چالش های امروزی زیست پالایشگاه ریزجلبکی
با وجود پیشرفت‌های فناوری در حوزه ریزجلبک، تأسیس زیست پالایشگاه مبتنی بر این میکروارگانیسم هنوز صرفه اقتصادی ندارد. در هر صورت، پیشرفت‌ها و راه‌حل‌هایی ارائه شده است که در آینده می‌تواند اقتصاد پایداری را برای زیست پالایشگاه‌های ریزجلبکی ایجاد کند. مسائل زیست محیطی باعث شد تحقیقات فراوانی برای یافتن منابع تجدیدپذیر و پایدار برای تولید غذا، مواد و انرژی صورت گیرد. ریزجلبک، کارخانه سلولی است که با استفاده از نور، کربن‌دی‌اکسید را به مواد ارزشمند تبدیل می‌کند.
زیست پالایشگاه ریزجلبکی: دستاوردها و چالش‌های جدید
در کنار تمام مزایای ریزجلبک، به خاطر محدودیت‌های نفوذ نور در محیط کشت، کشت این میکروارگانیسم نسبت به گونه‌هایی که به نور نیاز ندارند، گران‌تر است. علاوه بر این، زیست توده ریزجلبک در غلظت بسیار پایین رشد می‌کند (1 تا 5 گرم بر لیتر). همه این موارد منجر به افزایش هزینه‌ها خواهد شد.
با ایجاد زیست پالایشگاه و تعریف اقتصاد مدون، می‌توان از بیشتر توانایی‌های ریزجلبک استفاده و حداقل پسماند را ایجاد کرد. منظور از زیست پالایشگاه فقط تعدادی مراحل جداسازی برای مواد مختلف نیست! بلکه یک مجموعه متوالی از واحدهای عملیاتی را شامل تحقیقات آزمایشگاهی، مراحل کشت و فرایندهای پایین دستی تشکیل می‌دهد.
فرایندهای پایین دستی یک زیست پالایشگاه نزدیک به 40 درصد از هزینه‌های تولید را ایجاد می‌کند؛ چرا که امکان بهینه‌سازی برای بازیابی هم‌زمان محصولات مختلف وجود ندارد. با بهینه‌سازی جداگانه و منحصر به برداشت و تفکیک نمی‌توان این گونه مشکلات را حل کرد. بلکه راهکار مناسب، یکپارچه‌سازی و بهینه‌سازی هم‌زمان برای واحدهای مختلف عملیاتی است.
در همه واحدهای عملیاتی ریزجلبک گلوگاه‌هایی وجود دارد. در تحقیقات آزمایشگاهی، بهینه‌سازی‌ها فقط برای تولید یک محصول انجام شده است. برخی از این محدودیت‌ها مواردی هم‌چون محدودیت غلظت ریزجلبک در کشت، روش‌های مختلف و گاه مخالف در کشت ریزجلبک برای تولید محصولات متفاوت را شامل می‌شود. علاوه بر این، معمولاً فرایندهای پایین دستی برای یک محصول طراحی شده و بقیه محصولات به صورت پسماند از دست می‌رود. برخی از راهکارهای مفید برای حل این گلوگاه‌ها شامل تولید هم‌زمان محصولات دارای بازار فروش، سامانه‌های کشت مقاوم و بازیابی محصولات مختلف با رویکرد استخراج آبشاری است.
رویکردهای کشت: محصولات با قابلیت بهره‌برداری هم‌زمان
برای چند دهه، تمرکز پژوهش‌ها روی تولید حداکثری “یک محصول” از ریزجلبک قرار داشت. برای محصولات با ارزش افزوده بالا مثل آستاگزانتین، این روش تولید و بهینه‌سازی مؤثر است؛ اما برای محصولات با ارزش افزوده کمتر مثل سوخت زیستی، این روش از نظر اقتصادی نمی‌تواند با رقیب‌های ارزان قیمت خود در بازار رقابت کند. در این موارد باید برای تولید هم‌زمان چند محصول، با ارزش متوسط و پایین برنامه‌ریزی کرد.
با این دیدگاه، از یک روش خاص در کشت چند محصول تولید می‌شود. به عنوان مثال با ایجاد شوک کاهش نیتروژن در کشت منقطع ریزجلبک، تولید و تجمع هم‌زمان اسیدهای چرب بلند زنجیر و موادی هم‌چون نشاسته امکان‌پذیر است. البته این روش‌ها باید به گونه‌ای اجرا شود که در رشد ریزجلبک اختلال ایجاد نکند. استفاده از روش‌های چند مرحله‌ای در کشت (جدا کردن مرحله تولید زیست توده از مرحله اعمال شوک) یکی از این راهکارهای اجرایی است.
