بهبود بهره‌وری از نور در فتوبیوراکتورهای کشت میکروجلبک

تقاضای روز افزون ترکیبات باارزش زیستی و انرژی، زمینه‌ساز توسعه روش‌هایی در جهت بهبود بهره‌وری از نور در فتوبیوراکتورهای کشت میکروجلبک شده است. میکروجلبک‌ها منبعی برای تولید محصولات باارزش هستند. نیاز به نور و کنترل دما در کشت‌های میکروجلبک مهم‌ترین چالشی است که بهره‌وری و کارایی فتوسنتز را محدود می‌کند. مدیریت نور روشی برای به حداکثر رساندن کارایی فتوسنتز و کنترل دما در فتوبیوراکتورهای میکروجلبک است.

کاهش ذخایر سوخت‌های فسیلی، افزایش تقاضای روز افزون انرژی و تمایل به جبران اثرات ناشی از تغییرات آب و هوایی، از  جمله مهم‌ترین چالش‌های جهان امروز است. این امر باعث تحریک جامعه جهانی در جهت توسعه مواد اولیه برای تولید انرژی و مواد شیمیایی شده است، که می‌توانند به‌صورت سازگار با محیط زیست تولید و پردازش شوند.

تلاش‌های اولیه مبنی بر استفاده از زمین‌های کشاورزی مرسوم بوده است، که مشخص شده این روش‌ها برای تولید محصولات زیست محیطی به‌دلیل مصرف زیادی از آب شیرین و زمین‌های کشاورزی، رقابت با تولید مواد غذایی ضروری و اثرات مخرب بر شیوه‌های سنتی کشاورزی، پایدار نیستند. کشت توده‌های میکروجلبک به‌عنوان منبع امیدبخش برای تولید سوخت زیستی خنثی از کربن، محصولات با ارزش افزوده زیستی برای برنامه‌های کاربردی غذایی و دارویی و به‌عنوان مکمل در تغذیه حیوانات و انسان شناخته شده‌اند.

حتی نمونه‌هایی از تولید مواد زیستی مانند بیوپلاستیک‌های زیست‌‌تخریب‌پذیر و زیست‌سازگار از برخی گونه‌های میکروجلبک وجود دارد. این ارگانیسم‌ها دارای ویژگی‌های جذاب از جمله تبدیل فتوسنتزی بالا، ظرفیت جداسازی مقدار قابل توجه دی‌اکسید کربن، توانایی کشت در زمین‌های کشاورزی حاشیه‌ای با استفاده از آب شور و توانایی بازیافت مواد مغذی در فاضلاب‌ها و گاز دودکش هستند.

چشم‌انداز پالایشگاه‌های زیستی میکروجلبک، تولید محصولات مختلف از خوراک‌های تجدیدپذیر یا حتی مواد زائد در یک فرایند کاملاً خنثی از کربن فریبنده است. با این حال چالش‌های قابل ملاحظه‌ای در مقیاس تولید زیاد بسیاری از این محصولات همچنان وجود دارد. برای مثال، به‌طور گسترده‌ای شناخته شده است که تولید سوخت‌های زیستی از میکروجلبک‌ها در مقیاس تجاری به‌علت هزینه بالای تولید غیر ممکن است.

در حال حاضر، تنها تعداد کمی از رنگدانه‌های باارزش مانند بتاکارتن، آستاگزانتین و phycobiliproteins در مقیاس صنعتی تولید می‌شوند. برای پاسخگویی به تقاضای روز افزون و به‌دست ‌آوردن توان بالقوه در فرآورده‌های زیستی میکروجلبک، به‌عنوان منبع اصلی برای تولید این محصولات زیستی باارزش، نیاز حیاتی به بهبود مستمر فناوری‌های کشت زراعی وجود دارد.

تولید زیست‌توده میکروجلبک در حال حاضر با استفاده از استخرهای باز و فتوبیوراکتورهای بسته انجام می‌شود. فتوبیوراکتورهای بسته شرایط بهینه رشد را برای افزایش تولید زیست‌توده فراهم می‌کنند. علاوه بر این، در فتوبیوراکتورهای بسته به‌طور قابل توجهی احتمال آلودگی و رقابت‌هایی که در استخرهای باز وجود دارد، کاهش می‌یابد. این کیفیت مخصوصاً در تولید محصولات در صنایع دارویی و غذایی مهم است، زیرا باید از آلودگی باکتریایی آزاد باشند.

بهره‌وری زیست‌توده مهمترین عامل تجاری‌سازی محصولات صنعتی از میکروجلبک است، به‌طوری که در اکثر موارد همبستگی مثبتی بین میزان تولید زیست‌توده و بهره‌وری محصول میکروجلبک وجود دارد. بهره‌وری بالای زیست‌توده منجر به بهره‌وری بالای مواد بیوشیمیایی می‌شود، در نتیجه فتوبیوراکتورهای بسته جزئی ضروری برای صنعتی شدن میکروجلبک هستند.

نور به‌ویژه بخشی از طیف تابش الکترومغناطیسی حاوی مناطق فرابنفش مرئی و فروسرخ، عامل مهم محدودکننده رشد است که تکثیر سلول و کارایی فتوبیوراکتورهای میکروجلبک، تحت شرایط عملیاتی، دما و مواد غذایی بهینه را کنترل می‌کند. نور منبع انرژی پایه برای میکروجلبک است و ارائه‌ آن در فتوبیوراکتورها از لحاظ اجزای طیفی، شدت و مدت زمان باید مناسب باشد.

در عمل، نور به‌صورت نمایی در امتداد عمق نوری یک فتوبیوراکتور ضعیف می‌شود که علت آن اثرات سایه متقابل بین سلول‌های میکروجلبک است. به‌علت مشکل در کنترل نور رسیده به فتوبیوراکتور، حفظ کیفیت بهینه نور در فتوبیوراکتور یک محدودیت مهم برای عملکرد بهینه‌ کشت‌های با چگالی بالا محسوب می‌شود. علاوه بر این، بخش قابل توجهی از طیف نور رسیده به سطح فتوبیوراکتور در فرایند تبدیل انرژی خورشید یعنی فتوسنتز، شرکت نمی‌کنند. تنها نور مرئی، به‌عنوان تابش فعال فتوسنتزی محسوب می‌شود که قابلیت برداشت توسط رنگدانه‌ها و تبدیل به انرژی شیمیایی در زیست‌توده را دارد.

