زیست توده (Biomass)

زیست توده(Biomass)و سوخت های زیستی حاصل از ان یکی از انواع انرژی است که می تواند از گیاهان یا کشت گیاهان مخصوص بدست اید وجانشین بخشی از انواع دیگر انرژی شود.در واقع Biomass به مواد بیوتکنولژی(گیاهی و حیوانی)مرده یا زنده گفته می شود که هنوزکاملا تجزیه یا تخمیر نشده باشند.

سوخت های زیستی (Biofuels)

سوخت های زیستی نوعی از سوخت ها هستند که از منابع زیست توده(Biomass)بدست می ایند.این سوخت ها شامل اتانول مایع، متانول،بیودیزل و سوخت های دیزل گازی مثل هیدروژن و متان است.

از منابع اولیه تولید این سوخت ها می توان به ضایعات چوبی ، تفاله های محصولات کشاورزی، نیشکر، غلات، روغن گیاهان و سبزیجات اشاره کرد.امروزه بیشتر کشورها در بخش انرژی، نیاز و تقاضای خود را بسوی استفاده ازاین گونه سوخت ها سوق می دهند.زیرا معضل هایی مثل الودگی زیاد محیط زیست سوخت های فسیلی که به نوبه خود سبب برهم خوردن شرایط اکولوژیکی می شوند و خطر های زیست محیطی را به دنبال دارند، همچنین محدود بودن ذخایر سوخت فسیلی سبب شده تا به این نوع انرژی ها پیش از پیش توجه شود.

اتانول (Ethanol)

اتا نول یا الکل اتیلیک، مایعی روشن، بی رنگ با بوی قابل تحمل است.در حال حاضر از این ماده به صورت خالص یا مخلوط ان با بنزین بعنوان سوخت استفاده می شود.این ماده با عدد اکتان ۱۱۳ سوختی مرغوب است و بعنوان ترکیبی اکسیژن دار با اضافه شدن به بنزین می تواند عدد اکتان را افزایش و انتشار الاینده هایی نظیر co را کاهش می دهد.اتانول می تواند در موتور های جدید بنزین سوز، بدون هیچ تغییری در سیستم موتور از ۳تا ۲۴ درصد بصورت مخلوط با بنزین مصرف شود، اما استفاده از این ماده با درصد های بالاتر نیازمند استفاده از موتورهای اختصاصی یا دومنظوره است.

اتانول را می توان به روشهای شیمیایی و بیولژیکی تولید کرد.در روش های شیمیایی از هیدراسیون مستقیم و در روش های بیولژیکی از تخمیر نشاسته،سلولز و همی سلولز توسط میکرو ارگانیسم ها اتانول تولید می شود.یعنی از تخمیر کربوهیدرات های مونو مریک اتانول مایع حاصل می شود.

منابع تولید Bioethanol را می توان در ۳ گروه دسته بندی کرد:

۱) قند های ساده:نیشکر، چغندر و ملاس.

۲) مواد نشاسته ای:سیب زمینی و حبوبات.

۳) مواد لیگنوسلولزی:چوب و ضایعات کشاورزی(کاه گندم و برنج، ساقه ذرت، باگاس نیشکر) ، کاغذ های باطله، ضایعات چوبی و غیره.

از پساب کارخانجات خمیر و کاغذ که محتوی همی سلولز است استفاده مجدد می شود.

((باگاس، باقیمانده فیبری ساقه نیشکر پس از عصاره گیری ان است که بصورت قطعات ریز تراشه چوب و زرد رنگ است.))

همان طور که گفتیم کربو هیدرات ها را می توان از منابع گوناگونی بدست اورد.برای نمونه در برزیل کربو هیدرات ها را از نیشکر بدست می اورند که بعنوان ماده اولیه در بیشتر صنایع بزرگ این کشور استفاده می شود یا درامریکا شمالی، کربو هیدرات ها را از هیدرولیز انزیماتیک نشاسته که در غلاتی مانند ذرت و گندم وجود دارد، بدست می اورند.

برای تولید اتانول از کربوهیدرات ها بعنوان سوخت باید از منابع اولیه ارزان قیمت و تا حد ممکن بی مصرف استفاده کرد تا بتوان به سوخت ارزان و مقرون به صرفه دست یافت.یعنی تهیه مستقیم از اصل محصولات کشاورزی به سختی می تواند بعنوان راه حل مناسب تولید Bioethanol باشد.استفاده از مواد لیگنوسلولزی بعنوان سوبسترات ارزان قیمت تر می تواند بیو اتانول را رقابت امیز با سوخت های فسیلی کند.مواد لیگنوسلولزی از ترکیبات سلولزی و همی سلولزی که بصورت زنجیره های بسیار بلند کربوهیدراتی هستند تشکیل شده اند.این ترکیبات بوسیله ماده چسبنده لیگنین در کنار هم نگهداری و محافظت می شوندواما نیازمند یک مقدار بیشتری از فراورش است تا مونومرهای قندی را در دسترس میکروارگانیسم ها قرار دهد تا با فرایند تخمیر اتانول را تولید کند.

بر طبق تحقیقات سازمان انرژی ایالات متحده که توسط لابراتورهای ارگن( ََ Argone)دانشگاه شیکاگو صورت گرفته است،یکی از مزیت های اتانول سلولزی این است که پرتو گازهای گلخانه ای (GHG)را تا ۸۵درصد بالای بنزین تولید شده کاهش می دهد.در مقابل اتانول نشاسته ای (انرژی که از ذرت نشات می گیرد)،که بیشتر اوقات برای فراهم کردن انرژی فرایند،از گاز طبیعی استفاده می کند،پرتو گاز گلخانه ای را نزدیک ۱۸ تا ۲۹ درصد بیشتر از بنزین کاهش می دهد.اتانول قندی ارزانتر از اتانول ذرت است.در هر دو مورد لیگنین هدر رفت تبدیل به سوخت می شود تا برای فرایند انرژی با مقدار اضافی تولید کند و مقداری از الکتریسیته مورد نیاز را برای شبکه فراهم کند.

روش های تولید (Production method)

دو روش برای تولید الکل از سلولز وجود دارد:

۱) فرایندهای هیدرولیز سلولزی که شامل هیدرولیز روی مواد لیگنوسلولزی پیش عمل اوری شده توسط تخمیر و تبخیر.

۲) گاز سازی که مواد اولیه لیگنوسلولزی را به کربن مونوکسید و هیدروژن تبدیل می کند.این گازها می توانند توسط تخمیر یا کاتالیز شیمیایی به اتانول تبدیل شوند.

هر دو مرحله شامل تبخیر بعنوان مرحله پایانی است تا اتانول خالص را جدا کند.Cellulolysis

هیدرولیز سلولز(روش بیولوژیکی(زیست شناختی)) (Biologicalapproach)

۴ یا ۵ مرحله برای تولید اتانول با استفاده از روش های بیولوزیکی وجود دارد.

۱) یک مرحله پیش عمل اوری،تا ماده لیگنو سلولزی مثل چوب یا کاه را تابع(اماده)هیدرولیز کند;

۲) هیدرولیز سلولز(Cellulolysis)،تا مولکول ها را به قند تبدیل کند;

۳) جدا سازی محلول قندی از مواد پسماند،به ویژه لیگنین;

۴) تخمیر میکروبی محلول قندی;

۵) تقطیر کردن تا ۵۹۹درصد الکل خالص تولید کند.

پیش عمل اوری(دستکاری اولیه) (Pretreatment)

اگرچه سلولز منبع وافری در مواد گیاهی است اما قابلیت و توانایی اش توسط ساختار سختش کم شده است.در نتیجه،یک پیش عمل اوری موثر برای تفکیک کردن سلولز از نفوذ ناپذیر کردن لیگنین و ساختار کریستالی اش نیاز است تا برای مرحله هیدرولیز بعدی اماده شود.به مراتب اکثر پیش عمل اوری ها از طریق روش های شیمیایی یا فیزیکی انجام میشود.برای دستیابی به بازده بالاتر،تعدادی از محققان درصدد امدند تا هر دو اثر را ترکیب کنند.

امروزه،تکنیک های پیش عمل اوری موجود شامل هیدرولیز اسیدی، انفجار(اسپرزش) بخار، انبساط فیبر امونیاکی، اکسیداسیون مرطوب قلیایی و پیش عمل اوری های اوزونی است.علاوه بر تفکیک موثر سلولز ،یک پیش عمل اوری ایده ال (ارمانی) باید تشکیل فراورده های تخریب را کاهش دهد به دلیل اثرات بازدارنده ان ها روی هیدرولیز بعدی و فرایند های تخمیر.حضور بازدارنده ها نتنها باعث پیچیده کردن تولید اتانول می شود بلکه باعث افزایش هزینه تولید نیز می شود که این افزایش هزینه به علت مراحل سم زدایی لازمه است که باید انجام شود.

