دیدگاهزیست تودهمواد زیست پایه

فرصت‌ ها و موانع تولید هیدروکربن‌‌های زیست‌ پایه

در یک تحقیق علمی، جمعی از پژوهشگران کشورهای چین، سوئد و دانمارک؛ موانع و فرصت‌های تولید هیدروکربن‌های زیست‌پایه (به عنوان سوخت‌ دیزل و جت) و هم‌چنین پیشرفت‌های اخیر در زمینه مهندسی میکروب‌های تولیدکننده این محصولات را مورد بررسی و ارزیابی قرار داده‌اند. تغییرات جهانی آب و هوا ناشی از تجمع گازهای گلخانه‌ای (GHGs)، موجب ایجاد نگرانی‌های جدی در خصوص مصرف سوخت‌های فسیلی به عنوان منبع اولیه انرژی شده است.


بخش حمل و نقل یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان انرژی می‌باشد که به سرعت در حال رشد است. به عنوان مثال در امریکا حدود 30 درصد از مصرف انرژی صرف بخش حمل و نقل می‌شود که در حال حاضر عمده سوخت مصرفی، انواع سوخت‌های مایع می‌باشد. اگرچه پیش‌بینی می‌شود که استفاده از خودروهای برقی روز به روز افزایش می‌یابد ولی باتری‌ها و انرژی الکتریسیته نمی‌تواند پاسخ‌گوی نیاز سایر وسایل نقلیه مانند هواپیماها، کشتی‌ها و کامیون‌ها باشد؛ زیرا این وسایل به سوخت با دانسیته انرژی بالا نیاز دارند. به همین دلیل حذف این سوخت‌ها از چرخه حمل و نقل امکان‌پذیر نیست. با این حال، تولید سوخت زیستی‌‌ جت و استفاده از آن به صورت ترکیبی با سوخت‌های فسیلی؛ علاوه بر این که انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد، انتشار ذرات آلاینده را نیز به میزان 50 الی 70 درصد کاهش می‌دهد.

در حال حاضر، دیزل و کروزن زیستی از روغن‌های گیاهی تولید می‌شوند، اما به دلیل رقابت این صنعت با بخش غذای انسان، مشکلات فراوانی به وجود آمده است. علاوه بر این بازده تولید سوخت از روغن به ازای هر هکتار زمین کشاورزی بسیار کمتر از نیشکر و زیست‌توده‌ها می‌باشد. تقریباً میزان تولید دیزل زیستی از سویا 500 لیتر به ازای هر هکتار است؛ در حالی‌ که این رقم برای تولید اتانول زیستی از نیشکر 5000 لیتر به ازای هر هکتار می‌باشد. هم‌چنین توسعه مهندسی زیستی سلول‌ها جهت بهینه‌سازی و افزایش تولید بیواتانول از هر دو گونه ماده اولیه (نیشکر و ذرت) و زیست‌توده‌ها، مورد نیاز است.

سوخت جت شامل ترکیبات آروماتیکی و پارافین‌های خطی، شاخه‌ای و حلقوی با طول زنجیره کربنی C8 تا C16 می‌باشد. این ویژگی گرمای ویژه، نقطه انجماد و تراکم انرژی سوخت جت را حفظ می‌کند و سوخت را در برابر جوشش، انجماد و یا جذب آب در شرایط مختلف  حفظ می‌کند. با توجه به سهولت تولید و ترکیب آسان با بنزین، اتانول به عنوان یک سوخت زیستی خوب عمل می‌کند؛ اما میزان انرژی کمتر این سوخت مانع  از گسترش کاربرد آن است. بنابراین، تولید مولکول‌های سوختی مشابه برای استفاده در زیرساخت‌های فعلی خطوط هوایی ضروری است. سوخت‌های زیستی فعلی حاوی پارافین‌های خطی و شاخه‌ای هستند و بنابراین باید با سوخت‌های حاصل از نفت مخلوط شوند تا خواص مناسب را تأمین کنند.

علاوه بر این، تولید هیدروکربن‌ها به طور مستقیم با فرایند تخمیر،  دارای میزان انرژی خالص بیشتری نسبت به تولید اتانول است. پیش‌بینی‌های انجام شده توسط آژانس بین‌المللی انرژی بیان می‌کند که میزان کل تقاضای سوخت‌های زیستی تا سال 2050 بیش از 30 اگا ژول خواهد بود که حدود 50 درصد آن سوخت مصرفی کامیون‌ها و جت‌ها می‌باشد. بنابراین لازم است در آینده‌ای نزدیک پالایشگاه‌های زیستی گسترش یابند تا در آن‌ها زیست‌توده‌های گیاهی یا گاز طبیعی توسط سلول‌های میکروبی (Microbial cell factory) به هیدروکربن‌ها تبدیل شوند و سوخت‌های دیزلی پاک تولید کنند.

