بخشی از مقاله
چکیده
میکروجلبکها به دلیل نرخ زیاد رشد، انتخاب مناسبی جهت تولید محصولات گوناگون میباشند. کشت میکروجلبک میتواند در دو ساختار اصلی باز و بسته صورت گیرد . یکی از مشکلات اصلی در طراحی پربازده فتوبیوراکتورها، ضعیف شدن شدید نور به هنگام نفوذ آن در محیط کشت و سایهاندازی متقابل سلولها میباشد. یک راهحل مرسوم، استفاده از اثرات تابش لحظهای نور میباشد که به عنوان دورههای روشنی/تاریکی نام برده میشود. در این پروژه، جهت اعمال این شرایط در محیط کشت میکروجلبک، نوع جدیدی از فتوبیوراکتور تحت عنوان فتوبیوراکتور شوکنوری ساخته شد که دورههای روشنی/تاریکی به صورت متناوب و قابل کنترل بر روی لولهها ایجاد شدهاند.
طولهای متفاوت از دورهی روشنی/تاریکی در محدودهی 0-25 میلیمتر مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج آزمایشها نشان میدهد که فتوبیوراکتور شوکنوری با دورهی روشنی/تاریکی بهینه، در مقابل فتوبیوراکتور معمولی در شدت نور مشابه، بازدهی بیشتری دارد و به رشد میکروجلبک کلرلا ولگاریس، نمونهی مورد آزمایش در این پروژه، کمک بسیاری میکند. به صورتی که میزان بهرهوری بیومس کلرلا ولگاریس در دورهی روشنی/تاریکی 6/25-6/25 میلیمتر و شدت نور 10000 لوکس به میزان 27/62 درصد نسبت به فتوبیوراکتور معمولی افزایش داشتهاست.
.1 مقدمه
میکروجلبکها گروهی از میکروارگانیسمها هستند که به صورت تکسلولیهای منفرد و یا تکسلولیهای متصل به هم یافت میشوند. تقریباً، نصف اکسیژن تولید شده بر روی زمین توسط میکروجلبکها تولید میگردد، به طوریکه همزمان، دیاکسیدکربن در حین فرآیند فتوسنتز توسط آنها مصرف میشود. به صورت متوسط، بیومس ریزجلبک شامل 20-30 درصد کربوهیدارت، 10-20 درصد لیپید و 40-60 درصد پروتئین است .[1]
از میان گونههای مختلف میکروجلبکها، گونهی کلرلا به خصوص کلرلا ولگاریس، مناسبترین گونهی جلبک جهت تولید لیپید با مقیاس بالا میباشد و دلیل اصلی آن، ظرفیت لیپیدی بالا - 14-22 درصد به ازای وزن خشک - ، رشد قابل کنترل، سرعت ویژهی رشد بالا - حدوداً 0/25 در هر روز تحت شرایط بهینه - و قابلیت رشد در حضور میزان بالای دیاکسید کربن است .[3 ,2]
میکروجلبکها، یک منبع طبیعی با پتانسیل بالا هستند که از سال 1952 توجه دانشمندان و صنعت را به خود جلب کردهاند. میکروجلبکها میتوانند به صورت مستقیم و یا غیر مستقیم در تولید ترکیبات با ارزش بالا و همچنین در کاربردهای زیستمحیطی از قبیل تصفیهی آب و فاضلاب، تولید هیدروژن، مواد دارویی، امگا 3 و ... مورد استفاده قرار بگیرند .[5 ,4]
همچنین، میکروجلبک یک منبع بیومس ایدهآل برای تولید انرژیهای تجدیدشونده شناخته شدهاست و قابلیت تبدیل به بیودیزل و توانایی مصرف دیاکسیدکربن خارج شده از گازهای زاید صنعتی را دارد .[7 , 6] همچنین به علت خواص زیستی بینظیر میکروجلبکها، میتوان آنها را در تولید محصولات متنوع از جمله اسیدهای چرب غیراشباع مانند EPA و DHA، ویتامینها و آنتیاکسیدانها بهکار برد .[8]
در حال حاضر، استفادهی وسیع از میکروجلبکها با چالش بزرگی روبرو است. این چالش، چگونگی بدست آوردن مقدار زیادی از بیومس میکروجلبک جهت برآوردن تقاضای انرژی و محصولات متنوع قابل تولید از میکروجلبک میباشد .[7] به صورتی که تلاشهای تحقیقاتی بسیاری جهت بهینهسازی شرایط رشد مورد نیاز میباشد تا بتوانیم به روشهای کشت با مقیاس بالا دست یابیم.
یکی از عوامل مهم مؤثر بر تولید، وجود نور میباشد. انرژی نور، به صورت کامل، رشد میکروجلبک را تضمین مینماید ولی علیرغم این ویژگی مثبت، در صورت وجود نور زیاد در محیط کشت، با پدیدهی مهار نوری روبرو خواهیم شد [.9]بنابراین، نیاز است شرایط نوری حاکم بر محیط کشت، کاملاً تحت کنترل باشد و بهینهسازی گردد.
