مقدمة: توسيع دور ألغا في الاقتصاد البيولوجي

وقد برزت " ألفا " كحجر للجهد العالمي لتطوير المواد الوسيطة البيولوجية المتجددة والمستدامة، ومن المهاجر المصغر المزروعة في المفاعلات الضوئية إلى أقصى حد، فإن هذه الكائنات الصناعية الضوئية توفر مرونة كبيرة، وهي تتطور بنشاط من أجل التطبيقات التي تشمل الوقود الأحيائي والتغذية الحيوانية والبشرية، والمستنقعات، والصيدلة الصيدلانية، والثروات البيولوجية، والزخرفات التقليدية،

غير أن الطريق من ثقافة الطحالب المخففة إلى منتج جاف ومستقر وقيم كان تاريخياً الاختناقات الاقتصادية الرئيسية في هذه الصناعة، حيث أن الخصائص المادية والكيميائية المتأصلة في خلايا الطحالب تجعلها صعبة ومكلفة للفصل عن متوسط نموها، ويتوقف نجاح صناعة الطحالب على وضع نهج مبتكرة في مجال الحصاد والتجهيز يمكن أن تتغلب على هذه التحديات، وتخفض كثافة الطاقة، وتفتح أسواق جديدة للمنتجات العالية.

التحدي الأساسي في مجال تسخير الميكروالغايات

ففهم سبب كون حصاد الطحالب تحديا تقنيا مستمرا يتطلب دراسة طبيعة الكتلة الحيوية نفسها، وتتقاسم الغالبية العظمى من الميكروبات ذات الصلة تجاريا عدة خصائص تعقّد التحلل غير الرخيص للمياه:

  • Small cell size:] Most unicellular algae range from 2 to 40 micrometers in diameter. This small size means they pass through many conventional filtration media and settle at an extremely slow rate under gravity alone.
  • Low culture density:] Large-scale algae cultivation typically yields biomass concentrations of only 0.5 to 5 grams per liter. This means that for every kilogram of biomass, hundreds of kilograms of water must be removed.
  • Negative surface charge:] Algae cells possess a net negative surface charge, which creates electrostatic repulsion between cells, preventing them from naturally aggregating and settling out of suspension.
  • A chemically complex fisheriesly complex fisheries:] The cell wall composition varies widely among species, often requiring specific chemical orميكانيكيal methods to disrupt it and access the valuable intracellular components.

والهدف من أي استراتيجية للجني والتجهيز هو التغلب على هذه الحواجز المادية مع التقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة، والتكاليف التشغيلية، والأثر البيئي، وقد اعتمدت الصناعة منذ وقت طويل على مجموعة من الأساليب التقليدية، ولكن الابتكارات الحديثة بدأت تعيد تحديد ما هو ممكن.

أساليب التعبئة التقليدية والحدود المفروضة عليها

وتوفر النهج التقليدية في مجال جمع الطحالب المعارف الأساسية للصناعة، ولكنها غالبا ما تكون باهظة التكلفة أو كثيفة الطاقة بالنسبة للمنتجات المنخفضة القيمة والكبيرة الحجم مثل الوقود الأحيائي.

Centrifugation

ويُعتبر التكرير فعالاً للغاية، وقادرة على تركيز سلورات الطحالب على أكثر من 20 في المائة من الصلبات ذات الكفاءة العالية في التعافي (أي ما يزيد على 90 في المائة)، وهو معيار الذهب بالنسبة للمنتجات ذات القيمة العالية مثل المواد التغذوية (مثلاً، حمضات الأميغا-3)() ويُعتبر الحد الأدنى من ارتفاع تكلفة رأس المال والطلب المكثف على الطاقة، وهو ما يستهلك في كثير من الأحيان بين 1 و8 في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة.

