معرفی زیست‌توده
بقایا و مواد مشتق شده از موجودات زنده را زیست‌توده می‌نامند.[۱] در واقع تمامی شکل‌های مواد آلی، زیست‌توده محسوب می‌شوند؛ مثل بقایا و پسماند گیاهان و حیوانات، پسماندهای شهری و کارخانه‌ها.[۲] منابع مهم زیست‌توده شامل دانه‌های تولید انرژی (دانه‌هایی که برای تولید سوخت‌زیستی در زمین‌های غیرقابل کشت تولید می‌شوند)، باقی‌مانده دانه‌های کشاورزی، بقایای جنگلی، جلبک، بقایای میکروبی، بقایای فرآیند صنایع چوبی، پسماندهای شهری و منابع دیگر است.[۳]
منابع زیست‌توده
دسته‌بندی‌های متفاوتی برای منابع زیست‌توده وجود دارد؛ اما به‌طور کلی می‌توان زیست‌توده‌ها را به انواع زیست‌توده لیگنوسلولزی، زیست‌توده میکروبی و پسماندهای شهری، حیوانی و غذایی تقسیم‌بندی کرد. در ادامه، این دسته‌بندی شرح داده می‌شود.
زیست‌توده لیگنوسلولزی
لیگنوسلولز که بیش‌ترین سهم را در تولید زیست‌توده دارد، شامل پسماندهای کشاورزی و صنایع چوبی، باقی‌مانده جنگل‌داری و دانه‌های تولید انرژی است. این سه مورد از جمله مهم‌ترین منابع تولید زیست‌توده لیگنوسلولزی هستند. به عنوان مثال، زیست‌توده گیاهی شامل نیشکر، گیاهان بومی، برخی علف‌های خودرو (هرز)، ذرت، صنوبر، سپیدار و انواع مختلف گیاهان و پسماندهای صنایع مرتبط کشاورزی، کاغذ، باقی‌مانده برگ درختان و گیاهان، سبوس، ساقه و ریشه آن‌ها نیز در این دسته جای دارند.[۱، ۲]
زیست‌توده میکروبی
زیست‌توده میکروبی؛ زیست‌توده‌های جلبکی، مخمر و دیگر میکروارگانیسم‌ها را شامل می‌شود. حجم تولید زیست‌توده میکروبی نسبت به زیست‌توده لیگنوسلولزی و پسماندها کم‌تر است. این دسته از زیست‌توده‌ها حاوی انواع مواد پروتئینی، پلی‌ساکاریدی، روغنی و … هستند که در صنایع متنوعی کاربرد دارند. سرعت رشد، مقاومت و انعطاف‌پذیری این میکروارگانیسم‌ها در مقایسه با زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی بسیار بیش‌تر است.[۴]
برخی از موارد مثل فناوری تولید، بازار و مسائل زیست‌محیطی سبب شده است که زیست‌توده‌های میکروبی نتوانند به اندازه زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی تولید و بهره‌برداری شوند. در هر صورت، تولید برخی مواد مثل اسیدهای چرب، مواد داروئی و … از زیست‌توده‌های میکروبی توجه بسیاری از صنایع را به خود جلب کرده است.[۴]
زیست‌توده‌ی پسماندهای شهری، حیوانی و غذایی
زیست‌توده‌ی پسماندهای شهری، حیوانی و غذایی معمولاً مواد آلی هستند که به شکل جامد یا مایع تولید می‌شود. پسماندهای جامد شهری شامل آشغال‌ها و زباله‌های شهری است. کاغذ، مقوا، مواد غذایی دور ریخته شده از جمله این موارد هستند. مواد فلزی و پلاستیکی در این دسته‌بندی قرار نمی‌گیرند. پسماندهای حیوانی نیز شامل پسماندهای دامداری‌ها، کشتارگاه‌ها، صنایع ماهی‌گیری و پرورش ماهی، صنایع لبنی، کود و لجن تولیدی احشام است.[۲]
کاربرد زیست‌توده‌ها
زیست‌توده‌ها که عمدتاً از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل می‌شوند، کاربردهای فراوانی در صنایع دارند.[۱] در حال حاضر ۱۰ درصد از مواد شیمیایی و خام تولید شده در صنایع از زیست‌توده‌ها به‌دست می‌آید.[۲] محصولات بسیاری زیادی را می‌توان از زیست‌توده تولید کرد. علاوه بر تولید انواع مقوا، کالاهای مصرفی، رنگ‌دانه‌های خوراکی، اسیدهای چرب، داروها و مکمل غذایی، می‌توان از زیست‌توده برای تولید انرژی استفاده کرد.[۲]
کاربرد زیست‌توده‌های میکروبی
