تولید مستقیم بیودیزل از زیست توده میکروجلبک
میکروجلبک‌ها به‌عنوان ماده‌ای بالقوه برای تولید بیودیزل شناخته شده‌اند زیرا کشت آن‌ها در مقایسه با گیاهان روغنی رایج به مزارع کمتری نیاز دارد. تحقیقات در مورد روغن‌های میکروجلبک اغلب روی روش‌های استخراج روغن و روش‌های برداشت زیست‌توده متمرکز است. با این حال، روش‌های استخراج پرانرژی و پرهزینه لیپیدها از موانع اصلی جلوگیری از تجاری شدن تولید بیودیزل از میکروجلبک‌ها هستند.
تولید مستقیم بیودیزل از بروز چنین مشکلی جلوگیری می‌کند، زیرا ترکیبی از روش‌های استخراج لیپید و ترانس‌استریفیکاسیون در یک مرحله واحد است. در این بررسی، پتانسیل تولید مستقیم بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک به‌طور جامع مورد بررسی قرار گرفته است. گونه‌های مختلف میکروجلبک که معمولاً برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار می‌گیرند، به‌ویژه گونه‌ها با محتوای بالایی از لیپید مورد ارزیابی قرار گرفتند.
تولید بیودیزل از میکروجلبک با تبدیل مستقیم از زیست‌توده به‌طور سیستماتیک مورد بحث قرار گرفت که شامل پیشرفت‌های عمده‌ای همچون کاتالیزورهای ناهمگن، استفاده از روش‌های مافوق صوت، مایکروویو و الکل‌های فوق بحرانی است که در بهبود کلی تولید بیودیزل متمرکز شده‌اند. همچنین شرایط کشت برای رشد زیست‌توده و بهبود بهره‌وری لیپید، فناوری‌های برداشت و استخراج لیپیدهای موجود و همچنین چالش‌های کلیدی و چشم‌انداز آینده تولید بیودیزل میکروجلبک نشان داده شده است. این بررسی به‌عنوان مبنایی برای تحقیقات آینده در مورد سنتز مستقیم بیودیزل از زیست‌توده اصلاح شده برای بهبود سودآوری بیودیزل میکروجلبک عمل می‌کند.
به‌دلیل محدودیت ذخایر فسیلی محدود و قیمت سوخت‌های فرار، استفاده از سوخت‌های زیستی در سطح جهان افزایش یافته است. همچنین استفاده مداوم از سوخت‌های فسیلی -به‌ویژه برای حمل و نقل- از مدت‌ها پیش نقش مهمی در تولید آلاینده‌های هوا داشته‌اند. انتشار گازهای هیدروکربنی، مونوکسید کربن و اکسیدهای ازت ناشی از سوخت‌های فسیلی منجر به کاهش عمر انسان‌ها می‌شود. این امر باعث شده تا نیاز به یافتن یک منبع سوخت تجدیدپذیر جایگزین برای حمل و نقل امری ضروری شود که سوخت‌های زیستی یکی از گزینه‌های پیش‌رو است. سوخت زیستی را می‌توان به‌عنوان سوختی تعریف کرد که به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم از منابع زیست‌توده تولید می‌شود. موضوعات مهم مانند امنیت انرژی، توسعه روستایی و تغییرات آب و هوایی باعث توسعه سریع سوخت‌های زیستی شده است.
بیودیزل یکی از انواع سوختی است که به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است و جایگزینی مناسب برای دیزل فسیلی محسوب می‌شود. از جمله مزایای استفاده از بیودیزل نسبت به سوخت‌های فسیلی می‌توان به تجدیدپذیری، فاقد گوگرد بودن و روانکاری بهتر اشاره کرد. در دو دهه گذشته، تولید نسل‌های مختلف بیودیزل گسترش یافته است و هر نسل از بیودیزل با مواد اولیه متفاوت تولید شده است. جدول 1 تفاوت‌های بین هر نسل از بیودیزل را خلاصه می‌کند.
جدول 1: تفاوت بین نسل‌های مختلف بیودیزل
Processing technology | Feedstock | Biodiesel |
Esterification and Transesterification of oils | Edible Vegetable Oils | First Generation |
Esterification and transesterification of oils/ seeds (utilises organic catalyst/additives)
| Non-edible vegetable oils, waste cooking oil, lignocellulosic feedstock materials, Animal Fats | Second Generation |
Algae cultivation, harvesting, oil extraction, transesterification | Aquatic cultivated feedstock (microalgae) | Third Generation |
در سال 2015، 69 درصد از تولید بیودیزل جهانی از روغن‌های گیاهی خوراکی مانند روغن سویا، روغن کلزا و روغن نخل تولید شده است که استفاده از درصد بالایی از منابع خوراکی به‌دلیل تأثیر آن بر امنیت غذایی و قیمت کالاها باعث ایجاد معضل شد. با وجود این واقعیت که کشت محصولات روغنی به رونق اقتصادی مناطق روستایی کمک می‌کند اما نیاز به مناطق بزرگ برای کشت محصولات روغنی در طولانی مدت پایدار نیست.
همه این موارد محققان را به سمت استفاده از میکروجلبک‌ها سوق داده‌اند که به‌عنوان بیودیزل نسل سوم شناخته می‌شوند. میکروجلبک‌ها برای در دسترس بودن زمین رقابت کمتری با محصولات زراعی دارند. همچنین حاوی لیپیدهای خنثی هستند که می‌توانند برای تولید بیودیزل مورد استفاده قرار گیرند و حاوی ترکیبات با ارزش بالا همچون کاروتنوئیدها (مورد استفاده در صنایع غذایی و خوراکی) و اسیدهای چرب اشباع نشده با زنجیره بلند مانند DHA و EPA هستند که برای سلامتی انسان مفید و کاربردی هستند.
میکروجلبک‌ها در شرایط رشد بهینه قادر به تولید مقادیر کمی لیپید هستند، اما وقتی ارگانیسم در معرض استرس محیطی قرار گیرد لیپید -به‌عنوان منبع ذخیره کربن و انرژی- تولید می‌کند. تجمع لیپیدهای سیستم کشت در جرم میکروجلبک‌های موجود پایین‌تر از حداکثر تئوریک آن است. از این رو، مطالعات زیادی به‌منظور تقویت زیست‌توده میکروجلبک، بهره‌وری لیپید و بازده تولید انجام شده است که همزمان قابلیت پایین نگه داشتن هزینه تولید را داشته باشد.
مزایای میکروجلبک‌ها به‌عنوان منبع اولیه برای تولید بیودیزل، پارامترهای مؤثر در فرایند استخراج-ترانس‌استریفیکاسیون چربی و پتانسیل اقتصادی شدن بیودیزل میکروجلبک‌ها به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال بررسی‌های زیادی در مورد سنتز مستقیم بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک‌ها یافت نشد. تولید مستقیم بیودیزل یا ترانس‌استریفیکاسیون درجا، فرایند استخراج روغن را که در آن لیپید مستقیماً از زیست‌توده استخراج می‌شود، حذف کرده است. این فرایند تولید بیودیزل بر روی خوراک‌هایی مانند دانه روغنی جاتروفا، کلزا و سبوس برنج آزمایش شده است.
در روش مرسوم، ابتدا روغن قبل از واکنش ترانس‌استریفیکاسیون استخراج می‌شود. از این رو، حلال‌های مختلفی برای این فرایندها لازم است. با این حال در فرایند ترانس‌استریفیکاسیون درجا، فقط یک حلال واحد برای کل واکنش استفاده می‌شود. این فرایند مراحل اضافی استفاده از حلال اضافی و پالایش روغن را از بین می‌برد. علاوه بر این، سنتز مستقیم بیودیزل از اتلاف لیپید در حین فرایندها جلوگیری می‌کند، بنابراین سودآوری را بهبود می‌بخشد.
این مقاله به ارائه یک بررسی مهم در مورد پتانسیل سنتز مستقیم بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک پرداخته است. روش‌های بالقوه برداشت و استخراج برای افزایش زیست‌توده و لیپیدها بررسی شده است. بحث در مورد فناوری‌های مختلف استفاده شده برای تولید بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک گنجانده شده است. علاوه بر این، پارامترهای مؤثر بر تولید مستقیم بیودیزل از زیست‌توده بررسی شده است. همچنین، روش‌های افزایش تجمع لیپید و بهره‌وری زیست‌توده ارزیابی می‌شود. سرانجام چالش‌ها و چشم‌انداز اقتصادی آینده بیودیزل میکروجلبک‌ها نیز مطرح می‌شود.
شرایط کشت میکروجلبک
میکروجلبک‌ها می‌توانند در هر مکانی با نور خورشید و دی‌اکسید کربن کافی رشد کنند. برای اینکه میکروجلبک‌ها به‌عنوان یک خوراک پایدار و عملی برای تولید بیودیزل باشند، هزینه‌های کشت و تولید باید پایین نگه داشته شوند. ترکیبات با ارزش بالا مانند کاروتنوئید، فیتواسترول، اسید چرب اشباع نشده و غیره (مواد مغذی) می‌توانند از میکروجلبک‌ها با هدف متنوع‌سازی محصولات تولید شوند.
گونه‌های مختلف میکروجلبک به‌دلیل توانایی بالای تجمع لیپیدها (2 الی 40 درصد از وزن آن‌ها) به‌عنوان ماده اولیه بالقوه برای تولید بیودیزل شناخته شده‌اند. در جدول 2 گونه‌های بالقوه میکروجلبک برای تولید بیودیزل و محتوای چربی آن‌ها در شرایط کشت عادی نشان داده شده است.
جدول 2: برخی گونه‌های خاص میکروجلبک‌ها در تولید بیودیزل و محتوای لیپید آن‌ها
Lipid content by weight (%) | Microalgae species |
4-7 | Anabaena cylindrica |
| 6 | Chlamydomonas reinhardtii |
49-52 | Chlorella vulgaris |
| 38 | Chlorella pyrenoidosa |
22-24 | Chlorella sorokiniana |
| 8 | Dunaliella bioculata |
6-25 | Dunaliella salina |
| 30 | Nannochloropsis sp. |
28.5 | Nannochloropsis. granulata |
| 45 | Nannochloropsis oculata |
35-54 | Neochloris oleoabundans |
9-14 | Porphyridium cruentum |
22-38 | Prymnesium parvum |
| 10 | Scenedesmus dimorphus |
30-50 | Scenedesmus obliquus |
1.9 | Scenedesmus quadricauda |
20-50 | Tetraselmis sp. |
مطالعات زیادی در مورد روش‌های بهینه کشت برای میکروجلبک‌ها با محتوای بالا لیپید (برای تولید بیودیزل) و برخی از گونه‌های رایج میکروجلبک مانند Nannochloropsis ، Chlorella و Spirulina به‌عنوان ماده اولیه بالقوه انجام شده است. در مطالعات گذشته همچنین نتیجه گرفتند که تجمع لیپید در میکروجلبک‌ها وابسته به نوع گونه است و می‌تواند تحت تأثیر شرایط کشت باشد. با این وجود، مقادیر بالای لیپید معمولاً به قیمت کاهش بهره‌وری زیست‌توده تمام می‌شود و مقدار نسبی هر نوع لیپید نیز می‌تواند در شرایط مختلف کشت متفاوت باشد. بنابراین، بهره‌وری لیپید عامل مهمی در تعیین امکان استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان خوراک اولیه تولید بیودیزل است.
تنش محیطی مانند pH، نیتروژن، شوری و نور روش‌های متداولی است که برای القای لیپید، کربوهیدرات‌ها و سایر ترکیبات با ارزش استفاده می‌شود. نیتروژن و فسفر مواد مغذی مهمی برای رشد میکروجلبک‌ها و تولید لیپیدها هستند. در اثر قحطی مواد مغذی میزان لیپید موجود در میکروجلبک‌ها افزایش می‌یابد اما در عین حال رشد سلول را به خطر می‌اندازد. برای برطرف کردن محدودیت رشد، کشت میکروجلبک‌ها را می‌توان به دو مرحله تقسیم کرد. در مرحله اول نیتروژن کافی برای تولید زیست‌توده تهیه می‌شود. در مرحله دوم، قحطی نیتروژن برای القای تجمع لیپیدها اعمال می‌شود. در یک محیط با کمبود مواد مغذی، نیاز به چربی‌های غشایی متوقف می‌شود و اسیدهای چرب بیشتری به چربی‌های خنثی تبدیل می‌شوند. رشد سلولی مختل می‌شود و تمام کربن موجود به جای پروتئین به چربی تبدیل می‌شود.
شرایط قحطی نیتروژن
قحطی نیتروژن باعث می‌شود سلول‌های میکروجلبک لیپید را به‌صورت اسیدهای چرب تری‌گلیسیرید (TG-FA) سنتز کنند که به‌عنوان ذخیره کربن و انرژی استفاده می‌شوند. برای تولید بیودیزل، TG-FA از طریق فرایند ترانس‌استریفیکاسیون به متیل یا اتیل استر تبدیل می‌شود. بنابراین، یکی از معیارهای اصلی برای انتخاب گونه تولیدکننده مواد اولیه بیودیزل، قابلیت تجمع مقدار زیادی چربی است.
محدودیت مواد مغذی بر ظرفیت فتوسنتزی میکروجلبک‌ها اثر می‌گذارد، اما سؤال این است که اثر محدودیت در تقسیم سلولی و تولید لیپید تا چه اندازه شدید است. برخی از گونه‌ها در شرایط محدودکننده مواد مغذی سازگاری بهتری نسبت به گونه‌های دیگر دارند. به‌عنوان مثال، گونه Nannochloropsis gaditana قادر است ساختار کلروپلاست و ظرفیت فتوسنتزی خود را برای مدت طولانی‌تر نسبت به گونه Neochloris oleoabundans در شرایط قحطی نیتروژن حفظ کند. گونه‌هایی که دارای بهره‌وری زیاد زیست‌توده در شرایط نامساعد هستند، برای تولید لیپید مفید هستند.
علاوه بر این، برخی از گونه‌ها تجمع پی‌در‌پی نشاسته و لیپیدها را نشان می‌دهند که در طولانی مدت در معرض قحطی نیتروژن قرار بگیرند در طی آن تمام کربن موجود به لیپید تبدیل می‌شود و نشاسته از کلروفیل نیز به چربی تبدیل می‌شود. هنگامی که این اتفاق بیفتد، از فضایی که قبلاً توسط پلاستید و کلروفیل اشغال شده بود برای ذخیره کردن اجسام لیپیدی استفاده می‌شود. این تبادل نشاسته برای لیپید از طریق دستکاری مواد مغذی گزینه دیگری برای تقویت مؤثر تجمع لیپیدها است. این رویکرد تقریباً مشابه سویه‌های زیست مهندسی شده است که در آن مسیر سنتز نشاسته برای افزایش تولید چربی مسدود شده است، اما نتوانسته است به هدف خود برسد که دلیل عمده آن کاهش رشد است.
شرایط قحطی فسفر
علاوه بر نیتروژن، فسفر یکی از مواد مغذی اساسی برای رشد زیست‌توده مورد نیاز برای سنتز مولکول‌های کلیدی مانند اسیدهای نوکلئیک، آدنوزین تری‌فسفات (ATP) و فسفولیپیدها است. مولکول ATP محصول اصلی فتوسنتز است و برای رشد میکروجلبک‌ها بسیار مهم است. میکروجلبک‌ها از فسفر در دو مرحله استفاده می‌کنند، مرحله اول از طریق ساخت اجزای سلولی آلی مانند فسفولیپیدها و در مرحله دوم از مازاد آن برای تولید گرانول‌های پلی‌فسفات معدنی استفاده می‌شود. در حال حاضر، صنعت کشاورزی به سنگ‌های فسفات به‌عنوان منبع فسفر وابستگی دارند، اما انتظار می‌رود که این رسوبات تا پایان این قرن از بین بروند.
به همین منظور، استفاده از مواد پایدار بسیار مهم است. فاضلاب حاوی نیتروژن و فسفر است که از طریق میکروجلبک‌ها می‌توانند به زیست‌توده و سایر محصولات زیستی تبدیل شوند. محققان دریافتند که میکروجلبک‌ها و باکتری‌ها قادرند یون‌های فسفات را در دمای 25 درجه سانتی‌گراد در یک استخر جلبک با سرعت بالا حذف کنند. از این رو، استفاده از فاضلاب برای کشت میکروجلبک‌ها می‌تواند به‌طور قابل توجهی هزینه تولید بیودیزل را کاهش دهد. با این حال، باید توجه داشت که برخی از فاضلاب‌ها ممکن است حاوی مهارکننده‌های احتمالی باشند که می‌توانند مانع از رشد میکروجلبک شوند.
قحطی فسفر در مقایسه با قحطی نیتروژن تأثیر کمتری در فتوسنتز میکروجلبک‌ها دارد. در مطالعه گونه Chlamydomonas reinhardtii تحت شرایط محدودکننده فسفر مشخص شد که تعداد ریبوزوم‌ها برای حفظ سنتز پروتئین و ذخیره‌سازی پلی‌فسفات کاهش یافته است. در مثال دیگر استفاده از گونه Monodus subterraneus، در شرایط قحطی فسفر باعث افزایش شش برابری در تولید لیپیدها می‌شود. همچنین نشان داده شده است که تولید زیست‌توده کلرلا ولگاریس تحت شرایط فسفر کافی و شرایط قحطی نیتروژن مشابه با شرایط نیتروژن کافی است، جایی که حداکثر محتوای چربی حاصل از آن 58.39 میلی‌گرم در لیتر در روز بود. بنابراین، از این مطالعات می‌توان نتیجه گرفت که تأثیر قحطی فسفر نسبت به قحطی نیتروژن کمتر است.
شرایط قحطی کلسیم و مقدار کافی منیزیم
سایر مواد مغذی مهم برای رشد میکروجلبک‌ها کلسیم و منیزیم هستند اما به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. منیزیم برای سنتز پروتئین گیاه مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین بخشی از آنزیم‌های درگیر در تثبیت کربن فتوسنتزی و سوخت‌وساز بدن است. در همین حال، کلسیم در ساختار دیواره سلولی و غشاء مورد استفاده قرار می‌گیرد و به‌عنوان یک پیام‌رسان درون سلولی عمل می‌کند که پاسخ‌ها را در مورد تغییرات محیطی هماهنگ می‌کند. مطالعات محدودی در مورد پاسخ میکروجلبک‌ها در هنگام قحطی منیزیم و کلسیم از نظر رشد زیست‌توده و تجمع لیپیدها وجود دارد.
محققان دریافتند که مکمل منیزیم باعث انباشت لیپید 54.6 درصدی در اسکلت گونه Scenedesmus بدون تأثیر در رشد زیست‌توده آن می‌شود. از طرف دیگر، تجمع لیپیدها به‌دلیل قحطی کلسیم و فسفر به‌ترتیب موجب تجمع چربی 52.9 و 6.47 درصدی لیپیدها شده است. این نتایج نشان می‌دهد که محیط کشت که حاوی غلظت بالایی از منیزیم اما مقدار کم کلسیم است جایگزین بهتری نسبت به روش گرسنگی مواد مغذی معمولی برای زیست‌توده میکروجلبک و بهره‌وری چربی فراهم کند.
شرایط استرس محیطی
رشد زیست‌توده میکروجلبک و تجمع لیپید تحت تأثیر استرس‌های محیطی مانند شدت نور، pH و شوری قرار دارند. اگرچه قحطی برخی از مواد مغذی می‌تواند باعث تجمع لیپیدها در میکروجلبک‌ها شود، اما بهره‌وری زیست‌توده به خطر می‌افتد.
روش‌های برداشت و استخراج
پس از انتخاب گونه میکروجلبک، مرحله مهم بعدی انتخاب روش برداشت محصول است. انتخاب روش مؤثر باعث کاهش هدررفت انرژی و مانع از بین رفتن عملکرد زیست‌توده خواهد شد. ترکیب روش‌های مؤثر برداشت و استخراج لیپید باعث افزایش راندمان تولید می‌شود. همچنین امکان تولید سایر محصولات با ارزش بالا مانند مواد مغذی، رنگدانه‌ها و مواد غذایی نیز وجود دارد. در شکل 1 فرایند معمول تولید بیودیزل میکروجلبک نشان داده شده است.
شکل 1: فرایند معمول تولید بیودیزل
از آنجا که میکروجلبک‌ها در محیط کشت به‌صورت سوسپانس کشت داده می‌شوند، برداشت زیست‌توده نیاز به انرژی زیادی دارد و تقریباً یک-سوم کل هزینه تولید را به خود اختصاص می‌دهد. از روش‌های مختلفی از جمله سانتریفیوژ، لخته‌سازی، فیلتراسیون، رسوب‌دهی و … تاکنون استفاده شده است. معایب رایج این روش‌ها هزینه بالای سرمایه‌گذاری، مصرف زیاد انرژی و مدت زمان طولانی استخراج است. در ادامه به‌طور خلاصه چند روش ذکر شده است.
سانتریفیوژ روشی محبوب برای برداشت زیست‌توده میکروجلبک است. از نیروی گریز از مرکز استفاده می‌شود و مانع استفاده از حلال‌های شیمیایی برای جداسازی می‌شود، در نتیجه خطر آلودگی شیمیایی را از بین می‌برد. با این حال، نگهداری از قطعات و مصرف زیاد انرژی روند کار را پرهزینه کرده است.
علاوه بر این، زمان طولانی کار برای جداسازی کارآمد زیست‌توده در سیستم تعلیق حجم زیاد مورد نیاز خواهد بود. لخته‌سازی از جمله مقرون به صرفه‌ترین روش‌ها برای بازیابی زیست‌توده میکروجلبک‌ها به حساب می‌آید که می‌تواند برای حجم زیادی از کشت مورد استفاده قرار گیرد. لخته شدن می‌تواند به‌صورت شیمیایی، بیولوژیکی و یا مغناطیسی انجام شود. نمک‌های فلزی می‌توانند به‌عنوان منعقدکننده استفاده شوند تا یون‌های فلزی در آب هیدرولیز شوند و رسوب کنند.
لخته شدن سلول در طول رشد میکروجلبک در دریاچه‌ها و استخرها می‌تواند به‌صورت طبیعی اتفاق بیفتد که علت آن وجود مواد پلیمری خارج سلولی در آب است. همچنین می‌توان با استفاده از باکتری‌ها، قارچ‌ها یا میکروجلبک‌هایی که به‌طور طبیعی لخته می‌شوند، لخته‌سازی را القا کرد. در کشت باکتری‌ها، قارچ‌ها یا ترکیب با سایر میکروجلبک‌ها به منبع کربن نیاز است که فاضلاب به‌دلیل سرشار بودن از کربن منبع مناسبی برای رشد و لخته‌سازی این گونه‌هاست.
از جاذب‌های مغناطیسی مانند نانوذرات مگنتیت (Fe2O3) برای لخته‌سازی مغناطیسی جلبک‌ها استفاده می‌شود. به‌علت میدان مغناطیسی ایجاد شده جداسازی میکروجلبک‌ها از محیط حاصل می‌شود. این روش ساده و قابل استفاده مجدد است. با این حال، جداسازی جاذب مغناطیسی از باقی‌مانده مواد برای استفاده مجدد می‌تواند پرهزینه باشد.
جداسازی آب مواد معمولاً با فیلتراسیون و غربالگری انجام می‌شود و به‌طور معمول پس از لخته‌سازی برای بهبود کارایی برداشت انجام می‌شود. غشای فیلتراسیون برای جمع‌آوری رسوبات میکروجلبک‌ها به‌کار می‌رود زیرا باعث جریان یافتن مایع سوسپانس می‌شود. با این حال، مقاومت جریان به‌دلیل گرفتگی غشاء افزایش می‌یابد بنابراین برای حفظ راندمان، جایگزینی غشا مورد نیاز است که باعث افزایش هزینه عملیاتی می‌شود.
روش‌های استخراج لیپید
در حال حاضر هیچ روش مشخصی برای استخراج لیپید میکروجلبک وجود ندارد. با این حال، تحقیقات زیادی برای کاهش مصرف حلال، افزایش عملکرد استخراج، کاهش زمان استخراج، بهبود خواص محصول نهایی انجام شده است. چند عامل مهم برای استخراج لیپیدها در مقیاس بزرگ از جمله بهره‌وری استخراج، مدت زمان فرایند، سرمایه و هزینه عملیاتی، ایمنی فرایند و ضایعات در نظر گرفته می‌شود. شکست دیواره سلولی یک گام مهم برای بهبود کارایی استخراج لیپید است. شکست دیواره سلولی و غشاها امکان دسترسی مستقیم حلال به لیپید داخل سلول را فراهم می‌کند که باعث افزایش راندمان استخراج لیپید می‌شود. انواع مختلف روش‌ها برای شکست سلول وجود دارد که به‌طور کلی می‌توان آن‌ها را به روش‌های مکانیکی و غیر مکانیکی طبقه‌بندی کرد. شکل 2 انواع مختلف از روش‌های شکست سلول را نشان می‌دهد.
شکل 2: روش‌های مختلف شکست سلول
روش‌های مکانیکی استخراج لیپید شامل پرس مکانیکی، استخراج لیپید با استفاده از اولتراسونیک، با کمک مایکروویو، پالس الکتریکی و همگن‌سازی سلول است. به‌طور کلی، روش‌های مکانیکی منجر به از بین رفتن بخش زیادی از زیست‌توده می‌شود. با این حال برخی فرایندهای مکانیکی باعث کاهش استفاده از حلال مضر و همچنین کاهش مدت زمان پردازش می‌شوند.
با وجود مطالعات بی‌شمار در مورد حالت‌های مکانیکی استخراج لیپیدها، همه روش‌ها دارای محدودیت‌هایی هستند. استفاده از روش مرسوم فشار مکانیکی به‌علت دیواره‌های ضخیم سلول میکروجلبک روش ناکارآمد است. روش اولتراسونیک و مایکروویو بازدهی لیپید را افزایش می‌دهند، اما هر دو در استخراج مواد متراکم با مشکل روبرو می‌شوند و باعث ناکارآمدی آن‌ها در محیط‌های صنعتی می‌شود. به‌علاوه، روش‌های پالس الکتریکی، همگن‌سازی سلول و کاهش ناگهانی فشار روش‌هایی با مصرف بالا انرژی هستند که باعث افزایش هزینه تولید بیودیزل میکروجلبک می‌شوند.
روش‌های شیمیایی
علاوه بر روش‌های مکانیکی استخراج لیپید، سایر روش‌های استخراج لیپید شامل استفاده از مواد شیمیایی یا آنزیم‌ها برای ایجاد اختلال در دیواره سلولی است. مواد شیمیایی یا بیولوژیکی با غشاء سلول در تعامل هستند تا امکان انتقال مستقیم اجزای بین‌سلولی به محیط اطراف فراهم شود. بازده استخراج لیپیدها با استفاده از حلال‌ها به قطبی و یا غیر قطبی بودن حلال‌ها بستگی دارد. برای استخراج لیپید میکروجلبک، مخلوط حلال‌های قطبی و غیر قطبی استفاده می‌شوند تا از استخراج کلیه لیپیدهای خنثی اطمینان حاصل شود.
به‌صورت تجاری، استخراج لیپیدها با حلال‌هایی مانند اتانول، متانول، هگزان و کلروفرم انجام شده است. روش Bligh and Dyer یکی از روش‌های متداول برای استخراج لیپیدها است، جایی که یک سیستم دو فاز ایجاد شده و لیپیدها در آن تکه‌تکه می‌شوند. با این حال، همه حلال‌ها برای محیط زیست بی‌خطر نیستند.
یکی از مهمترین اشکالات استفاده از حلال‌های معمولی مانند هگزان و کلروفرم، سمیت و تأثیر منفی آن‌ها بر محیط زیست است. همچنین، این حلال‌ها با حل کردن محصولات ناخواسته مانند کلروفیل نیز بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارند. در جدول 3 انواع متداول حلال مورد استفاده برای استخراج لیپید از گونه‌های مختلف نشان داده شده است.
Operating conditions | Lipid yield | Feedstock | Solvent used |
60 °C, at 12 h (Soxhlet) and 2 h (ultrasonic) | 92% (Soxhlet) 59% (Ultrasonic) | Acutodesmus obliquus | Ethanol-hexane (1:2) |
75 ml/100 ml ethanol solution, moderate electric field (90 V) | 83% | Heterochlorella luteoviridis | Ethanol |
5 h (Butt tube systems) | 98.9 wt% | Botryococcus braunii | Chloroform-methanol mixture (75% v/v to methanol) |
Homogenization at 1700 bar and low temperature (20–22 °C) | 69.1 wt% | Nannochloropsis gaditana | Hexane |
Stirring at 700 rpm at 20 °C | 19.74% (magnetic stirring) 19.43% (ultrasonic) | Chlorella pyrenoidosa | Chloroform: methanol (2:1 v/v) |
Sonicated for 40 min | 52.5% | Chlorella vulgaris | Methanol: Chloroform: water (25:12.5:5) |
Sohxlet at 373 K for 96 h | 20.7% | Chlorella vulgaris | Methanol |
60 °C, 2 h | 18.1% | Chlorella sp. | Methanol-ethyl acetate (2:1) |
در حالت ایده‌آل، حلال استخراج باید به اندازه کافی فرار باشد تا از تقطیر کم‌انرژی و جداسازی آسان از لیپید اطمینان حاصل شود. با توجه به مسائل بهداشتی و زیست‌محیطی مرتبط با این حلال‌های مرسوم، حلال‌های جدید سازگار با محیط زیست و پایدار برای استخراج لیپید میکروجلبک مانند اسید، نانوذرات، مایع فوق بحرانی، مایع یونی و آنزیم بیولوژیکی معرفی شده‌اند. اختلال در سلول با اسید اغلب با گرما همراه است. اسید قوی باعث هیدرولیز مؤلفه زیستی در دماهای بالا می‌شود. استفاده از اسیدها در غلظت‌های دقیق باید همراه با سویه‌های میکروجلبک برای استخراج کارآمد لیپیدها مورد مطالعه قرار گیرد.
