بررسی وضعیت فعلی و چشم انداز سوخت های زیستی نسل سوم(ریز جلبک ها)/قسمت اول

✍️دکتر اسدالله غلامپور

سرویس انرژی منبع خبر- تصور می‌شود که سوخت‌های زیستی نسل سوم، یا جلبک‌ها به‌عنوان خوراک، پتانسیل زیادی برای برآوردن نیازهای سوخت زیستی آینده، بدون به خطر انداختن زمین‌های زراعی و منابع غذایی دارند. به ویژه، زیست توده جلبکی به عنوان یک جایگزین امیدوار کننده بدلیل کیفیت بالاتر روغن آن نسبت به سایر محصولات روغنی، در نظر گرفته می شود،که تقریباً از ۶۰ تا ۷۰ درصد وزن خشک زیست توده در برخی گونه ها فراتر می رود. ریزجلبک ها سرعت رشد بسیار بالایی داشته و تنها چند روز طول می کشد تا کل چرخه رشد خود را کامل کنند و در مقایسه با گیاهان توانایی فتوسنتزی بالایی دارد. تولید زیست توده ریزجلبک ها(Microalga)، نیز تقریباً ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از گیاهان زمینی است. زیست توده ی، نسل اول و دوم شامل محصولات غذایی و ضایعاتی مانند برنج، گندم، نیشکر، جو، کاه و پوسته آن، محصولات انرژی زای کشت شده مانند محصولات چوبی، بقایای جنگلی و غیره است. در حال حاضر، بخش عمده ای از سوخت های زیستی از این زیست توده ها، به ویژه از روغن نخل، ذرت و روغن سویا به دست می آید. مواد اولیه نسل اول و دوم به حجم عظیمی از زمین های زراعی همراه با یارانه های دولتی و سایر مصرف منابع نیاز دارند که با تولید مواد غذایی در جهان در تضاد است. به عنوان مثال، صنعت سوخت زیستی ایالات متحده به شدت به محصولات کشاورزی به عنوان مواد اولیه سوخت زیستی آنها وابسته است، که برای برآوردن نیمی از نیاز سوخت حمل و نقل به ۲۴ درصد از کل زمین های زراعی وابسته است.
روند سریع کاهش سوخت های فسیلی، تخریب محیط زیست و صنعتی شدن، نیاز و تولید جایگزین های سوخت پایدار را تشویق کرده است. این منجر به افزایش علاقه به سوخت های زیستی، به ویژه سوخت های زیستی نسل سوم تولید شده از ریزجلبک ها گردیده است، زیرا ریز جلبک ها، با مواد غذایی و زمین رقابت نمی کنند. با این حال، سهم جهانی این سوخت‌های زیستی ناکافیمی باشد، به ویژه به دلیل همه‌گیری جهانی ویروس کرونا.
چندین استراتژی در طول چرخه زندگی تولید سوخت زیستی جلبکی وجود دارد که می تواند کیفیت و بازده آن را به طور قابل توجهی افزایش داده و در عین حال هزینه، انرژی و سایر ویژگی های مرتبط را کاهش دهد. هزینه بالای تولید و فروش این سوخت زیستی جلبکی(Algal Biofuel)، دلیل اصلی عدم تولید در مقیاس بزرگ و در نتیجه عدم کفایت برای پاسخگویی به نیاز جهانی است. سوخت زیستی نسل سوم چیزهای زیادی برای ارائه دارد، از جمله بسیاری از کاربردهای یکپارچه و کاربردهای پیشرفته در صنعت سوخت آینده. بنابراین، مقابله با شرایط جاری و تاکید بر آینده سوخت زیستی جلبکی به عنوان یک منبع پایدار مهم است. در شرایط حاضر در جهان، رشد سریع صنایع، سیستم‌های حمل‌ونقل و انواع ماشین‌آلات منجر به یک سبک زندگی آرام برای ساکنان کره خاکی شده است، اما با از بین بردن منابع طبیعی موجود در زمین، هزینه‌های زیادی برای کره زمین به همراه دارد. استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی و فعالیت‌های مختلف انسانی از علل اولیه کاهش منابع و بحران جهانی آب و هوا هستند. یک مقاله در ژورنال گزارش داد که ۸۷٪ از انتشار CO2 جهانی ناشی از استفاده از سوخت های فسیلی است که در آن زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی به ترتیب ۴۳٪، ۳۶٪ و ۲۰٪ سهم دارند. به طور خاص، سیستم های حمل و نقل، مصرف کننده حدود یک سوم انرژی جهانی هستند که نیمی از آن مربوط به نفت است. همانطور که انتظار می رود جمعیت انسان در جهان در حال افزایش بوده، که خود باعث افزایش ۴۰٪ در استفاده از سوخت های فسیلی در سال های ۲۰۴۰-۲۰۵۰ می شود. طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر، در سال ۲۰۲۰ حدود ۲ میلیارد وسیله نقلیه در جاده‌ها تردد داشته که خود درصد بالایی از آلاینده های فسیلی را ایجاد کرده است، علاوه بر وسایل نقلیه، انتشار کربن جهانی توسط هوانوردی که به تنهایی ۳ درصد از کل انتشار را تشکیل می‌دهد، نیز از دیگر دلایل آلایندگی آب و هوا میباشد. بنابراین، منابع انرژی جایگزین مانند خورشید، باد، و زیست توده برای برآوردن نیازهای انرژی جهانی، تقاضای بالایی دارند. انرژی زیستی، قدیمی ترین شکل شناخته شده انرژی تجدیدپذیر است که از مواد آلی تولید می شود، به نام زیست توده که کلید تولید سوخت های زیستی است. در ابتدا، زیست توده به منابع متعارف و تجدیدپذیر یا مواد اولیه تقسیم می‌شود (شکل ۱)، سپس زیست توده تجدیدپذیر بسته به نوع مواد اولیه به چند نسل تقسیم می شود.