انواع مختلف جلبک مثل ریزجلبک، جلبک‌های درشت و سیانوباکتر‌ها، مخمر و قارچ‌ها به عنوان منابع پرکاربرد زیست‌توده میکروبی شناخته می‌شوند. چربی، کربوهیدرات و زیست‌توده‌ای که در این موجودات ذخیره می‌شود، کاربردهای فراروانی به‌خصوص در تولید انرژی دارد. زیست‌توده بسیاری از جلبک‌ها و مخمرها به عنوان منابع پروتئین تک سلولی ((single cell protein (SCP) مصرف می‌شود.[۶] با توجه به محدودیت‌هایی که برای برخی صنایع در مورد تأمین منابع اولیه بوجود آمده، تولید و استفاده از این نوع زیست‌توده‌ها برای تولید پروتئین، اسیدهای چرب ضروری، رنگ‌های غذایی، مواد آرایشی و بهداشتی و خوراک دام رو به افزایش است.[۷]
کاربردهای زیست‌توده‌ی لیگنوسلولزی
از زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی بیش از ۲۰۰ ماده با ارزش می‌توان تولید کرد. با توجه به ترکیب پیچیده لیگنوسلولز، تنوع محصولاتی که با این ماده تولید می‌شود، بسیار بیش‌تر از نفت است. ساده‌ترین محصول که از تجزیه لیگنوسلولز به‌دست می‌آید، قندهای پنج و شش کربنه است. از لیگنین و قندهای لیگنوسلولز، ۱۶ ماده اساسی تولید می‌شود که با این مواد، می‌توان طیف گسترده‌ای از دیگر محصولات و بسیاری از انواع پلیمر‌ها یا پلیمرهای دارای خواص مشابه نمونه‌های نفتی را تولید کرد (جدول ۱).[۸]
جدول ۱- مواد اساسی که می‌توان از لیگنوسلولز تولید کرد.[۸]
| ردیف | ماده تجزیه اولیه لیگنوسلولز | خانواده مواد اساسی تولید شده و مثال‌ها |
| ۱ | قندهای ۵ و ۶ کربنه | ۱،۴-دی اسید |
| ۲ | ۵-هیدروکسی متیل فورفورال و ۵،۲-فوران دی کربوکسیلیک اسید | |
| ۳ | ۳-هیدروکسی پروپیونیک اسید | |
| ۴ | آسپارتیک اسید | |
| ۵ | گلوتامیک اسید | |
| ۶ | گلوکاریک اسید | |
| ۷ | ایتاکونیک اسید | |
| ۸ | گلیسرول | |
| ۹ | سوربیتول | |
| ۱۰ | لوولینیک اسید | |
| ۱۱ | هیدروکسی بوتیرولاکتون (hydroxybutyrolactone) | |
| ۱۲ | بوتانول، اتانول و استون | |
| ۱۳ | زایلوز، فورفورال و آرابینیتول | |
| ۱۴ | لاکتیک اسید | |
| ۱۵ | برخی مواد دیگر مثل اسید سیتریک، لیزین و … | |
| ۱۶ | مشتقات لیگنین | شامل وانیلین، استیرن، ترفتالیک اسید، متانول، بنزن، تولوئن و برخی آروماتیک‌های دیگر |
تولید انرژی از زیست‌توده
یکی از اساسی‌ترین استفاده‌های زیست‌توده، تولید انرژی در قالب سوخت‌زیستی است. با زیست‌توده می‌توان برق یا حرارت تولید کرد. بر خلاف سوخت‌های فسیلی، منابع زیست‌توده به راحتی و سریع جایگزین می‌شوند. هم‌چنین با تولید سوخت از این منابع، کربن‌دی‌اکسید کم‌تری وارد اتمسفر می‌شود.[۱] از زیست‌توده‌های مختلفی برای تولید انرژی می‌توان استفاده کرد. برخی زیست‌توده‌ها، مثل دانه‌های تولید انرژی قادرند پنج تا شش برابر انرژی که برای تولید آن‌ها مصرف می‌شود، انرژی تولید کنند.[۲] میسکانتوس، ذرت خوشه‌ای، چمن ترکه، جاتروفا، کتان‌کَش، کاریناتا و برخی گونه‌های دیگر در این دسته قرار دارند.[۹] البته تولید سوخت‌زیستی از منابع زیست‌توده میکروبی کم‌تر بررسی شده است.[۵]
زیست‌توده به روش‌های مختلفی به انرژی و دیگر محصولات تبدیل می‌شود؛ روش‌های تبدیل به انرژی شامل سوختن مستقیم، تبدیل شدن به گاز، سیکل‌های ترکیب حرارت و برق، هضم هوازی و بی‌هوازی است. روش‌های پیش‌رفته می‌تواند زیست‌توده را مستقیم به نفت، دیزل و سوخت‌جت تبدیل کند.[۱] در ادامه روش‌های تبدیل زیست‌توده بررسی می‌شود.
