«الطحالب» طاقة متجدّدة لا تؤثر على الاحتياج العالمي للغذاء

مختص بكرسي أبحاث الطاقة بجامعة الملك سعود ل « اليوم » :

كشفت وكالة الطاقة الدولية (IEA) في تقريرها المعنون ب «متابعة التقدم في الطاقة النظيفة 2014، أن كمية إنتاج الوقود الحيوي في العالم عام 2013 وصل ل 113 مليار ليتر، ويمكن أن يصل إلى 140 مليار ليتر في عام 2018، وهذه الكمية تعتبر واعدة جداً.
وأشارت وكالة الطاقة الدولية إلى أن إنتاج هذه الكمية من الوقود الحيوي يحتاج إلى زراعة 22 ضعفا من الأراضي المزروعة حالياً بحلول عام 2025م، كما أن إنتاج هذا الوقود يحتاج إلى الحفاظ على درجات الحرارة العالمية، ومنعاً من الارتفاع لأكثر من 20 درجة مئوية.
وأوضحت الوكالة أن المشكلة تكمن في تأمين هذا القدر الهائل من الكتلة الحيوية، حيث إنه من السهل نسبياً، تحويل محاصيل الذرة أو السكر إلى إيتثانول، والذي بدوره يمكن مزجه مع مشتقات الوقود الاحفوري بنسبة معينة، ومن ثم ضخه إلى خزانات الوقود، لكن استخدام المحاصيل الزراعية لإنتاج الوقود يعتبر مسألة غير مجدية، إذا ما علمنا أن عدد سكان العالم سيقفز إلى أكثر من 8 مليارات، وأن هذا العدد يحتاج إلى كم هائل من الغذاء، أضف إلى ذلك الفجوة الغذائية الحادثة الآن.
وقد تركزت أبحاث العلماء والمتخصصين في الفترة الأخيرة، على إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب الخضراء.
وفي هذا الشأن، قال ل «اليوم» الدكتور عارف حسن المبارك، دكتوراة كيمياء حيوية/كيمياء بيئية، أستاذ جامعي وأحد الباحثين بكرسي أبحاث الطاقة بجامعة الملك سعود: إن العديد من الدراسات الحديثة أشارت إلى أن الطحالب الخضراء مصدر للوقود، يندرج تحت مصادر الطاقة المتجددة، وخاصة بعد التزايد المستمر في سعر الوقود الاحفوري، وهي تنمو بسرعة ولها أثر محدود على البيئة، ولا تؤثر على الاحتياج العالمي للغذاء مثل القمح والذرة والسكر.
وأشار إلى أنه للتغلب على هذه المشكلة، فكر الباحثون في إنتاج الوقود الحيوي من الكتلة البيولوجية غير الغذائية مثل الأشجار والأعشاب سريعة النمو والنباتات المائية مثل الطحالب والأعشاب البحرية، وكل هذه الأنواع من النباتات لها تحدياتها الخاصة في إنتاجها ونموها، وخصوصاً النباتات الموجودة على اليابسة باعتبارها موطناً لكثير من الكائنات الحية، بالإضافة إلى قيمتها الغذائية، ولذلك يمكن التوصل إلى الحقيقة بأن أفضل هذه المحاصيل التي يمكن استخدامها كوقود حيوي هي الطحالب، وذلك لسرعة نموها ولا تصلح للاستعمال البشري، بالإضافة لكونها تنمو في البحر أو في مزارع تستخدم فيها مياه عادمة أو مياه البحر.
تنمو خلال 24 ساعة و50% منها زيت
ويؤكد المبارك على أن الطحالب كائنات دقيقة وحيدة الخلية، ولها قدرة على التمثيل الضوئي، وتتميز بمعدل نمو سريع، وتعتبر من أقدم أنواع الحياة على وجه الأرض، حيث يعتقد أن الوقود الاحفوري تكوّن من الطحالب في العصر القديم، وتتم عملية البناء الضوئي في ظل استخدام الكربون والمياه في وجود أشعه الشمس، ونسبة بسيطة من الفوسفات والنترات والتي يمكن الحصول عليها من مياه الصرف.
وأضاف؛ في ظل وجود الظروف الجيدة للنمو، تضاعف الطحالب نموها خلال 24ساعة، بالإضافة إلى ذلك، الطحالب تحتوي على محتوى زيت يزداد عن 50% من محتواها الكتلي في بعض أنواع الطحالب، لذا تم استغلال هذه النسبة لإنتاج الوقود. وتنتج سلالات متنوعة تتراوح في تركيبها بأشكال تتشابه كيمائيا مع سلسلة الهيدروكربونات البترولية.
ويوضح المبارك أن الطحالب تنمو بصورة أسرع من نمو المحاصيل الغذائية ويمكن أن تنتج مئات الأضعاف من الزيت في وحدة مساحة أكثر من المحاصيل التقليدية مثل اللفت والنخيل وفول الصويا والجاتروفا.
وأكد الدكتور المبارك، أن دورة حصاد الطحالب تتراوح من يوم إلى عشرة أيام، ويمكن حصاده في وقت قياسي، بخلاف المحاصيل الغذائية، بالإضافة إلى ذلك فإنه يمكن زراعة الطحالب في أراض غير صالحة لزراعة المحاصيل الغذائية وتشمل الأراضي الصحراوية واستخدام المياه العادمة ومياه البحر مما يقلل المنافسة مع المحاصيل الغذائية. ويمكن زراعة الطحالب في مزارع مغلقة تسمى مفاعلات حيوية ضوئية أو في مزارع مفتوحة وهي أقل تكلفة ورعاية ولكنها عرضة للتلوث.
أنظمة مغلقة لتجنب التلوث الكيميائي
وعن ماهية الأنظمة المغلقة، يقول المبارك: هي أنظمة مغلقة غير معرضة للهواء الجوي ويمكن معها تجنب التلوث بالملوثات الكيميائية والبيولوجية من الهواء الجوي والتي يمكن أن تصيب الطحالب، مما يودي إلى فقد جزء كبير من الإنتاج أو إتلاف المزارع كليا.
والمشكلة الوحيدة في الأنظمة المغلقة، هي وجود مصدر رخيص لثاني أكسيد الكربون الذي تحتاجه الطحالب كمصدر للطاقة في نموها، ويمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون المنبعث من حرق الوقود الأحفوري في عوادم السيارات ومداخن المصانع وغيرها ليخدم مصلحة مزدوجة منها؛ تنظيف الهواء الجوي من هذه الملوثاتن وفي ذات الوقت الاستفادة منها كمصدر للكربون في نمو الطحالب.
ويعتقد بعض الباحثين، أن تبني مزارع الطحالب جنبا إلى جنب مع مصادر الكربون المنبعث من مداخن الصناعة للاستفادة من الحرارة الناتجة ووفرة ثاني أكسيد الكربون.
ماهية المفاعلات الحيوية الضوئية
ويعرف المبارك المفاعلات الحيوية الضوئية، بأنها عبارة عن أنظمة مغلقة تبنى عادة من أنابيب بلاستيكية تضخ فيها مياه غالبا ما تكون عادمة، وتحتوي على المغذيات الضرورية لنمو الطحالب وتكون الأنابيب البلاستيكية عرضة لضوء الشمس.
وتكون رعاية المزارع المغلقة من الصعوبة مقارنتها بالمزارع المفتوحة، مما يزيد تكلفة الإنتاج ولكن بالمقابل يسهل التحكم فيها ومن ثم زيادة الإنتاج بالإضافة إلى إمكانية تكامل هذا النوع من المزارع بصورة أكثر من المزارع المفتوحة أو الأنواع الأخرى من المزارع.
المزارع المفتوحة لزراعة الطحالب
وفيما يتعلق بالمزارع المفتوحة، يقول المبارك: هي مزارع مفتوحة تبنى لزراعة الطحالب الغنية بالزيت، منوهًا إلى أن معظم اتجاه الباحثين ينصب للمزارع المفتوحة لقلة التكلفة وزيادة الإنتاج وتوفر مداخلات الإنتاج رخيصة الثمن، ولكن هذا يعتمد على زراعة سلالات معينة من الطحالب تكون غنية بالزيت.
وأكد الدكتور المبارك، أنه قد تصل نسبة الدهون فيها إلى أكثر من 60%، و في ذات الوقت تكون مقاومة للإصابة من جراء التلوث، ويمكن أن تتحمل الظروف المناخية والبيئة القاسية، وهذا ما فكر فيه الباحثون بكرسي أبحاث الطاقة الخضراء بكلية علوم الأغذية والزراعة بجامعة الملك سعود، ضمن مقترح بحثي يرمي إلى عزل وإنتاج سلالة من الطحالب تكون نسبة الدهون فيها أكثر من 50% وتبدأ زراعتها في المفاعلات الحيوية الضوئية في المختبر لتسهل عملية السيطرة والتحكم في الإنتاج، ومن ثم نقل السلالة للمزارع المفتوحة تحت ظروف محكمة وتربيتها على الظروف المناخية المحتملة في المملكة، وأخيرا نقل وإنتاج الطحالب في مزارع كبيرة مفتوحة للاستفادة من الأراضي الحرارية الشاسعة والمياه العادمة الوفيرة، عوضا عن الاستفادة من مياه الخليج أو البحر الأحمر.
تنتج البروتين ومركبات الكربون والسكريات
ولفت الدكتور عارف المبارك إلى أن الطحالب بخلاف إنتاجها للدهون، تقوم أيضا بإنتاج البروتين ومركبات الكربون والسكريات. وبعض سلالات الطحالب تقوم بتكسير مركبات السكريات لإنتاج مواد أخرى في ظل توافر الظروف المناسبة للتفاعل.
وأشار المبارك إلى أن الكتلة الجافة البيولوجية للطحالب يمكنها أن تنتج أنواعا مختلفة من المواد الكيمائية والبوليمرات، (السكريات، والأنزيمات، أصباغ ومعادن). أو الوقود الحيوي (مثل وقود الديزل الحيوي، مواد قلوية، كحول). غذاء وعلف (مثل الأحماض الدهنية غير المشبعة، فيتامينات وغيرها)، وأيضا المركبات النشطة بيولوجيا (مثل المضادات الحيوية، مضادات الأكسدة والتمثيل الغذائي)، من خلال تقنيات المعالجة والمحفزات المهجرية والتحلل الحراري.
وأضاف: كما أن الوقود الحيوي المشتق من الطحالب لا يشارك الإيثانول في بعض الصفات غير المرغوب فيها، حيث إنه يمكن تحويل الطحالب إلى شكل مصنع من أشكال وقود البنزين، الديزل أو وقود الطائرات، أو إلى مادة خام مثل النفط يمكن معالجتها في المصافي التقليدية. لكن إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب يجابه في الوقت الحاضر تحديا كبيرا جدا يتمثل في ارتفاع تكاليف الإنتاج بصورة كبيرة.
ويشير المبارك إلى أهم ما يميز استخدام الطحالب كبديل للوقود وأنها لا تحتاج إلى أراض صالحة للزراعة، فمن الممكن زراعتها في الصحاري، كما أنها لا تتطلب مياه عذبة وقيمتها الغذائية عالية. وهناك الكثير من الأبحاث المركزة على الطحالب الخضراء في جميع أنحاء العالم، وبالأخص في أمريكا الشمالية وأوروبا مع عدد كبير من الشركات التي خصصت مبالغ مالية كبيرة لتطوير الأبحاث المنعقدة على الطحالب الخضراء كمصدر بديل للوقود الاحفوري.
وواصل المبارك حديثه: في إنتاج الوقود السائل من الطحالب، يتم بطريقة كيميائية بسيطة؛ إذ يجرى تحويل الزيوت المستخلصة إلى ديزل حيوي، وأن هناك نوعين من الطحالب يستخدمان في هذه العملية: الأعشاب البحرية التي توجد بها كمية كبيرة من الزيت يتم درسها ثم استخلاص الزيوت منها لتحويلها إلى وقود، والثاني الطحالب الدقيقة التي تُزرع داخل المعمل؛ حيث تُعرف نسبة الزيت الموجودة داخل الخلية ثم يبدأ التغيير في الوسط الغذائي لها، وكلما كانت نسبة الدهون أعلى كأن أفضل.
وذكر أن معظم الدراسات العلمية، تشير إلى إمكانية إنتاج الزيوت من حوالى 25-50 طنا للهكتار الواحد سنويا من الطحالب الخضراء. وتحتوي الطحالب الدقيقة، من بين بعض المركبات البيوكيميائية الأخرى على الدهون المحايدة (ثلاثي، ثنائي، أحادي الجلسريد أحماض دهنية حرة)، والدهون القطبية (الدهون السكرية، الدهون الفوسفاتية) وأسترات الشمع.
مشيراً بقوله: يختلف المحتوي الدهني للطحالب المجهرية 1-80% من الوزن الجاف، ويتوقف على نوع وسلالة الطحالب وظروف الإنتاج. كما أن عملية إنتاج الوقود من الطحالب تمر بعدة مراحل؛ ففي البداية لابد من تأكد جودة الزيت الموجود داخل الخلايا ثم استخلاصه، وفى النهاية، وبمعادلة كيميائية، يتم تحويل الزيوت إلى وقود حيوي.
مرحلة الإنتاج والتكرير
وأكد المبارك أنه من أجل تطوير مستدام والحصول على المردود الاقتصادي المطلوب من استخدام الطحالب، فإن استخدام الكتلة الحيوية (بروتين، دهون وكربوهيدات)، لابد أن يتم الانتفاع بها. مضيفا: هنا تتضح أهمية التكرير للطحالب المجهرية، ليتم فصل وتحديد الكتلة البيولوجية المطلوب الحصول عليها.
كما أن مصطلح التكرير يصف تحليل وتجزئة العديد من السلاسل الكيميائية بواسطة التكامل بين العمليات الحيوية في ضوء الاستدامة وخفض التكلفة مع التركيز على الكفاءة البيئة.
وتابع المبارك، إن الإنتاج التجاري للطحالب الخضراء قائم على استخدم تقنيات مختلفة للإنتاج، استخدام الأنابيب الشفافة أو حاويات تسمي المفاعلات الحيوية أو النظام المفتوح (مثل استخدام المجاري المائية). والأخيرة تختص بالإنتاج الصناعي الكبير.
وفي الآونة الأخيرة أصبح متبع النظام الجامع ما بين النظامين المغلق في المرحلة الأولى ثم النظام المفتوح، لاحقا به.
وذكر المبارك أن مزارع إنتاج الطحالب ذات منافع متعددة، تشمل استخدام المخلفات الصناعية كمداخلات إنتاج، (مخلفات الحرق مثل ثاني أكسيد الكربون، مخلفات المياه الصناعية، وأيضا مخلفات محطات النحلية).
كما تتنوع المخرجات الناتجة، فهناك مخرجات لإنتاج طاقة حرارية (ديزل حيوي، ميثان، إيثانول وهيدروجين)، ومنتجات غير حرارية (غذاء، أسمدة، أعلاف حيوانية وغيرها من المواد الكيمائية)، ليس لها أي تأثير على إنتاج الغذاء (فهي لا تستخدم الأراضي الزراعية ولا المياه الصالحة للاستهلاك الإنساني).
الطحالب تساهم في إنتاج وقود حيوي
الطحالب تضاعف نموها خلال 24 ساعة