توليد سوخت و قند با استفاده از ضايعات گياهي حاوي سلولز

 محمد هادي اسكندري، شهرام شكرفروش

چكيده

ذخاير انرژي فسيلي جهان، با روند فزاينده مصرف كنوني، تا چندين سال ديگر به اتمام خواهد رسيد و هر كشوري كه به فكر تامين منابع انرژي خود نباشد، با مشكلات فراوان روبرو خواهد شد. اما منابع گياهي و سلولزي موجود در دنيا، جايگزيني تجديد شونده، براي منابع نفتي مي‌باشند (2).

فراوانترين ماده آلي بر روي كره زمين سلولز و پلي ساكاريدهاي مشابه آن مي باشند كه در ساختار گياهان به كار رفته‌اند (5). سلولز از واحدهاي ساختماني به نام گلوكز تشكيل شده است كه يك قند ساده و قابل استفاده براي بيشتر موجودات زنده است، اما تجزيه سلولز و تبديل آن به گلوكز تنها توسط ميكروارگانيسمهايي كه داراي آنزيم سلولاز (Cellulase) مي‌باشند انجام پذير است (9). اگر با فرايندي مناسب و اقتصادي سلولز گياهان به قندهاي ساده و قابل تخمير تبديل شود، تحولي شگرف در صنايع غذايي و همچنين توليد سوختهاي طبيعي روي خواهد داد (1، 2، 5، 6، 10).

پس از توليد گلوكز مي توان با استفاده از ميكروبهاي ديگري و با استفاده از عمل تخمير از قندهاي موجود، اتانول توليد كرد كه جانشيني مناسب براي سوختهاي فسيلي مي‌باشد (2، 4، 10).

هم اكنون پژوهشگران زيادي بر روي جنبه هاي سلولي و مولكولي توليد مقرون به صرفه آنزيم سلولاز كار مي كنند و در اين زمينه به توفيقاتي نيز رسيده‌اند. اما كماكان توليد و پرورش ميكروارگانيسمهايي كه با سرعت بيشتر و هزينه كمتري قادر به توليد آنزيم فوق باشند مد نظر بسياري از محققين است (1، 2، 3، 4).

در كشور ايران نيز از ضايعات گياهي و كشاورزي سلولزي استفادة مطلوبي نمي‌شود و در صورت استفادة مناسب از اين منابع مقادير بسيار زيادي سوختهاي طبيعي و قندهاي ساده قابل توليد مي‌باشد.

مقدمه

استفاده از ضايعات گياهي و سلولزي سبب كاهش آلودگيهاي زيست محيطي و بهبود وضعيت بهداشتي جامعه مي‌گردد (2). يكي از مهمترين مشكلات زيست محيطي، گرم شدن كرة زمين بدليل مصرف زياد سوختهاي فسيلي مي‌باشد، استفاده از سوختهاي جايگزين سوختهاي فسيلي در توقف اين پديدة نامطلوب مؤثر مي‌باشد (2).

ميزان انرژي جذب شده بوسيلة عمل فتوسنتز بر روي كرة زمين چيزي در حدود 10 برابر مصرف ساليانة انرژي جهان مي‌باشد، كه از اين ميزان حدود 3/2 آن بوسيلة گياهان و بقيه بوسيله فيتوپلانكتونهاي آبزي جذب مي‌شود (2).

سلولز فراوانترين ماده آلي موجود بر روي كرة زمين مي‌باشد (5). تودة زيستي گياهي بيشتر از سه تركيب سلولز (40%)، همي سلولز (33%) و ليگنين (23%) تشكيل شده است. تخمين زده مي‌شود كه در حدود 10¹⁰ ×4 تن سلولز در سال بوسيلة گياهان آلي توليد مي‌شود. يا به عبارتي به ازاي هر نفر در هر روز 70 كيلوگرم سلولز سنتز مي‌شود. بنابراين كاربرد آنزيمهايي كه توانايي تغيير و تبديل در سلولز را داشته باشند مورد توجه قرار گرفته است (9).

