تولید جلبک کلرلا ولگاریس+ استراتژی تولید،برداشت و خالص سازی

روش های تولید ریزجلبک Chlorella vulgaris:

تولید جلبک کلرلا ولگاریس کلرلا در سال 2009 به 2000 تن (وزن خشک) رسید و تولیدکنندگان اصلی کلرلا کشورهای ژاپن، آلمان و تایوان هستند. این ریزجلبک سرعت رشد سریعی دارد و به هر مجموعه ای از شرایط رشد با اصلاح عملکرد یک جزء خاص پاسخ می دهد. ریزجلبک Chlorella vulgaris برای تولید در حجم بالا ایده آل است، زیرا در برابر شرایط سخت و مهاجمان به طور قابل توجهی مقاوم است. از یک سو، محتوای لیپید و نشاسته افزایش می‌یابد و بهره‌وری زیست توده در شرایط رشد نامطلوب مانند محدودیت نیتروژن و فسفر، غلظت بالای CO2، قرار گرفتن بیش از حد در معرض نور یا آهن بیش از حد و افزایش دمای محیط، متوقف می‌شود یا کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، محتوای پروتئین در شرایط رشد نرمال و مدیریت شده (مکمل نیتروژن) افزایش می یابد. بنابراین، بسیاری از تکنیک های رشد به منظور هدف قرار دادن داوطلبانه بهره وری زیست توده، چربی ها، پروتئین ها، کربوهیدرات ها و محتوای رنگدانه ها آزمایش شده اند.

رشد اتوتروف:

سیستم های حوضچه های باز:

حوض های باز رایج ترین روش تولید جلبک کلرلا ولگاریس هستند و همچنین ارزان ترین روش برای تولید زیست توده در مقیاس بزرگ هستند. سیستم های باز در چند گروه طبقه بندی می شوند که عبارتند از:

• آب های طبیعی (دریاچه ها، تالاب ها و برکه ها)
• فاضلاب
• حوض های مصنوعی
• کانتینرها

ریزجلبک های کلرلا ولگاریس، معمولاً در کنار نیروگاه ها یا صنایع سنگین با تخلیه انبوه دی اکسید کربن ساخته می شوند، جایی که زیست توده کلرلا، نیتروژن هوا را به شکل NOx جذب می کند. به منظور قرار گرفتن آسان تمام سلول ها در معرض نور خورشید، به ویژه در پایان مرحله رشد نمایی، عمق بهینه برکه 15-50 سانتی متر است. از سوی دیگر، سیستم‌های حوضچه‌های باز دارای محدودیت‌هایی نیز هستند، زیرا برای جلوگیری از خطر آلودگی، تبخیر آب، آلاینده‌ها، باکتری‌های مهاجم و خطر رشد سایر گونه‌های جلبک، نیاز به کنترل محیطی دقیقی دارند. علاوه بر این، تفاوت دما به دلیل تغییرات فصلی قابل کنترل نیست و کنترل غلظت CO2 و قرار گرفتن بیش از حد در معرض نور خورشید دشوار است. همچنین، نزدیک به پایان فاز رشد نمایی، برخی از سلول‌ها به اندازه کافی در معرض نور خورشید قرار نمی‌گیرند، زیرا سلول‌های دیگری که در نزدیکی سطح شناور هستند، آنها را می‌پوشانند و منجر به بازده جرم کمتر می‌شود، بنابراین، هم زدن محیط بسیار موثر است.

 سیستم فتو بیوراکتور بسته:

این فناوری عمدتاً برای غلبه بر برخی عوامل محدود کننده در سیستم‌های حوضچه باز اجرا شد، بنابراین زیست توده در یک محیط مدیریت شده از نظر PH، شدت نور، دما، و غلظت دی اکسید کربن، رشد می کند، و غلظت سلولی بالاتر و همچنین محصولاتی مناسبتر برای اهداف دارویی، غذایی و آرایشی ایجاد می شود. علاوه بر این، این سیستم ها برای سویه های حساسی که نمی توانند رقابت کنند و در محیط های سخت رشد کنند، مناسب تر هستند. تغذیه زیست توده با CO2 با حباب زدن لوله ها انجام می شود. در مواردی که لوله ها اصلا یا به اندازه کافی در معرض نور خورشید قرار نگیرند، از چراغ های فلورسنت استفاده می شود. لوله ها معمولاً 20 سانتی متر یا کمتر قطر دارند و ضخامت دیواره های شفاف آنها چند میلی متر است، که امکان جذب نور مناسب را فراهم می کند. از این رو، طرح‌های متعددی مورد استفاده و آزمایش قرار گرفته‌اند:

