Algae Grow Lab – Ultrasəslə yosun ekstraksiyası

Yosunların yetişdirilməsi

Algae Grow Lab yosunların yetişdirilməsi üçün bir sıra boruşəkilli və yastı fotobioreaktorlar, eləcə də axın kameraları ilə təchiz olunmuş Hielscher ultrasəs prosessorlarına əsaslanan hüceyrələrin ultrasəslə parçalanması prosesini işləyib hazırlayıb.
Prosesin ümumi axın sxemi aşağıda göstərilib.

Axın sxemi ultrasəs tətbiq etməklə yosunların yetişdirilməsi və yosun yağının istehsalı prosesini göstərir. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab fotobioreaktorlarının nümunələri aşağıda təqdim olunur.
Spektrin PAR hissəsində işıq yayan LED panellərin istifadəsi yosunların maksimum böyümə sürətinə nail olmağa imkan verir.
Məsələn, ilkin sıxlığı 0,146 g/L olan Chlorella Vulgaris ilə inokulyasiyadan sonra 7 gün ərzində 7,3g/L sıxlığa nail olduq.

Yosun hüceyrələrinin ultrasəslə parçalanması

Yosunların böyümə mərhələsindən sonra yosun hüceyrələri yağ istehsalı üçün emala hazır olur. Hüceyrə möhtəviyyatı hüceyrə membranlarından ibarət strukturla ətraf mühitdən ayrıldığından, bütün hüceyrədaxili materialın sərbəst buraxılması baxımından hüceyrələrin parçalanması üsulu mühüm əhəmiyyət daşıyır. Hüceyrə membranı hüceyrəyə mexaniki möhkəmlik verir və onun bütövlüyünü qoruyur. Hüceyrə membranının elastik xüsusiyyətləri hüceyrələrə xarici mühitlərində baş verə biləcək osmotik təzyiqin sürətli dəyişikliklərinə tab gətirməyə imkan verir.
Aşağıda təsvir olunan həm ultrasəs, həm də mikrodalğa dəstəkli üsullar daha yüksək səmərəlilik, daha qısa ekstraksiya müddətləri və daha yüksək çıxım, eləcə də aşağıdan orta səviyyəyədək xərclər və cüzi əlavə toksikliklə mikroyosunlardan ekstraksiyanı əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır.
Çox vaxt yosun hüceyrələri ekstraksiyadan əvvəl parçalandıqda yosunlardan hədəf məhsulların ekstraksiyası daha səmərəli olur. Lakin bəzən hüceyrələrin parçalanmasının özü hədəf məhsulun sərbəst buraxılmasına gətirib çıxarır və onu əldə etmək üçün yalnız ayırma prosesi tələb olunur (məsələn, bioyanacaq istehsalı üçün yosunlardan lipidlərin ekstraksiyası).
Algae grow lab hüceyrədaxili möhtəviyyatın tam sərbəst buraxılmasını və bununla da daha qısa müddətdə daha yüksək çıxımı təmin edən yüksək səmərəli prosesə nail olmaq üçün qurğusuna hüceyrələrin parçalanması və ekstraksiya üçün ultrasəs sistemi inteqrasiya edir. Ultrasəs reaktorunda ultrasəs dalğaları yosun hüceyrələrini ehtiva edən maye mühitdə kavitasiya yaradır. Kavitasiya qabarcıqları ultrasəs dalğasının növbələşən seyrəkləşmə fazaları zamanı müəyyən ölçüyə çatana qədər böyüyür və bu ölçüdə artıq əlavə enerji adsorbsiya oluna bilmir. Qabarcıqların böyüməsinin bu maksimum nöqtəsində boşluqlar sıxılma fazası zamanı çökür. Qabarcıqların çökməsi təzyiq və temperatur fərqləri baxımından ekstremal şərait, eləcə də zərbə dalğaları və güclü maye şırnaqları yaradır. Bu ekstremal qüvvələr hüceyrələri parçalamaqla yanaşı, onların möhtəviyyatını da səmərəli şəkildə yuyaraq maye mühitə (məsələn, suya və ya həlledicilərə) keçirir.
Ultrasəslə parçalanmanın effektivliyi hüceyrə divarlarının davamlılığından və elastikliyindən güclü şəkildə asılıdır; bu xüsusiyyətlər ayrı-ayrı yosun ştammları arasında əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir. Buna görə də ultrasəslə emal prosesinin parametrləri hüceyrələrin parçalanmasının səmərəliliyinə böyük təsir göstərir: ən mühüm parametrlər amplituda, təzyiq, konsentrasiya və özlülük, eləcə də temperaturdur. Optimal emal səmərəliliyini təmin etmək üçün bu parametrlər hər bir konkret yosun ştammı üçün optimallaşdırılmalıdır.
Müxtəlif yosun ştammlarının hüceyrələrinin parçalanması və dağılmasına dair bəzi nümunələrə aşağıda istinad edilən məqalələrdə rast gəlmək olar:

• Dunnaliella salina və Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Yosun hüceyrələrinin ultrasəslə parçalanması. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Cild 1433, Sayı 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Yosun hüceyrələrinin parçalanması üsullarının qiymətləndirilməsi və müqayisəsi: mikrodalğa, su hamamı, blender, ultrasəs və lazerlə emal. Applied Energy, March 2013, Cild 103, Səhifələr 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Müxtəlif hüceyrə parçalama üsullarının yosun biokütləsinin monofermentasiyasına təsiri. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, İsveç.
• Schizochytrium limacinum və Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikroyosun hüceyrələrinin ultrasəslə emal vasitəsilə parçalanmasının qiymətləndirilməsi. Bioresource Technology 2012, Cild 125, s.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer və Roberto E. Armenta (2011): Mikroyosunlardan yağ ekstraksiyası sahəsində inkişaflar. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Ultrasəs və pektin ilə parçalanmış ferment vasitəsilə Scotiellopsis terrestris üçün hüceyrə pozulmasının yaxşılaşdırılması. Naturstoffchemie.

Proses

Yetişdirmədən sonra yosun biokütləsi axını biokütləni maye mühitdən ayırmaq üçün qatılaşdırma qurğusuna verilir. Konsentrat saxlama çənində toplanır. Ayırmadan sonra yağı və digər hüceyrədaxili materialı sərbəst buraxmaq üçün hüceyrələr parçalanmalıdır. Buna görə də qatılaşdırılmış biokütlə nasosla Hielscher ultrasəs cihazından keçirilir. Ultrasəs resirkulyasiya qurğusu hüceyrə konsentratının verilmiş təzyiq altında Hielscher axın kamerasından keçərək yenidən toplama çəninə qayıtmaqla dövr etməsini təmin edir. Resirkulyasiya hüceyrələrin parçalanması üçün tələb olunan müddət ərzində davam edir. Parçalanma prosesi başa çatdıqda, parçalanmış hüceyrələri ehtiva edən biokütlə nasosla məhsulun ayırma qurğusuna ötürülür və burada məhsulun qalan hüceyrə qalıqlarından son ayrılması baş verir.

Biokütlənin qatılaşdırılması/ayrılması qurğusu və Hielscher şirkətinin 1,5 kW ultrasəs prosessoru UIP1500hd ilə təchiz olunmuş yosun hüceyrələrinin parçalanması qurğusu. ©Algae Grow Lab

Parçalanmış hüceyrələrin faizinin ölçülməsi

Yosun hüceyrələrinin parçalanmasının səmərəliliyini qiymətləndirmək üçün ALgae Grow Lab parçalanmış hüceyrələrin faizini ölçmək məqsədilə iki müxtəlif metodologiyadan istifadə edib:

1. Birinci analiz üsulu xlorofil A, B və A+B flüoressensiyasının ölçülməsinə əsaslanır.
   Aşağı fırlanma sürətində sentrifuqalama zamanı yosun hüceyrələri və hüceyrə qalıqları qabın dibində çöküntü əmələ gətirir, lakin sərbəst üzən xlorofil qalıqları supernatantda qalır. Hüceyrənin və xlorofilin bu fiziki xüsusiyyətlərindən istifadə etməklə parçalanmış hüceyrələrin faizini müəyyən etmək mümkündür. Bunun üçün əvvəlcə nümunənin ümumi xlorofil flüoressensiyası ölçülür. Sonra nümunə sentrifuqalanır. Bundan sonra supernatantın xlorofil flüoressensiyası ölçülür. Supernatantdakı xlorofil flüoressensiyasının bütöv nümunənin xlorofil flüoressensiyasına faiz nisbətini hesablamaqla parçalanmış hüceyrələrin faizini təxmin etmək olar. Bu ölçmə forması kifayət qədər dəqiqdir, lakin hər hüceyrəyə düşən xlorofil miqdarının eyni olduğunu fərz edir. Ümumi xlorofil ekstraksiyaları metanoldan istifadə etməklə aparılıb.
2. İkinci analiz üsulunda yığılmış yosun nümunəsində hüceyrə sıxlığını ölçmək üçün klassik hemositometriyadan istifadə olunub. Prosedur 2 mərhələdə həyata keçirilir:

• Əvvəlcə yığılmış yosun nümunəsində ultrasəslə emaldan əvvəlki hüceyrə sıxlığı ölçülür.
• İkinci mərhələdə eyni nümunənin ultrasəslə emalından sonra parçalanmamış (qalan) hüceyrələrin sayı ölçülür.
  Bu iki ölçmənin nəticələrinə əsasən parçalanmış hüceyrələrin faizi hesablanır.

Şək.1: Parçalanmadan əvvəl yosunlar ©Algae Grow Lab

Şək. 2: Yosunların parçalanması: 60 dəq. ultrasəslə emaldan sonra hüceyrələrin 50% parçalanması. ©Algae Grow Lab

Şək. 3: Yosunların parçalanması: 120 dəq. ultrasəslə emaldan sonra hüceyrələrin 100% parçalanması. ©Algae Grow Lab