با توجه به این موضوع، طراحی درست و بکارگیری بهترین سیستم کشت میکروجلبکها، نقش بسیار مهمی را در تأثیر عامل نور بر تولید بیومس ایفا مینماید. تاریخچهی استفادهی تجاری از کشت میکروجلبکها با کاربردهای متفاوت، به 70 سال پیش باز میگردد .[10] تاکنون، دو سیستم اصلی جهت کشت میکروجلبکها با توجه به ویژگیهای مهندسی متفاوت، طراحی شده است:
1 - واحدهای باز نسبتاً ساده که در مقایسه با دیگر روشهای تولید، تعمیرات و نگهداری آسانتری دارند. این سیستمهای باز شامل دریاچهها، کانالهای عمیق، واحدهای گردشی کم عمق و غیره میباشد.
- 2 سیستمهای بستهی پیشرفتهتر که عموماً فتوبیوراکتور نامیده میشوند و جهت کشت میکروجلبکهای خاص برای تولید محصولات بیوشیمیایی مشخص استفاده میشوند .[11]
به علت معایب و محدودیتهای سیستمهای باز، فتوبیوراکتورها به عنوان نقطهی مقابل سیستمهای باز و نیز به عنوان یک روش کامل در کشت میکروجلبک در نظر گرفته شدهاند. به صورتی که، افزایش علاقه به این فناوری، منجر به تحول فنی عظیمی در کشت میکروجلبک گردیده و اختراعات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است .[5] تاکنون، سیستمهای بسته به صورت گسترده مورد آزمایش بودهاند.
زیرا این سیستمها، مزایای بیشتری نسبت به سیستمهای باز ارائه میدهند، از قبیل: کاهش آلودگی، شرایط کشت قابل کنترل، اتلاف کمتر دیاکسیدکربن، تبخیر کمتر آب، نرخ بالای تولید و درجه خلوص بالاتر .[13 ,12] تاکنون، فتوبیوراکتورها در ساختارهای متنوعی طراحی شدهاند. اما به صورت کلی میتوان آنها را به سه دسته تقسیم نمود: لولهای، صفحات تخت و مخزن همزندار - شکل .[14] - 1 با توجه به اینکه، مناسبترین روش کشت میکروجلبک استفاده از فتوبیوراکتور است، باید تلاش جهت بهینهسازی فتوبیوراکتور برای افزایش نرخ بازده فتوسنتز و در نتیجه افزایش نرخ تولید محصول صورت بگیرد.
در میان عوامل مؤثر بر کشت میکروجلبک، انرژی نور میتواند عامل محدودکنندهی رشد به شمار آید. زیرا رساندن نور کافی به تمامی نقاط محیط کشت و استفادهی بهینه از این انرژی برای تولید بیومس، کار سختی میباشد .[8] یک راهحل جهت افزایش سطح استفاده از نور توسط میکروجلبکها و بکارگیری مؤثر آن، تغییر شرایط نوری توسط مهندسی نور است .[15]
انرژی نور به راحتی توسط رنگدانههای موجود در میکروجلبکها جذب میگردد. زمانیکه نور در محیط کشت میکروجلبک نفوذ میکند، شدت آن به مقدار زیادی کاهش مییابد. به این علت، میزان نور منتشر شده از منبع نوری باید به گونهای تنظیم گردد تا به این محدودیت نوری در محیط کشت غلبه نماید.[11] یک روش جهت حل این مشکل، تابش لحظهای نور* است [19- 16 ,11 ,10 ,8 ,7] و تأمین نور بر اساس استفادهی مداوم و در دورههای زمانی طولانی میتواند با استفادهی متناوب نور جایگزین گردد.
مطالعات تئوری انجام شده در مورد اثر استفادهی متناوب نور بر روی فتوسنتز، نشان میدهد که شدت نور بالا میتواند با بازدهی بالا مورد استفاده قرار گیرد، اگر در دورههای زمانی کوتاه تابیده شود و توسط دورههای تاریکی طولانی از هم جدا گردد .[20] تابش لحظهای نور، اغلب به عنوان تابش در فواصل زمانی روشنی/تاریکی منظم، تعریف میگردد که جایگزین منبع نوری مداوم میشود. در این نوع تابش، شدت متوسط شامل دورهی روشنایی و دورهی تاریکی است و کسر روشنایی در سیکل روشنی/تاریکی - L/D - هم از لحاظ طول دوره و هم شدت آن، پارامتری فرآیندی است که باید بهینه سازی گردد .[21]
از شواهد موجود تا زمان حال، میتوان نتیجه گرفت که تابش لحظهای یک روش پربازدهتر جهت کشت میکروجلبک است، زیرا نرخ سریعتر فتوسنتز و نرخ رشد بالاتر از تأثیرات تابش لحظهای بودهاند .[22] دلیل منطقی این افزایش بازدهی، کاهش مسیر نور است که زمان انتشار نور را به میلیثانیه کاهش میدهد. این زمان به مقیاس زمانی واکنشهای روشن و تاریک فرآیند فتوسنتز نزدیک است .[15]
این نتایج در تولید متابولیتهای با ارزش بالا و نیز محصولات طبیعی حاصل از میکروجلبکها سهیم میباشند. از آنجائیکه کمبود فتوبیوراکتور مناسب از استفادهی تجاری میکروجلبکها جلوگیری نموده است، اعمال تابش لحظهای میتواند عملکرد فتوبیوراکتور را بدون نیاز به تغییرات و اصلاحات ژنتیکی و یا توسعهی مکانیسم فتوسنتز بهبود بخشد .[10]
