تولید سوخت توسط جلبک ها
جلبک ها تقریبا در همه جا هستند ، آنها درآب های شور و شیرین مشاهده می شوند ، در واقع در اکثر محیط های آبی و جود دارند ، و از نور و دی اکسید کربن برای تولید بیومس استفاده می کنند. جلبک ها به دو دسته کلی جلبک های ریز (Microalgae) و جلبک های بزرگ (Macroalgae) طبقه بندی می شوند. جلبک های بزرگ سایز بزرگی داشته و چند سلولی بوده و به آنها جلبک های دریایی نیز می گویند. نمونه ای از این گیاهان غول پیکر دریایی درازایی به طول 25 متر دارند. از سوی دیگر جلبک های ریز اندازه کوچکی (میکرومتر) دارند ، تک سلولی هستند. این جلبک های ریز مسئول تیرگی در آب مرداب ها و آکواریوم ها هستند. جلبک ها رشد بسیار سریعی دارند ، جلبک های دریایی بزرگ می توانند در طور روز 50سانتی متر رشد کنند ، و طول خود را بیشتر از 25 متر برسانند. ریز جلبک ها نیز رشد خوبی دارند و کمتر از یک ساعت می توانند تقسیم شوند. در واقع رشد سریع جلبک ها برای استفاده انسانی بسیار امید بخش است. جلبک های ریز در ساختمان سلولی خود میزان زیادی چربی دارند ، که می توان از آن بعنوان ماده خام برای برای تولید سوخت زیستی (بیودیزل ) استفاده کرد. جلبک ها جزء یوکاریوت ها محسوب می شوند ، بنابراین آنها در ساختمان خود دارای اندامک هایی مثل هسته و کلروپلاست هستند. بیومس تولیدی توسط جلبک ها ، در اندامک ها ساخته می شود. بیومس جلبک ها دارای سه ترکیب اصلی کربوئیدرات ، پروتئین و چربی(روغن طبیعی) است. این روغن طبیعی ساخته شده در جلبک های ریز بصورت تری گلسیرید است. این ترکیبات روغنی 25 تا 20 در صدد وزن خشک جلبک را به خود اختصال می دهند. این در حالی است که برخی جلبک ها می توانند تا 80 در صدد نیز دارای این ترکیبات روغنی باشند. وجود ترکیباتی مفید به میزان زیاد مثل کربوئیدرات ، چربی ، پروتئین در جلبک ها سبب شده آنها کاربرد های زیادی در صنایع غذایی ، تولید سوخت زیستی و پاکسازی محیط داشته باشند. جلبک های دریایی معمولا در کشور های آسیایی برای تولید غذای انسان و حیوانات استفاده می شوند.
سیستم کشت و تولید جلبک ها:
تولید سوخت از جلبک نیازمند مقادیر زیادی بیومس جلبکی است. برای رشد ، جلبک ها نیازمند نور ، آب ، دی اکسید کربن و نمک های معدنی هستند. البته برخی جلبک ها نیازمند نور نیستند و از منابع کربن آلی سریع تر مثل دی اکسید کربن استفاده کرده و رشد هتروتروفی دارند. دمای بهینه رشد آنها 15 تا 30 درجه است. محیط رشد آنها باید دارای منابع ارزشمند غذایی مثل نیتروژن ، فسفر ، آهن و مقادیری سیلیسیوم باشد. برای تولید در مقیاس وسیع سلول های جلبک باید مداوم مخلوط شوند و از ساکن شدن بیومس جلوگیری شود.
Open raceway ponds: این روش ساده ترین و قدیمی ترین روش برای کشت جلبک ها به حساب می آید ، که در دهه 1950 انجام گرفت. در این روش از مخزن های کم عمق (cm30) استفاده می شود و جلبک ها در شرایط برابر کشت داده می شوند. فضای لازم برای انجام این روش 440000 متر مکعب است. طی این روش مخزن در یک جریان cm30 طراحی شده و یک چرخ دنده عمل مخلوط کردن و گردش سلول های جلبک را با مواد غذایی فراهم می کند ، و از ته نشینی بیومس جلوگیری می کند. اگرچه این روش نسبت به فتوبیوراکتور ها هزینه کمتری دارد ، اما دراین روش سرما توسط تبخیر حاصل شده ، و بدلیل کمبود آب ، این روش در بکار گیری دی اکسید کربن توسط جلبک دچار اشکال بوده و بیومس تولیدی محدود است. همچنین آلودگی توسط میکروارگانیسم ها در این روش اجتناب ناپذیر است
Photobioreactors: روش دیگر برای کشت جلبک ها استفاده از فتوبیوراکتور ها است. طی این روش مشکلات روش open raceway ponds بطور کلی حذف می شوند. فتوبیوراکتور ها می توانند به مشکلات آلودگی و تبخیر در روش open raceway ponds چیره شده و بازده بهتری داشته باشند. همچنین جداسازی بیومس تولیدی از فتوبیوراکتور کم خرج تر از روش پیشین است. چندین مدل بیوراکتور وجود دارد ، اما آنها به طور کلی به دو نوع تقسیم می شوند. 1. آنهایی که از نور طبیعی استفاده می کنند 2. آنهایی که از نور مصنوعی استفاده می کنند. فتوبیوراکتور های بسته مشابه ظروف تخمیری بوده ، اما نیازمند تامین شدن با دی اکسید کربن و نور هستند . فتوبیوراکتور های بسته اغلب لوله ای بوده و میزان زیادی منافذ برای ورود نور دارند. لوله مستقیم یا مارپیچی است ، که سطح وسیعی داشته و اجازه گردش جلبک ها را فراهم می کند. این فتوبیوراکتور ها نواقصی نیز دارند. که می توان تغییرات در دما و نور اشاره کرد ، که طی آن ممکن است جلبک از دمای بهینه رشد خود خارج شود. فتوبیوراکتورها می توانند بشکل لوله ای ، ستون های عمودی ، حلقه باشند.