تولید مستقیم بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک
به‌طور معمول بیودیزل از لیپیدهای استخراج شده تولید می‌شود. استخراج لیپید بسیار پرهزینه است زیرا به شکستن دیواره سلولی احتیاج دارد که انرژی‌بر است. چرخه آنالیزی نشان داده است که فرایندهای خشک کردن و استخراج تا 90 درصد از کل هزینه‌های تولید بیودیزل را شامل می‌شوند. فرایند ترانس استریفیکاسیون، فرایندی بسیار کارآمد با بازده تبدیل پایدار بالای 95 درصد است. به‌طور مرسوم، فرایند ترانس استریفیکاسیون شامل ترکیب الکل با روغن گیاهی در حضور یک کاتالیزور است. این واکنش روغن را به متیل یا اتیل استر (بیودیزل) و گلیسرول تبدیل می‌کند. انتخاب الکل و کاتالیزور به طبیعت و نوع مواد اولیه مصرفی بستگی دارد. ترکیبی از استخراج لیپید، بازیابی حلال و ترانس استریفیکاسیون شدن در یک مرحله، جایگزین اقتصادی‌تری برای تولید بیودیزل فراهم می‌کند.
در سال‌های اخیر، بسیاری از محققان بر تولید مستقیم بیودیزل از زیست‌توده مرطوب یا خشک میکروجلبک کار کرده‌اند و برخی از تحقیقات نشان داده است که رطوبت بالا باعث کاهش عملکرد بیودیزل می‌شود. در سنتز مستقیم بیودیزل از زیست‌توده میکروجلبک، الکل به‌عنوان حلال استخراج و همچنین ماده واکنش‌دهنده ترانس استریفیکاسیون عمل می‌کند. استفاده از حلال مشترک با عمل به‌عنوان یک عامل استخراج و تشکیل سیستم همگن بین لیپید میکروجلبک، الکل و کاتالیزور به بهبود بازدهی فرایند کمک می‌کند. سنتز مستقیم تمام لیپیدها را به بیودیزل تبدیل می‌کند و تولید همزمان محصولات ارزشمندی همچون اتیل لوولینات، فرمات اتیل، دی‌اتیل اتر و گلیسروکربنات را فراهم می‌کند.
گونه‌های متداول میکروجلبک که برای سنتز بیودیزل مستقیم مورد مطالعه قرار گرفتند شامل Chlorella spp و Nannochloropsis spp هستند. محققان دریافتند که در سنتز مستقیم بیودیزل بازدهی اتیل و متیل استر بالاتر از فرایند متعارف استخراج است. همچنین دریافتند که ترکیبی از استخراج و فرایند ترانس استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور اسید برای گونه Chlorella sp. بیودیزل تولیدی بیشتری نسبت به یک فرایند دو مرحله‌ای دارد. پارامترهای مختلفی وجود دارد که عملکرد بیودیزل را از طریق تست تک مرحله‌ای تحت تأثیر قرار می‌دهد که شامل کاربرد فناوری‌های کاتالیزور، مافوق صوت، مایکروویو و استفاده از الکل‌های فوق بحرانی است.
کاتالیست
انتخاب کاتالیزور یک گام مهم برای بازدهی بالا بیودیزل است. کاتالیزورهای معمولی برای تولید بیودیزل شامل کاتالیزور پایه یا اسید هستند که به میزان اسید چرب لیپید بستگی دارد. مشخص شده است که لیپیدهای میکروجلبک حاوی مقادیر زیادی اسیدهای چرب آزاد (حداکثر 70 درصد وزنی با توجه به شرایط ذخیره‌سازی) هستند و نیاز به استفاده از کاتالیزور اسید در هنگام ترانس استریفیکاسیون دارند. استفاده از کاتالیزورهای همگن به‌دلیل جداسازی سخت از محصول، هزینه‌های اضافی برای تصفیه محصول و در عین حال ایجاد زباله‌های اضافی کارآمد نیست. بنابراین، کاتالیزور ناهمگن انتخاب بهتری است زیرا نیاز به بازیابی کاتالیزور را از بین می‌برد و هزینه تولید بیودیزل را کاهش می‌دهد.
استفاده از کاتالیزور اکسید کلسیم (CaO) که می‌تواند از پوسته تخم مرغ، پوسته صدف، استخوان مرغ و صدف ساخته شود، توجه زیادی را برای تولید بیودیزل جلب می‌کند. کاتالیزور اکسید کلسیم زباله‌های ناشی از پوسته‌ها را کاهش می‌دهد و استفاده از آن همچنین باعث افزایش ارزش تجاری تولید غذاهای دریایی می‌شود. ظرفیت کاتالیزوری CaO در ترانس استریفیکاسیون بستگی به وجود سایت‌های اصلی و پراکندگی مکانی آن‌ها دارد. با این وجود، CaO یک کاتالیزور اساسی است و فقط می‌تواند برای میکروجلبک‌هایی با محتوای اسید چرب آزاد کم استفاده شود. زیست‌توده میکروجلبک که حاوی مقدار زیادی اسید چرب آزاد است، می‌تواند توسط اسید یا کاتالیزور آنزیمی ترانسفر شود.
استفاده از کاتالیزور ناهمگن امکان بازیابی آسان کاتالیزور را فراهم می‌آورد زیرا الکل با کاتالیزور جامد مخلوط نمی‌شود. بنابراین، کاتالیزور ناهمگن یک روش امیدوارکننده برای تجاری‌سازی بیودیزل میکروجلبک به شمار می‌رود.
