Chlorella – odrobina charakterystyki

Organizm, o którym mowa, jest jednokomórkowym przedstawicielem królestwa roślin i należy do gromady zielenic. Reprezentuje klasę Trebouxiophyceae. Dwoma najbardziej rozpowszechnionymi w uprawie gatunkami są C. vulgaris i C. pyrenoidosa. Roczna produkcja biomasy Chlorella przekracza 2000 ton w ponad 70 krajach na świecie. Chlorella zdolna jest do wzrostu zarówno w słodkiej, jak i słonej wodzie.

Istnieje kilka metod hodowli mikroalg uwzględniających ich zdolność do przekierowania ścieżek metabolicznych w zależności od występujących warunków. Jedną z nich jest hodowla w otwartym stawie, wykorzystująca naturalne światło słoneczne, a więc decydująca o fotoautotrofii. W fermentorach zaś glony naprowadzają swój metabolizm ku heterotrofii. Największym rozmiarami, zamkniętym systemem hodowli alg jest fotobioreaktor rurowy o pojemności 700 m³ działający na terenie Niemiec w obrębie Roquette Klötze GmbH & Co. KG.

Niewyczerpany rezerwuar życio- i energodajnych substancji ?

Historia wykorzystania chlorelli w produkcji suplementów diety czy nutraceutyków jest już bardzo długa. Spośród wielu czynników, między innymi zbilansowany skład aminokwasowy białka mikroalg zadecydował o ich wykorzystaniu w żywieniu człowieka i zwierząt. Chlorella to skoncentrowane źródło wszystkich niezbędnych aminokwasów wchodzących w skład protein o niskiej masie cząsteczkowej, a przez to łatwych do enzymatycznego trawienia i spożytkowania. Inne związki tworzące całokształt ważnych molekuł produkowanych przez mikroalgi to witaminy, minerały oraz krótkołańcuchowe  wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA), w tym oleinowy i linolowy. Z chlorelli pozyskuje się również luteinę, biocząsteczkę o własnościach przeciwzaćmowych. Ekstrakty z tych glonów wykazały liczne właściwości przeciwzapalne, antyoksydacyjne, antynowotworowe i przeciwbakteryjne.

W całym spektrum zastosowań Chlorella nie sposób nie zauważyć potencjału tych mikroorganizmów w przemyśle biopaliwowym. Głodzenie w wyniku niedoboru azotu i fosforu indukuje akumulację lipidów, innymi słowy pozwala na gromadzenie substratów  wysokoenergetycznych. Ograniczenie ilości siarki w podłożu zaś powodowało wzrost syntezy skrobii, co stawia mikroalgi w roli zamiennika roślin lądowych przy produkcji bioetanolu. Biopaliwo produkowane z wykorzystaniem Chlorella to bardzo czysty rodzaj paliwa niekopalnego, które wypierając standardowe kopalne, mogłoby znacznie zredukować poziom emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Pozostałości poekstrakcyjne zaś mogą znaleźć w przyszłości zastosowanie jako biomateriały czy surowce energetyczne.

Obiecująca alternatywa dla upraw konwencjonalnych

Obecnie w uprawach dominują rośliny tradycyjne, jednak kilka plusów przechyla szalę w stronę mikroalg. Po pierwsze, niektóre z nich mogą być uprawiane w wodzie zasolonej czy morskiej, co wyklucza troskę o kurczące się zasoby wody słodkiej. Organizmy te nie wymagają żyznej gleby, są dużo bardziej efektywne w wykorzystaniu składników odżywczych i dzięki temu pozwalają uniknąć bądź przynajmniej ograniczyć zanieczyszczenia wody niezużytymi nawozami. Ponadto ciekawym rozwiązaniem wydaje się być spożytkowanie ścieków jako pożywki wówczas, gdy celem uprawy jest biopaliwo. Pod podobnym kątem rozpatrywano użycie innych odpadów – spalin – jako źródło CO₂, jednak w tym przypadku nie daje to przewagi nad tradycyjnie uprawianymi roślinami, gdyż te czerpią ten gaz bezpośrednio z otaczającego powietrza i brak tu konieczności instalacji dodatkowych systemów doprowadzających.

Dobieranie szczepów o pożądanych właściwościach

Etapem niezbędnym do opracowania strategii redukcji kosztów uprawy Chlorella był tzw. screening, opierający się na selekcji szczepów tych mikroalg. Zbadanie charakterystycznych cech linii rozpoczęto od pracy wewnątrz, w laboratorium, gdzie hodowano 9 ich różnych rodzajów. Wykorzystano kolumny bąbelkowe z podłożem pełnowartościowym i bezazotowym. Okazało się, że większość szczepów wykazała się większą produktywnością w systemie hodowli okresowej, a nie ciągłej. Zgodnie z oczekiwaniami, organizmy głodzone w wyniku braku azotu wykazały spadek produkcji biomasy. Skład biochemiczny biomasy wyprodukowanej na wspomnianych dwóch rodzajach medium okazał się być zróżnicowany. Organizmy żyjące na podłożu o wystarczającej ilości składników odżywczych ukierunkowywały syntezę na białka, a węglowodany i lipidy miały mniejszy udział w składzie biomasy. Niedobór azotu przyczynił się zaś do spadku poziomu protein na rzecz albo lipidów, albo węglowodanów. Żaden ze szczepów bowiem nie akumulował jednocześnie obu tych biomolekuł, lecz profilował swój metabolizm w stronę tylko jednego rodzaju materiału zapasowego.