سیستم کشت جلبک های Heterotrophic:
برخی جلبک ها قادرند طی شرایط هتروتروفیکی رشد کنند ، در این شرایط جلبک ها کربن مورد نیاز خود را از منابع آلی کربنی در محیط کشت بدست آورده و به منبع نوری نیاز ندارند. این دسته از جلبک ها سطح بیشتری چربی و میزان کمتری پروتئین نسبت به جلبک های فتوسنتزی تولید می کنند. کشت های هتروتروفیکی باید کاملا استریل و غنی باشند. در یک محیط غنی با منابع کربن آلی مثل کربوئیدرات و اسید های آلی جلبک ها قادرند به راحتی رشد کنند. در شرایط هتروتروفیکی تولید چربی توسط جلبک ها به فاکتور هایی از جمله عمر محیط کشت ، مواد غذایی محیط کشت ، فاکتور های محیطی مثل دما ، pH و میزان شوری وابسته است. طی این روش ، مثل روش قبل ، ممکن نیست نور اثر مهاری در غلظت سلول های جلبکی داشته باشد. همه جلبک های ریز قادر به رشد در شرایط هتروتروفیکی نیستند. Wen و Chen نیاز جلبک ها را به سوی سازش پیدا کردن با شرایط تولید هتروتروفیکی تقویت کردند. که شامل :1. توانایی تقیسم و متابولیزه شدن در تاریکی 2. توانایی رشد در محیط های ارزان و استریل 3. توانایی سازش پذیری سریع با محیط جدید 4. توانایی مقاومت در برابر استرس های هیدرودینامیکی تجهیزات ، بود.
سیستم کشت پیوسته :
سیستم های کشت پیوسته مثل (ATS) Algae Turf Scrubber روشی متفاوت برای رشد جلبک ها محسوب می شود. طی این روش جلبک ها معلق در سطح قرار گرفته و به آنها مواد غذایی می رسد. از جمله ویژگی های مثبت این روش جداسازی راحت جلبک از روی سوبسترا بوده این روش بیشتر برای کشت جلبک های بزرگ استفاده می شود.
جلبک های ریز(Microalgae) و تولید سوخت:
برای تولید سوخت از جلبک ویژگی هایی باید مورد توجه قرار گیرند ، که شامل دارا بودن میزان زیاد چربی ، توانایی رشد در بیشتر مکان ها و داشتن رشد سریع است. بیودیزل می تواند طی واکنش هر منبع روغنی و چربی با الکل تولید شود. برای تولید بیودیزل تری گلسیرید ها با متانول طی واکنش ترانس استریفیکاسیون واکنش داده که طی آن اسید چرب یا متیل استر تولید می شود. منابع بازی قوی مثل هیدروکسید سدیم (NaOH) و هیدروکسید پتاسیم (KOH) بطور معمول بعنوان کاتالیست برای افزایش میزان تولید بیودیزل استفاده می شوند. طی تولید بیودیزل در ابتدا سه مولکول اسید چرب با یک مولکول گلیسرول استریفیه شده و تولید تری گلیسرول می کند. طی واکنش ترانس استریفیکاسیون به ازای هر مولکول تری گلیسیرید نیاز به 3 مول الکل است. لیپاز نیز می تواند بعنوان کاتالیست برای تولید بیشتر استفاده شود ، که هزینه بالای آن انجام این امر را کم می کند. کاتالیز توسط قلیا در دمایی حدود 60 درجه و تحت فشار اتمسفر انجام می شود ، و زمان لازم برای انجام واکنش 60 دقیقه است. در پایان واکنش ها بیودیزل توسط شستشوی مکرر بوسیله آب و دفع متانول و گلیسرول بازیافت می شوند