دو مشکل عمده جهت تولید هیدروکربن‌ها توسط فرایندهای زیستی وجود دارد که محققان در این مطالعه مروری، به آن‌ها نیز پرداخته‌اند. مشکل اول بازده پایین سلول‌های تولیدکننده هیدروکربن‌ها می‌باشد، زیرا بازده فعلی که در آزمایشگاه‌های دانشگاهی به دست می‌آید، معمولاً کمتر از حداکثر بازده نظری است. برای رفع این مانع، مهندسی متابولیسم میکروارگانیسم‌ها نیاز است که برای توسعه یک کارخانه سلولی و فرایند زیستی جدید تخمین زده می‌شود، حدود 50 الی 100 میلیون دلار باید هزینه شود و این رقم با وجود قیمت پایین نفت، خود یک مانع بزرگ محسوب می‌شود. مشکل دوم این‌ که، حتی اگر دیزل و کروزن زیستی از ذرت و نیشکر تولید شوند، لازم است فرایندهای مبتنی بر زیست‌توده‌ها ایجاد شود تا میزان کافی از این سوخت‌ها فراهم شود. با وجود این‌که تحقیقات و توسعه زیادی در زمینه تولید اتانول زیستی نسل دوم (تولید اتانول از زیست‌توده) انجام شده است، هنوز هم چالش ادغام کردن فرایند تخمیر میکروبی با فرایند هیدرولیز زیست‌توده وجود دارد.

ایجاد ارزش افزوده از زیست‌توده

بررسی چالش اول در تولید هیدروکربن‌‌های زیست‌ پایه

توسعه کارخانه سلولی با درک مفهوم آن آغاز می‌شود که با شناسایی هیدروکربن مورد علاقه و وجود یک مسیر بیوسنتز طبیعی به وجود می‌آید. در حالی‌ که گاهی اوقات تولید‌‌کنندگان طبیعی مانند سیانوباکتری‌های تولید کننده آلکان یافت می‌شوند، این گونه‌ها به‌ دلیل بهره‌وری بسیار پایین و ضعیف بودن نسبت به شرایط سخت صنعتی، اغلب مانع بهینه‌سازی بیشتر و استفاده صنعتی می‌شوند. بنابراین طراحی استراتژی‌هایی با خصوصیات مفیدتر بسیار مهم می‌باشد.

بررسی مفهوم توسعه کارخانه سلولی، قدم اول در پیشرفت گسترده آن‌ها در بعد صنعتی است. سه شاخص کلیدی برای یک روند زیستی موفق عبارت‌اند از: تیتر (Titre)، نرخ و بازده (TRY). با توجه به هزینه نسبتاً کم هیدروکربن‌ها، مهم‌ترین معیارهای بهینه‌سازی به طور قابل توجهی نرخ سرعت و بازده هستند. نرخ بالای تولید نیازمند سرمایه‌گذاری کمتر است در حالی‌که بازدهی بالا باعث بهره‌وری کارآمد از مواد اولیه می‌شود که ممکن است تا 70 درصد کل هزینه تولید (مورد برای تولید بیواتانول) مربوط به آن باشد. اما اگر زیست‌توده به عنوان ماده اولیه استفاده شود، ممکن است این رقم پایین‌تر باشد که بیانگر مؤثر بودن ماده اولیه در این مفهوم می‌باشد. با این حال، تیتر نباید نادیده گرفته شود، زیرا مخلوط رقیق شده از هیدروکربن هزینه‌های پردازش پایین دستی را افزایش می‌دهد. حداکثر بازده تئوری بسیاری از سوخت‌های زیستی، حدود 0.3 گرم به‌ازای هر گرم گلوکز است. این رقم نشان می‌دهد که حتی در حداکثر بازده نظری، تولید سوخت زیستی نیازمند اختصاص یارانه برای رقابت مستقیم با نفت و اقتصادی شدن است.