از سوی دیگر، انرژی بالای اشعه فرابنفش منجر به اثرات یونیزاسیون در جذب مواد و آسیب سلولی می‌شود در حالی‌که فوتون‌های کم‌انرژی اشعه فروسرخ به اثرات گرمایی به‌طور قابل توجهی کمک می‌کنند و باعث بروز گرمای بیش از حد در کشت در سیستم‌های فتوبیوراکتور می‌شوند. با این حال چندین سیانوباکتری فتوسنتزی اکسیژنی حاوی کلروفیل d فراوان دارای مزیت انتخابی برای استفاده از تابش نزدیک به فروسرخ برای فتوسنتز هستند.

اثر حاصل از تابش فرابنفش و فروسرخ که به داخل فتوبیوراکتور منتقل می‌شود، کاهش قابل توجه در تولید محصولات زیستی میکروجلبک است. گرمای بیش از حد برای جلبک کشنده است و این امر نیازمند به کارگیری اقدامات پرهزینه برای به‌ حداقل رساندن اثرات زیان‌بار است. برای مثال، کنترل دمای کشت در فتوبیوراکتورها برای دفع گرمای بیش از حد از طریق سیستم‌های خنک‌کننده مانند اسپری آب شیرین بر سطح فتوبیوراکتور و یا سیستم‌های تبادل گرما استفاده می‌شود. نیاز به حجم قابل توجهی از آب شیرین برای خنک کردن فتوبیوراکتورها یک محدودیت شدید برای استفاده آن‌ها در مقیاس بزرگ است.

در همه مکان‌های مناسب برای کشت میکروجلبک -آن‌هایی که تابش خورشیدی بالایی دارند- آب شیرین یک منبع محدودکننده است. نیاز به کنترل دمای آب شیرین برای عملیات در فتوبیوراکتور؛ پر انرژی، پر هزینه، ناپایدار و ناکارآمد است. بنابراین، دستکاری انتخابی تابش، به‌طوری که فوتون‌های برداشت شده توسط کشت جلبک شامل طول‌ موج‌های مناسب برای تابش فعال فتوسنتزی باشد، تعداد فوتون‌های مضر فرابنفش و فوتون‌های ایجادکننده گرمای فروسرخ حداقل و پتانسیل بهبود کارایی و تولید زیستی در فتوبیوراکتور را داشته باشد، امری ضروری است.

فیلترینگ فروسرخ، گرمای بیش ازحد در فتوبیوراکتور بسته را کاهش‌ می‌دهد. تغییر طیف، هدایت موج پلاسمونیک، شیشه‌های قابل تعویض و فرایند شیشه‌های عایق می‌تواند کیفیت نور رسیده به سلول‌های جلبک را بهبود دهد. بهبود بهره‌وری و توزیع نور در کشت‌های جلبک می‌تواند به‌طور چشمگیری بهره‌وری زیست‌توده چه در سیستم‌های کشت باز و چه بسته را افزایش دهد. این رویکرد راه را برای توسعه پالایشگاه‌های زیستی بر مبنای جلبک با عملکرد چند منظوره و هزینه کم، تولید کم کربن و مستقل باز می‌کند.

در اینجا نوآوری‌هایی را برای بهبود بازده تبدیل نور و کنترل دما از جمله فیلتر کردن طیفی و هدایت موجی پلاسمونیک، که به‌طور کلی بهره‌وری فتوسنتز را افزایش می‌دهند و از گرمای بیش از حد فتوبیوراکتور جلوگیری می‌کنند معرفی می‌کنیم.

محدودیت‌های فعلی در عملیات‌های کشت در فتوبیوراکتورها و بازدهی فتوسنتز

تولید زیست‌توده میکروجلبک با استفاده از استخرهای باز و فتوبیوراکتورهای بسته انجام می‌شود. استخرهای باز دارای هزینه‌های عملیاتی و تولید پایین هستند. این یک توافق است که حوضچه‌های raceway یک فرایند اقتصادی برای تولید توده میکروجلبک هستند. بنابراین در سراسر جهان، تمام توده زیست‌توه میکروجلبک در سیستم‌های باز تولید می‌شوند.

اگرچه بهبود عملکرد کشت در استخرهای باز به‌دلیل چالش‌های بهینه‌سازی متغیرهای محیطی مانند دما، محدودیت نور، رژیم‌های اختلاط ناکافی و آلودگی کشت مشکل است. فتوبیوراکتورهای بسته به‌دلیل تنظیم بهتر فاکتورهای عملیاتی و شرایط کشت که عامل اصلی محدودکننده رشد هستند، منجر به افزایش کارایی فتوسنتز و بهره‌وری زیست‌توده می‌شوند. با این وجود، علاوه بر هزینه ساخت و عملیاتی بالا، کشت میکروجلبک در فتوبیوراکتور بسته با مشکل گرمای بیش از حد و دسترسی کم نور مواجه است.

کنترل دما

دمای کشت بر شدت نور مورد نیاز برای بهره‌وری بهینه جلبک تأثیرگذار است. در نزدیکی دمای بهینه، میکروجلبک تمایل به تحمل شدت نور بالاتر را دارد، در حالی‌که گرمای بیش از حد تمایل آن‌ها را به تحمل میزان بالای شدت نور کم می‌کند. تأثیر گرمای بیش از حد کشت‌ها در فتوبیوراکتورهای بسته نسبت به حوضچه‌های باز که دارای مکانیزم خنک‌کننده تبخیری هستند، چشمگیرتر است. نوسانات روزانه و تغییرات فصلی در دما می‌تواند شرایط کشت را به‌طور قابل توجهی تغییر دهد و بر فتوسنتز و بهره‌وری میکروجلبک تأثیر گذارد.

