Valorization of crude glycerol from heterotrophic microalgae cultivation: optimization and characterization of bioproducts

يتطلع العالم بشكل متزايد إلى الطبيعة لحل المشكلات التي خلفتها الصناعة. ومن أكثر التحديات استمراراً هو كيفية التعامل مع النفايات الناتجة عن صناعة الوقود الحيوي، وتحديداً تلك المادة اللزجة والكثيفة المتبقية بعد تحويل الزيوت النباتية إلى ديزل حيوي. هذه المادة، المعروفة باسم الجلسرين الخام، غالباً ما يتم التخلص منها أو حرقها، مما يمثل فرصة ضائعة. وفي الوقت نفسه، يبحث العلماء عن طرق مستدامة لزراعة النباتات المجهرية التي تسمى الطحالب الدقيقة. هذه الكائنات الدقيقة هي مصانع قوية؛ إذ يمكنها تحويل المغذيات البسيطة إلى زيوت للوقود، وبروتينات للغذاء، ومواد لزجة تعمل على تكثيف السوائل. وكان السؤال الكبير الذي يواجه الباحثين هو ما إذا كان بإمكان هذين العالمين الالتقاء: هل يمكن أن يصبح نفايات إحدى الصناعات غذاءً للأخرى، مما يخلق دورة لا يُهدر فيها شيء وتولد منها منتجات جديدة قيمة؟

وضع فريق من الباحثين في البرازيل هدفاً للإجابة على ذلك من خلال اختبار نوع محدد من الطحالب الدقيقة، وهو "كلوريلا فولغاريس" (Chlorella vulgaris)، في بيئة خزان مظلمة. وخلافاً للنباتات التي تحتاج إلى ضوء الشمس للنمو، يمكن لهذه الطحالب الدقيقة البقاء والازدهار من خلال التغذي على مصادر الكربون العضوية، وهي عملية تسمى الزراعة غير الضوئية (heterotrophic cultivation). أراد العلماء معرفة ما إذا كان بإمكانهم تغذية هذه الطحالب بالجلسرين الخام وحثها على إنتاج "ثلاثي التهديد" من المواد المفيدة: طبقة كثيفة من الكتلة الخلوية، وزيوت مناسبة للوقود، ومادة لزجة تشبه الهلام تتدفق كالسائل ولكنها تحافظ على شكلها كالمادة الصلبة. ولإيجاد الوصفة المثالية، لم يعتمدوا على التخمين، بل عاملوا خزان الزراعة كأنه لغز مختبري، حيث قاموا بضبط ثلاثة مكونات رئيسية بعناية: سرعة تقليب السائل، وكمية الجلسرين المضافة، وكمية سماد النيتروجين المتوفر. لقد أجروا عشرات التجارب، مغيرين هذه المتغيرات بنمط دقيق لمعرفة أي تركيبة تجعل الطحالب تنمو بأسرع ما يمكن وتنتج أكثر السلع قيمة.

كانت نتائج هذا الضبط الدقيق مذهلة. فقد اكتشف الباحثون أنه من خلال خلط كميات محددة من الجلسرين والنيتروجين مع تقليب الخزان بسرعة متوسطة، يمكنهم تحفيز طفرة نمو سريعة. ففي غضون أربع وعشرين ساعة فقط، استهلكت الطحالب الدقيقة الجلسرين تماماً وأنتجت طبقة كثيفة من الكتلة الحيوية. لم يكن هذا مجرد نمو بسيط؛ بل وصلت الطحالب إلى تركيز 1.18 جرام لكل لتر في يوم واحد، وهي سرعة تشير إلى إمكانية توسيع نطاق هذه الطريقة للاستخدام الصناعي. والأهم من ذلك، أن الخلايا لم تكتفِ بالنمو فحسب، بل غيرت كيمياءها الداخلية. فقد تبين أن الزيت المخزن داخل الخلايا مرشح ممتاز لصنع الديزل الحيوي. وعند تحليلها، امتلكت جزيئات الدهون داخل الطحالب التوازن الصحيح من الهياكل الكيميائية لتعمل بكفاءة ونظافة في المحركات، مستوفيةً المعايير الصارمة المستخدمة في البرازيل وأوروبا والولايات المتحدة. كما كان الزيت مستقراً ومقاوماً لنوع الأكسدة الذي يتلف الوقود بمرور الوقت، مما يثبت أن الجلسرين الخام يمكن بالفعل تحويله إلى طاقة عالية الجودة.

