การผลิตสารสีจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงชนิดไม่สะสมกำมะถันและการประยุกต์ในเซลล์สุริยะชนิดสีย้อมไวแสง

Abstract

แบคเทอริโอคลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์ เป็นสารสีในระบบสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีม่วงชนิดไม่สะสมกำมะถัน ทำหน้าที่ดูดกลืนแสงและส่งอิเล็กตรอนที่เกิดจากการกระตุ้นโดยแสงไปยังศูนย์กลางปฏิกิริยา ซึ่งการทำงานนี้คล้ายคลึงกับการทำงานของสีย้อมในเซลล์สุริยะชนิดสีย้อมไวแสง งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ที่จะนำสารสีจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงมาประยุกต์เป็นสีย้อมในเซลล์สุริยะ ซึ่งมีข้อได้เปรียบกว่าการใช้สีย้อมจากกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมี คือ ไม่เป็นพิษ ผลิตได้ง่าย และสามารถย่อยสลายได้โดยกระบวนธรรมชาติ เริ่มต้นจากคัดแยกแบคทีเรียจำนวน 7 สายพันธุ์ จากแหล่งน้ำต่างๆ ในจังหวัดกรุงเทพมหานคร ประเทศไทย พบว่า แบคทีเรียสังเคราะห์แสง Rhodopseudomonas faecalis W1 และ Rhodopseudomonas palustris W7 มีการอัตราการเจริญเร็ว เมื่อเปรียบเทียบกับแบคทีเรียที่คัดแยกได้สายพันธุ์อื่น นอกจากนี้ ยังมีรูปแบบการดูดกลืนแสงของเซลล์ที่แตกต่างกัน ดังนั้น จึงคัดเลือกแบคทีเรียทั้ง 2 สายพันธุ์ มาศึกษาในขั้นต่อไป โดยศึกษาปัจจัยและภาวะต่างๆ ที่เหมาะสมกับการเจริญและสะสมสารสีของแบคทีเรียที่คัดเลือก พบว่า เมื่อเลี้ยงในอาหารเหลวกำหนดสูตร RCVB ที่มี กรดมาลิก 8 กรัมต่อลิตร สารสกัดจากยีสต์ 4 กรัมต่อลิตร เฟอรัสซัลเฟตเฮปตะไฮเดรต 20 มิลลิกรัมต่อลิตร และแมกนีเซียมซัลเฟตเฮปตะไฮเดรต 400 มิลลิกรัมต่อลิตร ภายใต้การให้แสงจากหลอดไส้ ความเข้มแสง 2000 ลักซ์ และการกวนผสม 120 รอบต่อนาที แบคทีเรียสายพันธุ์ W1 และ W7 ให้มวลชีวภาพสูงสุดที่ 3.89 ±0.01 และ 3.92 ±0.03 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ส่วนการสะสมสารสีแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์ในแบคทีเรียสายพันธุ์ W1 มีปริมาณ 3.97±0.13 และ 1.69 ±0.06 มิลลิกรัมต่อกรัมน้ำหนักเซลล์แห้ง ตามลำดับ ในขณะที่ สายพันธุ์ W7 ผลิตแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ 7.10 ±0.07 มิลลิกรัมต่อกรัมน้ำหนักเซลล์แห้ง และแคโรทีนอยด์ 1.17 ±0.04 มิลลิกรัมต่อกรัมน้ำหนักเซลล์แห้ง เพื่อลดต้นทุนของอาหารเลี้ยงเชื้อ ได้ทดลองเลี้ยงเชื้อในอาหารเหลวกำหนดสูตรที่ไม่มีการเติมกรดมาลิก ผสมกับน้ำเสียจากโรงงานเบเกอร์รี่ 40% ของปริมาตรทั้งหมด พบว่าแบคทีเรียทั้ง 2 สายพันธุ์สามารถใช้สารอาหารในน้ำเสียเจริญและผลิตสารสีได้ โดยให้ปริมาณมวลชีวภาพและสารสีใกล้เคียงกับชุดทดลองที่เลี้ยงด้วยอาหารสูตรปกติ เพื่อประยุกต์ในเซลล์สุริยะชนิดสีย้อมไวแสง สกัดจากสีด้วยตัวทำละลายผสมของอะซิโตนและเมทานอลในอัตราส่วน 7: 2 โดยปริมาตรต่อปริมาตร และนำขั้วไฟฟ้าทำงานมาแช่ในสารสกัดสารสีดังกล่าว ในตอนแรกเซลล์สุริยะที่มีสารสีจากแบคทีเรียเป็นสีย้อม มีประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงานแสงเป็นกระแสไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ จึงได้พัฒนาประสิทธิภาพของเซลล์โดยอาศัยหลากหลายเทคนิค โดยเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด คือ เซลล์ที่ใช้สารสีผสมจากแบคทีเรียสายพันธุ์ W1 และ W7 ที่มีการเติมสารลดแรงตึงผิวชีวภาพ เพื่อป้องกันการเกาะกลุ่มกันระหว่างโมเลกุลของสารสี มีค่าความหนาแน่นของกระแส 0.6 mA cm-2 แรงดันไฟฟ้าวงจรปิด 560 mV ประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงาน 0.19% และค่าฟิลเฟคเตอร์ 57% การผลการทดลองข้างต้น แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้สารสีจากแบคทีเรียเป็นสีย้อมไวแสงในเซลล์สุริยะชนิดสีย้อมไวแสง นอกจากนี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ สามารถทำได้โดยการเพิ่มสีย้อมจากแหล่งธรรมชาติชนิดอื่นที่ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต่างกัน เพิ่มปริมาณสีย้อมที่เกาะบนพื้นผิวสารกึ่งตัวนำ และปรับระดับพลังงานขององค์ประกอบภายในเซลล์