استفاده از ماکروجلبک های قهوه ای در تولید بیواتانول در ایران
ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی بی‌نظیر و ویژگی‌های اقلیمی دارای پتانسیل زیادی برای تولید انرژی تجدیدپذیر است، استفاده از جلبک‌های دریایی به‌جای سوخت‌های فسیلی می‌تواند نقش مهمی در کاهش آلودگی هوا، پایداری منابع فسیلی و بهبود اکوسیستم دریایی داشته باشد. در این راستا استفاده از ماکروجلبک‌ها برای تولید بیواتانول می‌تواند بخشی از تقاضای جهانی را تأمین کند و معایب ناشی از سوخت‌های فسیلی را نیز برطرف کند.
امروزه یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر برای جایگزینی با سوخت‌های فسیلی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. آلودگی محیط زیست، انتشار گازهای گلخانه‌ای، تغییرات آب و هوا و نوسانات قیمت نفت خام از جمله معایب سوخت‌های فسیلی است. ماکروجلبک‌ها، از جمله گیاهان دریایی که به سرعت در حال رشد هستند و نیازی به زمین‌های قابل کشت، کود و آب شیرین ندارند. همچنین انواع مختلف اکوسیستم، مانند صخره‌های مرجانی، جنگل‌ها و سواحل صخره‌ای به طور مؤثر میزبان جلبک‌های دریایی هستند. این خصوصیات و ویژگی‌ها باعث شده است که آن‌ها منبع تغذیه‌ای بسیار مناسبی برای تولید بیواتانول باشند.
در این تحقیق که توسط حامد کاظمی و همکارانش انجام شده است، تنوع ماکروجلبک‌ها، کشت جلبک‌ها و فناوری تبدیل آن‌ها به بیواتانول در ایران مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت نیز به پتانسیل خطوط ساحلی بوشهر (خلیج فارس) و چابهار (خلیج عمان) برای کشت ماکروجلبک‌ها پرداخته‌اند. این مکان‌ها تابش خورشیدی سالانه را در محدوده 1753-1680 کیلو وات ساعت بر متر مربع دریافت می‌کنند. علاوه بر این، آب غنی از مواد مغذی و pH، شوری و درجه حرارت نسبتاً پایدار، این سواحل را برای کشت ماکروجلبک‌ها مناسب می‌کند.
سوخت‌های زیستی
تغییرات آب و هوایی، نوسان قیمت سوخت‌های فسیلی، آلودگی محیط زیست و کاهش منابع، باعث علاقه زیادی برای جستجو منابع انرژی سبز و تجدیدپذیر شده است.
زیست‌توده‌های ماکروجلبک (جلبک‌های دریایی) غنی از کربوهیدرات هستند و می‌توانند توسط فرایند ترموشیمیایی (بهره‌برداری از زیستتوده خشک) و یا فرایند میکروبیولوژیکی (بهره‌برداری از زیستتوده تر) سوخت‌های زیستی را تولید و بخشی از تقاضای سوخت حمل و نقل جهانی را تأمین کنند. روغن‌های زیستی، نفت خام زیستی و بیودیزل توسط ترموشیمی و بیوگاز، بیواتانول، بیوبوتانول توسط میکروبیولوژیکی تهیه می‌شوند. بسیاری از ماکروجلبک‌ها حاوی مقداری تری‌گلیسیرید و فلزات هستند. وجود فلزات در ماکروجلبک‌ها می‌تواند فرایندهای تولید بیودیزل را کاتالیز یا مهار کند. محتوای بالای تری‌گلیسیرید در ماکروجلبک‌ها نیز برای تولید بیودیزل مناسب است. چون تری‌گلیسیریدها دارای مقدار زیادی اسید چرب بوده و فاقد فسفر، سولفور و نیتروژن و دیگر گازهای سمی هستند.
با استفاده از پیشرفت‌های علمی و فناوری مربوطه، کشورهای ساحلی می‌توانند از جلبک‌ها به‌عنوان یک ماده اولیه مناسب برای توسعه پایدار انرژی بهره بگیرند. جمعیت جهان پیش از سال 2050 به 9.6 میلیارد نفر خواهد رسید و پیش‌بینی می‌شود که در بین حامل‌های مختلف انرژی تجدیدپذیر، میزان مصرف اتانول با افزایش 3.4 برابری روبه‌رو می‌شود. این سوخت بیولوژیکی سبز یا مشتقات آن به‌عنوان مخلوط در بنزین با غلظت‌های مختلف کاربرد دارد و اعتقاد بر این است که انتشار آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد.
