پالایش زیستی مواد لیگنوسلولزی، شامل فرایندهایی است که زیست‌توده‌های گیاهی را به طیف وسیعی از محصولات زیست‌پایه تبدیل می‌کند. برخی از محققین ایرلندی، چالش‌ها و فرصت‌های این صنعت نوظهور در اروپا را با درنظر گرفتن عوامل کلیدی پالایش زیستی، از جمله تهیه منابع اولیه، روش‌های پردازش و بازار محصولات، جمع‌آوری و در قالب یک مقاله علمی بین‌المللی منتشر نموده‌اند.
صنایع پالایش زیستی در اروپا
در سال 2012، استراتژی اقتصاد زیستی اروپا برای اولین بار به عنوان تولید منابع بیولوژیکی تجدیدپذیر و تبدیل این منابع و پسماندها به محصولات با ارزش افزوده بالا مطرح گردید. این استراتژی و برنامه‌های عملیاتی آن، گردش مالی کل اقتصاد زیستی اتحادیه اروپا را از 2.09 تریلیون دلار در سال 2008 به 2.29 تریلیون دلار در سال 2015 افزایش داده است. در راستای این پیشرفت، پالایشگاه زیستی یک مؤلفه اساسی و حیاتی از اقتصاد زیستی آینده اروپا که توسط آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) تعریف شده است، محسوب می‌شود. این پالایشگاه‌ها به عنوان یک کارخانه تولید طیف وسیعی از محصولات با ارزش افزوده بالا از زیستتودهها در نظر شناخته می‌شوند. در سال 2017، علاوه بر چندین زیرساخت متفاوت، 224 پالایشگاه زیستی در سراسر اروپا ثبت شده است. با این حال، 181 مورد از این پالایشگاه‌های تجاری، به اصطلاح “نسل اول” نامیده می‌شوند که از مواد اولیه مانند شکر، نشاسته، روغن و چربی استفاده می‌کنند و اکثراً محصولاتی نظیر سوخت‌های زیستی و محصولات اولئو کمیکال دارند. در مقابل، تنها 43 پالایشگاه زیستی به عنوان “نسل دوم” وجود دارد که از مواد پایدار لیگنوسلولزی مانند محصولات غیرخوراکی و پسماندهای زیست‌محیطی استفاده می‌کنند تا سوخت‌های زیستی، برق، گرما و مواد شیمیایی زیست‌پایه تولید شوند. پیشرفت‌های سریع و قانونی در اتحادیه اروپا باعث افزایش سرعت بهره‌برداری از مواد لیگنوسلولزی شده است. به عنوان مثال، دستورالعمل 1513/2015 اتحادیه اروپا اهدافی را جهت تعیین سهم سوخت‌های زیستی تولید شده از غلات، نشاسته، قندها و دانه‌های روغنی تا سال 2020 را تعیین می‌کند که مطابق این دستوالعمل حداکثر تا 7 درصد، سهم این سوخت می‌باشد. علاوه بر این، در ماه ژانویه 2018، پارلمان اروپا حمایت خود از سوخت‌های زیستی تولید شده از محصولات غذایی را محدود کرد و تصمیم گرفت تا سال 2030 این سوخت ها را تا 8/3 درصد کاهش دهد. اتحادیه اروپا پروژه‌های زیادی را تحت برنامه Horizon 2020 (برنامه تحقیق و نوآوری اتحادیه اروپا که 80 میلیارد یورو بودجه تحقیقاتی را در طول دوره 7 ساله از 2014 تا 2020 مدیریت می‌کند) با هدف تحکیم پالایشگاه‌های زیستی لیگنوسلولزی در اروپا، از نظر مالی حمایت نموده است که در جدول زیر به صورت خلاصه بیان شده است.
