بحران آب و هوایی مداوم، که عمدتاً ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای (GHGs) است، نیاز فوری به راه حل هایی را برای تبدیل مجدد گازهای زباله صنعتی و انتشار گازهای گلخانه ای به مواد شیمیایی مفید ایجاد می کند. جریان های غلیظ دی اکسید کربن ( CO2 ) به طور مداوم توسط انواع فعالیت های انسانی تولید و منتشر می شود. اینها هم منابع بیوژنیک (مانند تصفیه خانه های زباله و فاضلاب آلی، کارخانه های بیوگاز، محل های دفن زباله، تاسیسات احتراق زباله و زیست توده و غیره) و منابع کربن فسیلی (مانند تاسیسات متمرکز تولید انرژی مبتنی بر فسیل، موتورها و غیره) را شامل می شود.
در سال‌های اخیر، تلاش‌های متعددی در سطح جهانی انجام شده است که در جهت جذب و تبدیل CO2 هستند.به سوخت ها و مواد شیمیایی قابل ذخیره سازی. این تبدیل را می توان از طریق باکتری های زنده به عنوان کاتالیزورهای زیستی ، از طریق آنزیم ها، یا به صورت الکتروکاتالیستی انجام داد.
با توجه به احتمالات مختلف برای استفاده کارآمد از چنین جریان های CO2 متمرکز ، پراکندگی آنها در جو اتلاف یک منبع بالقوه ارزشمند است. در واقع، تنها ارگانیسم‌های فتوسنتزی می‌توانند از CO2 در غلظت‌های اتمسفر (حدود 400 ppm) استفاده کنند. گیاهان و میکروارگانیسم‌های فتوسنتزی به طور قابل توجهی نرخ رشد خود را تحت غلظت‌های بالاتر CO2 افزایش می‌دهند. تزریق CO2 در تاسیسات تولید ریزجلبک به طور گسترده به عنوان یک استراتژی برای بهبود عملکرد زیست توده و سنتز انواع محصولات زیستی و مواد غذایی شناخته شده است.
مسیرهای جایگزینی که امکان استفاده از جریان های متمرکز CO2 را برای سنتز مولکول های آلی فراهم می کند اخیرا با استفاده از میکروارگانیسم ها (باکتری ها و باستانی ها) به عنوان کاتالیزور توسعه یافته اند. در تخمیر گاز، قدرت کاهشی یا در جریان گاز یا در محلول آب تامین می شود. در فناوری‌های الکتروشیمیایی میکروبی (METs)، یک بیوکاتالیست (یعنی باکتری‌های الکترواکتیو) الکترون‌ها را با یک مدار خارجی از طریق یک الکترود جامد مبادله می‌کند.
تخمیر گاز در فرمانتور صنعتی
تخمیر گازی در بیوراکتور یا فرمانتور فرآیندی است که در آن میکروارگانیسم‌ها می‌توانند CO2 را در صورت وجود منابع کاهش قدرت و انرژی متابولیک تثبیت کنند. هیدروژن (H2 ) تولید شده توسط تقسیم آب الکتروشیمیایی نمونه ای از یک حامل الکترون غنی از انرژی است که می تواند در تخمیر مشترک با CO2 استفاده شود . جریان‌های بیوسنگاز حاصل از تبدیل به گاز زیست توده یا پیرولیز عمدتاً غنی از H2 ، مونوکسید کربن ( CO)، متان (CH4 ) و CO2 هستند. استفاده کارآمد آنها توسط تخمیر گاز قبلاً در مقیاس آزمایشی برای تولید محصولات زیستی با ارزش بالا (مانند سوکسینات، 2،3-بوتاندیول، لاکتات، و استون) نشان داده شده است.
تبدیل CO2 بیوالکتروشیمیایی
اخیراً، METs به عنوان یک استراتژی جدید برای تجهیز الکترون ها و انرژی متابولیک برای تثبیت کربن پیشنهاد شده است. در فرآیندهای الکتروسنتز میکروبی (MES) مانند الکترومتانوژنز و تخمیر الکتریکی، الکتریسیته تجدیدپذیر متابولیسم جوامع میکروبی الکترو فعال انتخابی را برای تولید مولکول‌های آلی [متان، اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه، الکل‌ها و غیره تحریک می‌کند. این مولکول‌ها می‌توانند توسط جوامع هتروتروف برای سنتز مواد زیستی و پلیمرهای زیستی با ارزش بالاتر تحت افزایش طول زنجیره کربنی قرار گیرند.
تبدیل CO2 به مواد آلی می تواند از طریق انتقال مستقیم الکترون (DET) یا از طریق تولید متوسط H2 رخ دهد که به عنوان یک شاتل انتقال الکترون عمل می کند، همانطور که در مورد بسیاری از باکتری های استوژن وجود دارد. تا کنون، محصولات اصلی MES متان (الکترومتانوژنز) و استات (همواستوژنز) بوده اند، اگرچه بازده و تیتر محصول هنوز با کاربرد تجاری فاصله دارند.
در طول 10 سال اخیر تحقیقات، چندین استراتژی با هدف بهبود راکتورهای MES و نرخ/بازده تولید آنها انجام شده است. در 2 سال گذشته، MES به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است. جوردین ثابت کرد که MES در حال پیشرفت به سمت تبدیل شدن به یک CO تمیز قوی است2 فرآیند بازیافت زیستی، تولید مواد شیمیایی با ارزش بالاتر با نرخ های فزاینده در حالی که هزینه مواد الکترود را به حداقل می رساند. وربیک یک راه اندازی راکتوری ارائه کرد که به کار راکتورهای MES در چگالی جریان بالاتر اجازه می داد. یک ستون تخمیر گازی H2 / CO2 به طور مستقیم با استخراج همراه شد و امکان بازیابی محصول خالص در یک مایع اسیدی و تمیز را فراهم کرد و به تثبیت همزمان pH در آبگوشت تخمیر دست یافت.
یکی دیگر از پارامترهای کلیدی موثر بر عملکرد MES خود ماده کاتد است. برخی از خصوصیات کلیدی برای عملکرد کاتدی برتر ضروری هستند: رسانایی بالا، پایداری شیمیایی عالی، استحکام مکانیکی بالا، زیست سازگاری خوب، مساحت سطح بالا و هزینه کم. آریال گزارش ساخت یک کاتد پوشش داده شده با پلیمر پلی استایرن سولفونات بسیار رسانا برای تولید استات در MES را گزارش کرد. این پوشش باعث افزایش تولید استات و در عین حال بهینه سازی مصرف فعلی می شود.
بیوفیلم S. ovataافزایش حضور زیست توده را در مقایسه با سطح پارچه کربنی ساده نشان داد. استراتژی دیگر استفاده از کربن فعال دانه ای (GAC) و گرانول های گرافیت (GG) در یک بستر بسته بندی شده به عنوان الکترود کاتد است. لیو نشان داد که هر دو GAC و GG مواد کاتدی مناسبی برای نرخ بالای تولید متان در MESهای تولیدکننده متان هستند.
الکترودهای انتشار گاز (GDEs) نیز پیشرفتی را در وضعیت فعلی هنر MES نشان داده‌اند. سریکانث (2018) تأثیر GDE ها را در افزایش فراهمی زیستی CO2 برای تبدیل آن به C4-ارگانیک، به ویژه به الکل ها با استفاده از کشت مخلوط انتخابی ارزیابی کرد. چگالی جریان پایدارتری با آزمایش‌های GDE در مقابل آزمایش‌های غوطه‌ور مشاهده شد که به طور قابل‌توجهی با pH و حلالیت CO2 مربوطه متفاوت بود .
یک هم افزایی جالب بین MET ها و تخمیر گاز سنتز این است که زغال زیستی حاصل از تجزیه در اثر حرارت زیست توده می تواند خواص جالبی برای ساخت الکترودهای زیستی مانند هدایت الکتریکی و سطح بالایی برای رشد بیوفیلم میکروبی داشته باشد.
انرژی شیمیایی ذخیره شده در محصولات MES را می توان به عنوان یک ذخیره بالقوه مازاد انرژی تجدیدپذیر در نظر گرفت. با این حال، انرژی خورشیدی و باد معمولاً با یک رژیم نوسان مشخص می‌شوند و این ممکن است تهدیدی برای جوامع میکروبی در بیوکاتدهای MES باشد که بر قطبش مداوم متکی هستند.
دانشمندان اخیرا نشان دادند که چگونه MES می تواند در برابر قطعی برق طولانی مدت (6 هفته) مقاوم باشد. در همین راستا یک تیم تحقیقاتی نشان داد که فعالیت الکترو اتوتروفیک یک سیستم MES می‌تواند پس از کمبود برق بهبود یابد و تولید اسید استیک را بازیابی کند و در عین حال انتقال الکترون کافی را در چگالی جریان 25- Am- 2 بازیابی کند .
به سوی ارتقاء و صنعتی سازی
در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های متعددی برای ارتقای فناوری‌های تبدیل گازی میکروبی رخ داده است و هم دولت‌ها و هم صنعت در حمایت از چنین طرح‌هایی پیشقدم شده‌اند. یکی از رهبران در این زمینه، چندین کارخانه که در سطح جهانی فعالیت می کنند، گام های سریعی در تخمیر گاز سنتز برداشته اند. فناوری اصلی آنها بر اساس استوژن کلستریدیوم اتواتانوژنوم است، با بهره وری حجمی تخمینی حدود 10 گرم در لیتر در یک ساعت است.
در اروپا، در پروژه ای که توسط کمیسیون اروپا تامین می شود و هدف آن ایجاد یک نمایشگر برای تولید اتانول در یک کارخانه فولاد برای تبدیل گازهای تولید شده در طول فرآیند تولید فولاد با استفاده از تخمیر توسط میکروب هایی است که ترشح می کنند. پیش بینی می شود این نیروگاه ظرفیت 62000 تن در هر سال داشته باشد. سایر عملیات آنها در چین، هند و آفریقای جنوبی است.
ارتقاء بیوگاز با تبدیل کسر CO2 بیوگاز به متان با کیفیت شبکه گاز نیز شتاب قابل توجهی پیدا می کند و چندین طرح آزمایشی و صنعتی در حال حاضر در حال انجام است. یکی از بازیگران اصلی در این زمینه، شرکتی مستقر در آلمان است که اخیراً از راه‌اندازی تأسیسات نمایشی برق به گاز در فولوم، دانمارک، بر اساس بیوراکتور 10000 لیتری خبر داد.
علاوه بر این کاربردهای صنعتی، تحقیقات در مورد این موضوع نیز شتاب بیشتری می گیرد و در اروپا، چندین پروژه در سطوح مختلف آمادگی فناوری (TRL) توسط کمیسیون اروپا پشتیبانی می شود. یکی از این پروژه‌ها که هدف آن پالایش فرآیندهای بیوتکنولوژیکی است که می‌تواند CO2 را از منابع نقطه‌ای صنعتی به مواد شیمیایی با ارزش پلت فرم مانند لاکتات و ایزوبوتن تبدیل کند.
پروژه دیگری که به تازگی آغاز شده است، در حال توسعه فرآیندی برای تبدیل CO2 / H2 به سوخت با تقلید از فرآیند فتوسنتزی گیاهان است. این رویکرد از فوتوکاتالیست‌های معدنی جدید استفاده می‌کند که قادر به تکامل H2 هستنداز تقسیم آب فوتوکاتالیستی در حضور نور خورشید و سویه های باکتریایی تقویت شده برای تبدیل CO2 و هیدروژن تجدید پذیر به سوخت های زیستی (یعنی اتانول و بوتانول) در یک سلول الکترو بیوکاتالیستی جدید.
پروژه دیگری که توسط کمیسیون اروپا تحت برنامه H2020 تأمین مالی می شود، تلاش می کند فن آوری های جذب CO2 و تبدیل الکتروشیمیایی و بیوشیمیایی را برای تبدیل CO2 به مواد شیمیایی ترکیب کند. یکی دیگر از پروژه های اخیر در این زمینه BIOCON- CO2 است که در حال توسعه فرآیندهای بیولوژیکی برای تبدیل زباله های خام CO2 است.از صنایع آهن، فولاد، سیمان و برق گرفته تا مواد شیمیایی و پلاستیک با ارزش افزوده.
پروژه های ذکر شده در بالا تنها نمونه هایی معرف از پروژه های تحقیقاتی است که در حال حاضر در اتحادیه اروپا در حال انجام است. چندین ابتکار دیگر در سطح جهانی برای برداشت پتانسیل میکروارگانیسم ها در تبدیل مواد اولیه گازی به مواد شیمیایی با ارزش در حال انجام است.
نتیجه گیری
به طور خلاصه ، تبدیل میکروبی گازهای زائد، گازهای صنعتی و CO2جریان‌های غنی با علاقه کاربران صنعتی، حمایت‌های دولت‌ها و محققانی که در جهت ارتقاء این سیستم‌ها تلاش می‌کنند، شتاب بیشتری می‌گیرد. یک رویکرد چند رشته ای برای توسعه مسیرهای متابولیک جدید و بهینه سازی فرآیندهای موجود مورد نیاز است. زیست شناسی مصنوعی و انتخاب جامعه میکروبی باید نقش عمده ای در ساخت سویه ها یا جوامع برای عملیات تجاری ایفا کند. متاترانسکریپتومیکس، متابولومیکس، و پروتئومیکس، و همچنین مهندسی متابولیک، ابزارهای اساسی برای درک و تقویت کاتالیز میکروبی هستند. علاوه بر این، مهندسی بیوراکتور و علم مواد برای مطالعه معماری‌های فرآیند مقیاس‌پذیر و برای بهینه‌سازی رشد بیوفیلم میکروبی، انحلال گاز و بازیابی محصول بسیار مهم هستند.
این طیف وسیعی از رشته‌ها نیز در مقالاتی که در این موضوع تحقیقاتی ظاهر می‌شوند، نشان داده شده‌اند، که به پیشرفت تحقیقات پایه و در عین حال حرکت به سطح بعدی اجرای عملی کمک می‌کنند. بینش‌های نظری و چشم‌اندازی در مورد چندین مسیر متابولیکی ممکن و ملاحظات ترمودینامیکی در مورد اکسیداسیون متان و به سمت تولید سوخت‌های زیستی مایع یا الکتریسیته ارائه شده‌اند. همچنین، آزمایش‌های اساسی در حال انجام است که با تشکیل بیوفیلم، ساختار جامعه میکروبی روی بیوالکترودها، و بهینه‌سازی مواد الکترود سروکار دارد.
رویکردهای نوآورانه ای نیز برای تبدیل بیولوژیکی CO2 در نظر گرفته شده است ، از جمله یک آزمایش جالب در مورد استفاده از باکتری های فتوتروف بنفش برای تولید همزمان زیست H2 و تثبیت کربن و یک بررسی کوچک در مورد CO2 بیوکاتدی احتمالی – مسیرهای تثبیت و برنامه های کاربردی توسط الکترواتوتروف های کاهش دهنده سولفات در نهایت، رویکردهای عملی نسبت به پیکربندی های مختلف راکتورها و طراحی فرآیند گزارش شده است.
