توليد سوخت و قند با استفاده از ضايعات گياهي حاوي سلولز

‫توليد سوخت و قند با استفاده از ضايعات گياهي حاوي سلولز‬ ‫محمد هادي اسكندري‪ ،‬شهرام شكرفروش‬ ‫گروه بهداشت و كنترل مواد غذايي‪ ،‬دانشكدة دامپزشكي‪ ،‬دانشگاه شيراز‬

‫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 مشكلت 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 (‪ .)5‬سلولز 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 سلولز (‪ )Cellulase‬مي‌باشند انجام پذير است (‪ .)9‬اگر‬ ‫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 (‪.)10 ،6 ،5 ،2 ،1‬‬ ‫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 (‪.)10 ،4 ،2‬‬ ‫هم اكنون پژوهشگران زيادي بر روي جنبه هاي سلولي و مولكولي توليد مقرون به صرفه آنزيم‬ ‫سلولز 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 (‪.)4 ،3 ،2 ،1‬‬ ‫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 (‪ .)2‬يكي از مهمترين مشكلت 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 ‪ 10‬برابر‬ ‫مصرف ساليانة انرژي جهان مي‌باشد‪ ،‬كه از اين ميزان حدود ‪ 3/2‬آن بوسيلة گياهان و بقيه بوسيله‬ ‫فيتوپلنكتونهاي آبزي جذب مي‌شود (‪.)2‬‬ ‫سلولز فراوانترين ماده آلي موجود بر روي كرة زمين مي‌باشد (‪ .)5‬تودة زيستي گياهي بيشتر از‬ ‫سه تركيب سلولز (‪ ،)%40‬همي سلولز (‪ )%33‬و ليگنين (‪ )%23‬تشكيل شده است‪ .‬تخمين زده‬ ‫مي‌شود كه در حدود ‪ 4× 1010‬تن سلولز در سال بوسيلة گياهان آلي توليد مي‌شود‪ .‬يا به عبارتي به‬ ‫ازاي هر نفر در هر روز ‪ 70‬كيلوگرم 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

‫‪ )β 1‬به هم متصل شده‌اند‪،‬‬

‫ساخته شده است‪ .‬اما تجزيه سلولز و تبديل آن به گلوكز تنها توسط ميكروارگانيسم‌هايي كه حاوي‬ ‫آنزيم سلولز مي‌باشند انجام پذير است (‪ .)9‬اگر 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 (‪،4 ،2 ،1‬‬ ‫‪.)9‬‬ ‫در زمينة توليد اتانول از مواد سلولزي پيشرفتهاي بسياري حاصل شده است (‪،10 ،4 ،3 ،2 ،1‬‬ ‫‪ .)11‬اما 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 سلولز ميكروبي‬ ‫موفقيت طرح تبديل ضايعات سلولزي به مواد قندي و سوختي در گرو توليد موفقيت آميز و‬ ‫با صرفه آنزيم سلولز مي باشد‪ .‬توليد سلولز‪ ،‬پر هزينه ترين قسمت اين فرايند مي باشد كه در حدود‬ ‫‪ %40‬هزينه 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 سلولز يك آنزيم خاص نيست و يك سيستم آنزيمي شامل‬ ‫سه قسمت عمده مي باشد‪.)5(:‬‬ ‫‪ -1‬آنزيم ‪ Endo - ß- glucanase‬كه زنجيره سلولزي را به طور راندوم مي شكند و حاصل عمل آن‬ ‫گلوكز و ‪ Cello – oligo Saccharides‬مي باشد‪.‬‬ ‫‪ -2‬آنزيم ‪ Exo - ß - glucosidase‬كه به انتهاي غير احيا كننده زنجيره سلولزي حمله كرده و‬ ‫توليد سلوبيوز مي كند‪.‬‬ ‫‪ -3‬آنزيم ‪ ß – glucosidase‬كه سلوبيوز را به گلوكز تبديل مي كند (‪.)5‬‬ ‫ب‪ -‬جداسازي ميكروارگانيسمهاي توليد كننده سلولز‬ ‫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 سلولز 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 ‪ Trichoderma‬و ‪ Aspergillus‬مي‌باشند (‪.)2‬‬ ‫براي جداسازي ميكروارگانيسمهاي فوق تكنيكهاي خاصي وجود دارد كه توضيح آن خارج از‬ ‫حوصله اين بحث مي‌باشد (‪.)8 ،5 ،2‬‬ ‫پس از جداسازي ميكروارگانيسم مناسب‪ ،‬مي‌توان با استفاده از عمل موتان زايي به ميكروبهايي‬ ‫دست پيدا كرد كه توان زياد تري جهت توليد آنزيم سلولز داشته باشند‪ .‬جهت موتان زايي مي‌توان از‬ ‫اشعة ‪ UV‬و ماده‬

