تولید بوتادین از زیست توده

تولید بوتادین از زیست توده؛ دیدگاه چرخه حیات برای بررسی پایداری در صنایع شیمیایی

در دهه های گذشته، رویکردهای خلاقانه ای همچون شیمی سبز و مهندسی سبز با هدف تنظیم اصول اولیه صنایع شیمیایی پایدارتر مطرح شد. با این حال، محققان همچنین به یک ابزار علمی و کمّی قوی تری برای بررسی پایداری، در پس کاربردهای آن نیاز دارند. بنابراین، یک رویکرد چند بُعدی مبتنی بر دیدگاه چرخۀ حیات برای بررسی تولید بوتادین 3-1 پیشنهاد شد. پنج شاخص برای این کار انتخاب شد: تقاضای انرژی تجمعی، ردپای کربنی، کمبود آب، تحلیل نقطه میانی، و یک شاخص اقتصادی. استفاده از مواد اولیه تجدید پذیر در مقایسه با روش سنتی مبتنی بر فسیل از نفتا ارزیابی شد. دو مسیر جایگزین که از اتانول زیستی استفاده می کنند- لبدوف و استرومیسلنسکی- در نظر گرفته شدند که امکان پیاده سازی طرح در سه نقطۀ جغرافیایی مختلف (برزیل، ایالات متحده و اتحادیه اروپا) را ارزیابی می کنند. علیرغم بهره برداری بیشتر از منابع تجدیدپذیر که برداشت مازاد آب را به دنبال دارد، تجزیه و تحلیل دقیق نشان می دهد که چگونه استفاده از مواد اولیه زیستی منجر به مصرف کمتر منابع فسیلی می شود. علاوه براین، ارزیابی پتانسیل گرمایش جهانی نشان می دهد که چگونه مسیرهای زیستی را می توان از لحاظ کربن خنثی در نظر گرفت. همچنین از ReCiPe تک بعدی استفاده شد که در مقایسه با روش سنتی، پایداری بالاتری از فرایند لبدوف داشت. از طرفی، مسیرهای دو مرحله ای (استرومیسلنسکی) بدترین امتیازها را به دنبال دارد. ارزیابی اقتصادی نیز اعمال شد. این شاخص نشان می دهد که چگونه تبدیل مستقیم بوتادین 3-1 مناسب تر از فرایند دو مرحله ای به نظر می رسد؛ به ویژه در مورد تولیدات ایالات متحده.

توسعه صنعت پایدار یکی از اهداف اصلی جامعه ما به منظور "به چالش کشیدن توانایی نسل های آینده برای تأمین نیازهای خود" محسوب می شود. با این حال، به نظر می رسد با وجود تمام چالش های انجام شده توسط جامعه، دستیابی به این هدف چندان آسان نیست. در واقع، EIA ارزیابی کرد که بخش صنعت در سال 2010 به مصرف جهانی انرژی در حد 200 کوآد رسید و انتظار می رود این میزان در سال 2040 در کشورهای غیر OECD (سازمان توسعه و همکاری اقتصادی) با رشد متوسط سالانه 1.8 درصد به 307 کوآد افزایش یابد. علاوه براین، تولید مواد شیمیایی (من جمله مواد اولیه) نشان دهندۀ صنایع پر مصرف است که در سال 2010 حدود 10¹⁰ × 4.2 ژول انرژی، معادل با تقریبا 20 درصد از کل مصرف انرژی در سال مصرف کردند. بنابراین، این ارقام نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار صنایع شیمیایی (CI) و همچنین سایر بخش های مصرف کننده انرژی (مانند تولیدات آهن و فولاد) باید به شیوه ای پایدارتر مورد بازنگری قرار گیرند. علاوه بر کاهش منابع و انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با مصرف انرژی، صنایع شیمیایی نیز با استفاده و انتشار مواد سمی مشخص می شود که پیامدهای واضحی بر ضایعات دارد. باتوجه به شکل زیر در سال 2013، شرکت های شیمیایی 42 درصد از زباله های صنعتی خطرناک منتشر شده در ایالات متحده را تولید کردند.

شکل 1:

بر همین اساس، در طی دهه های گذشته یک رویکرد جدید در حوزه شیمی و مهندسی ارائه شد که بیانگر اصول بنیادی برای تشکیل جامعه ای پایدارتر بود. شیمی سبز (GC) و مهندسی سبز (GE) بعنوان یک پارادایم جدید برای هدایت نوآوری های آینده در این حوزه ها در نظر گرفته می شوند. تقریبا 20 سال از اولین انتشار اصول GC می گذرد. در این دوره، آنها به لطف تلاش چند تن از "بنیانگذاران و پیشگامان سبز" در سراسر جهان گسترش یافتند. بویژه اینکه حساسیت جامعه نسبت به موضوعات GC طی سال های گذشته به طور تصاعدی افزایش یافته و به موضوعات کلیدی در حوزه های مختلف مانند مجلات علمی، کتب، مراکز و مؤسسات، کنفرانس ها و سمپوزیوم های بین المللی تبدیل شده است.

در این مقاله، یک رویکرد چند معیاری با هدف ارزیابی پایداری فرایندهای زیست شیمیایی پیشنهاد شده است. علاوه بر شاخص های منابع محور و تاثیر محور، همچنین شاخص اقتصادی به منظور پوشش دادن چندین جنبه پیشنهاد شده توسط مفهوم پایداری مورد استفاده قرار گرفتند. روش LCA در مقیاس صنعتی برای تولید بوتادین 3-1 به دلیل عرضه در بازار بعنوان مولکول هدف انتخاب شد. در راستای اصل هفتم شیمی سبز، مقایسه ای بین فرایند سنتی فسیل محور و مسیرهای جایگزین که از زیست توده شروع می شود، انجام شد. مرور کلی نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که کاهش معمول مصرف انرژی بایستی به دلیل مصرف زیاد منابع تجدید ناپذیر درگیر در فناوری کرکینگ نفتا باشد. هر دو CED و ReCiPe در سطح میانی علاوه بر کاهش فراوانی ذخایر فسیلی و افزایش قیمت آنها، این روند منفی را تایید می کند. با این حال، تولیدات زیستی همیشه بهترین راه حل نیستند. نتایج به دست آمده نشان می دهد که چگونه همزمان با بررسی فرایندهای زیستی، بتوان مصرف آب و کاهش منابع طبیعی بایستی را نیز مورد بررسی قرار داد. از طرفی، این جنبه ها به شدت تحت تأثیر عوامل جغرافیایی هستند؛ تا دیگر جنبه ها. در مورد سناریوی برزیل، کمبود منابع تجدید پذیر می تواند خسارت زیادی به اکوسیستم و زیستگاه های طبیعی وارد کند. با این حال، ارتباط بین بهره برداری از منابع طبیعی به شدت به روش تجزیه و تحلیل مورد استفاده و تنظیم محاسبات آن بستگی دارد. در مورد بوتادین 3-1 تولید شده در برزیل، نتایج به دست آمده از بررسی منابع تجدید ناپذیر (CED) بالاتر از مقادیر به دست آمده در اتحادیه اروپا است. از سوی دیگر، ReCiPe تک بعدی پایداری بالاتری از مسیرهای لبدوف نشان می دهد؛ به ویژه زمانی که از یک مسیر مبتنی بر نیشکر استفاده شود. بنابراین لازم است چندین روش تحلیلی در یک ارزیابی کنجانده شود تا ارزیابی جامع تری از اثرات بالقوه داشته باشیم. همچنین این ایده که فرایندهای زیستی کربن خنثی هستند، با نتایج حاصل از این مطالعه همخوانی ندارد. چندین فعالیت درگیر در زنجیره های تولید زیست توده عامل مهم در انتشار گازهای گلخانه ای هستند. با این حال، نتایج به دست آمده یک نتیجه گیری مطلوب از مسیرهای لبدوف نشان می دهد؛ به ویژه اگر چوب باقیمانده بعنوان ماده اولیه خام استفاده شود. در نتیجه، ما در اینجا به دو جنبه اصلی پی بردیم. اول، نتایج حاصل از ارزیابی گسترده تر چندین موضوع زیست محیطی که از طریق ReCiPe تک بعدی انجام شد نشان داد که فرایند لبدوف (در تمام نقاط مد نظر) نسبت به مسیر کرکینگ نفتای معمولی بار کمتری دارد. دوم، ارزیابی های اقتصادی و زیست محیطی انجام شده در فرایندهای زیستی مسیرهای لبدوف را بعنوان مسیرهای جایگزین بسیار گرانبها تایید می کند. بنابراین، تمامی تلاش ها و سرمایه گذاری های آینده بایستی در جهت تبدیل اتانول به بوتادین متمرکز باشند.