Algae Grow Lab – استخلاص الطحالب بالموجات فوق الصوتية

استزراع الطحالب

طوّرت Algae Grow Lab مجموعة من المفاعلات الحيوية الضوئية الأنبوبية والمسطحة لاستزراع الطحالب، بالإضافة إلى عملية لتفكيك الخلايا بالموجات فوق الصوتية تعتمد على معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية المجهزة بخلايا التدفق.
يُعرض أدناه مخطط التدفق العام للعملية.

يوضح مخطط التدفق عملية استزراع الطحالب وإنتاج زيت الطحالب باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ©Algae Grow Lab

تُعرض أدناه أمثلة على المفاعلات الحيوية الضوئية من Algae Grow Lab.
يتيح استخدام ألواح LED التي تبعث الضوء في نطاق الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) من الطيف تحقيق أقصى معدل لنمو الطحالب.
على سبيل المثال، بعد التلقيح بطحالب Chlorella Vulgaris بكثافة أولية قدرها 0.146 g/L، حققنا كثافة قدرها 7.3g/L خلال 7 أيام.

تفكيك خلايا الطحالب بالموجات فوق الصوتية

بعد مرحلة نمو الطحالب، تصبح خلايا الطحالب جاهزة للمعالجة لإنتاج الزيت. وبما أن محتويات الخلية مفصولة عن البيئة المحيطة ببنية تتكون من أغشية خلوية، فإن طريقة تفكيك الخلايا ذات أهمية لتحرير كامل المواد الموجودة داخل الخلايا. يمنح الغشاء الخلوي الخلية متانة ميكانيكية ويحافظ على سلامتها. وتتيح الخصائص المرنة للغشاء الخلوي للخلايا تحمّل التغيرات السريعة في الضغط الأسموزي التي قد تحدث في محيطها الخارجي.
تُحسّن كلٌّ من الطرق المعتمدة على الموجات فوق الصوتية والطرق المدعومة بالموجات الدقيقة، الموصوفة أدناه، الاستخلاص من الطحالب الدقيقة بدرجة كبيرة، مع كفاءة أعلى وأزمنة استخلاص أقصر ومردود أكبر، فضلًا عن تكاليف منخفضة إلى متوسطة وسمّية إضافية ضئيلة للغاية.
غالبًا ما يكون استخلاص المنتجات المستهدفة من الطحالب أكثر فعالية إذا فُكّكت خلايا الطحالب قبل الاستخلاص. ولكن في بعض الأحيان، يؤدي تفكيك الخلايا نفسه إلى تحرير المنتج المستهدف، ولا يلزم سوى إجراء عملية الفصل للحصول عليه (مثل استخلاص الدهون من الطحالب لإنتاج الوقود الحيوي).
تدمج Algae grow lab نظامًا بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الخلايا والاستخلاص ضمن تجهيزاتها لضمان عملية عالية الكفاءة تحقق التحرير الكامل للمحتويات داخل الخلايا، ومن ثم مردودًا أعلى في وقت أقصر. في المفاعل بالموجات فوق الصوتية، تُحدث الموجات فوق الصوتية تجويفًا في الوسط السائل الذي يحتوي على خلايا الطحالب. وتنمو فقاعات التجويف خلال أطوار التخلخل المتعاقبة للموجة فوق الصوتية إلى أن تبلغ حجمًا معينًا لا يمكن عنده امتصاص مزيد من الطاقة. وعند هذه النقطة القصوى لنمو الفقاعات، تنهار التجاويف خلال طور الانضغاط. ويُولّد انهيار الفقاعات ظروفًا شديدة من فروق الضغط ودرجة الحرارة، بالإضافة إلى موجات صدمية ونفاثات سائلة قوية. ولا تقتصر هذه القوى الشديدة على تفكيك الخلايا، بل تغسل محتوياتها بفعالية وتُخرجها إلى الوسط السائل (مثل الماء أو المذيبات).
تعتمد فعالية التفكيك بالموجات فوق الصوتية اعتمادًا كبيرًا على متانة الجدران الخلوية ومرونتها، اللتين تختلفان اختلافًا ملحوظًا بين سلالات الطحالب المختلفة. ولهذا تتأثر كفاءة تفكيك الخلايا بشدة بمعلمات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية: وأهم هذه المعلمات هي السعة والضغط والتركيز واللزوجة ودرجة الحرارة. ويجب ضبط هذه المعلمات على نحو أمثل لكل سلالة محددة من الطحالب لضمان أفضل كفاءة للمعالجة.
يمكن الاطلاع على بعض الأمثلة على تفكيك خلايا سلالات مختلفة من الطحالب وتفتيتها في المقالات المشار إليها أدناه:

• Dunnaliella salina وNannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): تفكيك خلايا الطحالب بالموجات فوق الصوتية. AIP Conference Proceedings؛ 5/24/2012، المجلد 1433، العدد 1، ص. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): تقييم طرق تفكيك خلايا الطحالب ومقارنتها: المعالجة بالموجات الدقيقة والحمام المائي والخلاط والموجات فوق الصوتية والليزر. Applied Energy، مارس 2013، المجلد 103، الصفحات 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): تأثير تقنيات تفكيك الخلايا المختلفة على الهضم المنفرد للكتلة الحيوية للطحالب. World Renewable Energy Congress 2011، تقنيات الطاقة الحيوية، 8–12 مايو 2011، السويد.
• Schizochytrium limacinum وChlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): تقييم تفكيك خلايا الطحالب الدقيقة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية. Bioresource Technology 2012، المجلد 125، ص.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer وRoberto E. Armenta (2011): التطورات في استخلاص الزيت من الطحالب الدقيقة. Europeen Jornal of Lipid Science Technology، 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke ، Dr. N. Hempel ، L. Dombrowski ، الأستاذ الدكتور O. Pulz: تحسين اضطراب الخلايا ل Scotiellopsis terrestris عن طريق الموجات فوق الصوتية وإنزيم البكتين المتحلل. العلاج الطبيعي.

العملية

بعد الاستزراع، يُغذّى جهاز التركيز بتيار الكتلة الحيوية للطحالب لفصل الكتلة الحيوية عن الوسط السائل. وتُجمع المادة المركزة في خزان التخزين. وبعد الفصل، يجب تفكيك الخلايا لتحرير الزيت والمواد الأخرى الموجودة داخل الخلايا. لذلك، تُضخ الكتلة الحيوية المركزة عبر جهاز Hielscher بالموجات فوق الصوتية. ويضمن نظام إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية إعادة تدوير مُركّز الخلايا تحت الضغط المحدد عبر خلية التدفق من Hielscher وإعادته إلى خزان التجميع. وتستمر إعادة التدوير طوال المدة اللازمة لتفكيك الخلايا. وعند اكتمال عملية التفكيك، تُضخ الكتلة الحيوية التي تحتوي على الخلايا المفككة إلى جهاز فصل المنتج، حيث يُجرى الفصل النهائي للمنتج عن الحطام المتبقي.

وحدة تفكيك خلايا الطحالب مزودة بجهاز لتركيز/ فصل الكتلة الحيوية ومعالج Hielscher بالموجات فوق الصوتية UIP1500hd بقدرة 1.5 kW. ©Algae Grow Lab

قياس النسبة المئوية للخلايا المفككة

لتقييم كفاءة تفكيك الطحالب، استخدمت ALgae Grow Lab منهجيتين مختلفتين لقياس النسبة المئوية للخلايا المفككة:

1. تعتمد طريقة التحليل الأولى على قياس فلورة الكلوروفيل A وB وA+B.
   أثناء الطرد المركزي بسرعة دوران منخفضة، تترسب خلايا الطحالب والحطام في قاع الوعاء، بينما تبقى بقايا الكلوروفيل الطافي بحرية في السائل الفوقاني. وباستخدام هذه الخصائص الفيزيائية للخلية والكلوروفيل، يمكن تحديد النسبة المئوية للخلايا المفككة. ويُجرى ذلك بقياس فلورة الكلوروفيل الكلية لعينة أولًا. ثم تُخضع العينة للطرد المركزي. وبعد ذلك، تُقاس فلورة الكلوروفيل في السائل الفوقاني. وبحساب النسبة المئوية لفلورة الكلوروفيل في السائل الفوقاني إلى فلورة الكلوروفيل في العينة بأكملها، يمكن تقدير النسبة المئوية للخلايا المفككة. وهذا الشكل من القياس دقيق إلى حدٍّ كبير، لكنه يفترض أن عدد جزيئات الكلوروفيل في كل خلية ثابت. وأُجري استخلاص الكلوروفيل الكلي باستخدام الميثانول.
2. في طريقة التحليل الثانية، استُخدمت الطريقة التقليدية للعد بحجرة عدّ خلايا الدم لقياس كثافة الخلايا في عينة الطحالب المحصودة. ويُنفّذ الإجراء على 2 من الخطوات:

• أولًا، تُقاس كثافة الخلايا في عينة الطحالب المحصودة قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
• ثانيًا، يُقاس عدد الخلايا غير المفككة (المتبقية) بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية للعينة نفسها.
  وبناءً على نتائج هذين القياسين، تُحسب النسبة المئوية للخلايا المفككة.

الصورة 1: الطحالب قبل التفكيك ©Algae Grow Lab

الصورة 2: تفكيك الطحالب: تفكيك 50% من الخلايا بعد 60 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ©Algae Grow Lab

الصورة 3: تفكيك الطحالب: تفكيك 100% من الخلايا بعد 120 min. من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ©Algae Grow Lab