1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

مهندسی نانوذرات در فرآیندهای کشت و برداشت میکروجلبک ها برای تولید بیودیزل؛ مروری بر پیشرفت های اخیر

افراد مقاله : ‌ مترجم - ابوالفضل آذرنیا , مترجم - امیر آذرنیا , مترجم - نوشین بی آزار املشی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : جلبک - نانوذرات - نانوکاشت - فناوری‌نانو تاریخ مقاله : 1395/02/26 تعداد بازدید : 2434

مراحل مختلف تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک ها توسعه یافته است. افزایش بازده و کاهش قیمت کشت و برداشت جلبک در آن‌ها، مهمترین موانع بر سر راه تجاری سازی محصول بوده‌است. اخیراً، برای غلبه بر مشکلات و محدودیت های فنی پیش‌رو، مهندسی نانوذرات بر پایه خواص فیزیکی- شیمیایی و مکانیکی منحصربه‌فرد ذرات، به عنوان ابزار قدرتمند عملی و تحلیلی مورد استفاده قرار گرفته ‌است. این کاربردها شامل؛ بهبود رشد سلول یا رنگدانه ها با استفاده از پراکندگی برگشتی نور، القای توده های لیپیدی بین سلولی با استفاده از تغذیه رقابتی و محیط تحت تنش، افزایش بازده جدایش سلولی و زمان فرآوری، و استفاده مجدد چندگانه از نانوذرات مغناطیسی به عنوان مراکز جمع کننده گونه های محیطی است. در این مقاله مروری به پیشرفت های اخیر در زمینه استفاده از فرآیندهای کشت و برداشت عملی میکروجلبک ها بر پایه مهندسی نانوذرات پرداخته می‌شود.

 

1. مقدمه

از آنجایی که بخش‌های اصلی سلول مانند کربوهیدرات، پروتئین، لیپید و رنگدانه به طور مؤثر در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اصلاح زیستی آن‌ها با استفاده از میکروجلبک‌ها، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده‌است. از بین بخش‌های مختلف میکروجلبک‌ها، استفاده از لیپید (روغن) در تناژ بالا، در مقیاس صنعتی و در مقیاس پژوهشی، توجه بسیاری را به خود جلب کرده ‌است. بسیاری از مهندسان و دانشمندان با توجه به از بین‌روی سریع منابع سوخت‌های فسیلی، نیاز روز افزون به انرژی و بحث گازهای گلخانه‌ای، لیپید میکروجلبک را مطلوب‌ترین جایگزین برای مواد خام بیودیزلی می‌دانند.

میکروجلبک‌ها به دلیل راندمان و بهره‌وری بالای فوتوکاتالیستی و میزان قابل‌ ملاحظه لیپید، مزیت‌های متعددی نسبت به محصولات روغنی متداول، مانند دانه روغن سویا، تخم روغنی شلغم و گل آفتاب‌گردان دارند. از مزیت‌های دیگر میکروجلبک‌ها می‌توان به توانایی استفاده از مواد مغذی موجود در آب‌های پسماند، تمایل به رشد بدون توجه به حاصلخیزی خاک و رشد با استفاده از آب غیرآشامیدنی اشاره کرد. به طور قطع، خواص یاد شده امکان استفاده از نواحی غیر قابل استفاده مانند مناطق ساحلی، زمین‌های بایر و مناطق گیاهی به وجود آمده با آب‌های پسماند را برای میکروجلبک‌ها فراهم می‌کند و در نهایت این اطمینان را به وجود می‌آورد که رقابتی بین محصولات کشاورزی برای زمین‌های نایاب وجود ندارد. این کار می‌تواند از مصرف روغن‌های خوراکی در کشورهای فقیر جلوگیری کند.

تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک، یک فرآیند متوالی بوده و از مراحل کاشت، برداشت، استخراج روغن جلبک و تبدیل به سوخت زیستی تشکیل می‌شود. با وجود پژوهش‌های گسترده در چند دهه اخیر، بازده و کاهش قیمت بیودیزل‌های تولیدشده با میکروجلبک‌ها به عنوان یک مانع کلیدی در برابر تجاری‌سازی بهینه آن مطرح است (هزینه نهایی یک کیلوگرم بیودیزل: 2 دلار). از بین چهار مرحله تولید بیودیزل، مرحله کاشت (که بیش از 40 درصد هزینه نهایی را به خود اختصاص می‌دهد) گران‌ترین مرحله محسوب می‌شود. دستیابی به کشتی در مقیاس صنعتی با استفاده از میکروجلبک‌های تولید شده به وسیله مهندسی ژنتیک، با بازده بالای لیپید، بسیار دشوار است. از طرفی، آنچه که در زمینه کشت انبوه میکروجلبک‌های روغنی مشکل‌آفرین است، آلودگی جلبک‌ها در اثر باکتری‌ها و قارچ‌های خارجی است. اگرچه هزینه مرحله برداشت میکروجلبک‌ها، حدود 30-20 درصد هزینه کل فرآیند تولید سوخت بیودیزل‌ را تشکیل می‌دهد، اما هزینه این مرحله بسته به نوع روش برداشت، چگالی کشت میکروجلبک‌ها و نوع گونه‌های آن‌ها متغیر است. تاکنون هیچ فناوری عمومی و فراگیری به منظور برداشت اقتصادی زیست توده میکروجلبک‌ برای تولید سوخت بیودیزل توسعه نیافته ‌است. پیش‌نیاز مشترک هر کدام از این چهار مرحله، قیمت پایین و فناوری با مصرف کم انرژی است که می‌تواند فرآیند کلی تولید سوخت بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها را پربازده و تداوم‌پذیر کند. اخیراً، رویکردها و روش‌های یکپارچه‌ای برای غلبه بر محدودیت‌های فنی- اقتصادی فرآیند تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها گزارش شده‌است که از جمله آن‌ها می‌توان به برداشت یا آزادسازی مولکول‌های زیستی از سلول با استفاده از نانوذرات و تبادل استری مستقیم روغن میکروجلبک‌ها به سوخت بیودیزل اشاره کرد.

مهندسی نانوذرات مفهومی است که توسعه و استفاده از نانوذرات سنتز شده با آرایش معین در مقیاس نانو را پوشش می‌دهد. نانوذرات به واسطه سطح ویژه بسیار بالای خود، خواص فیزیکی- شیمیایی و مکانیکی منحصربه‌فردی مانند واکنش‌پذیری شیمیایی، سختی، الاستیسیته، استحکام و الکتریسیته دارند که با مواد بالک کاملاً متفاوت هستند. به همین دلیل، نانوذرات مهندسی‌شده، در طیف گسترده‌ای از زمینه‌های کاربردی از جمله تولید محصول، لوازم آرایشی، دارورسانی هدفمند، فوتونیک کریستال‌ها، آنالیز مواد، مواد غذایی، پوشش‌ها، رنگ‌ها، درمان اختلالات زیستی، کاتالیست‌ها و علم مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهندسی نانوذرات به عنوان یک زمینه نسبتاً جدید، راه‌حل‌های احتمالی را برای بسیاری از چالش‌های پیش روی مراحل مختلف فرآیند تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها ارائه می‌کند. برای نمونه، به منظور بهبود بازده تبدیل بیودیزل و افزایش کیفیت سوخت حاصل از آن، مطالعات گسترده‌ای روی نانوکاتالیست‌های غیرهمگن انجام شده و در فصول و مقالات مروری اخیر به تفصیل پوشش داده شده‌اند. با این حال، مقالات مروری کمتری در زمینه کشت میکروجلبک‌ها و فرآیندهای کاشت موجود در روش‌های مختلف مهندسی نانوذرات از جمله پراکندگی برگشتی نور، مکمل‌سازی غذایی، سنتز لیپید، جداسازی مغناطیسی، و فلوکولاسیون[2] طبیعی یا مصنوعی نانوذرات منتشر شده ‌است.

هدف از این مقاله مروری، به روز رسانی پیشرفت‌های اخیر در زمینه کاشت میکروجلبک‌ها و فرآیندهای برداشت آن‌ها از دیدگاه مهندسی نانوذرات است. در مقاله حاضر، مشکلات و چالش‌های اصلی و تلاش‌های انجام شده برای مرتفع‌سازی آن‌ها با استفاده از روش‌های مهندسی نانوذرات پوشش داده می‌شوند. همچنین، به تأثیرات آتی مهندسی نانوذرات در زمینه کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی تولید سوخت بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها پرداخته خواهد شد.

 

2. کاشت میکروجلبک‌ها با استفاده از نانوذرات

2-1 دورنما

مرحله کاشت، گران‌ترین مرحله در بین مراحل چهارگانه تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها است. اولویت‌هایی که در این مرحله مورد توجه قرار دارند، عبارتند از: افزایش بازده تولید زیست‌توده‌های میکروجلبک در یک متر مربع از زمین بدون رشد رقابتی باکتری‌ها و آلاینده‌های خارجی، افزایش انباشت روغن درون سلولی در میکروجلبک‌ها و ایجاد یک محیط کشت پایدار برای میکروجلبک‌ها با توجه به جمعیت میکروبی میکروجلبک‌ها و باکتری‌های هم‌زیستی‌کننده. جداسازی گونه‌های جدید میکروجلبک‌ها از محیط‌های طبیعی، و مهندسی ژنتیکی آن‌ها از جمله گزینه‌های پیش رو برای بهبود راندمان و بازده فرآیند تولید بیودیزل با استفاده از میکروجلبک‌ها به شمار می‌رود. اگرچه اخیراً چندین واکنشگر زیستی- نوری[3] برای کاشت میکروجلبک‌ها مورد آزمایش قرار گرفته‌است، اما این مواد هنوز دارای یک یا چندین محدودیت از نقطه‌نظر انتقال گاز، اختلاط، ذخیره‌سازی نور و بهره‌وری تولید هستند. روش‌های مختلفی برای افزایش میزان روغن در سلول‌ها گزارش شده‌ است که از جمله آن‌ها می‌توان به تخلیه نیتروژن[4]، کاشت همزمان عوامل ضد میکروبی و تنش نمکی[5] (نیروهای اسمزی که به یک گیاه در محیط‌های نمکی وارد می‌شود) اشاره کرد. نانوذرات خاصی نیز به صورت مستقیم و غیر مستقیم برای افزایش رشد فوتوسنتزی سلولی و بهبود انباشتگی بین سلولی لیپیدها تحت شرایط پرتنش و بدون نابودی سلول‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند (جدول 1).

 

2-2 کاربرد غیرمستقیم نانوذرات برای کاشت واکنشگرهای زیستی- نوری

غلظت بالای نانوذرات در محلول‌هایی که میکروجلبک‌ها در آن‌ها حضور دارند، می‌تواند از انتقال مستقیم نور به داخل سلول‌های میکروجلبک جلوگیری کند. برای جلوگیری از این مشکل، کاربرد غیرمستقیم نانوذرات کوپل‌شده با رزونانس‌های پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) و واکنشگر‌های زیستی- نوری مورد استفاده قرار گرفته ‌است. پلاسمون‌ها بیانگر نوسانات دسته‌جمعی الکترون‌های آزاد در فصل مشترک فلز- دی الکتریک است. پدیده جذب و پراکندگی نور در طول موج‌های معین ممکن است با برهم‌کنش‌های رزونانسی بین نور (فوتون‌ها) و پلاسمون‌های سطحی تقویت شود. ترکمانی و همکاران[6] در سال 2010، افزایش قابل‌ملاحظه‌ای در رشد سلولی جلبک پلامیدوموناس رینهاردتیاند[7] (نوعی جلبک سبز تک‌سلولی با قطری در حدود 10 میکرومتر) و جلبک سیانوتس 51142[8] (نوعی جلبک سبز آبی تک‌سلولی) با استفاده از پراکندگی برگشتی شدید نور آبی در سوسپانسیونی حاوی نانوذرات نقره گزارش کرده‌اند. ایروغلو و همکاران[9] در سال 2013، جلبک کلورا والگاریس[10] را با قرار دادن نانوذرات کروی نقره و نانومیله‌های طلا در کنار واکنشگرهای زیستی- نوری در دو حالت مجزا و مختلط کشت دادند. آن‌ها با مقایسه این روش و شرایطی که در آن از نانوذرات استفاده نشده‌بود، افزایش قابل‌توجهی را در انباشت رنگدانه‌های کاروتنوید و کلروفیل گزارش کردند. این پدیده نهایتاً منجر به افزایش جذب نور به‌وسیله‌ی سلول‌های میکروجلبک شد. بنابراین، می‌توان سوسپانسیون‌های حاوی نانوذرات را به طور مؤثر برای بیش از پنج مرتبه و بدون به‌وجودآمدن مشکلات آلایندگی و سمیت بازیابی نمود. همچنین، طول موج و فلوی نور می‌تواند با غلظت و اندازه نانوذرات کنترل شود، این کار به جلوگیری از بازدارندگی نوری[11] (کاهش ظرفیت فوتوسنتز یک گیاه یا جلبک در اثر نور) کمک کرده و گونه‌های خاص میکروجلبک‌ها را که دارای رنگدانه‌های نوری متفاوتی هستند فعال می‌کند.

 

2-3 کاربرد مستقیم نانوذرات به عنوان مکمل غذایی و محرک تولید لیپید

اخیراً، نانوذرات برای افزودن مواد مغذی مورد نیاز سلول‌های فوتوسنتزی میکروجلبک‌ها، مانند آهن و منیزیوم، به محیط‌های کشت اضافه شده‌اند. همچنین گزارش شده ‌است که آهن، انباشت لیپید را در میکروجلبک‌های دریایی C. vulgaris بهبود می‌دهد. کادار و همکاران[12]در سال 2012 رفتار آهن متداول محلول، که در آن از اسید اتیلن دی‌آمین تتراستیک (EDTA) به عنوان عامل کی‌لیت‌کننده استفاده شده ‌است، و نانوذرات آهن سنتز شده صفر ظرفیتی (nZVI) را برای کاشت سه نوع میکروجلبک دریایی (پاولوا لوتری[13]، ایزوچریسیس گالبانا[14] و تتراسلمیس سوسیکا[15]) مورد مقایسه قرار دادند. آن‌ها رشد طبیعی با سرعت رشد استاندارد را برای هر سه نوع جلبک در حضور نانوذرات nZVI گزارش کردند. نکته جالب توجه اینکه میزان لیپید در جلبک‌های پاولوا لوتری و تتراسلمیس سوسیکا در مقایسه با جلبک کشت‌ داده‌ شده با Fe-EDTA افزایش می‌یابد. در واقع، نانوذرات آهن از جمله nZVI می‌تواند چندین نوع گونه اکسیژنی واکنش‌دهنده (ROS شامل اکسیژن یکتایی[16]، سوپراکسید، پروکسید هیدروژن، و رادیکال‌های هیدروکسیل) را از طریق واکنش‌های فنتونی، که باعث اعمال تنش اکسیداسیونی به میکرواورگانیسم‌ها می‌شود، تولید کند. همچنین، افزودن نانوذرات آهن در محیط حاوی جلبک‌ها منجر به جذب رقابتی بسیار شدید بین سلول‌ها در مقایسه با آهن قابل ‌حل می‌شود و شرایط پرتنشی را برای انباشت لیپید در جلبک‌ها به وجود می‌آورد.

سارما و همکاران[17] (2014) نانوذرات MgSO4 را به عنوان جزء مکمل مورد نیاز برای سنتز کلروفیل در کاشت جلبک C. vulgaris با استفاده از گلیسرول به عنوان منبع آلی کربن مورد استفاده قرار دادند. مشاهدات نشان می‌دهد که با افزایش نانوذراتMgSO4، فوتوسنتز بهبود می‌یابد و گلیسرول مصرف می‌شود. این پدیده، بازده روغن میکروجلبک بر واحد گلیسرول مصرف ‌شده را نسبت به حالتی که از نمک MgSO4 استفاده می‌شود افزایش می‌دهد. آن‌ها پیشنهاد کردند که استفاده از نانوذرات MgSO4 ممکن است منجر به فلوکولاسیون میکروجلبک‌ها و نهایتاً کاهش مصرف نور نفوذ کرده به جلبک و افزایش میزان کلروفیل شود. لازم به ذکر است که کلروفیل باعث تداوم فعالیت فوتوکاتالیستی کل به عنوان مکانیزمی برای انطباق جلبک‌ها با شرایط در حال تغییر محیط پیرامونی می‌شود. سان و همکاران[18] (2014) اثر نانوذرات سیلیکای تولید شده با کندوپاش لیزر[19] با اندازه ذره 190-38 نانومتر را روی جلبک C. vulgaris مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها یک افزایش جزئی در رشد سلولی نسبت به حالتی که از نانوذرات استفاده نشده‌ باشد گزارش کردند و اثر چندین ماده مغذی معین را در حضور نانوذرات سنتز شده سیلیکا توضیح دادند. وی و همکاران[20] (2010) اثر سمی نانوذرات سیلیکا با اندازه 20-10 نانومتر را بر رشد سلولی جلبک Scenedesmus obliquus گزارش کردند. این نتیجه نشان داد که اثر احتمالی نانوذرات پایه سیلیکا می‌تواند بسته به میزان و اندازه ذرات و نوع گونه‌های میکروجلبک به طور قابل ‌ملاحظه‌ای تغییر پیدا کند.