التخزين والتخزين

وتستخدم التلفيات والثغرات الفراغية وزيارة التدفق البلاستيكي (الإنصهار النسيج) لا سيما بالنسبة لضخ كميات أكبر من الميكلورغا وسيانوبتوريا، ويمكن لنظم الميمبرني أن تحقق كفاءة عالية جدا في الفصل دون استخدام المواد الكيميائية، غير أنها تعاني من تآكل الغدد الديمبراني الذي يتطلب التنظيف والاستبدال بصورة متكررة.

التلقيح الكيميائي

كما أن إضافة المواد الكيميائية النباتية والثلاجات مثل سلفات الألومنيوم (اللوم)، والكلور الخماسي، أو البوليكريلاميدات، تُحيّد الشحنة السطحية لخلايا الطحالب، مما يتيح لها تجميع فلزات أكبر تستقر بسرعة تحت الجاذبية، وفي حين أن التكاثر الكيميائي الناجع والضع نسبياً في الطاقة، فإن التكاثر الكيميائي يمكن أن يُدخُل في معالجة مستخرج من النفايات الأحيائية.

النهج الابتكارية في مجال ألفي هارفستنغ

واستجابة للقيود المفروضة على التقنيات التقليدية، وضع الباحثون والمهندسون مجموعة من الأساليب المبتكرة الرامية إلى خفض حاجز الطاقة وتكلفة تطهير الطحالب، وكثيرا ما تستند هذه النهج إلى مبادئ من الكيمياء المترابطة والكهرباء والتكنولوجيا الأحيائية.

التلويث الأحيائي والتلقين الذاتي

وتُسجِّل زراعة الطحالب ذات التركيز البيولوجي القدرة الطبيعية لبعض الكائنات المجهرية على تعزيز التجميع، ومن خلال المشاركة في زراعة الطحالب المستهدفة التي تنطوي على بكتريا محددة، أو الفطريات، أو غيرها من سلالات الطحالب، فإن عملية التلقيح الطبيعي تُحدث، وبعض أنواع الطحالب المعروفة مثل Etccensis

Electrocoagulation and Electrolytic Harvesting

وتطبق عملية الحرق الكهربائي مباشرة على ثقافة الطحالب باستخدام الكهروود المعدني التضحية، أو الألومنيوم أو الحديد عادة، وتحلل الطاقة الكهربائية الحالية من الآيون المعدنية إلى الحل، التي تعمل كعوامل لتقويض خلايا التزحلق، وتُنتج في الوقت نفسه، في شكل خامات من المواد الكهربائية، نسبة 9.5 في المائة من المواد التي يمكن أن تساعد على تجميع المواد السطحية.

الفصل بين الماجستير

والفصل بين الماجستير والفصل المغناطيسي هو أسلوب مجزأ ومنتقد للغاية، إذ أن المواد المغنوية المتحركة التي كثيرا ما تكون مؤلفة من أكسيد الحديد المكسو بأكسيد معين أو متعدد الأطراف، تُضاف إلى ثقافة الطحالب، وتظل الجسيمات الملزمة لخلايا الطحالب، أو تتفاعل الخلايا مع الجسيمات من خلال عمليات التكوين الكهرومغناطيسي أو التفاعلات المغنوية.

Ultrasound (Acoustic) Harvesting

ويستخدم التحصيل الصوتي موجات صوتية عالية التردد لحفز تكوين موجات دائمة داخل قناة سوائل، وتدفع خلايا الغاز بقوة الإشعاع الصوتية إلى أشبال الضغط في الموجة الدائمة، حيث تتجمع إلى كثافة، وعندما يغلق المجال الصوتي، تستقر هذه الخلايا بسرعة بسبب حجمها الأكبر، ولا تتطلب هذه الطريقة أي مواد كيميائية غير قابلة للاشتعال.

السلف في خلية ألغاي والتجهيز البيولوجي

ومتى تركزت الكتلة الأحيائية الطحالب، يتمثل التحدي التالي في استخراج المركبات المترابطة بكفاءة، وترمي الجدران الخلوية القوية والمتعددة المستويات لكثير من أنواع الطحالب إلى حماية الخلية من الإجهاد البيئي، وهي مقاومة شديدة للهجوم الميكانيكي والكيميائي، وتعد الابتكارات في خلل الخلايا واستخراجها أساسية للتجهيز الأحيائي المجدي اقتصاديا.

