Algae Grow Lab – Ultrazvučna ekstrakcija algi

uzgoj algi

Algae Grow Lab je razvio seriju tubularnih i ravnih fotobioreaktora za uzgoj algi, kao i proces ultrazvučnog uništavanja ćelija baziran na Hielscher ultrazvučnim procesorima opremljenim protočnim ćelijama.
Opšti dijagram toka procesa je prikazan ispod.

Dijagram toka prikazuje proces uzgoja algi i proizvodnje alginog ulja korištenjem ultrazvuka. ©Algae Grow Lab

U nastavku su predstavljeni primjeri fotobioreaktora Algae Grow Lab.
Upotreba LED panela koji emituju svjetlost u PAR dijelu spektra omogućava postizanje maksimalne stope rasta algi.
Na primjer, nakon inokulacije Chlorella Vulgaris sa početnom gustinom od 0,146 g/L postigli smo gustinu od 7,3 g/L za 7 dana.

Uništavanje ćelija algi ultrazvukom

Nakon stadiona za rast algi, ćelije algi su zrele za tretman proizvodnje ulja. Kako je ćelijski sadržaj odvojen od okolnog okruženja strukturom sastavljenih ćelijskih membrana, metoda ćelijskog prekida je značajna u pogledu oslobađanja kompletnog intracelularnog materijala. Ćelijska membrana daje mehaničku čvrstoću ćeliji i čuva njen integritet. Elastična svojstva ćelijske membrane omogućavaju ćelijama da izdrže brze promjene osmotskog tlaka koje se mogu pojaviti u njihovom vanjskom okruženju.
I ultrazvuk i metode potpomognute mikrovalovima, koje su opisane u nastavku, značajno poboljšavaju ekstrakciju mikroalgi, uz veću efikasnost, skraćeno vrijeme ekstrakcije i povećane prinose, kao i niske do umjerene troškove i zanemarljivu dodatnu toksičnost.
Vrlo često je ekstrakcija ciljnih proizvoda iz algi efikasnija ako se ćelije algi unište prije ekstrakcije. Ali ponekad, samo uništavanje ćelije dovodi do oslobađanja ciljnog proizvoda, a za njegovo dobijanje potreban je samo proces separacije (npr. ekstrakcija lipida iz algi za proizvodnju biogoriva).
Laboratorija za uzgoj algi integriše ultrazvučni sistem za razbijanje ćelija i ekstrakciju u njihovu postavku kako bi se osigurao visoko efikasan proces kojim se postiže potpuno oslobađanje intracelularnog sadržaja i samim tim veći prinosi u kraćem vremenu. U ultrazvučnom reaktoru, ultrazvučni talasi stvaraju kavijaciju u tečnom mediju koji sadrži ćelije algi. Kavitacijski mjehurići rastu tokom naizmjeničnih faza razrjeđivanja ultrazvučnog vala sve dok ne postignu određenu veličinu, kada se više ne može adsorbirati energija. U ovoj maksimalnoj tački rasta mjehurića, šupljine se kolabiraju tokom faze kompresije. Kolaps mjehura stvara ekstremne uvjete razlike tlaka i temperature, kao i udarne valove i jake mlazove tekućine. Ove ekstremne sile ne samo da uništavaju ćelije, već i efikasno ispiru njihov sadržaj u tečne medije (npr. vodu ili rastvarače).
Efikasnost ultrazvučnog uništavanja u velikoj meri zavisi od izdržljivosti i elastičnosti ćelijskih zidova, koja značajno varira između pojedinačnih sojeva algi. To je razlog zašto na efikasnost uništavanja ćelija u velikoj meri utiču parametri procesa sonifikacije: Najvažniji parametri su amplituda, pritisak, koncentracija & viskozitet i temperatura. Ovi parametri moraju biti optimizirani za svaki pojedinačni soj algi kako bi se osigurala optimalna efikasnost obrade.
Neki primjeri poremećaja stanica i dezintegracije različitih sojeva algi mogu se naći 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): Procjena oštećenja ćelija mikroalgi ultrazvučnim tretmanom. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, str.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 se dovodi u uređaj za koncentriranje kako bi se biomasa odvojila od tekućeg medija. Koncentrat se akumulira u spremniku. Nakon razdvajanja, ćelije se moraju poremetiti kako bi se oslobodilo ulje i drugi unutarćelijski materijal. Stoga se koncentrirana biomasa pumpa kroz Hielscher ultrazvučni uređaj. Postavka ultrazvučne recirkulacije osigurava recirkulaciju ćelijskog koncentrata pod datim pritiskom kroz Hielscherovu protočnu ćeliju natrag u akumulacijski spremnik. Recirkulacija traje onoliko vremena koliko je potrebno za uništavanje ćelija. Kada je proces uništenja završen, biomasa sa uništenim ćelijama se pumpa u uređaj za separaciju proizvoda, gde dolazi do konačnog odvajanja proizvoda od preostalog otpada.

Jedinica za uništavanje ćelija algi sa uređajem za koncentraciju/razdvajanje biomase i Hielscherovim ultrazvučnim procesorom od 1,5 kW UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Mjerenje procenta uništenih ćelija

Za procjenu efikasnosti lomljenja algi, ALgae Grow Lab je koristio dvije različite metodologije za mjerenje procenta uništenih ćelija:

1. Prva metoda analize zasniva se na mjerenju fluorescencije hlorofila A, B i A+B.
   Tokom centrifugiranja sa sporim centrifugiranjem, ćelije algi i ostaci će se taložiti na dnu recipijenta, ali ostaci slobodnog plutajućeg hlorofila i dalje će ostati u supernatantu. Koristeći ove fizičke karakteristike ćelije i hlorofila, može se utvrditi procenat slomljenih ćelija. Ovo se postiže mjerenjem najprije ukupne fluorescencije klorofila uzorka. Zatim se uzorak centrifugira. Nakon toga se mjeri fluorescencija hlorofila supernatanta. Uzimanjem procenta fluorescencije hlorofila u supernatantu do fluorescencije hlorofila ukupnog uzorka, može se napraviti procjena procenta slomljenih ćelija. Ovaj oblik mjerenja je prilično precizan, ali pretpostavlja da je broj hlorofila po ćeliji ujednačen. Ekstrakcije totalnog hlorofila izvedene su upotrebom metanola.
2. Za drugu metodu analize, klasična hemocitometrija je korištena za mjerenje gustine ćelija u uzorku sakupljenih algi. Postupak se izvodi u 2 koraka:

• Najprije se mjeri gustina ćelija ubranog uzorka algi prije ultrazvučnog tretmana.
• Drugo, mjeri se broj neuništenih (preostalih) ćelija nakon sonifikacije istog uzorka.
  Na osnovu rezultata ova dva mjerenja izračunava se procenat uništenih ćelija.

Slika 1: Alge prije uništenja ©Algae Grow Lab

Slika 2: Poremećaj algi: 50% poremećaja ćelija nakon 60 min. sonication. ©Algae Grow Lab

Slika 3: Poremećaj algi: 100% prekid ćelija nakon 120 min. sonication. ©Algae Grow Lab