استفاده از روغن جلبک در تولید پلی‌ال‌های زیست‌پایه

طی سالهای اخیر پتانسیل استفاده از روغن جلبک^۱ بعنوان یک منبع تجدیدپذیر در صنعت پلی‌یورتان، بعنوان ماده اولیه برای تولید پلی‌ال‌های مورد نیاز در این صنعت، مورد توجه قرار گرفته است. نوشتار حاضر بطور خلاصه به ساختار کلی این ماده، مقایسه با روغن‌های گیاهی و مصرف آن در صنعت پلی‌یورتان می‌پردازد. بیشتر بخوانید : پلی‌ال‌های زیست‌پایه، دست‌یابی به اهداف عملکردی و پایداری

روغن جلبک چیست؟ چه تفاوتی با روغن گیاهی دارد؟

روغن جلبک نوعی روغن است که از گونه‌های مختلف جلبک، ارگانیسم‌های آبی کوچک که قادر به فوتوسنتز هستند، استخراج می‌گردد. جلبک می‌تواند در محیط‌های آب شیرین، آب شور و یا حتی فاضلاب نیز کشت شود و یک خوراک صنعتی پایدار جهت استفاده از منابع تجدیدپذیر به شمار می‌رود. روغن جلبک که از ریزجلبک‌ها^۲ یا ماکروجلبک‌ها^۳ بدست می‌آید، در زمینه پایداری،  بازدهی، تنوع و تطبیق‌پذیری برتری‌هایی نسبت به روغن‌های گیاهی متداول دارد. تولید جهانی رایج‌ترین روغن‌های گیاهی مانند سویا، نخل و کلزا در سال ۲۰۱۹ به ۲۰۰ میلیون تن در سال رسید و در مارس ۲۰۲۰ حدود ۵۰۰ تا ۷۰۰ دلار در هر تن هزینه داشته است؛ مصرف اکثر این تولیدات مربوط به استفاده در محصولات غذایی بوده است. جلبک در حال حاضر فراورده‌ای اختصاصی محسوب می‌شود و هزینه کشت و فرآوری آن تقریباً دو برابر روغن‌های گیاهی معمول است؛ اما برخلاف گیاهان درجه بالاتر که به وسعت زیادی از زمینهای قابل‌کشت نیاز دارند، جلبک‌ها را می‌توان در محیط‌های نامناسب برای کشاورزی سنتی پرورش داد. این بدان معنی است که کشت جلبک با تولید مواد غذایی رقابت نمی‌کند که یک مزیت بسیار مورد اهمیت زیست‌محیطی و اقتصادی است. در حال حاضر، کشت جلبک در آمریکا در مناطقی غیرقابل‌کشت در ایالت‌های آریزونا، هاوایی و سندیا انجام می‌شود. جلبک از نظر بهره‌وری، بین ۵ تا ۴۴ برابر گیاهان رایج تولیدکننده روغن مانند ذرت یا سویا عمل می‌کند. یکی از عوامل مؤثر در این بهره‌وری، این است که بسته به گونه و فصل (در صورت کشت در فضای باز)، بین ۳۰ تا ۸۰ درصد از ترکیب زیست‌توده^۴ جلبک را روغن تشکیل می‌دهد. از این رو با توجه به پتانسیل بالای این ماده، تحقیقات روی توسعه فرایندهای تولید با هزینه کمتر در مقایسه با روغنهای گیاهی در حال انجام است.

روغن جلبک حاوی میزان بالایی از اسیدهای چرب امگا ۳ است و با توجه به تأثیر مهم در سلامتی، می‌تواند بعنوان یک مکمل غذایی مورد استفاده قرار گیرد. این ترکیب بعلت خواص رطوبت‌زایی و آنتی‌اکسیدانت در بسیاری از محصولات آرایشی و بهداشتی برای حفظ سلامت پوست وجود دارد. امکان تولید سوخت‌های زیستی یا بیودیزل از کاربردهای قابل توجه این روغن است و تاکنون تحقیقات بسیاری روی بهبود فرایند تأمین سوخت از آن انجام شده است.

روغن جلبک از نظر ساختار شیمیایی برپایه لیپید^۵ بوده و مشابه روغن‌های گیاهی -که تری‌گلیسیرید اسیدهای چرب هستند- است اما پروفیل اسیدهای چرب در آن‌ها با هم تفاوت دارد. روغن جلبک معمولا دارای ترکیب منحصربفردی از اسیدهای چرب است و می‌توان با انتخاب گونه‌های خاص و یا تنظیم شرایط کشت این ترکیب را بهینه‌سازی کرد. این تغییر در ساختار اسیدهای چرب همچون میزان باندهای دوگانه و طول زنجیره میانگین، روی واکنش‌پذیری روغن، خصوصیات حرارتی و نیز پایداری آن در فرایندهای صنعتی تأثیرگذار است. تشابه عمومی در ساختار تری‌گلیسیرید این نکته مثبت را دارد که فرایندهای توسعه‌یافته برپایه روغن‌های گیاهی، مانند فرایندهای هیدروژنه‌کردن و اپوکسیداسیون، برای این روغنها -والبته با اعمال تغییرات لازم- نیز قابل انجام هستند.

جدول ۱ : مقایسه روغن جلبک‌ با روغن‌های گیاهی

کاربرد در صنعت پلی‌یورتان

پلی‌یورتان‌ها پلیمرهای متنوعی هستند که بطور گسترده در محصولات مختلف از فوم‌ها و الاستومرها گرفته تا چسب‌ها و پوشش‌ها استفاده می‌شوند. یک ماده اصلی در تولید پلی‌یورتان، پلی‌ال‌ها هستند که ضمن واکنش با ایزوسیانات‌ها و تشکیل شبکه پلیمری نهایی، خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر را ایجاد می‌نمایند. تولید پلی‌یورتان برپایه فناوری‌های زیستی در سالهای اخیر از اهمیت بالایی برخوردار بوده و به نظر می‌رسد روغن جلبک یک ماده اولیه امیدوارکننده برای این منظور باشد.

همانگونه که ذکر شد، روغن جلبک از نظر ترکیب شیمیایی بسیار شبیه به سایر روغن‌های گیاهی است و اختلاف اصلی آن در ترکیب اسیدهای چرب است؛ بنابراین، سنتز پلی‌ال‌های حاصل از روغن جلبک مشابه سنتز پلی‌ال‌های مبتنی بر روغن گیاهی انجام می‌شود. تحقیقات محدودی برای سنتز پلی‌ال‌ها از روغن جلبک با استفاده از روش‌های متداول انجام شده و بدلیل کمبود این تحقیقات، نیاز به بررسی‌های بیشتر برای درک کامل روغن جلبک و پتانسیل آن در کاربردهای پلی‌یورتان احساس می‌شود. عمده‌ترین روش‌های مورد تحقیق تاکنون بصورت زیر است.

1. واکنش‌های اپوکسیداسیون^۶ و حلقه‌گشا^۷. این روش یکی از راههای رایج برای تبدیل تری‌گلیسیرید به پلی‌ال است. در این رویکرد، باندهای غیراشباع موجود در زنجیره اسیدهای چرب روغن جلبک، ابتدا با استفاده از عوامل اکسیدکننده مانند پراکسید هیدروژن به اپوکسیدها تبدیل می‌شوند. سپس این حلقه‌های اپوکسید با واکنش با نوکلئوفیل‌ها، مانند متانول، اسید لاکتیک یا اتیلن گلیکول باز می‌شوند. با استفاده از متانول بعنوان عامل حلقه‌گشا، مشتقات تری‌گلیسیرید با گروههای هیدروکسیل نوع دوم در امتداد زنجیره اسیدهای چرب ایجاد می‌شوند. هنگامی که از اسید لاکتیک یا اتیلن گلیکول بعنوان عامل نوکلئوفیل استفاده می‌گردد، پلی‌ال‌های حاصل دارای مقادیر هیدروکسیل متفاوتی، از mgKOH/g 150 تا بیش از mgKOH/g 400، هستند که مستقیما بر واکنش‌پذیری آنها در سنتز پلی‌یورتان تأثیر می‌گذارد. این پلی‌ال‌ها در فوم‌های سخت از نظر پایداری حرارتی، عملکردی مشابه پلی‌ال‌های پایه نفتی داشته‌اند.
2. فرایندهای ازنولیز^۸ و هیدروفرمیلاسیون^۹. این روش‌ها، شیوه‌های جایگزین برای فرایند اپوکسیداسیون به شمار می‌روند. طی فرایند ازنولیز، باند دوگانه موجود در اسیدچرب باز شده و به گروه هیدروکسیل نوع اول تبدیل می‌گردد. عدد هیدروکسیل در پلی‌ال‌های نهایی بدست آمده با این روش، مناسب بوده است؛ اما راندمان تولید محصول نسبتا پایین بوده و در برخی موارد بعلت کم بودن تعداد گروههای عاملی -در تحقیقات انجام شده برابر ۱.۵ گزارش شده است- برای استفاده در سنتز پلی‌یورتان مناسب نیستند. در شیوه هیدروفرمیلاسیون، ابتدا باند دوگانه با استفاده از کاتالیست باز شده و استخلاف فرمیل روی آن قرار می‌گیرد؛ سپس گروههای فرمیل با استفاده از ایزوپروپانول، هیدروژن و کاتالیست به گروههای هیدروکسیل نوع اول تبدیل می‌شود. پلی‌ال‌های حاصل از این روش از نظر عدد هیدروکسیل مشابه انواع سنتز شده بوسیله ازنولیز بوده و فوم سخت با کیفیت پایین تولید می‌کنند.
3. مایع‌سازی هیدروترمال^۱۰. این روش یک شیوه تحقیقاتی جدیدتر است و از فرایند مایع‌سازی هیدروترمال در حضور کاتالیست -عمدتا اسیدی- برای تجزیه روغن جلبک به پلی‌ال استفاده می‌کند. محصولات نهایی دارای عدد هیدروکسیل بالا (حدود mgKOH/g 590) بوده ولی بهینه‌سازی کیفیت فوم همچنان در حال تحقیق و توسعه است.