هم‌افزایی فرایند
علاوه بر استفاده از کاتالیزور، استفاده از مایکروویو یا امواج مافوق صوت در طول ترانس استریفیکاسیون نیز کارایی سنتز بیودیزل را بهبود می‌بخشد. استفاده از اولتراسونیک به کمک کاتالیست اسیدی در مواد اولیه میکروجلبک‌ها به ندرت مورد مطالعه قرار می‌گیرد. بیشتر فرایند استریفیکاسیون مستقیم بیودیزل میکروجلبک با کمک مایکروویو انجام می‌شود. برخی محققان گزارش کرده‌اند که بیودیزل تولید شده با کمک مایکروویو خاصیت روانکاری بالاتر، عدد سیتان مناسب و زنجیره کربن کوتاه‌تر FAME را نسبت به بیودیزل تولید شده با روش معمولی نشان می‌دهد. مشابه روش‌های استخراج لیپیدها، فراصوت حلالیت بهتر لیپیدها را موجب می‌شود. همچنین محققان دریافتند که استفاده از اولتراسونیک باعث افزایش عملکرد بیودیزل تولید شده از گونه اسپیرولینا می‌شود و بازیابی لیپید بالاتر می‌رود. از طرف دیگر، مایکروویو اجازه می‌دهد تا گرمایش انتخابی، انتقال سریع‌تر انرژی و در نتیجه گرمایش کارآمدتر شود. استفاده از یک مجموعه هم‌افزایی به همین ترتیب ممکن است گزینه مناسبی باشد زیرا امکان آزمایش هر دو فناوری برای هر گونه منتخب میکروجلبک را برای دستیابی به حداکثر بازده بیودیزل فراهم می‌کند.
شرایط فوق بحرانی
فرآیند ترانس استریفیکاسیون نیز می‌تواند در شرایط فوق بحرانی انجام شود که استفاده از کاتالیزور را از بین می‌برد، بنابراین از تولید آلاینده‌ها جلوگیری می‌شود. استریفیکاسیون غیر کاتالیزوری برای تشکیل یک مرحله واکنش همگن، به دمای بالاتر از دمای بحرانی الکل نیاز دارد، اما نیازی به وضعیت فوق بحرانی نیست. از متانول فوق بحرانی به‌طور گسترده‌ای در استریفیکاسیون چندین ماده اولیه مانند روغن کلزا، روغن نخل، روغن جاتروفا و روغن نباتی استفاده شده است. اگرچه این فرایند عملکرد بالایی از بیودیزل را به‌وجود می‌آورد، اما شرایط واکنش شدید اغلب چالشی را برای مقیاس کارآمد تولید، ایجاد می‌کند. متانول در شرایط فوق بحرانی دیواره‌های سلولی سفت و سخت میکروجلبک را می‌شکند و امکان پخش حلال را به‌طور همزمان به لیپیدها می‌دهد. ترانس استریفیکاسیون مستقیم زیست‌توده میکروجلبک همچنین می‌تواند از اتانول به‌عنوان یک جایگزین تخریب‌پذیر برای متانول استفاده کند، که در آن بازده مشابه برای هر دو آلکیل اسید چرب گزارش شده است.
افزودن دی‌اکسید کربن به متانول فوق بحرانی دمای واکنش را کاهش می‌دهد. محققان متعددی استفاده از متانول فوق بحرانی را برای تولید بیودیزل میکروجلبک گزارش کرده‌اند. از آنجا که متانول سمی است و تجدیدپذیر نیست، الکل‌های دارای زنجیره بلندتر مانند اتانول، ایزوپروپانول و بوتانول به‌عنوان جایگزین‌های بالقوه الکل معرفی می‌شوند. استفاده از الکل‌های بلند زنجیر همچنین باعث بهبود پایداری اکسیداسیون بیودیزل تولید شده، می‌شود. هنگامی که متانول فوق بحرانی با استفاده از مایکروویو برای تولید بیودیزل از گونه Nannochloropsis (CCMP1776) مقایسه شد، روش فوق بحرانی (25 دقیقه) زمان واکنش طولانی‌تر نسبت به روش مایکروویو (5 دقیقه) داشت. با این حال، با روش فوق بحرانی بیودیزل با کیفیت بالاتر و عاری از آلاینده‌های مضر تولید می‌شود زیرا از هیچ کاتالیزوری استفاده نشده است. برای اکثر موارد فوق بحرانی، پارامترهای واکنش بهینه اغلب برای گونه‌های مختلف میکروجلبک مشابه هستند. بنابراین بازدهی بیودیزل اغلب تحت تأثیر محتوای لیپید خود گونه‌های میکروجلبک قرار دارد.
چالش‌ها و چشم‌انداز آینده تولید بیودیزل نسل سوم
بیودیزل نسل سوم یا بیودیزل گرفته شده از میکروجلبک مانع استفاده از زمین‌های کشاورزی می‌شوند زیرا میکروجلبک‌ها به دلیل سازگاری محیطی محکم در زمین‌های غیر زراعی قابل کشت هستند. استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان یک ماده اولیه بیودیزل از نظر امنیت غذایی و تأثیرات زیست محیطی پایدارتر است. با این حال، انتقال به استفاده از بیودیزل نسل سوم هنوز مبهم است و برای پایدار بودن نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.
برای تولید بیودیزل کارآمد و سودآور از میکروجلبک باید از یک سویه میکروجلبک با بهره‌وری بالا لیپید استفاده شود که می‌تواند در یک محیط پایدار کشت شود. علاوه بر این، مشکلات اقتصادی تولید بیودیزل از میکروجلبک‌ها باید قبل از تجاری‌سازی ارزیابی شود.
چالش‌های فنی
عوامل مختلفی از جمله تحمل محیط زیست، سرعت رشد زیاد، میزان بالای چربی، برداشت آسان و استخراج در هنگام انتخاب گونه‌های همه جانبه از میکروجلبک‌ها مهم هستند. انتخاب یک گونه مناسب نشانگر شروع عمیق برای تولید بیودیزل از میکروجلبک است. درصد بالایی از هزینه تولید بیودیزل به دلیل مواد اولیه است. تجاری‌سازی بیودیزل مبتنی بر میکروجلبک از نظر شرایط سخت کشت، روش برداشت و استخراج لیپید پیچیده و غالباً پرهزینه با موانع مختلفی روبرو است. میکروجلبک‌های اصلاح شده از نظر ژنتیکی برای افزایش بهره‌وری لیپیدها دارای پتانسیل هستند، اما هنوز در مرحله تحقیقاتی هستند. همکاری بین گونه‌های میکروبی نیز می‌تواند در افزایش عملکرد لیپیدها تأثیر داشته باشد در حالی که بر رشد زیست‌توده تأثیر نمی‌گذارد.
