بازیابی یکپارچه محصولات برای تقویت فرآیندهای سیانوباکتری

برای تولید طیف وسیعی از محصولات زیستی، سیانوباکتری‌ها بنیان صنعتی مناسبی هستند. گرچه پیشرفت‌های زیست‌شناسی مصنوعی سویه‌های این میکروارگانیسم را بهبود داده است؛ اما هنوز محدودیت‌های زیادی در مسیر تولید صنعتی قرار دارد. برای تولید در مقیاس صنعتی، بازیابی محصولات همراه با کشت یک نیاز ضروری محسوب می‌شود.

سیانوباکتری‌ها برای رشد از دی‌اکسید کربن هوا و نور استفاده می‌کنند. این در حالی است که در بیشتر فرآیندهای زیستی، از مواد ارزان مثل انواع قندها برای تولید مواد ارزشمندی همچون ویتامین‌ها، آنزیم‌ها، سوخت‌ها و دیگر محصولات استفاده می‌شود. غلظت و بهره‌وری بالای محصولات در فرآیندهای زیستی از اهمیت بالایی برخوردار است. با این وجود، فرآیندهای هتروتروف (استفاده از مواد آلی برای تأمین کربن) به خاطر مسائل مربوط به تأمین پایدار و مناسب خوراک با محدودیت‌های زیادی مواجه می‌شود. علاوه بر این، وجود واکنش‌های جانبی و بازدارندگی محصولات هزینه‌ی فرآیندهای پایین‌دستی را افزایش می‌دهد.

سامانه‌های فوتوتروف مثل سیانوباکتری‌ها، برای رشد به نور، دی‌اکسید کربن، آب و مقدار کمی مواد مغذی نیاز دارند که هزینه‌ی مواد اولیه را به شدت کاهش می‌دهد. جداسازی پیوسته‌ی محصولات بازدارنده، باعث می‌شود بازدهی نور و دی‌اکسید کربن به میزان قابل توجهی افزایش یابد. با این حال، محصولات تولید شده از سامانه‌های فوتوتروف قیمت تمام شده‌ی بالاتری نسبت به رقیبان خود در بازار دارند که عرضه این محصولات زیستی را با مشکل مواجه می‌کند. برای غلبه بر این چالش، لازم است بازیابی محصولات همراه با کشت (integrated recovery) بر اساس سویه‌های مختلف سیانوباکتری، انواع راکتورهای زیستی نوری و محصولات توسعه یابد.

کاربرد روش‌های کنونی بازیابی محصولات همراه با کشت برای سیانوباکتری

برای کاهش هزینه‌ها در تولید محصولات سیانوباکتری می‌توان از رویکرد بازیابی محصولات همراه با کشت استفاده کرد. بازیابی محصولات همراه با کشت برای اولین بار در اوایل دهه 60 میلادی برای رفع لحظه‌ای مواد سمی از فرآیندها استفاده شده است. بعد از آن مقالات زیادی در مورد رفع یکپارچه مولکول‌های کوچک، مثل بوتانول، آروماتیک‌ها، لاکتیک اسید و مواد شیمیایی خالص مثل استیرن اکسید و آنزیم‌ها به چاپ رسید. همچنین، با استفاده از فیلتر جریان مماسی برای جداسازی، از این روش برای تولید مولکول‌های زیستی بزرگتر مثل پادتن‌های مونوکلونال و ویروس‌ها استفاده می‌شود. بسیاری از مولکول‌ها و میکروارگانیسم‌ها به یک روش اختصاصی برای بازیابی نیاز دارند.

در کشت سیانوباکتری، روش بازیابی محصولات همراه با کشت، بر اساس آب‌دوستی، فراریت، سمی‌بودن و بار الکتریکی ترکیبات تعیین می‌شود. رویکردهای استفاده شده در این روش، بر اساس جداسازی در محل یا جداسازی با یک جریان جانبی است. در جداسازی در محل، محصول یا مولکول مورد نظر با استفاده از یک روش خاص (مثل استخراج با حلال یا غشاء) مستقیم از فرمانتور جدا می‌‌شود. این در حالی است که در روش جداسازی با جریان جانبی، یک جریان به صورت پیوسته از راکتور گرفته شده و بعد از جداسازی مولکول مورد نظر، به سامانه برمی‌گردد (شکل 1).