‫(‪nitrosoguanidine‬‬

‫)‪ NTG‬استفاده كرد (‪.)2‬‬

‫بسياري از سويه‌هايي كه امروزه جهت توليد آنزيم سلولز به كار برده مي‌شوند موتانهاي حاصل از‬ ‫‪ Trichoderma reesei‬مي‌باشند (‪.)10 ،9 ،5 ،2‬‬ ‫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 بال 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 نسبت ًا گران ولي كارآمد مي‌باشند‪.‬‬ ‫ج‪ -‬تغييرات اوليه بر روي تودة زيستي حاوي سلولز‪:‬‬ ‫تودة زيستي (‪ )Biomass‬ليگنوسلولزي حاوي سلولز‪ ،‬همي سلولز‪ ،‬ليگنين و خاكستر مي‌باشند كه‬ ‫در ساختماني پيچيده با هم ارتباط دارند (‪.)9‬‬ ‫اعمال اوليه يا ‪ Pre-treatment‬بر روي اين مواد سبب افزايش سلولز كريستالينه شده و همزمان با‬ ‫آن سبب برداشت عوامل مهاري آنزيم نظير ليگنين مي‌شود‪Pre-treatment .‬سبب افزايش سطح تماس‬ ‫سلولز با آنزيم و متعاقباً عملكرد بهتر آنزيم مي‌شود (‪.)2‬‬ ‫‪ Pre-treatment‬را مي‌توانيم به دو روش انجام دهيم‪ :‬استفاده از مواد قليايي و استفاده از بخار‬ ‫فشرده‪.‬‬ ‫‪ Pre-treatment‬قليايي با استفاده از هيدروكسيد سديم انجام مي‌گيرد‪ .‬نسبت قليايي مصرفي‬ ‫نسبت به تودة زيستي براي توليد مناسب حدود ‪ 1‬به ‪ . /12‬مي باشد كه در دماي ‪ 80‬تا ‪0C100‬و به‬ ‫مدت بيش از ‪ 5/1 – 2‬ساعت انجام مي‌پذيرد‪ .‬استفاده از بخار فشرده جهت تغيير سلولز زماني به كار‬ ‫مي‌رود كه استفاده از قليا پاسخگو نباشد (‪.)10 ،2‬‬ ‫د‪ -‬مرحلة ساكاريفيكاسيون‬

‫(‪:)Saccharification‬‬

‫در اين مرحله مي‌توان آنزيم سلولز توليد شده را خالص سازي كرد يا بدون خالص سازي محيط‬ ‫كشت حاوي آن را به عنوان محيط حاوي سلولز به كار برد‪ .‬تودة زيستي كه از مرحلة قبل بدست آمد‬ ‫را تحت آنزيم سلولز قرار مي‌دهند‪ .‬آنزيم سلولز 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 سلولز 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 osmosis‬مي‌باشد (‪.)2‬‬ ‫كار ديگري كه در اين مرحله مي‌توانيم انجام دهيم بازيافت آنزيم سلولز 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 (‪.)10 ،4 ،2‬‬ ‫مهمتريمن متدهايمي كمه جهمت تثمبيت مخممر بمه كار مي‌رود شاممل‪:‬‬

‫‪Collagen casting ، Chitosan‬‬

‫‪ glutar–aldehyde molding، Carrageenan–entrapping method‬و ‪entraping‬‬

‫–‬

‫‪Caciumalginate gel‬‬

‫‪ method‬مي‌باشد (‪.)2‬‬ ‫در بين روشهاي فوق روش آخر به سبب فعاليتهاي آنزيمي بالي 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 fermentation‬نيز استفاده نمود‪ .‬اما كارايي آن نسبت به روشهاي ديگر نسبتاً‬ ‫كم مي‌باشد‪ .‬اما روشي نسبت ًا ساده مي‌باشد و پيچيدگيهاي روشهاي ‪ Immobilized method‬و‬ ‫‪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 ‫(‪.)4 ،2‬‬ ‫يكممي از مهمتريممن كاربردهاي سمميستمهاي بيولوژيكممي انرژي زا‪ ،‬توليممد اتانول از تودة زيسممتي‬

‫(‬

‫‪ )Biomass‬مي‌باشد‪ .‬در ايالت متحدة آمريكا ساليانه بالغ بر ‪ 5‬ميليارد 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 محصولت تخميري از زباله‌هاي مواد‬ ‫غذايي‪ ،‬كاغذهاي باطله‪ ،‬پسمانده‌هاي كشاورزي نظير كاه و ديگر منابع سلولزي خواهيم بود‪.‬‬ ‫‪Cellulosic biomass‬‬

‫‪Cellulase-producting‬‬ ‫‪Microorganism‬‬ ‫‪Alkali-treatment‬‬

‫‪Pretreatment‬‬

‫‪Culturing‬‬ ‫‪Steam explosion‬‬ ‫‪Cellulase‬‬

‫‪Sacchharification‬‬

‫‪Enzyme revovery‬‬

‫‪Sugar concentration‬‬

‫‪Ethanol fermentation‬‬

‫‪Ethanol recovery‬‬ ‫‪(SCFE, Membrance,‬‬ ‫)‪Temary azeotropic distillation‬‬

‫‪Waste water treatment‬‬

‫مراحل توليد قند و اتانول از سلولز گياهي‬

‫منابع‬ 1- Aguiar, C. L. 2001. Biode gradarion of the Cellulose from sugarance Bagasse by fungal

Cellulase. Sienc. Tecnol. Aliment. Vol.3, no. 2: 117-121. 2- Kazuhisa Miyamoto. 1997. Rrnewable biological systems for alternative sustainable energy production (FAO Agricultural services Bulletin – 128) 3- 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. 4- Lee J. 1997. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. Jour of Biotechnology. Vol 56. P: 1 – 24. 5- Lee R. Lynd et al. 2002. Microbial Cellulase Utilization: Fundamentals and Biotechnology. Appl. Environ. Microbiol. 66: 506 577. 6- Netherwood, T. R. et al. 1999. Gene transfer in the Gastrointestinal tract. Appl. Envion. Microbial. 41: 1337-1343. 7- Spano, L. et al. 1975. Enzywatic Hydrolysis of Cellulosic waste to Glucose, Pollution Abatement Div, Food Svce. Labs, US. Army Natick, MA. USA. 8- Sternberg. D. et al. 1977. B-Glucosidase: Microbial production and effect on enzymatic hydrolysis of Cellulose. Can. J. Microbial. 23: 139-147. 9- Walsh G. 2002. Proteins Biochemistry and Biotechnology John Wiley X Sons, LTD pp: 419 – 471. 10- Wang. D.I.C, et al. 1983. Ethanol from Cellulosic Biomass. Philos. Trans. R, Soc. Lond. Ser. B3000: 323-333. 11- Yang X, et al. 2001. Bioconversion of corn straw by coupling ensiling and solid – state fermentation. Bioresource Technology. Vol 76. P: 277 – 280