کانگ و همکاران[21] (2014) ، اثر تنش اکسیداسیونی نانوذرات TiO2 در یک محیط فرابنفش را برای افزایش انباشت لیپید در جلبک C. Vulgaris UTEX 265 مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها بر اساس آزمایش‌های تجربی گسترده (شرایط بهینه: 0.1 g TiO2/L با دو روز قرارگیری سیستم در معرض نور فرابنفش) ، تنها یک افزایش جزئی در بازده تولید لیپید (حدوداً 15 درصد) در مقایسه با حالتی که از نانوذرات TiO2 استفاده نشده ‌باشد، گزارش کردند. حداکثر سرعت رشد سلول (0.84–0.89 d-1) و چگالی نهایی سلول (0.91–0.99 g/L) پس از دو روز، در بازه غلظتی 0.1–1.0 g TiO2/L تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. با این حال، در غلظت‌های 5/0 و 5/2 گرم بر لیتر TiO2، سرعت رشد سلولی (0.50–0.53 d-1) کاهش می‌یابد. این واقعیت نشان می‌دهد که غلظت بالای TiO2 در حضور نور فرابنفش می‌تواند اثرات منفی بر زیست‌پذیری[22] سلول‌های میکروجلبک‌ها داشته ‌باشد. این یافته نشان می‌دهد که نه تنها پراکنده‌سازی مؤثر نانوذرات TiO2 در داخل محلول حاوی میکروجلبک‌ها ضروری است، بلکه تنش‌های اکسیداسیونی‌باید بر اساس ویژگی‌های بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی گونه‌های معین میکروجلبک‌ها به دقت کنترل شود. از طرفی، حضور مقادیر بالای گونه‌های اکسیژنی واکنش‌دهنده (ROS) که به واسطه TiO2 به وجود می‌آیند می‌تواند منجر به تخریب مستقیم درشت ملکول‌هایی مانند لیپید، پروتئین، و نوکلئیک اسیدها در یک میکروجلبک شود. به طور هم‌زمان، میکروجلبک‌ها مکانیزم‌های حفاظتی خاصی برای جداسازی و حذف گونه‌های اکسیژنی واکنش دهنده با خاصیت بازدارندگی دارند. سطوح درون سلولی آنزیم‌ها و مولکول‌های آنتی‌اکسیدان افزایش می‌یابد و لذا سنتز تری‌آکیل‌گلیسرول (TAG) تحت شرایط تنش اکسیداسیونی فعال می‌شود.

اخیراً، ما میکروجلبک‌های Chlorellasp. KR-1 و C. vulgaris را که در آب‌های شیرین رشد می‌کنند در حضور نانوذرات منیزیم آمینوکلی با میانگین قطر هیدرودینامیکی 50 نانومتر و تحت شرایط فوتوسنتز کشت دادیم. جلبک Chlorellasp. KR-1 در غلظت‌های کمتر از 1.5 g/L منیزیم آمینوکلی، الگوهای رشد مشابهی را در مقایسه با کشت‌هایی که در آن‌ها از مقادیر کمتر آمینوکلی استفاده شده ‌بود نشان داد. این پدیده باعث می‌شود که هیچ‌گونه اختلافی در غلظت یا اندازه سلول‌های میکروجلبک در فاز ساکن وجود نداشته‌ +باشد. با این حال، کشت جلبک C. vulgaris منجر به افزایش قابل‌ملاحظه‌ در انباشت روغن در داخل سلول‌های میکروجلبک و اندازه متوسط سلول‌ها می‌شود. اگرچه اثر این افزایش، بسته به نوع گونه‌های جلبک متفاوت است، با این حال، ممکن است منجر به ظهور خواص منحصربه‌فرد در نانوذرات آمینوکلی شود. نانوذرات آمینوکلی از کاتیون‌های فلزی مانند Ca2+، Mg2+ و Fe3+ تشکیل شده‌اند که در مرکز، با گروه‌های عاملی آمینی خطی با پیوند‌های کووالانسی، جفت شده و یا در بین آن‌ها قرار گرفته‌اند. آمینوکلی‌ها گروه‌های آمینی اولیه بسیار متعددی دارند که باعث انحلال‌پذیری آمین پروتونیزه‌شده (افزودن پروتون به آمین) در محلول‌های آبی و جذب آن روی سلول‌های میکروجلبک می‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که نانوذرات آمینوکلی پایه منیزیم، به دلیل قابلیت انحلال در محلول‌های آبی و شفاف بودن، از نفوذ نور به داخل میکروجلبک جلوگیری نمی‌کند و با تبدیل CO2 به یون‌های کربنات، دسترسی بیشتری را برای CO2 در مکان‌های گروه‌های آمینی اولیه فراهم می‌کند.

 

2-4 چشم‌انداز و جهت‌گیری‌ برای آینده

روش استفاده از نانوذرات در فرآیند کاشت میکروجلبک‌ها، عمدتاً به نوع گونه‌های میکروجلبک، شرایط کاشت و انواع نانوذرات بستگی دارد. این فناوری با وجود جذابیت‌های قابل‌توجهی که در زمینه‌های صنعتی و تحقیقاتی دارد، هنوز در ابتدای راه است. بنابراین پیش‌بینی می‌شود که در آینده نزدیک، تحقیقات هدفمند و سیستماتیکی روی نانوذرات خاص با هدف بهبود رشد سلول‌های میکروجلبک و دستیابی به شرایط بهینه انباشت روغن در سلول‌های آن انجام شود. استفاده از رزونانس‌های پلاسمون سطحی موضعی نانوذرات به عنوان فیلترهای نوری می‌تواند تشکیل رنگدانه با استفاده از میکروجلبک‌ها را بدون ایجاد چالش‌ها و مشکلات آلایندگی و سمیتی بهبود بخشد و کاربردهای احتمالی متعددی را برای تولید رنگدانه‌های کاروتنوید با ارزش افزوده بالا مانند Astaxanthin وlutein در سیستم‌های بسته حاوی واکنشگرهای زیستی- نوری ارائه دهد. لازم به ذکر است که هر چند استفاده از عناصر کمیاب نظیر مولیبدن، کبالت، منگنز و بور به صورت نانوذره مورد مطالعه قرار نگرفته ‌است، اما استفاده بهینه‌ از آنها، زیست‌‌توده‌های جلبک را 21 تا 38 درصد بهبود می‌دهد. ایجاد شرایط پایدار برای کشت میکروجلبک بر اساس جمعیت میکروبی جلبک‌ها و باکتری‌های هم‌زیستی کننده، و نیز جلوگیری از رشد رقابتی میکروجلبک‌ها با باکتری‌های خارجی و آلاینده‌های قارچی، از مشکلات و چالش‌های کاشت انبوه میکروجلبک‌های روغنی محسوب می‌شود؛ هرچند اطلاعات کمتری درباره کاربردهای نانوذرات در اختیار ما وجود دارد.

اثرات آنتی‌باکتریایی و باکتریواستاتیکی (جلوگیری‌کننده از رشد باکتری) با جلوگیری از رشد باکتری در غلظت‌های بالاتر، شرایط را برای حفاظت در برابر حمله میکرواورگانیسم‌ها به سیستم کشت فراهم می‌کند. این مکانیزم، مشابه نتایج به‌دست‌آمده برای کشت میکروجلبک‌ها در حضور قارچ‌کش‌هایی است که مسئول ایجاد خاصیت ممانعت‌کنندگی در سنتز استرول هستند. برای نمونه، سلول‌هایی که با نانوذرات آمینوکلی پوشش داده شده‌اند و از رفتار سلول‌های پوشش‌داده ‌شده با سیلیکا تقلید می‌کنند، می‌توانند برای ایجاد حفاظت در شرایط سخت (مانند شرایط پرتنشی ناشی از عوامل رقیب برای جذب مواد مغذی) مورد استفاده قرار گیرند. نکته مهم‌تر اینکه کشت مجدد میکروجلبک‌ها در حضور آمینوکلی با استفاده از محیط‌های شناور پس از برداشت زیست‌توده‌های جلبک نشان می‌دهد که آمینوکلی هیچ‌گونه سمیت یا اثر منفی روی کشت میکروجلبک‌ها ندارد. چنین رشد مجددی، برای به ‌حداقل ‌رسانی سمیت نانوذرات مهندسی‌شده آمینوکلی که در بافت‌های زنده حاوی آب، آزاد می‌شوند، بسیار حائز اهمیت است. بسیاری از نانومواد مانند نانولوله‌های کربنی، Al2O3، CuO، ZnO و TiO2، به دلیل تنش‌های اکسیداسیونی، آگلومراسیون، تجزیه مواد مغذی، و یا اثرات جانبی آنها، به طور بالقوه سمی هستند. با این حال، اثر نانوذرات بر فرآیندهای کاشت و برداشت میکروجلبک‌ها در تولید بیودیزل بسیار محدود است. مکانیزم اثرگذاری نانوذرات مغناطیسی بدون پوشش و عامل‌دار شده بر سلول‌های میکروجلبک تاکنون به روشنی درک نشده‌است. ایمنی نانوذرات و اثرات آن‌ها بر کل فرآیند تولید بیودیزل، از جمله موضوعات جذاب برای مطالعات بعدی است. با این حال، تاکنون فرآیندهای ارزیابی مناسب برای چنین موضوعاتی پیشنهاد نشده ‌است.