اگرچه پیش عمل اوری توسط هیدرولیز اسیدی احتمالا قدیمی ترین تکنیک پیش عمل اوری است،چندین بازدارنده شامل فورفورال(furfural) و فورفورال هیدروکسی متیل(hydroxymethyl furfural)(HMF)تولید می کند که به مراتب بعنوان بیشترین بازدارندهای سمی که در محصول ابکافت سلولزی حضور دارند به حساب می ایند.در حقیقت انبساط فیبر امونیاکی (AFEX)پیش عمل اوری منحصر به فردی است که باعث افزایش قابل توجه بازده شده در عین حال که هیچ اثر محدود کننده ای(بازدارنده ای)در نتایج هیدرولیز ندارد.

فراورش های هیدرولیز کننده سلولز (Cellulolytic process )

مولکول های سلولز از زنجیر های بلند مولکول های مختلف قندی تشکیل شده اند.در فرایند هیدرولیز،این زنجیر ها گسسته می شوند تا قند را ازاد کنند،قبل از اینکه از انها برای تشکیل الکل استفاده کنیم.

دو روش عمده هیدرولیز سلولز(cellulolysis)وجود دارد:یک واکنش شیمیایی که از اسید ها استفاده می کند،یا یک واکنش انزیماتیک.

هیدرولیز شیمیایی (Chemical hydrolysis)

در روش های قدیمی که در قرن ۱۹واغاز قرن ۲۰ توسعه یافت،هیدرولیز توسط حمله اسید به سلولز انجام می شود.ممکن اسید رقیق تحت دمای بالا و فشار بالا مصرف شود،یا اسید غلیظ بیشتری می تواند در دماهای پایین تر و فشار اتمسفریک انجام شود.یک مخلوط سلولزی بلور زدایی شده از اسید ها و قندها در حضور اب واکنش می دهند تا مولکول های قندی منفرد را تکمیل کند.(هیدرولیز).محصول این هیدرولیز سپس خنثی شده و برای تولید اتانول از تخمیر مخمر استفاده می شود.همان طور که اشاره شد،یک مانع قابل توجه برای فرایند اسید رقیق این است که هیدرولیز خیلی سریع است که فراورده های تخریب سمی که می توانند در تخمیر مداخله کنند تولید می شوند.اسید غلیظ نیز باید برای بازیابی از جریان قند جدا شود.(بستر متحرک مدلسازی شده،برای مثال جداسازی کروماتوگرافی)تا از نظر تجاری جالب توجه باشد.

این تکنولژی بی نظیر است از این حیث که ،برای اولین بار،این امکان را فراهم می سازد که بطور گسترده مواد سلولزی موجود یا عموما زیست توده،از نظر اقتصادی به صورت مطلوبی تبدیل به قند شود،به موجب ان ماده اولیه(خام)ارزان برای تخمیر یا تبدیل مواد شیمیایی به هر یک از صد کالای ویژه مختلف و/یا کالای مواد شیمیایی فراهم میکند.

هیدرولیز انزیماتیک (Enzymatic hydrolysis )

رشته های سلولز می توانند توسط انزیم های سلولاز(cellulose)به مولکول های گلوکز شکسته شوند.اینگونه واکنش ها در دمای بدن و در معده یک (جانور)نشخوار کننده مثل گاو ها وگوسفند،یعنی جایی که انزیم ها توسط باکتری ها ایجاد می شوند،اتفاق می افتد و این فرایند چندین انزیم را در مراحل مختلف تبدیل استفاده میکند.بنابراین از یک سیستم انزیماتیک مشابه استفاده می کنند و مواد لیگنو سلولزی می توانند بطور انزیمی در یک شرایط نسبتا ملایم (с۷۳۰;۵۰ و ۵=PH)هیدرولیز شوند.ازاینرو گسستن موثر سلولز را بدون ایجاد محصولات فرعی که خود جور دیگر از فعالیت انزیم جلوگیری می کنند را میسر می سازد.

به مراتب، تمام متد های پیش عمل اوری عمده،شامل پیش عمل اوری اسید رقیق،نیازمند مرحله هیدرولیز انزیماتیک است تا محصول قندی زیادی برای تخمیر اتانولی بدست اید.

تخمیر میکروبی (Microbail fermention)

خمیرمایه ی ساکارومیست سرویزیا(saccharomyces cerevisiae)مدت هاست که بطور تجاری در صنعت ابجو سازی استفاده می شود تا اتانول را از هگزوز ها (قند ۶ کربنه)تولید کند.