Zanalizowano również, jak badane szczepy mikroalg radzą sobie ze wzrostem na pożywce opartej na wodzie morskiej, a jak na tej wygenerowanej na bazie wody słodkiej. Okazało się, że na tej pierwszej wszystkie odznaczały się wydajnym wzrostem, a 3 z nich nawet preferowały ten rodzaj medium. Analiza pod kątem przeżywalności w wysokich temperaturach ujawniła, że wybrane linie były pod tym względem bardziej tolerancyjne (dla tych niewiększych niż 40^oC) i dzięki temu przeszły kolejny etap selekcji.

W wyniku screeningu wyłoniono 4 szczepy wydające się być najbardziej obiecującym źródłem biomasy i surowców energetycznych. W dalszym ciągu przebadano je według podobnych kryteriów, czyli pod względem produktywności, zdolności do wzrostu na podłożu opartym na wodzie morskiej, odporności na wysokie temperatury oraz typu akumulowanego produktu podczas głodzenia w wyniku braku azotu. Po etapie „wewnętrznym”, eksperymenty przeprowadzono na zewnątrz, stosując kolumny bąbelkowe oraz GWP-II. Codzienna 3-4 godzinna ekspozycja przez 3 dni na temperaturę 40^oC była śmiertelna dla wszystkich szczepów.

Hodowla alg w fotobioreaktorach typu GWP zorientowanych wertykalnie z uwzględnieniem kontroli temperatury na dwóch rodzajach podłoży potwierdziła wyniki uzyskane w laboratorium. Medium o pełnym składzie pozwoliło na utrzymanie normalnego wzrostu przez dłuższy czas niż to pozbawione azotu. Ostatecznie wyselekcjonowano jeden szczep, który przejawił się jako ten o najlepszych właściwościach i którego uprawa na zwiększoną skalę była najbardziej obiecująca.

Minimum kosztów, maksimum korzyści

Zwiększając skalę procesu, należało rozważyć możliwe strategie obniżające koszty produkcji oraz minimalizujące wpływy środowiskowe. Po pierwsze, obniżanie temperatury wiąże się z dużymi nakładami pieniężnymi, więc rezygnacja z kontroli warunku hodowli, jakim jest temperatura, wydaje się być oczywistym rozwiązaniem. Idzie to w parze z zastosowaniem szczepów termotolerancyjnych. Wówczas hodowlę należałoby ochładzać po przekroczeniu progu 40^oC. Zaobserwowano, że wysoka temperatura inhibituje wzrost, ale za to podwyższa poziom produktów zapasowych (lipidów) i przyczynia się do spadku udziału białka w biomasie. Oczywiście klimat obszaru, na którym uprawia się mikroalgi, odgrywa znaczną rolę w wydajności całego procesu głównie pod kątem panującej  temperatury.

Ograniczenie ilości pierwiastków biogennych w pożywce, takich jak azot czy fosfor prowadzi głównie do wzrostu odsetka lipidów i węglowodanów w odniesieniu do białka. To ma kluczowe znaczenie dla wytwarzania biopaliwa, gdyż substancje zapasowe stanowią dla niego punkt wyjścia, a rezygnacja z któregoś ze składników obniża koszt hodowli. Szczep CH2 jednak nawet w przypadku limitacji azotu zachowuje dużą zawartość białka. Został on oceniony jako ten o najwyższym potencjale w produkcji żywności i biodiesela.

Konkurencja o wodę słodką obserwowana wśród tradycyjnych roślin uprawnych daje przewagę mikroalgom zdolnym do wzrostu na pożywkach opartych na wodzie słonej. Niespodziewanym faktem okazał się być lepszy wzrost na medium na bazie wody morskiej niż słodkiej i to niezależnie od pochodzenia danego szczepu. Zasolenie podłoża nie miało wpływu na skład chemiczny biomasy zarówno w przypadku pełnowartościowego, jak i tego o zredukowanym poziomie azotu.

Obecnie rozpatruje się rezygnację ze stawów hodowlanych na rzecz tanich w eksploatacji  fotobioreaktorów. Odpowiednie ustawienie względem siebie rzędów paneli oraz ich kąt nachylenia ma pomóc w maksymalizacji przechwytywania promieniowania słonecznego. Również optymalizacja orientacji panelu między horyzontalną a wertykalną ma duże znaczenie w jak największym wykorzystaniu potencjału energii słonecznej.

Co dalej…?

Nadal trwają intensywne badania nad cyklem życiowym mikroalg, a z drugiej strony cały proces hodowli analizowany jest z punktu widzenia ekonomii. Wiele czynników oddziałuje na całokształt kultywacji Chlorella i przeprowadzenie dalszych eksperymentów rozwieje istniejące  wątpliwości.