تبدیل زیست‌توده به انرژی
قبل از تبدیل زیست‌توده به مواد قابل مصرف و بخصوص انرژی، لازم است پیش عملیات‌های مختلفی روی آن صورت گیرد. ساختار مستحکم لیگنوسلولز از سلولوز، همی‌سلولوز و لیگنین تشکیل شده است. آسیاب کردن، پرتودهی، استفاده از بخار آب و آمونیاک، استفاده از کربن‌دی‌اکسید فوق بحرانی و بسیاری روش‌های دیگر از جمله پیش‌عملیات‌هایی هستند که قبل از تبدیل زیست‌توده لیگنوسلولزی به محصول نهایی انجام می‌شود.[۸] مهم‌ترین کاربرد زیست‌توده تولید انرژی است. در حال حاضر چهار روش برای تبدیل زیست‌توده مرسوم است: تبدیل حرارتی، تبدیل حرارتی-شیمیایی، تبدیل زیستی-شیمیایی و تبدیل شیمیایی. در ادامه به این موارد پرداخته می‌شود.[۱۰]
تبدیل حرارتی زیست‌توده
استفاده از حرارت در حضور یا عدم حضور اکسیژن برای تبدیل زیست‌توده به شکل‌های مختلف انرژی را تبدیل حرارتی می‌گویند. این روش شامل روش‌های سوختن مستقیم، گرماکافت (پیرولیز) و برشته‌سازی (torrefaction) است. در روش مستقیم، با سوختن زیست‌توده از حرارت تولیدی برای گرم کردن استفاده می‌شود؛ یا اینکه با تولید هوای داغ یا بخار و استفاده از آن برای چرخاندن توربین برق تولید می‌کنند. روش پیرولیز و برشته‌سازی در دما و مقدار اکسیژن مشخصی انجام می‌گیرد و از این طریق زیست‌توده به گاز، نفت یا زغال تبدیل می‌شود. پیرولیز زیست‌توده در دمای بالای ۴۳۰ درجه سانتی‌گراد و تحت فشار و در حضور مقدار کم اکسیژن انجام می‌گیرد و در نتیجه آن سوخت مایع و زغال نیم‌سوز تولید خواهد شد. در روش برشته‌سازی از دمای بین ۲۰۰ تا ۳۲۰ درجه سانتی‌گراد و بدون اکسیژن استفاده می‌شود. به این ترتیب با حذف آب و تجزیه جزئی سلولوز و لیگنین، زغال‌زیستی تولید می‌گردد.[۱۰]
تبدیل حرارتی-شیمیایی زیست‌توده
در این روش از حرارت و روش‌های شیمیایی برای تولید سوخت از زیست‌توده استفاده می‌شود. مهم‌ترین روش در این تبدیل، تبدیل شدن به گاز است. در این روش با دمای نزدیک به ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، زیست توده به گاز و مواد جامد تبدیل می‌شود. در مراحل بعدی گاز تولیدی فشرده شده و به گاز سنتز تبدیل می‌گردد.[۱۱]
تبدیل زیستی-شیمیایی زیست‌توده
در تبدیل زیستی-شیمیایی با استفاده از آنزیم، باکتری یا میکروارگانیسم، زیست‌توده به سوخت‌زیستی تبدیل می‌شود که شامل روش‌های هضم و تخمیر است. در نتیجه‌ی عملیات هضم بی‌هوازی، متان و گازهای سوختی دیگر تولید می‌گردد. با استفاده از مراحل آنزیمی و تخمیر، می‌توان از برخی زیست‌توده‌ها اتانول تولید کرد.[۱۰]
تبدیل شیمیایی زیست‌توده
در روش تبدیل شیمیایی، تبدیل زیست‌توده به سوخت‌زیستی با عامل شیمیایی انجام می‌گیرد. با استفاده از کاتالیزور یا مواد شیمیایی، روغن‌های زیستی به مواد سبک‌تر و قابل سوختن تبدیل می‌شود. دیزل زیستی که از استرسازی چربی‌های گیاهی یا حیوانی بدست می‌آید، یکی از نمونه‌های کاربرد روش‌های شیمیایی در تبدیل زیست‌توده است.[۱۰]