جدول 1: پروژه‌های حمایت شده توسط اتحادیه اروپا برای استفاده از مواد لیگنوسلولزی در پالایشگاه‌های زیستی
| نام پروژه | مواد اولیه مورد استفاده | کشور همکار | بازه زمانی | هزینه کلی(یورو) |
| AgriChemWhey | محصولات جانبی از فرایندهای صنایع لبنیات | ایرلند | 2021 – 2018 | 29.949.323 |
| GRACE | گونه‌های Miscanthus یا hemp از اراضی حاشیه‌ای | آلمان | 2022 – 2017 | 1.500.085.121 |
| SmartLi | لیگنین کرافت، لیگنوسولفونات‌ها | فنلاند | 2019 – 2015 | 240.746.125 |
| BIOSKOH | مواد اولیه لیگنوسلولزی | ایتالیا | 2021 – 2016 | 3.012.231.375 |
| BARBARA | پسماند کشاورزی و مواد غذایی | اسپانیا | 2020 – 2017 | 2.711.375 |
| AgriMax | پسماند کشاورزی و مواد غذایی | اسپانیا | 2020 – 2016 | 1.554.349.456 |
| PULP2VALUE | پالپ چغندر قند | هلند | 2019 – 2015 | 1.142.834.750 |
| GreenSolRes | پسماند یا باقی‌مانده‌های لیگنوسلولزی | هلند | 2020 – 2016 | 1.060.963.701 |
| Dendromass4Europe | Dendromass در اراضی حاشیه‌ای | آلمان | 2020 – 2017 | 2.044.231.875 |
| SYLFEED | باقی‌مانده‌های چوب | فرانسه | 2020 – 2017 | 14.976.590 |
| GreenProtein | باقی‌مانده‌های گیاهی از پردازش سالاد بسته‌بندی شده | هلند | 2021 – 2016 | 554.651.999 |
| PROMINENT | جریان جانبی پردازش دانه‌های غلات | فنلاند | 2018 – 2015 | 310.389.750 |
| FIRST2RUN | آرتیشوی خاردار یا Cardoon از اراضی حاشیه‌ای | ایتالیا | 2019 – 2015 | 2.502.268.875 |
| Zelcor | بقایای لیگنوسلولوزی از تولید اتانول، لیگنین‌های حل شده در طی فرایند پالپینگ | فرانسه | 2020 – 2016 | 671.001.250 |
| STAR4BBI | پسماند یا باقی‌مانده‌های لیگنوسلولزی از جنگل‌ها و کشاورزی | هلند | 2019 – 2016 | 99.587.750 |
| BIOrescue | کاه گندم و پسماند صنایع کشاورزی | اسپانیا | 2019 – 2016 | 376.758.750 |
| OPTISOCHEM | کاه گندم باقی‌مانده | فرانسه | 2021 – 2017 | 1.637.681.683 |
| US4GREENCHEM | مواد اولیه لیگنوسلولزی | آلمان | 2019 – 2015 | 3.803.925 |
| FUNGUSCHAIN | باقی‌مانده کشت قارچ (Agaricus bisporus) | هلند | 2020 – 2016 | 814.366.125 |
| POLYBIOSKIN | پسماند مواد غذایی | اسپانیا | 2020 – 2017 | 405.835.938 |
| ValChem | مواد اولیه چوبی | فنلاند | 2019 – 2015 | 1.850.270.325 |
| LIBBIO | گیاه Andes lupin از اراضی حاشیه‌ای | ایسلند | 2020 – 2016 | 4.923.750 |
| LIGNOFLAG | کاه | آلمان | 2022 – 2017 | 34.969.215 |
مراحل و گردش کار در صنعت پالایش زیستی
بسیاری از مواد اولیه خام از جمله بقایای حاصل از جنگل‌داری، کشاورزی و پسماند صنایع کشاورزی را می‌توان به عنوان مواد اولیه برای یک پالایشگاه زیستی لیگنوسلولزی استفاده نمود. مصرف سالانه زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی در صنایع زیست‌پایه، در مقایسه با میزان کل زیست‌توده در دسترس، نسبتاً کم است. نقشه راه پالایشگاه‌های زیستی مانند برآوردهای پروژه S2Biom (که هدف آن پیش‌بینی پتانسیل زیست‌توده غیر مواد پایدار در سطح اتحادیه اروپا است)، حداکثر نیاز به 476 میلیون تن زیست‌توده لیگنوسلولزی را برای برآوردن نیاز همه صنایع زیست‌پایه در اروپا تا سال 2030 پیش‌بینی کرده است. در صورت اجرایی شدن این دیدگاه، حداقل یک میلیارد تن زیست‌توده لیگنوسلولزی در سال 2030 در اروپا باید تولید شود. بنابراین، چالش اصلی دستیابی و دسترسی به مواد اولیه نیست، بلکه چالش منطقی تولید مواد اولیه است. زنجیره تأمین مواد لیگنوسلولزی شامل جمع‌آوری، خشک کردن، متراکم‌سازی، حمل و نقل و ذخیره‌سازی می‌باشد که این فرایندها بسته به نوع زیست‌توده متفاوت خواهد بود. هر مرحله از زنجیره تأمین با چالش‌هایی مواجه است که به صورت خلاصه به آن‌ها می‌پردازیم.
بزرگترین چالش در فرایند جمع‌آوری، پراکندگی منابع، نوسانات غیر قابل پیش‌بینی در کمیت و کیفیت، رطوبت بالا (به عنوان مثال در مورد پسماندهای صنایع کشاورزی) و آلودگی‌های احتمالی (مانند آلودگی خاک در بقایای ضایعات کشاورزی) می‌باشد. به صورت کلی، مراحل جمع‌آوری، خشک کردن و متراکم‌سازی در تأسیسات و مکان‌های غیر متمرکز و قبل از حمل و نقل به پالایشگاه یا مرکز ذخیره‌سازی صورت می‌گیرد.
زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی که از پسماند صنایع کشاورزی مشتق شده‌اند، حاوی رطوبت بالایی هستند که ممکن است هر کدام از مراحل پالایش و پیش‌پالایش مانند کاهش اندازه و متراکم‌سازی را تحت تأثیر قرار دهد و همچنین موجب افزایش حساسیت زیست‌توده و کاهش کیفیت آن شود. بنابراین فرایند خشک کردن جزو مراحل اصلی و مهم می‌باشد که ممکن است به صورت طبیعی (مثلاً در مورد گیاهان علفی) یا از طریق حرارت دادن و امواج ماکرویو انجام شود.
فرایند متراکم و فشرده‌سازی با استفاده از انباشته کردن، تبدیل ضایعات به پلت و یا روش‌های دیگر صورت می‌گیرد که یک گام ضروری برای افزایش دانسیته مواد لیگنوسلولزی است. این مرحله موجب حمل و نقل و ذخیره‌سازی کارآمد می‌شود و برای هر واحد از مواد اولیه، اندازه و وزن استاندارد به دست می‌آید. قبل از فرآیند فشرده‌سازی، ممکن است برای کاهش اندازه، نیاز به پردازش مکانیکی باشد. در حالی که تجهیزات فعلی موجود در کشاورزی می‌تواند در مقیاس نیمه‌صنعتی برای کاهش اندازه و فشرده‌سازی زیست‌توده مورد استفاده قرار گیرد، آینده این صنعت نیازمند فناوری‌های جدید برای دستیابی به مقادیر زیادی از زیست‌توده در مقیاس صنعتی می‌باشد.
از لحاظ اقتصادی، بازده حمل و نقل زمانی که منطقه جمع‌آوری به مراکز پردازش و یا ذخیره‌سازی نزدیک باشد، افزایش می‌یابد. سیستم‌های حمل و نقل موجود برای جابه‌جایی چوب و یا پسماندهای لیگنوسلولزی ممکن است به دلیل دانسیته کم آن‌ها ناکارآمد باشند و هزینه زیادی صرف این مرحله شود.
تغییرات در مقدار و دسترسی فصلی به پسماندهای کشاورزی، لازمه ایجاد امکانات ذخیره‌سازی درازمدت می‌باشد. با این حال، این نیاز از لحاظ حفظ کیفیت زیست‌توده با ظرفیت بالا و با هزینه کم، چالش‌های زیادی را به وجود می‌آورد. علاوه بر این، جنبه‌های بهداشتی و ایمنی قابل توجهی از ذخیره‌سازی زیست‌توده وجود دارد که می‌تواند عملیات را پیچیده‌تر کند.
بررسی چالش‌های موجود در پالایش زیستی
برای رسیدگی به این چالش‌ها در زنجیره تأمین مواد اولیه، چندین طرح تحقیقاتی استراتژیک توسط European Biorefinery Joint Strategic Research Roadmap برای سال 2020، با هدف دستیابی به دیدگاه پالایش زیستی اروپا در سال 2030، پیشنهاد شده است. چنین پیشنهادهایی شامل توسعه مدل‌های لجستیک یکپارچه برای حذف تنگناهای زنجیره تأمین، دسترسی به ماشین آلات با قابلیت حمل مقدار زیادی از مواد اولیه، نقشه‌برداری از پراکندگی زیستتودهها و ایجاد یک مرکز منطقه‌ای متمرکز برای جمع‌آوری و ذخیره‌سازی زیستتودهها می‌باشد. انتظار می‌رود این تلاش‌ها باعث کاهش هزینه‌های لجستیک شود، که به نوبه خود می‌تواند هزینه‌های نهایی تولید را کاهش دهد.
هزینه‌های لجستیک و پیچیدگی‌های عملیاتی با افزایش ظرفیت پردازش یا شعاع ذخیره‌سازی مواد اولیه لیگنوسلولزی افزایش می‌یابد. بر این اساس، واحدهای زیستی مجتمع در مقیاس کوچک برای مناطق کوچک روستایی یا شهری در اروپا جهت برطرف نمودن این چالش‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند.