 

3. برداشت میکروجلبک‌ها با استفاده از نانوذرات

3-1 دورنما

به دلیل اندازه کوچک (10 میکرومتر) و غلظت پایین سلول‌های میکروجلبک (معمولاً کمتر از 1.5 g/L) ، و نیز وابستگی شدید بازده فرآیند برداشت به نوع گونه‌های میکروجلبک، محیط‌های کشت و شرایط pH، دستیابی به یک فرآیند پربازده برداشت در یک زیست‌محیطی اصلاح ‌شده بسیار دشوار است. در واقع، هنوز یک روش ارزان قیمت و کارآمد برای برداشت زیست‌توده میکروجلبک‌ مورد نیاز است. اگرچه تاکنون روش‌های فیزیکی- شیمیایی مختلفی مانند سانتریفیوژ کردن، فیلتر کردن، غوطه‌وری در هوا، و الکتروفورز مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما بکارگیری عوامل کی‌لیت‌کننده یکی از ساده‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای کاربردهای میکروجلبک‌ها در مقیاس صنعتی است، به شرط آنکه این روش بتواند نیازهایی را که در زمینه قابلیت بازیابی، سمیت پایین، ارزان بودن (نانو) مواد مورد نیاز و مهم‌تر از همه، بازده فرآیند برداشت احساس می‌شود، تأمین کند.

متأسفانه کی‌لیت‌کننده‌های غیرآلی متداول مانند FeCl3 و آلوم (سولفات دوتایی آلومینیوم و پتاسیم) موجب بازده بسیار پایین در مرحله برداشت میکروجلبک و وابستگی بسیار زیاد آن به نوع گونه‌های جلبک می‌شود. علاوه‌بر این، باید مشکلات و مسائل مربوط به سمیت و بازیابی شیمیایی مد نظر قرار گیرد. بنابراین، نانوذرات با خواص منحصربه‌فرد خود می‌توانند به عنوان عوامل کی‌لیت‌کننده جایگزین برای میکروجلبک‌ها در نظر گرفته شوند. بر اساس آخرین مقالات منتشر شده، نانوذرات هم به شکل منفرد (خالص) و هم به شکل هیبریدی (کامپوزیتی) با مواد شیمیایی و پلیمرهای کاتیونی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند (جدول 2).

 

3-2 نانوذرات منفرد

3-2-1 نانوذرات مغناطیسی

جداسازی مغناطیسی به دلیل مزیت‌های منحصربه‌فرد خود نظیر فرآوری سریع، افزایش آسان مقیاس تولید، و خودکار بودن فرآیند، یکی از جامع‌ترین فرآیندهای جداسازی در فناوری زیستی به شمار می‌رود. در حالت کلی، اکسیدهای فلزی مانند Fe3O4 در صورتی که با گونه‌های هیدروکسیل احاطه شده ‌باشند، بار سطحی حساس به pH خواهند داشت. این بار سطحی به دلیل کسب پروتون و یا از دست دادن آن (H+) ، به ترتیب، در پایین نقطه ایزوالکتریک (IEP) ، مثبت ( ) و در بالای آن، منفی ( ) خواهد بود. این پدیده امکان تجمع و انباشت میکروجلبک‌هایی با پتانسیل زتای منفی و اکسیدهای فلزی با پتانسیل زتای مثبت را به واسطه جاذبه الکترواستاتیکی به وجود آمده در اثر جداسازی مغناطیسی فراهم می‌کند. لیو و گوو[23]، بازده 95 درصدی در عرض 5 دقیقه را برای برداشت گونه‌های مختلفی از میکروجلبک‌های دریایی[24] و میکروجلبک‌های موجود در آب‌های شیرین (Botryococcus braunii و Chlorella ellipsoidea) با استفاده از نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 گزارش کردند. اخیراً هیو و همکاران[25]، سیستم پیوسته‌ای برای جداسازی مغناطیسی جلبک C. Ellipsoidea توسعه داده‌اند. اساس سیستم یاد شده، به ‌دام ‌انداختن توده‌های متراکم نانوذرات Fe3O4 در سطح یک غلطک چرخان از جنس آهنربای مغناطیسی دائمی و جمع‌آوری آن‌ها با استفاده از یک پره تیز است. با این حال، افزایش غلظت محلول مورد استفاده برای کشت جلبک (0.5–2 g/L) یا آهنگ فلوی آن (100–1140 mL/min) منجر به کاهش قابل‌ملاحظه‌ در بازده مرحله برداشت از 0/95% و 4/95% به 0/82% و 6/85% می‌شود. این بدین معنی است که برای افزایش مقیاس تولید از مرحله آزمایشگاهی تا پایلوت صنعتی، نیاز به بهسازی سیستم وجود دارد.

اکسید آهن (Fe3O4) وزن مولکولی بالایی دارد (231.5 g/mol). نسبت بالایی از میکروجلبک به اکسید آهن (برای مثال، 14 mg/mg یا 2.5–50 mg/mg) در مقایسه با مورد مشابه برای کی‌لیت‌‌کننده‌های شیمیایی متداول مورد نیاز است. جداسازی مغناطیسی سلول‌های میکروجلبک منجر به چسبندگی شدید نانوذرات به ساختارهای سطحی سلول می‌شود. به‌کارگیری عملی فناوری مگنتوفورز در مرحله برداشت میکروجلبک نیازمند ابزارهای گران ‌قیمت و دقیق برای بازیابی و استفاده مجدد از کی‌لیت‌کننده‌های مغناطیسی است. تاکنون تلاش‌های کمتری برای بازیابی نانوذرات مغناطیسی انجام شده‌است. خو و همکاران[26] از اسید هیدروکلرید برای حل‌سازی و استخراج اکسیدهای فلزی مغناطیسی از کلوخه‌های سنگی و عملیات‌های تکمیلی بعدی مانند هم‌رسوبی و فیلتراسیون با هدف استفاده مجدد از نانوذرات استفاده کردند. همچنین، پروچاخووا و همکاران[27] در سال 2013، بازیابی صددرصدی میکروجلبک‌های خارج‌شده از حالت مغناطیسی را با استفاده از اسید H2SO4 (10 درصد حجمی) تحت شرایط فراصوتی و گرمایش (40 درجه سانتی گراد) انجام دادند. با این حال، باید این اسیدهای قوی به دقت و با در نظر گرفتن نوع گونه میکروجلبک‌ و ترکیبات هدف، مورد استفاده قرار گیرند. هزینه تمام‌شده یک تجهیز مقاوم در برابر اسید و اثرات زیست‌محیطی آن نیز می‌بایست در نظر گرفته شود. اخیراً، لی و همکاران[28] استفاده مجدد از ذرات بدون پوشش Fe3O4 را برای برداشت جلبک روغنی Chlorellasp با مقادیر بالای لیپید (0.35–0.41 g اسید متیل استر چرب بر گرم سلول) گزارش کرده‌اند.