در مناطق معتدل، نوسانات دما در فتوبیوراکتورهای بسته کشت میکروجلبک می‌تواند تا 45 درجه افزایش یابد. این درجه حرارت بسیار بالاتر از دمای مطلوب 20 الی 25 درجه است که برای اکثر گونه‌های تجاری میکروجلبک مورد استفاده قرار می‌گیرد. فعالیت‌های فتوسنتزی و متابولیسم‌های سلولی در بیشتر گونه‌ها هنوز می‌تواند در خارج از این محدوده (در طیف 15 الی 30) اتفاق بیفتد اما به‌طور چشمگیری کاهش در بهره‌وری مشاهده می‌شود. در دمای زیر دمای بهینه، بین افزایش دما، فتوسنتز و شدت رشد به‌دلیل افزایش آنزیم‌های چرخه کالوین، یک رابطه مثبت وجود دارد. گرچه در دمای بالای دمای بهینه، فعالیت فتوسنتز و سرعت رشد به‌دلیل استرس گرما، به سرعت کاهش می‌یابد. نتایج این استرس غیرفعال کردن آنزیم‌های عملکردی و پروتئین‌های فتوسنتزی را نشان می‌دهد. اثر کلی افزیش دما تولید رادیکال‌های آزاد اکسیژن است که تعادل سلول‌ها را ناپایدار می‌کند و به اجزای بیوشیمیایی سلول آسیب می‌ساند و منجر به پراکسیداسیون لیپیدی می‌شود.

برای رفع چالش گرمای بیش از حد، سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری با استفاده از اسپری آب شیرین یا مبدل‌های حرارتی برای ثابت نگه‌داشتن دمای راکتور در 25 درجه یا زیر 25 درجه استفاده می‌شود. مقدار قابل توجهی از حرارت در فتوبیوراکتورهای واقع در مناطق معتدل جایی که دمای روزانه به‌راحتی می‌تواند به 40 درجه برسد، برای حفظ این درجه حرارت باید خارج شود. صرف نظر از بازدهی خنک‌سازی، بین 2400 تا 8000 متر مکعب آب شیرین با کیفیت بالا برای سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری برای کارخانه‌ای که سالیانه 36.5 تن زیست‌توده خشک جلبک تولید می‌کند، مورد نیاز است. به‌عبارت دیگر، سیستم‌های مبدل حرارتی می‌توانند از آب دریا استفاده کنند اما به هزینه‌های بالای عملیاتی نیاز دارند.

راه‌حل‌های دیگر مانند غوطه‌وری فتوبیوراکتورها در استخرها یا گلخانه‌ها می‌تواند هزینه‌های ساخت و ساز و هزینه‌های عملیاتی را با تأثیر منفی بر محیط زیست از طریق افزایش انرژی و آب مورد نیاز، افزایش دهد. بنابراین، راه‌حل‌های بهره‌وری با هزینه و انرژی مؤثر برای تنظیم حرارتی فتوبیوراکتورهای بسته هنوز یک چالش است. حدود 50 درصد انرژی نور در سطح روشنایی فتوبیوراکتورهای بسته در فضای باز خارج از محدوده تابش فعال فتوسنتزی قرار دارد و به‌طور مستقیم بر گرمای بیش از حد کشت تأثیر می‌گذارد. در نتیجه بیش از 90 درصد کل فوتون‌های رسیده به کشت به حرارت تبدیل می‌شود. فیلتر کردن طیفی با حذف اشعه فروسرخ می‌تواند یک راه‌حل مؤثر در کاهش گرمای بیش از حد کشت باشد.

بهره‌وری استفاده از نور

استفاده مؤثر از نور در فتوبیوراکتورها معیار اصلی برای تولید فراوان زیست‌توده میکروجلبک است که برای دستیابی به امکان اقتصادی شدن و تقاضای گسترده ضروری است. یک نشانه نهایی از بهره‌برداری نور توسط میکروب‌های فتوسنتزی، بازده فتوسنتزی است. به‌عنوان مثال مقداری از انرژی خورشید در دسترس به‌صورت انرژی شیمیایی در زیست‌توده ذخیره می‌شود. بازدهی فتوسنتز اساساً یک عملکرد از شدت نور و بهره‌وری فتوبیوراکتور است.

در کشت‌های خارجی، حداکثر مقدار تئوری بازدهی فتوسنتز بین 8 تا 12 درصد بر اساس کل طیف خورشید است. گرچه، در تولید میکروجلبک در مقیاس صنعتی به‌ندرت بازدهی فتوسنتز کشت‌ها به بیش از 1.5 درصد می‌رسد. مقادیر کم بازدهی فتوسنتز به‌علت کاهش انرژی و بهره‌وری در فرایند انتقال نور به کشت است. بهره‌وری انرژی از خورشید تا تولید محصول باارزش نهایی به شدت کاهش می‌یابد. بر اساس محاسبات توسط محققان حدود 17 درصد از کل انرژی خورشید به‌علت جذب و پخش اتمسفر از دست می‌رود، که منجر به تضعیف نور مستقیم و منتشر شده می‌شود.

اثرات عرضی منجر به کاهش 30 درصدی می‌شود و حدود 65 درصد انرژی منتقل شده به‌دلیل شرایط آب و هوایی از دست می‌رود. موقعیت فتوبیوراکتورها در ارتباط با خورشید می‌تواند تابش نور را تا 50 درصد برای کشت‌های افقی در مقایسه با سطوحی که مستقیماً در معرض نور خورشید هستند کاهش دهد. حدود 75 درصد از فوتون‌هایی که به کشت می‌رسند، قابلیت استفاده برای فتوسنتز را ندارند و هدر می‌روند. در مجموع، بین 0.1 تا 10 درصد نور به‌طور خالص برای تبدیل مؤثر انرژی فتوسنتز و  تثبیت کربن استفاده می‌شوند.

بهبود انرژی خورشید به تبدیل مؤثر زیست‌توده از طریق راهبردهایی برای به‌حداقل رساندن هدررفت انرژی منجر به بهره‌برداری بهتر از نور خورشید و افزایش بهره‌وری فتوسنتز و حداکثر محصول‌دهی می‌شود. علاوه بر راهبردهایی که باعث کاهش هدر رفت انرژی خورشید می‌شود، خوراک‌دهی مؤثر از دی‌اکسید کربن برای کشت‌های میکروجلبک حداکثر تولید زیست‌توده و تولید محصول را افزایش می‌دهد. تحت شرایط نور و مواد غذایی کافی تقریباً بیشتر کشت‌های میکروجلبکی دارای کربن محدود هستند و کمبود دی‌اکسید کربن می‌تواند منجر به کاهش 80 درصدی تولید زیست‌توده شود.

علاوه بر این، تحت شرایط عادی از دی‌اکسید کربن اتمسفری، شدت نور بالا تأثیر منفی بر عملکرد فتوسنتز میکروجلبک دارد در حالی‌که تحمل این شدت در غلظت‌های بالای دی‌اکسید کربن رخ می‌دهد. از دیدگاه حفاظت محیط زیست، با توجه  به ناکارآمدی هزینه و مصرف انرژی بالا در فرایندهای به‌دام انداختن و ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن، میکروجلبک یک گزینه پایدار محیطی برای جذب و استفاده از کربن، محسوب می‌شود. کربن معدنی مبنی بر دی‌اکسید کربن، به‌عنوان مواد بیوشیمیایی باارزش در سلول‌های جلبک دخیل است. بنابراین، سیستم‌های کشت جلبک را می‌توان با تولیدکننده‌های بزرگ دی‌اکسید کربن، مانند نیروگاه‌ها به‌منظور کاهش کربن و تولید محصولات زیستی باارزش از جلبک ادغام کرد.

دستیابی به مدیریت مؤثر نور در فتوبیوراکتورها

تبدیل مؤثر انرژی خورشید به محصولات زیستی ارزشمند یک مسئله مهم برای طیف وسیعی از محصولات بیوشیمیایی تجاری جلبک است. سلول‌های میکروجلبک به‌طور کلی تمام فوتون‌های رسیده از طیف مرئی را جذب می‌کنند، که این به‌علت برداشت مؤثر و بالای نور کلروفیل است. در عین حال، تمام فوتون‌های جذب شده برای فتوسنتز مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. بهبود بهره‌وری استفاده از نور می‌تواند کارایی واکنش‌هایی که باعث تثبیت کربن می‌شوند را افزایش دهد. در نتیجه بهبود طیف نور منتقل‌شده به کشت‌های جلبک، می‌تواند استفاده مؤثر از نور، برای تولید ترکیبات زیست‌فعال خاص را فراهم کند.

روش‌های اصلاح نور برای فتوبیوراکتورها مناسب هستند و ممکن است موجب استفاده مؤثر از انرژی خورشید و هدایت به سمت تولید بیشتر زیست‌توده در مقایسه با کشت‌های استاندارد در فضای باز شود. راهبردهای زیادی برای بهبود بهره‌وری استفاده از نور در میکروجلبک مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. این راهبردها شامل حداکثر شدن کمیت و کیفیت تابش‌های فعال فتوسنتزی، پخش یا هدایت نور رسیده به ظرف کشت، به‌حداکثر رساندن دسترسی، تبدیل نور از مقدار کم به زیاد در فتوسنتز و استفاده از مواد در حال ظهور برای به حداقل رساندن انتقال بخشی از طیف‌های مضر برای رشد سلولی است.

انتخاب طیفی و فیلتراسیون

پاسخ میکروجلبک‌ها به مناطق مختلف طول‌موج با استفاده از طیف فعالیت آن‌ها تعیین می‌شود، که در آن فوتون‌های جذب‌شده برای فتوسنتز استفاده می‌شوند. میکروجلبک دارای طیف گسترده‌ای از رنگدانه‌های برداشت نور است که انرژی فوتون را در محدوده تابش فعال فتوسنتزی جذب می‌کند، اما پروفایل این رنگدانه‌ها تا حد زیادی طول‌موج‌های مورد استفاده در فتوسنتز را مشخص می‌کند. طول‌موج‌های دارای تابش فعال فتوسنتزی به ترتیب نشان‌دهنده 28 و 43 درصد از فوتون‌های خورشید و کل انرژی خورشید هستند، که به زمین می‌رسند.

با این وجود، طول‌موج‌های قرمز و آبی به‌طور معمول توسط کلروفیل a و b جذب می‌شوند و در فتوسنتز بسیار مؤثر هستند. فرایند فیلتراسیون طول‌ موج، توانایی ارائه طیف ویژه نور برای فتوسنتز جلبک را دارد. با توجه به انتخاب طیفی، دو پارامتر طول‌موج‌های جذب شده و استفاده مؤثر از این طول‌موج‌ها توسط سلول‌های جلبک، در جذب نور توسط کشت‌های جلبک مورد توجه قرار می‌گیرند. در حالی‌که فوتون‌ها بین 400 و 700 نانومتر برای فتوسنتز کافی در نظر گرفته می‌شوند، میزان فتوسنتز میکروجلبک‌ها در پاسخ به نور در طول‌موج‌های مشخص، طیف عمل آن‌ها را مشخص می‌کند.

جذب و طیف فعالیت جذب‌شده میکروجلبک به‌طور قابل توجهی متفاوت است، که نشان می‌دهد طول‌موج‌های کم ارزش به‌علت جذب ضعیف می‌توانند در پیشروی فتوسنتز به‌خصوص در کشت‌های با چگالی بالا بسیار مؤثر باشند. در حالی‌که ممکن است طول‌موج‌های ضعیف جذب شده -مانند آن‌هایی که در محدوده سبز هستند- بیشتر در کشت‌های چگال نفوذ کنند و برای فتوسنتز استفاده شوند، در کار اخیر وادیولو و همکارانش با استفاده از فیلترهای رنگی LEE نشان داده شد که این مورد حداقل برای Nannochloropsis MUR 266 صادق نیست. در این مورد، بیشترین میزان رشد زیست‌توده از ترکیب نور آبی و قرمز، بالاترین میزان تولید لیپید در نور خالص آبی، بیشترین محتوی کلروفیل در ترکیبی از نور آبی و سبز حاصل شد. در حالی‌که نور سبز به تنهایی رشد خالصی نشان نداد. بنابراین طول موج آبی برای تبدیل Nannochloropsis MUR 266 به زیست‌توده به شدت مفید است، زیرا آن‌ها دارای انرژی بالا و نفوذ خوبی در کشت هستند، در حالی‌که طول‌ موج سبز منجر به افزایش تولید رنگدانه‌های برداشت نور می‌شود و دلالت بر این دارد که طول‌موج سبز برای تبدیل نور خورشید به رشد یا تولید لیپید بهینه نیست.

تحقیقات مشابه توسط وادیولو و همکارانش و تامبوریک و همکارانش نشان داد که نور آبی به‌عنوان مؤثرترین پیش‌برنده‌ فتوسنتز است، این نکته قابل ذکر است که آن‌ها از کشت‌های نازک برای این آزمایشات استفاده کرده‌اند. بر خلاف نتایج گزارش شده توسط وادیولو و همکارانش برای کشت‌ میکروجلبک‌های دیگر نشان داده شد که بالاترین بهره‌وری زیست‌توده برای طیف‌ها با جذب ضعیف که حاوی مناطق طول‌موج‌ زرد و سبز است حاصل می‌شود. به‌طور خاص، بهره‌وری زیست‌توده در داخل یک فتوبیوراکتور صفحه تخت، تحت نور زرد به اندازه 1.86 برابر نسبت به بهره‌وری در طیف جذب قرمز و آبی بود. به گفته متوس و همکارانش، طیف جذب ضعیف سبز در کشت نوری چگال از نظر فتوسنتزی نسبت به طیف‌های قوی جذب‌شده آبی و قرمز بالاترین بازدهی در تولید زیست‌توده را دارد.

در سیانوباکتری، گزارش شده است که طیف نور در محدوده طول موج 500 تا 650 بیشترین بازدهی را دارد، زیرا طول‌موج‌های کوتاه‌تر منجر به آسیب نوری و القای حفاظت نوری در ارگانیسم‌ها می‌شود. ترکیب طیفی نور بر متابولیت تولید میکروجلبک اثر می‌گذارد و برای افزایش تولید بیوشیمیایی مورد نظر می‌تواند دستکاری شود. در تحقیقی نشان داده شد که طیف آبی تولید آستاگزانتین را نسبت به طول‌ موج قرمز افزایش می‌دهد، که موجب افزایش سرعت تکثیر سلولی در کشت‌ گونه Haematococcus pluvialis می‌شود.

در این حالت، ایجاد یک سناریوی متناوب طول‌موج هیبریدی می‌تواند بهره‌وری کلی را افزایش دهد، در ابتدا با رشد تحت طیف قرمز برای به حداکثر رساندن زیست‌توده و بعد استفاده از نور آبی برای افزایش تولید متابولیت‌ها، که مدیریت و دستیابی به آن در فتوبیوراکتورها نسبت به استخرهای باز آسان‌تر است. نشان داده شده است که تغییرات طول‌موج تأثیرات مثبتی بر محصول‌دهی کشت جلبک دارد. به‌عنوان مثال بیشترین بهره‌وری زیست‌توده برای کلرلا با کشت تحت نور آبی در دو روز اول حاصل می‌شود که باعث افزایش سایز سلول‌ها شده و به‌دنبال آن نوردهی با طیف قرمز در سه روز که باعث افزایش تکثیر سلولی می‌شود.

در یک روش متفاوت برای استفاده از طیف انتخابی، مطالعه اخیر نشان داده است که استفاده از نورهای مخلوط می‌تواند موفقیت آمیز باشد، اما بهینه‌سازی آن نیز برای هرگونه خاص متفاوت است. در کشت گونه C. reinhardtii بیشترین میزان بهره‌وری زیست‌توده در طیف مخلوط از طول موج قرمز:سبز:آبی با نسبت‌های 80:10:10 به‌دست آمد، در حالی‌که در طول‌موج قرمز:سبز:آبی با نسبت‌های 40:40:20 بیشترین میزان زیست‌توده به‌دست آمد.

از مثال‌های بالا بدیهی است که هیچ طول‌موج تک‌رنگی یا محدوده طیفی که برای همه گونه‌های جلبک بهینه باشد وجود ندارد. این نتایج نشان می‌دهد که روش‌های تحویل نور ترکیبی یا سفارشی برای پیشرفت کشت میکروجلبک‌ها هستند که در آن افزایش تولید زیست‌توده و یا تولید متابولیت مورد نظر است. این احتمال وجود دارد که تغییرات مداوم یا مخلوط از مناطق طیفی خاص برای بهینه‌سازی تولید، نیاز به آزمایش داشته باشند. بنابراین شیوه‌هایی که نور می‌تواند به کشت برسد، به اهمیت حیاتی از نظر اقتصادی برای کشت با استفاده از فتوبیوراکتورها تبدیل می‌شوند.

انتخاب طول‌موج و فیلتراسیون را می‌توان با استفاده از طیف وسیعی از فناوری‌ها؛ از جمله فیلترهای رنگی، اپتیک‌های مخصوص مهندسی، رنگ‌ها و پانل‌های فلورسنت به دست آورد. جدا از اینکه بتوان مقدار مفیدتری از تابش‌ فعال فتوسنتزی را به کشت رساند، مناسب کردن طول‌موج‌های خاصی که می‌توانند به محیط کشت  منتقل شوند باید منجر به کاهش قابل ملاحظه‌ میزان گرما و انرژی فرابنفش جذب‌شده توسط کشت شود. این امر پس از آن باید در مورد آسیب سلولی ناشی از اشعه فرابنفش کمتر مشکل داشته باشد و استرس ناشی از دما در کشت‌ها کاهش یابد و نیاز کمتری به سیستم‌های خنک‌کننده جانبی داشته باشد.

