ريز جلبك ها؛ مهمترين منبع تامين سوخت هاي زيستي
به گزارش سرویس خبر علم و فناوري بسیج از اردبيل؛ با جهش سریع و باورنکردنی به سوی صنعتی شدن و به دنبال آن بالا رفتن سطح استاندارد زندگی و شکوفایی و رونق اقتصادی کشورها در یکصد سال اخير، نياز. محدودیت منابع سوختهای فسيلی، مشکلات زیست محيطی ناشی از احتراق اینگونه سوختها و بالا رفتن قيمت حاملهای انرژی از جمله مهمترین عواملی است که جوامع مدرن و صنعتی را با چالشهای بزرگی روبرو کرده است. به همين دليل روز به روز استفاده از سوختهای زیستی بيشتر مورد توجه قرار می گيرد. در حال حاضر زیست سوختها اغلب از گياهان روغنی، پسماند روغنهای خوراکی و یا چربيهای حيوانی توليد می شوند.محدودیت منابع و مواد خام اوليه برای توليد زیست سوختها یکی از مهمترین مشکلات بر سر راه استفاده از این سوختهاست. منابع جلبکی )جلبکها و ریزجلبکها( به دليل ظرفيت بالای روغن و سرعت رشد زیاد منابع مناسبی برای توليد زیست سوخت به نظر می رسند. در ساليان اخير تحقيقات زیادی در مورد استفاده از ریزجلبکها به عنوان مواد اوليه توليد زیست سوخت انجام شده است.
روش هاي توليد زيست انرژي
پژوهشهای مربوط به بيوانرژی یا زیست انرژی توليد سوخت مایع زیستی برای جایگزینی نفت خام یا سوختهای فسيلی مشابه است.
سوختهای مایع زیستی اغلب به سه روش ترموشيمی، سنتز و تخمير توليد می شوند. آذرکافت یکی از ساده ترین و قدیمی ترین روشهای ترموشيمی و فرآیندسازی سوخت است. آذرکافت اصولاً به فرآیندهایی گفته می شود که هدف آن گردآوری مواد فرّار و چگال کردن آنها برای توليد یک سوخت مایع است.
روش دیگر سنتز یا ساخت مصنوعی سوختهای مایع است. این روش با گاز سازی آغاز می شود بطوریکه یک سامانه گاز ساز با استفاده از اکسيژن گازی توليد می کند که مقدار زیادی از آن را H 2 ، CO 2و CO تشکيل می دهد.
سپس با واکنش جابه جایی سعی مي كنند نسبت H2 و CO را به مقداری که در توليد نهایی لازم است تنظيم کنند.
با روش تخمير اغلب اتانول توليد می شود. تخمير یک فرآیند بيولوژیک بی هوازی است که در آن قند به الکل تبدیل می شود. بر خلاف متانول که می تواند جانشين بنزین شود، اتانول را نمی توان جایگزین بنزین نمود.
اتانول به عنوان بهبود دهنده می تواند به گازویيل استفاده شود و اصلاحاً سوختی بنام گازول توليد نماید. برای توليد الکل نياز به منابع قندی است که این قند می تواند از نيشکر استحصال شود. البته نشاسته موجود در سيب زمينی، ذرت و گندم را نيز می توان به قند تبدیل نمود و برای توليد اتانول استفاده کرد.
برزيل بزرگترين كشور توليد كننده اتانول است
در حال حاضر برزیل یکی از بزرگترین توليدکننده های اتانول از بقایای نيشکر است. پروژه توليد اتانول در برزیل در سال 1975 آغاز شد و تا مدتها از اتانول به عنوان سوخت استفاده شد تا اینکه با ورود نفت ارزان قيمت بازار اتانول نيز رو به افول گذاشت.
ایده اصلی و اوليه استفاده از سوختهای زیستی به نوعی به سال 1911 بر می گردد. در سال 1911 رودولف دیزل بيان کرد که موتور دیزل می تواند با روغنهای نباتی تغذیه شود و موجب توسعه کشاورزی گردد. این روغنها را می توان از له کردن دانه برخی از گياهان استحصال نمود.