سلول‌های میکروجلبک می‌توانند به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی بین سلول‌ها و ذرات Fe3O4، به طور مؤثر به‌وسیله‌ی ذرات Fe3O4 در pH پایین برداشت شوند. بنابراین، جدایش مکرر ذرات Fe3O4 از سلول‌های جلبک در اثر دافعه الکترواستاتیکی ناشی از افزایش pH و یا انجام عملیات‌ فیزیکی خاص، مانند جریان گردابی (30 ثانیه) و هم زدن با امواج صوتی (1 دقیقه) ، در استفاده مجدد از Fe3O4 امکان‌پذیر است. می‌توان با ده سیکل متوالی روی ذرات مغناطیسی، به بازده بالای مرحله برداشت و بازیابی دست یافت. مرجح‌ترین ابزارها برای بازیابی ذرات مغناطیسی از لجن‌های زیستی[29] (توده‌هایی از مواد آلی و میکرواورگانیسم‌های غنی از پروتئین مانند باکتری‌ها، جلبک‌ها و غیره) ، روش‌هایی هستند که در آن‌ها از عملیات‌های اضافی و مصرف بالای انرژی اجتناب می‌شود. با این حال، جداسازی خودبه‌خودی نانوذرات مغناطیسی با تنظیم pH در بالای نقطه IEP به دست نمی‌آید. دو فرضیه برای بررسی این واقعیت پیشنهاد شده ‌است. اول اینکه دافعه الکتریکی که تنها با کنترل pH ایجاد می‌شود به اندازه‌ کافی قوی نیست که بتواند سلول‌های میکروجلبک را از ذرات جدا کند، زیرا مقدار مطلق پارامتر پتانسیل زتا برای پراکندگی پایدار کلوئیدها بزرگ‌تر از 30-25 میلی ولت است. دوم اینکه ذرات مغناطیسی و سلول‌های جلبک‌ در طی فرآیند برداشت به ‌شدت به یکدیگر چسبیده و آگلومره می‌شود. اگر اندازه ذرات اکسید Fe3O4 بزرگ‌تر از 20 نانومتر باشد (که ممکن است این مقدار، اندازه بحرانی برای خاصیت سوپرپارامغناطیسی باشد) ، آنگاه ذرات یاد شده، خاصیت فرومغناطیسی در دمای اتاق خواهند داشت و آگلومراسیون نسبتاً کمتر خواهد شد. با این حال، لازم به ذکر است که بیش از 90 درصد ذرات مغناطیسی می‌توانند به آسانی از طریق تغییر pH و هم‌زدن گردابی به مدت 30 ثانیه، از میکروجلبک‌ها جدا شوند. آزمایش‌های تجربی بعدی روی بازیابی محیط کشت و آنالیزهای تغییر دهنده ماهیت ژل[30] (DGGE) تأیید کرده‌اند که استفاده از ذرات Fe3O4 و تنظیم pH، هیچ اثر نامطلوبی بر رشد سلول‌های جلبک یا گونه‌های باکتریایی هم‌زیستی‌کننده بر جای نمی‌گذارد.

علی‌رغم ذرات Fe3O4 و سلول‌های جلبک C. vulgaris که پتانسیل زتای یکسانی دارند (یعنی مقادیر مثبت و منفی یکسان) ، انباشت‌های مشابهی نیز گزارش شده‌است. پروچاخووا و همکاران (2013) ، مکانیزم تبادل یونی زیر را پیشنهاد کرده‌اند: در صورتی که پتانسیل زتای کل سطح سلول در pH اولیه، منفی باشد، برخی از بخش‌ها مانند گلیکوپروتئین‌ها در سطح سلول‌های جلبک دارای گروه‌های موضعی  هستند؛ در حالی که سطح نانوذرات Fe3O4، در همان pH اولیه، به‌وسیله‌ی گروه‌های عاملی ، پروتون خود را از دست داده و گروه عاملی  را تشکیل می‌دهد. بدین ترتیب، یک جاذبه الکترواستاتیکی موضعی بین سلول‌های جلبک و نانوذرات در سطح pH اولیه به وجود می‌آید. با این حال، در نسبت‌های بالای نانوذرات Fe3O4 به جلبک (14 mg/mg) ، بازده مرحله برداشت میکروجلبک‌ها با تغییر pH و ترکیب شیمیایی محیط به شدت تحت ‌تأثیر قرار می‌گیرد. اگرچه مواد مغناطیسی، انواع مختلفی دارند، اما پایداری شیمیایی، زیست‌سازگاری و هزینه تولید باید با توجه به کاربردهای احتمالی مرحله برداشت میکروجلبک در نظر گرفته ‌شود. بسیاری از اکسیدهای فلزی به فرم MAOB و فریت‌های مکعبی اسپینل به فرم MFe2O4 (M = Cu, Mn, Fe, Co, Ni, Zn) مانند CoFe2O4، CuFe2O4 و ZnFe2O4 از جمله مواد مغناطیسی معروف به شمار می‌روند. اگرچه این فریت‌ها خاصیت مغناطیسی بیشتری نسبت به اکسید آهن (Fe3O4) دارند، اما در برابر اکسیداسیون پایداری کمتری داشته و خاصیت زیست‌سازگاری پایین‌تری دارند. به همین دلیل، اکسید آهن به طور گسترده در کاربردهای زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مطالعات نشان می‌دهد که ذرات آلیاژی مغناطیسی مانند FePt، FePd، و FeCo، انیزوتروپی مگنتوکریستالی و پایداری شیمیایی بالای این مواد را بهبود می‌دهد. با این حال، به دلیل قیمت بالای تولید، کاربرد ذرات آلیاژی مغناطیسی تنها به حوزه بیوپزشکی محدود شده ‌است.

 

3-2-2 نانوذرات آمینوکلی و کیتوسان

کیتوسان یک پلی ساکارید کاتیونی است که به طور گسترده به عنوان کی‌لیت‌کننده‌ زیستی برای میکروجلبک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و اساس عملکرد آن، خنثی‌سازی بار الکتریکی و مکانیزم‌های پل زدن متوالی است. این ماده با حذف گروه عاملی  از پلیمر زیستی چیتین که جزء اصلی پوست خرچنگ و میگو را تشکیل می‌دهد به دست می‌آید. فرید و همکاران[31]در سال 2013، نانوپلیمرهای کیتوسان را با استفاده از روش ژل‌سازی یونی توسعه داده و برای برداشت جلبک‌های Nannochloropsis sp مورد آزمایش قرار دادند. گزارش‌ها حاکی از آن است که نانوکیتوسان در مقایسه با کیتوسان بالک منجر به کاهش 40 درصدی میزان کی‌لیت‌کننده موردنیاز و افزایش 9 درصدی بازیابی زیست‌توده می‌شود. با این حال، استفاده عملی از کیتوسان در پالایش زیستی، علی‌رغم زیست سازگاری بالا و کاربرد‌های گسترده، به دلیل قیمت بسیار بالا، دشوار و مشکل آفرین است.

اخیراً آمینوکلی‌های مختلفی که از فلزات کاتیونی (Al3+، Ca2+، Mg2+، و غیره) و مواد عامل‌دار شده با ترکیبات آلی مانند APTES و 3-[2- (2-آمینو-اتیلامینو) ]پروپیل‌تری‌متوکسی‌سیلان (از این به بعد با N3 نمایش داده خواهد شد) تشکیل می‌شوند، برای مرحله برداشت جلبک‌های روغنی Chlorellasp مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. بر اساس آزمایش‌های تجربی، در صورتی که pH محلول شناور، در حالت خنثی نگه داشته ‌شود، دستیابی به راندمان بالای فرآیند برداشت در عرض 30 دقیقه (بالای 97%) امکان‌پذیر است. این پدیده، مربوط به فراوانی گروه‌های آمینی است که به‌وسیله‌ی صفحات متورق نانوکلی (کلوئیدهای کاتیونی حاوی ذراتی با قطر متوسط 30 نانومتر) در محلول آبی و در بازه گسترده pH (0/12-0/2) ، پروتون‌های خود را از دست می‌دهند. نانوذرات آمینوکلی و سلول‌های میکروجلبک به آسانی به یکدیگر می‌چسبند و از طریق خنثی‌سازی بار الکتریکی سلول‌های جلبک با بار منفی و نانوذراتی که بین آن‌ها پل زده‌اند، رسوب می‌کنند. با این حال، بازده برداشت برای نانوکلی‌های Ca-APTES و Mg-N3، به دلیل توزیع گسترده اندازه ذرات و یا تأخیر در ورقه‌ای‌شدن صفحات آمینوکلی در داخل محلول آبی، به ترتیب 68% و 54% است. این بدین معنی است که انحلال‌پذیری آمینوکلی، فاکتور بسیار مهمی در فرآیند برداشت میکروجلبک‌ها است. با این حال، علی‌رغم برداشت سریع آمینوکلی، هزینه‌های بالای تولید این ماده، یکی از محدودیت‌ها و مشکلات پیش روی فرآیندهای برداشت در مقیاس صنعتی به شمار می‌رود.

 

3-3 نانوذرات هیبریدی

میکروجلبک‌ها و نانوذرات مغناطیسی بدون پوشش مانند مگنتیت (Fe3O4) و فریت باریم (BaFe12O19) ، در pHهای خنثی (pH = 6-7) غالباً بار سطحی منفی یکسانی دارند. این واقعیت در فرآیند کاشت متداول میکروجلبک نیز مشاهده شده است. بنابراین، بازده جداسازی مغناطیسی Fe3O4 بدون پوشش، بسیار پایین و در pH خنثی برابر 10 درصد است. البته، این بازده به شدت با نوع گونه‌های میکروجلبک و ترکیب شیمیایی محیط کشت تغییر می‌کند. به منظور دستیابی به بازده بالاتر فرآیند برداشت، بدون توجه به تغییرات محیطی (نوع گونه‌های جلبک، pH، استحکام محیط کشت و غیره) ، بسیاری از نانوذرات هیبریدی اکسید فلزی با پوشش‌های عملکردی، مهندسی شده‌اند.