معیارهای TRY را می‌توان با استفاده از مهندسی متابولیک کارخانه سلولی بهبود بخشید. به عنوان مثال، ارائه ژن‌های هترولوگ یا تنظیم ژن‌های اتولوگ می‌تواند این معیارها را بهبود بخشد. با این وجود، مهندسی متابولیسم میکروبی مشکلات خاص خود را دارد و به راحتی نمی‌توان متابولیسم سلولی را که در طول میلیون‌ها سال تشکیل شده است تغییر داد. بنابراین هدایت کردن جریان کربن و انرژی به سمت یک هیدروکربن خاص، می‌تواند چالش برانگیز باشد. راه حل دیگر این است که از یک گونه که به طور طبیعی کربن را به سمت ماده مطلوب سوق می‌دهد استفاده شود. علاوه بر این برای بهینه‌سازی مسیرهای سنتز زیستی، مسیرهای کاتابولیک نیاز به توجه ویژه‌ای دارند. بنابراین مواد اولیه مورد استفاده تأثیر به‌سزایی در انتخاب کارخانه سلول دارند. به عنوان مثال، برای یک پالایشگاه زیستی که در آن از زیست‌توده به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود؛ کارخانه سلولی باید قادر به متابولیزه کردن هر دو قند C5 و C6 باشد. هم‌چنین در طراحی استراتژی‌های جدید، استفاده از تجزیه و تحلیل محاسباتی که در آن مدل‌های متابولیکی در مقیاس ژنوم (GEM) بررسی می‌شوند، بسیار مفید می‌باشد.

بررسی چالش دوم در تولید هیدروکربن‌‌های زیست‌ پایه

امروزه از ذرت و نیشکر به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت‌های زیستی میکروبی استفاده می‌شود، اما طرح‌های تحقیقاتی و صنعتی فراوانی جهت استفاده از لیگنوسلولز زیست‌توده‌ها، به یک منبع جایگزین وجود دارد. با توجه به فراوانی آن، زیست‌توده‌ها به عنوان یک ماده اولیه مناسب پالایشگاه زیستی برای تولید سوخت‌های زیستی مبتنی بر هیدروکربن محسوب می‌شوند. واضح است که یک فرایند تخمیر میکربی برای تبدیل قندها به هیدروکربن‌ها با کمک فرایند تخریب زیست‌توده‌ها به قندهای قابل تخمیر، نیاز است. فرایند تخریب ساختار زیست‌توده عموماً با یک پیش‌تیمار و هیدرولیز آنزیمی همراه است. فرایندهای پیش‌تیمار به صورت فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و یا ترکیبی از آن‌ها می‌باشد و برخی حتی برای مقیاس صنعتی در تولید اتانول نسل دوم نیز اجرا شده است.

در مرحله پیش‌تیمار، زیست‌توده در سطح میکروسکوپی به پالپ تبدیل شده و موجب جداسازی لیگنین، سلولز و همی‌سلولوز می‌شود. سپس فرایندهای مختلف بیشتر پردازش می‌شوند که با استفاده از تجزیه آنزیمی همراه با تخمیر که به اصطلاح ساکاریفیکاسیون و تخمیر هم‌زمان نامیده می‌شوند، هزینه‌های تولید به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. حتی اگر این واحدهای جدید با ظرفیت کامل فعالیت نکنند، در نهایت موجب بهبود و بهینه‌سازی فرایندها خواهد شد. این امر راه را برای ادغام کارخانه‌های پردازش زیست‌توده با تولید سوخت‌های زیستی غیر از اتانول هموار می‌کند.

غلبه بر چالش‌ها نیازمند اکتشافات و توسعه‌های علمی جدید و طرح‌های مهندسی شده است. به طور خلاصه، پیشرفت‌های جاری در ژنتیک مولکولی، زیست‌شناسی سیستم‌ها و زیست‌شناسی سنتزی می‌تواند برای کشف آنزیم‌ها، اکتشاف مسیرهای جدید، طراحی و ساخت سیستم‌های زیستی جدید مورد استفاده قرار گیرد. در واقع امکان تولید محصولات کم‌هزینه در مقیاس بالا، می‌تواند موجب کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و ذرات از کامیون‌ها و هواپیما شود.

این مطلب در تاریخ 30 جولای 2018 در مجله nature energy منتشر شده است.

☑ نویسنده: Yongjin J.Zhou
☑ ترجمه و بازنویسی: جواد طغیانی

منبع

برچسب‌ها
نمایش بیشتر

نوشته‌های مشابه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن
بستن