ریزجلبک‌ها؛ سوخت‌های سبز زیستی

در حال حاضر زيست سوخت‌ها اغلب از گياهان روغني، پسماند روغن‌هاي خوراکي يا چربي‌هاي حيواني توليد مي‌شوند. محدوديت منابع و مواد خام اوليه براي توليد زيست سوخت‌ها يکي از مهمترين مشکلات بر سر راه استفاده از اين سوخت‌ها است. منابع جلبکي مانند جلبک‌ها و ريزجلبک‌ها به دليل ظرفيت بالاي روغن و سرعت رشد زياد، منابع مناسبي براي توليد زيست سوخت به نظر مي‌رسند. در ساليان اخير تحقيقات زيادي در مورد استفاده از ريزجلبک‌ها به عنوان مواد اوليه توليد زيست سوخت انجام شده است. هدف اصلي اين نوشتار معرفي منابع جلبکي، روش توليد و همچنين بررسي مزايا و معايب آن‌ها است.

در اين پژوهش با نگاهي اجمالي بر پژوهش‌هاي مربوط به بيوانرژي يا زيست انرژي توليد سوخت مايع زيستي براي جايگزيني نفت خام يا سوخت‌هاي فسيلي مشابه انجام شده است. سوخت‌هاي مايع زيستي اغلب به سه روش ترموشيمي، سنتز و تخمير توليد مي‌شوند. آذرکافت يکي از ساده ترين و قديمي‌ترين روش‌هاي ترموشيمي و فرآيندسازي سوخت است. آذرکافت اصولاً به فرآيندهايي گفته مي‌شود که هدف آن گردآوري مواد فرّار و چگال کردن آن‌ها براي توليد يک سوخت مايع است. روش ديگر سنتز يا ساخت مصنوعي سوخت‌هاي مايع است. با روش تخمير اغلب اتانول توليد مي‌شود. تخمير يک فرآيند بيولوژيک بي‌هوازي است که در آن قند به الکل تبديل مي‌شود. بر خلاف متانول که مي‌تواند جانشين بنزين شود، اتانول را نمي‌توان جايگزين بنزين کرد. اتانول به عنوان بهبوددهنده مي‌تواند به گازوييل استفاده شود و اصطلاحاً سوختي بنام گازول توليد نمايد. براي توليد الکل نياز به منابع قندي است. که اين قند مي‌تواند از نيشکر استحصال شود. البته نشاسته موجود در سيب زميني، ذرت و گندم را نيز مي‌توان به قند تبديل کرد و براي توليد اتانول استفاده شود. 

ايده اصلي و اوليه استفاده از سوخت‌هاي زيستي به نوعي به سال ۱۹۱۱ بر مي‌گردد. در سال ۱۹۱۱ رودولف ديزل بيان کرد که موتور ديزل مي‌تواند با روغن‌هاي نباتي تغذيه شود و موجب توسعه کشاورزي شود. اين روغن‌ها را مي‌توان از له کردن دانه برخي از گياهان استحصال نمود. اگرچه تحقيقات زيادي در اين زمينه انجام شد، اما با ورود نفت خام ارزان قيمت اين موضوع تا مدت‌ها به دست فراموشي سپرده شد. در دهه‌هاي اخير محدوديت منابع سوخت‌هاي فسيلي و آلايندگي ناشي از آن‌ها باعث شده است تا دوباره به موضوع سوخت‌هاي زيستي توجه ويژه شود. به‌طوري‌که کميسيون اروپا اعلام کرد که تا سال ۲۰۱۰ بايد۵/۷۵ درصد از سوخت مصرفي از منابع زيستي تأمين شود. 

منابع زيستي با استفاده از فتوسنتز گازهاي گلخانه‌اي را بازيافت مي‌کنند

طبق تحقيقات صورت گرفته در حال حاضر انرژي لازم در بخش حمل و نقل به شدت به سوخت‌هاي فسيلي وابسته است. در طي فرآيند احتراق اينگونه سوخت‌ها مقدار زيادي گاز دي اکسيد کربن و آلاينده‌هاي خطرناک ديگر وارد جو زمين مي‌شوند که مي‌توانند باعث آلودگي هوا، تشديد اثرات گلخانه‌اي و گرم شدن کره زمين شوند. براي کنترل ميزان گازهاي گلخانه‌اي در جو زمين لازم است که چرخه کربني در اتمسفر زمين به گونه‌اي بسته شود. بهترين راه براي بستن چرخه کربن استفاده از منابع بيولوژيک يا زيستي مانند گياهان است. منابع زيستي با استفاده از فرآيند فتوسنتز مي‌توانند گازهاي گلخانه‌اي را بازيافت کنند. بدين ترتيب ايده اصلي استفاده از سوخت‌هاي زيستي شکل گرفت. سوخت‌هاي زيستي يا زيست سوخت‌ها در واقع، مخلوطي از مونو آلکيل استرهاي زنجيره‌هاي اسيدهاي چرب هستند که معمولاً از فرآيند استريفيکاسيون "esterification" روغن‌هاي گياهي، چربي‌هاي حيواني يا پسماند روغن‌هاي خوراکي به دست مي‌آيند. 

