Лаборатория за отглеждане на водорасли – Ултразвукова екстракция на водорасли
Отглеждане на водорасли
Algae Grow Lab разработи серия от тръбни и плоски фотобиореактори за отглеждане на водорасли, както и процес на клетъчно ултразвуково унищожение, базиран на ултразвукови процесори на Hielscher, оборудвани с поточни клетки.
Общата блок-схема на процеса е показана по-долу.

Блок-схемата показва процеса на отглеждане на водорасли и производство на масло от водорасли с помощта на ултразвук. ©Лаборатория за отглеждане на водорасли
Примери за фотобиореактори на Algae Grow Lab са представени по-долу.
Използването на LED панелите, излъчващи светлина в PAR частта на спектъра, позволява да се постигне максимална скорост на растеж на водораслите.
Например, след инокулация на Chlorella Vulgaris с начална плътност 0,146 g/L постигнахме плътност от 7,3g/L за 7 дни.

Algae Grow Lab доставя фотобиореактори и оборудване за производство на алжирно масло.
Унищожаване на клетки от водорасли чрез ултрасонификация
След стадиона за растеж на водораслите, клетките на водораслите са узрели за обработка на производството на масло. Тъй като клетъчното съдържание е отделено от околната среда чрез структура от съставени клетъчни мембрани, методът на клетъчно разрушаване е важен по отношение на освобождаването на пълния 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 възникнат във външната им среда.
Както ултразвуковите, така и микровълновите методи, които са описани по-долу, подобряват значително извличането на микроводорасли, с по-висока ефективност, намалено време за екстракция и увеличени добиви, както и ниски до умерени разходи и незначителна добавена токсичност.
Много често извличането на целевите продукти от водорасли е по-ефективно, ако клетките на водораслите са унищожени преди екстракцията. Но понякога самото унищожаване на клетките води до освобождаване на целевия продукт и е необходим само процесът на разделяне, за да се получи (напр. извличане на липиди от водорасли за производство на биогориво).
Лабораторията за отглеждане на водорасли интегрира ултразвукова система за разрушаване и екстракция на клетките в тяхната настройка, за да осигури високоефективен процес, постигащ пълно освобождаване на вътреклетъчно съдържание и по този начин по-високи добиви за по-кратко време. В ултразвуковия реактор ултразвуковите вълни създават авиация в течната среда, която съдържа клетките на водораслите. Кавитационните мехурчета растат по време на редуващите се фази на разреждане на ултразвуковата вълна, докато достигнат определен размер, когато не може да се адсорбира допълнителна енергия. В тази максимална точка на растеж на мехурчетата кухините се срутват по време на фаза на компресия. Колапсът на мехурчето създава екстремни условия на диференциали на налягането и температурата, както и ударни вълни и силни течни струи. Тези екстремни сили не само унищожават клетките, но и ефективно измиват съдържанието им в течната среда (напр. вода или разтворители).
Ефективността на ултразвуковото унищожаване силно зависи от издръжливостта и еластичността на клетъчните стени, която варира значително между отделните щамове водорасли. Това е причината, поради която ефективността на разрушаването на клетките е силно повлияна от параметрите на процеса на сонификация: Най-важните параметри са амплитуда, налягане, концентрация & вискозитет и температура. Тези параметри трябва да бъдат оптимизирани за всеки конкретен щам водорасли, за да се осигури оптимална ефективност на обработката.
Някои примери за клетъчно разрушаване и разпадане на различни щамове водорасли могат да бъдат намерени в статиите, цитирани по-долу:
- Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Джойс, Е.М.; Мейсън, Т.Дж. (2012): Ултразвуково разрушаване на клетките на водораслите. Сборник с доклади от конференцията на AIP; 24.5.2012 г., том 1433, брой 1, с. 237.
- Nannochloropsis oculata: Джонатан Р. Макмилан, Иън А. Уотсън, Мехмуд Али, Уиам Джаафар (2013): Оценка и сравнение на методите за разрушаване на клетки от водорасли: микровълнова, водна баня, блендер, ултразвуково и лазерно лечение. Приложна енергия, март 2013 г., том 103, страници 128–134.
- Nanochloropsis salina: Себастиан Шведе, Александра Ковалчик, Манди Гербер, Роланд Спан (2011): Влияние на различни техники за клетъчно разрушаване върху монохраносмилането на биомасата от водорасли. Световен конгрес за възобновяема енергия 2011 г., Биоенергийни технологии, 8-12 май 2011 г., Швеция.
- Schizochytrium limacinum и Chlamydomonas reinhardtii: Хосе Герде, Мелиса Монталбо-Ломбой М, Линсин Яо, Дейвид Греуел, Тонг Уанг (2012): Оценка на разрушаване на клетките на микроводораслите чрез ултразвуково лечение. Технология на биоресурсите 2012, том 125, стр.175-81.
- Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer и Roberto E. Armenta (2011): Разработки в извличането 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 концентрация, за да се отдели биомасата от течната среда. Концентратът се натрупва в резервоара за съхранение. След отделянето клетките трябва да бъдат нарушени, за да се освободи маслото и друг вътреклетъчен материал. Следователно концентрираната биомаса се изпомпва чрез ултразвуково устройство на Hielscher. Настройката за ултразвукова рециркулация осигурява рециркулацията на клетъчния концентрат под зададеното налягане през проточната клетка на Hielscher обратно към акумулиращия резервоар. Рециркулацията продължава времето, необходимо за унищожаване на клетките. Когато процесът на унищожаване приключи, биомасата с унищожените клетки се изпомпва към устройството за разделяне на продукта, където се извършва окончателното отделяне на продукта от останалите отломки.

Устройство за унищожаване на клетки от водорасли с устройство за концентрация/разделяне на биомаса и ултразвуков процесор UIP1500hd с мощност 1,5 kW на Hielscher. ©Лаборатория за отглеждане на водорасли
Измерване на процента на унищожените клетки
За оценка на ефективността на счупването на водораслите, ALgae Grow Lab използва две различни методологии за измерване на процента на унищожените клетки:
- Първият метод за анализ се основава на измерването на флуоресценцията на хлорофила А, В и А+В.
По време на центрофугиране с бавно въртене, клетките от водорасли и отломките ще се гранулират на дъното на реципиента, но остатъците от свободно плаващ хлорофил все още ще останат в супернатантата. Използвайки тези физически характеристики на клетката и хлорофила, може да се установи процентът на счупените клетки. Това се постига чрез измерване първо на общата флуоресценция на хлорофил на проба. След това пробата се центрофугира. След това се измерва флуоресценцията на хлорофила на супернатантата. Чрез вземане на процента флуоресценция на хлорофил в супернатанта към флуоресценцията на хлорофила на общата проба, може да се направи оценка на процента на счупените клетки. Тази форма на измерване е доста точна, но прави предположението, че броят на хлорофила на клетка е равномерен. Общите екстракции на хлорофил са извършени с помощта на метанол. - За втория метод на анализ е използвана класическата хемоцитометрия за измерване на клетъчната плътност в събраната проба от водорасли. Процедурата се извършва в 2 стъпки:
- Първо, клетъчната плътност на събраната проба от водорасли преди ултразвуковото лечение се измерва.
- Второ, измерва се броят на неразрушените (останали) клетки след сонификация на същата проба.
Въз основа на резултатите от тези две измервания се изчислява процентът на разрушените клетки.