التحلل العالي الإجهاد ومطاحن الدب

ويدفع التحلل العالي الضغط على مغسلة الطحالب المركزة من خلال صمام ضيق جداً عند ضغط شديد (حتى 1500 بار) ويحدث انخفاض في الضغط السريع، وينتج عن ذلك تمزق فعال في جدران الخلايا، ويستخدم الطحن الخضر في تصميمات صغيرة أو زجاجية أو خزائن للطحن الجسمي، ويظل كل من الأساليب ذات فعالية كبيرة وتستخدم على نطاق واسع في تصميمات صناعية.

الاستخراج الفلوطي الرئوي (SC-CO2)

وقد أصبح استخراج ثاني أكسيد الكربون الفوقية معيارا لإنتاج زيوت وخنازير عالية الجودة، حيث يمكن أن يؤدي ارتفاع ثاني أكسيد الكربون إلى ارتفاع درجة حرارته وضغطه (31 درجة مئوية، 73.8 بار) إلى زيادة الكثافة الكثيفة للوقود السائل ووزن الغاز، ويمكن لهذا السائل الخارق أن يخترق مصفوفة الخلايا، ويفصل المركبات غير القطبية مثل ضغط ثلاثي ومذيبات الجوزات.

تحلل الهيدرولوج النزيهي وتدهور جدار الخلايا

ويُقدم تحلل الهيدروليكي الانزيائي نهجاً محدداً وسليماً بيئياً إزاء تعطيل الخلايا، ويُستخدم الكوكتيل من الانزيمات (النسيجات، الأنزيمات، الأنزيمات، الأنزيمات الصناعية، التكاثر)، لكسر البوليسارات الهيكلية في الجدار الخلوي، وإطلاق المحتويات الداخلية بسلاسة، وهذه الطريقة هي تركيبة تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة، وتُعمل في ظروف بسيطة، وتُحافظ على القدرة على الأداء الوظيفي.

السائل الحراري الهادر (HTL)

إن التكتل الحراري الهادر هو تكنولوجيا تحويلية للكتلة الأحيائية الرطبة، وهي تُعالج مفاعل الطحالب مباشرة عند درجات حرارة عالية (250-370 درجة مئوية) وضغط كبير (100-250 بار) دون خطوة متوسطة للتجفيف، وتُستخدم المياه نفسها كمذيب وعامل حفاز، وتحوّل كامل الجزء العضوي من الطحالب إلى زيت أحيائي، وهو مرحلة ضغط مختلطة

المفهوم المتكامل للتكرير الأحيائي

(أ) إن أكثر الطرق واعدة لإمكانية البقاء اقتصادياً لصناعة الطحالب هي نموذج التكرير الأحيائي، مثل مصفاة النفط تنتج منتجات متعددة من النفط الخام، أو من الفرز الأحيائي للغاز، أو من خلال إنتاج ثاني من المواد الكيميائية ذات القيمة المضافة الأحيائية، أو من خلال إنتاج ثاني من المواد الخليعة، أو من خلال إنتاج الميكانيكية ذات القيمة العالية (أستكسيد الفولطية)

أوجه التآزر البيئية والاقتصادية

والنهج المبتكرة لجمع الطحالب وتجهيزها لا تتعلق فقط بتقليل التكاليف؛ بل إنها توفر أيضا مزايا بيئية هامة تزيد من تعزيز حالة الأعمال التجارية للطلاب.