برای بازیابی محصولات همراه با کشت سیانوباکتری می‌توان از جداسازی مرحله‌ای استفاده می‌کرد. در صنایع زیستی روش‌های بازیابی متوالی توسعه‌یافته است که در آن مولکول هدف در چند مرحله از محیط کشت جدا می‌شود. به عنوان نمونه در تولید بوتانول، شرکت GEVO در دو مرحله با استفاده از تقطیر ناگهانی (flash distillation) و جداسازی فازی مواد بازدارنده‌ی تولید را در مقیاس 68 هزار متر مکعبی جدا می‌کند. در نمونه‌ای دیگر، ایزوپرن از محیط کشت به صورت حباب و به شکل پیوسته از سامانه کشت جدا می‌شود. شرکت‌های مختلف در زمینه بازیابی محصولات همراه با کشت، روش‌های زیادی را به نام خود ثبت اختراع کرده‌اند؛ اما از کاربردهای صنعتی آن خبر چندانی وجود ندارد.

فرآیندهای فعلی برای کشت سیانوباکتری

توانایی سیانوباکتری‌ها در تولید محصولاتی مثل سوخت، مواد شیمیایی و پیش ماده‌های لازم برای تولید بسیاری از مواد، توجه صنایع و پژوهشگران را به خود جلب کرده است. علاوه بر این، سیانوباکتری‌ها متابولیت‌های ثانویه از خود ترشح می‌کنند که به خاطر خواص ضد قارچی، آنتی‌بیوتیکی و ضد سرطانی کاربرد فروانی در صنایع داروسازی دارد. از جمله مواد فعال زیستی که توسط سیانوباکتری‌ها تولید می‌شود، می‌توان به بتا- کربولین، 4,4′- دی هیدروکسی بی فنیل و کومارات (coumarate) اشاره کرد.

با وجود تولید انواع ترکیبات در سیانوباکتری‌ها، غلظت محصول نهایی بسیار پایین بوده و به زمان طولانی برای کشت‌های منقطع نیاز دارد. بنابراین، برای تولید صنعتی محصولات سیانوباکتری لازم است سویه‌های جدیدی توسعه یابد که مواد زیستی را با مصرف دی‌اکسید کربن و با نرخ بالا تولید کند.

افزایش نرخ تولید محصولات ممکن است برای سیانوباکتری حالت بازدارندگی ایجاد کند. بنابراین، اهمیت استفاده از رویکردهای بازیابی محصولات همراه با کشت در این شرایط نمایان‌تر می‌شود. بیشتر شرکت‌ها روی توسعه‌ی سویه‌های سیانوباکتری تمرکز دارند و به بهبود فرآیندهای پایین‌دستی توجه کمتری شده است. با این حال، شرکت آلجنول (Algenol) برای تولید اتانول زیستی، از ترکیب دو روش تراکم بخار (vapor compression) و تقطیر با بخار آب (steam stripping) در فرآیند خود استفاده می‌کند. با این روش علاوه بر تولید پیوسته اتانول، مصرف انرژی فرآیند نیز کاهش می‌یابد.

به خاطر ماهیت رقیق مولکول‌های تولید شده با استفاده از سیانوباکتری‌ها، روش‌های بازیابی باید انتخاب‌پذیر باشند. در مقایسه با فرآیندهای زیستی مبتنی بر قند، اجرای پیوسته‌ی فرآیندهای مصرف کننده دی‌اکسید کربن راحت‌تر است. به هر حال، در کشت‌های پیوسته، بازیابی مداوم محصولات یک نیاز اساسی تلقی شده که به پیشرفت و توسعه نیاز دارد.

بازیابی محصولات همراه با کشت برای سیانوباکتری

برای تولید اقتصادی محصولات ترشحی سیانوباکتری، جداسازی پیوسته و اختصاصی مولکول‌های هدف یک نیاز ضروری محسوب می‌شود. در روش‌های مرسوم جداسازی، تأثیر تماس وسیله‌ی جداکننده با سیانوباکتری روی زنده ماندن یا آلودگی میکروارگانیسم اهمیتی ندارد؛ زیرا زیست‌توده قبل از این مرحله از محیط کشت جدا می‌شود. با این حال، در این رویکرد چون فناوری‌های کشت و جداسازی سیانوباکتری با هم یکپارچه هستند، لازم است برخی از موارد مورد توجه قرار گیرد.

