مانند تولید غذای ماهی‌ها بهره برد.

4. تولید سوخت
جلبک‌ها چربی‌های متنوعی تولید می‌کنند. بعضی از این چربی‌ها مستقیما سراغ فرآیندهای فیزیولوژیک رفته و برخی دیگر به‌عنوان ذخیره کربنی انبار می‌شوند. گروهی که در صنعت برای تولید سوخت مدنظر هستند از نوع 12 تا 16 کربنه بوده و «تری‌آسیل‌گلیسرول» نام دارند. در روش معمول و سنتی، مخلوط جلبک و مایع را آبگیری کرده و پس از استخراج روغن آن‌را برای تولید بایودیزل تحت فرآیند «اِستری کردنِ جانشینی» قرار می‌دهند.
طی این فرآیند که امروزه راهکار اصلی تبدیل روغن گیاهی به سوخت است، روغن استخراج‌شده در حضور یک کاتالیزور با یک الکل وارد واکنش شده و گلیسرین خود را با الکل جایگزین می‌کند، در نتیجه ماده‌ای به‌نام «آلکیل اِستِر» یا «آسیل اِستِر» که همان سوخت زیستی است، حاصل شده و گلیسرین به‌عنوان محصول جانبی آزاد می‌شود. انجام این واکنش درواقع ویسکوزیته (میزان تمایل یک ماده برای جاری‌شدن) محلول را کاهش می‌دهد تا بتواند جایگزین و مکمل مناسبی برای سوخت‌های آلاینده فسیلی باشد. همچنین در تحقیقات نوینی که در چند سال اخیر در جریان است، تلاش شده تا با انجام روش‌های به‌روزتر سوخت بهتری تولید شود.
البته باید توجه داشت که به هر حال آخرین قدم برای تولید سوخت صنعتی همان فرآیند «اِستری‌کردن جانشینی» خواهد بود.

کلام پایانی
جایگزینی بنزین و گازوئیل با منابع تجدیدپذیر، یکی از مهم‌ترین مباحث جاری جهان خودرو بوده و حدود یک دهه است که برنامه‌های بلندمدت بسیاری از خودروسازان بزرگ دنیا را تحت تأثیر قرار داده است. جدیت این قضیه به حدی است که غالب ایده‌های مفهومی کمپانی‌های مختلف در نمایشگاه‌های چند سال اخیر به فناوری الکتریسیته و سلول سوختی اختصاص داشته و تعداد خودروهای الکتریکی موجود روزبه‌روز افزایش می‌یابد. بحث سوخت‌های زیستی مثل بایودیزل اما قدمت بیشتری داشته و از اواخر قرن بیستم وارد فاز کاربردی شده است. با وجود موج برقی‌شدن که این روزها سروصدای زیادی به پا کرده، بعید نیست تحقیقات گسترده‌ جاری در زمینه بایودیزل روزی به ثمر رسیده و قاعده جدیدی برای بازی ماشین‌ها تعریف کند.

کشت صنعتی جلبک در استخر روباز

رآکتور زیستی – نوری از نوع کیسه‌ای که به منظور کشت صنعتی جلبک‌ها به کار می‌رود .

نوع دیگری از رآکتور زیستی- نوری که به شکل لوله‌های مارپیچ ساخته شده است .

محلول حاوی جلبک‌های بالغ، بسیار رقیق بوده و حتما باید با پربازده‌ترین روش ممکن آبگیری شود .

نویسنده: امین قوام