دستگاه‌های جذب‌کننده نور خورشید

استفاده از دستگاه‌های جذب‌کننده نور خورشید از نظر تئوری یک برنامه امیدوارکننده در جهت جمع‌آوری فوتون‌ها برای بهبود بهره‌وری فتوسنتز در سیستم‌های در حال رشد میکروجلبک است. کاربرد آن‌ها در صنعت فتوولتائیک تثبیت شده است. جذب‌کننده‌های خورشیدی، کشت میکروجلبک را به‌گونه‌ای هدایت می‌کنند که به‌طور مستقیم در جهت خورشید قرار بگیرند. دستگاه‌های جذب‌کننده نور خورشید به‌طور مداوم جهت خود را در جهت نور خورشید در طول روز می‌چرخانند. مطابق شکل، از آن‌جا که این دستگاه‌ها نور خورشید را در حالت افقی و عمودی جذب می‌کنند، حداکثر جذب و جمع‌آوری انرژی خورشید توسط فتوبیوراکتورها حاصل می‌شود.

نوردهی مصنوعی

منابع نور مصنوعی برای تولید میکروجلبک‌ها از جمله لامپ‌های هالوژن، لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های تخلیه با شدت بالا و دیودهای دارای تابش نور (LED) هستند، که استفاده از این نورهای در کشت به‌خوبی گسترش یافته است. مناسب بودن این منابع نوری به کیفیت آن‌ها بستگی دارد که شامل تابش طیف فعال فتوسنتزی، مصرف انرژی، بازده تبدیل، هزینه و توزیع طول‌موج است. لامپ‌های فلورسنت و LED ها، نورهای مصنوعی امیدوارکننده برای کشت میکروجلبک‌ها هستند، که معمولاً LED ها ترجیح داده می‌شوند.

استفاده فشرده از LED ها در کشت میکروجلبک‌های آزمایشگاهی به‌دلیل ویژگی‌های مفید آن‌هاست. آن‌ها متناسب با طیف فعال فتوسنتزی میکروجلبک‌ها طراحی شده‌اند تا از این طریق انتشار فرکانس‌های نامناسب از بین برود. منابع نور مصنوعی به‌طور معمول دارای بازده تبدیل بالای برق به نور با هدررفت کمتر انرژی به‌صورت گرما هستند. در بین منابع نور مصنوعی رایج، LED ها دارای طول عمر طولانی، تولید حرارت کم و تحمل در برابر روشن و خاموش شدن پیوسته هستند. نوردهی فتوبیوراکتورها با LED ها راحت و انعطاف‌پذیر است و هندسه، جهت‌گیری و کنترل دما در فتوبیوراکتورها به‌راحتی قابل کنترل است.

با توجه به اینکه شدت واکنش‌های بیولوژیکی و تنظیم ژن واکنش‌های تاریکی فتوسنتز به دما وابسته است، کنترل دما به یک عامل مهم در بهینه‌سازی رشد میکروجلبک تبدیل می‌شود. دماهای پایین در مناطق سرد ممکن است برای حفظ رشد میکروجلبک مناسب نباشد در حالی‌که تابش زیاد در مناطق استوایی می‌تواند منجر به بازدارندگی نوری و گرمای بیش از حد کشت شود. از نظر انرژی و اقتصادی، کنترل دمای فعال کشت میکروجلبک‌ها و فتوبیوراکتورها پر هزینه است. سردسازی در مناطق استوایی مورد نیاز است، در صورتی‌که در مناطق سردسیری عکس آن مورد نیاز است. با توجه به اینکه LED ها در محدوده فروسرخ تابش ندارند، آن‌ها فرصتی مناسب برای مدیریت کیفیت نور و دمای فتوبیوراکتور محسوب می‌شوند.

با این وجود، استفاده از LED ها برای کشت میکروجلبک ممکن است پرهزینه باشد، حتی اگر قیمت آن‌ها رو به کاهش باشد، انرژی الکتریکی برای عملکرد آن‌ها باید خریداری شود. هزینه انرژی الکتریکی برای کشت میکروجلبک‌ها با LED به ازای هر یک کیلوگرم وزن خشک 14 دلار تخمین زده شده است. هزینه بالای انرژی باعث می‌شود که آن‌ها برای تولید مواد زیستی کم‌ارزش مانند سوخت‌های زیستی غیر قابل‌ قبول باشند.

اقتصاد کشت میکروجلبک تحت نور LED در صورتی‌که همراه با تولید مولکول‌های زیستی با ارزش باشد بهبود می‌یابد، به‌خصوص اگر از مواد اولیه مانند فاضلاب‌ها و گاز دودکش‌ها استفاده شود. با توجه به اینکه قیمت آستاگزانتین در بازار حدود 2 تا 7 هزار دلار به ازای هر کیلوگرم است، هزینه نوردهی با LED توجیه می‌شود.

در صورت ترکیب نوردهی با خورشید و LED به‌خصوص در سیستم‌های کشت که قادر به تولید برق از منابع خورشیدی باشند و در صورت تولید مقدار قابل توجهی زیست‌توده، هزینه تولید به شدت کاهش می‌یابد. استفاده از LED ها در تحقیقات میکروجلبک در مقیاس آزمایشگاهی حاکم است. با این حال، استفاده از آن‌ها برای تولید در مقیاس صنعتی بسیار نادر است. از این رو، برون‌یابی نتایج مشاهده شده از نورهای مصنوعی به مدل‌های سناریو در فضاهای باز می‌تواند گمراه‌کننده باشد، زیرا پروفایل تابشی و توزیع طیفی نورهای مصنوعی و نور خورشید با هم همپوشانی ندارند، اما نورهای مصنوعی معمولاً تقریبی ضعیف از تابش خورشید هستند.

در تحقیقی از LED قرمز با شدت μE/m²/s 128 استفاده کردند و مشاهده کردند که نور قرمز به تنهایی نمی‌­تواند باعث افزایش رشد شود، زیرا آسیب­‌های جدی نوری اتفاق می‌­افتد. بنابراین آن‌ها از دو نور قرمز و آبی به شدت μE/m²/s 128 و  μE/m²/s 42 استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که میزان رشد و تولید رنگدانه بتاکاروتن در میکروجلبک Dunaliella salina تحت دو نور قرمز و آبی افزایش می‌یابد. همچنین دیگر پارامترها مانند وزن خشک سلول، کلروفیل a، کلروفیل b نیز در شرایط جدید طبق جدول زیر افزایش یافته است.

