به طور کلی، هنوز بسیاری از اقدامات انجام شده در صنعت بیوپالایشگاهی غیربهینه محسوب میشوند و تلاشهای اندکی برای تجاری سازی موفق این محصولات صورت گرفته است. علاوه بر این، این صنعت نیازمند این است که بالاترین استانداردهای اجتماعی و محیط زیستی را در نظر بگیرد تا بتواند مقبولیت عام پیدا کند.
چالشهای فنی
چالشهای فنی بسیار زیادند، برخی از آنها عبارتند از: پوشش بازدهی خوراک، تقویت آنزیمها، کارخانههای سلولهای میکروبی و پردازش و پشتیبانی. در ادامه هر یک از این موارد را به اختصار مورد بررسی قرار میدهیم.
بازدهی خوراک و ترکیب بیوماس
به منظور کارایی و بهینگی پروسه تبدیل، تقویت بازدهی خوراک و ترکیب بیوماس بسیار حیاتی است. برای تقویت بازدهی و ترکیب باید ژنهای گیاهان اصلاح شوند، برنامههای تکثیر گیاهان جدی گرفته شوند و با استفاده از علم مهندسی شیمی ویژگیهای مطلوب یک گیاه تعیین گردد (برای مثال ژن گیاهان به نحوی تغییر کند که نسبت به خشکسالی، هوای بسیار سرد و کم آبی مقاوم باشد و مثلا ترکیب قند آن C5/C6 باشد). اگر با این اقدامات خوراکها تقویت شوند، میتوان در تمام طول سال به آنها دسترسی داشت و این مزیت بسیار بزرگی است.
آنزیمهای بهینه
یکی از چالشهای فنی مرتبط، نیاز به توسعه آنزیمهای بهینه و تقویت شده است، به خصوص تبدیل مواد لینگوسلولوزی به انواع خوراک از قبیل ذرت، علوفه، کاه گندم، تفاله نیشکر، برنج، بیوماس حاصل از پوب و غیره. علاوه بر این، بکارگیری قسمتهای بزرگتر بیوماس نیازمند فرآیندهای جدیدی است که بتوان در هنگام تبدیل مواد حداکثر ارزش ممکن مواد را از آن استخراج کرد. به عنوان مثال، لیگنین به جای اینکه برای تولید مواد شیمیایی دارای ارزش افزوده به کار رود، به صورت ترموشیمیایی به برق/حرارت تبدیل میشود. همچنین مطالعاتی صورت گرفته است که بر اساس آنها لیگنین میتواند به عنوان یک عامل ایجاد کننده ارزش افزوده در تولید کودهای شیمیایی که به آهستگی تولید میشوند و نیز به عنوان یک ماده اولیه برای تخمیر وانیلین نیز مورد استفاده قرار گیرد.
کارخانههای سلولهای میکروبی
یکی دیگر از چالشهای موجود در مسیر تقویت بازدهی، نیاز به توسعه کارخانههای سلولهای میکروبی است، یعنی تولید میزبانهایی که قادر به تولید یک محصول خاص هستند- که به صورت خاص این محصولات بیوسوختها یا محصولات بیوشیمیایی هستند- که بازدهی و بهرهوری بسیار بالایی دارند. ترکیب مهندسی مسیر متابولیک و بیوانفورماتیک به منظور طراحی انواع مخمرها یک از شاه کلیدهای اصلی است. به محض اینکه بتوان از طریق تخمیر یک محصول تولید کرد، باید بتوان با استفاده از مایع حاصله از تخمیر آن را به شکل اولیه بازگرداند. برای دستیابی به چنین هدفی، روشهای جدید بازیافت برای تولید اکثر ترکیبها مورد نیاز است. همچنین، فناوریهای تجزیه ناهمگن جدید نیز مورد نیاز است تا مواد شیمیایی واسطه را بتوان به محصولات تجاری تبدیل کرد.
پردازش و پشتیبانی
گروه دوم از چالشهای فنی مربوط به بهینه سازی پردازش و پشتیبانی است. این گروه شامل زمینههای مختلفی میشود: بهبود تکنیکهای متراکم سازی که باعث میشود بتوان خوراکهایی با تراکم بسیار اندک را با هزینه پایین حمل و نقل کرد. زمینه دیگر بکارگیری تکنیکهای نگهداری و محافظت است تا بتوان بیوماسها را در پروسه پیش از تبدیل از نظر فیزیکی و شیمیایی اصلاح کرد (روشهایی مانند درو کردن، انبار کردن، حمل و نقل).
توسعه و بهبود سیستمهای پشتیبانی خوراک که بتواند منطبق بر ماهیت فصلی تولید خوراک باشد نیز از نظر اقتصادی بسیار حیاتی است. سرمایهگذاری در زیرساختهای این چنینی به دلیل سرمایه هنگفتی که مورد نیاز است برای بنگاههای اقتصادی خصوصی بسیار سخت است.
در نهایت، راهاندازی یک شبکه توزیع محصولات بیو نیز یکی از ضروریات اساسی است و حالت ایدهآل این است که از همین زیرساختهای موجود بتوان استفاده کرد. به عنوان مثال استفاده از خطوط لوله یا ارتقاء جایگاههای سوخت گیری به منظور توزیع سهم بیشتری از بیوسوختها روش بسیار موثری خواهد بود. در حال حاضر دولت آمریکا قصد دارد که کارخانههای تولید بیوسوخت بر پایه ذرت را با تامین مالی دوباره راهاندازی کند و به این منظور نیز قصد دارد بودجه بخش تحقیق و توسعه را نیز افزایش دهد تا فناوریها و فرآیندهای جدید را منطبق با آن جلو ببرد.
چالشهای تجاری و استراتژیکی
چالشهای مربوط به صنعتی سازی محصولات بیو را میتوان در سه گروه اصلی طبقهبندی کرد: موضوعات مربوط به ادغام در زنجیرههای موجود، مشکلات مربوط به تامین مالی و سایر چالشهای مربوط به نااطمینانی و ریسک یک حوزه جدید و غیرمعمول. در ادامه هر یک از این سه گروه را به اختصار مورد بررسی قرار میدهیم.
ادغام در زنجیرههای ارزش موجود
یکی از مهمترین چالشهای تجاری ادغام محصولات بیوپالایشگاهی در زنجیرههای ارزش موجود است. در این مورد میتوان دو نوع مختلف از محصولات را شناسایی کرد.
از یک سو، برخی از محصولات بیو هستند که تعدادی مولکول را به طور مستقیم در زنجیره ارزش جایگزین میکنند، مانند اسید سوکسینیک از پایه بیو، یا اسید آکریلیک از پایه بیو، که دقیقا جایگزین اسید سوکسینیک از پایه نفت در تولید پلیاستر میشود. یک مثال اخیر در این مورد پلیاتیلن سبز است، که اولین ماده شیمیایی واقعی است که از یک منبع تجدید پذیر، یعنی اتانول حاصل از نیشکر، به دست آمده است. این محصول در شرکت پتروشیمی براسکم[1] در برزیل تولید شده است. در این موارد، منوط به اینکه استانداردهای کیفیتی به صورت کامل رعایت شده باشند، هیچ تغییری در فناوریهای پردازش لازم نیست. مثال دیگر کارخانههای حرارتی است که با سوخت زغال کار میکنند اما از هیزم نیز استفاده میکنند، در اکثر موارد میتوان بدون تغییرات یا تنها با تغییرات محدود در مخازن آنها را تبدیل به کارخانههای بیوسوخت کرد. دو عامل اصلی موفقیت قیمت محصول و عملکرد است- که هر دوی آنها در صنعت پتروشیمی امروز اهمیت یکسانی دارند.
از سوی دیگر، برخی از محصولات بیو وجود دارند که کاملا جدید هستند و نمیتوان آنها را به آسانی در زنجیرههای ارزش موجود ادغام کرد. به عنوان مثال، بیو اتانول تنها میتواند با سوختهای معمولی تا جایی ترکیب شود که درصد آن از حجم سوخت به حدود 15 درصد برسد، البته بدون آنکه موتور نیاز به تعمیر یا تغییر داشته باشد. وسایط نقلیهای که دارای موتورهای چندگانه سوز هستند میتوانند ترکیبات متفاوتی را تحمل کنند. این نوع وسایط نقلیه به صورت گسترده در برزیل مورد استفاده قرار میگیرند و در حال ورود به سایر کشورها نیز هستند، برای مثال میتوان به کشور سوئد اشاره کرد که از هر سه خودرو یکی از آنها چند گانه سوز هستند.
علاوه بر این، برخی از مواد شیمیایی واسطه جدید مانند اسید لوولینیک بسیار خوش ترکیب هستند. اگرچه، هیچ فرآیند شیمیایی بسیار پیچیدهای برای این ماده شیمیایی وجود ندارد که همین امر باعث میشود که ادغام آن در شبکههای تولید موجود بسیار سخت شود. همچنین، محصولات جدید که از مواد واسطهای جدید تولید میشوند، مانند پلیمرهای تولید شده بر پایه بیو، در مقایسه با پلیمرهای موجود ویژگیهای متفاوتی دارند. به همین دلیل پروسه تجاری سازی آنها بسیار خسته کننده و طولانی خواهد بود. برخی از مثالهای شناخته شده این پدیده پلیمرهای اسید پلیاکتیک(PLA) و پلی هیدروکسیالکانتوز (PHAs)هستند که از زمانهای بسیار دور شناخته شده هستند.
برخی از شرکتها بر روی تولید انبوه و تجاری سازی PLA و PHA کار کردهاند و تا حدی موفق نیز شدهاند. اما سرعت حجم تولید شده معمولا کمتر از انتظار است که دلیل آن عملکرد و موارد قیمتگذاری است که منجر به بروز مشکل در زنجیره ارزش میشود. به همین دلیل است که برزیل محل بسیار مناسبی برای تولید بیو سوخت است، زیرا بازار بسیار مناسبی دارد و به همین دلیل امکان بروز مشکل در زنجیره ارزش بسیار اندک است.
مشکلات مربوط به تامین مالی
چالش دوم این است که بودجه مورد نیاز برای تجاری سازی بسیار محدود است. یکی از دلایل این موضوع بحران مالی سال 2008 بوده است، اگرچه که این بحران تا حد بسیار زیادی مرتفع شده است اما هنوز پس لرزههای اقتصادی آن را میتوان در کشورهای مختلف مشاهده کرد. انتظار میرود که با بهبود شرایط مالی کشورها در سالهای اخیر و با توجه به همین این موضوع منابع مالی مناسبتری در اختیار تجاری سازی محصولات بیو قرار گیرد.
این کمبود بودجه در بخش ساخت کارخانههای عظیم و زیر ساختهای مورد نیاز نیز به چشم میخورد. به علاوه، تمایل به سرمایهگذاری در صنایع بیوپالایشگاهی و بیوتکنولوژی به طور کلی و صرفنظر از بحران مالی و محدودیت بودجه کاهش یافته است زیرا، سرمایهگذاران دریافتهاند که میزان بسیار زیادی از سرمایه مورد نیاز است تا بتوان محصولات بیو را تجاری سازی کرد.
تمایل به سرمایهگذاری در این بخش به دلیل نااطمینانی بسیار زیاد در مورد سودآوری صنعت بیوپالایشگاهی نیز بیش از پیش کاهش یافته است، زیرا دولتها تنها حاضر به تامین مالی کوتاهمدت (چند ساله) این طرحها هستند در حالی که این طرحها نیاز به سرمایهگذاری بلندمدت (چند دههای) دارند.
نااطمینانی و ریسک یک حوزه جدید و غیرمعمول
سایر موانع تجاری سازی محصولات پایه بیو عبارتند از ریسک گریزی اولین سرمایهگذاران و عدم توانایی برای ایجاد حاشیه سود برای این محصولات در مقایسه با محصولات تولید شده از پایه نفت زیرا انگیزههای عمومی برای به ثمر رسیدن این ایده بسیار ناکافی و بسیار نامطمئن هستند. و همین طور در مورد نوع فناوری مورد استفاده نیز نااطمینانیهای بسیاری وجود دارد. سوال این است که بیو سوختها را به چه منظوری باید تولید کرد: آیا آنها را قرار است برای موتورهای حرارتی تولید کرد، یا وسایط نقلیه برقی یا برای داشتن یک اقتصاد هیدروژنی؟