سوخت‌هاي زيستي غير سمي هستند، در طبيعت به راحتي تجزيه مي‌شوند و سازگاري زيادي با محيط زيست دارند. همچنين بررسي‌ها نشان داده است که استفاده از سوخت‌هاي زيستي باعث کاهش آلاينده‌ها از جمله مونوکسيد کربن، دي اکسيد گوگرد، هيدروکربن‌هاي سوخته نشده و ذرات معلق مي‌شود.

اکسيژن، تشکيل دهنده ۱۰ درصد وزن سوخت‌هاي فسيلي

تقريباً ۱۰درصد وزن سوخت‌هاي زيستي را اکسيژن تشکيل مي‌دهد. وجود چنين سهمي از اکسيژن در ساختار زيست سوخت‌ها باعث بهبود فرآيند احتراق و کاهش آلاينده‌ها است. در ترکيب زيست سوخت‌ها گوگرد، ترکيبات آروماتيک و ترکيبات فلزي وجود ندارد. نبود گوگرد در ساختار زيست سوخت‌ها علاوه بر حذف اکسيدهاي گوگردي در هوا، از اثرات خوردگي ناشي از ترکيبات گوگردي در داخل موتور نيز مي‌کاهد. همچنين زيست سوخت‌ها عمليات روغن‌کاري و روان‌سازي را در موتور بهبود مي‌دهند. 
در کنار مزيت‌هاي بسيار زياد سوخت‌هاي زيستي، اين سوخت‌ها معايبي نيز دارند. يکي از نقاط ضعف اينگونه سوخت‌ها در زمان شروع به کار موتور در محيط‌هاي سرد رخ مي‌نمايد. در چنين شرايطي زيست سوخت کمي حالت ژلاتيني به خود گرفته و پمپاژ آن با مشکل روبرو مي‌شود. البته اين نقص به راحتي با اضافه کردن افزودني‌هاي خاصي به سوخت برطرف مي‌شود. همچنين به دليل وجود اکسيژن بيشتر در زيست سوخت‌ها، دماي احتراق آن‌ها نيز به مراتب بالاتر از سوخت‌هاي فسيلي است. اين امر احتمال وجود اکسيدهاي نيتروژن را در آلاينده‌هاي خروجي اگزوز افزايش مي‌دهد. اين مشکل را نيز مي‌توان با تنظيم زمان‌بندي پاشش سوخت تا حد زيادي مرتفع نمود. زيست سوخت‌ها را اغلب از منابع گياهي مانند دانه‌هاي روغني، چربي‌هاي حيواني، پس‌آب يا فاضلاب‌هايي که منبع آلي دارند يا حتي از پسماند روغن‌هاي خوراکي به دست مي‌آورند. 

طبق تحقيقات صورت گرفته در آمريکا روغن سويا يکي از مهمترين منابع توليد سوخت سبز يا زيست سوخت است. روغن کانولا، خرما، ذرت و نارگيل از جمله ديگر منابع مرسوم توليد زيست سوخت در کانادا و اروپا هستند. جلبک‌ها منابع غني روغن منابع گياهي مرسوم براي توليد زيست سوخت نمي‌توانند نياز روز افزون به منابع سوخت را برآورده کنند. براي توليد اين مواد زمينه‌اي قابل کشت زيادي مورد نياز است. همچنين نرخ رشد اين گياهان و فرکانس محصول دهي آن‌ها کند است. نياز به انرژي‌هاي فسيلي نسبتاً زياد، مصرف آب بالا، اثرات فرسايش خاک، رقابت با غذا و عدم هماهنگي با زير ساخت‌هاي موجود از جمله مشکلات عمده ديگر بر سر راه استفاده مواد خام نسل اول است. از سوي ديگر نرخ توليد آلاينده‌ها و گازهاي گلخانه‌اي به شدت رو به افزايش است. با توجه به مشکلات مذکور به راحتي مي‌توان چنين استنتاج نمود که بستن چرخه کربني در محيط زيست و کنترل ميزان گازهاي گلخانه‌اي به وسيله مواد خام نسل اول تقريباً کاري غير ممکن است. لذا بايد به دنبال منابع مناسب‌تري رفت که بازدهي بالاتر و نرخ رشد سريع‌تري داشته باشند.

جلبک‌ها داراي خصوصيات و ويژگي‌هاي زيستي و فني زيادي هستند که مي‌توانند ما را در جهت غلبه بر اين مشکلات ياري دهند. جلبک‌ها در جذب و استفاده از نور خورشيد بازدهي بسيار بيشتري نسبت به گياهان زميني دارند و آلاينده‌هاي مضر را مصرف مي‌کنند و نياز به منابع کمتري دارند. جلبک‌ها هيچگونه رقابتي با منابع غذايي نسل بشر ندارند و استفاده از آن‌ها در توليد سوخت هيچگونه محدوديتي را در منابع غذايي به دنبال ندارد. نرخ رشد جلبک‌ها زياد است و تقريباً در هر روز از هر متر مربع ۱۲ گرم جلبک استخراج مي‌شود. در مقايسه با منابع نسل اول مانند ذرت و سويا، جلبک‌ها دوره رشد بسيار کوتاهي دارند بطوري‌که تقريباً در هر ۲۴ ساعت به حداکثر رشد خود مي‌رسند و در هر ۳.۵ ساعت مقدارشان دو برابر مي‌شود. 

قابليت پرورش جلبک‌ها در آب‌هايي با PH مختلف

جلبک‌ها براي رشد و نمو امکانات و منابع خاصي نياز ندارند و نيازهاي آن‌ها در حد نيازها اوليه مانند آب، دي اکسيد کربن، نور خورشيد و مواد مغذي است. در اغلب مناطق نور خورشيد به اندازه کافي وجود دارد. گاز دي اکسيد کربن لازم براي رشد جلبک‌ها را مي‌توان از گازهاي خروجي نيروگاه‌ها يا ساير سازوکارهاي صنعتي تأمين کرد. جلبک‌ها در آب‌هاي با PH مختلف قابل رشد هستند که شامل آب شرب، آب‌هاي شور و بدمزه يا حتي فضلاب‌ها مي‌شود. 

نياز جلبک‌ها به مواد مغذي نسبت به ساير مواد خام نسل اول به مراتب کمتر است. اين امر به خاطر ساختار ساده تک سلولي آن‌ها است. از جمله مهمترين مواد مغذي مورد نياز براي رشد جلبک‌ها نيتروژن و فسفر است که مي‌توان آن‌ها را از کودهاي شيميايي سنتي تهيه کرد. البته اين مواد در فاضلاب‌ها به حد کافي وجود دارد که اگر از فاضلاب براي رشد جلبک‌ها استفاده شود نياز آن‌ها به مواد مغذي اضافي به شدت کاهش مي‌يابد. تکثير و پرورش جلبک‌ها معمولاً به دو صورت انجام مي‌گيرد که شامل استفاده از استخرهاي باز و استفاده از فتو بيو رآکتورهاي بسته مي‌شود. روش استخر باز يک روش ساده و بسيار ارزان قيمت است. در روش استخر باز ارسال و نقل و انتقال گاز دي اکسيد کربن با مکانيزم انتقال جرم طبيعي صورت مي‌گيرد. از آنجا که تنها ۰/۳۶  درصد از هواي اتمسفر را دي اکسيد کربن تشکيل مي‌دهد، انتقال اين گاز به داخل استخر با محدوديت‌هايي همراه است. بدين منظور براي انتقال بهتر گاز دي اکسيد کربن از روش حباب زني استفاده  ‌شود که باز هم به دليل باز بودن استخرها، بخش اعظمي از گاز انتقال يافته مي‌تواند فرار کند. 