لیم و همکاران[32] (2012) ، نانوذرات کروی و میله‌ای شکلFe3O4 را که با پلی‌دیالیل‌دی‌متیلامونیوم کلراید (PDDA) پوشش داده شده‌بودند با هدف جداسازی مگنتوفورز جلبک Chlorellasp توسعه دادند. آن‌ها گزارش کردند که راندمان مرحله برداشت با استفاده از نانوذرات میله‌ای شکل (99%) ، بهتر از ذرات کروی (80%) است و دلیل آن، تمایل به تشکیل توده‌های بزرگ و گشتاور مغناطیسی پایدار این ماده است که از انیزوتروپی شکل ناشی می‌شود. آن‌ها همچنین با استفاده از نانوذرات میله‌ای شکل Fe3O4 پوشش‌داده‌شده با PDDA، امکان‌پذیر بودن جداسازی مغناطیسی سریع (بازده: 90% در کمتر از 3 دقیقه) مخلوطی از میکروجلبک‌ها (Scenedesmus، Spirulina، Chlorella، Tetraedron، Haematococcus و Dictyosphaerium) در یک پرورشگاه ماهی را اثبات کردند. از طرفی، آن‌ها در یک سری از مطالعات، ارتباط پیچیده و متقابل بین برهم‌کنش‌های واندروالسی و الکترواستاتیکی، و برهم‌کنش اسید- باز لویس را با هدف جداسازی مگنتوفورز سلول‌های جلبک‌ دریایی یا پرورشی بر اساس آنالیز درژاگوئین- لاندا- ووی- اووربیک (XDLVO[33]) مورد مطالعه قرار دادند. نتایج تجربی حاکی از آن است که برهم‌کنش الکترواستاتیک، نقش اساسی در جداسازی جلبک پرورشی Chlorella sp ایفا می‌کند، در حالی که برهم‌کنش‌های واندروالس و اسید- باز لوئیس در محیط‌هایی با استحکام یونی بالا (مخصوصاً در محیط‌هایی با استحکام یونی بالاتر از 100 mM NaCl) می‌توانند نقش تعیین‌کننده‌ای در جداسازی جلبک‌های دریایی Nannochloropsissp داشته ‌باشند.

هو و همکاران (2014) ، نانوذرات Fe3O4 با پوشش پلی‌اتیلن‌آمین (PEI) را برای فرآیند برداشت مغناطیسی جلبک‌های ellipsoidea در عرض 2 دقیقه و با راندمان 97% توسعه دادند. آن‌ها جاذبه الکترواستاتیکی و برهم‌کنش‌های نانومقیاس بین نانوکامپوزیت‌ها و سلول‌های میکروجلبک‌ها را به عنوان مکانیزم غالب جداسازی پیشنهاد کردند. آن‌ها حداکثر ظرفیت برداشت 5/93 میلی‌گرم سلول به میلی‌گرم ذره را بر اساس مدل جذب هم‌دمای لانگمویر گزارش کردند. آن‌ها همچنین نشان دادند که ظرفیت برداشت نانوکامپوزیت در اثر شرایط کشت و به‌ویژه، مواد آلی محلولی که در اثر اتولیز (خودکافت) تولید می‌شوند، کاهش یافته‌است. وانگ و همکاران[34] (2014) ، با سنتز ذرات Fe3O4 و پلی‌آکریلامید کاتیونی (CPAM) ، راندمان بازیابی بالاتر از 95% در 10 دقیقه را برای جلبک B. braunii و C. ellipsoidea گزارش کردند. آن‌ها نشان دادند که از میان مکانیزم‌های ممکن برای جداسازی مغناطیسی این دو گونه میکروجلبک، مدل‌های فروندلیچ (Freundlich models) به عنوان مدلی برای جذب چند لایه‌ای غیرهمگن، بهتر از مدل‌های لانگمویر عمل می‌کنند. بر اساس مدل‌های فروندلیچ، حداکثر ظرفیت جذب برای جلبک‌های B. braunii و C. ellipsoidea در  به ترتیب برابر 8/114 و 4/21 میلی‌گرم سلول به میلی‌گرم ذره تخمین زده می‌شود. ذرات Fe3O4 پوشش‌کاری شده با CPAM، پیوندهای قوی‌تری با سلول‌های میکروجلبک نسبت به ذرات بدون پوشش Fe3O4 از خود نشان می‌دهند. علاوه‌بر این، پیوند سلول‌های جلبک B. braunii با ذرات مغناطیسی، ضعیف‌تر از پیوند جلبک C. ellipsoidea است. آن‌ها پیشنهاد کردند که تجمع و گردهمایی ذرات اساساً به‌وسیله‌ی پل‌زدن به وجود می‌آید و به وسیله برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی تقویت می‌شود. وانگ و همکاران در مطالعات بعدی خود، سیستم درجا و پیوسته‌ای را برای جداسازی ارائه داده و راندمان 90% را برای بازیابی جلبک B. brauniiat در سرعت فلوی 100 میلی‌لیتر بر دقیقه گزارش کردند.

کیتوسان زیست‌سازگار به طور موفقیت‌آمیز به عنوان ماده‌ای مناسب برای عامل‌دار کردن سطح نانوذرات Fe3O4 مورد استفاده قرار گرفته و بازده بالایی برای برداشت جلبک Chlorellaspp (95%) به دست آمده ‌است. لی و همکاران (2013) گزارش کردند که راندمان برداشت با افزایش غلظت کامپوزیت‌ها و نسبت کیتوسان به نانوذرات مغناطیسی افزایش می‌یابد. آن‌ها ثابت کردند که استفاده مجدد از محیط‌های کشت پس از برداشت جلبک، هیچ اثر نامطلوبی بر رشد سلول ندارد و این امر، زیست‌سازگاری ذرات Fe3O4 پوشش‌کاری‌شده با کیتوسان و امکان استفاده مجدد از محیط‌های کشت را نشان می‌دهد. توه و همکاران[35] (2014) توزیع ذرات بدون پوششFe3O4 و کامپوزیت‌های کیتوسان- Fe3O4 در داخل سلول‌ها را به منظور مطالعه اثرات احتمالی بر کیفیت بیودیزل تولید شده مورد بررسی قرار دادند. بر اساس نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتوی ایکس (EDX) ، اندوسیتوسیس[36] (احاطه‌شدن مولکول‌ها یا نانوذرات با غشای سلولی و کشیده ‌شدن آن‌ها به داخل سلول) هر دو نانوذره به دلیل جذب غیرفعال و برهم کنش‌های جذب سطحی امکان‌پذیر است. آن‌ها خاطر نشان کردند که اندوسیتوسیس نانوذرات، میزان یا کیفیت اسیدهای چربی را که از زیست‌توده‌های جبلبک‌ها استخراج می‌شود تحت‌تأثیر قرار نمی‌دهد.

