مفهوم بیوپالایشگاه صنعتی نیز با معرفی ماشین های بخار تولید کاغذ در قرن نوزدهم ابداع شد. اما بخش عمده ای از این توسعه مربوط به توسعه صنایع تولید مواد غذایی بوده است: فعالیت هایی مانند تولید کریستال شکر، نشاسته سیب زمینی (در اوایل و اواسط قرن نوزدهم)، نشاسته گندم و ذرت (اوایل قرن بیستم) و اخیرا تولید روغن سویا، انواع پروتئین ها و ویتامین ها. تکنیک های تولید و تبدیل صنعتی، که در اروپا و آمریکای شمالی توسعه یافتند، در سرتاسر جهان به عنوان مثال هایی از تغییر و تحولات صنعت بیوپالایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از این تکنیک ها در این مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
تولید صنعتی نشاسته سیب زمینی، یکی از ابداعات مخترع موفق هلندی شولتِن[1]، در سال 1839 بود. وی این کار را با استفاده از آب تمیز، زمین مناسب کشاورزی و حمل و نقل ارزان از طریق کانال ها (که برای حمل زغال سنگ ساخته شده بودند) انجام می داد. وی مشابه این کارخانه را در 50 منطقه دیگر در کشورهای هلند، آلمان و لهستان راه اندازی کرد، که این کار توسط تعداد زیادی از تعاونی های کشاورزی، که به دلیل کاهش قیمت سیب زمینی تحت فشار بودند، تقلید شد.[2]
پس از تولید (اصلاحی) نشاسته، این تولیدکنندگان محصولاتی مانند ترموپلاستیک ها را با استفاده از بیو پلیمرهای بر پایه نشاسته تولید کردند. اما مشکلی که وجود داشت این بود که آبی که در این پروسه تولید مورد استفاده قرار می گرفت وقتی وارد کانال می شد، بو و کف بسیار زیادی تولید می کرد، و همین امر باعث شد که دولت هلند قانونی را برای محدودیت تولید این محصولات وضع کند و به این ترتیب تولید محصولات جانبی با استفاده از نشاسته آغاز شد، تا سود حاصل از تولید آن افزایش یابد.
تجمیع کارخانه ها برای تولید این محصولات، باعث شد که فرآورده های جانبی با ارزشی همچون پروتئین برای مصرف انسان آغاز شود. به این منظور، فرآیندی ابداع شد که می توانست پروتئین بسیار با کیفیت داخل سیب زمینی را از آب آن جدا کند. پروتئین تجزیه شده مصارف بسیار زیاد و مهمی در تولید مواد غذایی، لوازم آرایشی و محصولات داروئی داشت.
فیبرهای سیب زمینی در ابتدا به عنوان خوراک دام مورد استفاده قرار می گرفت، اما اکنون این فیبرها به عنوان خوراک برای تولید محصولات غذایی بسیار با ارزش تر مورد استفاده قرار می گیرند. اتانول حاصل از تخمیر فیبر سیب زمینی نیز 25 درصد سوخت حمل و نقل را تا دهه 1950 تشکیل می داد.[3]
تولید شکر اروپا به شکل مدرن از زمان محاصره انگلستان توسط ناپلئون در سال 1810 آغاز شد، به این دلیل که آنها مجبور بودند که به دنبال راهی برای جایگزینی واردات شکر از سایر کشورهای همسایه باشند. قبل از آن در سال 1801 فرانزآکارد[4] آلمانی 250 تن بلور شکر کریستالی تولید کرده بود و مراحل تولید بلور شکر (گرفتن عصاره، تصفیه، تبخیر، بلور سازی و سنتریفیوژ) را معرفی کرده بود که در حال حاضر هنوز نیز به همین ترتیب و با همین نام ها دنبال می شوند.[5] این پروسه همچنین منجر به تولید شیره قند و شکر باقیمانده ای شد که بعدها پس از سال 1840، به عنوان خوراک برای تولید مخمر صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند، و هنوز هم به عنوان تولید اتانول مورد مصرف واقع می شوند.
تولید محصول از دانه سویا پس از جنگ جهانی دوم اهمیت یافت تا بتواند جایگزین مواد خوراکی محتوی پروتئین شده و برای تولید روغن خوراکی مورد استفاده قرار گیرد. امروزه، سویا یک محصول پیشرو در صنعت بیوپالایشگاهی ایالات متحده آمریکا است که مهم ترین صادرکنندگان آن کشورهای برزیل، آرژانتین و پاراگوئه هستند.
تولید روغن سویا با شکستن دانه های سویا آغاز می شودو بعد میزان رطوبت موجود در آن تنظیم می شود و به شکل تکه های کوچک در می آید و با استفاده از هگزان روغن آن استخراج می شود. پس از آن تسویه و ترکیب می شود، و پوسته های باقیمانده آن نیز به عنوان خوراک دام مورد استفاده قرار می گیرد.