خوراک‌های تولید بیواتانول
خوراک‌های معمولی برای تولید اتانول، زیست‌توده‌های قند یا نشاسته، مانند نیشکر، ذرت، چغندر و سیب زمینی است که معمولاً به‌عنوان اولین نسل تولید اتانول خوانده می‌شوند. به دلیل برخی از بحث‌های اقتصادی و سیاسی، اتانول نسل دوم از زیستتوده گیاهی که مبتنی بر مواد لیگنین سلولزی است، تهیه می‌شود و به‌عنوان جایگزین بیواتانول نسل اول در نظر گرفته شده است.
در راه‌حل دیگر ممکن است که از جلبک‌های دریایی به‌عنوان مواد اولیه نسل سوم استفاده شود. جلبک‌ها نماینده یک زیستتوده اقتصادی، پایدار و سازگار با محیط زیست برای تولید سوخت‌های زیستی هستند. ماکروجلبک‌ها برخلاف خوراک‌های نسل اول اتانول، از تأثیرات منفی بر تأمین مواد غذایی جلوگیری می‌کنند و همچنین نیازی به زمین‌های زراعی، کود و منابع آب شیرین ندارند. در مقایسه با لیگنین سلولزی، ماکروجلبک‌ها تقریباً هیچ لیگنینی ندارند و بنابراین قندهای آن‌ها با عملیات آسان‌تر و اقتصادی‌تر آزاد می‌شوند. ماکروجلبک‌ها حاوی مقدار زیادی نیتروژن و گوگرد هستند که می‌تواند باعث ایجاد پیچیدگی و تحول زیستی در بیوگازها و بیواتانول‌ها شود که به دلیل سمیت آمونیاک و وجود مقادیر زیاد سولفید هیدروژن و اکسیدهای نیتروژن است. با این حال مقدار بالای کربوهیدرات موجود در ماکروجلبک‌ها، باعث می‌شود که به‌عنوان یک منبع تغذیه‌ای خوب و مناسب برای تولید بیواتانول به شمار آیند، البته این در صورتی است که مراحل پیش تصفیه، هیدرولیز و تخمیر میکروبی به درستی انجام شود. با توجه به شکل زیر کشت ماکروجلبک‌ها بین سال‌های 2001 تا 2010 روند روبه رشدی داشته است و در سال‌های قبل چندین کشور، کشت آن‌ها را در مقیاس بزرگ انجام داده‌اند.
ماکروجلبک‌ها به دلیل ارزش غذایی بالا به‌عنوان یک منبع غذایی در سراسر جهان، به‌ویژه در آسیا پذیرفته شده‌اند، همچنین به دلیل وجود ترکیبات زیست فعال در صنعت داروسازی توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. از دیگر کاربردهای ماکروجلبک‌ها، استفاده به‌عنوان خوراک دام، کودهای کشاورزی و مواد اولیه پلیمرها است. تولید سوخت‌های زیستی جلبکی به‌عنوان یکی از کارآمدترین روش‌های تولید سوخت زیستی شناخته شده است.
ماکروجلبک‌های قهوه‌ای
ماکروجلبک‌های قهوه‌ای حاوی کربوهیدرات بالاتری در مقایسه با ماکروجلبک‌های سبز و قرمز هستند و می‌توان به راحتی و به صورت انبوه آن‌ها را کشت داد. یکی از استفاده‌های این نوع از ماکروجلبک‌ها در تولید اتانول است. اتانول را می‌توان از خمیر ماکروجلبک‌های قهوه‌ای بعد از حذف آلژینات و فوکوییدان تهیه کرد. این محصولات مشترک دارای ارزش تجاری هستند و در مورد بعدی در صنعت داروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در این مقاله، پتانسیل تولید اتانول از جلبک‌های قهوه‌ای با تمرکز ویژه بر روی کشت، برداشت، ترکیب شیمیایی، پیش تصفیه، پاک‌سازی و تخمیر مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این به‌طور خلاصه در مورد پتانسیل ماکروجلبک‌های قهوه‌ای به‌عنوان منبع تغذیه برای تخمیر اتانول توضیح داده شده است، چون این جلبک‌ها تنوع و توزیع فراوانی در آب‌های خلیج فارس، خلیج عمان و دریای خزر دارند.
