Algae Grow Lab – Ultrazvučna ekstrakcija algi

Uzgoj algi

Algae Grow Lab razvio je seriju cijevnih i ravnih fotobioreaktora za uzgoj algi, kao i postupak ultrazvučne razgradnje ćelija zasnovan na Hielscher ultrazvučnim procesorima opremljenim protočnim ćelijama.
Opći dijagram toka procesa prikazan je u nastavku.

Dijagram toka prikazuje proces uzgoja algi i proizvodnje ulja iz algi primjenom ultrazvučne obrade. ©Algae Grow Lab

Primjeri fotobioreaktora tvrtke Algae Grow Lab prikazani su u nastavku.
Primjena LED panela koji emituju svjetlost u PAR dijelu spektra omogućava postizanje maksimalne brzine rasta algi.
Na primjer, nakon inokulacije vrste Chlorella Vulgaris početne gustoće 0,146 g/L postigli smo gustoću od 7,3g/L za 7 dana.

Razgradnja ćelija algi ultrazvučnom obradom

Nakon faze rasta algi, ćelije algi spremne su za obradu u svrhu proizvodnje ulja. Budući da je sadržaj ćelije odvojen od okoline strukturom sastavljenom od ćelijskih membrana, metoda razgradnje ćelija značajna je za oslobađanje cjelokupnog unutarćelijskog materijala. Ćelijska membrana pruža ćeliji mehaničku čvrstoću i održava njezin integritet. Elastična svojstva ćelijske membrane omogućavaju ćelijama da izdrže brze promjene osmotskog pritiska koje se mogu javiti u njihovoj vanjskoj okolini.
I ultrazvučne metode i metode potpomognute mikrovalovima, koje su opisane u nastavku, značajno poboljšavaju ekstrakciju mikroalgi, uz veću efikasnost, kraće vrijeme ekstrakcije i veće prinose, kao i niske do umjerene troškove i zanemarivu dodatnu toksičnost.
Vrlo često je ekstrakcija ciljnih proizvoda iz algi efikasnija ako se ćelije algi razgrade prije ekstrakcije. Ali ponekad sama razgradnja ćelija dovodi do oslobađanja ciljnog proizvoda, pa je za njegovo dobivanje potreban samo proces separacije (npr. ekstrakcija lipida iz algi za proizvodnju biogoriva).
Algae grow lab u svoj postav integrira ultrazvučni sistem za razgradnju ćelija i ekstrakciju kako bi osigurao visoko efikasan proces koji postiže potpuno oslobađanje unutarćelijskog sadržaja, a time i veće prinose u kraćem vremenu. U ultrazvučnom reaktoru ultrazvučni valovi stvaraju kavitaciju u tekućem mediju koji sadrži ćelije algi. Kavitacijski mjehurići rastu tokom naizmjeničnih faza razrjeđenja ultrazvučnog vala dok ne dostignu određenu veličinu, kada se više ne može adsorbirati dodatna energija. U ovoj tački maksimalnog rasta mjehurića, šupljine kolabiraju tokom faze kompresije. Kolaps mjehurića stvara ekstremne uvjete razlika pritiska i temperature, kao i udarne valove i snažne mlazeve tekućine. Ove ekstremne sile ne samo da razaraju ćelije, nego i efikasno ispiru njihov sadržaj u tekući medij (npr. vodu ili otapala).
Efikasnost ultrazvučne razgradnje snažno ovisi o izdržljivosti i elastičnosti ćelijskih zidova, koji se znatno razlikuju među pojedinim sojevima algi. To je razlog zašto na efikasnost razgradnje ćelija snažno utječu parametri procesa sonikacije: najvažniji parametri su amplituda, pritisak, koncentracija i viskoznost te temperatura. Ovi parametri moraju se optimizirati za svaki pojedini soj algi kako bi se osigurala optimalna efikasnost obrade.
Neki primjeri razgradnje i dezintegracije ćelija različitih sojeva algi mogu se pronaći u dolje navedenim člancima:

• Dunnaliella salina i Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; Joyce, EM; Mason, TJ (2012): Ultrazvučno oštećenje ćelija algi. AIP Conference Proceedings; 24.5.2012., Vol. 1433 Broj 1, str. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013). Primijenjena energija, mart 2013, Vol. 103, str. 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Utjecaj različitih tehnika derupcije ćelija na mono digestiju biomase algi. Svjetski kongres obnovljive energije 2011, Bioenergy Technologies, 8-12. maj 2011., Švedska.
• Schizochytrium limacinum i Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer i Roberto E. Armenta (2011): Razvoj u ekstrakciji ulja iz mikroalgi. European Journal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Poboljšanje destrukcije ćelija kod Scotiellopsis terrestris pomoću ultrazvuka i enzima razloženog pektina. Naturstoffchemie.

Proces

Nakon uzgoja, tok biomase algi dovodi se u uređaj za koncentriranje radi odvajanja biomase od tekućeg medija. Koncentrat se akumulira u spremniku za skladištenje. Nakon separacije ćelije se moraju razgraditi kako bi se oslobodilo ulje i drugi unutarćelijski materijal. Zato se koncentrirana biomasa pumpa kroz Hielscher ultrazvučni uređaj. Ultrazvučni recirkulacijski postav osigurava recirkulaciju koncentrata ćelija pod zadanim pritiskom kroz Hielscher protočnu ćeliju natrag u akumulacijski spremnik. Recirkulacija traje onoliko koliko je potrebno za razgradnju ćelija. Kada je proces razgradnje završen, biomasa s razgrađenim ćelijama pumpa se u uređaj za separaciju proizvoda, gdje se odvija konačno odvajanje proizvoda od preostalih ostataka.

Jedinica za razgradnju ćelija algi s uređajem za koncentriranje/separaciju biomase i ultrazvučnim procesorom Hielscher UIP1500hd snage 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Mjerenje postotka razgrađenih ćelija

Za evaluaciju efikasnosti razgradnje algi, ALgae Grow Lab koristio je dvije različite metodologije za mjerenje postotka razgrađenih ćelija:

1. Prva analitička metoda zasniva se na mjerenju fluorescencije hlorofila A, B i A+B.
   Tokom sporog centrifugiranja ćelije algi i ostaci talože se na dnu posude, ali ostaci slobodno lebdećeg hlorofila i dalje ostaju u supernatantu. Na osnovu ovih fizičkih karakteristika ćelije i hlorofila može se utvrditi postotak razorenih ćelija. To se postiže tako da se prvo izmjeri ukupna fluorescencija hlorofila uzorka. Zatim se uzorak centrifugira. Nakon toga mjeri se fluorescencija hlorofila supernatanta. Odnosom postotka fluorescencije hlorofila u supernatantu prema fluorescenciji hlorofila ukupnog uzorka može se procijeniti postotak razorenih ćelija. Ovaj oblik mjerenja je prilično tačan, ali pretpostavlja da je broj hlorofila po ćeliji ujednačen. Ukupne ekstrakcije hlorofila provedene su pomoću metanola.
2. Za drugu analitičku metodu korištena je klasična hemocitometrija za mjerenje gustoće ćelija u prikupljenom uzorku algi. Postupak se provodi u 2 koraka:

• Prvo se mjeri gustoća ćelija prikupljenog uzorka algi prije ultrazvučnog tretmana.
• Zatim se mjeri broj neraspadnutih (preostalih) ćelija nakon sonikacije istog uzorka.
  Na osnovu rezultata ova dva mjerenja izračunava se postotak razgrađenih ćelija.

Sl. 1: Alge prije razgradnje ©Algae Grow Lab

Sl. 2: Razgradnja algi: 50% razgradnje ćelija nakon 60 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab

Sl. 3: Razgradnja algi: 100% razgradnje ćelija nakon 120 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab