ارزش بالا، بدون زباله: پژوهشگران مفهومی جدید از بیورفاینری را طراحی می‌کنند

پژوهشگران موسسه Leibniz برای مهندسی کشاورزی و بیو‌اقتصاد در پوتسدام اخیراً مقاله‌ای مفهومی در نشریه Biofuel Research Journal منتشر کرده‌اند که مدل‌های رایج بیو‌اقتصاد را در یک مفهوم جامع ترکیب می‌کند. آن‌ها شرح می‌دهند که یک بیو‌اقتصاد دایره‌ای و پایدار در چارچوب محدودیت‌های سیاره‌ای چگونه می‌تواند باشد. بیورفاینری‌های هوشمند و یکپارچه جزء اصلی این چشم‌انداز هستند.

بیومس، یعنی مواد خام زیستی که کشت می‌شوند، یک گنج بزرگ است. ما از آن می‌خوریم، به حیوانات تغذیه می‌دهیم، آن را می‌سوزانیم یا استفاده می‌کنیم. چیزی که باقی می‌ماند معمولاً کمپوست می‌شود، در محل دفن زباله ریخته می‌شود یا سوزانده می‌شود. با این حال، هنوز پتانسیل در هر باقی‌مانده بلااستفاده وجود دارد. یکی از روش‌های استفاده از این پتانسیل از طریق بیورفاینری‌های هوشمند و یکپارچه است. برخلاف بیورفاینری‌های معمولی که در آن‌ها شرکت‌های شیمیایی معمولاً یک ترکیب شیمیایی خاص را از یک ماده زیستی خاص استخراج می‌کنند، این سیستم‌ها چندین فرآیند تبدیل را ترکیب می‌کنند.

پتانسیل بیورفاینری‌های هوشمند بسیار زیاد است

دکتر نادر مرزبان، پژوهشگر موسسه Leibniz برای مهندسی کشاورزی و بیو‌اقتصاد (ATB) و نویسنده اصلی مقاله مفهومی “بیورفاینری‌های هوشمند و یکپارچه در بیو‌اقتصاد: مفهومی به سوی صفر زباله، کاهش انتشار و تولید انرژی خودکفا”، در این زمینه می‌گوید: “تکنولوژی‌های مختلفی برای تولید مواد ارزشمند از بیومس وجود دارند. این‌ها شامل فرایندهایی همچون تخمیر میکروبی، مانند هضم بی‌هوازی، و پیرولیز است. به عنوان مثال، هضم بی‌هوازی گاز بیو تولید می‌کند، در حالی که هضم‌پسماند هنوز حاوی ترکیبات ارگانیک ارزشمندی است.

“به جای استفاده از آن به‌عنوان کود، همانطور که معمولاً انجام می‌شود، می‌توانیم این هضم‌پسماند را از طریق هومیک‌سازی هیدروترمال به مواد هومیک مصنوعی تبدیل کنیم. زمانی که این مواد به خاک اضافه می‌شوند، تنوع باکتریایی را تثبیت کرده و سلامت خاک را بهبود می‌بخشند. رویکرد امیدوارکننده دیگر ترکیب هضم بی‌هوازی با پیرولیز است که به کربن‌سازی منجر می‌شود.

“در اینجا، بیوچار به‌عنوان کاتالیزور عمل کرده و کارایی تولید بیوگاز را افزایش می‌دهد. در همین حال، بیوچار با مواد مغذی غنی می‌شود. به این ترتیب، می‌تواند مواد مغذی را برای مدت طولانی در خاک نگه دارد و بسته به شرایط فرایند، کربن را برای بیش از یک قرن ذخیره کند.”