طبیعت پیچیده کربوهیدرات ها در زیست توده لیگنو سلولزی نشان می دهد،یک مقدار قابل توجهی از گزیلوز(قند چوب)و ارابینوز(قند های ۵ کربنه ای که از پروتئین همی سلولزِلیگنو سلولز مشتق شده اند)نیز دز محصول ابکافت وجود دارد.برای مثال،در محصول ابکافت corn stover تقریبا ۳۰درصد کل قندهای قابل تقطیر گزیلوز(قند چوب)است.در نتیجه،توانایی میکروارگانیسم های تخمیری برای اینکه تمام زنجیرهای قندی موجود در محصول ابکافت را مورد استفاده قرار دهدلازم و حیاتی است تا رقابت اقتصادی اتانول سلولزی و مواد شیمیایی که بالقوه پایه زیستی دارند را افزایش دهد.

در سال های اخیر،مهندسی متابولیک پیشرفت قابل توجهی را در زمینه میکروارگانیسم هایی که در فراورده سوختی اتانولی استفاده می شوند را نشان داده است.علاوه بر ساکارومیست سرویزیا(saccharomyces cerevisiae)،میکروارگانیسم هایی مثل،زیمامونوزموبیلیس(zymomonasmobilis )و اشرشیا کولی(Escherchia coli)برای فعالیت های متابولیکی جهت تولید اتانول سلولزی مورد استفاده قرار می گیرند.

اخیرا،مخمر های طراحی شده می توانند با بازدهی بالا گزیلوز(قند چوب)و ارابینوز،و حتی هر دو را با هم تخمیر کنند.سلول های مخمر مخصوصا برای فرایند های تولید اتانول سلولزی مورد توجه هستند چرا که صدها سال است که از این سلول های مخمر در بیوتکنولژی استفاده می شود به این دلیل که این مخمرها در غلظت های بالای اتانول و عوامل محدود کننده مقاوم بوده و حتی می توانند در مقادیر پایین PH که از الودگی های باکتریایی جلوگیری می کند نیز رشد نمایید.

تخمیر و هیدرولیز ترکیبی (Combined hydrolysis and ermentation)

تعدادی گونه باکتری که قادر به تبدیل مستقیم ترکیب اولیه سلولز به اتانول هستند یافت شده است.یک نمونه کلستریدییوم ترموسلوم(Clostridiu thermocellum) است،یک ترکیب پیچیده سلولزی را مورد استفاده قرارمی دهد تا سلولز را بشکند و اتانول را سنتز کند.اگرچه کلوستریدییوم ترموسلوم در طول متابولیسم سلولز علاوه بر اتانول،محصولات دیگری چون استات ولاکتات تولید می کند،همچنین کارایی فرایند را نیز کاهش می دهد.بعضی از تحقیقات در تلاشند که تولید اتانول را با استفاده از باکتری های اصلاح شده ژنتیکی اپتیمم نمایند.

فرایند گازسازی(تبدیل به گاز شدن)(روش ترموشیمی) (Gasification process(Thermochemical approach) )

فرایند گازسازی بر تجزیه شیمیایی زنجیره سلولز(هیدرولیز سلولز)تکیه نمی کند،شکستن سلولز به مولکول های قندی،کربن موجود در ماده اولیه با استفاده از ان سوخت به گاز سنتزی تبدیل می شود.سپس کربن مونوکسید،کربن دی اکسید و هیدروژن ممکن است به یک ظرف تخمیر ویژه(یک نوع مخصوصی از ظرف تخمیر)خورانده شوند.بجای تخمیر قندی با مخمر،این فرایند از یک میکروارگانیسم کلوستریدییوم لجونگ دالای(Clostridium ljungdahilii )استفاده می کند.این میکروارگانیسم کربن مونوکسید،کربن دی اکسید و هیدروژن را جذب می کند(eat)و اتانول و اب را تولید می کند.از اینرو این فرایند می تواند به ۳ بخش تقسیم شود:

۱) گازی شدن مولکول های پیچیده با پایه کربنی شکسته می شوند به اجزای تشکیل دهنده و مولکول هایی چون کربن مونوکسید،کربن دی اکسید و هیدروژن تولید می شوند.

۲) تخمیر تبدیل کربن مونوکسید،کربن دی اکسید و هیدروژن به اتانول که از میکروارگانیسم (Clostridium ljungdahilii) استفاده می کنند.

۳) تقطیر که اتانول از اب جدا می شود.

گرد اورنده و مترجم: فاطمه پیل