پالایش زیستی مواد لیگنوسلولزی، شامل فرایندهایی است که زیست‌توده‌های گیاهی را به طیف وسیعی از محصولات زیست‌پایه تبدیل می‌کند.

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 ۲۰۱۲، 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 ۲.۰۹ تریلیون دلار در سال ۲۰۰۸ به ۲.۲۹ تریلیون دلار در سال ۲۰۱۵ 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 ۲۰۱۷، علاوه بر چندین زیرساخت متفاوت، ۲۲۴ پالایشگاه زیستی در سراسر اروپا ثبت شده است. با این حال، ۱۸۱ 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 ۴۳ 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 ۱۵۱۳/۲۰۱۵ اتحادیه اروپا  اهدافی را جهت تعیین سهم سوخت‌های زیستی تولید شده از غلات، نشاسته، قندها و دانه‌های روغنی تا سال ۲۰۲۰ را تعیین می‌کند که مطابق این دستوالعمل حداکثر تا ۷ درصد، سهم این سوخت می‌باشد. علاوه بر این، در ماه ژانویه ۲۰۱۸، پارلمان اروپا حمایت خود از سوخت‌های زیستی تولید شده از محصولات غذایی را محدود کرد و تصمیم گرفت تا سال ۲۰۳۰ این سوخت ها را تا ۸/۳ درصد کاهش دهد. اتحادیه اروپا پروژه‌های زیادی را تحت برنامه Horizon 2020 (برنامه تحقیق و نوآوری اتحادیه اروپا که ۸۰ میلیارد یورو بودجه تحقیقاتی را در طول دوره ۷ ساله از ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ 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 ۱: پروژه‌های حمایت شده توسط اتحادیه اروپا برای استفاده از مواد لیگنوسلولزی در پالایشگاه‌های زیستی

نام پروژهمواد اولیه مورد استفادهکشور همکاربازه زمانیهزینه کلی(یورو)
AgriChemWheyمحصولات جانبی از فرایندهای صنایع لبنیاتایرلند۲۰۲۱ – ۲۰۱۸۲۹.۹۴۹.۳۲۳
 GRACEگونه‌های Miscanthus  یا  hemp از اراضی حاشیه‌ایآلمان۲۰۲۲ – ۲۰۱۷۱.۵۰۰.۰۸۵.۱۲۱
SmartLiلیگنین کرافت، لیگنوسولفونات‌هافنلاند۲۰۱۹ – ۲۰۱۵۲۴۰.۷۴۶.۱۲۵
BIOSKOHمواد اولیه لیگنوسلولزیایتالیا۲۰۲۱ – ۲۰۱۶۳.۰۱۲.۲۳۱.۳۷۵
BARBARAپسماند کشاورزی و مواد غذاییاسپانیا۲۰۲۰ – ۲۰۱۷۲.۷۱۱.۳۷۵
AgriMaxپسماند کشاورزی و مواد غذاییاسپانیا۲۰۲۰ – ۲۰۱۶۱.۵۵۴.۳۴۹.۴۵۶
PULP2VALUEپالپ چغندر قندهلند۲۰۱۹ – ۲۰۱۵۱.۱۴۲.۸۳۴.۷۵۰
GreenSolResپسماند یا باقی‌مانده‌های لیگنوسلولزیهلند۲۰۲۰ – ۲۰۱۶۱.۰۶۰.۹۶۳.۷۰۱
Dendromass4EuropeDendromass در اراضی حاشیه‌ایآلمان۲۰۲۰ – ۲۰۱۷۲.۰۴۴.۲۳۱.۸۷۵
SYLFEEDباقی‌مانده‌های چوبفرانسه۲۰۲۰ – ۲۰۱۷۱۴.۹۷۶.۵۹۰
GreenProteinباقی‌مانده‌های گیاهی از پردازش سالاد بسته‌بندی شدههلند۲۰۲۱ – ۲۰۱۶۵۵۴.۶۵۱.۹۹۹
PROMINENTجریان جانبی پردازش دانه‌های غلاتفنلاند۲۰۱۸ – ۲۰۱۵۳۱۰.۳۸۹.۷۵۰
FIRST2RUNآرتیشوی خاردار یا Cardoon از اراضی حاشیه‌ایایتالیا۲۰۱۹ – ۲۰۱۵۲.۵۰۲.۲۶۸.۸۷۵
Zelcorبقایای لیگنوسلولوزی از تولید اتانول، لیگنین‌های حل شده در طی فرایند پالپینگفرانسه۲۰۲۰ – ۲۰۱۶۶۷۱.۰۰۱.۲۵۰
STAR4BBIپسماند یا باقی‌مانده‌های لیگنوسلولزی از جنگل‌ها و کشاورزیهلند۲۰۱۹ – ۲۰۱۶۹۹.۵۸۷.۷۵۰
BIOrescueکاه گندم و پسماند صنایع کشاورزیاسپانیا۲۰۱۹ – ۲۰۱۶۳۷۶.۷۵۸.۷۵۰
OPTISOCHEMکاه گندم باقی‌ماندهفرانسه۲۰۲۱ – ۲۰۱۷۱.۶۳۷.۶۸۱.۶۸۳
US4GREENCHEMمواد اولیه لیگنوسلولزیآلمان۲۰۱۹ – ۲۰۱۵۳.۸۰۳.۹۲۵
FUNGUSCHAINباقی‌مانده کشت قارچ (Agaricus bisporus)هلند۲۰۲۰ – ۲۰۱۶۸۱۴.۳۶۶.۱۲۵
POLYBIOSKINپسماند مواد غذاییاسپانیا۲۰۲۰ – ۲۰۱۷۴۰۵.۸۳۵.۹۳۸
ValChemمواد اولیه چوبیفنلاند۲۰۱۹ – ۲۰۱۵۱.۸۵۰.۲۷۰.۳۲۵
LIBBIOگیاه Andes lupin از اراضی حاشیه‌ایایسلند۲۰۲۰ – ۲۰۱۶۴.۹۲۳.۷۵۰
LIGNOFLAGکاهآلمان۲۰۲۲ – ۲۰۱۷۳۴.۹۶۹.۲۱۵

