Algae Grow Lab – ultrazvuková extrakce z řas

Kultivace řas

Společnost Algae Grow Lab vyvinula řadu trubicových a plochých fotobioreaktorů pro kultivaci řas a také proces ultrazvukové destrukce buněk založený na ultrazvukových procesorech Hielscher vybavených průtokovými celami.
Celkové procesní schéma je znázorněno níže.

Vývojový diagram znázorňuje proces kultivace řas a výroby řasového oleje pomocí sonikace. ©Algae Grow Lab

Příklady fotobioreaktorů Algae Grow Lab jsou uvedeny níže.
Použití LED panelů vyzařujících světlo v oblasti PAR spektra umožňuje dosáhnout maximální rychlosti růstu řas.
Například po inokulaci Chlorella Vulgaris s počáteční hustotou 0,146 g/L jsme během 7 dnů dosáhli hustoty 7,3g/L.

Destrukce buněk řas pomocí ultrazvuku

Po fázi růstu jsou buňky řas připraveny ke zpracování za účelem výroby oleje. Protože je obsah buňky oddělen od okolního prostředí strukturou složenou z buněčných membrán, má metoda dezintegrace buněk zásadní význam pro uvolnění veškerého intracelulárního materiálu. Buněčná membrána dodává buňce mechanickou pevnost a zachovává její integritu. Elastické vlastnosti buněčné membrány umožňují buňkám odolávat rychlým změnám osmotického tlaku, ke kterým může docházet v jejich vnějším okolí.
Ultrazvukové i mikrovlnně asistované metody, které jsou popsány níže, výrazně zlepšují extrakci mikrořas, a to s vyšší účinností, kratší dobou extrakce a vyššími výtěžky, jakož i s nízkými až středními náklady a zanedbatelnou přidanou toxicitou.
Extrakce cílových produktů z řas je velmi často účinnější, pokud jsou buňky řas před extrakcí zničeny. Někdy však již samotná destrukce buněk vede k uvolnění cílového produktu a k jeho získání je potřeba pouze separační proces (např. extrakce lipidů z řas pro výrobu biopaliv).
Algae grow lab integruje do svého zařízení ultrazvukový systém pro dezintegraci buněk a extrakci, aby zajistila vysoce účinný proces, který dosahuje úplného uvolnění intracelulárního obsahu, a tím vyšších výtěžků za kratší dobu. V ultrazvukovém reaktoru vytvářejí ultrazvukové vlny kavitaci v kapalném médiu, které obsahuje buňky řas. Kavitační bubliny rostou během střídajících se fází zředění ultrazvukové vlny, dokud nedosáhnou určité velikosti, kdy již nelze adsorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu bubliny dutiny během fáze komprese zkolabují. Kolaps bublin vytváří extrémní podmínky v podobě tlakových a teplotních rozdílů, jakož i rázové vlny a silné proudy kapaliny. Tyto extrémní síly buňky nejen ničí, ale také účinně vyplavují jejich obsah do kapalného média (např. vody nebo rozpouštědel).
Účinnost ultrazvukové destrukce silně závisí na odolnosti a elasticitě buněčných stěn, které se mezi jednotlivými kmeny řas značně liší. To je důvod, proč je účinnost destrukce buněk výrazně ovlivněna parametry procesu sonikace: Nejdůležitějšími parametry jsou amplituda, tlak, koncentrace & viskozita a teplota. Tyto parametry musí být optimalizovány pro každý konkrétní kmen řas, aby byla zajištěna optimální účinnost zpracování.
Několik příkladů dezintegrace a rozpadu buněk 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): Ultrasonic disruption of algae cells. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 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): Influence of different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum a 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 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, kde se biomasa oddělí od kapalného média. Koncentrát se shromažďuje v zásobní nádrži. Po separaci musí být buňky dezintegrovány, aby se uvolnil olej a další intracelulární materiál. Proto je koncentrovaná biomasa čerpána přes ultrazvukové zařízení Hielscher. Ultrazvuková recirkulační sestava zajišťuje recirkulaci buněčného koncentrátu pod daným tlakem přes průtokovou celu Hielscher zpět do akumulační nádrže. Recirkulace trvá po dobu potřebnou ke zničení buněk. Po dokončení procesu destrukce je biomasa se zničenými buňkami čerpána do zařízení pro separaci produktu, kde dochází ke konečnému oddělení produktu od zbývajících úlomků.

Jednotka pro destrukci buněk řas se zařízením pro koncentraci/ separaci biomasy a 1,5 kW ultrazvukovým procesorem UIP1500hd od Hielscher. ©Algae Grow Lab

Měření procenta zničených buněk

Pro vyhodnocení účinnosti rozrušení řas použila společnost ALgae Grow Lab dvě různé metodiky měření procenta zničených buněk:

1. První analytická metoda je založena na měření fluorescence chlorofylu A, B a A+B.
   Při centrifugaci při nízkých otáčkách se buňky řas a úlomky usadí jako pelet na dně nádoby, avšak zbytky volně plovoucího chlorofylu zůstanou v supernatantu. Využitím těchto fyzikálních vlastností buňky a chlorofylu lze zjistit procento rozrušených buněk. Toho se dosáhne tak, že se nejprve změří celková fluorescence chlorofylu vzorku. Poté se vzorek centrifuguje. Následně se změří fluorescence chlorofylu supernatantu. Z poměru fluorescence chlorofylu v supernatantu k fluorescenci chlorofylu celého vzorku lze odhadnout procento rozrušených buněk. Tato forma měření je poměrně přesná, ale vychází z předpokladu, že množství chlorofylu na buňku je jednotné. Celkové extrakce chlorofylu byly prováděny pomocí methanolu.
2. U druhé analytické metody byla k měření hustoty buněk ve sklizeném vzorku řas použita klasická hemocytometrie. Postup se provádí ve 2 krocích:

• Nejprve se změří hustota buněk sklizeného vzorku řas před ultrazvukovým ošetřením.
• Poté se změří počet nezničených (zbývajících) buněk po sonikaci téhož vzorku.
  Na základě výsledků těchto dvou měření se vypočítá procento zničených buněk.

Obr. 1: Řasy před destrukcí ©Algae Grow Lab

Obr. 2: Dezintegrace řas: 50% dezintegrace buněk po 60 min. sonikace. ©Algae Grow Lab

Obr. 3: Dezintegrace řas: 100% dezintegrace buněk po 120 min. sonikace. ©Algae Grow Lab