همچنین میکروجلبک‌ها در فاضلاب یا آب دریا قابل کشت هستند، بنابراین نیاز به کود را از بین می‌برد و بنابراین می‌توان برای تصفیه فاضلاب استفاده کرد. میکروجلبک‌هایی که تحمل دی‌اکسید کربن بالایی دارند نیز می‌توانند با استفاده از گاز دودکش‌های صنعتی (مقادیر بالای دی‌اکسید کربن، گوگرد و اکسیدهای ازت) به‌عنوان یک روش برای کاهش دی‌اکسید کربن کشت شوند. تولید مستقیم بیودیزل از زیست‌توده به‌عنوان مقرون به صرفه‌ترین روش تشدید فرآیند به دلیل ترکیب استخراج روغن و ترانس استریفیکاسیون در یک مرحله واحد شناخته می‌شود. با توجه به پتانسیل عظیم تولید بیودیزل میکروجلبک لازم است که سیاست‌های مناسبی برای حمایت از تجاری‌سازی کارآمد اجرا شود. چین به‌عنوان دومین مصرف‌کننده بزرگ نفت در جهان، به دلیل عدم اجرای سیاست‌ها و مقرراتی که باعث ترغیب استفاده از بیودیزل گردد، تنها 15 درصد از نیاز سوخت را از بیودیزل تولید می‌کند.
پیامدهای سیاست بیودیزل بسیار زیاد است، نه تنها بر قیمت نفت، قیمت مواد غذایی و رفاه مصرف‌کننده تأثیر می‌گذارد، بلکه توزیع درآمد را نیز تغییر می‌دهد. با توجه به آن، هرگونه سیاست مربوط به بیودیزل نسل سوم باید کاملاً مورد مطالعه و بحث قرار گیرد تا از پیامدهای نامطلوب که بر جامعه تأثیر می‌گذارد، جلوگیری شود.
پایداری طولانی مدت محصولات میکروجلبک نیز باید مورد مطالعه قرار گیرد زیرا ترکیبات آلی به دلیل درجه حرارت بالا، نور و حضور سایر مهارکننده‌ها مانند شتاب‌دهنده‌های اکسیداسیون به راحتی قابل تخریب هستند. استرس اکسیداتیو می‌تواند باعث انباشت گونه‌های اکسیداتیو واکنش‌پذیر در مقدار زیاد شود که باعث آسیب به سلول‌های میکروجلبک و کاهش تولید چربی می‌شود. بیودیزل در طول ذخیره‌سازی طولانی مدت در معرض اکسیداسیون است و همه نسل‌های بیودیزل به دلیل اکسیداسیون به صورت طبیعی تخریب می‌شوند که باعث افزایش اسیدیته و ویسکوزیته می‌شوند. تحقیقات اخیر استفاده از مواد افزودنی مانند آنتی اکسیدان‌ها، فیتوهورمون و اکسیژن را برای کاهش آسیب اکسیداتیو مورد بررسی قرار داده است.
چشم‌انداز آینده
پتانسیل میکروجلبک‌های اصلاح شده به‌عنوان مواد اولیه با چالش‌های زیادی از جمله تغییر شرایط رشد کشت، بهره‌وری کم، سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری بیش از حد سرمایه مواجه است. رایج‌ترین گونه میکروجلبک که برای مهندسی ژنتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد گونه Chlamydomonas reinhardtii است. توالی ژنوم این گونه به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. محققان بهره‌وری لیپید گونه Chlamydomonas reinhardtii را تا 64.25 درصد افزایش داده‌اند. مطالعات مهندسی ژنتیک فعلی در مورد تولید لیپید میکروجلبک‌ها بر بیان بیش از حد ژن یا حذف آن‌ها متمرکز شده است، اما کارایی این روش برای افزایش تجمع لیپیدها در حالی که تنظیم متابولیسم سلولی را انجام می دهد، مشخص نیست. همچنین رویکردهای مختلف تقویت لیپید تولیدی میکروجلبک از طریق مهندسی متابولیک مورد بررسی قرار گرفته است و مشحص شد که دستکاری چند ژن از ویرایش ژن‌های واحد سودمندتر است.
توسعه صنایع بیودیزل میکروجلبک بدون حمایت دولت نمی‌تواند پایدار باشد. در حال حاضر تولید بیودیزل به دلیل سیاست‌های مختلف دولتی که از طریق اعتبارات مالیاتی، یارانه‌ها، تعرفه واردات و اهداف تعیین شده حمایت می‌کند، از نظر اقتصادی قابل دوام است. اقدامات مشابهی باید قبل از تجاری‌سازی بیودیزل نسل سوم انجام شود. کاهش مالیات تجهیزات، جلسات آموزش و یادگیری موقت برای کشاورزان و سایر یارانه‌ها برای صنعتی شدن موفقیت‌آمیز بیودیزل میکروجلبک‌ها مهم است.
نتیجه‌گیری
در این مقاله عوامل مؤثر بر تولید بیودیزل از میکروجلبک‌ها، چالش‌های پیش‌رو آن و آینده‌نگری مورد بحث قرار می‌گیرد. همه عوامل کلیدی مؤثر بر کشت میکروجلبک، تجمع لیپیدها، برداشت، اختلال در سلول، استخراج و سنتز بیودیزل مورد بررسی قرار گرفت. بیودیزل حاصل از میکروجلبک‌ها جایگزینی پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست برای تولید سوخت‌های فسیلی هستند. ترکیب این یافته‌های فنی با تجزیه و تحلیل اقتصادی برای اطمینان از امکان تولید بیودیزل ضروری است. به طور کلی، استفاده از میکروجلبک‌ها به‌عنوان مواد اولیه بیودیزل از نظر فنی امکان‌پذیر است اما از نظر اقتصادی نیز مناسب نیست. تولید بیودیزل میکروجلبک در قالب یک پالایشگاه ترکیبی به همراه تولید محصولات میکروجلبک معمولی می‌تواند بازار فروش میکروجلبک‌ها را بهبود بخشد. با این حال، تحقیقات بیشتری در مورد ثبات بلند مدت و جنبه‌های فنی یک پالایشگاه ترکیبی باید انجام شود.