روغن سویا در بسیاری از محصولات غذایی (مانند مارگارین، کره و همبرگر سبزیجات) به عنوان منبعی از ویتامین E مورد استفاده قرار می گیرد، همچنین از دانه سویا در تولید محصولات صنعتی (نظیر، انواع روغن صنعتی، صابون، لوازم آرایشی، جوهر خودکار و تولید لباس) و –به طور فزاینده ای- به عنوان خوراک بیودیزل به کار می رود.[6]
بیوپالایشگاه های پیشرفته
ممکن است که از طریق به روز رسانی و توسعه زیرساخت های صنعتی موجود، اشکال دیگری از بیوپالایشگاه ها در بخش های مختلف بازار در کوتاه مدت ( تا سال 2020) معرفی شوند. اگرچه، مفاهیم جدید بیوپالایشگاهی که در این پاراگراف توضیح داده می شوند، اکثرا هنوز در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارند یا در فازهای اجرایی با مقیاس کوچک در حال انجام هستند، ضمن اینکه برنامه تجاری سازی آنها حتی بسیار عقب تر از این مرحله است.
انتظار می رود که این مفاهیم جدید در میان مدت (بین سال های 2015 تا 2025) در بازار کشورهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند[7]، اگرچه شرایط اقتصادی کنونی (قیمت های نسبتا پایین نفت، بحران اعتباری، و رکود در بخش هایی از اقتصادجهان) ممکن است باعث شود که به کار گیری برخی از این مفاهیم جدید بیوپالایشگاهی با تاخیر بیشتری آغاز شود. برخی از مفاهیم مهم مربوط به بیوپالایشگاه های پیشرفته در ادامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
بیوپالایشگاه های محصول کامل
در یک بیوپالایشگاه محصول کامل[8](WCBR)، گندم و کاه تبدیل به یک محصول نهایی می شوند. مراحل این کار شامل آسیاب «خشک» یا «مرطوب» و سپس تخمیر و تقطیر دانه های غلات (گندم، چاودار یا ذرت) می شود. آسیاب مرطوب با خیساندن دانه های غلات در آب و دی اکسید سولفور آغاز می شود تا بدین ترتیب مغز این دانه ها نرم و پوسته آنها شل شود، تا پس از آن آسیاب شوند. در این فرآیند از فناوری های معروف و شناخته شده استفاده می شود که می تواند نشاسته، سلولز، روغن و پروتئین را جدا کند.
پس از آسیاب کردن، آرد به دست آمده با آب مخلوط می شود تا آنزیم های آن به شکل مایع درآیند و سپس این مایع را می جوشانند تا نشاسته آن جدا شود. این مرحله تجزیه به وسیله آب می تواند با افزودن همزمان آنزیم های ساکاروزی و مایه مخمر به ماده اولیه (ساکاروزی کردن و تخمیر همزمان) از پروسه تولید حذف شود. پس از تخمیر این ترکیب به یک سیستم تقطیر چند ستونی وارد می شود و مراحل بعدی عبارتند از کنستانتره، پالایش و گرفتن آب، مخلوط باقیمانده به یک بخش جامد (غلات مرطوب) و یک بخش مایع (شهد) تجزیه می شود که می توانند با هم ترکیب شوند و برای تولید «غلات خشک تقطیرشده با حلال ها [9](DDGS)» به کار روند که به عنوان خوراک گاو مورد استفاده قرار می گیرند.
DDGS به دلیل مواد بسیار مغذی و فیبر بسیار زیاد نمی تواند برای سایر گونه های دامی و نیز برای مرغ و خروس ها مورد استفاده قرار گیرد و به همین دلیل این محصول ارزش بسیار بالایی پیدا کرده است. این ماده (که شامل سبوس، هسته، دسته و برگ) است می تواند به عنوان یک خوراک لینگوسلولزیک مورد استفاده قرار گیرد که می تواند با پردازش بیشتر تبدیل به محصولات با ارزش دیگری شود. در بخش بعدی به این موضوع خواهیم پرداخت.
[2]Ekhart J. Van Groningen tot Oekraïne. Verslag van eenspeurtochtnaar de tienbuitenlandsefabrieken
van Willem Albert Scholten. In: Dutch, ‘From Groningen to the Ukrain. Report of a search to the ten foreign
factories of Willem Albert Scholten’. Groningen: Egbert Forsten&Profiel; 1999.
[3]Dinjus E, Arnold U, Dahmen N, Höfer R, Wach W. Green fuels – sustainable solutions for transportation.
In: Höfer R, editor. Sustainable solutions for modern economies. Cambridge: RSC Green Chem. No 4,
RSC Publ.; 2009. p. 125–63.
[5]Wolff G. Franz Karl Achard, 1753–1821, A contribution to the cultural history of sugar. Med Monatsschrift
1953;7(4):253–4.
[6]de Jong E, van Ree R, Sanders JPM, Langeveld H. Biorefineries: giving value to sustainable biomass use.
In: Langeveld H, Meeusen M, Sanders J, editors. The biobased economy: biofuels, materials and chemicals in
the post-oil era. London: Earthscan Publishers; 2010. (Chapter 7) p. 111–30.
[7]Wagemann K, Benzing T, Böhland T, Fritsche UR, Fröhling M, Gröngröft A, et al. Biorefineries roadmap.
Gülzow: Agency for Renewable Resources (FNR); 2012. http://www.bmbf.de/pub/BMBF_Roadmap-
Bioraffinerien_en_bf.pdf
[8]Whole crop biorefinery =WCBR
[9]Distiller’s dried grainswith solubles