دیدگاهزیست تودهسوخت زیستیفراوری لیگنوسلولوز

تولید بیواتانول از ضایعات لیگنوسلولزی

مواد لیگنوسلولزی مجموعه‌ای از تمام گیاهان و منبعی تجدیدپذیر و مملو از کربن هستند. تبدیل زیست‌توده لیگنوسلولزی برای تولید سوخت‌های زیستی، به‌دلیل فراوانی در طبیعت و ایجاد تأثیرات مضر کمتر بر محیط زیست، نسبت به منابع زغال‌سنگ یا نفتی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. با این حال شکستن ساختار زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی و تبدیل آن‌ها به محصولات مورد نیاز امری دشوار محسوب می‌شود؛ اما در این پژوهش با استفاده از تخریب میکروبی زیست‌توده‌های لیگتوسلولزی محصول مورد نیاز را تهیه می‌کنند.


ماده اصلی تشکیل‌دهنده ترکیبات لیگنوسلولزی را ماکرومولکول‌های کربوهیدرات تشکیل می‌دهد. به‌طور کلی این ترکیبات از ترکیبات سلولزی و همی‌سلولزی که به‌صورت زنجیره‌های بسیار بلند کربوهیدراتی هستند تشکیل‌ شده‌اند. این ترکیبات به‌وسیله ماده چسبنده لیگنین در کنار هم نگهداری و محافظت می‌‌شوند و نیازمند یک مقدار بیشتری از فراورش است تا مونومرهای قندی را در دسترس میکروارگانیسم‌ها قرار دهد تا با فرایند تخمیر اتانول را تولید کند.

امروزه تقاضای انرژی به‌دلیل شهرنشینی، توسعه فناوری مبتنی بر انرژی و حمل‌ونقل افزایش یافته است. تخمین زده می‌شود که تا سال ۲۰۲۵ تقاضای انرژی از چندین کشور توسعه یافته تقریباً ۵۰ درصد افزایش خواهد یافت، بنابراین برداشت انرژی‌های زیستی از زیست‌توده‌ها و با استفاده از یک رویکرد پایدار و مقرون به صرفه جایگزین مهمی برای منابع نفتی محسوب می‌شود. نمودار زیر میزان تولید اتانول را در چند کشور از سال ۲۰۱۳ تا ۲۰۱۷ نشان داده است.

میزان تولید بیواتانول در چند کشور مختلف از سال 2013 تا 2017
میزان تولید بیواتانول در چند کشور مختلف از سال 2013 تا 2017

برای تولید سوخت‌های زیستی می‌توان از گیاهان و زیست‌توده‌های دارای خواص سلولزی مانند ذرت و نیشکر استفاده کرد. استفاده مناسب از چنین مواد سلولزی می‌تواند از یک‌سو باعث کاهش میزان زباله‌های لیگنوسلولزی شود و از سمت دیگر با تولید سوخت‌های زیستی میزان تولید و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد. بیواتانول یک محصول سازگار با محیط زیست است که مونواکسید کربن کمتری منتشر می‌کند و عمدتاً از قندها، نشاسته یا سلولز تولید می‌شود.

 سوخت‌های زیستی نسل اول که از منابع غذایی مانند نیشکر و ذرت استفاده می‌کنند، به‌دلیل تأثیر بر این منابع و افزایش تقاضا برای منابع غذایی، امروزه به مقدار کمتری استفاده می‌شوند و توجه محققان را به تولید سوخت‌های زیستی نسل دوم که از منابع سلولزی استفاده می‌کنند جلب کرده است. از انواع منابع سلولزی سوخت‌های زیستی نسل دوم می‌توان باقی‌مانده‌ها و پسماندهای کشاورزی و ضایعات صنایع غذایی که معمولاً در هر کشوری به مقدار فراوان یافت می‌شود، اشاره کرد. انواع دیگر سوخت‌های زیستی نیز وجود دارد که از منابع مختلفی مانند جلبک‌ها استفاده می‌کنند.

زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی از سلولز، همی‌سلولز و لیگنین تشکیل شده‌اند؛ و یکی از فراوان‌ترین اجزای طبیعت به شمار می‌آیند. موضوعات بی‌شماری با استفاده کارآمد از مواد لیگنوسلولزی مرتبط هستند. از لحاظ ساختاری، اجزای لیگنوسلولزی بسیار خاص هستند که خاصیت برگشت‌پذیری دارند؛ اما داشتن اطلاعات در مورد خاصیت دیواره سلولی مواد اولیه و روش تیمار آن‌ها برای به حداکثر رساندن تولید محصولات بسیار مهم است. روش‌های مختلفی برای آماده‌سازی مواد لیگنوسلولزی وجود دارد که ازجمله آن‌ها می‌توان به روش‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی اشاره کرد؛ اما روش مورد استفاده علاوه بر سازگاری با محیط زیست باید مقرون به صرفه نیز باشد؛ بنابراین از روش‌های بیولوژیکی به‌دلیل نیاز به هزینه و انرژی کمتر و زیست‌سازگاری استفاده می‌شود.

تولید سوخت‌های زیستی

تولید سوخت‌های تولید شده از منابع لیگنوسلولزی جنبه‌ای امیدوارکننده به‌عنوان منبع انرژی جایگزین سوخت‌های نفتی دارد. بیواتانول یکی از محصولات فرعی واسطه‌ای در تخریب بی‌هوازی است که با تخمیر قندهای مختلف تولید می‌‌شود. از دیرباز برای اولین بار در سال ۱۸۹۷، نیکولاس اتو از اتانول برای سوخت موتور استفاده کرده است.

تولید اتانول زیستی از مواد اولیه مانند نیشکر، ذرت و نشاسته به‌عنوان سوخت‌های زیستی نسل اول شناخته می‌شوند. فرایند استخراج از این محصولات شامل فرایندهای مکانیکی مانند پیش‌تصفیه (مانند خرد کردن)، هیدرولیز آنزیمی و تخمیر برای تولید اتانول است. با این وجود استفاده از چنین مواد اولیه‌ای برای تولید سوخت‌های زیستی انتقاد قابل‌توجهی را به خود جلب کرده است، چون زیست‌توده به‌طور مستقیم با عرضه مواد غذایی رقابت می‌کند و به مقادیر زیادی از اراضی کشاورزی نیاز دارد که تأثیر منفی قابل‌توجهی بر تنوع زیستی می‌گذارد.

عمدتاً سوخت‌های زیستی نسل دوم بیشتر استفاده می‌شوند، چون از منابع لیگنوسلولزی استفاده می‌کنند که نسبت به منابع غذایی ارزان‌تر هستند، در طبیعت به‌وفور یافت می‌شوند و در تأمین مواد غذایی نیز دخالت نمی‌کنند. سوخت‌های زیستی نسل سوم نیز از زیست‌توده‌های جلبک استفاده می‌کنند که دارای مزایای متعددی مانند عدم دخالت در منابع کشاورزی و غذایی، رشد آسان، هزینه کم و محتوی چربی بالا (تقریباً ۷۰ درصد وزن خشک) و محتوی کربوهیدرات بالا هستند. انواع گونه‌های جلبک به‌عنوان منبع بالقوه برای تولید سوخت‌های زیستی شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال میزان چربی جلبک‌ها ممکن است که با توجه به گونه‌ها و همچنین شرایط تنش متفاوت باشد و چندین محدودیت فناوری دیگر نیز وجود دارد که مانع از رشد این فناوری برای تولید سوخت‌های زیستی می‌شود.

در این میان سوخت‌های زیستی نسل چهارم گسترش زیادی یافته و دارای مزیت‌هایی نسبت به نسل‌های قبلی این نوع از سوخت‌ها هستند. در این فناوری منابع اولیه زیست‌توده همانند جلبک و میکروب‌ها با جذب دی‌اکسید کربن به می‌توانند به سوخت تبدیل شوند. هدف اصلی این فناوری توسعه و تولید انرژی پایدار و همچنین توالی استفاده از دی‌اکسید کربن است؛ اما با این حال تعداد کمی از گونه‌های جلبک و میکروبی به‌عنوان منابع تولید این نوع از سوخت‌ها وجود دارند. در جدول زیر نسل‌های مختلف سوخت‌های زیستی را به‌طور مختصر مقایسه کرده است.