اگرچه تحقيقات زیادی در این زمينه انجام شد، اما با ورود نفت خام ارزان قيمت این موضوع تا مدتها به دست فراموشی سپرده شد. در دهه های اخير محدودیت منابع سوختهای فسيلی و آلایندگی ناشی از آنها باعث شده است تا دوباره به موضوع سوختهای زیستی توجه ویژه شود، بطوریکه کميسيون اروپا اعلام کرد که تا سال 2010 بايد 5.75 درصد از سوخت مصرفي از منابع زیستی تأمين گردد.
در واقع امروزه دو پارامتر نگاه اقتصادی و دلواپسی های زیست محيطی مهمترین عوامل تعيين کننده در سياستهای بخش انرژی هستند. در حال حاضر انرژی لازم در بخش حمل و نقل به شدت به سوختهای فسيلی وابسته است. در طی فرآیند احتراق اینگونه سوختها مقدار زیادی گاز دی اکسيد کربن و آلاینده های خطرناک دیگر وارد جو زمين می شوند که می توانند باعث آلودگی هوا، تشدید اثرات گلخانه ای و گرم شدن کره زمين شوند. برای کنترل ميزان گازهای گلخانه ای در جو زمين لازم است که چرخه کربنی در اتمسفر زمين به گونه ای بسته شود . به عبارت دیگر باید گازهای گلخانهای به نوعی بازیافت شوند و به محصولات مفيد تبدیل شوند. بهترین راه برای بستن چرخه کربن استفاده از منابع بيولوژیک یا زیستی مانند گياهان است.
منابع زیستی با استفاده از فرآیند فتوسنتز می توانند گازهای گلخانه ای را بازیافت نمایند. بدین ترتيب ایده اصلی استفاده از سوختهای زیستی شکل گرفت.
ساختار سوخت هاي زيستي
زیست سوختها در واقع، مخلوطی از مونو آلکيل استرهای زنجيره های اسيدهای چرب هستند که معمولاً از فرآیند استریفيکاسيون روغنهای گياهی، چربیهای حيوانی و یا پسماند روغنهای خوراکی به دست می آیند.
بررسی ها نشان داده است که نمی توان از روغنهای گياهی بطور مستقيم به عنوان جایگزین مناسبی برای سوخت دیزل استفاده نمود. جرم مولکولی زیاد روغنهای گياهی و لزجت نسبتاً زیاد آنها استفاده از روغنهای مذکور را به عنوان سوخت دیزل محدود می کند.
روشها و فرآیندهای مختلفی برای کاهش لزجت روغنهای گياهی وجود دارد که از آن جمله می توان به رقيق سازی ، گرماکافت و فرآیند استریفيکاسيون اشاره نمود. در بين روشهای مذکور فرآیند استریفيکاسيون بيشتر از سایر روشها مورد استفاده قرار می گيرد.
مزاياي سوخت هاي زيستي
زیست سوختها ویژگي های ارزنده ای دارند که آنها را به عنوان جایگزین های مناسبی برای سوختهای فسيلی مطرح کرده است. سوختهای زیستی غير سمی هستند، در طبيعت به راحتی تجزیه می شوند و سازگاری زیادی با محيط زیست دارند. همچنين بررسی ها نشان داده است که استفاده از سوخت های زیستی باعث کاهش آلاینده ها از جمله مونوکسيد کربن، دی اکسيد گوگرد، هيدروکربنهای سوخته نشده و ذرات معلق می شود.
تقریباً ده درصد وزنی سوختهای زیستی را اکسيژن تشکيل می دهد. وجود چنين سهمی از اکسيژن در ساختار زیست سوختها باعث بهبود فرآیند احتراق و کاهش آلاینده هاست. در ترکيب زیست سوختها گوگرد، ترکيبات آروماتيک و ترکيبات فلزی وجود ندارد. نبود گوگرد در ساختار زیست سوختها علاوه بر حذف اکسيدهای گوگردی در هوا، از اثرات خوردگی ناشی از ترکيبات گوگردی در داخل موتور نيز می کاهد.