لكن القصة لم تنتهِ عند الزيت. فقد احتوى السائل المتبقي بعد إزالة الطحالب من الخزان على مفاجأة. احتوى هذا السائل الشفاف على بوليمر طبيعي، وهو عبارة عن سلسلة طويلة من جزيئات السكر التي تفرزها الطحالب أثناء نموها. وعندما اختبر الباحثون هذه المادة، وجدوا أنها تتصرف بطريقة رائعة؛ فهي تكون سميكة ولزجة عندما تكون ساكنة، ولكن عندما يتم تقليبها أو عصرها، تصبح أقل لزوجة وتتدفق بسهء. هذه الخاصية، المعروفة باسم السلوك "شبه البلاستيكي" (pseudoplastic behavior)، تحظى بتقدير كبير في الصناعات التي تصنع كل شيء من معجون الأسنان إلى الطلاء، لأنها تسمح للمنتجات بالبقاء في مكانها حتى الحاجة إليها، ثم التدفق بسلاسة عند الاستخدام. كانت المادة التي أنتجتها الطحالب مشابهة بشكل ملحوظ لصمغ الزانثان (xanthan gum)، وهو مادة مكثفة تجارية شائعة تنتجها البكتيريا، ولكن تم إنتاجها هنا باستخدام مواد نفايات بدلاً من الأغذية الاصطناعية المكلفة. علاوة على ذلك، عمل السائل نفسه كمستحلب قوي، مما يعني أنه يمكنه خلط الزيت والماء معاً بطريقة مستقرة دون انفصال. وعند اختباره مقابل زيوت مختلفة مثل زيت الصويا وزيت الزيتون، حافظ سائل الطحالب على مزيجها لأكثر من أربع وعشرين ساعة، مما يشير إلى إمكانية استخدامه كمكون طبيعي في مستحضرات التجميل أو المنظفات الصناعية.

كما كشفت الدراسة عما يحدث عندما لا تكون الظروف مثالية. فعندما حاول الباحثون تغذية الطحالب بكميات كبيرة جداً من الجلسرين، توقفت الخلايا عن النمو، ويرجح أن السبب هو أن البيئة السكرية الكثيفة أصبحت ثقيلة جداً بحيث لا تستطيع الخلايا التعامل معها. وبالمثل، كان توازن النيتروجين أمراً حاسماً؛ فبدون كمية كافية، لم تستطع الطحالب بناء أجسامها، ولكن مع الكمية المناسبة، ازدهرت. وقد أكد البحث أن هذه العملية لا تقتصر فقط على نمو الخلايا، بل تتعلق بتوجيه عملية التمثيل الغذائي لديها. فمن خلال التحكم في البيئة، استطاع العلماء توجيه الطحالب لإعطاء الأولوية لإنتاج الزيت والبوليمرات. ويشير هذا العمل إلى أن نفايات مصانع الديزل الحيوي ليس من الضروري أن تكون عبئاً، بل يمكن أن تكون أساساً لنوع جديد من المصافي الحيوية، حيث تسفر عملية واحدة عن الوقود والمكثفات الصناعية والمستحلبات، كل ذلك مع تنظيف تدفق النفايات البيئية. تقدم النتائج مساراً ملموساً نحو اقتصاد دائري، حيث يصبح ناتج عملية ما مدخلاً لعملية أخرى، محولةً بذلك منتجاً ثانوياً من الماضي إلى مورد للمستقبل.