جدول 1) مقایسه انواع مختلف سوخت‌های زیستی
DisadvantageAdvantageProcessing method ThermochemicalFeedstock sourceExamples of biofuelsBiofuel Generation
Competes with global food supply, low yield.Economical fuel production technologyEsterification and transesterificationof oils and fermentation of sugarsFood crops, Edible oil seeds, animal fatsBiodiesel, biobutanaol, bioethanol1st Gen
High efficient lignohemicellulose enzymatic breakdown is required.Substrates not in competition with food materialsPhysical, chemical, biological pretreatment of feedstock and fermentationLigno-cellulosic wastes feedstock materials: Nonedible oil seeds, forest residuesBioethanol, biobutanol, biodiesel2nd Gen
Huge variation in lipid contents, culture contamination problem, processings consume energyCultivation easy and noncompeting with food (crops)Algae cultivation, harvesting, oil extraction, transesterification or fermentationAlgaeBiodiesel, bioethanol, biobutanaol, syngas, biohydrogen, methane3rd Gen
Mostly GMOs; may require regulatory clearance etc., high initial investment and new area for researchExpected high yield and high lipid contentMetabolic engineering of algae (with increased carbon entrapment ability)Algae and microbes-do-4th Gen

گام‌های متداول در تولید سوخت‌های زیستی از منابع لیگنوسلولزی

همان‌طور که قبلاً در این بررسی ذکر شد، زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی شامل ضایعات چوبی، باقی‌مانده‌های گیاهان و سایر پسماندهای آلی است. تبدیل لیگنوسلولز به اتانول چندین مرحله دارد که شامل تیمار زیست‌توده، تخمیر و هیدرولیز است. شماتیک تولید اتانول از زیست‌توده لیگنوسلولزی در شکل زیر نشان داده شده است.

تصویر تولید اتانول از زیست توده
تصویر مراحل تولید اتانول از زیست توده

تیمار ترکیبات لیگنوسلولزی یک گام مهم در تولید اتانول است که شامل تغییر ساختار بافت سلولزی برای کاهش میزان سلولز کریستالی و افزایش سلولز آمورف (فرم مناسب سلولز برای تولید اتانول) است. چندین روش تیمار برای این زیست‌توده‌ها وجود دارد که شامل استفاده از پرتو گاما، مادون قرمز، مایکروویو، فراصوت و همچنین تیمار به روش فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است. روش بیولوژیکی نسبت به روش‌های فیزیکی و یا شیمیایی ارزان‌تر است. در مرحله بعد از تیمار از روش هیدرولیز استفاده می‌کنند که هیدرولیز اسیدی (با استفاده از سولفوریک اسید رقیق یا غلیظ) یک روش آشنا برای تجزیه پلیمر سلولزی است؛ اما هیدرولیز اسیدی دارای محدودیت‌هایی مانند تولید ترکیبات سمی است که برای تخمیر اتانول مؤثر و مناسب نیست. در این رابطه تحقیقات زیادی در مورد استفاده از میکروارگانیسم‌ها (قارچ‌ها و باکتری‌ها) صورت گرفته است که می‌تواند برای هیدرولیز مؤثر مولکول قند در تبدیل به اتانول مورد استفاده قرار بگیرد. هیدرولیز مؤثر بافت پلی‌ساکارید دیواره سلولی گیاهی یک فرایند پیچیده محسوب می‌شود.

پس از هیدرولیز، مولکول‌های قند توسط آنزیم‌هایی که توسط باکتری‌ها یا مخمرها آزاد می‌شوند، برای تولید گازها یا الکل‌ها در شرایط بی‌هوازی استفاده می‌شوند. اثربخشی فرایند تخمیر بستگی به هیدرولیز موثر و انتخاب میکروارگانیسم‌ مناسب، برای به حداقل رساندن تولید مواد سمی و دستیابی به اتانول بهتر دارد. در جدول زیر انواع فرایندهای تخمیر مقایسه شده‌اند.