همچنين زیست سوختها عمليات روغنکاری و روانسازی را در موتور بهبود می دهند. معمولاً سوختهای فسيلی مشکلات روانکاری را به دنبال دارند. این مشکل ریشه در فرآیند گوگردزدایی سوخت دارد. اغلب در طی عمليات گوگردزدایی ترکيبات قطبی هتروسایکليک نيتروژن که نقش عمده ای در بهبود روانکاری دارند همراه با گوگرد حذف می شوند.
معايب زيست سوختها
در کنار مزیتهای بسيار زیاد سوختهای زیستی، این سوختها معایبی نيز دارند. یکی از نقاط ضعف اینگونه سوختها در زمان شروع به کار موتور در محيط های سرد رخ می نماید. در چنين شرایطی زیست سوخت کمی حالت ژلاتينی به خود گرفته و پمپاژ آن با مشکل روبرو می شود. البته این نقص به راحتی با اضافه کردن افزودنيهای خاصی به سوخت برطرف می گردد.
همچنين به دليل وجود اکسيژن بيشتر در زیست سوختها، دمای احتراق آنها نيز به مراتب بالاتر از سوختهای فسيلی می باشد. این امر احتمال وجود اکسيدهای نيتروژن را در آلاینده های خروجی اگزوز افزایش می دهد. این مشکل را نيز می توان با تنظيم زمانبندی پاشش سوخت تا حد زیادی مرتفع نمود .
زیست سوختها را اغلب از منابع گياهی مانند دانه های روغنی، چربي های حيوانی، پساب و یا فاضلابهایی که منبع آلی دارند و یا حتی از پسماند روغنهای خوراکی به دست می آورند. در امریکا روغن سویا یکی از مهمترین منابع توليد سوخت سبز)زیست سوخت( است. روغن کانولا، خرما، ذرت و نارگيل از جمله دیگر منابع مرسوم توليد زیست سوخت در کانادا و اروپا هستند.
جلبکها منابع غني روغن
منابع گياهی مرسوم برای توليد زیست سوخت نمی توانند نياز روز افزون به منابع سوخت را برآورده کنند. برای توليد این مواد زمين های قابل کشت زیادی مورد نياز است. همچنين نرخ رشد این گياهان و فرکانس محصول دهی آنها کند است. نياز به انرژیهای فسيلی نسبتاً زیاد، مصرف آب بالا، اثرات فرسایش خاک، رقابت با غذا و عدم هماهنگی با زیر ساختهای موجود از جمله مشکلات عمده دیگر بر سر راه استفاده مواد خام نسل اول است.
از سوی دیگر نرخ توليد آلاینده ها و گازهای گلخانه ای به شدت رو به افزایش است. با توجه به مشکلات مذکور به راحتی می توان چنين استنتاج نمود که بستن چرخه کربنی در محيط زیست و کنترل ميزان گازهای گلخانه ای به وسيله مواد خام نسل اول تقریباً کاری غير ممکن است. لذا باید به دنبال منابع مناسبتری رفت که بازدهی بالاتر و نرخ رشد سریعتری داشته باشند.
جلبکها دارای خصوصيات و ویژگيهای زیستی و فنی زیادی هستند که می توانند ما را در جهت غلبه بر این مشکلات یاری دهند. جلبکها در جذب و استفاده از نور خورشيد بازدهی بسيار بيشتری نسبت به گياهان زمينی دارند و آلاینده های مضر را مصرف می کنند و نياز به منابع کمتری دارند. جلبکها هيچگونه رقابتی با منابع غذایی نسل بشر ندارند و استفاده از آنها در توليد سوخت هيچگونه محدودیتی را در منابع غذایی به دنبال ندارد. نرخ رشد جلبکها زیاد است و تقریباً در هر روز از هر متر مربع 10 تا 50 گرم جلبک استخراج می شود.
