سیانوباکتری، گونه‌ای مفید در تولید اتانول زیستی

سیانوباکتری، گونه­ای مفید در تولید اتانول زیستی

سمانه جوادی تدین و مرتضی یوسف زادی^*

ایران، قم، دانشگاه قم، دانشکده علوم، گروه زیست شناسی

تاریخ دریافت: 15/12/1402          تاریخ پذیرش: 23/05/1403

چکیده

امروزه استفاده بیش از حد از سوخت­های فسیلی تجدیدناپذیر به دلیل انفجار جمعیت و به دنبال آن کاهش این سوخت­ها، آلودگی­های زیست­محیطی، افزایش گازهای گلخانه­ای و همچنین چالش­های اقتصادی در پی کم شدن سوخت­های فسیلی ما را ترغیب می‌کند تا روی سوخت های تجدیدپذیر مانند بیواتانول تمرکز کنیم. اتانول علاوه بر روش­های شیمیایی، از مواد اولیه طبیعی نیز تولید شود و به طور خاص، تولید اتانول از منابع ریزجلبکی و سیانوباکتری روشی جذاب در روزهای اخیر بوده است. سیانوباکتری­ها به دلیل حداقل نیاز به مواد مغذی، فتوسنتز و تبدیل نور خورشید به انرژی، رشد سریع و تراکم بالا رشد، نداشتن تداخل با چرخه­غذایی و عدم نیاز به زمین­های زراعی جهت کشت آن­ها، می­تواند راه حل خوبی برای بسیاری از مشکلات زیست محیطی باشد. به طور کلی بدست آوردن اطلاعات برای تولید اتانول زیستی به عنوان یکی از مواد پرکاربرد در عرصه­های تولید مواد مورد نیاز جامعه، موجب کاهش آلودگی­های زیست محیطی می­شود و همچنین می­تواند به عنوان جایگزین منابع تجدیدناپذیر در سطح صنعتی و تحقیقات آینده انرژی­های تجدیدپذیر بسیار مفید باشد.

کلیدواژگان: سیانوباکتری، اتانول، اتانول زیستی

* نویسنده مسئول، پست الکترونیکی: morteza110110@gmail.com

مقدمه

امروزه سبک زندگی کنونی و افزایش جمعیت که موجب استفاده بیش از حد از سوخت­های فسیلی تجدیدناپذیر شده است، ما را ترغیب می‌کند تا روی سوخت­های تجدیدپذیر مانند بیواتانول تمرکز کنیم (Chandrasekhar et al., 2023.)

همچنین افزایش قیمت نفت و افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای که یکی از علل آن مصرف شدید سوخت‌های فسیلی تجدیدناپذیر است، یک مشکل زیست محیطی عظیم ایجاد کرده است. این مصرف سریع همچنین باعث کاهش ذخایر سوخت فسیلی در 40 تا 50 سال آینده خواهد شد و نگرانی­های فزاینده در مورد بحران انرژی، امنیت غذایی، شیوع بیماری­ها، گرم شدن کره­زمین و آلودگی­های زیست محیطی، ما را نیازمند بررسی راه حل­هایی می­کند که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه، پایدار و همچنین امکان پذیر باشد (Huisman et al., 2018; Narisetty et al., 2022).

امروزه افزایش بی‌سابقه‌­ای نیز در ردپای کربن جو (اتمسفر) دیده می­شود که چالش­های زیست­ محیطی جدیدی را برای طبیعت و بقای موجودات زنده ایجاد کرده است. علاوه بر این، بحران انرژی که جهان به دلیل کاهش مداوم سوخت‌های فسیلی با آن مواجه است، می‌تواند جرقه‌ای برای ایجاد عدم تعادل در اقتصاد و پیشرفت جهانی باشد. از این رو می­توان گفت منابع انرژی تجدیدپذیر مانند زیست‌توده جایگزین مناسب و پایداری برای سوخت‌های فسیلی هستند. علاوه بر این، استفاده از آن­ها به تمیز نگه­داشتن محیط زیست نیز کمک می‌کند (Agarwal et al., 2022).