در تحقیقی دیگر نشان داده شد که نور سبز می‌تواند باعث تولید رنگدانه در جلبک شود، با این حال تحقیقات بیشتری برای نتیجه‌گیری قطعی در مورد تأثیر نور سبز بر روی جلبک‌ها نیاز است. در جدول زیر تأثیر نور با طول‌موج‌های خاص بر ترکیبات بیوشیمی برخی گونه‌های میکروجلبک نشان داده شده است.

پراکندگی نوری پلاسمونیک

هنگامی که یک میدان الکترومغناطیسی با الکترون‌های آزاد در فلزات یا فیلم‌های فلزی در تعامل است، الکترون‌های آزاد (پلاسما الکترون)، به‌دلیل نوسانات جمعی توسط بخش الکتریکی نور در رابط فلزی دی‌الکتریک برانگیخته می‌شوند. این نوسان جمعی الکترون‌ها باعث ایجاد ذرات بوزونیک به نام پلاسمون سطحی می‌شوند. هنگامی که پلاسمون‌های سطح فلزات برانگیخته می‌شود، میدان الکترومغناطیسی به شدت افزایش می‌یابد و منجر به افزایش پراکندگی یا جذب طول موج‌های خاص می‌شود.

فرکانس فوتون پایین‌تر از پلاسمون منعکس شده است، در حالی‌که فرکانس یک فوتون بالاتر از پلاسمون منتقل شده است. ویژگی‌ها و بزرگی اثر پلاسمونی به نوع، شکل، سایز و مجاورت فلز بستگی دارد. بنابراین، تنظیم فرکانس رزونانس پلاسمون (با تغییر اندازه، غلظت، شکل و طراحی پلاسمون‌ها) خود را با فلزات برای طول موج با یک برنامه خاص سازگار می‌کند. برخی از فلزات (مانند مس، طلا، نقره) مورد استفاده در پراکندگی پلاسمونی، انتقال باند الکترونیکی خود را در بخش قابل رؤیت طیف الکترومغناطیسی، جایی که جذب انرژی‌های خاص رخ می‌دهد دارند.

علاوه بر این، تعداد زیادی از فلزها و نیمه‌‌هادی‌ها در طیف مرئی بازتاب دارند، زیرا فرکانس پلاسمونی آن‌ها در طیف اشعه فرابنفش قرار می‌گیرد و این خاصیت‌ها باعث مفید بودن آن‌ها در کاربردهای پلاسمونیک می‌شود. اثر پلاسمونیک برای بهبود تبدیل نور در سلول‌های نوری استفاده شده است و کاربرد اخیر آن در تحریک معماری‌های فتوسنتز دیده شده است. این بدان معنی است که می‌توان از پدیده پلاسمونی برای هدایت طول‌موج‌‌های فتوسنتزی مفید به درون راکتورهای کشت میکروجلبک استفاده کرد. در حالی‌که فرصتی برای مهار سایر طول‌موج‌های انتقال‌یافته برای کاربردهای دیگر فراهم می‌کند.

 فعل و انفعالات فوتون‌ها و پلاسمون‌های سطحی می‌تواند برای افزایش جذب نور در طول موج خاص مورد استفاده قرار گیرد و در سطح پلاسمون مبتنی بر نور پراکنده شود. رشد Synechococcus elongatus ATCC 33912 در یک فتوبیوراکتور مجهز به سطح مهندسی نانو پلاسمونی (سطح نانو دیسک طلا) از طریق یک میدان نوری درخشان محصور در نزدیکی سطح یک هدایت‌کننده موجی تا 6.5 درصد افزایش یافته است. نانوذرات پلاسمونی حدود 35 درصد از طیف قرمز را به داخل فتوبیوراکتور برمی‌گردانند، در حالی‌که سایر فرکانس‌های نور (مانند نور آبی) را منتقل می‌کنند.

 ترکیبی از پدیده‌ پلاسمونیک و فتوولتائیک زیستی منجر به یک سلول دوتایی فتوسنتزی-پلاسمونیک-ولتائی شده است. در اینجا، تولید انرژی الکتریکی زیستی از طریق فیلم فلزی منفرد مورد استفاده برای تحریک همزمان فتوسنتز با انتقال نور پلاسمونیک به بیوفیلم و جمع‌آوری جریان تولید شده توسط فتوسنتز حاصل می‌شود.

اثر پلاسمونی می‌تواند برای افزایش تولید متابولیت‌های مورد نظر تنظیم شود. استفاده از یک فیلم پلیمری حاوی نانو نقره مهندسی‌شده کروی تشکیل شده است، باعث افزایش 35 درصدی کلروفیل و تولید کارتنوئید در کشت Chlamydomonas reinhardtii با انتقال انتخابی از نور آبی به کشت می‌شود.

یک مزیت اساسی دستگاه‌های پلاسمونیک این است که بر خلاف سلول‌های خورشیدی مرسوم محدود به باند نیستند. مهم‌ترین مضرات به‌دلیل تلفات اهمی و الکترون هسته است که ناشی از نوسانات پلاسمونیک است و هزینه بالایی دارد. برداشت نور پلاسمونی در حال حاضر یک آینده جذاب را برای تحویل طیف‌های متمایز با طول موج‌ با شدت بالا به فتوبیوراکتورهای حاوی میکروجلبک برای افزایش تولید محصولات مفید فراهم می‌کند. اگرچه این فناوری به بهینه‌سازی در زمینه غلظت فلزات، فاصله الکترودها، pH محیط و دمای دستگاه و همچنین ارزیابی اقتصادی در مقیاس صنعتی و امکان‌سنجی نیاز دارد.

اصلاح طیفی

جایگزینی مناسب برای مهندسی نور فتوبیوراکتورها در جهت افزایش بازده فتوسنتزی، مهندسی سلول از نظر اندازه آنتن کلروفیل است. بهبود بهره‌وری مؤثر فتوسنتر در تبدیل انرژی خورشید و دی‌اکسید کربن به زیست‌توده برای تولید تجاری مناسب و پایدار میکروجلبک مهم است. یکی از مهم‌ترین مسائل مربوط به کشت توده میکروجلبک این است که به‌دلیل پدیده سایه متقابل بین سلول‌ها در کشت‌های متراکم و پدیده اشباع نوری حداکثر بهره‌وری فتوسنتز حاصل نمی‌شود.

هنگامی که کشت‌های میکروجلبک در زیر نور کامل کشت می‌شوند، تعداد زیادی از کلروفیل‌های آنتنی جذب‌کننده نور موجود در فتوسیستم‌ها باعث می‌شوند که میزان ضبط فوتون نسبت به میزان کارایی الکترون‌ها در مراکز واکنش فتوسنتزی، کارآمدتر باشد. از این محدودیت می‌توان با کاهش میزان جذب فوتون‌ها توسط میکروجلبک جلوگیری کرد. یک راهبرد برای تعدیل میزان جذب فوتون، کاهش سایز و اندازه جذب مقطعی رنگدانه‌های آنتنی است.

آنتن‌های برداشت نور دلیل تراکم نوری زیاد در کشت‌های میکروجلبک هستند و آن‌ها در شرایط محدودیت نوری بسیار مهم هستند، زیرا افزایش تعداد آن‌ها برای بهینه‌سازی بهره‌وری فتوسنتز مؤثر است. کاهش غلظت مجتمع‌های برداشت نور میکروجلبک را تثبیت می‌کند تا تنها بخشی از فوتون‌ها را که برای فتوشیمیایی به‌طور کارآمد قابل استفاده هستند، ضمن افزایش نفوذ نور به درون کشت، جذب کند. در مقابل، تحت کشت‌های باز میکروجلبک در معرض نور شدید خورشید، دستیابی به بازده فتوسنتزی بالا به‌دلیل توزیع ناهمگن نور در سیستم‌های کشت غیر ممکن خواهد بود. از این رو، گرادیان نور تولید شده در کشت میکروجلبک باعث کاهش بازده استفاده از نور می‌شود.

بنابراین کاهش انتخابی فتوسیستم‌های میکروجلبک به تعداد کمی از اندازه آنتن‌های کلروفیل عملکردی باعث اشباع فتوسنتز در تابش بالاتر، بهبود توزیع نور و مقدار نور در دسترس برای هر سلول و تأثیر مثبت بر بهره‌وری کلی زیست‌توده می‌شود. 

نتیجه‌گیری

تهیه و برداشت نور خورشید برای تبدیل کارآمد به محصولات زیستی ارزشمند در مقیاس‌های تجاری میکروجلبک‌ها چالش‌برانگیز است. به همین ترتیب، تلاش‌های زیادی در بهینه‌سازی راهبردهای مدیریت نور به‌منظور بهبود بهره‌وری جلبک در فتوبیوراکتورهای مقیاس تجاری انجام شده است. با وجود این تلاش‌ها، تنظیم طیف‌های قابل استفاده فتوسنتزی از طیف خورشید، امری غیرممکن است. کاربرد عملی رویکردهای مدیریت نور در مقیاس تجاری، عمدتاً با امکان‌سنجی اقتصادی، ارزش محصول نهایی، عمر سیستم و سهولت اجرای آن تعیین می‌شود. به‌عنوان مثال، LED ها دارای یک طیف انتشار قابل کنترل هستند که می‌توانند با طیف عمل فتوسنتزی میکروجلبک‌های مختلف مطابقت داشته باشند، اما در حال حاضر برای تولید محصولات تجاری غیر اقتصادی هستند.

اصلاح طیفی و پراکندگی نوری پلاسمونیک فناوری‌های نویدبخش تقویت‌کننده بهره‌وری در سیستم‌های کشت میکروبی با بهبود کیفیت طیف فعال فتوسنتزی، بازده و توزیع در فرهنگ‌ها هستند، اما اجرای عملی آن‌ها باید بر جذب مجدد، پراکندگی و ضررهای داخلی غلبه کند. شیشه‌های قابل‌تعویض و فناوری‌های لعاب عایق‌بندی شده می‌توانند در فتوبیوراکتورهای جدید برای جذب طیف خاصی از نور در جهت تولید محصولات خاص و رسیدن به بیشترین میزان بهره‌وری فتوسنتزی قرار بگیرند.

فناوری‌های کنترل نور موجود فقط در چند گونه میکروجلبک آزمایش شده است و برای درک نیازهای طیف وسیع‌تری از گونه‌ها، نیاز به تحقیقات بیشتر است. به‌ نظر می‌رسد امیدوارکننده‌ترین رویکرد برای پیشبرد کشت میکروجلبک در فتوبیوراکتورها، تلفیق فناوری‌های مدیریت نور موجود و در حال ظهور به‌صورت هم‌افزایی به‌منظور بهبود بهره‌وری بیولوژیکی، کاهش هزینه‌های تولید و به‌حداقل رساندن تأثیرات زیست‌محیطی است.

نمونه‌ای از این روش ساخت پانل تخت فتوولتائیک با لنز عایق‌بندی شده فتوبیوراکتور است، که از فناوری مواد تازه موجود برای تغییر طیف خورشیدی در جهت انتقال طیف فعال فتوسنتزی مفید به کشت میکروجلبک‌ها استفاده می کند، در حالی‌که از طول‌ موج‌های فرابنفش و فروسرخ برای تولید برق استفاده می‌کند. توسعه این نوع فتوبیوراکتور مزایای استفاده از محصول زیستی و همچنین کاهش هزینه‌های مرتبط با مصرف انرژی و هزینه‌های خنک‌کننده را دارد. اتخاذ و تقویت رویکردهای ترکیبی برای تولید میکروجلبک‌ها با استفاده از فتوبیوراکتورها در جهت پیشبرد و اتخاذ فناوری‌های تولید تجاری محصولات میکروجلبک باارزش بالا ضروری است.