سلولز از واحدهاي ساختماني گلوكز كه بوسيلة پيوندهاي (6     1 β) به هم متصل شده‌اند، ساخته شده است. اما تجزيه سلولز و تبديل آن به گلوكز تنها توسط ميكروارگانيسم‌هايي كه حاوي آنزيم سلولاز مي‌باشند انجام پذير است (9). اگر بتوان با فرايندي كارآمد و اقتصادي سلولز موجود در ضايعات گياهي و كشاورزي را به قندهاي ساده و قابل تخمير همچون گلوكز تبديل كرد، تحولي بزرگ در صنايع غذايي و توليد سوختهاي طبيعي جايگزين شونده نظير اتانول روي خواهد داد (1، 2، 4، 9).

در زمينة توليد اتانول از مواد سلولزي پيشرفتهاي بسياري حاصل شده است (1، 2، 3، 4، 10، 11). اما جهت پيشرفت و توسعه اين فرايند، پژوهش و مطالعات بيشتري مورد نياز است. در كشور ايران نيز از بيشتر ضايعات سلولزي و كشاورزي همچون كاه گندم و جو، كاه برنج، ضايعات جنگلي، روزنامه‌ها و كاغذهاي باطله، ضايعات كارخانجات كاغذسازي و ... استفادة مطلوبي نمي‌شود.

اگر چه آمار دقيقي از ميزان مواد فوق در دسترس نمي‌باشد اما بي شك حجم بسيار زياد و قابل توجهي مي‌باشند. جهت توليد گلوكز از مواد سلولزي و تبديل آن به اتانول مراحل زير انجام مي‌گيرد.

نمودار شمارة يك نشانگر مراحل انجام اين كار است كه به تفصيل در هر مورد بحث خواهد شد.

 

الف- توليد انبوه آنزيم سلولاز ميكروبي

موفقيت طرح تبديل ضايعات سلولزي به مواد قندي و سوختي در گرو توليد موفقيت آميز و
با صرفه آنزيم سلولاز مي باشد. توليد سلولاز، پر هزينه ترين قسمت اين فرايند مي باشد كه در حدود 40% هزينه كل را شامل مي شود. به همين سبب تحقيقات بسياري جهت كاستن هزينه توليد آنزيم در جريان است.

بايد به اين نكته توجه باشيم كه آنزيم سلولاز يك آنزيم خاص نيست و يك سيستم آنزيمي شامل سه قسمت عمده مي باشد:(5).

1- آنزيم Endo - ß- glucanase كه زنجيره سلولزي را به طور راندوم مي شكند و حاصل عمل آن گلوكز و Cello – oligo Saccharides مي باشد.

2- آنزيم Exo - ß - glucosidase كه به انتهاي غير احيا كننده زنجيره سلولزي حمله كرده و توليد سلوبيوز مي كند.

3- آنزيم ß – glucosidase كه سلوبيوز را به گلوكز تبديل مي كند (5).

ب- جداسازي ميكروارگانيسمهاي توليد كننده سلولاز

در اين مرحله بايد به جستجوي ميكروارگانيسمي پرداخت كه قادر به توليد اين آنزيمها به مقدار مناسب باشد. اگر چه بسياري از ميكروارگانيسمها قادر به توليد سلولاز هستند اما تنها تعداد كمي از آنها مقادير قابل توجهي از اين آنزيم را توليد مي‌كنند (2).

قارچها مهمترين گروه توليد كننده اين آنزيم هستند اگر چه گزارشاتي هم درمورد باكتريها و آكتينوميست‌هاي توليد كننده اين آنزيم وجود دارد. مهمترين قارچهاي توليد كننده اين آنزيم متعلق به جنسهاي Trichoderma و Aspergillus مي‌باشند (2).

براي جداسازي ميكروارگانيسمهاي فوق تكنيكهاي خاصي وجود دارد كه توضيح آن خارج از حوصله اين بحث مي‌باشد (2، 5، 8).

پس از جداسازي ميكروارگانيسم مناسب،  مي‌توان با استفاده از عمل موتان زايي به ميكروبهايي دست پيدا كرد كه توان زياد تري جهت توليد آنزيم سلولاز داشته باشند. جهت موتان زايي مي‌توان از اشعة UV و ماده (NTG) nitrosoguanidine استفاده كرد (2).

بسياري از سويه‌هايي كه امروزه جهت توليد آنزيم سلولاز به كار برده مي‌شوند موتانهاي حاصل از Trichoderma reesei مي‌باشند (2، 5، 9، 10).