گونه‌هاي جلبکي مرسوم در توليد زيست سوخت تاکنون گونه‌هاي مختلفي از ريز جلبک‌ها از جمله کلرلا "Chlorella  "، دوناليلا "Dunaliella  " و اسپيرولينا "Spirulina " با هدف توليد سوخت مورد بررسي قرار گرفته‌اند. به تازگي گونه خاصي از ريز جلبک کلاميدوموناس "Chlomydomonas " با نام "MCCS۲۰۶ " در برخي نواحي جنوبي ايران مانند استان فارس شناسايي شد که مي‌تواند به عنوان منبع مناسبي براي توليد سوخت سبز مورد استفاده قرار گيرد. طبق تحقيقات انجام شده اين گونه خاص جلبکي علاوه بر نرخ سريع رشد و ظرفيت ليپيدي نسبتاً بالا، محيط کشت بسيار ساده و ارزان قيمتي که دارد به‌طوري‌که حتي در شرايط اقليمي ايران بطور طبيعي نيز قابل رشد و تکثير است. نتايج برخي تحقيقات انجام شده نشان داده است که سوخت به دست آمده از اين سويه جلبکي خواص بسيار مشابهي با سوخت ديزل فسيلي دارد. اين زيست سوخت جديد نسبت به زيست سوخت بدست آمده از برخي ريز جلبک‌هاي ديگر مانند کلرلا "Chlorella " نيز از کيفيت بسيار بالاتري برخوردار است.

زيست سوخت‌هاي جلبکي در آينده نزديک در سال ۲۰۰۷ ميلادي هزينه توليد روغن از يک گونه ريزجلبکي با ظرفيت چربي ۳۰درصد با استفاده از روش فتوبيورآکتورهاي بسته با ظرفيت ۱۰ هزار تن در سال تقريباً برابر با ۱۰.۵ دلار براي هر گالن تخمين زده شد. البته اين مبلغ بدون در نظر گرفتن هزينه‌هاي مربوط به تبديل روغن به زيست سوخت، هزينه حمل و ارسال سوخت و ماليات محاسبه شد. اين در حالي است که در همان زمان هزينه سوخت فسيلي براي هر گالن چيزي حدود ۴ دلار بود. در حال حاضر هزينه بالاي توليد زيست سوخت‌هاي جلبکي بزرگترين چالش اينگونه سوخت‌ها است. اما در چند سال آينده با محدوديت منابع سوخت‌هاي فسيلي و رشد روز افزون قيمت آن‌ها از يک سو و با بهينه‌سازي فرآيندهاي توليد زيست سوخت‌هاي جلبکي از سوي ديگر، شرايط تغيير خواهد کرد و به زودي زماني فرا خواهد رسيد که زيست سوخت‌هاي جلبکي مقرون به صرفه خواهند شد.

بر اساس مطالعات گزارش شده امروزه مطالعه و تحقيق در محصولات گياهي داراي روغن به منظور استحصال ماده اوليه توليد انرژي و حل مشکلات ناشي از محدوديت‌هاي آتي سوخت جهاني بسيار گسترش يافته است. يکي از مشکلات بوجود آمده‌اي که در آينده پرورش گياهان روغني با هدف توليد انرژي را محدود خواهد ساخت، تغذيه انساني از اين منابع گياهي است. دومين مشکل عدم کارآيي بالا در توليد گياهان روغني به خصوص با بهره‌گيري از سيستم کشت سنتي فعلي است که حتي با بهره‌گيري از روش‌هاي جديد و مکانيزاسيون، وسعت زمين‌هاي تحت اشغال براي توليد سوخت جهاني از آن‌ها بسيار زياد خواهد بود. ميکرو جلبک‌ها بالاترين پتانسيل را براي توليد انرژي از خود نشان دادند. اين ارگانيسم‌ها از نور خورشيد، آب و دي اکسيد کربن براي توليد زيست توده استفاده مي‌نمايند.

نقش منحصر به‌فرد جلبک‌ها در آبزي پروري

در بررسي‌هاي ترکيبات بيوشيميايي ريز جلبک‌ها درصدهاي قابل توجهي از پروتئين، چربي، کربوهيدرات‌ها و ويتامين‌ها به همراه مواد معدني بدست آمده که بسياري از آن‌ها را به عنوان غذاهاي با ارزش در صنعت آبزي پروري معرفي نموده است. امروزه بالغ بر ۳۲ گونه ريز جلبک در آبزي‌پروري دنيا نقش تغذيه‌اي منحصر به‌فردي در مراحل اوليه زيستي آبزي پرورشي، که از حساسيت خاصي برخوردار است ايفا مي‌نمايند. 