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 ۴۷۶ میلیون تن زیست‌توده لیگنوسلولزی را برای برآوردن نیاز همه صنایع زیست‌پایه در اروپا تا سال ۲۰۳۰ پیش‌بینی کرده است. در صورت اجرایی شدن این دیدگاه، حداقل یک میلیارد تن زیست‌توده لیگنوسلولزی در سال ۲۰۳۰ 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 ۲۰۲۰، با هدف دستیابی به دیدگاه پالایش زیستی اروپا در سال ۲۰۳۰، 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

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 ۲۰۳۰، اتحادیه اروپا قصد دارد ۲۵ 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 ۳۰ درصد از مواد شیمیایی مبتنی بر نفت با مواد شیمیایی زیستی و مواد غیر قابل تجزیه نیز با مواد قابل تجزیه جایگزین شوند. ۸۰ 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 ۲۰۲۴ حداقل ۱۵ 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 ۲۳ ژوئیه ۲۰۱۸ در مجله Trends in Biotechnology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Shady S. Hassan

منبع

  • آینده ی شیمی جدید

    آینده ی شیمی در زیست فناوری و پالایش زیستی

    فرایندهای جدید حوزه‎ی زیست‌فناوری، باعث تولید پایدار و پربازده‌ی محصولات شیمیایی از طریق پ…
بارگذاری نوشته های مرتبط بیشتر
مطالب بیشتر از این نویسنده جواد طغیانی
بارگذاری بیشتر در آینده نگری

دیدگاهتان را بنویسید

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

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

بررسی کنید

تبدیل زباله‌های جامد شهری به پلی‌هیدروکسی‌آلکانات و بیوگاز

بازیابی محصولات با ارزش افزوده بالا از زباله‌ها می‌تواند یک راهبرد مؤثر برای کاهش هزینه‌ها…