• فوتوبیوراکتور صفحه تخت
• فوتوبیوراکتور لوله‌ای
• و فوتوبیوراکتور ستونی

با این وجود، معایب اصلی یک سیستم بسته هزینه ساخت و ساز پیچیده، ناحیه نورپردازی کوچک و هزینه های استریل کردن است.

رشد هتروتروف:

این تکنیک نیازی به نور ندارد و زیست توده با منبع کربن آلی تغذیه می شود. بنابراین، ریزجلبک‌ها در یک بیوراکتور دارای همزن یا تخمیر کننده ، رشد می‌کنند که در این سیستم، به دلیل بهره‌وری بالاتر زیست توده خشک (تا 0.25 گرم در لیتر در روز) و تجمع زیاد اجزای مختلف مانند لیپیدها، درجه رشد بالاتر و همچنین هزینه برداشت پایین تر انتظار می‌رود. منابع کربن مورد استفاده برای ریزجلبک Chlorella vulgaris عبارتند از گلوکز، استات، گلیسرول و گلوتامات و حداکثر سرعت رشد ویژه که با گلوکز به دست می آید. با این وجود، عیب عمده این سیستم قیمت و نوع قندهای مورد استفاده است که با مواد اولیه برای مصارف دیگر مانند تولید مواد غذایی و سوخت زیستی رقابت می کنند.

رشد میکسوتروفیک (Mixotrophic):

ریزجلبک Chlorella vulgaris قادر است، هر دو روش اتوتروف و هتروتروف را با انجام فتوسنتز و همچنین مصرف مواد آلی مانند گلوکز که مناسب ترین شکل قند، برای کلرلا ولگاریس است، ترکیب کند. از این رو، سلول ها برای رشد کاملا به نور یا بستر آلی وابسته نیستند. این تکنیک به خوبی با سیستم‌های اتوتروفیک رقابت می‌کند و بهره‌وری زیست توده خشک بالا و بهره‌وری لیپیدها را نشان می دهد. مزایای اصلی متابولیسم میکسوتروف، محدود کردن تأثیر از دست دادن زیست توده در طول تنفس تاریک و کاهش میزان بسترهای آلی مورد استفاده برای رشد زیست توده است.

روش های برداشت ریزجلبک chlorella vulgaris:

سانتریفیوژ کردن:

این فرآیند به 20 تا 30 درصد از کل هزینه تولید زیست توده کمک می کند. رایج ترین روش برداشت برای Chlorella vulgaris، سانتریفیوژ (5000 دور در دقیقه، 15 دقیقه) است، زیرا بسیار کارآمد است (بازیابی 95٪)، زمان بر نیست و حجم های زیادی را تیمار می کند. علاوه بر این، مورفولوژی کلرلا ولگاریس، اجازه تنش گریز از مرکز، بدون آسیب رساندن به ساختار سلول ها در طول فرآیند را می دهد. تکنیک‌های دیگری نیز مانند لخته‌سازی، شناورسازی و فیلتراسیون یا ترکیبی از دو تکنیک برای به حداکثر رساندن بازیابی زیست ‌توده استفاده می‌شوند.