در مقایسه با منابع نسل اول مانند ذرت و سویا، جلبکها دوره رشد بسيار کوتاهی دارند بطوریکه تقریباً در هر 24 ساعت به حداکثر رشد خود می رسند و در هر 3.5 ساعت مقدارشان دو برابر می شود.
در جدول 1 ميزان روغن استخراج شده و مقدار زمين زراعی لازم برای رشد جلبکها و منایع گياهی مرسوم مانند ذرت و سویا با هم مقایسه شده است:
شيوه هاي رشد و تکثير جلبکها :
برای رشد و نمو جلبکها امکانات و منابع و نور خورشيد به اندازه کافی وجود دارد. گاز دی اکسيد کربن لازم برای رشد جلبکها را می توان از گازهای خروجی نيروگاهها و یا سایر سازوکارهای صنعتی تأمين نمود. جلبکها در آبهای با PHمختلف قابل رشد هستند از آب شرب گرفته تا آبهای شور و بدمزه و یا حتی فضلابها.
نياز جلبکها به مواد مغذی نسبت به سایر مواد خام نسل اول به مراتب کمتر است. این امر به خاطر ساختار ساده تک سلولی آنهاست. از جمله مهمترین مواد مغذی مورد نياز برای رشد جلبکها نيتروژن و فسفر است که میتوان آنها را از کودهای شيميایی سنتی تهيه نمود. البته این مواد در فاضلابها به حد کافی وجود دارد که اگر از فاضلاب برای رشد جلبکها استفاده شود نياز آنها به مواد مغذی اضافی به شدت کاهش می یابد.
تکثير و پرورش جلبکها معمولاً به دو صورت انجام می گيرد: استفاده از استخرهای باز؛ استفاده از فتو بيو رآکتورهای بسته
روش استخر باز : یک روش ساده و بسيار ارزان قيمت است. حجم این استخرها میتواند از 10 تا 100 ميليارد ليتر متغير باشد. استخرهای باز در عين سادگی و صرفه اقتصادی با مشکلات و معضلاتی نيز روبرو هستند. این استخرها اغلب در زمينهای با مساحت بسيار بزرگ )در حد چند هکتار( باید بنا شوند که این امر خود محدودیت بزرگی به شمار می آید. از سوی دیگر کنترل شرایط محيط رشد در روش استخر باز کار چندان سادهای نيست. حتی گاهی به علت باز بودن فضای استخر به محيط اتمسفر امکان نفوذ و رشد گونه های جلبکی ناخواسته و نامناسب در داخل استخر وجود دارد.
در روش استخر باز ارسال و نقل و انتقال گاز دی اکسيد کربن با مکانيزم انتقال جرم طبيعی صورت می گيرد. از انجا كه تنها 0.036 درصد اتمسفر را دی اکسيد کربن تشکيل می دهد، انتقال این گاز به داخل استخر با محدودیتهایی همراه است. بدین منظور برای انتقال بهتر گاز دی اکسيد کربن از روش حباب زنی استفاده می شود که باز هم به دليل باز بودن استخرها، بخش اعظمی از گاز انتقال یافته می تواند فرار کند.
فتو بيوراكتور: در روش استفاده از فتو بيو رآکتورهای بسته تقریباً معایب فوق الذکر تا حد زیادی مرتفع شده است. تنها عيب این روش هزینه نسبتاً بالاتر نسبت به روش استخر باز است.
گونه هاي جلبکي مرسوم در توليد زيست سوخت
تاکنون گونه های مختلفی از ریز جلبکها از جمله کلرلا و اسپيرولينا دوناليلا با هدف توليد سوخت مورد بررسی قرار گرفته اند. این گونه های جلبکی در کشور ما نيز قابل رشد و پرورش هستند. به تازگی گونه خاصی از ریز جلبک کلاميدوموناس(Chlomydomonas) با نام MCCS 026 در برخی نواحی جنوبی ایران )استان فارس( شناسایی شد که می تواند به عنوان منبع مناسبی برای توليد سوخت سبز مورد استفاده قرار گيرد.