سامانه‌های کشت مقاوم
سامانه‌های امروزی برای کشت در مقیاس بالا، غلظت رقیقی (3 گرم بر لیتر) از ریزجلبک تولید کرده و بهره‌وری آن‌ها با شرایط آب و هوا و نور تغییر می‌کند. برای کاهش هزینه‌های برداشت و استخراج، غلظت‌های بالاتر (100 گرم بر لیتر) از کشت لازم است. با کم کردن عمق محیط کشت (کشت نازک) و بهبود نفوذ نور، می‌توان تولید روزانه زیست توده (گرم بر لیتر) را از 0/03 (در سامانه‌های سنتی) به 6 (در کشت نازک) افزایش داد.
سامانه‌های صفحه تخت یکی از نمونه‌های کشت نازک به شمار می‌رود. مشکل این سامانه انرژی لازم برای ایجاد همزدگی با هوادهی است. کشت در استخرهای روباز، شیب‌دار و با ضخامت کم می‌تواند تولید زیست توده را در مقیاس بالا افزایش دهد. البته این روش نیز با چالش کنترل نور و دما و احتمال آلودگی مواجه است. با اجرای ایده فیلم ریزان در یک سامانه بسته و کنترل شده می‌توان به مزایای صفحه تخت و امکان کنترل سامانه دست یافت.
برخلاف غلظت بالای زیست توده که در سامانه‌های لایه نازک به دست می‌آید، مقایسه آن‌ها وابسته به نحوه استفاده (باز یا بسته) است. سامانه‌های باز برای تولید گونه‌های ریزجلبکی مقاوم با کاربردهای خوراکی و سوختی ترجیح داده می‌شوند. سامانه‌های بسته و کنترل شده نیز برای تولید محصولات با ارزش با مصارف دارویی و بهداشتی مناسب هستند. در هر صورت اگر از سامانه‌های بسته کشت در نمای ساختمان‌ها استفاده شود، هزینه‌های عملیاتی تا حدودی کاهش می‌یابد.
رویکرد استخراج آبشاری برای بازیابی محصولات مختلف
بهره‌وری حداکثری از ریزجلبک در زیست پالایشگاه‌ها وابسته به این است که ضمن جداسازی ترکیبات مختلف، بازدهی و کیفیت محصولات حفظ شود. مرحله اول شامل انتخاب بهترین روش برای شکستن سلول و خارج کردن محصولات و همچنین انتخاب شرایط بهینه و ملایم برای استخراج انتخابی است.
روش مطلوب امروزی، استخراج آبشاری است. در این رویکرد، بازیابی ترتیبی محصولات مختلف ریزجلبک با روش‌های متوالی شیمیایی و فیزیکی (استخراج دو فازی، فیلتر، کروماتوگرافی، تبادل استری) صورت می‌گیرد. اولویت‌بندی استخراج آبشاری می‌تواند بر اساس محصول اصلی، ارزش محصول (اولویت با استخراج محصولات با ارزش) یا حساسیت هر محصول به روش استخراج باشد.
در مواردی که محصول اصلی یک ماده با ارزش مثل آستاگزانتین یا بتاکاروتن باشد، محصولات جانبی و باقیمانده را می‌توان برای تخمیر (قند و پروتئین) استفاده کرد. به این ترتیب، در فرایند تولید یک محصول با ارزش، تولید پسماند کاهش یافته و در آمد جانبی ایجاد می‌شود. اما وقتی هدف تولید مواد انبوه خوراکی (پروتئینی یا کربوهیدراتی) باشد، استخراج لیپید یا یک ماده دیگر و ایجاد ارزش افزوده برای مواد باقیمانده صرفه اقتصادی ندارد.
به طور کلی، برای بازیابی حداکثر محصولات اولویت‌بندی استخراج باید بر اساس مولکول‌های حساس، استفاده از شرایط ملایم (مثل دما و فشار پایین) و استخراج مرطوب برای مواد محلول در آب (در جهت کاهش نیاز به تبخیر آب) باشد. بر این اساس، دو طرح برای رویکرد آبشاری پیشنهاد می‌شود. در طرح اول برای مواد با ارزش افزوده بالا مثل آستاگزانتین، تمرکز روی تولید یک محصول است. بنابراین با استفاده از فناوری‌های پیشرفته تولید بیشینه محصول بهینه‌سازی می‌شود. بعد از استخراج محصول با ارزش، زیست توده باقیمانده را می‌توان برای تولید انرژی تخمیر یا به عنوان خوراک دام استفاده کرد.