لخته‌سازی (Flocculation):

در طول فاز رشد نمایی، سلول‌های جلبکی بار سطحی منفی بالایی دارند و خنثی‌سازی آن‌ها دشوار است و بنابراین سلول‌ها پراکنده می‌مانند. پس از رسیدن به فاز ثابت یا رو به کاهش، بار منفی کاهش می‌یابد و به سلول‌ها اجازه می‌دهد تا جمع شوند و توده‌هایی تشکیل دهند و در نتیجه فرآیندی به نام خود فلوکولاسیون (auto-flocculation) ایجاد می‌شود. این پدیده با افزایش pH ناشی از جذب CO2، نیترات و فسفات  مرتبط است. علاوه بر این، لخته شدن خودکار می‌تواند، با برهمکنش بین جلبک‌ها و باکتری‌ها یا مولکول‌های آلی دفع شده یا با قطع کردن عرضه CO2 اتفاق بیفتد. این روش هزینه کمتری دارد، اما زمان بر است. به طور کلی، کشت ریزجلبک ها بسیار پایدار است و احتمال لخته شدن خودکار ناچیز و گاهی گمراه کننده است. برای تسریع در انعقاد باید با افزودن پایه، PH را افزایش داد. موثرترین هیدروکسید سدیم است، که بیش از 90 درصد لخته سازی را در pH 11  ایجاد می کند و به مقدار کمتری (9 میلی گرم NaOH در هر گرم زیست توده خشک) نیاز دارد. اما در مقیاس صنعتی، به نظر می رسد آهک مقرون به صرفه ترین باشد. این مکانیسم با Mg2þ از منیزیم هیدرولیز شده (OH)2 مرتبط است، که باعث جذب سلول های ریزجلبکی با بار منفی می شود. کیتوسان همچنین یک عامل لخته سازی جالب است، که حداکثر کارایی را در pH 7 با 90 درصد بازیابی میکروجلبک نشان می دهد. علاوه بر این، استفاده از فلوکولانت های زیستی مانند Paenibacilus sp با حضور یک فلوکولانت کمکی (CaCl2) نیز لخته سازی کارآمدی (83 درصد) در pH 11 نشان می دهد. فلوکولاسیون گاهی اوقات به عنوان یک مرحله قبل از برداشت به منظور تسهیل یا تکمیل سایر روش های برداشت مانند سانتریفیوژ یا فیلتراسیون در نظر گرفته می شود.

 شناورسازی (Flotation):

از نظر ما، شواهد محدودی از امکان‌سنجی آن وجود دارد، اما این روش شامل به دام انداختن سلول‌ها با استفاده از حباب‌های ریز هوای پراکنده است. شناورسازی همچنین می تواند، به طور طبیعی زمانی رخ دهد، که محتوای لیپید در ریزجلبک ها افزایش یابد. گاز ازن پراکنده (0.05 میلی گرم 1 زیست توده) می تواند، باعث شناورسازی موثر بر روی کلرلا ولگاریس شود. بنابراین، بر خلاف لخته سازی، این روش به مواد شیمیایی مصنوعی نیاز ندارد، اما قابلیت اقتصادی آن به ویژه در مقیاس صنعتی هنوز مشخص نیست.

فیلتراسیون (Filtration ):

این روش شامل عبور مداوم آبگوشت همراه با ریزجلبک از فیلتری است، که سلول های جلبک به طور مداوم روی آن تجمع می یابند، تا به ضخامت معینی برسند. به دلیل اندازه کوچک ریزجلبک Chlorella vulgaris، فیلتراسیون معمولی روش مناسبی برای آن نیست، در عوض اولترافیلتراسیون یا میکروفیلتراسیون کارآمدتر است. رسوب ایجاد شده توسط ترکیبات محلول مانند اگزوپلی ساکاریدهای برخی از ریزجلبک ها مانند پورفیریدیوم (Porphyridium)، یکی از محدودیت های اصلی در طول فرآیند اولترافیلتراسیون است. اما درمورد کلرلا این پدیده ناچیز است، بنابراین ساختار آن جریان نفوذ مهم تری را بدون نیاز به عملیات اضافی مانند چرخش در حین فیلتر کردن، فراهم می کند. علاوه بر این، میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون تحت تأثیر پارامترهای مختلفی مانند نوع فیلتر، فشار غشایی، سرعت جریان، جریان متقاطع آشفته و فاز رشد، قرار می گیرند، و این پارامترها باید در نظر گرفته شوند. همچنین، آنها می توانند با تکنیک برداشت دیگری (شناورسازی یا لخته سازی) همراه شوند که فرآیند را بهبود می بخشد.