Algae Grow Lab – Ultralydsekstraktion af alger

Algedyrkning

Algae Grow Lab udviklede en serie af rørformede og flade fotobioreaktorer til algedyrkning samt en proces til ultralydsdestruktion af celler baseret på ultralydsprocessorer fra Hielscher udstyret med flowceller.
Processens overordnede flowdiagram er vist nedenfor.

Flowdiagrammet viser processen for algedyrkning og produktion af algeolie ved hjælp af sonikering. ©Algae Grow Lab

Eksempler på Algae Grow Labs fotobioreaktorer er vist nedenfor.
Brugen af LED-paneler, der udsender lys i spektrets PAR-område, gør det muligt at opnå en maksimal væksthastighed for alger.
For eksempel opnåede vi efter inokulering af Chlorella Vulgaris med en startkoncentration på 0,146 g/L en koncentration på 7,3g/L på 7 dage.

Destruktion af algeceller ved sonikering

Efter algernes vækstfase er algecellerne klar til behandling med henblik på olieproduktion. Da celleindholdet er adskilt fra det omgivende miljø af en struktur bestående af cellemembraner, har metoden til celleopbrydning betydning for frigivelsen af alt det intracellulære materiale. Cellemembranen giver cellen mekanisk styrke og bevarer dens integritet. Cellemembranens elastiske egenskaber gør det muligt for cellerne at modstå de hurtige ændringer i osmotisk tryk, som kan forekomme i deres ydre omgivelser.
Både ultralyds- og mikrobølgeassisterede metoder, som beskrives nedenfor, forbedrer ekstraktionen fra mikroalger betydeligt med højere effektivitet, kortere ekstraktionstider og større udbytter samt lave til moderate omkostninger og ubetydelig yderligere toksicitet.
Meget ofte er ekstraktionen af de ønskede produkter fra alger mere effektiv, hvis algecellerne destrueres før ekstraktionen. Men nogle gange fører selve celledestruktionen til frigivelse af det ønskede produkt, og kun separationsprocessen er nødvendig for at opnå det (f.eks. ekstraktion af lipider fra alger til produktion af biobrændstof).
Algae grow lab integrerer et ultralydssystem til celleopbrydning og ekstraktion i deres anlæg for at sikre en yderst effektiv proces, der opnår fuldstændig frigivelse af det intracellulære indhold og dermed større udbytter på kortere tid. I ultralydsreaktoren skaber ultralydsbølger kavitation i det flydende medium, som indeholder algecellerne. Kavitationsboblerne vokser under ultralydsbølgens vekslende ekspansionsfaser, indtil de når en bestemt størrelse, hvor der ikke kan adsorberes yderligere energi. Ved dette maksimale punkt i boblernes vækst kollapser hulrummene under en kompressionsfase. Boblernes kollaps skaber ekstreme forhold med tryk- og temperaturforskelle samt chokbølger og kraftige væskestråler. Disse ekstreme kræfter destruerer ikke blot cellerne, men skyller også effektivt deres indhold ud i det flydende medium (f.eks. vand eller opløsningsmidler).
Effektiviteten af ultralydsdestruktionen afhænger i høj grad af cellevæggenes modstandsdygtighed og elasticitet, som varierer betydeligt mellem de enkelte algestammer. Derfor påvirkes celledestruktionens effektivitet i høj grad af sonikeringsprocessens parametre: De vigtigste parametre er amplitude, tryk, koncentration & viskositet samt temperatur. Disse parametre skal optimeres for hver enkelt algestamme for at sikre optimal behandlingseffektivitet.
Nogle eksempler på celleopbrydning og disintegration af forskellige algestammer findes i de artikler, der er citeret nedenfor:

• Dunnaliella salina og Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Opbrydning af algeceller med ultralyd. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, bind 1433, nr. 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluering og sammenligning af metoder til opbrydning af algeceller: Mikrobølge-, vandbads-, blender-, ultralyds- og laserbehandling. Applied Energy, marts 2013, bind 103, sider 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Forskellige celleopbrydningsteknikkers indflydelse på monoforgæring af algebiomasse. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 maj 2011, Sverige.
• Schizochytrium limacinum og Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluering af opbrydning af mikroalgeceller ved ultralydsbehandling. Bioresource Technology 2012, bind 125, s.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer og Roberto E. Armenta (2011): Udviklinger inden for olieekstraktion fra mikroalger. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Forbedring af celleforstyrrelser for Scotiellopsis terrestris ved hjælp af ultralyd og et pektinnedbrudt enzym. Naturstoffchemie.

Proces

Efter dyrkning føres strømmen af algebiomasse til koncentreringsenheden for at adskille biomassen fra det flydende medium. Koncentratet opsamles i lagertanken. Efter separationen skal cellerne opbrydes for at frigive olien og andet intracellulært materiale. Derfor pumpes den koncentrerede biomasse gennem et ultralydsapparat fra Hielscher. Ultralydsrecirkulationsanlægget sikrer recirkulation af cellekoncentratet under det givne tryk gennem flowcellen fra Hielscher tilbage til opsamlingstanken. Recirkulationen varer så længe, som det kræver at destruere cellerne. Når destruktionsprocessen er afsluttet, pumpes biomassen med de destruerede celler til produktseparationsenheden, hvor den endelige separation af produktet fra de resterende cellerester finder sted.

Enhed til destruktion af algeceller med enhed til koncentrering/ separation af biomasse og Hielschers 1,5 kW ultralydsprocessor UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Måling af procentdelen af destruerede celler

Til evaluering af effektiviteten af algeopbrydningen anvendte ALgae Grow Lab to forskellige metoder til at måle procentdelen af destruerede celler:

1. Den første analysemetode er baseret på måling af fluorescensen fra klorofyl A, B og A+B.
   Under centrifugering ved lav rotationshastighed danner algeceller og cellerester et bundfald i beholderen, men rester af frit svævende klorofyl forbliver i supernatanten. Ved at udnytte disse fysiske egenskaber ved cellen og klorofyl kan procentdelen af opbrudte celler bestemmes. Dette gøres ved først at måle den samlede klorofylfluorescens i en prøve. Derefter centrifugeres prøven. Efterfølgende måles supernatantens klorofylfluorescens. Ved at beregne supernatantens klorofylfluorescens som en procentdel af hele prøvens klorofylfluorescens kan procentdelen af opbrudte celler estimeres. Denne målemetode er forholdsvis nøjagtig, men bygger på antagelsen om, at antallet af klorofylmolekyler pr. celle er ens. Ekstraktioner af alt klorofyl blev udført med methanol.
2. Til den anden analysemetode blev klassisk hæmocytometri anvendt til at måle celletætheden i den høstede algeprøve. Proceduren udføres i 2 trin:

• Først måles celletætheden i den høstede algeprøve før ultralydsbehandlingen.
• Dernæst måles antallet af ikke-destruerede (tilbageværende) celler efter sonikering af den samme prøve.
  På grundlag af resultaterne af disse to målinger beregnes procentdelen af destruerede celler.

Fig.1: Alger før destruktion ©Algae Grow Lab

Fig. 2: Algeopbrydning: 50% celleopbrydning efter 60 min. sonikering. ©Algae Grow Lab

Fig. 3: Algeopbrydning: 100% celleopbrydning efter 120 min. sonikering. ©Algae Grow Lab