امروزه با استفاده از روشهاي مهندسي ژنتيك به سويه‌هايي دست يافته‌اند كه توانايي بيشتري جهت توليد اين آنزيم دارند. همچنين دانشمندان با دستكاري ساختار پروتئيني اين آنزيمها، آنزيمهايي بسيار مقاوم به حرارت كه فعاليتشان در دماهاي بالا متوقف نمي‌شود توليد نموده‌اند (9). پس ا ز انتخاب سوية مناسب بايد آن را در محيط كشت ويژه رشد داد تا در حين رشد به توليد آنزيم بپردازد. جهت اين كار از محيطهايي مثل آب پنير، باگاس و كاه برنج استفاده شده است. محيطهاي نامبرده شده ارزان و در دسترس مي‌باشند. اما جهت اين كار محيطهايي مخلوط از چند سوبسترا تهيه گرديده كه نسبتاً گران ولي كارآمد مي‌باشند.

ج- تغييرات اوليه بر روي تودة زيستي حاوي سلولز:

تودة زيستي (Biomass) ليگنوسلولزي حاوي سلولز، همي سلولز، ليگنين و خاكستر مي‌باشند كه در ساختماني پيچيده با هم ارتباط دارند (9).

اعمال اوليه يا Pre-treatment بر روي اين مواد سبب افزايش سلولز كريستالينه شده و همزمان با آن سبب برداشت عوامل مهاري آنزيم نظير ليگنين مي‌شود.  Pre-treatmentسبب افزايش سطح تماس سلولز با آنزيم و متعاقباً عملكرد بهتر آنزيم مي‌شود (2).

Pre-treatment را مي‌توانيم به دو روش انجام دهيم: استفاده از مواد قليايي و استفاده از بخار فشرده.

Pre-treatment قليايي با استفاده از هيدروكسيد سديم انجام مي‌گيرد. نسبت قليايي مصرفي نسبت به تودة زيستي براي توليد مناسب حدود 1 به 12/ . مي باشد كه در دماي 80 تا ^0C100و به مدت بيش از 2 – 5/1 ساعت انجام مي‌پذيرد. استفاده از بخار فشرده جهت تغيير سلولز زماني به كار مي‌رود كه استفاده از قليا پاسخگو نباشد (2، 10).

د- مرحلة ساكاريفيكاسيون (Saccharification):

در اين مرحله مي‌توان آنزيم سلولاز توليد شده را خالص سازي كرد يا بدون خالص سازي محيط كشت حاوي آن را به عنوان محيط حاوي سلولاز به كار برد. تودة زيستي كه از مرحلة قبل بدست آمد را تحت آنزيم سلولاز قرار مي‌دهند. آنزيم سلولاز با فعاليت خود سبب شكسته شدن پيوند بين مولكولهاي گلوكز شده و آنها را آزاد مي‌كند. اين عمل را مي‌توان به صورت توليد غير پيوسته يا پيوسته انجام داد (2).

هر چه زمان تماس و ميزان آنزيم سلولاز بيشتر باشد در نهايت قند بيشتري توليد مي‌گردد.

جهت بازيافت قند توليد شده تكنيكهاي چندي پيشنهاد گرديده است اما هم اكنون بهترين روش استفاده از Reverse osmosis مي‌باشد (2).

كار ديگري كه در اين مرحله مي‌توانيم انجام دهيم بازيافت آنزيم سلولاز موجود در محيط مي‌باشد. از آنجا كه آنزيمها همانند كاتاليزور عمل مي‌كنند و در پايان واكنش دست نخورده باقي مي‌ماند مي‌توانيم آنها را جداسازي نموده و در موارد ديگر آنها را بكار ببريم. تكنيكهاي كروماتوگرافي مهمترين روشها جهت جداسازي آنزيم فوق مي‌باشند (9).

ه- مرحله توليد اتانول:

جهت توليد اتانول بايد قند توليد شده را تخمير نموده و آن را تبديل به الكل اتيليك نماييم. اين تبديل توسط مخمرها انجام مي‌پذيرد. تخمير الكلي فرايندي شناخته شده است كه از ديرباز در سرتاسر جهان به كار مي‌رود (2، 4، 10).

مهمترين متدهايي كه جهت تثبيت مخمر به كار مي‌رود شامل: Collagen casting ، Chitosan  glutar–aldehyde molding، Carrageenan–entrapping method وCaciumalginate gel – entraping method مي‌باشد (2).

در بين روشهاي فوق روش آخر به سبب فعاليتهاي آنزيمي بالاي آن، پايداري و سهولت تهيه آن كاربرد بيشتري دارد.

براي تهيه الكل به غير از روش پيوسته كه در آن نياز به تثبيت سلولهاي مخمر مي‌باشد مي‌توان از توليد به روش Batch fermentation نيز استفاده نمود. اما كارايي آن نسبت به روشهاي ديگر نسبتاً كم مي‌باشد. اما روشي نسبتاً ساده مي‌باشد و پيچيدگيهاي روشهاي Immobilized method و Immobilized Flash method  را ندارد (2).

از آنجا كه الكل توليد شده در فرمانتور يك عامل مهاري جهت عملكرد مخمرها محسوب مي‌شود بايد آن را از محيط خارج سازيم. چرخش محيط كشت از راه يك ستون تقطير به ما اين امكان را مي‌دهد كه الكل توليد شده را جداسازي نموده و محيط را براي عملكرد مخمرها مساعد نماييم          (2، 4).

يكي از مهمترين كاربردهاي سيستمهاي بيولوژيكي انرژي زا، توليد اتانول از تودة زيستي (Biomass) مي‌باشد. در ايالات متحدة آمريكا ساليانه بالغ بر 5 ميليارد ليتر اتانول از طريق تخمير توليد مي‌شود كه مهمترين سوبستراي آنان نشاستة ذرت مي‌باشد. اين تكنولوژي در كشور آمريكا به خاطر توليد انبوه ذرت كه از طرف دولت مورد حمايت قرار مي‌گيرد مي‌تواند اقتصادي باشد. اما در كشورهاي ديگر همانند ايران توليد اين محصول جهت تبديل آن به سوخت طبيعي به صرفه نيست و استفاده از منابع سلولزي مي‌تواند راه حلي مناسب و جايگزين باشد.

تحقيقات بسيار گسترده و مناسبي در سرتاسر جهان جهت تحقق اين امر در حال انجام است و
بي شك در آينده بسيار نزديك شاهد توليد قند و اتانول و ديگر محصولات تخميري از زباله‌هاي مواد غذايي، كاغذهاي باطله، پسمانده‌هاي كشاورزي نظير كاه و ديگر منابع سلولزي خواهيم بود.

 

 

منابع

Aguiar, C. L. 2001. Biode gradarion of the Cellulose from sugarance Bagasse by fungal Cellulase. Sienc. Tecnol. Aliment. Vol.3, no. 2: 117-121.

Kazuhisa Miyamoto. 1997. Rrnewable biological systems for alternative sustainable energy production (FAO Agricultural services Bulletin – 128)

Lark, V. 1999. Production of ethanol from recycled paper sludge using cellulase and yeast, Kluvexomyces marxianus. Fuel and Energy Abstracts. Vol 38, Issue                    6. P: 395 – 396.

Lee J. 1997. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. Jour of Biotechnology. Vol 56. P: 1 – 24.

Lee R. Lynd et al. 2002. Microbial Cellulase Utilization: Fundamentals and Biotechnology. Appl. Environ. Microbiol. 66: 506 577.

Netherwood, T. R. et al. 1999. Gene transfer in the Gastrointestinal tract. Appl. Envion. Microbial. 41: 1337-1343.

Spano, L. et al. 1975. Enzywatic Hydrolysis of Cellulosic waste to Glucose, Pollution Abatement Div, Food Svce. Labs, US. Army Natick, MA. USA.

Sternberg. D. et al. 1977. B-Glucosidase: Microbial production and effect on enzymatic hydrolysis of Cellulose. Can. J. Microbial. 23: 139-147.

Walsh G. 2002. Proteins Biochemistry and Biotechnology John Wiley X Sons, LTD pp: 419 – 471.

Wang. D.I.C, et al. 1983. Ethanol from Cellulosic Biomass. Philos. Trans. R, Soc. Lond. Ser. B3000: 323-333.

Yang X, et al. 2001. Bioconversion of corn straw by coupling ensiling and solid – state fermentation. Bioresource Technology. Vol 76. P: 277 – 280

Maf_wood