أظهر باحثون في هندسة الكيمياء أن دمج قضيب ترشيح دقيق من المعدن المسام المنغمس في مفاعل حيوي مستمر التحريك يمكّن بكتيريا "كلوستريديوم أوتوإيثانوجينوم" من إنتاج كحول صناعية من غاز التخليق (Syngas) بإنتاجية حجمية تفوق بكثير الأنظمة الدفعية التقليدية.
تفاصيل الدراسة والتقنية المستخدمة
أجريت الدراسة على مقياس مخبري في مفاعل بحجم عمل لتر واحد، وعالجت مشكلة انخفاض كثافة الخلايا وعوائد الزمان-المساحة المحدودة التي تقيد عادة تخمير الغاز الميكروبي. أُدخل قضيب ترشيح غير متماثل في قاع الوعاء، ما سمح بفصل أزمنة إقامة السائل عن احتفاظ الخلايا، ومنع انجراف المحفز الحيوي عند معدلات تخفيف مرتفعة.
عبر ثلاث زراعات مستمرة استمرت حتى عشرة أيام، تراكم المفاعل الحيوي بالغشاء المنغمس كتلة حيوية كثيفة وحافظ على تخليق كحولي شبه مستقر. أدى التشغيل دون معدل النمو النوعي الأقصى للبكتيريا إلى زيادات كبيرة في تركيزات الإيثانول النهائية و2،3-بيوتانديول، بينما حقق التشغيل فوق هذا العتبة البيولوجية إنتاجية إيثانول بلغت 7.73 جرام لكل لتر في اليوم، ما يمثل تحسنًا بمقدار 17 ضعفًا مقارنة بالتخمير الدفعي الذاتي التغذية الأساسي.
أهمية تخمير غاز التخليق
يُعد تخمير غاز التخليق عملية حيوية واعدة لتحويل الغازات الجانبية الصناعية أو الكتلة الحيوية المتحولة حراريًا إلى وقود حيوي مستدام ومواد أولية كيميائية. يتكون الخام الغازي بشكل أساسي من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين، التي تستقلبها كائنات لا هوائية أسيتوجينية إلى أسيتيل-إنزيم أ عبر مسار وود-لونغدال الاختزالي.
بينما يتطلب التحفيز الحراري الكيماوي (فيشر-تروبش) درجات حرارة وضغوطًا مرتفعة ومحفزات معدنية انتقالية مكلفة وعرضة للتسمم، يعمل التحويل الحيوي لغاز التخليق في ظروف معتدلة مع تحمل عالٍ للشوائب. غير أن التطبيق التجاري يواجه عقبات هندسية كبيرة متجذرة في ديناميكا السوائل والحركية الحيوية.
سلالة بكتيرية محسنة
للتغلب على اختناقات الحركية، قيم الباحثون سلالة "كلوستريديوم أوتوإيثانوجينوم LAbrini"، وهي مشتق تجاري معدل يحمل التصنيف DSM 115981، طُورت عبر التطور المخبري التكيفي وعلم الوراثة العكسي من السلالة البرية JA1-1. أُختيرت هذه السلالة المتطورة لمعدل نموها النوعي الأسرع، وتكوينها المخفض للمنتج الثانوي أسيتات، وصلابتها الأكبر في المفاعلات الحيوية المحركة.
تصميم النظام التجريبي
صُمم النظام في مفاعل من الفولاذ المقاوم للصدأ بسعة 2.4 لتر وقطر داخلي 98 مم، مزود بحواجز وحجم مرق نشط لتر واحد. زُود التحريك الميكانيكي بسرعة 1200 دورة في الدقيقة عبر توربينين من نوع راشتون بست شفرات، مما يوفر دخل طاقة حجمي 15.1 واط لكل لتر لتعظيم تفتيت فقاعات الغاز.
امتلك قضيب الترشيح غير المتماثل طولًا كليًا 179 مم، وطول غشاء نشط 157 مم، وقطرًا خارجيًا 14 مم، وثقبًا داخليًا 10 مم. تكوّن من قلب من الفولاذ المقاوم للصدأ مطلي خارجيًا بسبائك معدنية مسامية مدمجة متساوي الضغط، ذات قطر مسام متوسط 0.1 ميكرومتر ومساحة ترشيح خارجية 70.6 سم².
بروتوكول التشغيل والنتائج
اتُبع بروتوكول تشغيلي من ثلاث مراحل متتالية مصممة لبناء كثافة الخلايا المحفزة مع تجنب استنفاد الركيزة أو انجراف المحفز الحيوي المبكر. بدأت الزراعة بمرحلة دفعية أولية 22 ساعة، ثم انتقلت إلى تشغيل مستمر باحتفاظ كلي بالخلايا، حيث تُغذى وسط مغذٍ طازج باستمرار ويُسحب مرشح صافٍ عبر الغشاء المنغمس بمعدلات تخفيف متطابقة.
في العملية الأساسية التي بدأت بمرحلة دفعية ذاتية التغذية، ضُبط معدل تخفيف التغذية عند 1.4 في اليوم، مطابقةً لثلثي معدل النمو النوعي الأقصى الملاحظ في الزراعة الدفعية. زادت تركيز الخلايا بثبات على مدى 5.8 أيام من الاحتفاظ الكلي لتصل إلى 4.44 جرام/لتر، مصحوبة بارتفاع استهلاك أول أكسيد الكربون. أدى بدء نزف الخلايا بمعدل تخفيف 0.4 في اليوم إلى استقرار تكرار الكتلة الحيوية، مما سمح للزراعة بدخول حالة شبه مستقرة استمرت عبر ستة أزمنة إقامة هيدروليكية.