نوع راکتور زیستی نوری و محدودیت‌های زیستی برای کشت سیانوباکتری

در حال حاضر سیانوباکتری که بیش از دیگر نمونه‌ها کشت می‌شود، اسپیرولینا است. اسپیرولینا سیانوباکتری است که عمدتاً زیست‌توده‌ی آن برای مصرف مکمل غذایی یا خوراک ماهی کشت شده و به فروش می‌رسد. شرایط کشت برای این سیانوباکتری به گونه‌ای است که معمولاً میکروارگانیسم‌های آلاینده نمی‌توانند در آن رشد کنند. بنابراین می‌توان در کشت آن از استخر‌های روباز استفاده کرد. اما سیانوباکتری‌هایی که برای ترشح مواد زیست‌شیمیایی کشت می‌شوند، شرایط کشت متعادل‌تری دارند که احتمال آلودگی را افزایش می‌دهد.

برای کشت سیانوباکتری‌های با شرایط کشت متعادل، از راکتورهای نوری لوله‌ای افقی یا عمودی، صفحه تخت و حلقوی استفاده می‌شود. سامانه‌های جداسازی در رویکرد بازیابی محصولات همراه با کشت باید به گونه‌ای باشد که جذب نور و مصرف مواد مغذی و دی‌اکسید کربن را در سیانوباکتر تغییر ندهد. علاوه بر این، در صورت استفاده از حلال برای جداسازی، ماده استفاده شده نباید برای سیانوباکتری شرایط سمی ایجاد کند.

بازیابی محصولات همراه با کشت می‌تواند برای سیانوباکتری تنش برشی، تنش نوری، مواد غذایی یا دمایی به وجود آورد. بنابراین، روش کشت و جداسازی باید به نحوی طراحی شود که اجرای روش، مرگ و یا تخریب سلولی به همراه نداشته باشد.

خواص فیزیکی محصولات سیانوباکتری و رویکردهای بازیابی

سیانوباکتری‌ها محصولات مختلف با انحلال‌پذیری و خواص فیزیکی متفاوت تولید می‌کنند. برخی از این مواد برای میزبان‌های سلولی سمی بوده و حالت بازدارندگی دارند. برای تولید بیشتر، لازم است ترکیبات بازدارنده و سمی به طور پیوسته از کشت‌های سیانوباکتری جدا شود.

موادی (محصولات یا مواد بازدارنده) که باید از کشت‌های سیانوباکتری جدا شود، معمولاً غلظت پایینی دارد. بنابراین، روش‌ها استفاده شده برای جداسازی باید انتخاب‌پذیری بسیار بالایی داشته باشد تا تولید محصول افزایش یابد. نکته منفی در استفاده از فناوری‌های با قابلیت انتخاب‌پذیری بالا این است که هزینه‌های تولید و مصرف انرژی را افزایش می‌دهد. برای استفاده از این روش‌ها باید بهینه‌سازی‌های لازم صورت پذیرد.

الزامات یکپارچه شدن تولید محصولات سیانوباکتری

تولید و بازیابی محصولات همراه با کشت سیانوباکتری به صورت درمحل یا با ستفاده از جریان جانبی برای انتخاب‌پذیری فناوری‌های جداسازی محدودیت ایجاد می‌کند. در حالت جداسازی در محل، تجهیزات جداسازی در داخل راکتور زیستی نوری قرار می‌گیرد و بخشی از حجم تولید را اشغال می‌کند. بنابراین، یک بهینه‌سازی برای تعیین نسبت فضای تولید به فضای بازیابی لازم است. استفاده از جریان جانبی، با اینکه فضای تولید محصول را چندان کاهش نمی‌دهد، اما نیاز به انرژی برای گردش جریان نکته منفی استفاده از این روش است.

به طور کلی فناوری‌های جداسازی با انتخاب‌پذیری بالا و قیمت مناسب، نقش کلیدی در فرآیندهای صنعتی مبتنی بر سیانوباکتری دارد. استفاده از رویکرد بازیابی محصولات همراه با کشت و جداسازی انتخاب‌پذیر می‌تواند بهره‌وری حجمی را افزایش دهد. بنابراین، این رویکرد باید در مراحل ابتدایی توسعه‌ی فرآیندهای تولید محصولات سیانوباکتری مورد توجه قرار گیرد.