کشت ماکروجلبک‌ها
پیشرفت در صنعت کشت جلبک دریایی ناشی از توسعه بازار تجاری محصولات ماکروجلبک‌ها در کاربردهای مختلف است. تقریباً 93 درصد جلبک‌های مصرفی انسان‌ها از کشت چهار گونه ناشی می‌شود. این گونه‌ها شامل، گراسیلاریا، لامیناریا، پورفیرا، آندریا هستند. جلبک‌های دریایی بزرگ قهوه‌ای که معمولاً به عنوان kelp شناخته می‌شوند، کاربردهای بسیاری برای انسان دارند. در طول دو دهه گذشته دو گونه Saccharina latissma و Macrocystis sp به ترتیب در اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام شرقی با گیاه زئوسپور به‌عنوان بذر کشت شده‌اند. اگرچه روش‌های کشت در کشورهای غربی و آسیایی کمی متفاوت است، اما از سیستم‌های کشت مشابهی پیروی می‌کنند. اخیراً تلاش‌های زیادی در جهت توسعه گونه‌های جلبک دریایی انجام شده است که در برابر بیماری‌ها مقاوم هستند و در دماهای بالاتر پایدار بوده و به سرعت رشد می‌کنند. مصرف زیاد گونه‌های جلبک دریایی در آسیا باعث کاهش سازگاری گونه‌های جلبک دریایی به دلیل کاهش تنوع ژنتیکی می‌شود. در اروپا و آمریکای شمالی نیز برای جمع‌آوری بذرهای زئوسپور از منابع وحشی استفاده می‌کنند.
تولید صنعتی ماکروجلبک‌ها را می‌توان با ایجاد بانک بذر که گونه‌هایی را با ویژگی‌های رشد و تولید مطلوب ذخیره می‌کند، انجام داد. کشت ماکروجلبک‌ها را می‌توان به دو مرحله اصلی، تلقیح و مرحله رو به رشد تقسیم کرد.
در مرحله تلقیح، بذرهای جلبک دریایی در گلخانه‌ها کشت می‌شوند و به‌دنبال آن به محض رسیدن به اندازه مناسب به مزارع ساحلی منتقل می‌شوند. مرحله اول کشت ماکروجلبک‌ها را می‌توان به وسیله بذر گامتوفیت و یا روش بذر مستقیم انجام داد. جلبک‌های دریایی حاصل‌خیز بسته به نوع و محل آن‌ها در فصول مناسب جمع‌آوری می‌شوند. در فناوری‌های نوین کشت ماکروجلبک‌ها از بذرهای تولید شده مصنوعی به‌عنوان منبع تکثیر استفاده می‌کنند. روش‌های بذر مستقیم بسیار ساده‌تر و اقتصادی‌تر از روش بذر گامتوفیت است. اما با این حال به مواد حاصل‌خیز بیشتری نیاز دارد.
در مرحله بعد از تلقیح و پس از رشد جلبک‌ها به اندازه مناسب، معمولاً آن‌ها را به مدت تقریباً 6 تا 7 ماه در سیستم‌های دریایی قرار می‌دهند. کشت ماکروجلبک‌ها را می‌توان در مزارع ساحلی نزدیک، استخرهای زمینی و مزارع دریایی انجام داد. دو سیستم رایج، برای کشت ماکروجلبک‌ها استفاده از طناب‌های افقی و عمودی است. در این حالت ماکروجلبک‌ها به طناب‌های افقی و یا عمودی متصل می‌شوند. طناب‌های عمودی به حالت شناور هستند و ماکروجلبک‌های شناور از طریق وزنه به کف دریا ثابت می‌شوند. در حالی که در سیستم افقی خطوط شناور با استفاده از طناب‌های افقی به یکدیگر متصل می‌شوند.
برداشت ماکروجلبک‌ها
برداشت ماکروجلبک‌ها به روش دستی و یا مکانیزه انجام می‌شود. روش دستی توسط بعضی از ابزارها مانند چنگال‌های مخصوص انجام می‌شود. در مقابل تکنیک دوم به کشتی یا قایق نیاز دارد و برداشت ماکروجلبک‌ها توسط ماشین‌های مجهز به تیغه‌های چرخشی، مکش و جمع‌کننده انجام می‌شود.
ایران دارای انواع مختلف آب و هوا و تنوع بیولوژیکی است. کوکبی و یوسف‌زاده یک لیست جامع از جلبک‌های ایران را ارائه دادند. طبق این مطالعه، 309 گونه ماکروجلبک، متشکل از 161 نوع Chlorophyta 78 ،Ochrophyta 70 ،Rhodophyta در اکوسیستم دریایی شناسایی شده است.
انواع گونه‌های جلبک در دریای خزر، خلیج فارس و خلیج عمان
طبق جدول زیر، در مناطق مختلف دریای خزر 70 گونه ماکروجلبک وجود دارد که بر اساس تجزیه و تحلیل آن‌ها، 37 گونه جلبک سبز، 11 گونه جلبک قهوه‌ای و 22 گونه جلبک قرمز وجود دارد. پویایی و تنوع در دریای خزر به تغییرات سطح دریا و شوری آن بستگی دارد. انواع جلبک‌های موجود در خلیج فارس و خلیج عمان در جدول 1 و 2 آورده شده است.
جدول 1: انواع جلبک‌های موجود در خلیج فارس و دریای عمان
| (Chlorophyceae (green macroalgae |
|---|
| Ulotrhrix flacca, U. pseudoflacca, U. implexa, U. zonata, Ulvella lens, Pringsheimiella scutata, Entocladia viridis, Acrochaete parasitica, Monostroma wittrockii, Blidingia minima, B. marginata, Ulva prolifera, U. flexuosa, U. linza, U. intestinalis, E. torta, E. ahlneriana, E. clathrata, E. kylinii, Gomontia polyrrhriza, Chaetomorpha aerea, C. linum, C. gracilis, Rhizoclonium riparum, R. implexum, R. hieroglyphicum, Cladophora sericea, C. vagabunda, C. siwaschensis, Urospora penicilliformis, Ostreobium queckettii, Chara aspera, Chara crinite, Chara foetida, Chara hispida, Chara intermedia, Lamprothamnium alopecuroides |
| (Phaeophyceae (brown macroalgae |
| Pylaiella littoralis, Ectocarpus siliculosus, E. caspicus, E. humilis, Entonema oligosporum, E. effusum, Phaeostroma bertholdii, Myrionema strangulans, Ascocyclus orbicularis, Microspongium gelatinosum, Monosiphon caspicus |
| (Rhodophyceae (red macroalgae |
| Asterocystis ramosa¸ Bangia fuscopurpurea, B. atropurpurea, Kylinia parvula, K. hallandica, K. virgatula, Acrochaetium daviesii, Acrochaetium thuretii, Hildenbrandtia prototypes, Lithoporella lapidea, Ceramium tenuissimum, C. diaphanum, C. elegens, Callithamnion kirillianum, Polysiphonia violacea, P. sanguinea, P. denudata, P. caspica, Lophosiphonia obscura, Laurencia caspica, Laurenciocolax polyspora, Dermatolithon capsicum |
جدول 2: گونه‌های مختلف جلبک موجود در خلیج فارس و دریای عمان
| Family | Genus |
|---|---|
| (Chlorophyta (green macroalgae | |
| Boodleaceae | Cladophoropsis |
| Bryopsidaceae | Bryopsis |
| Caulerpaceae | Caulerpa |
| Cladophoraceae | Chaetomorpha, Cladophora, Rhizoclonium |
| Codiaceae | Codium |
| Derbesiaceae | Derbesia |
| Dichotomosiphonaceae | Avrainvillea |
| Halimedaceae | Halimeda |
| Phaeophilaceae | Phaeophila |
| Polyphysaceae | Acetabularia, Parvocaulis |
| Siphonocladaceae | Dictyosphaeria, Siphonocladus |
| Ulotrichaceae | Spongomorpha |
| Ulvaceae | Ulva |
| Ulvellaceae | Ulvella |
| Valoniaceae | Valonia, Valoniopsis |
| (Ochrophyta (brown macroalgae | |
| Acinetosporaceae | Feldmannia |
| Bachelotiaceae | Bachelotia |
| Chordariaceae | Stilophora, Tinocladia |
| Dictyotaceae | Canistrocarpus, Dictyopteris, Dictyota, Lobophora, Padina, Spatoglossum, Stoechospermum |
| Sargassaceae | Hormophysa, Nizamuddinia, Polycladia, Sargassum, Sirophysalis, Stephanocystis, Turbinaria |
| Scytosiphonaceae | Colpomenia, Iyengaria, Jolyna, Rosenvingea, Scytosiphon |
| Sphacelariaceae | Sphacelaria |
| (Rhodophyta (red macroalgae | |
| Acrochaetiaceae | Acrochaetium |
| Ahnfeltiaceae | Ahnfeltia |
| Bonnemaisoniaceae | Asparagopsis |
| Callithamniaceae | Aglaothamnion, Crouania |
| Ceramiaceae | Antithamnion, Centroceras, Ceramium, Corallophila, Gayliella |
| Champiaceae | Champia |
| Corallinaceae | Amphiroa, Hydrolithon, Jania, Pneophyllum |
| Cystocloniaceae | Hypnea |
| Dasyaceae | Dasya, Heterosiphonia |
| Delesseriaceae | Apoglossum, Myriogramme, Taenioma |
| Erythrotrichiaceae | Erythrotrichia, Sahlingia |
| Furcellariaceae | Furcellaria |
| Galaxauraceae | Actinotrichia, Dichotomaria, Galaxaura |
| Gelidiaceae | Gelidium |
| Gelidiellaceae | Gelidiella |
| Gigartinaceae | Chondracanthus, Chondrus |
| Gracilariaceae | Gracilaria, Gracilariopsis |
| Halymeniaceae | Corynomorpha, Grateloupia, Halymenia |
| Liagoraceae | Dermonema, Helminthocladia, Liagora |
| Lomentariaceae | Ceratodictyon, Lomentaria |
| Phyllophoraceae | Ahnfeltiopsis |
| Rhodomelaceae | Acanthophora, Chondria, Chondrophycus, Digenea, Herposiphonia, Laurencia, Leveillea, Lophocladia, Melanothamnus, Neosiphonia, Osmundea, Laurencia, Palisada, Polysiphonia, Zanardini, Tolypiocladia, |
| Rhodymeniaceae | Botryocladia, Rhodymenia |
| Sarcomeniaceae | Cottoniella, Platysiphonia |
| Scinaiaceae | Scinaia |
| Sebdeniaceae | Sebdenia |
| Solieriaceae | Sarconema, Solieria, Wurdemannia |
| Spyridiaceae | Spyridia |
| Stylonemataceae | Chroodactylon, Stylonema |
| Wrangeliaceae | Anotrichium, Griffithsia, Gymnophycus |
ترکیب شیمیایی جلبک‌های دریایی قهوه‌ای
ماکروجلبک‌ها دارای 10 تا 15 درصد ماده خشک هستند و منبع اصلی کربوهیدرات در دیواره سلولی آن‌ها وجود دارد. ترکیب شیمیایی جلبک‌ها به‌طور کلی تحت تأثیر تغییرات فصلی و شرایط جغرافیایی است. کربوهیدرات‌های اصلی در ماکروجلبک‌های قهوه‌ای شامل آلژینات، سلولز، لامینارین، مانیتول‌ها و مقدار کمی گلوکز و گلی‌اگزالیک اسید است که لامینارین اصلی‌ترین نشاسته ذخیره شده در ماکروجلبک‌های قهوه‌ای است. ماکروجلبک‌ها فاقد لیگنین و یا مقدار خیلی کمی از آن هستند که این عامل باعث می‌شود که تبدیل ماکروجلبک‌ها به اتانول مزیت بیشتری نسبت به زیست‌توده‌های زمینی داشته باشد. مهم‌ترین محتوای کربوهیدرات جلبک‌ها، پلی ساکارید است که شامل سلولز، آرابینوکسیلان، گالاکتومانان و همی‌سلولز است که به پلی‌ساکاریدهای ساختاری و ذخیره‌سازی تقسیم‌بندی می‌شوند.