بر طبق تحقيقات انجام شده این گونه خاص جلبکی علاوه بر نرخ سریع رشد و ظرفيت ليپيدی نسبتاً بالا، محيط کشت بسيار ساده و ارزان قيمتی دارد بطوریکه حتی در شرایط اقليمی ایران بطور طبيعی نيز قابل رشد و تکثير است. نتایج برخی تحقيقات انجام شده نشان داده است که سوخت به دست آمده از این سویه جلبکی خواص بسيار مشابهی با سوخت دیزل فسيلی دارد. بطوریکه زیست سوخت جدید نسبت به برخی از زیست سوختهای مرسوم و مورد استفاده در اروپا و امریکا از جمله سویا و کانولا متيل استر عملکرد بسيار مطلوبتری دارد. همچنين بررسیها نشان داده است که زیست سوخت جدید نسبت به زیست سوخت بدست آمده از برخی ریز جلبکهای دیگر مانند (Chlorella) کلرلا نيز از کيفيت بسيار بالاتری برخوردار است.
تراز انرژي
تراز انرژی یا همان نسبت برگشت پذیری یکی از عوامل و مفاهيم مهم در انتخاب منابع سوختهای زیستی است. تراز انرژی در واقع بيانگر نسبت انرژی دریافتی از زیست سوخت به انرژیهای ورودی و داده شده به آن است که البته ممکن است بخشی از انرژیهای داده شده یا مصرف شده در طی فرآیند توليد زیست سوخت از منابع فسيلی تأمين شده باشد.
مقدار تراز انرژی زیست سوخت به شدت به فرآیند توليد آن بستگی دارد، بطوریکه اگر فرآیندهای توليدی طوری طراحی شوند که از انرژیهای تجدید پذیر دیگر مانند انرژی خورشيدی بهره ببرند و یا از انرژی هدر رفت صنایع دیگر در راستای توليد زیست سوختها استفاده شود، بالانس انرژی مثبت خواهد شد و استفاده از زیست سوختها به مراتب مقرون به صرفه تر خواهد بود. به مقدار بالانس انرژی برای نيروگاههای برقابی نزدیک به 300 است. برای چوب این مقدار بين10 تا2 0 است. برای اتانول توليد شده از دانه جو مقدار بالانس انرژی 1 است. این در حالی است که مقدار بالانس انرژی برای سوختهای زیستی نزدیک به 9 است. البته همانظور که اشاره شد با بهينه سازی فرآیندهای توليد زیست سوختها می توان این نسبت را به مراتب افزایش داد.
زيست سوختهاي جلبکي در آينده نزديک
در سال 2007 ميلادی هزینه توليد روغن از یک گونه ریزجلبکی با ظرفيت چربی30% با استفاده از روش فتو بيو رآکتورهای بسته با ظرفيت 10000 تن در سال برابر با دلار برای هر گالن تخمين 10.5 زده شد.
البته این مبلغ بدون در نظر گرفتن هزینه های مربوط به تبدیل روغن به زیست سوخت، هزینه حمل و ارسال سوخت و ماليات محاسبه شد. این در حالی است که در همان زمان هزینه سوخت فسيلی برای هر گالن چيزی حدود 4 دلار بود!در حال حاضر هزینه بالای توليد زیست سوختهای جلبکی بزرگترین چالش اینگونه سوختهاست. اما در چند سال آینده با محدودیت منابع سوختهای فسيلی و رشد روز افزون قيمت آنها از یک سو و با بهينه سازی فرآیندهای توليد زیست سوختهای جلبکی از سوی دیگر، شرایط تغيير خواهد کرد و به زودی زمانی فرا خواهد رسيد که زیست سوختهای جلبکی مقرون به صرفه خواهند شد.