بر اساس گزارش‌های اخیر، با ترکیب ذرات مغناطیسی، بازیابی آمینوکلی‌ها امکان‌پذیر است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، اگر نسبت آمینوکلی به nZVI برابر 0/1 باشد، می‌توان به شرایط بهینه پایداری در کامپوزیت‌های nZVI پوشش‌کاری‌شده با آمینوکلی دست یافت. چنین شرایطی منجر به کوچک‌ترین اندازه توده (100 نانومتر) و سطحی با چگالی بالای بار الکتریکی مثبت می‌شود. تقریباً صد درصد جلبک‌های Chlorellasp. می‌توانند با استفاده از کامپوزیت‌های ذره‌ای یاد شده (> 20 g/L) در عرض 3 دقیقه برداشت شوند. آن‌ها همچنین ثابت کردند که می‌توان با استفاده از کامپوزیت ذره‌ای یاد شده و میله‌های مغناطیسی، فرآیند برداشت را در مقیاس 24 لیتری انجام داد. لی و همکاران (2014) ، انباشت و تجمع گیاخاک اسیدی ناشی از آمینوکلی را گزارش کردند و نشان دادند که این انباشت می‌تواند منجر به راندمان صددرصدی برداشت برای جلبک Chlorellasp. شود. یافته‌ها حاکی از آن است که درشت مولکول‌های اسید گیاخاک حاوی آمینوکلی، سلول‌های میکروجلبک را مشابه حالت شبکه‌ای، به دام می‌اندازند و میزان مورد نیاز آمینوکلی برای فرآیند برداشت میکروجلبک را کاهش می‌دهند. فارووق و همکاران[37] (2013) ، برداشت توده‌ای جلبک C. Vulgaris را با استفاده از فیلتر پنبه‌ای پوشش‌کاری‌شده با آمینوکلی، به عنوان بخشی از یک فرآیند فیلتراسیون به‌وسیله‌ی غشا، گزارش کردند. آمینوکلی باقی‌مانده پس از فرآیند برداشت در محیط کشت شناور با pH خنثی، تا حدودی برای کشت مجدد میکروجلبک‌ها سمی است. سئو و همکاران با توجه به پایداری شیمیایی بالای فریت باریم (BaFe12O19) نسبت به مگنتیت (Fe3O4) ، ذرات BaFe12O19 پوشش‌کاری‌شده با 3-آمینوپروپیل‌تری‌اتوکسی‌سیلان (APTES) را با هدف برداشت جلبک روغنی Chlorellasp. سنتز کردند. آن‌ها صرف‌نظر از اندازه ذرات مغناطیسی (بازه: 108 نانومتر تا 71/1 میکرومتر) ، راندمان برداشت بالایی در حدود 5/99-6/98 درصد را در pH خنثی گزارش کردند. آن‌ها همچنین فرآیند جدا شدن ذرات از سلول‌ها در یک محلول آبی با pH = 12 را با استفاده از یک ارتعاش ساده پس از برداشت مغناطیسی سلول‌های میکروجلبک مورد مطالعه قرار دادند. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، هرگاه اندازه ذرات از 108 نانومتر به 71/1 میکرومتر افزایش پیدا کند، راندمان جدایش ذرات مغناطیسی از 5/12% به 85% افزایش خواهد یافت. این پدیده را می‌توان با توجه به این نکته توضیح داد که ذرات مغناطیسی کوچک‌تر، نسبت به ذرات بزرگ‌تر، مساحت سطحی بیشتری در واحد حجم دارند، همین سطح، شرایط را برای مکان‌های تماسی بیشتر و پیوند‌های الکترواستاتیکی قوی‌تر بین جلبک‌ها و ذرات فراهم می‌کند. به همین دلیل، جداسازی ذرات کوچک‌تر (به ویژه ذراتی با اندازه کوچک‌تر از 100 نانومتر) از توده‌های زیستی برداشت شده، دشوارتر از جداسازی ذرات بزرگ‌تر است.

پایداری و عاملیت مواد پوشش‌کاری‌ شده روی ذرات مغناطیسی می‌تواند موضوع بسیار مهمی در جداسازی مغناطیسی میکروجلبک‌ها باشد. با این حال، گزارش‌های بسیار کمی در این زمینه وجود دارد. پورصابری و همکاران نشان دادند که راندمان جذب نیترید از محلول‌های آبی، به دلیل ناپایداری نانوذرات Fe3O4 پوشش‌کاری ‌شده با APTES، کاهش می‌یابد. آلودگی محیط کشت به‌وسیله‌ی مواد آلی جدا شده از پوشش می‌تواند مشکلانی در زمینه بازگردانی این مواد برای کشت بعدی میکروجلبک و عملیات‌های بعدی مانند استخراج روغن و تبدیل آن به بیودیزل به وجود آورد.

قابلیت پراکنده‌سازی[38] مناسب ذرات مغناطیسی در محلول آبی، یکی از پارامترهای مهم و اساسی در دستیابی به ظرفیت بالای فرآیند برداشت است (گرم میکروجلبک به گرم ذرات). ییپ و همکاران، راندمان جداسازی مغناطیسی و قابلیت پراکنده‌سازی اکسیدهای مغناطیسی آهن را در حالت بدون پوشش و پوشش‌کاری‌شده با پلی (سدیم‌ 4-استایرن سولفونات) مورد مقایسه قرار دادند. آن‌ها نشان دادند که اگرچه با پوشش‌کاری ذرات اکسید آهن، قابلیت پراکنده‌سازی آن‌ها به طور قابل ‌ملاحظه‌ای بهبود می‌یابد، اما راندمان جداسازی مغناطیسی این ذرات هیبریدی از سوسپانسیون شدیداً کاهش پیدا می‌کند. همان‌طوری‌که ییپ و همکارانش نشان دادند، پایداری کلوئید با راندمان جداسازی مگنتوفورز نسبت عکس دارد. در فرآیند برداشت میکروجلبک‌ها، جداسازی مگنتوفورز، پس از انباشت جلبک‌ها و ذرات مغناطیسی انجام می‌شود. نیروی محرکه این انباشتگی، ایجاد حالت الکترواستاتیکی خنثی بین جلبک‌های با بار منفی و کی‌لیت کننده‌های مغناطیسی با بار مثبت است. بعد از اینکه کلوئید از حالت پایدار خود خارج شد، جداسازی مگنتوفورز توده‌های جلبک و ذرات مغناطیسی بسیار مفید و به‌صرفه خواهد بود. با این حال، بازیابی بخشی از ذرات مغناطیسی که در حالت پایدار قرار دارند کار آسانی نخواهد بود؛ به ویژه زمانی که ذرات خاصیت مغناطیسی ضعیفی داشته ‌باشند. به همین دلیل، استفاده از مقادیر مازاد کی‌لیت‌کننده‌های مغناطیسی مطلوب و سودمند نیست.

از آنجایی که رویکرد مهندسی نانوذرات به اصلاح زیستی میکروجلبک‌ها، حوزه نسبتاً جدیدی را به وجود آورده‌است، امکان تخمین هزینه‌های مربوطه بسیار محدود است. توه و همکاران گزارش کردند که آخرین قیمت ذرات مغناطیسی که سطحشان عامل‌دار شده ‌است حدوداً برابر 119 دلار آمریکا به ازای هر کیلو است؛ اگر چه انتظار می‌رود این عدد در آینده نزدیک با کمک علم و مهندسی مواد پیشرفته به طور قابل توجهی کاهش یابد. با فرض اینکه ظرفیت برداشت میکروجلبک برابر 115 کیلوگرم سلول به کیلوگرم ذرات باشد، قیمت مورد نیاز ذرات برای برداشت زیست‌توده جلبک حدود 1 دلار آمریکا به ازای 1 کیلوگرم سلول جلبک تخمین زده می‌شود. وانگ و همکاران، قیمت‌های تمام ‌شده سیستم برداشت مغناطیسی و ذرات Fe3O4 پوشش‌کاری‌شده با CPAM را به ترتیب برابر 1/2 و 73/0 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم سلول جلبک تخمین زده‌اند. هزینه‌های گزارش‌ شده برای نانوذرات (0/1-73/0 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم جلبک) هنوز با توجه به قیمت سوخت بیودیزل نهایی به شدت بالا است (کمتر از 2 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم).

 

3-4 نانوذرات کی‌‌لیت‌کننده چند منظوره با عمل آزادسازی مولکول‌های زیستی از سلول

بسیاری از میکروجلبک‌های روغنی به عنوان خوراک بیودیزل، دارای دیواره سلولی ضخیمی هستند که از هیدروکسید‌های پیچیده و گلیکوپروتئین‌ها تشکیل شده‌اند و مقاومت شیمیایی و استحکام مکانیکی بالایی دارند. به دلیل وجود این دیواره سلولی محکم و با دوام، استخراج لیپید فرآیندی گران‌ قیمت و پرمصرف در تولید سوخت بیودیزل است. با این حال، چالش‌های بسیار کمی در مسیر استفاده از نانوذرات برای آزادسازی مولکول‌های زیستی از سلول‌ها، با هدف تسهیل فرآیند استخراج لیپید از زیست‌توده‌های مرطوب جلبک‌ها، وجود داشته‌ است.

بازده استخراج روغن از جلبک‌های روغنی Chlorellasp. KR-1 در حضور آمینوکلی می‌تواند به واسطه اثرات ناپایدارشدن سلول‌های میکروجلبک‌ها و افزایش راندمان برداشت آن‌ها بهبود پیدا کند. نانوذرات باردار کاتیونی آمینوکلی، نقش بسیار مهمی در تضعیف دیواره سلول‌های میکروجلبک، کاهش لایه نازک آب در بین سلول‌ها و حلال‌ آب‌گریز در تماس با آن، و در نتیجه، آزادسازی آسان‌تر روغن درون جلبک به محیط بیرونی دارد. از طرف دیگر، واکنش فنتونی آمینوکلی‌های پایه آهن در حضور پروکسید اکسیژن (H2O2) منجر به ایجاد رادیکال‌های آزاد OH در سطح جلبک‌ها شده و نهایتاً سلول را برای آزادسازی آسان‌تر روغن جلبک تخریب می‌کند. با این حال، این سیستم نیازمند استفاده مازاد از H2O2 است و حمله رادیکال‌های آزاد به سلول‌های میکروجلبک‌ها برای تخریب کامل سلول‌های جلبک به تنهایی کافی نیست. لی و همکاران امکان‌پذیر بودن برداشت هم‌زمان زیست توده‌های جلبک و آزادسازی مواد روغنی از سلول‌های آن را با استفاده از نانوکامپوزیت TiO2-آمینوکلی و از طریق فعالیت فوتوکاتالیستی در عرض 3 ساعت با تابش نور فرابنفش با طول موج 356 نانومتر اثبات کردند. نکته قابل توجه اینکه اگرچه در این فرآیند، 95 درصد از سلول‌ها تخریب می‌شوند، با این وجود استخراج روغن بهبود نمی‌یابد، زیرا اندازه قطرات لیپید بزرگ‌تر از اندازه حفره‌هایی است که در اثر حمله رادیکال‌های آزاد به سطح نانوذرات TiO2 در سطح دیواره‌های سلولی به وجود می‌آیند. همین امر آزادسازی روغن را با مشکلاتی همراه می‌کند. بنابراین، تخریب کامل سلول‌های جلبک با استفاده از ابزارهای قدرتمندتر برای تخریب دیواره‌های سلولی یا کنترل انرژی فصل مشترک بین سلول‌های میکروجلبک‌ها و محیط‌ بیرونی، با هدف تسهیل فرآیند آزادسازی روغن، ضروری به نظر می‌رسد.