تبدیل ماکروجلبک‌های قهوه‌ای به بیواتانول
ماکروجلبک‌های قهوه‌ای یک منبع انرژی برای تولید بیواتانول هستند که برای تبدیل آن‌ها به بیواتانول باید مراحل پیش‌تیمار، هیدرولیز و تخمیر میکروبی انجام شود. بنابراین بافت دیواره سلولی و همچنین مولکول‌های پلیمری، قبل از تخمیر میکروبی به قندهای تخمیر شده تبدیل می‌شوند. انواع مختلف روش‌های فیزیکی، شیمیایی و آنزیمی برای مراحل مختلف وجود دارد. پس از برداشت محصول، ممکن است که جلبک‌های دریایی حاوی شن، ماسه، سنگ و سایر مواد چسبنده باشند که لازم است قبل از مرحله پیش‌تیمار، غربالگری انجام شود تا اشیاء خارجی و بقایای مواد دیگر جدا شوند.
مرحله اول) پیش‌تیمار
روش پیش‌تیمار برای ماکروجلبک‌های قهوه‌ای ممکن است که به صورت فیزیکی (خرد کردن، تابش)، فیزیکی-شیمیایی (آب داغ و بخار)، شیمیایی (اسید) و یا ترکیبی از آن‌ها باشد. در روش شیمیایی پیش‌تیمار، پلی‌ساکاریدها توسط اسیدهای رقیق مانند هیدروکلریک اسید، اسیدفسفریک و یا اسیدسولفوریک به مقدار زیادی به مونومرهای قند شکسته می‌شوند. هدف از این روش به حداکثر رساندن تبدیل پلی‌ساکاریدها به قندهای محلول، افزایش تخلخل زیستتوده و بهبود هیدرولیز سلولز به گلوکز در فرایندهای آنزیمی بعدی است.
مرحله پیش‌تیمار همچنین می‌تواند به صورت فیزیکی و با استفاده از تابش‌های پرانرژی مانند پرتوهای گاما انجام شود. در این صورت یون‌ها و رادیکال‌هایی تولید می‌شود که می‌توانند آغازگر واکنش‌های شیمیایی باشند. در این روش متناسب با شدت تابش، شکستن پیوندهای شیمیایی و کاهش وزن مولکولی انجام می‌شود. از سوی دیگر، تابش‌های مایکروویو منجر به ارتعاش پیوندهای قطبی موجود در زیستتوده و محیط آبی اطراف آن و همچنین تولید گرمای داخلی و ایجاد نقطه داغ می‌شود. این عوامل باعث تقویت شکستن پلی‌ساکاریدها در ماکروجلبک‌ها می‌شوند.
بسیاری از محققان که روش پیش‌تیمار شیمیایی و استفاده از اسید را مورد استفاده قرار دادند، روش پیش‌تیمار به کمک آب گرم را نیز انجام دادند و در نهایت به این نتیجه رسیدند که پیش‌تیمار به کمک آب گرم در مقایسه با اسید، میزان غلظت قندها را کاهش می‌دهد اما به هزینه کمتری نیاز دارد و از لحاظ اقتصادی برتر است. به‌طور کلی متداول‌ترین روش برای پیش‌تیمار استفاده از اسیدسولفوریک (H2SO4) است. با این وجود در راکتورهای پیش‌تیمار برای کاربردهای صنعتی و استفاده از اسید و گرما به عنوان کاتالیزور، فناوری ویژه و مواد مقاوم مورد نیاز است.
در پایان مرحله مراحل پیش‌تیمار شیمیایی، برای عملکرد مناسب آنزیم‌های هیدرولیز و میکروارگانیسم‌ها، با استفاده از آمونیاک یا آهک میزان pH را افزایش می‌دهند. آهک در مقایسه با آمونیاک خنثی‌کننده مناسبی نیست، چون در pH بالاتر واکنش‌های جانبی انجام می‌دهد و همچنین میزان مونومرهای قند موجود را کاهش می‌دهد. در پایان این مرحله مواد اولیه پلی‌ساکارید در برابر هیدرولیز به‌طور سریع آسیب‌پذیر می‌شوند و بازده مونومرهای قند افزایش می‌یابد. برای جلوگیری از تخریب یا کاهش کربوهیدرات‌ها و بهبود تولید قند، باید از تولید ترکیبات مهارکننده جلوگیری شود.
مرحله دوم) هیدرولیز
پس از مرحله پیش‌تیمار، مرحله هیدرولیز انجام می‌شود و زیستتوده جلبک در معرض هیدرولیز شیمیایی و یا آنزیمی قرار می‌گیرد تا قندهای پلی‌ساکارید ساختاری آزاد شوند. هیدرولیز آنزیمی مزایای زیادی، مانند شرایط ملایم‌تر و عملکرد بالاتر قند، نسبت به هیدرولیز اسیدی دارد. تلاش برای هیدرولیز زیستتوده جلبک‌های دریایی با آنزیم‌های مخصوص ماکروجلبک‌ها، مانند لامیناریناز به دلیل کارایی کم هیدرولیز ناکام ماند. با این حال پیشنهاد شده است که می‌توان میزان هیدرولیز را با استفاده از چند آنزیم اضافی بهبود بخشید.
به‌طور کلی صرف نظر از روش‌های انتخاب شده، ممکن است که ماکروجلبک‌ها حاوی مقدار زیادی از فلزات سنگین، مواد معدنی، ازت یا گوگرد باشند که ممکن است در مراحل پیش‌تیمار و یا هیدرولیز به درون محیط تخمیر آزاد شوند. این امر نیاز به یک مرحله سم‌زدایی با استفاده از برخی مواد مانند زغال فعال و آهک دارد.
مرحله سوم) تخمیر
هدف از این مرحله، مصرف کلیه قندهای به دست آمده برای تولید کارآمد اتانول است. تخمیر زیستتوده ماکروجلبک‌های قهوه‌ای پیش‌تیمار شده، می‌تواند از طریق هیدرولیز و تخمیر جداگانه (SHF) و یا به صورت هیدرولیز و تخمیر هم‌زمان (SSF) انجام شود. SHF دارای مزایایی از جمله انعطاف‌پذیری در شرایط دمایی بهینه و مطلوب برای هیدرولیز آنزیمی زیستتوده و تخمیر میکروبی قندهای کاهش یافته است. در مقابل SSF مزایایی مانند تولید بیشتر قند توسط آنزیم‌ها است که به دلیل حذف محصولات بازدارنده از طریق تخمیر میکروبی هم‌زمان و تبدیل آن‌ها به اتانول است.
چالش‌های محیط زیست
با وجود مزایای مختلف ماکروجلبک‌ها به‌خصوص ماکروجلبک‌های قهوه‌ای برای تولید سوخت‌های زیستی، برخی چالش‌های بالقوه محیط زیست وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. به‌عنوان مثال توسعه چشم‌گیر در مزارع جلبک‌های دریایی برای تأمین سوخت مورد نیاز است. این کشت شدید جلبک‌های دریایی ممکن است که محیط زیست دریایی و ساحلی را در معرض خطراتی از جمله تغییر در زیستگاه‌های طبیعی و خصوصیات هیدرولوژیکی آب قرار دهد. همچنین ممکن است که محتوای مغذی اکوسیستم‌های دریایی را نیز تحت تأثیر قرار دهد. گاهی اوقات برداشت بیش از حد به‌ویژه با استفاده از ابزار مکانیکی، باعث کاهش تنوع زیستی دریا می‌شود.
کشت ماکروجلبک‌های قهوه‌ای در خلیج فارس و دریای عمان
برای کشت در مقیاس بزرگ باید تعدادی از پارامترهای اصلی که برای کشت پایدار ماکروجلبک‌ها لازم است، در نظر گرفته شود، که از جمله آن‌ها به در دسترس بودن نور خورشید و مواد مغذی، نوع آب و هوا، عمق آب و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن، اشاره کرد. ماکروجلبک‌ها برای رشد، به طور عمده به کلسیم، کربن، منیزیم، نیترات، فسفات و پتاسیم نیاز دارند. نسبت‌های اتمی فسفر:نیتروژن:سیلیکون در آب خلیج فارس و خلیج عمان به ترتیب 11.1: 2.2: 1 و 11.8: 2.7: 1 است. از آن‌جا که نسبت نیتروژن و فسفر معدنی پایین‌تر از نسبت اتمی (15:1) استاندارد Redfield است، بنابراین نیتروژن برای رشد ماکروجلبک‌ها به‌عنوان یک عامل مغذی محدودکننده در هر دو خلیج حائز اهمیت است و فرایند دفع نیتروژن‌سازی به تثبیت نیتروژن حاکم است.
