تولید سوخت توسط جلبک ها

 

جلبک ها تقریبا در همه جا هستند ، آنها درآب های شور و شیرین مشاهده می شوند ، در واقع در اکثر محیط های آبی و جود دارند ، و از نور و دی اکسید کربن برای تولید بیومس استفاده می کنند. جلبک ها به دو دسته کلی جلبک های ریز (Microalgae) و جلبک های بزرگ (Macroalgae) طبقه بندی می شوند. جلبک های بزرگ سایز بزرگی داشته و چند سلولی بوده و به آنها جلبک های دریایی نیز می گویند. نمونه ای از این گیاهان غول پیکر دریایی درازایی به طول 25 متر دارند. از سوی دیگر جلبک های ریز اندازه کوچکی (میکرومتر) دارند ،  تک سلولی هستند. این جلبک های ریز مسئول تیرگی در آب مرداب ها و آکواریوم ها هستند. جلبک ها رشد بسیار سریعی دارند ، جلبک های دریایی بزرگ می توانند در طور روز  50سانتی متر رشد کنند ، و طول خود را بیشتر از 25 متر برسانند. ریز جلبک ها نیز رشد خوبی دارند و کمتر از یک ساعت می توانند تقسیم شوند. در واقع رشد سریع جلبک ها برای استفاده انسانی بسیار امید بخش است. جلبک های ریز در ساختمان سلولی خود میزان زیادی چربی دارند ، که می توان از آن بعنوان ماده خام برای برای تولید سوخت زیستی (بیودیزل ) استفاده کرد. جلبک ها جزء یوکاریوت ها محسوب می شوند ، بنابراین آنها در ساختمان خود دارای اندامک هایی مثل هسته و کلروپلاست هستند. بیومس تولیدی توسط جلبک ها ، در اندامک ها ساخته می شود. بیومس جلبک ها دارای سه ترکیب اصلی کربوئیدرات ، پروتئین و چربی(روغن طبیعی) است. این روغن طبیعی ساخته شده در جلبک های ریز بصورت تری گلسیرید است. این ترکیبات روغنی 25 تا 20 در صدد وزن خشک جلبک را به خود اختصال می دهند. این در حالی است که برخی جلبک ها می توانند تا 80 در صدد نیز دارای این ترکیبات روغنی باشند. وجود ترکیباتی مفید به میزان زیاد مثل کربوئیدرات ، چربی ، پروتئین در جلبک ها سبب شده آنها کاربرد های زیادی در صنایع غذایی ، تولید سوخت زیستی و پاکسازی محیط داشته باشند. جلبک های دریایی معمولا در کشور های آسیایی برای تولید غذای انسان و حیوانات استفاده می شوند.

سیستم کشت و تولید جلبک ها:

تولید سوخت از جلبک نیازمند مقادیر زیادی بیومس جلبکی است. برای رشد ، جلبک ها نیازمند نور ، آب ، دی اکسید کربن و نمک های معدنی هستند. البته برخی جلبک ها نیازمند نور نیستند  و از منابع  کربن آلی سریع تر  مثل دی اکسید کربن استفاده کرده و رشد هتروتروفی دارند. دمای بهینه رشد آنها 15 تا 30 درجه است. محیط رشد آنها باید دارای منابع ارزشمند غذایی مثل نیتروژن ، فسفر ، آهن و مقادیری سیلیسیوم باشد. برای تولید در مقیاس وسیع سلول های جلبک باید مداوم مخلوط شوند و از ساکن شدن بیومس جلوگیری شود.

