ضمن الموسم الثقافي لقسم علوم الحياة للعام 2016-2017 القى م.د. ثائر محمد ابراهيم التدريسي في القسم محاضرة بعنوان :
الطحالب وأنتاج الوقود الحيوي
وذلك في يوم الثلاثاء الموافق 1 / 11 / 2016 وعلى قاعة المناقشات في القسم وحضرها جمع من تدريسيي القسم يتقدمهم السيد رئيس قسم علوم الحياة أ.م.د. مازن نواف والضيوف الكرام .
الخلاصة :
تعد مشكلة توفير الوقود من احد اهم المتطلبات في الوقت الحاضر ، أذ يمكن القول ان عملية توفير هذه المتطلبات تشير الى تطور المجتمعات السكانية على مستوى عالمي . وخاصة توفير البدائل عن الوقود الاحفوري الذي يعد العمود الفقري لارشاد اي مجتمع متطور فظلا عن المشاكل المختلفة التي ظهرت نتيجة استخدام والاعتماد الكلي على الوقود الاحضوري ( مشاكل اقتصادية وسياسية مجتمعية الخ …..). وهنا ظهر الوقود الحيوي كحل واعد اتعويض استخدامات الوقود الاحضوري كونه متوفر يحمل بعض الصفات المهمة منه امكانية انتاجة في مختلف البلدان العالمية وكذلك التأثيرات البيئية التعليمية المعدومة مقارنة مع ما ينتجة استدخدام الوقود التقليدي على البيئة العالمية . يمثل الوقود الحيوي المنتج من قبل الطحالب الجيل الثالث للقود الحيوي ، اذ تم الاعتماد على النباتات الاقتصادية في الجيل الاول لبعض المحاصيل الاقتصادية (كالذرة والشعير والقمح الخ) اما الجيل الثاني فكان الاعتماد على بعض النباتات والمحاصيل غير الاقتصادية مثل (جتربوفا والخروع). آما الجيل الثالث فهو انتاج الوقود الحيوي من الطحالب وذلك لامتلاكها بعض الايجابيات المهمة منها عدم التأثير على الامن الغذائي (التي تأثر بشكل كبير في الجيل الاول منها ) ، امتلاك الطحالب دورات حياة صغيرة مقارنة مع النباتات ، كما انها لا تحتاج الى ارض صالحة للزراعة لغرض تنميتها وهذه الصفة تعد ايجابية مقارنتا مع الجيل الثاني الذي يحتاج اوقاتا طويلة للوصل الى انتاج الاجزاء المناسبة التي تدخل كمواد اولية في الوقود الحيوي فضلاً عن ان جميع النباتات (الجيل الاول والثاني من الوقود الحيوي) تحتاج اراضي صالحة للزراعة وهذا لا يكون شرطا عند استخدام الطحالب كمصدر للكتلة الحيوية الداخلة في عملية انتاج الوقود الحيوي كون الطحالب تمتلك اساليب ومتطلبات اخرى تختلف عن زراعة النباتات الراقية وهذا يعد بديلاً واعداً عند انتاج الوقود الحيوي وبنسب اقتصادية كبيرة . الطحالب وأنتاج الوقود الحيوي يشيرمصطلح الطحالب الى جميع النبات البسيطة التركيب القادرة على القيام بعملية النبات الضؤي وهي كما يعرف تواجد في جميع البيئات الماء واليابسة والهواء (Ariborn Algae , Terestiariol , Aquatic) اما من حيث الظروف البيئية فهناك كثير من النباتات تتواجد فيهما الطحالب ونرى منها قد تأقلمت وتكيفت الى بعض البيئات المتطرفة وهذا الانتشار الواسع في النباتات المختلفة يشير الى تكييفات وتأقلمات حقيقية للطحالب . اذ توجد طحالب تعيش في المياه الكبريتية الحارة ( الطحالب المحبة للحرارة Termo ) واخرى تعيش في الثلوج (Cryophyta ) كما يمكن ان تكون الطحالب كسبب للتلوث او تكون نتيجة التلوث . كما يوجد 65000 نوع مختلف من الطحالب جرى تسجيل اقل من 2000 نوع منها في العراق . هذا التنوع اعطى اهمية للكثير من الانواع و بخاصةٍ تلك السلالات التي تحتوي على 50% دهون وكمٍ كبيرٍ من الكاربوهيدرات فضلا عن البروتينات لإنتاج الوقود الحيوي و الإيثانول الحيوي من خلال استخراج وتكرير الجزيئات مما يجعل تلك النقطة مجالاً مثيراً، بسبب أن كتلة الطحالب