طرح دوم استخراج آبشاری چند محصول است. در این طرح از ریزجلبک‌های مقاوم مثل سندسموس، کلرلا و نانوکلروپسیس استفاده می‌شود. محصول تولید شده در این رویکرد می‌تواند از مواد با ارزش متوسط مثل اسیدهای چرب بلند زنجیر تا مواد با ارزش کمتر مثل نشاسته متغیر باشد. در یک طرح ابتکاری در این زمینه، می‌توان ابتدا مواد محلول در آب (پروتئین‌ها و قندها) را با تخریب ملایم و سانتریفیوژ جدا کرده و در بازار غذایی عرضه نمود. در مرحله دوم، می‌توان استخراج لیپید و در صورت امکان جداسازی یک نوع خاص لیپید را انجام داد. در مرحله آخر نیز می‌توان از نشاسته باقیمانده برای تولید پلاستیک زیستی استفاده کرد.
در رویکرد چند محصولی به خاطر شباهت فیزیکی و شیمیایی برخی مواد، ممکن است چند ماده با هم استخراج شوند؛ بنابراین ممکن است مراحل بعدی جداسازی این مواد هزینه‌هایی در ادامه فرایند ایجاد کند. با بررسی‌های فنی- اقتصادی می‌توان نیاز به جداسازی بیشتر را تعیین کرد. رویکرد بهینه، همواره بر اساس سویه و محصول اصلی و البته بر اساس حفظ طبیعت مشخص می‌شود.
چالش محصولات جدید ریزجلبکی
بسیاری از محصولات بالقوه ریزجلبک هنوز کشف نشده است و این مورد، یکی از دلایل اصلی اقتصادی نبودن زیست پالایشگاه ریزجلبکی تلقی می‌شود. به عنوان مثال، باقیمانده زیست توده بعد از استخراج آبشاری که در رویکرد دوم گفته شد، سرشار از مواد نامحلول مثل نشاسته، پروتئین و خاکستر است. از این ترکیب می‌توان برای تولید پلاستیک زیستی یا به عنوان افزودنی خوراکی یا امولسیون کننده استفاده کرد. علاوه بر این، بسته به اینکه برای استخراج محصولات اصلی از چه روش‌هایی استفاده شود، بخشی از مولکول‌های با ارزش افزوده بالا (پروتئین‌های عملکردی، مواد ضد میکروبی یا مواد ضد اکسنده) در باقیمانده زیست توده از بین می‌رود.
یکی از حوزه‌های درحال توسعه در زمینه محصولات پروتئینی، ترکیب پروتئین‌های گیاهی در خوراک انسان و دام (به خصوص آبزی‌پروری) به جای پروتئین‌های حیوانی است. ریزجلبک به عنوان یکی از منابع مهم پروتئینی شناخته می‌شود، اما کاربردهای جدیدی از آن در حال پدیدار شدن است، مثل استفاده برای امولسیون کردن، ایجاد کف، ژل‌سازی و یا مواد ضد اکسنده.
در مطالعات جدید مشخص شده است که پروتئین ریزجلبک خواصی مشابه یا حتی بهتر از پرتئین سویا و تخم مرغ دارد. مشکل اصلی این حوزه، جداسازی پروتئین از ترکیبات پروتئین/ کلروفیل (با مزه و رنگ شدید) است، به طوری که به عملکرد پروتئین آسیب نرسد. در هر صورت، عصاره حاوی 3 درصد پروتئین ریزجلبک خواص ژل‌سازی بسیار مناسبی دارد، در حالی که عصاره حاوی 10 درصد از پروتئین آب‌پنیر لازم است تا همین خاصیت را از خود نشان دهد.
یکی دیگر از خواص ریزجلبک برای ایجاد ارزش افزوده در زیست پالایشگاه، خاصیت ضد اکسنده و ضد میکروبی ترکیبات مختلف آن است. در بسیاری موارد، بخش باقیمانده ریزجلبک که در آن پروتئین‌های آبکافت شده وجود دارد، خواص ضد اکسنده و ضد باکتری از خود نشان می‌دهد. بنابراین، لازم است در ارزش‌گذاری باقیمانده ریزجلبک بعد از استخراج، دقت کافی به عمل آید.
این مطلب در 6 اکتبر ۲۰۱8 در مجله Trends in Biotechnology منتشر شده است.
☑ نویسنده: Imma Gifuni
☑ ترجمه و بازنویسی: یونس عبداللهی مفرد
☑ منبع
