استفاده از مکانیسم فتوسنتز در تولید سوخت زیستی با میکروب

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، متخصصین مهندسی زیستی دانشگاه کرنل در ایالات متحده با الگوبرداری از مکانیسم فتوسنتز راهی پیدا کرده اند تا به صورتی کارآمد انرژی تجدیدپذیر خورشید را در مقیاس وسیع و با هزینه کم جذب و ذخیره کنند. در این روش به طور هم زمان کربن دی اکسید از جو گرفته می شود تا بعد از آن به عنوان زیست سوخت به مصرف برسد.

آنها مدل ها و راه حل هایی نظری را گرد هم آورده اند که کمک می کنند بازده و فعالیت مفید میکروب ها محاسبه شوند. میکروب های مورد نظر آنها قابلیت جذب الکتریسیته و ذخیره کربن دی اکسید را دست کم ۵ برابر بیشتر از فرایند فتوسنتز دارند، فرایندی که به دنبال آن گیاهان نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند.

با شیوه هایی از این دست به زودی در دنیایی زندگی خواهیم کرد که سرشار از انرژی الکتریکی تجدیدپذیر است، اما برای این که این انرژی سخاوتمند طبیعی را وارد شبکه های برق کنیم، باید بتوانیم ظرفیت ذخیره انرژی را به هزاران برابر بیشتر از ظرفیت ذخیره کنونی برسانیم.

در فناوری های تولید انرژی به شیوه الکترومیکروبی دو شاخه علمی زیست شناسی و الکترونیک با هم ادغام می شوند تا انرژی جمع آوری شده از باد، خورشید و آب به انرژی الکتریکی تجدیدپذیر تبدیل شود. انرژی تجدیدپذیر به دست آمده به شکل پلیمرهای ذخیره کننده و به عبارتی دیگر در قالب میکروب هایی است که تغییر ژنتیکی یافته اند.

این میکروب ها به خوبی مشکل ذخیره انرژی را مرتفع می کنند و می توان از آنها برای تولید سوخت وسایل نقلیه با میزان کربن پایین استفاده کرد.

باید دید در روزهایی که هوا بارانی است یا باد نمی وزد چگونه می توان این نوع انرژی را ذخیره کرد. باتری ها و پیل های سوختی فضای زیادی را اشغال می کنند، بنابراین به راه حل هایی نیاز داریم که بتوانیم این مقدار فراوان انرژی را به شیوه ای کم هزینه و بدون آلودگی ذخیره کنیم.

با تولید انرژی به شیوه الکترومیکروبی سوخت کم کربن به دست می آید، بدون این که به حفاری نفت یا استخراج گاز از درون زمین نیاز باشد که پیامد آن انتشار کربن در اتمسفر است.

میکروب ها به خوبی نقش پیل های سوختی میکروسکوپی را ایفا می کنند. به همین خاطر است که این راهکار برای بهره برداری از انرژی تجدیدپذیر انتخاب شده است.

راهکار پیشنهادی مهندسان زیست شناسی و محیط زیست،

بهره برداری از الکتروسنتز میکروبی است که به دنبال آن الکترون ها به طور مستقیم به درون یک میکروب تغییر یافته خورانده می شوند. سپس این میکروب کربن دی اکسید را به مولکول های غیر کربنی تبدیل می کند. این که کدام میکروب ها بهترین گزینه برای انجام این کار هستند با انجام پژوهش های بیشتر معلوم خواهد شد.

میکروب هایی که با کمک مهندسی ژنتیک تغییر داده می شوند هم قابلیت ذخیره انرژی را دارند و هم می توانند کربن دی اکسید را جذب کنند. کربن دی اکسید به سوخت هیدروکربنی تبدیل خواهد شد. بدین ترتیب چرخه کربن به خوبی مهار می شود و انتشار کربن به صفر می رسد.

گرچه سوخت هیدروکربنی عاری از کربن نیست، اما خنثی بودن آن فایده زیادی برای محیط زیست دارد. ماشین ابزار کارخانه های صنعتی و نیز صنعت هوانوردی هنوز هم به سوخت های هیدروکربنی کم غلظت نیاز دارند.

شرایطی که در آن سوخت هیدروکربنی مصرف می شود بسیار بهتر از شرایطی است که سبب گسترش کربن آلاینده در هوا می شود.

میکروب های تغییر یافته ای که با الکترون فعال می شوند، این توانایی را دارند که از الکتریسیته باد یا خورشید الکترون بگیرند و از انرژی الکترون ها برای تجزیه مولکول های کربن دی اکسید موجود در هوا استفاده کنند. میکروب ها می توانند اتم های کربن را جذب کنند و از آن سوخت زیستی بسازند. سوخت هایی مانند ایزوبوتانول یا پروپانول از آن جمله اند. می توان آنها را در یک ژنراتور سوزاند یا به بنزین اضافه کرد.

زیست شناسی نقش تعیین کننده ای در ایجاد زیرساخت لازم برای انرژی تجدیدپذیر ایفا می کند. این نقش می تواند حمایتی یا اصلی باشد. افزودن عناصری که با الکتریسیته تغییر یافته اند (عناصر سنتتیک یا غیر بیولوژیکی) کمک می کنند تا این راهکار نسبت به کاربرد میکروب ها به تنهایی بازده بیشتری داشته باشد. در این راهکار، مهندسی الکتروشیمیایی بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی در کنار هم قرار می گیرند تا روش جدیدی برای ذخیره انرژی شکل بگیرد.

فتوسنتز طبیعی نمونه بارزی است از ذخیره انرژی خورشیدی در مقیاس گسترده و تبدیل آن به سوخت کم کربن. در این فرآیند شش برابر بیشتر از مقدار انرژی خورشیدی که همه مردم جهان در طول یک سال مصرف می کنند انرژی خورشیدی ذخیره می شود.

مشکل فتوسنتز این است که در گرفتن نورخورشید بازده زیادی ندارد، چون فقط یک درصد از انرژیی که به سلول های فتوسنتزکننده برخورد می کنند را جذب می کند.

خوشبختانه میکروب های تغذیه شده با انرژی الکتریکی این امکان را به پژوهشگران می دهند تا سیستم فتوولتائیک را جایگزین جذب نور به شیوه بیولوژیکی کنند. این میکروب ها می توانند الکتریسیته را در متابولیسم خود نگه دارند و از این انرژی برای تبدیل کربن دی اکسید به زیست سوخت استفاده کنند.

همچنین با استفاده از این میکروب ها می توان از انواع دیگری از الکتریسیته تجدید پذیر، غیر از الکتریسیته خورشیدی بهره برد تا کربن دی اکسید را به ماده ای مفید تبدیل کرد. با برخی از گونه های میکروب های تغییر یافته می توان پلاستیک زیستی تولید کرد؛ پلاستیکی که قابل مدفون شدن در زیر خاک است. بدین ترتیب کربن دی اکسید یا گاز گلخانه ای از هوا گرفته و در زیر زمین حبس می شود.

می توان با دانش مهندسی باکتری ها را طوری تغییر داد که این فرآیند را به صورت معکوس انجام دهند، یعنی پلاستیک زیستی یا سوخت زیستی را دوباره به الکتریسیته تبدیل کنند. ایجاد همه این برهم کنش ها در دما و فشار معمولی امکان پذیر است و این سبب می شود این راهکار راندمان زیادی داشته باشد.