الحيوية يتم انتاجها ب 30 مرةً أسرع من بعض الكتل الحيوية الزراعية الأخرى، التي تستعمل بصورةٍ شائعةٍ في انتاج الوقود الحيوي. جدول ( 1-2 ) تركيب الكتلة الحيوية لبعض الطحالب الدقيقة (وزن جاف) % Carbohydrates (الكاربوهيدرات) Protein (البروتينات) Lipid (الدهون) اسم الطحلب 25-30 43-56 4-7 Anabaena Cylindrica 2 40 33 Botryococcus braunii 17 48 21 Chlamydomonas rheinhardii 26 57 2 Chlorella pyrenoidosa 12-17 41-58 10-22 Chlorella vulgaris 4 49 8 Dunaliella bioculata 32 57 6 Dunaliella salina 14 29 11 Dunaliella tertiolecta 14-18 39-61 14-20 Euglena gracilis 40-57 28-39 9-14 Porphyidium cruentum 25-33 28-45 22-39 Prymnesium parvum 21-52 8-18 16-40 Scenedesmus dimorphus 10-17 50-56 12-14 Scenedesmus obliquus – 47 1.9 Scenedesmus quadricauda 33-64 6-20 11-21 Spirogyra sp. 13-16 60-71 6-7 Spirulina maxima 8-14 42-63 4-11 Spirulina platensis 15 63 11 Synechoccus sp. 15 52 3 Tetraselmis maculata Um & Kim, 2009; Sydney et al., 2010 هذا من جانب , اما حول الوقود الحيوي فأن ابسط تعريف وهو عبارة عن احد مصادر الطاقة المتجددة Renewable fuels والذي يعد وقوداً بديلاً ناجحاً للوقود الاحفوري التقليدي وذلك لأنه يتميز بعدد من الصفات الايجابية التي منها انه قابل للتحلل حيويا Biodegreadable وقلة سميته مقارنة مع الوقود النفطي وكذلك قلة تأثيره في البيئة لاسيما نسبة CO2 (Carvalho et al.,2011) وقد مر الوقود الحيوي بعدة أجيال حسب مصدر الحصول عليه كما في الشكل (2). شكل شكل ( 2 ) مراحل والمواد الاساسية للوقود الحيوي وهنا يجدر الاشارة الى ان الكمية الكلية للدهون ليست هي المؤشر الوحيد على كون هذا الطحلب او ذلك تمر في عملية انتاج الوقود الحيوي بل ايضا الاحماض الدهنية F.A المهمة في انتاج الوقود الحيوي . ان عملية انتاج الوقود الحيوي من الطحالب تحتاج الى عدة متطلبات وهي : 1- نوع الطحلب المتصف وتحديد كمية الدهون الكلية ونسبة الاحماض الدهنية وخاصة تلك المهمة في عملية انتاج الوقود الحيوي وهذا يتطلب عملية جمع وتصنيف وعزل وتنقية للحصول على مزارع نقية من الطحلب . 2- توفير كميات مناسبة لعملية زراعة الطحالب تكفي لانشاء مزارع عملاقة لانتاج الكتلة الحيوية . 3- محاولة تقليل كلفة انتاج الكتلة الحيوية للطحلب لتصبح العملية ذات جدوى اقتصادية وقابلية للتنقية وهذا يحتاج الى تطوير المزارع وخاص من نوع المفاعلات الضوئية Photobioreactor يُطلق على المفاعل الحيوي المستعمل لأغراض استزراع الطحالب بهدف تثبيت ثانئي أكسيد الكربون أو انتاج كتلةٍ حيويةٍ اسم المفاعل الحيوي الضوئي Photobioreactor , 2001) Pulz), ونلاحظ أن هذا المفاعل قد بُنِيَ بصورةٍ أساسيةٍ على أساس نظرية تفاعل البناء الضوئي والذي تقوم به الطحالب المحتوية على الكلوروفيل باستعمال ثنائي أوكسيد الكربون المتحلل وطاقة ضوء الشمس ,اذ يتشتت ثاني أوكسيد الكربون داخل سائل المفاعل ليجعله متاحاً للطحالب ومن ثم يجب أن يتم تصنيع هذا المفاعل الحيوي من مادةٍ شفافةٍ ,كما تتسم الطحالب بأنها كائنات ذاتية التغذية الضوئية, اي لها القدرة على القيام بعملية البناء الضوئي شكل (2-2 شكل ( 3 ) عملية البناء الضوئي وما ينتج عنة من مكونات مفيدة في الوقود الحيوي نماذج المفاعلات الضوئية متكررة الاستعمال يمكننا في الوقت الحاضر التمييز بين ثلاثة نماذجٍ رئيسةٍ لمفاعلات الطحالب الحيوية الضوئية، إلا