การเพาะเลี้ยงจุลสาหร่าย
จาก ChulaPedia
เนื้อหา |
การเพาะเลี้ยงจุลสาหร่าย :ทางเลือกพลังงานในอนาคต
จุลสาหร่ายเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในธรรมชาติที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ จุลสาหร่ายมีหลายประเภท(มากจนนับไม่ถ้วน)แต่ละประเภทมีลักษณะ และคุณสมบัติแตกต่างกันไป บางชนิดมีโปรตีนเป็นองค์ประกอบสูง เช่น สไปรูไลน่า (Spirulina platensis) หรือบางชนิดมีคาร์โบไฮเดรตสูง เช่น นอสตอก (Nostoc sp.) หรือมีไขมัน (หรือกรดไขมัน) ในปริมาณมาก เช่น คีโตเซอรอส (Chaetoceros calcitrans) หรือชิโซไซเตรียม (Schizochytrium sp.) บางประเภทมีรายงานว่าสามารถผลิตน้ำมันเป็น Extracellular Product ได้ เช่น บอทริลโอคอคคัส (Botryococcus braunii) จุลสาหร่ายแต่ละชนิดจะเจริญเติบโตในธรรมชาติที่มีสภาวะแตกต่างกัน มีบางประเภทที่โตได้เร็วกว่าประเภทอื่น ๆ บางสายพันธ์โตในน้ำจืด หรือบางชนิดโตได้ดีในน้ำทะเลและบางชนิดจะสามารถเจริญเติบโตได้ในสภาวะที่ค่อนข้างรุนแรงที่จุลสาหร่ายตัวอื่น ๆ ไม่สามารถเจริญเติบโตได้
วิศวกรรมระบบเพาะเลี้ยงจุลสาหร่าย
การเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายเพื่อการพาณิชย์แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็นการเพาะเลี้ยงในบ่อเปิด เนื่องจากเป็นระบบที่ลงทุนต่ำดำเนินการง่ายไม่ต้องควบคุมดูแลมากนัก แต่มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนสูง การเพาะเลี้ยงลักษณะนี้เหมาะกับจุลสาหร่ายสายพันธุ์ที่เจริญเติบโตในสภาวะรุนแรง เช่น สไปรูไลน่า (เนื่องจากเซลล์ชนิดอื่น ๆ ไม่สามารถจะเจริญเติบโตแข่งขันได้) หรือสายพันธุ์ที่โตเร็ว ๆ เช่น คลอเรลล่า คีโตเซอรอส ฯลฯ อย่างไรก็ตามการเพาะเลี้ยงในบ่อเปิดมีข้อจำกัดหลายด้าน (นอกเหนือจากความ เสี่ยงต่อการปนเปื้อน) ทั้งด้านของการส่องผ่านของแสง การผสมผสานภายในบ่อ การควบคุมสภาวะแวดล้อม ฯลฯ ทำให้จุลสาหร่ายไม่สามารถเจริญเติบโตได้ดีนักการออกแบบระบบเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายทำให้สามารถเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายได้ที่กำลังผลิตสูง ๆ ข้อดีของจุลสาหร่ายคือ เป็นสิ่งมีชีวิตที่โตไม่เร็วมากนัก ทำให้ในการออกแบบเราอาจไม่ต้องใช้เทคนิคการถ่ายโอนมวลสารที่มีประสิทธิภาพมากนัก (เพราะสุดท้ายก็ต้องรอการเจริญเติบโตที่ค่อนข้างช้า) แล้วก็ส่วนใหญ่เจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ใกล้เคียงธรรมชาติ สิ่งที่ควรคำนึงถึงในการออกแบบระบบเพาะเลี้ยง ฯ คือ พยายามควบคุมให้มีสภาพแวดล้อมที่มีคุณภาพสม่ำเสมอ ไม่ตกตะกอนมีการไหลวนสม่ำเสมอ เพื่อให้เซลล์ได้มีการผลัดเวียนกันไปรับแสง (หากบริเวณรับแสงมีจำกัด) และถ้าอยากจะให้มีการดำเนินการแบบต่อเนื่องระบบจะต้องให้เวลา (ที่เซลล์ไหลวนอยู่ภายใน) เพียงพอต่อการเจริญเติบโตซึ่งบางครั้งอาจกินเวลาหลายวันระบบปิดที่ใช้ในการเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายมีหลายรูปแบบให้เลือกได้ตามความเหมาะสม เช่น ระบบแบบท่อ (Tubular) ระบบแบบแผ่น (Flat plate) ระบบแบบท่อเกลียว (Helical flow) ฯลฯ (ดูรูปที่ 2) แต่ละประเภทก็มีข้อดีข้อเสียต่างกันไปบ้าง ซึ่งในการดำเนินการจะต้องมีการปรับแต่งสภาวะการทำงานให้เหมาะสมกับเซลล์แต่ละประเภทต่อไป
พลังงานทดแทนจุลสาหร่าย
จุลสาหร่ายมีความต้องการเพียงแค่สารอาหาร (ที่ค่อนข้างเจือจาง) ในการดำรงชีพเท่านั้นแถมยังใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นแหล่งของคาร์บอน ดังนั้นจึงมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับกระบวนการผลิตสารเคมีอื่น ๆ นอกจากนี้ จุลสาหร่ายยังสามารถเจริญเติบโตได้รวดเร็วเมื่อเทียบกับพืชพลังงาน (ที่เป็นพืชยืนต้น เช่น ปาล์มน้ำมัน สบู่ดำ) และบางชนิดมีความสามารถในการผลิตและสะสมน้ำมัน หรือกรดไขมันในปริมาณมากอาจมากกว่า 50% ของน้ำหนักแห้งของจุลสาหร่ายเอง ลองสมมติคร่าว ๆ (ตามข้อมูลเฉลี่ยทั่วไปของการเพาะเลี้ยงจุลสาหร่าย) ว่าจุลสาหร่ายชนิดหนึ่งจริญเติบโตได้ในอัตรา 0.1 กรัม (แห้ง) ต่อลิตรต่อวัน และจุลสาหร่ายชนิดนี้มีน้ำมันเป็นองค์ประกอบอยู่ 30% โดยน้ำหนัก ดังนั้นหากเรามีบ่อขนาด 1 ไร่ (1600 ตารางเมตร) และบ่อมีความลึก 20 เซนติเมตร เราจะสามารถเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายได้ในอัตรา 0.1x1600x0.2 = 32 กิโลกรัมต่อไร่ต่อวัน คิดเป็นปริมาณน้ำมันได้ 9.6 กิโลกรัมต่อไร่ต่อวันและถ้าน้ำมันมีความหนาแน่น ประมาณ 0.9 กรัมต่อลิตร ปริมาณน้ำมันที่ผลิตได้นี้คิดเป็น 10.7 ลิตรต่อไร่ต่อวัน ปริมาณนี้คิดเป็นประมาณ 4 เท่าของน้ำมัน จากต้นปาล์มน้ำมันและคิดเป็น 12 เท่า ของน้ำมันจากสบู่ดำ และหากเราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตจุลสาหร่ายได้ (อาจเปลี่ยนจากการเพาะเลี้ยงในบ่อเปิดเป็นการเพาะเลี้ยงในระบบถังปฏิกรณ์ชีวภาพ) เราอาจสามารถเพิ่มค่าผลได้จาก 0.1 เป็น 0.2 กรัม (แห้ง) ต่อลิตรต่อวัน และอาจเพิ่มสัดส่วนน้ำมันในเซลล์ได้เป็น 40% ซึ่งจะเท่ากับการเพิ่มผลได้ของน้ำมันจาก 10.7 เป็น 26-28 ลิตรต่อไร่ต่อวัน ซึ่งสูงถึง 10 เท่าของผลได้น้ำมันจากปาล์มน้ำมัน นอกจากเรื่องของพลังงานทดแทน จุลสาหร่ายยังมีส่วนช่วยในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสง โดยจุลสาหร่ายมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบอยู่ประมาณ 40-50% ของน้ำหนักแห้ง ดังนั้นจุลสาหร่ายข้างต้นที่ผลิตน้ำมันให้เราในอัตรา 9.6 กิโลกรัมต่อไร่ต่อวันเท่ากับดูดซับก๊าซคาร์บอนได-ออกไซด์เข้าไป 17.6 กิโลกรัมต่อไร่ต่อวัน ปริมาณนี้เมื่อเทียบกับต้นปาล์มน้ำมัน (ปลูกไร่ละประมาณ 50 ต้น โตในอัตรา 100 กิโลกรัมต่อต้นต่อ 3 ปี) จะดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียง 4.2 กิโลกรัม ต่อไร่ต่อวันเท่านั้น (สมมติให้ต้นปาล์มมีความชื้น 50% และมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ 50% ของน้ำหนักแห้ง)
ข้อควรระวังในการดำเนินการ
1. ค่าลงทุนสูงมีการประมาณว่าค่าใช้จ่ายในการลงทุนสร้างระบบเพาะเลี้ยงจุลสาหร่ายหากเป็นระบบปิดน่าจะอยู่ที่ไม่ต่ำกว่า 7-10 ล้านบาทต่อไร่ ยังไม่รวมถึงค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาซึ่งหากผลิตภัณฑ์ที่ได้มีมูลค่าไม่สูงพอก็ อาจจะไม่คุ้มค่า
2. การเก็บเกี่ยวจุลสาหร่ายหลายสายพันธุ์ทำได้ค่อนข้างยากเนื่องจากมีขนาดเล็กมาก
3. การสกัดสารที่ต้องการออกจากเซลล์จุลสาหร่ายหลายครั้งทำได้ยากหรือถ้าทำได้ก็มีค่าผลได้ (Yield) ที่ไม่
อาจารย์ผู้ดูแลบทความ รศ. ดร.ประเสริฐ ภวสันต์ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี
ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ
