بخشی از مقاله
مروري بر روش هاي کشت ميکروجلبک به منظور توليد بيوديزل
چکيده
يافتن جايگزيني مناسب براي سوخت هاي فسيلي به علت کاهش منابع نفتي و افزايش روز افزون قيمت آن ، امري اجنتاب ناپذير است . از بين سوخت هاي زيستي بيوديزل به دليل ويژگيهاي منحصر بفرد آن مورد توجه قرار گرفته است . در ميان منابع مختلف توليد بيوديزل ، ميکروجلبک به علت محتواي ليپيد بالاي آن بسيار مورد توجه قرار گرفته است . عامل محدودکننده کشت ميکروجلبک ، هزينه بر بودن تأمين منابع آبي و مواد مغذي مورد نياز رشد است . فاضلاب ثانويه که منبع آلي آن کاهش يافته است ميتواند گزينه مناسبي براي تأمين مواد مورد نياز ميکروجلبک باشد. با کشت ميکروجلبک در محيط فاضلاب علاوه بر تأمين مواد مغذي مورد نياز آن ، تصفيه فاضلاب نيز به طور همزمان انجام ميگيرد. تصفيه فاضلاب بر مبناي جلبک هزينه مربوط به استفاده از کودهاي تجاري به منظور کشت جلبک را حذف کرده و هم چنين در آمد حاصل از تصفيه ، فرآيند توليد ميکروجلبک را اقتصادي خواهد کرد. بيومس توليد شده را ميتوان براي توليد بيوديزل و محصولات جانبي ديگر به کار برد. در پژوهش حاضر به روش هاي مختلف استفاده از ميکروجلبک براي تصفيه همزمان فاضلاب و توليد بيوديزل پرداخته شده است .
کلمات کليدي
سوخت هاي فسيلي، بيوديزل ، ميکروجلبک ، ليپيد، فاضلاب
١. مقدمه
ميکروجلبک ها از ابتدائيترين موجوداتي هستند که بر روي کره زمين زندگي ميکنند. آنها در شرايط رشد گوناگوني مانند آب هاي شيرين ، آب هاي شور و آب دريا زندگي ميکنند و در محدوده وسيعي از دما و pH قادر به ادامه حيات هستند [١]. ميکروجلبک ها ريز موجودات فتوسنتزي يوکاريوت ١ يا پروکاريوت ٢ ميباشند که به دليل ساختار تک سلولي يا چندسلولي ساده ، رشد سريعي دارند و قادر به زندگي در شرايط سخت ميباشند. اين ميکروارگانيسم ها با استفاده از انرژي خورشيد، دياکسيدکربن و آب را به بيومس تبديل ميکنند [٢]. ميکروجلبک ها گونه هاي مستقلي هستند که حاوي ٢٠-٤٠درصد پروتئين ، ٣٠-٥٠ درصد ليپيد، ٢٠ درصد کربوهيدرات و ١٠ درصد ساير اجزاء سازنده ميباشد [١]. محتواي ليپيد ميکروجلبک ها را ميتوان با تغيير شرايط افزايش داد، بنابراين ميکروجلبک ها به دليل محتواي ليپيد بالايشان قادر به توليد روغن بوده و اساسا به عنوان منبعي از سوخت زيستي ميتوان آنها را درنظر گرفت [٣]. مزيت هاي استفاده از ميکروجلبک در تصفيه فاضلاب و توليد زيست سوخت را ميتوان در موارد زير خلاصه نمود:
١- ميکروجلبک ها قادر به رشد در تمامي فصول سال هستند، بنابراين ميزان توليد روغن حاصل از کشت جلبک از بهترين دانه هاي روغني نيز تجاوز ميکند. براي مثال ميزان توليد بيوديزل از جلبک l.ha١٢٠٠٠ (در کشت روباز) در مقايسه با دانه ي کلزا که l.ha ١١٩٠ميباشد [٤].
٢- برخي از گونه هاي ميکروجلبک قادر به رشد در محيط هاي شور هستند و نيازي به زمين هاي مناسب ندارند [٣، ٥] و نسبت به ساير دانه هاي روغني به آب کمتري نياز دارند، بنابراين در کاهش مصرف منابع آبي مؤثرند [٤] و در نتيجه توليد غذا، تهيه علوفه و ساير محصولات از دانه هاي روغني به مخاطره نميافتد [٢، ٣، ٦].
٣- ميکروجلبک ها پتانسيل سرعت رشد بالايي دارند و تعدادي از گونه هاي آن ها داراي محتواي ليپيد حدود ٧٠درصد از جرم خشک جلبک ميباشند [٥]، نرخ رشد نمايي جلبک در سطح خوبي است به گونه اي که بيومس آن در طي مدت زمان کوتاهي کمتر از ٢٤ ساعت و در برخي گونه ها در طي ٣.٥ ساعت دو برابر ميشود [٤، ٥].
٤- جلبک در طي رشد خود قادر به تثبيت بيولوژيکي دياکسيدکربن ميباشد kg١ جرم خشک جلبک حدود kg١٨ دياکسيدکربن مصرف ميکند [٧]. دياکسيدکربن مورد نياز را ميتوان از گازهاي خروجي از دودکش صنايع تـأمين کرد، بنابراين انتشار گازهاي گلخانه اي کاهش يافته و کيفيت هوا بهبود مييابد [٤، ٦، ٨].
٥- مواد مغذي مورد نياز رشد جلبک (نيتروژن و فسفر) ميتواند از فاضلاب تأمين شود، بنابراين علاوه بر فراهم شدن محيط کشت جلبک ، در واقع زمينه اي نيز براي تصفيه فاضلاب هاي حوزه کشاورزي ميگردد [٤، ٦].
٦- کشت جلبک نياز به استفاده از آفت کش ها يا علف کش ها ندارد [٤، ٦].
٧- محصولات با ارزشي همچون پروتئين ها را ميتوان از آن استخراج کرد [٧] و همچنين از بيومس باقيمانده پس از استخراج روغن نيز ميتوان به عنوان غذاي دام و يا کود به دليل نسبت N.P بالا استفاده کرد و يا تحت فرآيند تخمير، اتانول يا متان توليد کرد [٢، ٤، ٦، ٩].
٨- ساختار بيوشيميايي جلبک با تغيير شرايط رشد (دما و شدت نور) و يا مواد مغذي (غلظت نيترات ، فسفات و آهن ) تغيير ميکند، بنابراين ميتوان محتواي ليپيد جلبک را افزايش داد [١٠].
ميکروجلبک ها يکي از منابع مطمئن براي توليد زيست سوخت بخصوص بيوديزل به علت نرخ رشد بالا و هم چنين توليد روغن بيشتر در مقايسه با ساير دانه هاي روغني، ميباشد [١١]. مسأله چالش برانگيز در توليد زيست سوخت از جلبک ، هزينه به نسبت بالاي توليد آن ميباشد [١٢].
ميکروجلبک ها حدودا شامل ٥٠ درصد کربن به ازاي واحد وزن خشک هستند، بنابراين براي توليد ١ کيلوگرم جلبک ،
١.٥کيلوگرم دي اکسيد کربن لازم است ، علاوه بر آن حدود ٣٧٢٦ کيلوگرم آب (به شرطي که برگشت آب به سيستم نداشته باشيم )، ٠.٣٣ کيلوگرم نيتروژن و ٠.٧١ کيلوگرم فسفات مورد نياز است . بنابراين استفاده بسيار زياد منابع آبي، مواد مغذي
(بخصوص نيتروژن و فسفر) و دياکسيدکربن ، کشت ميکروجلبک را پرهزينه کرده و مسائلي زيادي را در زمينه کشت انبوه ميکروجلبک ايجاد ميکند. يکي از روش هاي مقابله با هزينه کشت ميکروجلبک ، جايگزين کردن فاضلاب به منظور تأمين آب و مواد مغذي و استفاده از گاز خروجي از دودکش به عنوان منبع دياکسيدکربن ميباشد[١١]. ادغام تصفيه فاضلاب با کشت جلبک به منظور توليد زيست ، راهکاري اقتصادي و محيط زيستي ميباشد، زيرا در اين روش مقدار زيادي آب و مواد مغذي
(بخصوص نيتروژن و فسفر) تأمين ميگردد [١٣].
روش هاي معمول براي تصفيه فاضلاب موجود مانند نيتروفيکاسيون و دنيتروفيکاسيون توسط باکتري در نهايت نيتروژن موجود را به صورت گاز نيتروژن (N٢) خارج ميکنند ولي در سيستم تصفيه فاضلاب بر مبناي جلبک نيتروژن به عنوان يک ترکيب سودمند در بيومس باقي ميماند.
تصفيه فاضلاب بر مبناي جلبک هزينه مربوط به استفاده از کودهاي تجاري به منظور کشت جلبک را حذف کرده و هم چنين در آمد حاصل از تصفيه ، فرآيند توليد ميکروجلبک را اقتصادي خواهد کرد. واضح است که غلبه بر چالش هاي موجود براي توليد جلبک و برداشت آن ، هم براي تصفيه فاضلاب و هم توليد زيست سوخت و محصولات بيولوژيکي سودمند ميباشد
[١٤]. در شکل شماره ١، شماي کلي توليد بيوديزل از ميکروجلبک و تصفيه همزمان فاضلاب و حذف دي اکسيد کربن آورده شده است .
شکل (١) : شماي کلي توليد بيوديزل از ميکروجلبک و تصفيه همزمان فاضلاب و حذف دي اکسيد کربن
٢. مواد مورد نياز کشت ميکروجلبک
ميکروجلبک ها همانند ساير موجودات فتوسنتزي، به انرژي خورشيد (نور)، دياکسيدکربن ، آب و مواد مغذي نياز دارد.
فراهم نمودن و کنترل بهينه اين پارامترها، توليد نهائي سيستم مورد نظر را تعيين ميکند. مواد مغذي مورد نيازي که رشد جلبک را تأمين ميکند در دو دسته تقسيم بندي ميشود، عناصر Ca, Mg, Fe, Na, K, S, P, N و C با مقدار بيشتر (ماکرونوترينت ٣)، و تعدادي از عناصر ديگر مانند Se, V, Co, Mo, Zn, Mn, Cu و B در حد بسيار کم (ميکرونوترينت ٤).
ميزان مواد مغذي در محيط کشت ، نرخ رشد جلبک و پتانسيل توليد آن را تأمين ميکند [١]. افزايش يا کاهش مواد مغذي هر دو منجر به تغييرات فيزيولوژيک و مورفولوژيک در ميکروجلبک ميگردد [١٠].
محيط هاي مصنوعي کشت به منظور دستيابي به بالاترين پتانسيل رشد جلبک بايد حاوي تمام مواد مغذي مورد نياز باشند. به علت هزينه بر بودن و مشکل بودن نمايش تغييرات سطح مواد مغذي در طي کشت ، در عمل فرمول موازنه اي شده اي از محيط کشتي خاص ، به ندرت يافت ميشود [١].
٣. تکنولوژيهاي موجود براي کشت جلبک
پارامترهايي از قبيل گونه ميکروجلبک ، شرايط محيطي و دسترسي به منابع همگي بر انتخاب روش کشت جلبک مؤثر
است . سيستم توليد ميتواند به صورت باز يا بسته باشد و در حالت پيوسته و يا منقطع عمل کند [٢].
حوضچه هاي روباز٥ و فتوبيوراکتورها٦ (PBR) معمول ترين سيستم هاي توليد ميکروجلبک ميباشند و سيستم هاي هيبريدي که به تازگي وارد اين عرصه شده اند، خصوصيات هر دو سيستم را دارند. سيستم هاي توليد از لحاظ معيارهاي کنترل پارامترهاي رشد، آلودگي، ميزان تبخير آب ، توليد و ويژگيهاي فرآيندهاي پايين دستي، هزينه هاي عملياتي و سرمايه گذاري و .... متفاوتند [١]. لازم به ذکر است کشت در اين سيستم ها به صورت اوتوتروف ميباشد و تنها روشي است که در حال حاضر از لحاظ اقتصادي و عملي به منظور توليد در مقياس بالا توجيه پذير ميباشد [٤]. در جدول (١) تکنولوژي هاي مختلف کشت ميکروجلبک و مزايا و معايب هر کدام آورده شده است .
سيستم هيبريدي، کشت دو مرحله اي ميباشد که مرحله اول رشد مجزا در فتوبيوراکتور و در مرحله بعد به حوضچه هاي روباز انتقال داده مي شود [١، ٤]. کشت در PBR داراي شرايط کنترل شده تري است و امکان آلودگي توسط ديگر ارگانيزمها را به حداقل ميرساند. مرحله ي دوم توليد، شامل قرار دادن سلول ها تحت شوک غذائي ٧ ميباشد که ميزان سنتز ليپيد که فرآورده مطلوب ميباشد را تقويت ميکند. اين مرحله مناسب سيستم هاي روباز ميباشد [٦، ١٥].
رودفي و ساير همکاران ٨ با استفاده از سيستم فوق بدين صورت که ٢٢ % از توليد در PBR و تحت شرايط غذائي مناسب و ٧٨% مابقي در حوضچه و تحت شرايط کمبود مواد مغذي، به توليد ليپيدي معادل kg.ha.day٩٠ (kg١٠ در PBR و kg٨٠ در حوضچه ) دست يابند [٦].
٤. تصفيه فاضلاب به کمک ميکروجلبک
هر ساله مقدار زيادي هزينه و نيروي انساني صرف حذف آلودگيهايي مانند اکسيژن خواهي زيستي (BOD)، کدورت آب و مواد مغذي از فاضلاب ميگردد [١٦]. مواد مغذي مانند نيتروژن و فسفر را ميتوان به روش هاي مختلفي از فاضلاب حذف نمود. معمول ترين روش حذف نيتروژن فرآيند دينيتريفيکاسيون است که در آن نيترات به گاز نيتروژن کاهيده شده و وارد جو ميشود. روش حذف فسفر عمدتا با استفاده از روش ته نشين سازي شيميايي توسط موادي مانند آهن (III) کلريد انجام ميشود. هم چنين حذف فسفر و نيتروژن ميتواند در حين رشد جلبک يا باکتري و با جذب توسط آن ها صورت بگيرد، بدين صورت که اين موجودات از نيتروژن و فسفر موجود براي رشد و تکثير خود استفاده مي کنند [١٧].
استفاده از ميکروجلبک براي تصفيه فاضلاب اولين بار توسط اسوالد و همکارنش ٩ در سال ١٩٥٧ صورت گرفت . آن ها تحقيقاتي را به مدت ٤ سال بر روي تصفيه فاضلاب توسط ميکروجلبک در حوضچه هاي روباز در مقياس آزمايشگاهي و پايلوت انجام دادند [١٦].
بيچ ١٠ و همکاران (١٩٩٩) اثر حضور همزمان کلرلا ولگارس و سنبل آبي ايشورنيا کراسيپس ١١ را در HRAP به منظور حذف نيتروژن در فاضلاب مورد بررسي قرار دادند. فاضلاب مورد آزمايش آن ها شامل ppm COD٥٠٠ ،ppm٤٢١ N-NH٤، ppm١٣١ N-NO٣ و ppm٠١٦ N-NO٢ بود. آزمايشات در دماي ٣٢ درجه سانتيگراد و در زمان ماند ٢٠ روز انجام شد.
ميزان حذف نيتروژن در HRAP براي ميکروجلبک به تنهايي حدود ٨٠% گزارش شده است اين در حالي است که در سيستم فوق الذکر اين ميزان ٢٣% افزايش مييابد [١٨].
حذف مواد مغذي توسط ميکروجلبک دريايي در حوضچه هاي گردشي توسط کراگس و همکاران ١٢ (١٩٩٧) مورد بررسي قرار گرفت . دو گونه دريايياسيلاتورياSAB٩١٣٣١٣ و فائوداکتيلومتريکورنوتوم SACY٩١١١٤ از جريان خروجي سايت جمع آوري و جداسازي شد. فاضلاب مورد نظر به نسبت ١:١ با آب درياي استريل مخلوط و به به طور مداوم به حوضچه در شرايط محيط وارد شد. غلظت مواد مغذي در جريان ورودي mmol.m٣ ٤٩٧.٧ آمونيوم و mmol.m٧٦٢٣ فسفات گزارش شد و ميزان حذف