از نظر بيوسيستماتيک، ريز جلبک‌ها در کلاس‌هاي مختلف دسته‌بندي شده‌اند که بر اساس رنگدانه، چرخه زيستي و ساختار سلولي تقسيم بندي مي‌شوند. دياتومه‌‎ها "Bacillariophyceae"  يک نمونه از اين جلبک‌ها هستند که درغالب اقيانوس‌ها وجود دارند ولي در آب‌هاي شيرين و لب شور يافت نمي‌شوند. تاکنون تقريبا ۱۰۰ هزار گونه از آن‌ها شناسايي شدند. دياتومه‌ها داراي سيليکا پليمريزه شده در ديواره سلولي خود هستند. همه سلول‌ها ذخيره کننده کربن در شکل‌هاي متفاوت هستند دياتومه‌ها نيز کربن را به شکل روغن‌هاي طبيعي يا پليمر کربوهيدراتي به نام کايرسولامينارين"Chyrsolaminarin " ذخيره مي‌کنند. 

جلبک‌هاي سبز "Chlorophyceae " اين جلبک‌ها بوفور در آب‌هاي شيرين يافت که بشکل سلول‌هاي انفرادي يا کلوني ديده مي‌شوند. جلبک‌هاي سبز از نظر تکامل اجدادي، جزو گياهان پيشرفته و مدرن هستند. ماده اصلي ذخيره‌اي در آن‌ها نشاسته است که البته تحت شرايط معيني مي توان از آن‌ها روغن بدست آورد. جلبک‌هاي سبز- آبي "Cyanophyceae " اين جلبک‎ها از نظر ساختار و سازمان بندي به باکتري‌ها بسيار نزديک هستند و نقش مهمي در تثبيت نيتروژن از اتمسفر دارند. تقريبا حدود ۲۰۰۰ گونه از آن‌ها تاکنون شناخته شده است که در زيستگاه‌هاي مختلف يافت مي‌شوند.

جلبک‌هاي طلايي "Chrysophyceae "،  اين گروه از جلبک‌ها به دياتومه‌ها بسيار شبيه هستند ولي سيستم رنگدانه‌اي آن‌ها پيچيده تر است به‌طوري‌که به رنگ‌هاي زرد، قهوه‌اي يا نارنجي ديده مي‌شوند. حدود ۱۰۰۰ گونه از آن‌ها تاکنون شناخته شده که عمدتا در آب‌هاي شيرين يافت شدند. از نظر ساختار و ترکيبات بيوشيميايي شبيه به دياتومه‌ها هستند. اين جلبک‌هاي طلايي قادر به توليد روغن‌هاي طبيعي و کربوهيدرات‌ها يه عنوان ترکيبات ذخيره‌اي درخود هستند. در آمريکا، انستيتو تحقيقات انرژي خورشيدي از سال ۱۹۷۸ برنامه‌اي تحت عنوان برنامه گونه‌هاي آبزي را پيگيري مي‌نمايد که با صرف هزينه‌هاي ميليارد دلاري و بهره‌گيري ازمتخصصان اقدام به نمونه برداري از ريزجلبک‌هاي مناطق مختلف کشور با تقسيم بندي‌هاي جغرافيايي خشک، مرطوب، با دماهاي بالا و پايين و همچنين داراي نوسانات زياد دمايي نموده با اين هدف که گونه‌هايي مقاوم با توان توليد روغن بالا را معرفي نموده بطوريکه با ايجاد شرايط کشت انبوه امکان توليد روغن‌هاي قابل سوخت به عنوان ديزل زيستي از آن‌ها فراهم گردد.

بر اساس مطالعات صورت گرفته تاکنون بالغ بر ۳۰۰۰ گونه ريز جلبک از مناطق مختلف جمع آوري شده، توان تحمل کشت آن‌ها در شرايط مختلف مورد بررسي قرار گرفته و در نهايت با کشت اختصاصي و توليد انبوه، مقادير قابل توجهي روغن از آن‌ها استخراج شده است. دستکاري‌ها در محيط کشت از جمله ايجاد محدويت‌هاي غذايي شامل محروميت نيتروژن و سيليس و همچنين دستکاري‌هاي ژنتيکي منجر به توليد بيشتر روغن در سويه‌هاي مورد مطالعه شده است ضمن آنکه تحمل شرايط سخت اکولوژيکي را براي کشت انبوه آن‌ها ميسر ساخته است.

منابع:
* حافظيه، م و حافظيه، س. (۱۳۸۹). «بيوديزل از ريز جلبک‌ها»، نخستين همايش بيوانرژي ايران. تهران. صص:۱-۱۲.
* اميدوار، م. (۱۳۹۳). «ريزجلبک‌ها، منابع آينده توليد انرژي زيستي»، فصلنامه علمي-تخصصي انرژي‌هاي تجديد پذير و نو. سال اول.  شماره ۱. صص: ۱-۷