پردازش مواد اولیه لیگنوسلولزی
زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی یک ماتریس پیچیده هستند که نسبت به تخریب و تجزیه نسبتاً مقاوم‌اند. قندها در یک ساختار سخت و بازدارنده حبس می‌شوند که برای آزادسازی آن‌ها به یک مرحله پیش‌تیمار نیاز است. بسیاری از روش‌های معمول (به عنوان مثال، روش‌های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی) در حال حاضر برای پیش‌تیمار زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی استفاده می‌شود. با این حال، دستیابی به یک توازن کارآمد بین بازده عملیات پیش‌تیمار، هزینه و پایداری زیست‌محیطی دشوار است. همچنین تاکنون حتی ترکیبی از این روش‌ها به طور مؤثر در مقیاس مورد نیاز در پالایشگاه‌های زیستی که از مواد خوراکی چندگانه استفاده می‌کنند، مستقر نشده است.
فناوری‌های رایج تخریب مواد لیگنوسلولزی که در یک پالایشگاه زیستی معمولی استفاده می‌شوند، به نوع مواد اولیه و محصول نهایی وابسته است. چنین فناوری‌هایی ممکن است به دسته بیوشیمیایی یا ترموشیمیایی طبقه بندی شوند و چالش اصلی در برابر پس‌زمینه‌های مختلف مواد اولیه، تقاضای متغیر بازار، و نوسانات اقتصادی؛ مربوط به مقیاس و انعطاف‌پذیری جهت بهینه‌سازی روند تولید است. از این رو، ادغام مفهوم پالایش زیستی با روش‌های صنعتی موجود و متداول، به عنوان یک راه‌حل بالقوه برای حل این چالش‌ها شناخته شده است. به عنوان مثال، رایج‌ترین مدل پیشنهاد شده اجتماع یک پالایشگاه زیستی پالپ/کاغذ می‌باشد که می‌تواند همراه محصولات چوب، پالپ و کاغذ سایر محصولات مانند مواد شیمیایی، سوخت یا توان الکتریکی نیز تولید کند. با این حال، در حقیقت سایر جنبه‌ها مانند جداسازی و خالص‌سازی محصولات و همچنین اطمینان از کیفیت و استانداردسازی آن‌ها، چالش‌های بیشتری را برای روند صنعتی شدن ایجاد می‌کند.
بازار محصولات زیست پایه
نمونه‌هایی از محصولات بالقوه زیستی عبارتند از: سوخت‌های زیستی (به عنوان مثال بیواتانول، بیودیزل و بیوگاز)، محصولات شیمیایی زیست‌پایه (به عنوان مثال، آنزیم‌های صنعتی و مواد پاک‌کننده) و مواد بیولوژیکی (به عنوان مثال، پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر). با این حال، همانگونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود با حمایت‌ها و سیاست‌های خاص اتحادیه اروپا، انرژی‌های زیستی و سوخت‌های زیستی توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. در سال 2030، اتحادیه اروپا قصد دارد 25 درصد از انرژی حمل و نقل مورد نیاز را از طریق سوخت‌های زیستی تولید شده از پالایشگاه‌های زیستی پیشرفته (نسل دوم) تأمین کند. همچنین قرار است 30 درصد از مواد شیمیایی مبتنی بر نفت با مواد شیمیایی زیستی و مواد غیر قابل تجزیه نیز با مواد قابل تجزیه جایگزین شوند. 80 درصد زیرساخت‌های زیستی اتحادیه اروپا در مناطق روستایی قرار دارد که انتظار می‌رود از برنامه‌های توسعه‌ای نیز حمایت کنند. با این حال، توسعه بازارهای پایدار محصولات زیستی و افزایش سطح آگاهی عمومی در این مناطق، یک چالش خواهد بود. با این وجود، انتظار می‌رود که سیاست‌های اتحادیه اروپا به منظور تحریک آگاهی عمومی، موجب سرعت بخشیدن به توسعه محصولات و تشویق سرمایه‌گذاری بخش خصوصی در این بخش می‌شود. بر این اساس کارشناسان بین‌المللی پیش‌بینی می‌کنند که تا سال 2024 حداقل 15 پالایشگاه زیستی پیشرفته راه اندازی خواهد شد.
نتیجه‌گیری
پالایش زیستی مواد لیگنوسلولزی یکی از بخش‌های مهم اقتصاد آینده در اروپا و همچنین سایر نقاط جهان است. در حالی‌که این صنعت نوظهور با چالش‌های مهمی مانند تهیه مواد اولیه، محدودیت‌های فناوری پردازش و همچنین بازار محصولات مواجه است، با اتخاذ سیاست‌ها و تصمیمات جدی در سطح کلان، می‌توان بر آن‌ها غلبه کرد و به اهداف زیست‌محیطی و اقتصادی مورد نظر رسید.
این مقاله در 23 ژوئیه 2018 در مجله Trends in Biotechnology منتشر شده است.
☑ نویسنده: Shady S. Hassan
☑ منبع
