تخمير الأسيتون-بيوتانول-إيثانول

يُعدّ الجانب الأكثر أهمية في عمليات تخمير الكتلة الحيوية هو إنتاجيتها. فعلى سبيل المثال، يتميز تخمير الأسيتون والبيوتانول والإيثانول (ABE) باستخدام بكتيريا كلوستريديوم بيجيرينكي أو كلوستريديوم أسيتوبوتيلكوم بتثبيط المنتج . وهذا يعني وجود حد أدنى لتركيز المنتج لا يمكن تجاوزه، مما ينتج عنه تيار منتج مخفف للغاية في الماء. ^{[ 11 ]}

لهذا السبب، ولتحقيق إنتاجية وربحية مماثلة لعمليات البتروكيماويات ، يلزم إيجاد حلول فعّالة من حيث التكلفة والطاقة لأقسام تنقية المنتج، وذلك لضمان استخلاص كمية كبيرة من المنتج بالنقاء المطلوب. وفيما يلي أبرز الحلول المعتمدة خلال العقود الماضية:

• استخدام مواد خام أقل تكلفة، وخاصة النفايات الليغنوسليلوزية أو الطحالب ؛
• تعديلات الكائنات الدقيقة أو البحث عن سلالات جديدة أقل حساسية للتسمم بتركيز البيوتانول لزيادة الإنتاجية والانتقائية تجاه أنواع البيوتانول ؛
• كان الهدف من تحسين مفاعل التخمير هو زيادة الإنتاجية؛
• خفض تكاليف الطاقة لعمليات الفصل والتنقية اللاحقة، وعلى وجه الخصوص، إجراء الفصل في الموقع داخل المفاعل ؛
• استخدام المنتجات الجانبية مثل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون ، والنفايات الصلبة والكائنات الحية الدقيقة المتدفقة، وإجراء معالجات أقل تكلفة لمياه الصرف الصناعي .

في النصف الثاني من القرن العشرين، سمحت هذه التقنيات بزيادة تركيز المنتج النهائي في المرق من 15 إلى 30 غ/لتر، وزيادة الإنتاجية النهائية من 0.46 إلى 4.6 غ/(لتر*ساعة)، وزيادة العائد من 15 إلى 42%. ^{[ 3 ]}

من منظور تنقية المركبات، تكمن أبرز التحديات في استخلاص منتج ABE/W في التفاعلات غير المثالية لمزيج الماء والكحول، مما يؤدي إلى تكوين أنواع أزيوتروبية متجانسة وغير متجانسة ^{[ 12 ]} ، كما هو موضح في مخطط التوازن الثلاثي. هذا يجعل الفصل بالتقطير التقليدي غير عملي، ولكنه في المقابل يتيح استغلال منطقة انفصال السائل-السائل في عمليات فصل مماثلة ^{[ 13 ]} وبديلة .

لذا، ولتحسين إنتاجية تخمير الأسيتون والإيثانول والبيوتانول، طُوّرت أنظمة استخلاص المنتج في الموقع بشكل رئيسي. وتشمل هذه الأنظمة: ^{التجريد} الغازي ^[ 14 ^{] [ 15 ]} ، والتبخير عبر الغشاء ^{[ 16 ] [ 17 ]} ، والاستخلاص السائل-السائل ، والتقطير باستخدام عمود الجدار الفاصل ^{[ 18 ]} ، والتقطير الغشائي ، والفصل الغشائي ^{[ 19 ]} ، والامتزاز ، والتناضح العكسي . وقد طبّقت شركة غرين بيولوجيكس المحدودة العديد من هذه التقنيات على نطاق صناعي.

علاوة على ذلك، وعلى عكس المواد الخام للنفط الخام ، تتفاوت الكتلة الحيوية الطبيعية على مدار فصول السنة وتبعًا للموقع الجغرافي. ^{[ 20 ] [ 21 ]} ولهذه الأسباب، لا بد أن تكون عمليات التكرير الحيوي فعالة ومرنة وقادرة على التبديل بين حالتي تشغيل بسرعة. [ بحاجة لمصدر ]

يحظى تخمير ABE باهتمام متجدد مع التركيز على البيوتانول كوقود حيوي متجدد . ^{[ 23 ]}

تُعدّ الاستدامة بلا شكّ الموضوعَ الأكثرَ أهميةً خلال السنوات الأخيرة. ويُمثّل تحدّي الطاقة محورَ السياسات الصديقة للبيئة التي تبنتها جميع الدول الأكثر تقدماً وتصنيعاً في العالم. ولهذا الغرض، موّل الاتحاد الأوروبي برنامج "هورايزون 2020"، وهو أكبر برنامج للبحث والابتكار في الاتحاد الأوروبي ، خلال الفترة 2014-2020. ^{[ 24 ]}

تُعرّف وكالة الطاقة الدولية مصادر الطاقة المتجددة بأنها محور التحول نحو نظام طاقة أقل كثافة للكربون وأكثر استدامة . ويُعتقد أن الوقود الحيوي سيمثل حوالي 30% من استهلاك الطاقة في قطاع النقل بحلول عام 2060. ويكتسب هذا الوقود أهمية خاصة في القطاعات التي يصعب فيها خفض انبعاثات الكربون، مثل الطيران والشحن والنقل لمسافات طويلة. ولذلك، شهدت العديد من العمليات الحيوية اهتمامًا متجددًا في السنوات الأخيرة، سواء من منظور البحث العلمي أو من منظور الصناعة. ^{[ 25 ]}

لهذا السبب، أُعيد النظر في عملية تخمير الأسيتون-بيوتانول-إيثانول من منظور مختلف. فمع أنها صُممت في الأصل لإنتاج الأسيتون ، إلا أنها تُعتبر مسارًا إنتاجيًا مناسبًا للبيوتانول الحيوي الذي أصبح منتجًا ذا أهمية بالغة. يُعد البيوتانول الحيوي بديلًا محتملًا للإيثانول الحيوي، بل وربما أفضل منه، ويُستخدم بالفعل كمضاف للوقود وكبديل للبنزين التقليدي، لأنه ، على عكس الإيثانول ، يُمكن استخدامه مباشرةً وبكفاءة في محركات البنزين . علاوة على ذلك، يتميز بإمكانية نقله وتوزيعه عبر خطوط الأنابيب ومحطات الوقود القائمة . ^{[ 26 ]}

وأخيرًا ، يُستخدم البيوتانول الحيوي على نطاق واسع كمذيب مباشر للدهانات ، والطلاءات ، والورنيش ، والراتنجات ، والأصباغ ، والكافور ، والزيوت النباتية ، والدهون، والشموع ، والشيلاك ، والمطاط، والقلويدات، وذلك نظرًا لكثافته الطاقية العالية، وانخفاض تطايره ، وانخفاض استرطابيته . ويمكن إنتاجه من أنواع مختلفة من الكتلة الحيوية السليلوزية، كما يمكن استخدامه في معالجة أنواع الوقود الحيوي المتقدمة ، مثل ليفولينات البوتيل. ^{[ 27 ]}

يُعدّ استخدام البيوتانول العادي في إنتاج أكريلات البوتيل مجالًا واعدًا للتوسع، مما سيسهم بدوره في زيادة استهلاك البيوتانول العادي عالميًا. وقد كان أكريلات البوتيل أكبر استخدام للبيوتانول العادي في عام 2014، ومن المتوقع أن تصل قيمته إلى 3.9 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2020. ^{[ 28 ]}