Design and Evaluation of a Novel Solar-Integrated Semi-Closed Photobioreactor for Enhanced Biomass Productivity, Lipid Accumulation, and Biodiesel Yield in Cladophora sp. OW8 and Spirogyra sp. OW3

يبحث العالم عن وسيلة جديدة لتشغيل محركاته، وسيلة لا تعتمد على استخراج الكربون القديم من باطن الأرض. وبينما تولد الألواح الشمسية وتوربينات الرياح الكهرباء، لا تزال الآلات الثقيلة المستخدمة في النقل — مثل الشاحنات والسفن والطائرات — تعتمد إلى حد كبير على الوقود السائل. ولعقود من الزمن، نظر العلماء إلى نباتات صغيرة تسمى الطحالب كحل محتمل؛ فهذه الكائنات المجهرية تنمو بسرعة، ممتصةً ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون لبناء أجسامها الغنية بالزيوت. وإذا أمكن حصاد هذه الزيوت وتحويلها إلى وقود، فقد توفر بديلاً متجدداً للديزل. ومع ذلك، كان تحويل هذا الوعد إلى واقع أمراً صعباً. فزراعة الطحالب في أحواض مفتوحة يعد رخيص التكلفة ولكنه محفوف بالمخاطر، حيث غالباً ما تغزو الملوثات البرية المحصول وتفسده، أما زراعتها في أنابيب زجاجية عالية التقنية ومغلقة فهو أكثر أماناً، ولكنه غالباً ما يكون مكلفاً للغاية للتشغيل، خاصة في الأماكن التي تعاني من عدم استقرار أو ارتفاع تكلفة الكهرباء. ويظل التحدي المركزي هو إيجاد حل وسط: نظام يكون ميسور التكلة، وسهل البناء، وقادراً على إنتاج ما يكفي من الوقود لإحداث فرق.

في دراسة حديثة، عالج باحثون من جامعة إبادان في نيجيريا هذه المشكلة من خلال تصميم واختبار نوع جديد من غرف نمو الطحالب. وقد ركزوا على نوعين محددين من الطحالب الخضراء الخيطية، والتي تبدو مثل خيوط دقيقة متفرعة بدلاً من خلايا مفردة. تم اختيار هذه السلالات تحديداً، والتي سُميت "كلادوفورا" (Cladophora) و"سبيروجيرا" (Spirogyra)، لأنها قوية وتتكتل طبيعياً، مما يجعل حصادها أسهل من غيرها من الأنواع. قام الفريق ببناء خزان مستطيل كبير بسعة ألف لتر، مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ (ستانلس ستيل) ومغطى بسقف زجاجي شفاف. سمح هذا التصميم لضوء الشمس الطبيعي بغمر المزرعة مع حمايتها من الغبار والآفات. ولضمان حصول الطحالب على كفاية من الضوء حتى بعد غروب الشمس أو عند مرور السحب، تم تجهيز النظام بمصابيح LED موفرة للطاقة تعمل بواسطة ألواح شمسية وبطاريات. هذا الإعداد يعني أن المفاعل يمكنه العمل بشكل مستقل عن شبكة الكهرباء المحلية، وهي ميزة حاسوية للإنتاج المستدام في المناطق التي تعاني من عدم استقرار الكهرباء.

ملأ الباحثون هذا الخزان المصمم خصيصاً بالماء والمغذيات والطحالب المختارة، ثم راقبوا نمو الكائنات الحية على مدار اثني عشر يوماً. لقد تحكموا بدقة في درجة الحرارة، وضخوا ثاني أكسيد الكربون في الماء لتغذية النباتات، واستخدموا أدوات خلط لطيفة لإبقاء الطحالب معلقة ومعرضة للضوء. كانت النتائج مشجعة؛ فقد ازدهر كلا النوعين من الطحالب في هذه البيئة، ووصلا إلى تركيزات عالية من الكتلة الحيوية. وبحلول اليوم العاشر، وصلت كثافة "الكلادوفورا" إلى 8.323 جرام لكل لتر، بينما وصلت "السبيروجيرا" إلى 7.477 جرام لكل لتر. والأهم من ذلك، أن الطحالب لم تكتفِ بالنمو فحسب، بل قامت بتخزين الطاقة أيضاً. فمع بدء نقص المغذيات في الماء، غيرت الطحالب عملية التمثيل الغذائي لديها، مخزنةً الطاقة الزائدة على شكل ليبيدات (دهون). وبحلول اليوم الحادي عشر، احتوت "الكلادوفورا" على 47.36 بالمائة من الليبيدات من حيث الوزن، بينما احتوت "السبيروجيرا" على 39.297 بالمائة. وتمثل هذه النسب تراكماً كبيراً للمادة الخام اللازمة للوقود.

بمجرد وصول الطحالب إلى ذروتها، قام الفريق بحصاد المزرعة واستخراج الزيوت لتحويلها إلى ديزل حيوي. كانت العملية فعالة للغاية؛ حيث حققت "الكلادوفورا" معدل تحويل للديزل الحيوي بنسبة 92.72 بالمائة، مما يعني أن جميع الزيت المستخرج تقريباً قد تحول بنجاح إلى وقود. وأدت "السبيروجيرا" أداءً مقارباً جداً، بنسبة عائد بلغت 90.03 بالمائة. وللتأكد من أن هذا الوقود الجديد قابل للاستخدام فعلياً، قام الباحثون بتحليل تركيبته الكيميائية وخصائصه الفيزيائية. ووجدوا أن الوقود يهيمن عليه أحماض دهنية محددة مثالية للاحتراق، وخاصة حمض البالمتيك وحمض الأوليك. تمنح هذه المكونات الوقود رقماً سيتانياً عالياً، وهو ما يشير إلى سهولة اشتعاله في المحرك، وتضمن احتراقه بشكل نظيف. كما أظهر الوقود استقراراً ممتازاً، مقاوماً لنوع التحلل الكيميائي الذي يؤدي إلى فساد الوقود القديم، وكان يتمتع بنقطة وميض عالية، مما يجعله آمناً للتداول والنقل.

خلصت الدراسة إلى أن الديزل الحيوي الناتج عن هذه الطحالب يلبي المعايير الدولية الصارمة المطلوبة للاستخدام في محركات الديزل الحديثة. وهذا يعني أن هذا الوقود ليس مجرد فضول مختبري، بل هو منتج قابل للتطبيق يمكن نظرياً استخدامه في المركبات الحالية دون تعديل. وقد اعتمد نجاح التجربة على تصميم المفاعل نفسه؛ فمن خلال الجمع بين انخفاض التكلفة وبساطة الأنظمة المفتوحة مع حماية وتحكم الأنظمة المغلقة، أنشأ الباحثون منصة عززت النمو مع تقليل تكاليف الطاقة. إن استخدام الطاقة الشمسية لتشغيل أدوات الخلط والمصابيح قد أزال عائقاً اقتصادياً كبيراً، مما أثبت أن الإنتاج البيولوجي عالي التقنية لا يتطلب دائماً بنية تحتية باهظة الثمن. ورغم أن الدراسة أجريت تحت ظروف محكومة ولا تزال هناك حاجة لاختبارات على نطاق أوسع لتأكيد هذه النتائج في العالم الحقيقي، إلا أن النتائج تقدم مساراً واضحاً للمضي قدماً. فهي تشير إلى أنه مع الهندسة الصحيحة، يمكن للمفاعلات التي تعمل بالطاقة الشمسية والمبنية محلياً أن تحول الطحالب الخضراء البسيطة إلى مصدر موثوق للطاقة النظيفة، مما يساعد في سد الفجوة بين احتياجات الوقود الحالية ومستقبل مستدام.