بخشی از مقاله
چکیده
افزایش فعالیت های صنعتی موجب بالا رفتن نیاز به سوخت های ارزان، تجدید پذیر و سازگار با محیط زیست گردیده است. کارایی تولید و قیمت سوخت های زیستی تولید شده توسط میکروارگانیزم ها وابستگی مستقیمی به نوع سوبسترای مورد مصرف دارد. سلولز به عنوان یک سوبسترای ارزان و فراوان گزینه مناسبی در جهت تولید سوخت های زیستی توسط میکروارگانیزم ها است . شناسایی باکتری های مولد آنزیم سلولاز شناسایی میکروارگانیزم های با قابلیت تبدیل سلولز ارزان قیمت به ترکیبات قابل مصرف سایر میکروارگانیزم ها در موفقیت تولید سوخت های زیستی نقش بسیار مهمی دارد.
در این پژوهش تعداد 50 سویه از میکروارگانیزم های دستگاه گوارش لارو سوسک سرشاخه خوار Osphranteria coerulescens جهت شناسایی باکتری های سلولیتیک جداسازی و با انجام تست کیفی سویه های واجد فعالیت سلولازی شناسایی گردید.سویه های منتخب شامل 17 سویه میله ای ، 28 سویه کروی و 5 سویه رشته ای بوده است. 24 سویه گرم مثبت و 26 سویه گرم منفی بوده است. تعداد پنج سویه واجد فعالیت سلولازی بودند. این سویه ها یک باسیل گرم مثبت، دو کوکسی گرم منفی و دو باسیل گرم منفی بوده است. بررسی کمی تولید آنزیم در سویه های مذکور و بهینه سازی شرایط تولید در حال انجام می باشد.
کلمات کلیدی: سوخت زیستی، سلولز، سلولاز، باکتری، Osphranteria coerulescens
مقدمه
بشر همواره به سوخت برای زندگی و گرما نیاز داشته است. با روند افزایش صنعتی شدن جهان،تقاضا برای سوخت های فسیلی نیز با افزایش چشمگیری روبرو شده است. امروزه سوختهای فسیلی % 80 از انرژی اولیه مصرفی را تامین میکنند، که از این میان بیش %58 صرف حمل و نقل میشود . - 1 - استفاده مستمر از سوختهای فسیلی، جامعه جهانی را با چالش هایی روبرو ساخته است، از آن جمله میتوان به محدود بودن منابع سوختهای فسیلی و اثرات زیست محیطی ناشی از مصرف سوختهای فسیلی اشاره کرد. سوختهای فسیلی مسئول انتشار مقادیر قابل توجهی از گازهای آلاینده در جو، از جمله گازهای گلخانهای - GHG - میباشند . - 2 - تغییرات آب و هوایی جهانی ناشی از تولید و رهاسازی گازهای گلخانهای به جو، باعث بر هم زدن اکوسیستم های طبیعی و نیز موجب مرگ سالانه 150000 نفر در دنیا میشود.
به طور میانگین سالانه 2 درجه سانتیگراد به دمای کره ی زمین افزوده میشود که این امر میلیونها انسان را با خطر ابتلا به مالاریا، گرسنگی، جاری شدن سیل و کمبود آب مواجه میکند. مهم ترین گاز گلخانهای دی اکسید کربن است که توسط مصرف سوختهای فسیلی برای تولید انرژی و حمل و نقل به اتمسفر آزاد میشود . - 3 - با توجه به کاهش منابع سوختهای فسیلی، افزایش انرژی مصرفی و نیز افزایش گازهای گلخانهای، تلاشهایی برای یافتن منابع انرژی جایگزین، تجدیدپذیر، کارامد و مقرون به صرفه همراه با اثرات زیست محیطی کم تر، آغاز شده است . - 1 - پیش بینی شده است که تقاضا برای مصرف انرژی در بین سالهای 2001تا 2050، % 54 افزایش پیدا کند . - 4 - از اینرو یافتن جایگزینی مناسب مورد نظر اغلب کشورها قرار گرفته است.
از میان انرژیهای جایگزین، شاید بتوان سوختهای زیستی، هیدروژن، گاز طبیعی و گاز سنتزی را به عنوان چهار منبع انرژی استراتژیک و سازگار با محیط زیست برای آینده در نظر گرفت. در میان این چهار انرژی جایگزین، سوخت های زیستی سازگارترین انرژی با محیط زیست به شمار میآید. با توجه به پدیده گرم شدن جهانی و افزایش نگرانیها، توجهات نسبت به تولید سوختهای زیستی افزایش پیدا کرده است. از اینرو جایگزینی سوختهای زیستی به جای سوختهای فسیلی در حال بررسی است. سوختهای زیستی به دلیل تجدید پذیر بودن، قابلیت تجزیه زیستی و تولید گاز خروجی با کیفیت قابل قبول، مطلوبترین گزینه جهت جایگزینی سوختهای فسیلی هستند . - 1 -
توجه به انرژی زیستی به عنوان ابزاری امیدوارکننده به منظور کاهش انتشار گازهای گلخانهای حاصل از سوختن سوختهای فسیلی رو به افزایش است . - 5 - سوختهای زیستی تجدید پذیر بوده و میتوانند از محصولات کشاورزی از قبیل نیشکر، گیاهان روغنی، زیست توده و بیومس جنگل و منابع دیگر مواد آلی به دست آیند. آن ها میتوانند به صورت مجزا یا در تلفیق با سایر سوختها به کار گرفته شوند . - 2 - سوختهای زیستی به سوختهای مایع، جامد و گازی اطلاق میشود که، بیشتر از بیومس تولید شدهاند . - 1 - بیومس یا زیست توده به هر محصول مشتق شده از گیاهان اطلاق میشود، که میتواند درختان، محصولات زراعی، چوب و ضایعات آن و حتی کاغذ را شامل شود . سوخت زیستی تنها منبع انرژی تجدیدپذیری است که میتواند به سوخت مایع تبدیل شود . - 5 -
سوختهای متنوعی را می توان از بیومس تولید کرد که از آن جمله میتوان به اتانول، متانول، بیودیزل، فیشرتروپش دیزل، هیدروژن و متان اشاره کرد. سوختهای زیستی به عنوان یکی از مهمترین و استرانژیک ترین منابع سوختیسازگار با محیط زیست مطرح هستند. از اینرو تعداد کشورهای توسعه یافته و در حال توسعهای که سوختهای زیستی را به عنوان یک ابزار کلیدی به منظور کاهش وابستگی به نفت خارجی، کاهش گازهای گلخانهای و دستیابی به اهداف توسعه روستایی در نظر گرفتهاند، در حال افزایش است. بین سال های 1980 تا 2005، تولید جهانی سوختهای زیستی از 4/4به 50/1 میلیارد لیتر افزایش پیدا کرده است - . - 1 میزان تولید سالانه اتانول در جهان در حدود 31/2 میلیارد لیتر است که از این میان بیواتانول دو سوم تولید نهایی را شامل میشود. برزیل بزرگترین تولید کننده بیواتانول با تولید سالیانه در حدود 13/5 میلیارد لیتر است.
تولید بیواتانول در ایالات متحده آمریکا 6/4 میلیارد لیتر است . - 6 - سوختهای زیستی خود به دو گروه طبقهبندی می شوند . سوختهای زیستی اولیه که به صورت فراوری نشده، به منظور استفاده گرمایی، پخت و پز و تولید الکتریسیته استفاده میشوند، مانند سوخت چوب و زغال. و سوختهای زیستی ثانویه که با انجام فرایندهای مختلف بر روی بیومس، تولید میگردند. اتانول، بیودیزل و متانول از جمله سوختهای زیستی ثانویه را میتوان در حمل و نقل و فرایندهای صنعتی متنوعی استفاده کرد . سوخت های زیستی ثانویه بر اساس ماده خام اولیه و تکنولوژی که بر روی تولید آنها به کار گرفته می شود، به نسلهای او ل، دوم و سوم تقسیمبندی میشوند. سوختهای زیستی همچنین بر اساس منابع و نوع آنها نیز تقسیمبندی میگردند منشا آنها ممکن است جنگل، صنایع کشاورزی و محصولات آن، شیلات و زبالههای شهری باشد. همچنین میتوانند جامد مانند زغال و تراشه چوب، مایع مانند اتانول و بیودیزل و به حالت گاز مانند بیو گاز، متان باشند - . - 1