سوخت­های فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ ناشی از تجمع طولانی مدت زمین­شناسی زیست­توده آلی حاوی کربن و هیدروژن است، اما سوخت­های زیستی از زیست­توده طبیعی بدست می­آیند .(Mishra et al., 2023) انرژی مبتنی بر زیست­توده یکی از منابع مهم تجدیدپذیر است. این سوخت­های مبتنی بر زیست توده، عمدتاً از مواد آلی بیولوژیکی مشتق شده از گیاهان، حیوانات، موجودات میکروبی و ضایعات آن­ها از جمله پیکر مرده آنها تولید می­شوند؛ زیست­توده دارای درصد بالایی از کربوهیدرات­ها است که می­تواند منبع مهمی برای تولید اتانول باشد (Chandrasekhar et al., 2023).

بررسی اتانول زیستی[1] و نسل­های مختلف آن

تلاش‌های روزافزون در کاهش ردپای کربن و آلودگی­های زیست محیطی و همچنین سهم بالای 65% انتشار CO₂ از سوزاندن سوخت­های فسیلی و محدودیت منابع آن­ها محرک اصلی برای کشف انرژی­های جدید و افزایش نرخ تولید سوخت‌های زیستی مایع کم کربن، به‌ویژه اتانول سوختی است (Farrokh et al., 2019; Olughu et al., 2023).

 بیشتر تولیدات تجاری اتانول در جهان از اتانول نسل اول است که از مواد اولیه غذایی تولید می­شود. مواد اولیه غذایی به دلیل استفاده رقابتی با خوراک انسان و دام، موجب افزایش هزینه این مواد اولیه می­شود و در نتیجه تحقیقات در مورد استفاده از زیست­توده لیگنوسلولزی به عنوان یک ماده اولیه جایگزین برای تولید اتانول از اهمیت بیشتری برخوردار شده است. زیست­توده لیگنوسلولزی عرضه فراوان و هزینه به نسبت کم دارد. با این حال، به دلیل ماهیت پیچیده ساختار آن­ها، بازده قند قابل تخمیر از زیست توده سلولزی تیمار نشده بسیار کم است و این مرحله حدود 19 تا 22 درصد از هزینه تولید سوخت زیستی سلولزی را تشکیل می‌دهد که یکی از عوامل اصلی در هزینه تولید اتانول است ((Olughu et al., 2023. 

همچنین تولید سوخت زیستی نسل اول و دوم در مقیاس بزرگ به دلیل نیاز به استفاده از زمین برای کشت مواد اولیه و تغییر کاربری زمین، جنبه‌ها و پیچیدگی‌های زیادی دارد که توجه را به خود جلب کرده است (Canabarro et al., 2023).

سوخت­های زیستی نسل سوم از میکروجلبک­های یوکاریوتی[2] و سیانوباکتری­های پروکاریوتی[3] مشتق می­شوند. جلبک‌ها می‌توانند در آینده نزدیک به مهم‌ترین منبع سوخت زیستی تبدیل شوند و همچنین این مواد اولیه به‌عنوان امیدوارکننده‌ترین منابع به حساب می‌آیند. این میکروارگانیسم‌های فتوسنتزی پتانسیل قابل توجهی برای تولید لیپیدها و کربوهیدرات­ها به‌عنوان ماده اولیه سوخت­های زیستی دارند. سوخت‌های زیستی نسل چهارم نیز بر اساس جلبک­ها و سیانوباکتری­ها با ترکیبی از ژنتیک و راندمان فتوسنتز بالاتر است و نرخ تولید زیست توده در سیانوباکتری ها تا 10 درصد است که بیشتر از گیاهان (حدود 1 درصد) و جلبک ها (5 درصد) می­باشد (Farrokh et al., 2019).

وضعیت تولید اتانول در جهان

در سال 2021، منابع انرژی اولیه تجدیدپذیر، از جمله سوخت‌های زیستی، افزایش قابل‌توجهی را تجربه کرده است. در شکل 1 میزان تولید اتانول از سال 2012 تا 2022 آورده شده است و در جدول 1 نیز برخی از پیش­بینی­های مربوط به تولید و نیاز اتانول قابل مشاهده است. از جدول زیر می‌توان دریافت که نیاز پیش­بینی شده به اتانول همیشه بیشتر از تولید پیش­بینی شده است. انتظار می‌رود در سال‌های آینده، تولید اتانول از منابع زیستی نقش مهمی در تامین نیاز اتانول کشورها داشته باشد.