أن العامل المحدد يتجسد في الكثافة المتاحة لضوء الشمس الذي يستطيع النفوذ والوصول الى سائل المزرعة. أولا : المفاعل الحيوي الضوئي المسطح Plate Photo bioreactor يتكون المفاعل الحيوي المسطح من مجموعةٍ من الصفائح المنحدرة المرتبة رأسياً، التي غالباً ما تكون مقسمة فيما بين جزأين إثنين للتأثير في عملية تهيج السائل المزرعة المتواجد بالمفاعل. وعموماً تُرَتب تلك صفائح بنظامٍ يساعد على اتصالها معاً. اذ تستعمل تلك الوصلات لتسهيل إجراء عملية التعبئة و التفريغ والتجهيز بغازثنائي اوكسيد الكربون وانتقال المواد المغذية. فغالباً ما يحدث تجهيز للغاز المتدفق في قاع الصفيحة لضمان توفير وقتٍ كافٍ لثاني أكسيد الكربون للتثبيت من قبل الطحالب المتواجدة في سائل المفاعل كما في الشكل (3-2) Brennan & Owende, 2010)) صورة (4) المفاعل الحيوي الضوئي المسطح ثانيا : المفاعل الحيوي الضوئي الأنبوبي Tubular Photo bioreactor يتكون المفاعل الأنبوبي من مجموعةٍ من الأنابيب المرتبة إما أفقياً أو رأسياً و المتصلة معاً بنظام أنبوبي ، اذ يكون لسائل مزرعة الطحالب القدرة على الدوران في هذا النظام الأنبوبي. وغالباً ما تكون الأنابيب مصنعة من البلاستيك الشفاف أو الزجاج ويتم الحفاظ على الحركة الدورانية بوساطة مضخة في نهاية النظام. هذا ويحدث تجهيز الغاز في كلٍ من البداية والنهاية للنظام الأنبوبي شكل (4-2) (Molina et al., 2001) صورة (5) المفاعل الحيوي الضوئي الأنبوبي ثالثا: المفاعل الحيوي الضوئي العمودي الفقاعي Bubble column Photo bioreacter يتكون من اعمدة اسطوانية مصطفة رأسياً، والمصنوعة من مادةٍ شفافةٍ. وهنا تحدث عملية تجهيز الغاز من قاع العمود ويتسبب في حدوث تيارٍ مضطربٍ مساعد في حصول عملية تبادلٍ أمثلٍ للغاز، مع ملاحظة أن هذه النماذج من المفاعلات الحيوية تصنع حالياً بأقصى قطرٍ يتراوح من 25 سم إلى 30 سم، بهدف ضمان توفير الامداد المطلوب من طاقة ضوء الشمس. إلا أن بعض الباحثين الذين اخترعوا طريقةً لتجميع ضوء الشمس باستعمال مُجَمِّع مخروطي الشكل يقوم بنقل الضؤ بعد ذلك باستعمال نوعٍ من كابلات الألياف الزجاجية التي تم تعديلها لتتوافق مع المفاعل بهدف السماح بالقدرة على إنشاء المفاعل العمودي ذي اقطار ولكن هذا التغيير اكثر كلفة من الحالة الاولى. صورة (6) المفاعل الحيوي الضوئي العمودي الفقاعي أهمية دراسة المحتوى الكيميائي الحيوي للطحالب في تطبيقات الوقود الحيوي تعد الطحالب من الكائنات الحية المهمة التي تنمو في البيئات المائية وتستعمل الضوء وثاني أوكسيد الكاربون لخلق كتلة حيوية في هذه الاوساط . وعموما تقسم الطحالب على اساس حجم الخلية الى مجموعتين رئيسيتين هما الطحالب الكبيرة macroalgae والطحالب المجهرية microalgae . المجموعة الاولى تشمل الطحالب التي تقاس اطوالها بالانج inches وتمتاز بكونها عديدة الخلايا وغالبا ما تنمو في البرك البيولوجية Biological ponds وعادة ماتأخذ اشكالا خارجية متباينة وتدعى في مجملها بحشائش أو اعشاب البحر Seaweeds، ومن الامثلة الشائعة عليها الطحلب العملاق الذي يدعى kelp plant إذ يصل طوله الى حوالي 100 قدم (Thomas, 2002). بينما المجموعة الثانية التي تدعى بالطحالب الدقيقة microalgaeوهي عبارة عن كائنات وحيدة الخلية تقاس بالميكرون وتمتاز بخلايا نحيفة وعادة ماتنمو بشكل معلق أو طافي suspension في الاجسام الامائية (Chisti, 2007 ). والطحالب المجهرية محور دراستنا تمتاز بالتنظيم العالي من حيث