 

3-5 دورنما و جهت‌گیری‌های آتی

بسیاری از چالش‌ها و مشکلات موجود، تا پیش از آنکه کاربردهای عملی نانوذرات برای فرآیند برداشت میکروجلبک‌ها به خوبی درک شود، بدون راه‌حل باقی‌مانده‌ بودند. با توجه به کی‌لیت‌کننده‌های مغناطیسی پایه اکسید فلزی، توسعه نانوذرات پایدار و ارزان ‌قیمت ضروری به نظر می‌رسد. برای این منظور، می‌توان منابع پسماند اکسیدهای فلزی پودری شکل در صنعت فولاد و صنایع وابسته را مورد توجه قرار داد. ناپایداری مواد پوشش‌مانند APTES تحت شرایط آبی نیاز به بررسی‌ها و مطالعات بیشتر دارد. به طور خاص، فناوری‌های مهندسی مواد برای پوشش‌دهی نانومواد عاملی[39] بر سطوح اکسیدهای فلزی در مقادیر کمتر، برای حفظ خاصیت واکنش‌پذیری بالای ماده می‌بایست توسعه یابند.

بازیابی مؤثر و استفاده مجدد از نانوذرات به کمک روش‌های ارزان ‌قیمت و پربازده، یکی از موضوعات چالشی مهم برای تحقیقات در زمینه برداشت میکروجلبک‌ها به شمار می‌رود. بیشترین کاربرد نانوذرات مغناطیسی، استفاده مجدد از آن‌ها بدون ایجاد پسماند است. با این حال، روش‌های موجود نیازمند مقادیر قابل ‌ملاحظه‌ای اسید و مواد قلیایی برای کنترل pH هستند. برای توسعه کاربردهای عملی نانوذرات در مقیاس بزرگ باید از فرآیندهای جدید بازیابی استفاده کرد تا بتوان هزینه‌های موجود را با استفاده از مواد شیمیایی بالک و ارزان قیمت، و یا گازهای حاصل از احتراق سوخت در صنایع با مقادیر بالای گاز CO2 به حداقل رساند.

بازده نانوذرات به نوع گونه‌های جلبک و شرایط کشت بستگی دارد. با این حال، بسیاری از مطالعات تنها به چندین نوع جلبک خاص مانند B. braunii، Chlorella و Nannochloropsis در محیطی حاوی نمک معدنی سنتز شده و در مقیاس آزمایشگاهی محدود شده ‌است. تحقیقات بیشتر در زمینه گونه‌های جلبک و محیط‌های واقعی کشت که با استفاده از کودهای طبیعی یا مواد مغذی موجود در پسماندهای آبی تهیه می‌شود، برای تسهیل در پیشرفت رو به جلوی توسعه مهندسی نانوذرات توصیه می‌شود.

طراحی منطقی بر اساس ویژگی‌های فیزیکی- شیمیایی نانوذرات (بار سطحی، ترکیب شیمیایی، خاصیت مغناطیسی و غیره) ، خواص بیولوژیکی میکروجلبک‌ها و افزایش بازده فرآیند، از جمله مهم‌ترین موضوعات در زمینه برداشت جلبک‌ها با استفاده نانوذرات هستند. اخیراً توه و همکاران، مدل XDLVO را پیشنهاد کردند که می‌تواند به طراحی عوامل کی‌لیت‌کننده نانوذرات برای فرآیند برداشت میکروجلبک‌ها و خصوصاً ترغیب فرآیند جدایش ذرات از سطوح سلولی در سیکل‌های بعدی جداسازی کمک کند. خواص سطحی فیزیکی- شیمیایی مانند زوایای تماس مایعات پروبی، انرژی آزاد سطحی، پتانسیل سطحی و پتانسیل زتا و محدودیت‌های اصلی مانند انرژی حرارتی، انتقال استوکس و نیروی گرانشی تحت میدان ضعیف مغناطیسی از جمله موضوعات مهمی هستند که توه و همکاران با جزئیات کامل به آن‌ها پرداخته‌اند.

روند صعودی توسعه روش‌های ساخت مواد در مقیاس نانو می‌تواند ابزارهای جدیدی را برای تولید ذرات مغناطیسی با اشکال مختلف فراهم کند. نانوذرات مغناطیسی هیبریدی چند جزئی کروی شکل، با استفاده از روش‌های فاز محلول به طور موفقیت‌آمیزی سنتز می‌شوند. می‌توان ذرات مغناطیسی غیرکروی با اشکال دیسک، مثلث، برنج، مارپیچ و هلال را با استفاده از فرآیندهای میکروسیال یا لیتوگرافی نوری در اندازه‌های میکرومتری تا نانومتری تولید کرد. استفاده از روش‌های ساخت مواد نانومتری می‌تواند به درک عمیق‌تر مکانیزم‌های کی‌لیت‌کنندگی غیرهمگن وابسته به شکل ذرات کمک کند.

اگرچه عوامل کی‌لیت‌کننده نانوذرات مانند آمینوکلی و کیتوسان، راندمان فرآیند برداشت را به طور قابل‌ ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند، اما هزینه‌های آماده‌سازی آن‌ها با توجه به تجاری‌سازی آن، تاکنون بسیار بالا بوده است. بنابراین، توسعه نانوذرات جدید ارزان ‌قیمت و پربازده، برای دستیابی به فرآیند اقتصادی برداشت میکروجلبک بسیار ضروری است. از طرفی، تلفیق روش‌های مختلف برداشت، مانند انباشت زیستی نانوذرات، می‌تواند اثرات سینرژیتیکی به لحاظ قیمت و راندمان به وجود آورد.

تلفیق مراحل برداشت، استخراج لیپید و فرآیندهای تبدیل، نقطه عطفی در تلاش‌های انجام شده برای کاهش قیمت‌ها و افزایش راندمان کل فرآیند تولید بیودیزل با استفاده از جلبک‌ها به شمار می‌رود. روش‌های تلفیقی فناورانه برای برداشت یا آزادسازی لیپید از سلول‌ها و روش‌های غیرمحلولی استخراج روغن بر پایه نانوذرات، با توجه به عدم استفاده از حلال‌های سمی و سهولت کشت مجدد با اعمال کمترین آسیب به جلبک‌های اولیه، از جمله موضوعات خوش‌آتیه برای مطالعات بعدی است.

 

4. خلاصه و نتیجه‌گیری

در سال‌های اخیر، از روش‌های مختلف مهندسی نانوذرات، برای بهبود راندمان و کارایی مراحل کاشت و برداشت در فرآیند تولید بیودیزل استفاده شده ‌است. به همین دلیل، پیشرفت‌های مهمی در بهبود رشد سلولی و افزایش میزان لیپید یا رنگدانه، راندمان و زمان مورد نیاز برای جداسازی میکروجلبک‌ها، درک برهم‌کنش‌های ممکن بین نانوذرات و سلول‌ها، و تلفیق روش برداشت با فرآیند آزادسازی مولکول‌های زیستی از سلول به وجود آمده‌ است. با این حال، هنوز مسائل حل ‌نشده بسیاری مانند طراحی‌های منطقی برای دستیابی به بازدهی بالا و نانوذرات پایدار، بازیابی گران ‌قیمت و محیط کشت، باقی‌مانده است. به‌کارگیری بهینه مهندسی نانوذرات در عمل نیازمند مطالعات بیشتر است که برخی از آن‌ها هم اکنون در مرحله انجام قرار دارد.

 

منبع

Young-Chul Lee, Kyubock Lee, and You-Kwan Oh, "Recent nanoparticle engineering advances in microalgal cultivation and harvesting processes of biodiesel production: A review." Bioresource technology 184 (2015) : 63-72.