جدول 2) مقایسه انواع فرایندهای تخمیر ( SSF, SHF, SSCF, SHCF ، CBP )
CBP(Consolidated Bioprocessing)SHCF(Separate Hydrolysis and Co-Fermentation)SSCF(Simultaneous Saccharification & Combined Fermentation)SHF(Separate Hydrolysis and Fermentation)SSF(Saccharification and Fermentation)Pros and Cons

 

Energy efficient 

Cost effective 

High bioethanol yield

Both hydrolysis and fermentation take place at optimum conditions

Shorter process time

High bioethanol yield

Less contamination risk

Both hydrolysis and fermentation take place at optimum conditions

Low quantity of enzyme input

High ethanol yield

Foreign contamination is less

Less inhibitory effects

Low cost

Pros

Lack of suitable organisms

Process control is difficult

High enzyme load

Inhibitory effects

High contamination risk

.High enzyme load

Either hydrolysis or fermentation can be performed under optimal conditions

Increased contamination

Inhibitory effects

Either hydrolysis or fermentation can be performed under optimal conditions

Difficulty in process control

Cons

روش‌های هیدرولیز شیمیایی یا آنزیمی بهترین روش برای تجزیه پلیمر سلولز هستند، اما پلیمرهای سلولزی که با مولکول همی‌سلولز پوشانده شده و توسط لیگنین ساختار آن پیچیده می‌شود، در برابر هیدرولیز آنزیمی بسیار مقاوم است.

تخریب سلولز

سلولز فراوان‌ترین پلی‌ساکارید زنجیره‌ای خطی است و بلوک اصلی ساختمان سلول‌های گیاهی را تشکیل می‌دهد که در برابر هیدرولیز آنزیمی نیز مقاوم است. درجه حرارت‌های بالا به همراه اسیدهای قوی (مانند اسید سولفوریک) به تجزیه پلیمرهای سلولز کمک می‌کند؛ اما تخریب میکروبی یکی از روش‌های امیدوارکننده در فرایند تخریب ضایعات لیگنوسلولزی است. در طی آزمایشی مشخص شد که با استفاده از چند گونه باکتری حدود ۷۹.۷ درصد از کاه برنج را در طی ۱۵ روز  در ۶۵ درجه سانتی‌گراد تخریب می‌کند. در جدول زیر تعدادی از میکروارگانیسم‌های دارای آنزیم‌های تخریب‌کننده سلولز، همی‌سلولز و لیگنوسلولز نشان داده شده است.

جدول 3) تعدادی از میکروارگانیسم‌های دارای آنزیم‌های تخریب‌کننده سلولز، همی‌سلولز و لیگنوسلولز
Hydrolytic Property/EnzymeMicroorganismSl No
CellulasesClostridium thermocellum1
CellulasesP. thermophilus,P. thermoaerophilus,P. marinum,P. tezpurensis2
Xylose isomerase, xylulokinase, xylose transporter, ribulose-phosphate 3-epimeraseHerbivorax saccincola A73
CellulasesCaldicellulosiruptor danielii, Caldicellulosiruptor morganii, Caldicellulosiruptor naganoensis NA104
CellulasesClostridium clariflavum5
CelACaldicellulosiruptor bescii6
Xylanase, cellulases, α-amylase, pectinaseBacillus velezensis 1577
LigninasesFlavobacterium beibuense, Joostella marina, Pseudomonas putida, Algoriphagus ratkowskyi, Halomonas meridian8
CellulasesClostridium cellulovorans9

نتیجه‌گیری

بنابراین به‌طور کلی با افزایش مصرف سوخت غیر تجدیدپذیر در سراسر جهان، عواقب‌های مختلف دیگر که مربوط به مصرف این نوع از انرژی است به شدت افزایش می‌یابد. مواد لیگنوسلولزی به فراوانی در طبیعت وجود دارند و همچنین جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی و نفتی و مواد اولیه مناسبی برای سوخت‌های زیستی نسل دوم (اتانول) هستند. همچنین این ترکیبات برای تولید سایر محصولات با ارزش مانند حلال‌ها و قندهای تخمیر شده به کار می‌روند. استفاده از مواد لیگنوسلولزی برای تولید محصولات کاربردی و با روشی مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست کارایی زیادی دارد. علاوه بر این، تحقیق و توسعه در مورد آنزیم‌های سلولز، برای دستیابی به راه‌حل کارآمد و اقتصادی در فرایندهای بیولوژیکی، باعث افزایش تولید سوخت‌های زیستی می‌شوند.

منبع
chemosphere
برچسب‌ها
نمایش بیشتر

نوشته‌های مشابه

پاسخی بگذارید

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

هفـت + دو =

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن
بستن