Laboratoř pro pěstování řas – Ultrazvuková extrakce řas

pěstování řas

Algae Grow Lab vyvinula řadu trubkových a plochých fotobioreaktorů pro kultivaci řas a také proces ultrazvukové destrukce buněk založený na ultrazvukových procesorech Hielscher vybavených průtokovými buňkami.
Obecný vývojový diagram procesu je uveden níže.

Vývojový diagram zobrazuje proces kultivace řas a produkce oleje z řas pomocí ultrazvuku. ©Laboratoř pro pěstování řas

Příklady fotobioreaktorů Algae Grow Lab jsou uvedeny níže.
Použití LED panelů vyzařujících světlo v PAR části spektra umožňuje dosáhnout maximální rychlosti růstu řas.
Například po inokulaci Chlorelly vulgaris s počáteční hustotou 0,146 g/l jsme dosáhli hustoty 7,3 g/l za 7 dní.

Ničení buněk řas ultrazvukovou sonifikací

Po fázi růstu řas jsou buňky řas zralé pro ošetření výroby oleje. Vzhledem k tomu, že buněčný obsah je oddělen od okolního prostředí strukturou složených z buněčných membrán, je metoda narušení buněk významná z hlediska uvolnění kompletního intracelulárního materiálu. Buněčná membrána zajišťuje mechanickou pevnost buňky a zachovává její celistvost. Elastické vlastnosti buněčné membrány umožňují buňkám odolávat rychlým změnám osmotického tlaku, ke kterým může dojít v jejich vnějším okolí.
Jak ultrazvukové, tak mikrovlnně asistované metody, které jsou popsány níže, výrazně zlepšují extrakci mikrořas, a to s vyšší účinností, zkrácením doby extrakce a zvýšením výnosů, stejně jako s nízkými až středními náklady a zanedbatelnou přidanou toxicitou.
Velmi často je extrakce cílových produktů z řas účinnější, pokud jsou buňky řas zničeny před extrakcí. Někdy však samotná destrukce buněk vede k uvolnění cílového produktu a k jeho získání je zapotřebí pouze proces separace (např. extrakce lipidů z řas pro výrobu biopaliva).
Laboratoř pro pěstování řas integruje do svého nastavení ultrazvukový systém pro narušení a extrakci buněk, aby zajistila vysoce efektivní proces dosahující úplného uvolnění intracelulárního obsahu a tím i vyšších výnosů v kratším čase. V ultrazvukovém reaktoru vytvářejí ultrazvukové vlny kaviataci v kapalném médiu, které obsahuje buňky řas. Kavitační bubliny rostou během střídajících se fází zředění ultrazvukové vlny, dokud nedosáhnou určité velikosti, kdy nemůže být adsorbována žádná další energie. V tomto maximálním bodě růstu bublin se dutiny během fáze komprese zhroutí. Kolaps bublin vytváří extrémní podmínky rozdílů tlaku a teploty, stejně jako rázové vlny a silné výtrysky kapalin. Tyto extrémní síly nejen ničí buňky, ale také účinně vyplavují jejich obsah do kapalného média (např. vody nebo rozpouštědel).
Účinnost ultrazvukové destrukce silně závisí na trvanlivosti a pružnosti buněčných stěn, která se mezi jednotlivými kmeny řas značně liší. To je důvod, proč je účinnost buněčné destrukce silně ovlivněna parametry sonifikačního procesu: Nejdůležitějšími parametry jsou amplituda, tlak, koncentrace & viskozita a teplota. Tyto parametry musí být optimalizovány pro každý konkrétní kmen řas, aby byla zajištěna optimální efektivita zpracování.
Některé příklady narušení buněk a rozpadu různých kmenů řas lze nalézt v níže citovaných článcích:

• Dunnaliella salina a Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrazvukové narušení buněk řas. Sborník z konference AIP; 24. 5. 2012, roč. 1433, číslo 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Hodnocení a srovnání metod narušení buněk řas: Mikrovlnná trouba, vodní lázeň, mixér, ultrazvukové a laserové ošetření. Applied Energy, březen 2013, sv. 103, str. 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Vliv různých technik narušení buněk na mono trávení biomasy řas. Světový kongres o obnovitelných zdrojích energie 2011, Bioenergy Technologies, 8.–12. května 2011, Švédsko.
• Schizochytrium limacinum a Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Hodnocení narušení buněk mikrořas ultrazvukovou léčbou. Technologie biologických zdrojů 2012, sv. 125, s.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer a Roberto E. Armenta (2011): Vývoj v extrakci oleje z mikrořas. Evropský deník technologie vědy o lipidech, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Zlepšení narušení buněk pro Scotiellopsis terrestris pomocí ultrazvuku a enzymu rozloženého pektinem. Naturstoffchemie.

Proces

Po kultivaci je proud biomasy řas přiváděn do koncentračního zařízení, aby se oddělila biomasa od kapalného média. Koncentrát se akumuluje v zásobní nádrži. Po separaci musí být buňky narušeny, aby se uvolnil olej a další intracelulární materiál. Proto je koncentrovaná biomasa čerpána přes ultrazvukové zařízení Hielscher. Ultrazvukové nastavení recirkulace zajišťuje recirkulaci buněčného koncentrátu pod daným tlakem přes průtokovou buňku Hielscher zpět do akumulační nádrže. Recirkulace trvá dobu potřebnou k ničení buněk. Po dokončení procesu destrukce je biomasa se zničenými články čerpána do zařízení na separaci produktu, kde dochází ke konečnému oddělení produktu od zbývajícího odpadu.

Jednotka pro ničení buněk řas se zařízením pro koncentraci/separaci biomasy a Hielscherovým ultrazvukovým procesorem UIP1500hd o výkonu 1,5 kW. ©Laboratoř pro pěstování řas

Měření procenta zničených buněk

Pro hodnocení efektivity rozpadu řas použila laboratoř ALgae Grow Lab dvě různé metodiky pro měření procenta zničených buněk:

1. První analytická metoda je založena na měření fluorescence chlorofylu A, B a A+B.
   Během centrifugace s pomalým odstřeďováním se buňky řas a zbytky peletují na dně příjemce, ale zbytky volně plovoucího chlorofylu stále zůstávají v supernatantu. Pomocí těchto fyzikálních vlastností buňky a chlorofylu lze zjistit procento rozbitých buněk. Toho je dosaženo tak, že se nejprve změří celková fluorescence chlorofylu ve vzorku. Poté se vzorek odstředí. Poté se měří fluorescence chlorofylu supernatantu. Vezmeme-li procento fluorescence chlorofylu v supernatantu k fluorescenci chlorofylu z celkového vzorku, lze provést odhad procenta rozbitých buněk. Tato forma měření je poměrně přesná, ale vychází z předpokladu, že počet chlorofylu na buňku je jednotný. Extrakce celkového chlorofylu byly provedeny pomocí metanolu.
2. U druhé analytické metody byla použita klasická hemocytometrie k měření hustoty buněk v odebraném vzorku řas. Postup se provádí ve 2 krocích:

• Nejprve se změří buněčná hustota odebraného vzorku řas před ultrazvukovým ošetřením.
• Za druhé se měří počet nezničených (zbývajících) buněk po sonifikaci stejného vzorku.
  Na základě výsledků těchto dvou měření se vypočítá procento zničených buněk.

Obr.1: Řasy před zničením ©Laboratoř pro pěstování řas

Obr. 2: Narušení řas: 50% narušení buněk po 60 min. sonikace. ©Laboratoř pro pěstování řas

Obr. 3: Narušení řas: 100% narušení buněk po 120 min. sonikace. ©Laboratoř pro pěstování řas