شکل یک: طبقه بندی زیست توده به نسل ها

علاوه بر این، سازگاری بالاتر با موقعیت‌های مختلف محیطی، کشت ریزجلبک‌ها(Microalgal) را مستقل از زمین‌های حاصلخیز ممکن می‌سازد. به عنوان مثال، اسپیرولینا( Spirulina گونه‌ای جلبک سبز) را می توان در هر دو سیستم فتو بیو رآکتورهای ( photo bio reactor- PBR) بسته یا حوضچه باز کشت کرد، بنابراین به مساحت کمتری نیاز دارد. غلظت زیست توده آن می تواند هر ۲ تا ۵ روز دو برابر شود و در مقایسه با بسیاری از منابع غذایی، ۲۰ تا ۴۰۰ برابر پروتئین بیشتری تولید کند. بکی از تنگناها، دشواری در برداشتن زیست توده میکرو جلبکی(Microalgal Biomass) به علت غلظت کم آن است. برای غلبه بر این محدودیت، ممکن است از فتو بیو رآکتورها(PBR) استفاده شود که موجب توسعه یافتن کشت های میکروجلبکی در شرایط کنترل شده می گردد و امکان حفظ کشت های خاص با هدف تولید محصولات دارویی را ایجاد می کند. در واقع از فتو بیو راکتور ها در حوزه زیست فناوری به منظور تولید ریزجلبک ها استفاده می شود. بیو راکتور یا همان راکتور شیمیایی برای انجام واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. در بیو راکتور ها شرایط محیطی کنترل شده منجر به رشد میکروب ها و تولید متابولیت های خاص می شود. برای تولید متابولیت و رشد میکروب ها، محیط کشت مایع یا جامد در شرایط استریل مورد نیاز می باشد. درواقع بیو راکتور بستری برای یک محیط فعال زیستی می باشد.
ویژگی منحصر به فرد این فناوری استفاده از نور برای کشت میکرو ارگانیزم های فتوسنتز کننده مانند میکرو جلبک ها است. با این حال ،این سیستم ها همچنین اشکالاتی مثل سرمایه گذاری اولیه بالا در زیرساخت ها و نیاز به نگهداری مداوم ایجاد می کنند. همچنین هنگام استفاده از محیط های بزرگ کشت، برقرار کردن انتشار نوری موثر در سرتاسر محیط کشت کار دشواری است که اگر زیست لایه ها روی سطوح  فتو بیو رآکتورها(PBR) ایجاد شده باشند، این دشواری تشدید می شود، که به ناچار، به شرایط محدودیت نور منجر می شود. علاوه بر این، کشت میکروجلبک های اتوتروف در فتو بیو رآکتورها(PBR) قرار گرفته در عرض های جغرافیایی بالاتر، نیازمند سیستم های گرمایشی و زیربناهای گران گلخانه ای برای حفظ بازدهی بالا دارد که باعث افزایش هزینه های فرایند می شود. بنابراین، زیست توده ریز جلبکی را می توان به عنوان منبع تجدیدپذیر بهتری برای خوراک سوخت زیستی در نظر گرفت. علاوه بر این، شرایط رشد برای برخی گونه‌های جلبکی نیز می‌تواند برای به حداکثر رساندن محتوای روغن آنها مهندسی شود. بقایای زیست توده پس از استخراج روغن می تواند به عنوان خوراک دام مورد استفاده قرار گیرد که آن را از نظر اقتصادی برای تولید انبوه سودمند می کند. علاوه بر این، بازده میکرو جلبکی فتوسنتز، بالا است و ۳ تا ۸ درصد از انرژی خورشیدی را در طول فرآیند تبدیل می‌کند که در محصولات زمینی تنها ۰٫۵ درصد است، آنها علاوه بر اینکه یک ماده اولیه پایدار هستند، می‌توانند در تثبیت CO2 و مواد مغذی، تصفیه فاضلاب نیز نقش داشته باشند و در نتیجه دامنه وسیعی برای سوخت‌های زیستی نسل سوم برای جایگزینی سوخت‌های معمولی ایجاد شود. بیو راکتور های نوری یا فتو بیو راکتور (PBR)، بیوراکتوری است که از یک منبع نوری استفاده می‌کند، این منبع نوری می‌تواند نور طبیعی خورشید یا نور مصنوعی باشد.
با شیوع کووید-۱۹، جهان دچار بحران اقتصادی قابل توجهی شده و با کاهش شدید تقاضا و قیمت سوخت مواجه شده است. علاوه بر این، اقدامات پیشگیرانه جهانی نیز بر شیوه های کشاورزی و حمل و نقل مواد اولیه تأثیر گذاشته و تولید سوخت های زیستی را کاهش داده است. سازمان‌های مختلف پایدار در سراسر جهان از قبل استراتژی‌هایی را برای استفاده از این وضعیت برای انتقال انرژی و سوخت جهانی به انرژی‌های تجدیدپذیر آغاز کرده‌اند. بنابراین، اقدامات موثر برای توسعه تولید سوخت زیستی نسل سوم و ارتقای تدریجی آنها برای جایگزینی مواد اولیه نسل قبلی بسیار مورد نیاز است.
Springer Link :منبع

‏Energy System(By Azra Maliha &Bassan Abu Hijeh)