بخشی از مقاله
چکیده
تولید بیودیزل از ریز جلبک ها به عنوان جایگزین مناسب منابع سوخت های نفتی با توجه به ویژگی هایی نظیر فراوانی ریز جلبک ها ، غلظت بالای چربی سلول ها و همچنین پایداری اقتصادی ، بیش از دیگر منابع سوخت های زیستی مورد توجه قرار گرفته است. با این حال امکان تولید در مقیاس بزرگ همواره با سوال هایی اساسی مانند انتخاب نوع ریز جلبک و روش مناسب برای کشت آن روبرو بوده است. هدف ما از این بررسی ، تجزیه و تحلیل یافته های تحقیقاتی در مقیاس آزمایشگاهی و امکان تبدیل آن به مقیاس بزرگ و کاربردی است که نیاز به برنامه ریزی دقیق و برسی همه جانبه دارد .
واژههای کلیدی: ریزجلبک ، بیودیزل ، تولید آزمایشگاهی ، تولید صنعتی ، سوخت زیستی
.1مقدمه
ریزجلبک ها گروه متنوعی از موجودات تک سلولی اند که برای تولید سوخت مایع جهت مصارفی چون حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند .گونه های مختلف ریزجلبک ها قادر به رشد در طیف گسترده ای از محیط های آبی، از آب های شیرین گرفته تا آب های شور می باشند و از CO2 جو استفاده می کنند ، به طوری که بیش از % 40 تثبیت کربن جهان بر عهده ریز جلبک های دریازی است. در حال حاضر یک پنجم از تولید گازهای گلخانه ای CO2 جهانی از بخش حمل و نقل هستند. با توجه به کاهش عرضه نفت خام ، هزینه سوخت روند صعودی خواهد داشت . با ادامه استفاده از سوخت های فسیلی به دلیل انتشار گازهایی مانند CO2 تغییرات آب و هوایی بیشتر خواهد شد . بیودیزل از روغن ریزجلبک ها تولید می شود، در نتیجه نفت خام فسیلی می تواند با روغن ریزجلبک ها برای تولید بیودیزل سازگار با محیط زیست جایگزین شود .
بیودیزل یک استر مونوآلکیل است که توسط استریفیکاسیون تری گلیسیریدها یا اسیدهای چرب آزاد با الکل های زنجیر کوتاه تولید می شود و می تواند در موتورهای دیزلی معمولی بدون اصلاح و یا با کمی اصلاح استفاده شود. منابع تجاری بیودیزل عبارتند از: روغن کانولا ، چربی حیوانی، روغن نخل، روغن ذرت، روغن ضایعاتی پخت و پز ، و روغن جتروفا . با این حال استفاده از روغن های گیاهی برای تولید سوخت بسیار بحث برانگیز است و نیاز به منابع از جمله زمین های زراعی دارد و تا حد زیادی بر امنیت غذایی تاثیر گذار است همچنین به آب شیرین زیادی نیازمند است . منابع فعلی روغن و چربی های حیوانی تنها قادر اند حدود 0.3 از تقاضای حال حاضر جهان برای سوخت مورد نیاز حمل و نقل را فراهم کنند. 28 کشور در جهان در حال توسعه بیودیزل می باشند که در میان آنها آلمان - 21% - ، ایالات متحده آمریکا - 17% - و فرانسه - 13% - بیشترین سهم را دارند .[3]
.2 ریز جلبک ها
ریز جلبک ها بزرگترین میکروارگانیسم های اتوتروفیک با زندگی گیاه مانند، در جهان هستند . ریز جلبک ها از طریق سنتز زندگی می کنند و به دلیل نرخ رشد بالای خود به سرعت می توانند مقادیر قابل ملاحظه ای چربی را نسبت به گیاهان زمینی جمع آوری کنند و همزمان با تغییر مسیرهای بیوسنتتیک برای ذخیره سازی به عنوان چربی های طبیعی استفاده شوند . روغن ریزجلبک ها و زیست توده مصرفی به عنوان مواد اولیه و منابع بالقوه خوب برای بیودیزل پیشنهاد شده است . انرژی ذخیره شده در چربی موجود در ریزجلبک ها دو برابر اتم های کربن در کربوهیدرات ها است ، که به طور مستقیم به دو برابر انرژی سوختی تبدیل می شود و در نتیجه ریزجلبک ها بیشتر از گیاهان زمینی برای تولید سوخت های زیستی مناسب هستند .
محتوای چربی ریز جلبک ها، بر اساس وزن خشک سلولی به طور کلی بین 20 و 40 متفاوت است، اگرچه محتویات چربی بیش از 85 نیز برای برخی از گونه های ریزجلبک ها گزارش شده است . ریز جلبک ها پتانسیل تولید 25 تا 220 برابر تری گلیسیرید بیشتر را نسبت به گیاهان زمینی دارند [1] و توسط فرآیند تبادل استری به آسانی می توانند به بیودیزل تبدیل شوند . واکنش تبادل استری بیودیزل ها : - 1 - مقدار مازاد متانول جهت بردن واکنش به سمت راست و تولید بیشتر محصول می باشد.
.3 ارزیابی تکنولوژی برای بزرگ نمایی
تکنولوژی تولید در مقیاس بزرگ برای ریز جلبک ها در حال حاضر وجود دارد . سیستم های استخر روباز به راحتی قابلیت بزرگ کردن دارند. در بزرگ نمایی تولید زیست توده ریزجلبک برای تولید بیودیزل باید از عوامل مختلف برای کمک در تضمین یک فرآیند اقتصادی امکان پذیر ، استفاده کرد .این عوامل شامل مجموعه ای از روش های کشت - سیستم باز یا بسته - ، استفاده از ریز جلبک ها با یک مزیت رقابتی برای جلوگیری از آلودگی، تامین مواد مغذی و دی اکسید کربن و منبع آب است که هیچ اثر محیط زیستی نداشته باشد . علاوه بر این، مواد غذایی باید از یک راه ارزان بدست آیند به عنوان مثال استفاده از اوره به عنوان منبع نیتروژن و یا فاضلاب به عنوان محیط کشت . عمده ترین چالش ، برداشت محصول در مقیاس های بزرگ است. ممکن است برداشت 25-33 از حجم راکتور بصورت روزانه برای تولید عملی بیودیزل مورد نیاز باشد .
تولید زیاد زیست توده ریزجلبک ها، هزینه برداشت ، مراحل آبگیری و هزینه های بالای بازیابی زیست توده را به طور موثر کاهش می دهد. سریع ترین و موثر ترین روش جهانی پذیرفته شده برای جداسازی کل زیست توده توسط سانتریفوژ مستمر است . با این حال، در مقیاس بزرگ این روش نیازمند انرژی زیادی است که باعث شده از این روش استفاده نشود. رسوب و ته نشینی بر اثر جاذبه به علت هزینه پایین ترجیح داده می شود ، با این حال اثر رسوب گرانش به شدت تحت تاثیر چگالی و شعاع سلول های جلبکی است .[3] که عمل لخته سازی به منظور بهبود ویژگی های ته نشینی انجام می شود. تکنیک فیلتر کردن قدیمی یکی دیگر از روش های معمول است . تلفیق کردن دو روش اساسی ته نشینی و فیلتراسیون می تواند برای آبگیری با لخته سازی استفاده شود . فیلتراسیون خلاء برای بهبود جلبک های بزرگ - بزرگتر از 70 میکرو متر - هنگامی که شرایط تحت فشار مورد نیاز است با کمک فیلتر عمل موثری است . این امر منجر به برداشت زیست توده جامد فشرده تر می شود . ریز جلبک های بزرگتر از 30 میکرومتر به طور موثری توسط فیلتراسیون در برداشت محصول یافت می شوند . برداشت زیست توده ریزجلبک ها یکی از مراحل مهم در پردازش بالادست است . خشک کردن و یا آبگیری از زیست توده به طور کلی به عنوان یک پیش تصفیه قبل از استخراج چربی نیاز است و تکنیک های مختلف تبدیل ترموشیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. خشک کردن ممکن است با خشک کن پاششی، خشک کردن درام، خشک کن انجمادی ، خشک کردن خورشیدی، و همچنین اشکال مختلف کوره به دست آید . [7]
چربی ریزجلبک ها به طور کلی قبل از تبدیل به بیودیزل از زیست توده استخراج شده است . این کار ممکن است با استفاده از روش های مکانیکی از قبیل cell homogenizer ها ، beed mill ها ، فراصوت، اتوکلاو و خشک کن پاششی یا روش های غیر مکانیکی مانند انجماد، استفاده از حلال های آلی، شوک اسمزی، اسید و همچنین واکنش های مبتنی بر آنزیم به دست آید . [7] انتخاب روش استخراج چربی به نوع رشد سلول های ریزجلبک ها و ضخامت دیواره های سلولی بستگی دارد . [5] مناسب ترین روش استخراج چربی تا به امروز استفاده از حلال است نمودار . [10] 1 نقطه ضعف ذاتی این روش این است که استخراج با حلال ، ممکن است زیست توده باقی مانده - اضافی - را برای خوراک دام نا مناسب کند .
فرآیند تولید بیودیزل معمولا توسط استریفیکاسیون الکل های زنجیر کوتاه ،در حالی که از اسید واسطه مبتنی بر آنزیم استفاده می شود ، به دست می آید. بالا بردن سرعت واکنش کاتالیزور اسید نیاز به افزایش دما و فشار دارد که ساخت آن در مقیاس بزرگ گران است . [5] تجزیه بوسیله آنزیم به طور کلی برای تبدیل مقیاس بزرگ به دلیل بالا بودن هزینه تولید آنزیم و عدم توانایی در انجام واکنش بصورت کامل ، مناسب نیست . انتخاب، جداسازی و تشخیص روش در فرایندهای پایین دستی ، می تواند با استفاده از زیست توده مرطوب و یا زیست توده خشک ریزجلبک های حاوی اسیدهای چرب زنجیره ای طولانی از طریق استریفیکاسیون به دست آید .زیست توده به دست آمده از استخراج مایع شامل یک فرایند چند مرحله ای است و نیاز به ترکیبی از حلال قطبی و غیر قطبی برای استخراج سریع چربی دارد . فرایندهای استریفیکاسیون به شدت انرژی بر هستند و در نتیجه ممکن است به دلیل هزینه بالا با محدودیت مواجه شوند.
.4 شرایط انتخاب گونه
اولین گام در این فرآیند ، انتخاب گونه ی مناسب برای تولید بیودیزل است. گونه های انتخاب شده باید شرایط مورد نیاز برای کشت در مقیاس بزرگ ریزجلبک ها را داشته باشند. ریز جلبک های یوکاریوتی به پروکاریوت ها ترجیح داده می شوند،