یکی دیگر از نیازهای مهم برای فتوسنتز ماکروجلبک‌ها، کربن‌های معدنی به شکل دی‌اکسید کربن و بی‌کربنات است که به می‌توانند میزان pH را تغییر دهند. اکثر جلبک‌های دریایی می‌توانند در pH بین 7 تا 9 رشد کنند. خلیج فارس pH حدود 7.9 تا 8.1 دارد، در حالی که خلیج عمان دارای pH قلیایی حدود 8.1 تا 8.4 است. اعتقاد بر این است که هر دو خلیج غلظت نسبتاً یکسانی از بی‌کربنات را دارند. افزایش غلظت بی‌کربنات حل شده در هر دو خلیج به دلیل افزایش سطح دی‌اکسید کربن اتمسفر و عدم وجود پوشش‌های گیاهی متراکم در این منطقه است. همچنین گفته شده است که بزرگ‌ترین منطقه مرده دریایی در خلیج عمان وجود دارد که در زیر دلایل آن ذکر شده است.
- وجود پساب‌های کشاورزی حاوی نیتروژن و فسفر
- حرکت بسیار کند آب
- غلظت کم اکسیژن در جریان آب‌های ورودی به خلیج عمان
کشت ماکروجلبک‌ها ممکن است که با اصلاح این آلودگی‌ها و افزایش اکسیژن محلول در منطقه، تا حدودی پدیده کاهش اکسیژن را حل کند. یک مطالعه سیستماتیک از آستانه درجه حرارت ماکروجلبک‌های قهوه‌ای در خلیج فارس و خلیج عمان نشان داد که گونه‌های مقاوم در برابر دما و تابش هستند. بنابراین به‌عنوان گزینه مناسبی برای بهره‌برداری از آن‌ها در تولید بیواتانول درنظر گرفته می‌شوند. با این حال خلیج فارس یک قطب مهم اقتصادی برای تولید گاز و نفت است. خطوط حمل و نقل همراه با ده‌ها سکوی دریایی، شرایط خلیج فارس را برای کشت ماکروجلبک‌ها پیچیده می‌کند.
نتیجه‌گیری
ایران در اکوسیستم دریایی تنوع زیستی بسیار زیادی در ماکروجلبک‌ها دارد. در سواحل ایران 379 مورد از 13248-6200 گونه ماکروجلبک وجود دارد که از این تعداد 81 گونه ماکروجلبک قهوه‌ای است. در میان انواع مختلف ماکروجلبک‌های قهوه‌ای در ایران مشخص شده که دو گونه بومی Padina و Sargassum پتانسیل بسیار خوبی برای تولید بیواتانول دارند. یکی از اجزای مهم ماکروجلبک‌های قهوه‌ای آلژینات است که می‌تواند در فرایند پیش‌تیمار، تبدیل به قند و تخمیر برای تولید بیواتانول استفاده شوند. طبق تحقیقات گونه Padina spp مقادیر زیادی کربوهیدرات دارد که باعث شده به‌عنوان یک ماده اولیه عالی برای تولید بیواتانول باشند. به همین ترتیب گونه Sargassum به‌طور گسترده در مناطق گرمسیری و نیمه‌گرمسیری وجود دارد. تاکنون 25 گونه از 300 گونه Sargassum در خلیج فارس و خلیج عمان شناسایی شده‌اند که ایران را به منبعی غنی از ماکروجلبک‌های قهوه‌ای تبدیل کرده است. آنالیز شیمیایی Sargassum نشان داد که حاوی مقادیر زیادی کربوهیدرات است. این گونه‌ها در سواحل جنوبی ایران قابل کشت هستند چون این مناطق دارای تابش خورشیدی، آب و هوای گرمسیری و شرایط پایدار هستند. این امر باعث کاهش آلودگی هوا، ذخیره سوخت‌های فسیلی و حتی کاهش آلودگی بیولوژیکی در آب می‌شود و مزایای مختلف اقتصادی را نیز فراهم می‌کند.
