Algae Grow Lab – Ултразвукова екстракция от водорасли

Култивиране на водорасли

Algae Grow Lab разработи серия от тръбни и плоски фотобиореактори за култивиране на водорасли, както и процес за ултразвуково разрушаване на клетките, базиран на ултразвукови процесори Hielscher, оборудвани с проточни клетки.
Общата технологична схема на процеса е показана по-долу.

Технологичната схема показва процеса на култивиране на водорасли и производство на масло от водорасли чрез ултразвукова обработка. ©Algae Grow Lab

По-долу са представени примери за фотобиореактори на Algae Grow Lab.
Използването на LED панели, излъчващи светлина в областта на фотосинтетично активната радиация (PAR) от спектъра, позволява да се постигне максимална скорост на растеж на водораслите.
Например след инокулиране на Chlorella Vulgaris с начална плътност 0,146 g/L постигнахме плътност 7,3g/L за 7 дни.

Разрушаване на клетките на водораслите чрез ултразвукова обработка

След етапа на растеж на водораслите клетките им са готови за обработката за производство на масло. Тъй като клетъчното съдържимо е отделено от околната среда чрез структура, съставена от клетъчни мембрани, методът за разрушаване на клетките е от значение за освобождаването на целия вътреклетъчен материал. Клетъчната мембрана осигурява механична здравина на клетката и запазва нейната цялост. Еластичните свойства на клетъчната мембрана позволяват на клетките да издържат на бързите промени в осмотичното налягане, които могат да настъпят във външната им среда.
Както ултразвуковите методи, така и методите с помощта на микровълни, които са описани по-долу, значително подобряват екстракцията от микроводорасли с по-висока ефективност, по-кратко време за екстракция и по-високи добиви, както и с ниски до умерени разходи и незначителна допълнителна токсичност.
Много често екстракцията на целевите продукти от водорасли е по-ефективна, ако клетките на водораслите се разрушат преди екстракцията. Понякога обаче самото разрушаване на клетките води до освобождаване на целевия продукт и за получаването му е необходим само процесът на разделяне (напр. екстракцията на липиди от водорасли за производство на биогориво).
Algae grow lab интегрира ултразвукова система за разрушаване на клетките и екстракция в своята инсталация, за да осигури високоефективен процес, постигащ пълно освобождаване на вътреклетъчното съдържимо и съответно по-високи добиви за по-кратко време. В ултразвуковия реактор ултразвуковите вълни създават кавитация в течната среда, която съдържа клетките на водораслите. Кавитационните мехурчета нарастват през редуващите се фази на разреждане на ултразвуковата вълна, докато достигнат определен размер, при който повече енергия не може да бъде адсорбирана. В този момент на максимално нарастване на мехурчетата кухините колапсират по време на фаза на сгъстяване. Колапсът на мехурчетата създава екстремни разлики в налягането и температурата, както и ударни вълни и мощни течни струи. Тези екстремни сили не само разрушават клетките, но и ефективно отмиват съдържимото им в течната среда (напр. вода или разтворители).
Ефективността на ултразвуковото разрушаване силно зависи от устойчивостта и еластичността на клетъчните стени, които се различават значително между отделните щамове водорасли. Поради това ефективността на разрушаването на клетките се влияе силно от параметрите на процеса на ултразвукова обработка: най-важните параметри са амплитудата, налягането, концентрацията и вискозитетът, както и температурата. Тези параметри трябва да бъдат оптимизирани за всеки конкретен щам водорасли, за да се осигури оптимална ефективност на обработката.
Някои примери за разрушаване и дезинтеграция на клетките на различни щамове водорасли могат да бъдат намерени в цитираните по-долу статии:

• Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ултразвуково разрушаване на клетките на водорасли. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, том 1433, брой 1, с. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Оценка и сравнение на методите за разрушаване на клетките на водорасли: обработка с микровълни, водна баня, блендер, ултразвук и лазер. Applied Energy, March 2013, том 103, страници 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Влияние на различни техники за разрушаване на клетките върху моноферментацията на биомаса от водорасли. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Швеция.
• Schizochytrium limacinum и Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Оценка на разрушаването на клетките на микроводорасли чрез ултразвукова обработка. Bioresource Technology 2012, том 125, с.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer и Roberto E. Armenta (2011): Развитие на екстракцията на масло от микроводорасли. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Подобряване на клетъчното разстройство за Scotiellopsis terrestris с помощта на ултразвук и пектин, разложен ензим. Naturstoffchemie.

Процес

След култивирането потокът от биомаса от водорасли се подава към устройството за концентриране, за да се отдели биомасата от течната среда. Концентратът се натрупва в резервоара за съхранение. След отделянето клетките трябва да бъдат разрушени, за да се освободи маслото и другият вътреклетъчен материал. Затова концентрираната биомаса се изпомпва през ултразвуково устройство Hielscher. Ултразвуковата рециркулационна инсталация осигурява рециркулацията на клетъчния концентрат при зададеното налягане през проточната клетка Hielscher обратно към резервоара за натрупване. Рециркулацията продължава толкова време, колкото е необходимо за разрушаването на клетките. Когато процесът на разрушаване приключи, биомасата с разрушените клетки се изпомпва към устройството за отделяне на продукта, където се извършва окончателното отделяне на продукта от останалите клетъчни остатъци.

Установка за разрушаване на клетките на водорасли с устройство за концентриране/ отделяне на биомасата и ултразвуков процесор UIP1500hd на Hielscher с мощност 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Измерване на процента разрушени клетки

За оценка на ефективността на разрушаването на водораслите ALgae Grow Lab използва две различни методики за измерване на процента разрушени клетки:

1. Първият метод за анализ се основава на измерване на флуоресценцията на хлорофил A, B и A+B.
   При центрофугиране с ниски обороти клетките на водораслите и клетъчните остатъци образуват утайка на дъното на съда, но остатъци от свободно плаващ хлорофил продължават да се намират в супернатанта. Използвайки тези физични характеристики на клетката и хлорофила, може да се установи процентът разрушени клетки. Това се извършва чрез първоначално измерване на общата флуоресценция на хлорофила в пробата. След това пробата се центрофугира. Впоследствие се измерва флуоресценцията на хлорофила в супернатанта. Чрез изчисляване на процентното съотношение на флуоресценцията на хлорофила в супернатанта спрямо флуоресценцията на хлорофила в цялата проба може да се направи оценка на процента разрушени клетки. Този начин на измерване е сравнително точен, но се основава на предположението, че броят на молекулите хлорофил във всяка клетка е еднакъв. Екстракциите на общия хлорофил са извършени с метанол.
2. При втория метод за анализ е използвана класическа хемоцитометрия за измерване на клетъчната плътност в пробата от събраните водорасли. Процедурата се извършва в 2 стъпки:

• Първо се измерва клетъчната плътност в пробата от събраните водорасли преди ултразвуковата обработка.
• Второ се измерва броят на неразрушените (останалите) клетки след ултразвуковата обработка на същата проба.
  Въз основа на резултатите от тези две измервания се изчислява процентът разрушени клетки.

Снимка 1: Водорасли преди разрушаването ©Algae Grow Lab

Снимка 2: Разрушаване на водораслите: 50% разрушени клетки след 60 min. ултразвукова обработка. ©Algae Grow Lab

Снимка 3: Разрушаване на водораслите: 100% разрушени клетки след 120 min. ултразвукова обработка. ©Algae Grow Lab