صنعت تبدیل زیست‌توده به تولید و تأمین مداوم ماده اولیه نیاز دارد. در واقع باید زنجیره تأمین این صنعت مدیریت شود. یکی از عوامل محدود کننده در استفاده از زیست‌توده، هزینه‌های زنجیره تأمین و تبدیل آن به سوخت‌های مفید است.
زنجیره تأمین زیست‌توده
در بخش‌های مختلف صنعت، زنجیره تأمین زیست‌توده شامل رشد (تولید)، برداشت، انتقال، جمع‌آوری، ذخیره‌سازی و تبدیل زیست‌توده به محصول نهایی است. بهره‌وری و فناوری در هر بخش روی دیگر بخش‌ها اثر می‌گذارد. مهم‌ترین مسائل در زنجیره تأمین وجود و نحوه ارتباط با بازار زیست‌توده و تأمین زیست‌توده است. انتخاب نوع زیست‌توده، پایداری و سود دهی در تولید ماده خام و هم‌چنین مقیاس تولید و تبدیل زیست‌توده به مواد ارزشمند در مقیاس بالا از جمله موارد مهم در این زمینه به شمار می‌رود.[۱۲]
از جمله مسائلی که باید در زنجیره تأمین بررسی شده و نگرانی‌ها در مورد آن برطرف شود؛ عبارت‌اند از تأمین فصلی، شرایط آب‌وهوایی، جمع‌آوری و حمل‌ونقل، ارتباط صنایع و تأمین‌کنندگان مواد اولیه و پایداری تأمین. علاوه بر این موارد، روش‌های عملیات روی زیست‌توده و تولید محصول نیز باید بهینه‌سازی شود.[۱۳]
ذخیره‌سازی زیست‌توده
مهم‌ترین نگرانی‌ها درباره زنجیره تأمین، ذخیره‌سازی زیست‌توده است. اگر تولید زیست‌توده فصلی باشد، این نگرانی‌ها افزایش می‌یابد. ذخیره در محل تولید، ویژگی‌های زیست‌توده را تغییر داده و بهره‌وری مراحل بعدی را کاهش می‌دهد. ذخیره در مکان‌هایی بین محل تولید و محل استفاده نیز هزینه‌های حمل‌ونقل را به همراه دارد. راه‌حل منطقی‌تر، نگه‌داری زیست‌توده در نزدیکی محل استفاده است. به عنوان مثال در تبدیل زیست‌توده به انرژی، در صورتی که برای نیروگاه برقی استفاده می‌شود، می‌توان بخشی از حرارت تولید شده را برای خشک کردن اولیه چوب‌ها استفاده کرد. خشک شدن چوب از کپک زدن و تخریب آن‌ها نیز جلوگیری می‌کند. البته استفاده از این ایده به میزان رطوبت مواد بستگی دارد و برای مواد با درصد رطوبت بالا صرف اقتصادی دارد.[۱۴]
زنجیره تأمین برای کاهش ریسک‌های سرمایه‌گذاری بسیار اهمیت دارد. در هند تعداد زیادی از نیروگاه‌های زیست‌توده‌ای با تولید بیش از ۵ مگاوات برق برای فروش گذاشته شده است. این اخبار نشان می‌دهد بدون وجود ساز و کار عملیاتی و مشخص برای آینده تأمین زیست‌توده، تمایل سرمایه‌گذاران نسبت به این حوزه کاهش می‌یابد.[۱۵]
مسائل زیست‌محیطی مربوط به زیست‌توده
منابع زیست‌توده به راحتی و سریع جایگزین می‌شوند. تولید این منابع در بسیاری از موارد در جهت حفظ محیط‌زیست است. به عنوان مثال زیست‌توده‌های میکروبی را می‌توان در آب‌های شیرین، شور و پسماند انواع صنایع کشت داد. دانه‌های تولید انرژی نیز معمولاً در زمین‌های غیرقابل استفاده تولید می‌شوند. بسیاری از درختان بیمار یا خشک یا بخشی از شاخ و برگ خشک شده آن‌ها برای تأمین زیست‌توده به‌کار می‌رود که علاوه بر سلامت جنگل‌ها و منابع، کاهش احتمال وقوع آتش‌سوزی و آفات را در پی دارد.[۳، ۱۶]
در کنار این موارد، با تولید محلی انرژی از زیست‌توده‌ها فشار به شبکه‌های توزیع انرژی کاهش می‌یابد. به این ترتیب استفاده از زیست‌توده برای تأمین بسیاری از مواد و انرژی، گام مهمی در صرفه‌جویی در مصرف آب، کاهش تنش‌های زیست‌محیطی و بهبود مدیریت پسماند به شمار می‌رود.[۱]
جمع بندی مقاله زیست توده
زیست توده یکی از منابع مهم و تجدیدپذیر است که با روش‌های مختلف شیمیایی و زیستی به انواع مواد، کالاهای مصرفی و انرژی تبدیل می‌شود. این منبع می‌تواند جایگزین مناسبی برای منابع فسیلی باشد. در هر صورت تولید و بهره‌برداری از این منابع هنوز با چالش‌هایی مواجه است که باید برطرف شود. زنجیره تامین، پیشرفت‌های تکنولوژی، سیاست‌های حمایتی و مسائل زیست محیطی از جمله مواردی است که در این مورد باید مورد توجه قرار گیرد.
منابع مقاله زیست توده
۱- Bioenergy Australia.
۲- alternative energy tutorials.
۳- ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY.
۴- Bux, F. and Y. Chisti, Algae biotechnology: products and processes. ۲۰۱۶: Springer.
۵- Popa, V.I. and I. Volf, Biomass as renewable raw material to obtain bioproducts of high-tech value. ۲۰۱۸: Elsevier.
۶- Ritala, A., et al., Single cell protein—state-of-the-art, industrial landscape and patents 2001–۲۰۱۶. Frontiers in microbiology, 2017. ۸: p. 2009.
۷- Matassa, S., et al., Microbial protein: future sustainable food supply route with low environmental footprint. Microbial biotechnology, 2016. ۹(۵): p. 568-575.
۸- Isikgor, F.H. and C.R. Becer, Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polymer Chemistry, 2015. ۶(۲۵): p. 4497-4559.
۹- Biofuels digest.
۱۰- wisconsin grasslands bioenergy network- conversion technologie.
۱۱- Panwar, N., R. Kothari, and V. Tyagi, Thermo chemical conversion of biomass–Eco friendly energy routes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012. ۱۶(۴): p. 1801-1816.
۱۲- wisconsin grasslands bioenergy network- supply chain.
۱۳- Yadav, Y.S. and Y. Yadav. Biomass Supply Chain Management: Perspectives and Challenges. in Proceedings of the First International Conference on Recent Advances in Bioenergy Research. ۲۰۱۶. Springer.
۱۴- Rentizelas, A.A., A.J. Tolis, and I.P. Tatsiopoulos, Logistics issues of biomass: the storage problem and the multi-biomass supply chain. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009. ۱۳(۴): p. 887-894.
۱۵- Bioenergy consult.
۱۶- Biomass Power.
