Enhancement of microalgal biomass using seawater-based medium combined with CO2 nanobubbles

ตามที่ประเทศไทยได้ประกาศเจตนารมณ์ในที่ประชุมระดับผู้นำสมัชชาประเทศภาคีอนุสัญญาสหประชาชาติ ว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศครั้งที่ 26 (COP26) ว่า ประเทศไทยมีเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutrality) ภายในปี พ.ศ.2593 (ค.ศ. 2050) และเป้าหมายการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ในปี พ.ศ. 2608  (ค.ศ. 2065) ดังนั้น เพื่อให้ประเทศไทยบรรลุเป้าหมายตามนโยบายมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) ซึ่งมีนโยบายชัดเจนด้านความยั่งยืนเกี่ยวกับระบบการจัดการด้านพลังงาน สิ่งแวดล้อม และสร้างการมีส่วนร่วม จึงตั้งเป้าหมายสู่ความเป็นกลางทางคาร์บอน ภายในปี พ.ศ. 2583 (Carbon Neutrality 2040) และมุ่งสู่เป้าหมายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์  

การลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิให้เป็นศูนย์ต้องการการเปลี่ยนแปลงเชิงระบบ ทั้งด้านนโยบาย เทคโนโลยีและพฤติกรรม อย่างเช่น การใช้พลังงานหมุนเวียน การปฏิวัติระบบอาหาร การลดบริโภคเนื้อสัตว์อุตสาหกรรม การลดอาหารเหลือทิ้ง การฟื้นฟูผืนดินที่เสื่อมโทรม และการรักษาระบบนิเวศและความหลากหลายทางชีวภาพ โดยหนึ่งในก๊าซที่เป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก คือ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการตัดไม้ทำลายป่า วิธีการที่ดีที่สุดในการกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือคาร์บอนคือการกักเก็บไว้ในรูปของชีวมวล โดยสิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตด้วยกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่งสาหร่ายขนาดเล็กมีประสิทธิภาพในการตรึง CO₂ ได้สูงกว่าพืชชั้นสูง 10-50 เท่า (Batista et al., 2015)

 นอกจากนี้ชีวมวลสาหร่ายมี สารประกอบที่มีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ ต้านมะเร็ง และฤทธิ์ต้านจุลชีพ รวมทั้งแคโรทีนอยด์ โพลีแซ็กคาไรด์ ลิปิด วิตามิน และเปปไทด์ เป็นต้น จึงถูกใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงในอุตสาหกรรมอาหาร เภสัชกรรม  และเครื่องสำอาง เป็นต้น นอกจากนี้สาหร่ายยังเป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และทางเลือกการผลิตพลาสติกชีวภาพแทนการใช้พอลิเมอร์ที่ได้จากปิโตรเลียม ดังนั้นการใช้สาหร่ายขนาดเล็กในระบบการดักจับ CO₂ จึงเป็นทางเลือกและตัวช่วยทางเศรษฐกิจ โดยผลิตภัณฑ์จากสาหร่ายสามารถจำหน่ายได้ในขณะเดียวกันสาหร่ายก็มีส่วนช่วยในการบรรเทาปัญหาการปลดปล่อย CO₂

อย่างไรก็ตามแม้ว่าการใช้ CO₂ สำหรับการผลิตสาหร่ายขนาดเล็กมีข้อดีทั้งในด้านช่วยลดต้นทุนการผลิตและลดการปลดปล่อย CO₂ แต่การเติม CO₂ ในอาหารเพาะเลี้ยงที่ไม่มีประสิทธิภาพ จะทำให้ CO₂ ส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ทั้งนี้การถ่ายโอน CO₂ จากเฟสของก๊าซไปยังเฟสของเหลว (อาหารเพาะเลี้ยงสาหร่าย) และเฟสของแข็ง (สาหร่าย) ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศ อัตราการไหลของก๊าซ เวลากักเก็บก๊าซในตัวกลางเพาะเลี้ยง และพื้นที่สัมผัสของก๊าซและของเหลว ดังนั้นการลดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของ CO₂ การเพิ่มพื้นที่สัมผัสของก๊าซและของเหลว และการยืดเวลาการกักเก็บในตัวกลางเพาะเลี้ยงอย่างมีนัยสำคัญ จะสามารถเร่งอัตราการถ่ายโอนมวล CO₂ ในอาหารเลี้ยงสาหร่ายในระหว่างการเพาะเลี้ยงได้ และที่สำคัญการลดขนาดฟอง CO₂ สำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายเป็นวิธีที่จะช่วยให้การถ่ายโอนมวล CO₂ ทำได้ดียิ่งขึ้น  ปัจจุบันเทคโนโลยีนาโนบับเบิ้ลได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย รวมทั้ง CO₂ นาโนบับเบิ้ล (CO₂ nanobubbles) เพื่อลดขนาดฟองของ CO₂ ในของเหลว ด้วยคุณสมบัติพิเศษของ CO₂ นาโนบับเบิ้ล  เช่น พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ พื้นผิวที่มีประจุลบ ยังคงความเสถียรในตัวกลางจุลภาคเป็นเวลานาน และประสิทธิภาพการถ่ายเทมวลสูง สิ่งเหล่านี้ส่งผลต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของการละลาย CO₂ ในอาหารเพาะเลี้ยง ส่งเสริมให้สาหร่ายขนาดเล็กใช้ CO₂ ผ่านการกระบวนการสังเคราะห์เพื่อผลิตชีวมวลและสารสำคัญต่าง ๆ  ของเซลล์ได้ดียิ่งขึ้น

สาหร่ายอาร์โธรสไปร่า (Arthrospira)   หรือที่รู้จักในทางการค้าคือ สไปรูลิน่า (Spirulina) เป็นหนึ่งในสาหร่ายที่ได้รับความสนใจเพื่อนำมาช่วยดักจับ CO₂ เนื่องจากเป็นสาหร่ายที่มีคุณค่าทางโภชนาการ ปัจจุบันมีผู้เพาะเลี้ยงและผลิตสาหร่ายหลายรายในประเทศไทย โดยส่วนใหญ่จำหน่ายเพื่อเป็นอาหารเสริม (Food supplement) หรือวัตถุเจือปนอาหาร (Food additives) อย่างไรตามราคาของสาหร่ายยังคงสูง เนื่องจากต้นทุนการผลิตสาหร่ายสไปรูลิน่าในไทยสูง โดยเฉพาะอย่างสารอาหารหรือปุ๋ยที่ใช้ในการเพาะเลี้ยงสาหร่ายซึ่งต้องนำเข้าจากต่างประเทศ จากการดำเนินงานวิจัยของกลุ่มวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพสาหร่าย ภายใต้การสนับสนุนของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีที่ผ่านมา กลุ่มวิจัยฯ ได้สร้างองค์ความรู้วิทยาศาสาตร์และเทคโนโลยีการผลิตชีวมวลสาหร่ายบนพื้นฐานการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ที่ผ่านมากลุ่มวิจัยได้การพัฒนาสูตรอาหารที่มีน้ำทะเลส่วนประกอบสำหรับเลี้ยงสาหร่ายสไปรูลิน่า พบว่าสาหร่ายสไปรูลิน่าเจริญเติบโตได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตามเนื่องจากสูตรอาหารดังกล่าวซึ่งมีแหล่งคาร์บอนต่ำ ทำให้เมื่อเวลาผ่านไปผลผลิตชีวมวลลดลง ดังนั้นจึงมีแนวคิดในการนำ CO₂ nanobubbles เพื่อเป็นแหล่งคาร์บอนอีกแหล่งหนึ่ง มาใช้รวมกับสูตรอาหารดังกล่าว ร่วมกับการจัดการการรูปแบบการเพาะเลี้ยง เช่น ระยะเวลาเพาะเลี้ยง และช่วงเวลาที่เหมาะสมในการเติมสารอาหาร ทั้งนี้การนำน้ำทะเลซึ่งเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่มีในประเทศไทยมาใช้เป็นแหล่งธาตุอาหารสำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่าย ร่วมกับการใช้ CO₂  จะเป็นแนวทางหนึ่งที่ช่วยส่งเสริมการพัฒนากระบวนการจัดการการใช้สารอาหารอย่างมีประสิทธิภาพ ลดต้นทุนด้านสารอาหารและลดการใช้น้ำจืดต้นทุน และช่วยลดการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก  ส่งผลต่อการผลิตชีวมวลสาหร่ายเพื่อนำไปสู่การผลิตชีวมวลและสารมูลค่าสูงให้มีต้นทุนลดลง

ดังนั้นในโครงการวิจัยนี้จะศึกษาผลของการใช้ CO₂ nanobubbles  ในอาหารสูตรน้ำทะเลต่อผลผลิตและองค์ประกอบสารชีวเคมีของสาหร่ายสไปรูลิน่าในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ  งานวิจัยนี้จะเป็นส่วนหนึ่งที่ช่วยพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตชีวมวลสาหร่ายขนาดเล็ก เพื่อเป็นผลิตภัณฑ์อาหาร และสารสกัดจากธรรมชาติ บนพื้นฐานการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ภายใต้แนวคิด BCG Economy องค์ความรู้ที่ได้จะนำไปสู่การสร้างนวัตกรรมระบบการผลิตสาหร่ายขนาดเล็กบนพื้นฐานการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ภายใต้แนวคิด BCG Economy ซึ่งจะเป็นส่วนสำคัญในการยกระดับความสามารถการแข่งขันวางรากฐานเศรษฐกิจ และต่อยอดอุตสาหกรรม รวมทั้งจะเป็นแนวทางในการนำ CO₂ ที่เกิดขึ้นกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมมาใช้ให้เกิดประโยชน์ และเพื่อรองรับแนวโน้มการตลาดของการใช้ชีวมวลสาหร่ายขนาดเล็กมาเป็นโปรตีนทางเลือกที่เพิ่มขึ้นในอนาคต รวมทั้งการใช้ชีวมวลของสาหร่ายเพื่อเป็นแหล่งวัตถุดิบสำหรับสารสกัดจากธรรมชาติที่มีมูลค่าสูงอีกทางหนึ่งด้วย