پتانسیل بیورفاینری‌های هوشمند بسیار زیاد است، اما همچنین تعداد بهینه‌سازی‌های ممکن نیز زیاد است. فرآیندهای صنعتی مانند هضم بی‌هوازی، تخمیر، پیرولیز، کربن‌سازی و هومیک‌سازی هر کدام دارای پارامترهای قابل تنظیم هستند و می‌توانند به طرق مختلف ترکیب شوند. به جای تکیه بر یک نوع بیومس، پژوهشگران با 90 ماده خام مختلف کار می‌کنند که از نظر منطقه‌ای و فصلی متفاوت هستند. با تعریف اهداف کلیدی و پارامترهای قابل تنظیم برای هر فرایند، میلیون‌ها سناریو بالقوه ایجاد می‌شود.

دکتر مرزبان اشاره می‌کند: “آزمایش همه این سناریوها به‌طور تجربی بسیار پرهزینه و زمان‌بر خواهد بود. با این حال، زمان چیزی است که ما نمی‌توانیم آن را از دست بدهیم. اقتصاد ما هنوز به شدت به مواد خام فسیلی وابسته است و ما در حال مشاهده اثرات منفی آن هستیم. به همین دلیل است که ما به شبیه‌سازی‌های مبتنی بر هوش مصنوعی تکیه می‌کنیم تا کارآمدترین رویکردها را شناسایی کنیم.”

یک بیو‌اقتصاد پایدار با صفر زباله و در چارچوب محدودیت‌های سیاره‌ای

تجربه جهانی در صنعت و نتایج گسترده تحقیقاتی—از جمله از ATB—یک پایه داده غنی برای توسعه بیشتر فرایندهای موجود تبدیل بیومس فراهم می‌آورد. فناوری‌های کلیدی، حسگرهایی هستند که به‌طور مستقیم در فرایندها اندازه‌گیری می‌کنند و کمک می‌کنند تا تعاملات محصول-فرایند را بهتر درک کنیم. همچنین هوش مصنوعی، دوقلوهای دیجیتال و تکنیک‌های مدل‌سازی پیشرفته در این زمینه نقش مهمی دارند.

پرفسور باربارا استورم، مدیر علمی ATB و نویسنده همکار مقاله توضیح می‌دهد: “بیورفاینری‌های هوشمند و یکپارچه می‌توانند از طریق شبکه‌ها و گفت‌وگوها بین سیستم‌های مختلف مدل‌سازی‌شده توسعه یابند و سپس در واقعیت اعتبارسنجی شوند. این فرایند اعتبارسنجی به شناسایی خلأها و کشف فرصت‌های پنهان کمک می‌کند که می‌توان آن‌ها را با استفاده مجدد از فناوری‌ها و سیستم‌های موجود یا معرفی راه‌حل‌های نوآورانه همچون مواد هومیک مصنوعی برطرف کرد.”

زمان برای اجرا

با انتشار مقاله مفهومی، تیم ATB همراه با شرکای خود از دانشگاه پوتسدام و دانشگاه فنی برلین اولین قدم را برداشته است. اکنون زمان اثبات و پیاده‌سازی این مفاهیم است. در ماه مارس، ATB ساخت یک بیورفاینری برای اهداف تحقیقاتی در بزرگ‌کرویتس، براندنبورگ، آلمان را آغاز خواهد کرد. این کار مکمل تأسیسات موجود در سایت پوتسدام و آزمایشگاه کشاورزی دیجیتال در پوتسدام-مارکوات است.

پرفسور استورم تأکید می‌کند: “ما باید نوآوری‌های سیستمیک، فنی، اجتماعی و اقتصادی را به‌طور همزمان در نظر بگیریم. فقط زمانی که یک سیستم را به‌طور کامل درک کنیم، قادر خواهیم بود زیرسیستم‌ها را به‌گونه‌ای بهینه‌سازی کنیم که به‌طور مؤثر به پایداری خدمت کنند. با مفهوم ما، تحقیقات بیو‌اقتصادی میان‌رشته‌ای را با تصمیم‌گیرندگان سیاسی، رهبران صنعت و بخش غذا و تغذیه تشدید خواهیم کرد تا هدف ما افزایش تاب‌آوری سیستم اقتصادی، پایداری بیشتر اقتصاد و حمایت از حاکمیت فناوری آلمان و اروپا باشد.”