Open raceway ponds: این روش ساده ترین و قدیمی ترین روش برای کشت جلبک ها به حساب می آید ، که در دهه 1950 انجام گرفت. در این روش از مخزن های کم عمق (cm30) استفاده می شود و جلبک ها در شرایط برابر کشت داده می شوند. فضای لازم برای انجام این روش 440000 متر مکعب است. طی این روش مخزن در یک جریان cm30 طراحی شده و یک چرخ دنده عمل مخلوط کردن و گردش سلول های جلبک را با مواد غذایی فراهم می کند ، و از ته نشینی بیومس جلوگیری می کند. اگرچه این روش نسبت به فتوبیوراکتور ها هزینه کمتری دارد ،  اما دراین روش سرما توسط تبخیر حاصل شده ، و بدلیل کمبود آب ، این روش در بکار گیری دی اکسید کربن توسط جلبک دچار اشکال بوده و بیومس تولیدی محدود است. همچنین آلودگی توسط میکروارگانیسم ها در این روش اجتناب ناپذیر است

Photobioreactors: روش دیگر برای کشت جلبک ها استفاده از فتوبیوراکتور ها است. طی این روش مشکلات روش open raceway ponds بطور کلی حذف می شوند. فتوبیوراکتور ها می توانند به مشکلات آلودگی و تبخیر در روش open raceway ponds چیره شده و بازده بهتری داشته باشند. همچنین جداسازی بیومس تولیدی از فتوبیوراکتور کم خرج تر از روش پیشین است. چندین مدل بیوراکتور وجود دارد ، اما آنها به طور کلی به دو نوع تقسیم می شوند. 1. آنهایی که از نور طبیعی استفاده می کنند 2. آنهایی که از نور مصنوعی استفاده می کنند. فتوبیوراکتور های بسته مشابه ظروف تخمیری بوده ، اما نیازمند تامین شدن با دی اکسید کربن و نور هستند . فتوبیوراکتور های بسته اغلب لوله ای بوده و میزان زیادی منافذ برای ورود نور دارند. لوله مستقیم یا مارپیچی است ، که سطح وسیعی داشته و اجازه گردش جلبک ها را فراهم می کند. این فتوبیوراکتور ها نواقصی نیز دارند. که می توان تغییرات در دما و نور اشاره کرد ، که طی آن ممکن است جلبک از دمای بهینه رشد خود خارج شود. فتوبیوراکتورها می توانند بشکل لوله ای ، ستون های عمودی ، حلقه باشند.

سیستم کشت جلبک های Heterotrophic:

برخی جلبک ها قادرند طی شرایط هتروتروفیکی رشد کنند ، در این شرایط جلبک ها کربن مورد نیاز خود را از منابع آلی کربنی در محیط کشت بدست آورده و به منبع نوری نیاز ندارند. این دسته از جلبک ها سطح بیشتری چربی و میزان کمتری پروتئین نسبت به جلبک های فتوسنتزی تولید می کنند. کشت های هتروتروفیکی  باید کاملا استریل و غنی باشند. در یک محیط غنی با منابع کربن آلی مثل کربوئیدرات و اسید های آلی جلبک ها قادرند به راحتی رشد کنند. در شرایط هتروتروفیکی تولید چربی توسط جلبک ها به فاکتور هایی از جمله عمر محیط کشت ، مواد غذایی محیط کشت ، فاکتور های محیطی مثل دما ، pH و میزان شوری وابسته است. طی این روش ، مثل روش قبل ، ممکن نیست نور اثر مهاری در غلظت سلول های جلبکی داشته باشد. همه جلبک های ریز قادر به رشد در شرایط هتروتروفیکی نیستند.  Wen و Chen نیاز جلبک ها را به سوی سازش پیدا کردن با شرایط تولید هتروتروفیکی تقویت کردند. که شامل :1. توانایی تقیسم و متابولیزه شدن در تاریکی 2. توانایی رشد در محیط های ارزان و استریل 3. توانایی سازش پذیری سریع با محیط جدید 4. توانایی مقاومت در برابر استرس های هیدرودینامیکی تجهیزات ، بود.

سیستم کشت پیوسته :

سیستم های کشت پیوسته مثل (ATS) Algae Turf Scrubber روشی متفاوت برای رشد جلبک ها محسوب می شود. طی این روش جلبک ها معلق در سطح قرار گرفته و به آنها مواد غذایی می رسد. از جمله ویژگی های مثبت این روش جداسازی راحت جلبک از روی سوبسترا بوده این روش بیشتر برای کشت جلبک های بزرگ استفاده می شود.

جلبک های ریز(Microalgae) و تولید سوخت:

برای تولید سوخت از جلبک ویژگی هایی باید مورد توجه قرار گیرند ، که شامل دارا بودن میزان زیاد چربی ،  توانایی رشد در بیشتر مکان ها و داشتن رشد سریع است. بیودیزل می تواند طی واکنش هر منبع روغنی و چربی با الکل تولید شود. برای تولید بیودیزل تری گلسیرید ها با متانول طی واکنش ترانس استریفیکاسیون واکنش داده که طی آن اسید چرب یا متیل استر تولید می شود. منابع بازی قوی مثل هیدروکسید سدیم (NaOH) و هیدروکسید پتاسیم (KOH) بطور معمول بعنوان کاتالیست برای افزایش میزان تولید بیودیزل استفاده می شوند. طی تولید بیودیزل در ابتدا سه مولکول اسید چرب با یک مولکول گلیسرول استریفیه شده و تولید تری گلیسرول می کند. طی واکنش ترانس استریفیکاسیون به ازای هر مولکول تری گلیسیرید نیاز به 3 مول الکل است. لیپاز نیز می تواند بعنوان کاتالیست برای تولید بیشتر استفاده شود ، که هزینه بالای آن انجام این امر را کم می کند. کاتالیز توسط قلیا در دمایی حدود 60 درجه و تحت فشار اتمسفر انجام می شود ، و زمان لازم برای انجام واکنش 60 دقیقه است. در پایان واکنش ها بیودیزل توسط شستشوی مکرر بوسیله آب و دفع متانول و گلیسرول بازیافت می شوند

 

 

Ames test

 

بیوشیمیست آمریکایی Bruce Ames  تستی را ابداع کرد  که در این تست از سوش های سالمونلا تیفی موریوم ، که در اپران هیستدین خود دارای جهش بودند و قابلیت رشد در محیط فاقد هیستدین را نداشتند  برای شناسایی عوامل جهش زا استفاده می شد. طیف وسیعی از عوامل سرطان زا نیاز به فعال سازی متابولیکی برای شناسایی دارند. خاصیت منحصر به فرد آزمون ایمز استفاده از میکروزوم کبد (S₉) برای فعال سازی برخی مواد جهش زا و سرطان زا است. این عصاره  میکروزومی از کبد پستانداران مثل Rat تهیه می شود.این عصاره کمک می کند تا شرایطی شبیه به شرایط بدن انسان در محیط کشت ایجاد شود چون متابولیسم بدن در کبد انجام می شود ممکن است ماده مورد آزمایش در اثر هیدروکسیلاسیون در کبد جهش زا شود و یا خاصیت جهش زایی را ازدست دهد. تاکنون بیش از  5000 ماده شیمیایی توسط این آزمون مورد بررسی قرار گرفته است و اکثر مواد شیمیایی که توسط این آزمون ، جهش زایی آنها اثبات شده ، اکنون جزء گروه ترکیبات سرطان زا محسوب می شوند.امروزه استفاده از تست ایمز جهت شناسایی مواد جهش زا رایج است . آزمایش های شناسایی مواد سرطان زا و جهش زا روی حیوانات حساس آزمایشگاهی پرهزینه و وقت گیر است. تست ایمز روشی به مراتب ارزان بوده و کمتر از یک هفته قابل اجراست

سوش های مورد استفاده در تست ایمز:

باکتری سالمونلا تیفی موریوم باکتری شاخص برای آزمون ایمز شناخته می شود . این باکتری گرم منفی و از خانواده انتروباکتریاسه است.  این باکتری برای استفاده در آزمون ایمز باید دارای جهش های زیادی باشد . به طور کلی این سویه های مورد استفاده در آزمون ایمز گالاکتوز منفی هستد و به علت فقدان اپران گالاکتوز دخیل در سنتز لیپو پلی ساکارید ، این باکتری ها در بیماری زایی دچار نقصند. سویه های سالمونلا تیفی موریوم  TA100 , TA98 , TA97 , TA102 به علت داشتن پلاسمیدPKM101  که حاوی  R-Factor  است ، می تواند مواد سرطان زای بسیار ضعیف را نیز شناسایی کنند. البته سوش های دیگری از سالمونلا تیفی موریوم  مانند S. typh TA1537  ، S. typh TA1535   و S. typh 104  و همچنین  E. coli WP2 uvrA در آزمون ایمز  استفاده می شوند که سویه E. coli وابسته به اسید آمینه تریپتوفان است.

این سویه ها باید قبل از استفاده  در آزمون از وجود جهش های مربوطه مورد تائید قرار گیرد.

تست های تائیدی عبارتند از:

وابستگی به هیستدین ، جهش  Rfa ، جهش  Uvr B ، آزمون  R-Factor

مواد مورد استفاده در تست ایمز:

محیط Minimal  glucose agar :

محیط اصلی برای آزمون ایمز محیط حداقل گلوگز(Minimal  glucose agar ) است. برای تهیه این محیط ، از فرمول زیر استفاده می شود. این محیط بسیار ساده و فاقد مواد غنی برای رشد است.

میزان مواد در1 لیتر

Agar……………………...…………..…15gr

Distilled H₂O…………………………930 ml

50 X VB salt…………………….……..20 ml

40% Glcose……………………..……..50 ml

تهیه نمک Vogel –Bonner medium 50 x :

میزان مواد در 1 لیتر

Warm distilled water (45 ^°C  )……………………....……....…650 ml

Magnesium sulfate (MgSO₄- H₂O)………………….….…...… 10 gr

Citric acid monohydrate ……………………….………...…100 gr

Potassium phosphate, dibasic, anhydrous (K₂HPO₄).……. 500 gr

Sodium ammonium phosphate(Na₂NH₂PO₄- 4H₂O)…………..175gr

 

تهیه گلوگز 40%:

Glucose ……………..…...…..22.2gr

Distilled H₂O…………………50 ml

میکروزوم کبد (S₉) :

طیف وسیعی از عوامل سرطان زا و جهش زا  نیاز به فعال سازی متابولیکی برای شناسایی دارند. برای تهیه عصاره میکروزوم (S₉) ، موش ها  باید به مدت 24ساعت دور از آب و غذا نگهداری شوند تا ترشح آنزیم های کبدی آنها به واسطه گرسنگی تحریک شود و افزایش یابد. سپس با وسایل کاملا استریل کبدها با دقت خارج و با کلرید پتاسیم سرد و تازه M 15/0 شستشو داده می شود  تا گلبول های قرمز که مانع از فعالیت آنزیم های سیتوکروم 450 p  می شوند خارج گردند به ازای وزن هر گرم کبد 1 میلی لیتر کلرید پتاسیم به کبد ها اضافه می شود و با قیچی استریل روی یخ  له و خرد شده سپس به مدت 10دقیقه در دمای۴درجه سلسیوس با دور  g 9000 سانتریفوژ می شوند و مایع رویی حاصل از سانتریفوژ برای انجام تست استفاده می شود

محلول های مورد استفاده:

برای حل کردن مواد جهش زا از محلول های مختلفی می توان استفاده کرد. که مهمترین آنها آب مقطر است. برای برخی دیگر از موادی که در آب حل نمی شوند از حلال هایی مثل دی متیل سولفاکساید ، استن ، اتیل الکل ، تترا هیدروفوران ، دی متیل فورمامید و متیل اتیل کتون نیز می توان استفاده کرد . البته باید در میزان استفاده از این مواد دقت کرد ، زیرا ممکن است اثر ممانعت کنندگی از رشد باکتری داشته باشند.

By: Reza  Kazemi Darsanaki