إعادة تدوير المياه واستردادها

وتحتاج زراعة الألغاء إلى كميات كبيرة من المياه، تحتوي على مغذيات باهظة التكلفة مثل النيتروجين والفوسفور، وتجعل التكاثر الكيميائي التقليدي إعادة تدوير المياه صعبة بسبب ما تبقى من أفران معدنية، وتنتج عن ذلك أساليب مبتكرة مثل التلقيح الأحيائي، والتخثر الكهربائي، وتوليد المغذيات المميتة، دوارة خارقة واضحة يمكن إعادة تدويرها مباشرة إلى نظام الزراعة.

معالجة المياه المستعملة

إن إدماج زراعة الطحالب في معالجة المياه المستعملة هو استراتيجية اقتصادية وبيئية قوية، فالألغاي تتسم بالكفاءة العالية في إزالة النيتروجين والفوسفور والفلزات الثقيلة والملوثات الأخرى من المياه المستعملة البلدية والزراعية والصناعية، وتخفض الكتلة الأحيائية الطحالب المنتجة في العملية كمرشّح بيولوجي، ويمكن أن تحتوي الكتلة الأحيائية المحصولة الناتجة عن ذلك على مستويات أعلى من المعالجة الأولية للكميات والبروتينات.

Carbon Capture and Utilization (CCU)

(أ) أن تكون كفاءة آلغا في إنتاج الصور التركيبية أعلى بكثير من كفاءة النباتات الأرضية، وتقوم الشركات بنشر نظم زراعية كبيرة الحجم مدمجة مباشرة مع مصادر ثاني أكسيد الكربون الصناعية، مثل محطات توليد الطاقة أو مصانع الأسمنت، وتعمل الطحالب كنظام لاستخلاص الكربون البيولوجي، وتُعادل الكربون في الكتلة الأحيائية، التي يتم جمعها وتجهيزها، وفي حين يتم في نهاية المطاف إطلاق الكربون عند حرق الوقود الأحيائي؛

التحديات والطريق إلى تحقيق الاستدامة

وعلى الرغم من سرعة وتيرة الابتكار، فإن رفع هذه التكنولوجيات من مقعد المختبر إلى الواقع التجاري يتطلب معالجة عدة عقبات مستمرة، ولا يزال استقرار التربة ومرونتها حرجا؛ كما أن النظم المفتوحة للثغرات معرضة للتلوث من جانب الرعاة والأنواع المتنافسة، كما أن عائد الطاقة من الوقود الأحيائي المستخرج من الطحالب هو موضوع تحليل مكثف وتفاؤل، علاوة على ذلك، فإن النفقات الرأسمالية لمنتجات الطاقة المتقدمة ومعدات التجهيز ذات قيمة عالية لا تزال مرتفعة.

الاستنتاج: مستقبل متجانس لتكنولوجيات الألغاي

ويتطور المشهد العام لحشد الطحالب وتجهيزها بسرعة، ويتجه النموذج القديم لأسلوب واحد كثيف الطاقة لجميع التطبيقات إلى نهج أكثر دقة وتكاملا، ومن المرجح أن توزع العمليات التجارية الأكثر نجاحا سلسلة من التكنولوجيات: خطوة أساسية منخفضة الطاقة في مجال الحصاد (مثل التلقيح الأحيائي أو تسوية الجاذبية) لتركيز الثقافة، تليها خطوة ثانوية أكثر عدائية مصممة خصيصا لذلك (الدرجة القصوى من حيث القيمة).

إن تقارب البيولوجيا التركيبية، والتحكم المتطور في العمليات (بما في ذلك الاستخدام الأمثل للمبادرة الأولى)، والهندسة الكيميائية المبتكرة، أمر مهيأ لفتح كامل إمكانات الطحالب، وبما أن هذه التكنولوجيات ناضجة، فإن الطحالب ستتجاوز رؤية واعدة لإيجاد حل عملي قابل للتكدس للتحديات العالمية في مجال الأمن الغذائي، واستقلال الطاقة، والاستدامة البيئية، فالاستثمارات التي تُجرى اليوم في عملية ابتكارية للتجهيز المجرى ترسي الأساس لاقتصاد.