سوختهای زیستی مایع یا گاز از مواد ارگانیک مانند نشاسته، دانه روغنی، چربی حیوانات و سلولز مشتق میشوند . - 4 - سلولز، فراوان ترین بیومس در کره زمین است و پتانسیل بسیار زیادی برای حل و فصل چالشهای انرژی و زیست محیطی دارد. همچنین سلولز فراوان ترین ماده زائد از صنعت کشاورزی است و یکی از فراوانترین منابع تجدیدپذیر محسوب میشود . - 7 - سلولز به صورت وسیعی در طبیعت، در دیواره سلول گیاهان یافت میشود. همچنین به وسیله برخی از حیوانات مانند آب دزدک دریایی و تعدادی از باکتریها تولید میشود. تخمین زده شده است که 7/2×1011 تن سلولز در گیاهان محفوظ است و تولید سالیانه سلولز به 4×1010 تن میرسد . - 8 - علی رغم تفاوتهای فوق العاده در ترکیب و ساختار آناتومیکی دیواره سلول های گونههای گیاهی، بالا بودن محتوا سلولز - 35 تا 50 درصد از وزن خشک گیاه - یکی از ویژگیهای واحد آن ها ب ه شمار میآید . - 9 -
سلولز پلیمر خطی از واحدهای گلوکز است که با پیوند بتا 1 به 4 گلیکوزیدی به هم متصل شده است. مواد خام لیگنوسلولتیکی میتوانند به واسطه دو فرایند هیدرولیز و متعاقبا تخمیر به اتانول تبدیل شوند . ساختار کریستالی سلولز هیدرولیز آن را با مشکل مواجه کرده است. در مرحله هیدرولیز، فرایندهای هیدرولیز متکی به اسید، برای دههها مورد استفاده قرار گرفته است، اما به دلیل اثرات منفی که بر روی محیط زیست دارد از جمله، تشکیل مقادیر زیادی از سولفات کلسیم که نیاز به انهدام و دفع دارد، با انتقاداتی از سوی دوستداران محیط زیست روبرو شده است. فرایندهای ترموشیمیایی یکی دیگر از روشهای شناخته شده به منظور تولید بیواتانول است، اما این روش از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
تجزیه آنزیمی سلولز فرآیندی سازگار با محیط زیست است. پیشرفتهای اخیر در ژنتیک مولکولی، مهندسی آنزیم و مهندسی سوخت و ساز به کارایی این روش افزوده است - . - 10 سیستم آنزیمی سلولیتیکی شامل سه جز مهم، اندو بتا گلوکاناز - EC. 3.2.1.4 - ، اگزو بتا گلوکاناز - EC. 3.2.1.1 - و بتا گلوکوزیدا ز - EC. 3.2.1.21 - است. اندوگلوکوناز، پیوندهای بتا 1به 4 گلیکوزیدی را در طول یک زنجیر سلولز به صورت تصادفی میشکند. اگزوگلوکاناز، برای شکستن انتهاهای غیر احیا کننده ضروری است. بتا گلوکوزیداز، سلوبیوز و سلودکسترین محلول در آب را به گلوکز هیدرولیز میکند. تنها همکاری این سه آنزیم منجر به هیدرولیز کامل سلولز به گلوکز میشود . - 11 -
تولید سلولاز گرانترین مرحله در طی تولید اتانول از توده زیستی سلولتیکی میباشد. بنابر این جداسازی میکروارگانیزم های ایده آل برای تولید سوخت زیستی با قابلیت آنزیمی مختلف و مقاوم در برابر مهارکنندهها و نقش مهمی در توسعه سیستمهای تولید سوخت زیستی دارد . - 10 - مناسبترین منابع برای استخراج سیستم یکپارچه سلولاز، سیستمهای میکروبی در روده موجوداتی است که از بیومسهای سلولزی به عنوان خوراک اصلی استفاده می کنند . - 11 - برخی از حشرات مانند موریانه، سوسکها، سوسریهای چوب خوار و مورچههای برش دهنده برگ، از سوبسترای لیگنوسلولزی به عنوان منبع اصلی خوراک خود استفاده کرده و در تجزیه سلولز به گلوکز بسیار کارامد هستند . چندین گزارش از فعالیت سلولیتیکی میکروارگانیزمهای ساکن در دستگاه گوارش حشرات مختلف از جمله