كشفت القياسات التحليلية عن تركيز كتلة حيوية مستقر 4.19 جرام/لتر، إلى جانب 4.83 جرام/لتر إيثانول، و0.86 جرام/لتر D-2،3-بيوتانديول، و0.25 جرام/لتر أسيتات فقط، محققة نسبة كتلة كحول-حمض 22.76. مقارنة بالتخمير الدفعي المرجعي، بلغت إنتاجية الإيثانول الحجمية 6.76 جرام/لتر/يوم (تحسن 15 ضعفًا)، بينما بلغت إنتاجية D-2،3-بيوتانديول 1.20 جرام/لتر/يوم.
تسريع مرحلة البدء وتحسين الإنتاجية
لضغط فترة البدء الطويلة المطلوبة لتراكم الكتلة الحيوية، أدخلت تجربة مستمرة ثانية مرحلة دفعية مختلطة التغذية أولية مكملة بـ 17.8 جرام/لتر من D-فركتوز. أدى الامتصاص المتزامن للسكر وغاز التخليق إلى تسارع تكاثر الميكروبات، محققًا وزنًا جافًا للخلايا 1.35 جرام/لتر خلال 22 ساعة، متجاوزًا عائد الخلايا الدفعي ذاتي التغذية بأكثر من جرام/لتر.
أُنجز استهلاك الفركتوز بالكامل قبل بدء التغذية المستمرة بالوسط، ما سرّع بشكل كبير تراكم الكتلة الحيوية اللاحق خلال الاحتفاظ الكلي بالخلايا. نتيجة لذلك، حققت الزراعة تحويلًا بنسبة 95% لأول أكسيد الكربون بعد 4.5 أيام فقط، مما مكن من بدء النزف قبل 1.5 يوم مقارنة ببدء التشغيل ذاتي التغذية.
أداء تحت معدل تخفيف مرتفع
استكشفت تجربة تخمير مستمرة ثالثة أداء المفاعل تحت معدل تدفق هيدروليكي مرتفع بضبط معدل تخفيف التغذية عند 2.8 في اليوم، متجاوزًا معدل النمو النوعي الأقصى ذاتي التغذية للبكتيريا البالغ 2.1 في اليوم. بعد مرحلة دفعية مختلطة التغذية، أدى الاحتفاظ الكلي بالخلايا إلى بلوغ تحويل أول أكسيد الكربون 95% في 2.1 يوم، مما سمح ببدء النزف عند 0.8 في اليوم.
بما أن معدل تخفيف التغذية تجاوز حد الانجراف البيولوجي للمفاعلات الكيميائية القياسية، كان احتفاظ الخلايا بالترشيح الدقيق ضروريًا للحفاظ على الكثافة المحفزة. في ظل ظروف شبه مستقرة، استقر تركيز الكتلة الحيوية عند 3.57 جرام/لتر، بينما وصلت تركيزات المستقلبات إلى 2.76 جرام/لتر إيثانول، و0.21 جرام/لتر D-2،3-بيوتانديول، و0.59 جرام/لتر أسيتات. على الرغم من أن التبادل السائل السريع قلل تراكيز الكحول الفردية، إلا أن الإنتاجية الحجمية المرتفعة رفعت العائد الكلي، محققة عائد إيثانول زماني-مساحي 7.73 جرام/لتر/يوم، مؤكدة أن أنظمة الغشاء المنغمس يمكنها استغلال معدلات تخفيف مستحيلة في خزانات التحريك المستمرة القياسية.
استقرار أداء الغشاء
طوال جميع الزراعات المستمرة، أظهر قضيب الترشيح الدقيق المنغمس أداءً ترشيحيًا مستقرًا دون زيادات قابلة للكشف في الضغط عبر الغشاء أو انخفاض في التدفق عبر نطاقات تدفق نفاذ تراوحت بين 5.9 و16.5 لتر/م²/ساعة. مُنع تلوث الغشاء بوضع القضيب مباشرة بجوار مجال القص العالي الناتج عن توربين راشتون السفلي، إلى جانب كثافات خلايا معتدلة وتشغيل بتدفق منخفض.
أظهرت قياسات غاز العادم عدم استهلاك للهيدروجين أو ثاني أكسيد الكربون من قبل البكتيريا، مؤكدة أن أول أكسيد الكربون عمل كمانح إلكترون حصري. إضافة إلى ذلك، حلل 2،3-بيوتانديول ميزو تحديدًا لكن لم يُكتشف في أي تجربة. سجّلت موازنات كربون مغلقة 91 إلى 98% من الكربون المستهلك، مع عجز طفيف يعكس انصهار كربون غير مُقاس من مستخلص الخميرة والسيستين.
بمساحة غشاء نوعية تبلغ حوالي 70 سم² لكل لتر، توفر المفاعلات الحيوية بالغشاء المنغمس مخططًا هندسيًا قابلًا للتطوير لتحويل غاز التخليق المستمر.