التركيب الخلوي أو من حيث المحتوى البيوكيمائي من المركبات المهمة مما جعل منها مصادرا مهما في انتاج الوقود الحيوي، وذلك لكونها ذات محتوى دهني عال وتستطيع ان تعطي كتله حيوية عالية بصورة غير منتظمة حسب الظروف التي تتواجد فيها. (Williams & Laurens, 2010, Dragone et al., 2010 ). كما تمتاز هذه المجموعة من الطحالب بمعدلات نمو سريعة جدا مقارنة مع المنتجات من النباتات البرية، اذ يمكن لهذه الكائنات أن تعطي انتاجاً وفيرا في الاراضي والمياه الصالحة للأستعمال اوفي البيئات غير الصالحة من برك بايولوجية مالحة أو اراضٍ مالحة أو مياه صرف صحي أو مياه ملوثة بمختلف عوامل التلوث، هذه العوامل جعلت من هذه الاحياء مرتكزاً لتفكير الباحثين والجمهور العام في استعمالها كمادة اساسية في انتاج الغذاء البديل و انتاج الوقود الحيوي . ونظراً لكون معدل نمو السكان Population growth rateفي الطحالب الدقيقة هو مقياس للزيادة في الكتلة الحيوية على وحدة الزمن، ويتم تحديد ذلك من المرحلة الأسية، كما يعد أحد السبل الهامة للتعبير عن النجاح البيئي النسبي للنوع أو السلالة في التكيف مع بيئتها الطبيعية أو البيئة التجريبية التي تتواجد فيها، ومن المقاييس المهمة في تنظيم عملية تحفيز نمو وتكثير الطحالب وجود المغذيات ونوعية الضوء والرقم الهيدروجيني والعكورة والملوحة ودرجة الحرارة، وهذه العوامل البيئية ممكن أن تكون معتمدة على بعضها البعض للتأثير الاجمالي في النمو، وممكن أن يكون أحد العوامل ذات التأثير المثالي في حالة محددة من هذه التأثيرات، وفي الوقت نفسه يكون غير ضروري في حالات أخرى ( Sanchez et al., 2008, Cassidy, 2011). لذلك نرى أن الباحثيين في مجال استزراع وتنمية الطحالب بشكل عام والمجهرية منها بشكل خاص عادة مايسعون الى تحقيق أفضل حالة من النمو وزيادة الاعداد والكتلة الحيوية والانتاجية في ظروف مختبرية وأختبار كفاءة أوساط زرعية مختلفة رغبة منهم أن تتوفر فيها الظروف المثالية للعوامل المشار اليها في أعلاه فضلا عن أن تكون هذه الاوساط حاوية على أكبر قدر ممكن من المغذيات الكبرى الاساسية لاسيما النترات والفوسفات والسليكات وغيرها لغرض تحفيز معدلات النمو وتغاير المحتويات الكيموحيوية من اجل استعمالها في مختلف الاغراض ومنها الغذاء البديل وانتاج الادوية والمواد المثبطة لنمو البكتريا والفطريات الضارة وانتاج الطاقة النظيفة التي يعد الوقود الحيوي جزء هاما منها تصميم منظومة المفاعل الضوئي تم تصميم منظومة تنمية الطحالب من نوع الانبوبي Tubular Photobioreactor واطلق عليها اسم (I.T.H.1) وذلك من خلال استعمال مواد متوفرة محليا ( هيكل من الحديد , انابيب بلاستيكيةشفافة سعــــــة 3 انج , توصيلات بلاستيكية من نوع(PVC) Poly Vinyl Chloride مختلفة الاحجام3,2,1,0.5 انج حسب الحاجة ,مضخات ماء بسرعة 1000 و2000 لتر.ساعة -1 , منظومة تبريد ومنظومة تدفئة مع جهاز سيطرة رقمي AC control system نوع QD-UO8C كما تم استعمال جهاز multi-parameter water quality monitor من نوع pHt-026 لتحديد الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة والتوصيلية الكهربائية وكمية الاملاح . فضلا عن استعمال جهاز قياس سرعة التيار لتحديد السرعة المطلوبة لاجراء الاختبارات المختاره ,تم تصميم أحواض بلاستيكية شفافة عدد (2) الأول بحجم (100سم× 33سم 50×سم) والثاني (50×50×36) سم لغرض حفظ المزرعة الطحلبية داخل المنظومة شكل(7). شكل ( 7 ) منظومة المفاعل الضوئي I. TH . 1