آژانس بین‌المللی انرژی ارزیابی می‌کند که سوخت‌های زیستی از سهم جاری خود از 3٪ تا حدود 27٪ احتمال تامین مداوم آن­ها را دارد و تولید اتانول زیستی نه تنها می­تواند اهداف توسعه پایدار دستور کار 2030 را برآورده می‌کند، بلکه توافقنامه پاریس در مورد کاهش انتشار گازهای گلخانه ای که اخیرا به تصویب رسیده است را نیز برآورده می­کند (Mülleret al., 2023; Olguin-Maciel et al., 2020).

جدول 1- پیش­بینی مربوط به تولید و نیاز اتانول

- تمامی مقادیر جدول برحسب میلیون­لیتر می­باشند.

چالش­های تولید سوخت­های زیستی مانند اتانول

یکی از ملاحظات و چالش­ها در تولید سوخت زیستی مقرون برصرفه و سازگار بودن آن با محیط زیست است که هدف اصلی پالایشگاه­های زیستی است (Singh et al., 2019).

شکل 1- تولید جهانی اتانول توسط کشور­های مختلف

از جمله چالش­های دیگر که جهت تولید صنعتی و بیشتر این سوخت­ها، تأثیر سوخت­های زیستی بر بازار انرژی و مواد غذایی، شرایط کار و حقوق کارگران در مورد بهداشت حرفه­ای، نابرابری سیاست­های سوخت زیستی، دسترسی و تغییر کاربری زمین می­باشد. محدوده نظر پایداری سوخت زیستی می­تواند بسته به تمایل افراد، مقیاس زمانی و منطقه جغرافیایی متفاوت باشد و تئوری پایداری مسائلی مانند ملاحظات اجتماعی، اقتصادی، زیست محیطی، حقوقی و فرهنگی را در برمی‌گیرد (Avramovic et al., 2018).

زیست توده جلبک و انواع آن­ها

جلبک­ها موجودات زنده­ای هستند که از نور به عنوان منبع انرژی برای تولید اکسیژن و کربوهیدرات، از آب و CO₂ استفاده می­کنند (Witthohn, 2024).

جلبک­ها موجودات فتوسنتزی هستند که معمولاً بر اساس مورفولوژی و اندازه آن­ها به ماکروجلبک­ها و ریزجلبک­ها تقسیم می‌شوند که از میکرومتر تا 70 متر متغیر است. ماکروجلبک­ها را می‌توان به سه گروه، جلبک‌های ­دریایی قهوه‌ای^[4]، جلبک‌های دریایی قرمز^[5] و جلبک‌های دریایی سبز^[6] طبقه بندی کرد. در حالی که ریزجلبک­ها به طور کلی به ­دیاتوم­ها^[7]، جلبک­های­ سبز^[8]، جلبک­های­طلایی^[9]  و جلبک­های سبز-آبی یا همان سیانوباکتری­ها ^[10]گروه بندی می‌شوند. جلبک‌های بزرگ عمدتاً در محیط‌های دریایی یافت می‌شوند، در حالی که گونه‌های ریزجلبک در محیط­های دیگر مانند محیط­های آب شیرین نیز یافت می­شوند. جلبک­ها این قابلیت را دارند که مقادیر زیادی کربوهیدرات را به عنوان ذخیره انرژی سنتز کنند به همین دلیل از زیست توده آن­ها می‌توان برای تولید بیواتانول که یک سوخت تجدیدپذیر است، استفاده کرد (Müller et al., 2023).

مزیت

زیست­توده جلبکی به سایر مواد اولیه در تولید اتانول

از مزیت آن­ها می­توان موارد زیر را بیان کرد: 1) جلبک­ها دارای پتانسیل رشد در تمام طول سال هستند، 2) آن­ها در مقابل محتوای دی اکسید کربن بالا، تحمل بیشتری دارند، 3) مصرف آب بسیار کم دارند، 4) پرورش جلبک نیازی به استفاده از علف­کش ها یا آفت­کش­ها ندارد، 5) جلبک­ها می­تواند در محیط های غیرحساس مانند آب شور و آب دریا نیز رشد کند، که تاثیری بر بهره­وری کشاورزی معمولی ندارد، 6) سوخت­های زیستی نسبت به سایر انواع سوخت، زیست تخریب پذیر هستند، که آن­ها را در صورت نشت، برای محیط زیست بی­ضرر می­کند، 7)سوخت های زیستی جلبکی به عنوان بهترین منبع برای جایگزینی سوخت مایع نفت انتخاب شدند، زیرا دارای محتوای روغن و کربوهیدرات بالا با بهره وری بالا و عملکرد خوب در هر هکتار هستند (Mishra et al., 2023).

سیانوباکتری­ها

پوسته‌های زیستی که روی سطح خاک‌ تشکیل می‌شوند، از میکرو و ماکرو‌ارگانیسم‌هایی همچون سیانوباکتری‌ها، قارچ‌ها، باکتری‌ها، جلبک‌ها و سایر گونه­ها تشکیل شده‌ است. سیانوباکتری­ها جزء پروکاریوت‌های گرم منفی، فتوتروف و مولد اکسیژن هستند و برخی از گونه­های آن قادر به تثبیت ازت اتمسفر نیز هستند (Hosseini et al., 2022).

سیانوباکتری­ها گونه­هایی بسیار جالب هستند که ظرفیت فتوسنتز اکسیژنی را دارند و کاربرد سیانوباکتری­ها به عنوان کارخانه­های سلول خورشیدی برای تولید مواد شیمیایی از جمله سوخت­های بالقوه است (Vidal et al., 2021).

سیانوباکتری­ها بیش از 5/2 میلیارد سال پیش به وجود آمدند و در طی دوره­های مختلف و تغییرات آب و هوایی در طول تاریخ زمین تکامل یافتند و در طیف گسترده­ای از زیستگاه­های طبیعی در اکوسیستم­های متنوعی مانند سطوح سنگ­ها، اقیانوس­ها، خاک وآب شیرین متنوع شدند. در حال حاضر، سیانوباکتری­ها نقش کلیدی در چرخه جهانی کربن و نیتروژن دارند و همچنین جزء مهمی در بسیاری از شبکه­های غذایی آبزی هستند (Burford et al., 2020; Żymańczyk-Duda et al., 2022).

سیانوباکتری­ها از نور برای اکسید کردن آب و ارائه الکترون­ها برای اجرای یک متابولیسم اتوتروف بر اساس تثبیت CO₂ استفاده می­کنند که در مقایسه با گیاهان زمینی، راندمان تثبیت CO₂ سیانوباکتری ها 10 تا 50 درصد بیشتر است. همین راندمان بالا تثبیت CO₂ به این موجودات پتانسیل بالایی برای ترسیب کربن و تولید بازده سوخت و مواد شیمیایی می‌دهد. در حالی که ریزجلبک‌های یوکاریوتی پتانسیل فتوسنتزی مشابهی دارند، سیانوباکتری‌ها از درجه پایین‌تری از پیچیدگی ساختاری برخوردارند که مهندسی متابولیک آن­ها را ساده­تر می‌کند. در حال حاضر، سیانوباکتری‌ها برای تولید ترکیبات متنوعی از هیدروکربن‌های با زنجیره کوتاه و سینتون‌[11]های کم مولکولی تا ترکیبات زیست فعال پیچیده با علاقه غذایی یا دارویی می­تواند مورد استفاده قرار گیرد (Toepel et al., 2023).

مزیت سیانوباکتری­ها به سایر منابع

از  نظر کارایی فتوسنتزی، سیانوباکتری­ها بر گیاهان و همچنین سایر جلبک­ها غالب هستند و همچنین به دلیل تولید زیست توده بالا و ظرفیت رشد سریع آن­ها در مقایسه با سایر موجودات فتوسنتزی، یک ماده اولیه احتمالی برای تولید سوخت های زیستی در نظر گرفته می‍شوند (Mishra et al., 2023).

مزیت بزرگ سیانوباکتری ها نسبت به میکروارگانیسم­های هتروتروف، توانایی آن­ها در تولید مجموعه وسیعی از ترکیبات صنعتی مرتبط با استفاده از نور و CO₂ است. علاوه بر مصرف CO₂ ، برخی از سیانوباکترها نیتروژن اتمسفر را نیز تثبیت می‌کنند و آن را به ترکیبات نیتروژندار آلی در دسترس تبدیل می‌کنند. اکثر سیانوباکترها را می­توان به صورت غوطه­ور در بیوراکتورها کشت نمود و همچنین  آن­ها نسبت به نوسان شرایط کشت مانند دما، ورودی نور و ... تحمل بالایی دارند. از آنجایی که چالش­های بزرگ زمان ما عمدتاً شامل تغییرات آب و هوایی، ناشی از انتشار CO₂ و متان در جو، و بهره برداری بی­رویه از منابع تجدیدناپذیر است، این دستاورد تکاملی ممکن است یک عنصر کلیدی باشد. بهره­برداری تجاری از ریزجلبک­ها (پروکاریوتی و یوکاریوتی) هنوز تا حد زیادی می­تواند گسترش یابد، اما چندین شاخه صنعتی در حال حاضر روی تطبیق­پذیری با این میکروارگانیسم­ها حساب می­کنند (Witthohn, 2024).

فرآیند کشت سیانوباکتری­ها

سیانوباکتری­ها در آب، خاک و غیره یافت می­شوند و به دلیل فیزیولوژی منحصر به فرد خود، می­توانند در زیستگاه­های اکولوژیکی سخت مانند بیابان­ها، آتشفشان­ها، چشمه­های آب گرم و حتی در حوضچه­های قلیایی زنده بمانند (Yogeswar et al., 2023).

سیانوباکتری­ها با استفاده از آب، CO₂ و نور خورشید ترکیبات آلی تولید می­شوند. شدت نور، دما، میزان CO₂، pH و اجزای محیط کشت شامل کربن، نیتروژن، فسفر و سایر عناصر می­شود، از مهم­ترین عواملی هستند که بر روی کشت سیانوباکتری­ها تأثیر می‌گذارد . از آنجا که بهینه­سازی غلظت اجزای محیط برای کشت آن­ها ضروری است، محیط کشت­های مختلفی جهت رشد سیانوباکتری­ها وجود دارد (Farrokh et al., 2019).

فیکولوژیست­ها ابتدا باید در مورد محصول یا کاربرد مورد نظر تصمیم بگیرند، سپس بر این اساس مناسب ترین گونه یا ترکیبی از گونه­ها را انتخاب کنند و آنها را از زیستگاه‍های طبیعی خود یا از مجموعه­های کشت پیشین، برداشت کنند. کشت و تولید انبوه ریزجلبک­ها و سیانوباکتری­ها را می‌توان به سه حوزه اصلی شامل، حوضچه ها، فوتوبیورآکتورها، سیستم­های بیوفیلم یا ترکیبی از همه آن­ها تقسیم کرد که در شکل 3 آورده شده است و با توجه به شرایط و بررسی مزایا و معایب با در نظر گرفتن حوزه مورد نظر، استفاده می­شود. روش های کشت جلبک بر اساس کاربرد و شرایط آن‌ها متفاوت است. عامل دیگری که در کشت گونه­ها مهم است شامل نظارت بر گونه در حال رشد برای ارزیابی پیشرفت، تعیین سلامت کشت و ایجاد برنامه های برداشت است. متغیرهایی مانند تعداد سلول، چگالی نوری، کدورت، pH، غلظت مواد مغذی، مشاهدات میکروسکوپی و نظارت بر ترکیبات هدف مانند لیپیدها یا کربوهیدرات یا رنگدانه­های مورد نیاز مورد بررسی قرار می­گیرد. هر چه سیستم کشت بزرگتر باشد، احتمال آلودگی و ناهمگنی بیشتر بوده و نیاز به دقت و نظارت بیشتری دارد (Novoveská et al., 2023).

شکل 2- 1) حوضچه باز 2) PBRهای (Photo bio reactor) بسته دریایی شناور با ظرفیت هر کدام 8000 لیتر 3) حوضچه­ی 1000 لیتری 4و5) PBRهای لوله ای 40000 لیتری در مقیاس بزرگ

اتانول

اتانول مایعی شفاف و با بویی خاص و قابل اشتعال است. نقطه جوش آن 13/78 درجه سانتی گراد و چگالی آن 789/0 گرم بر میلی­لیتر است. اتانول به عنوان سوخت پایداری عمل می‌کند، توانایی آن در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و اتکا به منابع تجدیدناپذیر باعث شده است که به عنوان جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی متعارف شناخته شود. با سابقه طولانی استفاده به عنوان سوخت، به ویژه در بخش حمل و نقل، اتانول همچنان به عنوان یک منبع انرژی پایدار مورد بررسی و استفاده قرار می‌گیرد (Center, 2021).

سیانوباکتری به عنوان منبعی برای تولید اتانول زیستی

در سال‌های اخیر، ریزجلبک­ها و سیانوباکتری­هایی مانند Chlorella،Chlamydomonas ،Spirulina ،  Porphyrydiu، Scenedesmus  و برخی گونه­های دیگر و همچنین سیانوباکتری­های مهندسی شده برای تولید بیواتانول بررسی شده­اند و استفاده از سیانوباکترها برای تولید مستقیم اتانول، مورد توجه قرار گرفته است که در شکل 3 فناوری تولید اتانول از جابک­ها بررسی شده است. می­توان گفت سیانوباکتری‌ها به‌عنوان مواد اولیه جذاب برای تولید بیواتانول عمل می‌کنند، اما دانش علمی‌ و فناوری در این زمینه هنوز کمیاب است و اطلاعات کمی در مورد مزایا و معایب واقعی این فرآیندها در دسترس است (de Farias Silva & Bertucco, 2016; Mishra et al., 2023).

شکل 3- چشم انداز فناوری اتانول زیستی از ریزجلبک و سیانوباکتری

مراحل مختلف تولید اتانول زیستی

از نظر بیولوژیکی، تخمیر پرکاربردترین روش یرای تولید الکل است. تخمیر فرآیندی است که در آن قندهای قابل تخمیر توسط میکروارگانیسم­ها به اتانول تبدیل می‌شوند. جهت تولید اتانول تخمیری تعدادی کار روی ماده اولیه انجام می­شود که در شکل 4 شمایی از آن آورده شده است (Chandrasekhar et al., 2023).

شکل 4- نمایش شماتیک تولید اتانول از ماده اولیه جلبکی

در ادامه توضیحات مختصری در مورد هر یک از مراحل تولید اتانول زیستی آورده شده است.

پیش­فرآوری

 مواد اولیه لیگنوسلولزی مختلف دارای ترکیب شیمیایی و پلیمریزاسیون متفاوتی هستند و بنابراین به مواد شیمیایی خاصی نیاز دارند که به فرآیند هضم کمک می‌کنند. در مرحله پیش فرآوری لیگنین انباشته شده را حذف می‌کند که موجب می­شود منافذ زیست توده افزایش و به ادامه فرآیند کمک کند. چندین روش پیش تصفیه به عنوان مثال، فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی، و همچنین ترکیب آن­ها گزارش شده است که با توجه به شرایط و نوع زیست­­توده استفاده می­شود و 20% از هزینه کل فرآیند را در برمی­گیرد (Sunkar & Bhukya, 2022).

 کربوهیدرات‌ ریزجلبک­ها معمولا از نشاسته و سلولز تشکیل شده است و سلول­های ریز جلبک فاقد محتوای لیگنین است که عدم وجود آن، تجزیه قند­ها را به مونوساکارید و تبدیل آن­ها به بیواتانول را آسان‌تر می‌کند. همچنین نبود لیگنین موجب می­شود هزینه عملیاتی در مقایسه با مواد لیگنوسلولزی، بسیار ارزان­تر شود (Phwan et al., 2019).

هیدرولیز

ساخت بیواتانول نیاز به مرحله هیدرولیز دارد که هدف از آن دپلیمریزاسیون سلولز و یا همی­سلولز به قندهای قابل تخمیر ساده است. بنابراین هیدرولیز سلولز باید یا توسط یک اسید انجام شود که به آن هیدرولیز شیمیایی می­گویند، یا توسط آنزیم­های خاص صورت گیرد که هیدرولیز آنزیمی یا قند­سازی[12] نامیده می‌شود. در هیدرولیز اسید ضعیف معمولا اسید 1 تا 3 درصد در دمای بین 180 تا 240 درجه سانتی­گراد ­و هیدرولیز اسیدقوی با اسید 20 تا 40 درصد و در دمای 50 تا 100 درجه سانتی­گراد انجام می­شود که از مزیت آن بازده قند بالا و از معایب آن ایجاد خوردگی و هزینه بازیافت اسید است. در هیدرولیز آنزیمی نیز از آنزیم­های مختلف استفاده می­شود که آلودگی زیست­محیطی ایجاد نمی­کند و حتی می­توان گفت برخی آنزیم­های اختصاصی بازده بالاتری را نیز ارائه می­دهد، اما هزینه بالای استفاده از آنزیم­ها می­تواند مانعی برای توسعه آن باشد، بنابراین در حالا حاضر برخی پژوهش­ها در خصوص توسعه و کاهش هزینه آنزیم­ها در جریان است (Abo et al., 2019).

تخمیر

تخمیر یک فرآیند بیولوژیکی است که توسط آنزیم­های ترشح شده توسط میکروارگانیسم­ها انجام می‌شود و قندهای ساده را به مولکول­های کوچک­تر مانند الکل­ها تبدیل می­کند (Abo et al., 2019).

در حال حاضر، تولید سالانه الکل در سراسر جهان بیش از 100 میلیارد لیتر است که ساکارومایسس­سرویزیه (Saccharomyces cerevisiea) میکروارگانیسم صنعتی است که به دلیل مقاوم بودن در برابر غلظت بالا اتانول، مقاومت در برابر pH و دماها مختلف و پایداری در طول فرآیند، عمدتاً برای تولید اتانول استفاده می‌شود (da Silva Fernandes et al., 2022; Permatasari et al., 2020).

گونه‌های ساکارومایسس مهم‌ترین مخمرهای تجاری هستند و سال‌ها به عنوان مدل‌های موجودات یوکاریوتی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. چرخه زندگی مخمرها به این صورت است که ابتدا از طریق چرخه­های تولید مثل جوانه می­زند. مخمر جوانه زده در طول چرخه زندگی از طریق میتوز (Mitosis) هم به صورت سلول­های هاپلونتیک (Haplontic) و هم سلول های دیپلونتیک (Diplontic) تولید مثل می‌کند که در شکل 5 نشان داده شده است. تعداد مخمرهای کشف شده سال به سال در حال افزایش است. فرض بر این است که در حال حاضر تنها 1 درصد از گونه های مخمر شناخته شده است که تقریباً 1500 گونه می­باشد و تعداد کل گونه­های مخمر روی زمین 150000 تخمین زده می­شود، اما همچنان پرمصرف­ترین مخمر برای تولید اتانول زیستی ساکارومایسس­سرویزیه است (da Silva Fernandes et al., 2022).

تقطیر یا کم آب کردن محصول نهایی

تقطیر یک روش موثر برای جداسازی مواد تشکیل دهنده مانند اتانول از مخلوط مایع قابل اختلاط مانند مخمر از طریق تبخیر و تکنیک­ها جداسازی مانند مانند فرآیند جذب، فرآیند غشایی، آبگیری شیمیایی، تقطیر انتشاری، تقطیر استخراجی و تقطیر در خلاء است. بر اساس اصل تقطیر، اتانول از یک مخلوط بر اساس تفاوت در فرّاریت آن­ها جدا می‌شود. اتانول در دمای 2/78 درجه سانتی­گراد به نقطه جوش می‌رسد. بعد از آب‌زدایی می­توان اتانول خشک با کیفیت بالا و درصد خلوص حدود 5/99  را به دست آورد (Robak & Balcerek, 2020).

چشم اندازی برای آینده

از زمان انقلاب صنعتی، زغال سنگ و سایر منابع فسیلی منابع اصلی انرژی بوده اند و این امر موجب ایجاد مسائل زیست محیطی جدی، از جمله انتشار و سطح بالای CO₂ در جو و همچنین آلودگی­های زیست محیطی شده است. بنابراین، منابع انرژی تجدیدپذیر سازگار با محیط زیست، مانند سوخت­های زیستی، نیاز فوری به توسعه دارند (Roussou et al., 2021). در مجموع، سیاره ما نیازی واقعی به انرژی­های پاک برای آینده دارد و کارخانه­های سلولی سیانوباکتری­ها می­تواند یکی از کاندیدای مناسب برای این منظور باشد (Farrokh et al., 2019). پیش­بینی می­شود در آینده محصولات متنوع، پرکاربرد و اقتصادی زیادی از سیانوباکتری­ها بدست آید و تولید اتانول زیستی با مواد اولیه جلبکی به عنوان منابع اولیه تجدیدپذیر، بسیار مورد توجه قرار گیرد.

شکل5- چرخه زندگی مخمر

[1]Bio ethanol

[2] Eukaryotes

[3]Prokaryote

[4] Phaeophyceae

[5] Rhodophyceae

[6] Chlorophyceae

[7] Bacillariophyceae

[8] chlorophyceae

[9] Chrysophyceae

[10] Cyanophyceae

[11]Synthon

[12]Saccharification