⚙️ ميكروبابلز وراء اختراق تحويل ثاني أكسيد الكربون باستخدام الطحالب

مختصر بصري:

نجح فريق بحثي هندي في تطوير photobioreactor هجين بسعة 200 لتر يعتمد على تقنية الميكروبابلز (microbubbles) لتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصناعية إلى بلاستيك قابل للتحلل الحيوي، عبر زراعة طحالب محلية النشأة وتطبيق نظام تحكم آلي في إمداد الـCO₂. يُعتبر هذا التطور خطوة مهمة نحو دمج انتزاع الكربون مع إنتاج مواد مستدامة عالية القيمة، مع تحسين كفاءة في نقل الغاز إلى السائل واستقرار بيئي وعملية إنتاج متقدمة.

🚀 مقدمة: ابتكار ميكانيكي لتحويل ثاني أكسيد الكربون

تُعد معالجة انبعاثات الـCO₂ الصناعية واحدة من أبرز التحديات البيئية والهندسية المعاصرة. تقنيات مثل amine scrubbing وأنظمة انتزاع CO₂ من الهواء المباشر غالبًا ما تعاني من ارتفاع تكلفة الطاقة، مما يدفع الباحثين نحو حلول أكثر كفاءة وابتكارًا.

في هذا السياق، استغل فريق من معهد التكنولوجيا الهندي في دلهي إمكانيات الميكروبابلز لتعزيز عملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون باستخدام طحالب محلية يمكنها النمو تحت ظروف غاز عادم تحتوي على 5% من CO₂، وهي النسبة النموذجية في انبعاثات المصانع.

🔧 تصميم الفوتوبيوريكتور الهجين وتقنية الميكروبابلز

تتميز المنظومة الجديدة بفوتوبيوريكتور هجين بسعة 200 لتر، مزود بمولد ميكروبابلز تم تصنيعه بمحاكاة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية stereolithography 3D printing.

المولد يعتمد على مبدأ Venturi لتوليد فقاعات دقيقة تتراوح أقطارها بين 400 و800 ميكرومتر، تُحقن خلال ستة قنوات متوازية في عمود ترسيب بارتفاع 1.2 متر.

استخدام هذه الفقاعات الدقيقة مع الاستمرارية في حجم الفقاعات وتقليل التلاحم بينها أسهم في:

• رفع كثافة الفقاعات داخل العمود لأكثر من 60%.
• تحسين نقل الغاز إلى الوسط المائي.
• زيادة التلامس بين غاز CO₂ والحطام الحي للطحالب.

🏭 الاستفادة من تنوع الطحالب المحلية في بيئة محكمة

اختيرت طحالب Poterioochromonas malhamensis التي تم جمعها من محطة معالجة مياه الصرف الصحي لخصائصها في تحمل الظروف:

• ذات تركيز غذائي محدود.
• بيئة غازية غنية بثاني أكسيد الكربون.

تعزز هذه الطحالب استقرار النظام الحيوي تحت ظروف انتاج تكون قاسية على العديد من الأنواع الأخرى.

للحفاظ على الأداء المثالي، تم إدخال نظام تحكم آلي (automation) يعتمد على تغذية راجعة لنسبة الحموضة pH، مما:

• ينظم كمية CO₂ المضافة في الوقت الحقيقي.
• يحافظ على الوسط بين قيم الحموضة 7.2 و8.5، الحدود المثلى لنمو الطحالب.
• يمنع تشبع الكربونات الزائد، مشكلة شائعة في أنظمة sparging التقليدية.

🌿 إنتاج البوليمر الحيوي من ثاني أكسيد الكربون

واحدة من أبرز نتائج المشروع هو إنتاج polyhydroxybutyrate (PHB)، وهو بوليمر قابل للتحلل يُستخدم في صناعة البلاستيك الحيوي.

تم التحقق من وجود PHB في الكتلة الحيوية للطحالب باستخدام:

• تقنيات FTIR spectroscopy للكشف عن المجموعات الكيميائية.
• Gas chromatography لتقييم التركيب الكيميائي.

تمثل هذه التكنولوجيا نموذجًا جديدًا لإنتاج مواد ذات قيمة تجارية عالية من مصادر غير تقليدية، أي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بلاستيك مستدام، مما يشكل حلًا متكاملاً لمعالجة انبعاثات المصانع.

📊 أداء النظام ونتائجه العملية

سجّل الفوتوبيوريكتور أداءً ملحوظًا، حيث جاءت مخرجاته كالتالي:

• تركيز الكتلة الحيوية وصل إلى 0.423 جم لكل لتر.
• الكربون شكل أكثر من 43% من وزن الخلايا الجافة.
• معدل تثبيت ثاني أكسيد الكربون بلغ 44 مليجرام لكل لتر يوميًا.
• نسبة إنتاج PHB إلى الكتلة الجافة كانت 5.8%.

رغم أن نسب الإنتاج أقل من تلك التي تنتجها الأنظمة ذات التغذية العضوية (heterotrophic processes)، لكن الجدير بالذكر هو تحقيق ذلك فقط باستخدام الكربون غير العضوي في ظروف photoautotrophic، وهو إنجاز بيئي وهندسي مهم.

⚙️ الابتكار الميكانيكي وتصميم النظام القابل للتوسع

جمع التصميم بين عدة تقنيات لتشكيل نظام متكامل:

• الطباعة ثلاثية الأبعاد لتعزيز دقة تصنيع مكونات المولد الميكروبالي.
• التحكم الهيدروديناميكي الدقيق لتحسين تدفق الفقاعات.
• الأتمتة المستمرة لضبط الكميات والتحكم في المدى الحامضي.

هذه التوليفة مهّدت السبيل لتجسيد نموذج انتقالي يمكن تطويره من نطاق المختبر إلى مقياس تجريبي صناعي دون فقد الاستقرار أو الكفاءة، مما يقدم تصميماً قابلاً للتوسع وذو جدوى اقتصادية.

🔄 النظام الهجين: الجمع بين تقنيات الميكانيكا الحيوية والكيمياء الهندسية

بفضل الدمج بين:

• مبادئ انتقال الغاز-السائل.
• التقنيات الاستشعارية والرقابية.
• استغلال الطحالب المحلية والأنظمة الفيزيائية المتطورة.

يمكن لهذا النظام أن يخدم في الوقت ذاته متطلبات التقاط الانبعاثات، وتحفيز إنتاج مبتكر للبوليمرات الحيوية عالية الجودة.

هذا النهج يُقدم نموذجاً عمليًا لربط أنظمة الطاقة والميكانيكا الحيوية بالممارسات الصناعية الحديثة الرامية للحد من البصمة الكربونية وتحويل التحدي البيئي إلى فرصة تكنولوجية.

خاتمة

يشكل تطوير photobioreactor الهجين المدعوم بالميكروبابلز خطوة بارزة نحو تحقيق استدامة بيئية وتقنية متوازنة. من خلال تعزيز عمليات انتقال الغازات، وإدخال نظم تحكم ذكية، والاعتماد على طحالب محلية متكيفة، يأخذ الباحثون الهنديون في معهد التكنولوجيا في دلهي زمام المبادرة بتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى مواد ذات قيمة صناعية عالية.

هذا الابتكار لا يقدم فقط حلولًا أقل استهلاكًا للطاقة مقارنة بالطرق التقليدية، بل يفتح مسارات جديدة نحو التقدم في الهندسة الميكانيكية الحرارية وأنظمة الطاقة المتجددة، حيث تتكامل المكونات الميكانيكية والكيميائية والبيولوجية لتحقيق هدف بيئي وأقتصادي مشترك.

بالنظر للآفاق التي يفتحها هذا البحث، يُتوقع أن تصبح تقنيات الميكروبابلز والفوتوبيوريكتورات الذكية جزءًا رئيسيًا من مستقبل هندسة الميكانيكا والطاقة المستدامة في القطاع الصناعي المتطور.