Algedyrkningslaboratorium – Ultralyd algeekstraktion

Dyrkning af alger

Algae Grow Lab udviklede en række rørformede og flade fotobioreaktorer til algedyrkning samt en proces med celleultralydsdestruktion baseret på Hielscher ultralydsprocessorer udstyret med flowceller.
Det generelle flowdiagram for processen er vist nedenfor.

Flowdiagrammet viser processen med algedyrkning og algeolieproduktion ved hjælp af ultralydbehandling. ©Algedyrkningslaboratorium

Eksempler på Algae Grow Lab fotobioreaktorer er præsenteret nedenfor.
Brugen af LED-paneler, der udsender lys i PAR-delen af spektret, gør det muligt at opnå en maksimal væksthastighed for alger.
For eksempel opnåede vi efter podning af Chlorella Vulgaris med den oprindelige densitet på 0,146 g/L densiteten på 7,3 g/L på 7 dage.

Ødelæggelse af algeceller ved ultralydsbehandling

Efter algevækststadionet er algecellen moden til olieproduktionsbehandlingen. Da celleindholdet er adskilt fra det omgivende miljø af en struktur af sammensatte cellemembraner, er celleforstyrrelsesmetoden vigtig for frigivelsen af det komplette intracellulære materiale. Cellemembranen giver mekanisk styrke til cellen og bevarer dens integritet. Cellemembranens elastiske egenskaber gør det muligt for cellerne at modstå de hurtige ændringer i osmotisk tryk, der kan forekomme i deres ydre omgivelser.
Både ultralyds- og mikrobølgeassisterede metoder, som er beskrevet nedenfor, forbedrer ekstraktionen af mikroalger betydeligt med højere effektivitet, reducerede ekstraktionstider og øgede udbytter samt lave til moderate omkostninger og ubetydelig tilsat toksicitet.
Meget ofte er udvindingen af målprodukterne fra alger mere effektiv, hvis algecellerne ødelægges før ekstraktion. Men nogle gange fører celleødelæggelsen i sig selv til frigivelse af målproduktet, og kun separationsprocessen er nødvendig for at få det (f.eks. ekstraktion af lipider fra alger til produktion af biobrændstof).
Algae grow lab integrerer et ultralydssystem til celleafbrydelse og ekstraktion i deres opsætning for at sikre en yderst effektiv proces, der opnår en fuldstændig frigivelse af intracellulært indhold og derved højere udbytter på kortere tid. I ultralydsreaktoren skaber ultralydsbølger kaviatation i det flydende medie, der indeholder algecellerne. Kavitationsboblerne vokser under de skiftende sjældenhedsfaser af ultralydsbølgen, indtil de opnår en vis størrelse, når ingen yderligere energi kan adsorberes. På dette maksimale punkt for boblevækst kollapser hulrummene under en kompressionsfase. Boblekollapset skaber ekstreme forhold med forskelle i tryk og temperatur samt chokbølger og stærke væskestråler. Disse ekstreme kræfter ødelægger ikke kun cellerne, men vasker også effektivt deres indhold ud i det flydende medie (f.eks. vand eller opløsningsmidler).
Effektiviteten af ultralydsdestruktionen afhænger stærkt af cellevæggenes holdbarhed og elasticitet, som varierer betydeligt mellem de enkelte algestammer. Det er grunden til, at effektiviteten af celleødelæggelse er stærkt påvirket af parametrene for sonificeringsprocessen: De vigtigste parametre er amplitude, tryk, koncentration & viskositet og temperatur. Disse parametre skal optimeres for hver enkelt algestamme for at sikre den optimale forarbejdningseffektivitet.
Nogle eksempler på celleforstyrrelse og opløsning af forskellige algestammer kan findes i artiklerne citeret nedenfor:

• Dunnaliella salina og Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultralydsforstyrrelse af algeceller. AIP-konferencens forhandlinger; 24/5/2012, bind 1433, udgave 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluering og sammenligning af algecelleforstyrrelsesmetoder: Mikrobølge, vandbad, blender, ultralyd og laserbehandling. Applied Energy, marts 2013, bind 103, side 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Indflydelse af forskellige celleforstyrrelsesteknikker på monofordøjelse 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 mikroalgecelleforstyrrelse ved ultralydsbehandling. Bioressourceteknologi 2012, Vol. 125, s.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer og Roberto E. Armenta (2011): Udvikling inden for olieudvinding 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 algebiomassestrømmen til koncentrationsanordningen for at adskille biomassen fra det flydende medie. Koncentratet akkumuleres i lagertanken. Efter adskillelsen skal cellerne forstyrres for at frigive olien og andet intracellulært materiale. Derfor pumpes den koncentrerede biomasse gennem en Hielscher ultralydsenhed. Ultralydsrecirkulationsopsætningen sikrer recirkulation af cellekoncentratet under det givne tryk gennem Hielscher-flowcellen tilbage til akkumuleringstanken. Recirkulationen varer den tid, der kræves for at ødelægge celler. Når destruktionsprocessen er afsluttet, pumpes biomassen med de ødelagte celler til produktseparationsanordningen, hvor den endelige adskillelse af produktet fra det resterende affald finder sted.

Algefudestruktionsenhed med biomassekoncentrations-/separationsanordning og Hielschers 1,5 kW ultralydsprocessor UIP1500hd. ©Algedyrkningslaboratorium

Måling af procentdelen af ødelagte celler

Til effektivitetsevalueringen af algebruddet brugte ALgae Grow Lab to forskellige metoder til at måle procentdelen af ødelagte celler:

1. Den første analysemetode er baseret på måling af klorofyl A, B og A+B fluorescens.
   Under langsom centrifugering vil algeceller og snavs pelletere i bunden af recipienten, men rester af frit flydende klorofyl vil stadig forblive i supernatanten. Ved hjælp af disse fysiske egenskaber ved cellen og klorofyl kan procentdelen af de ødelagte celler fastslås. Dette opnås ved først at måle den totale klorofylfluorescens af en prøve. Derefter centrifugeres prøven. Derefter måles supernatantens klorofylfluorescens. Ved at tage procentdelen af klorofylfluorescens i supernatanten til klorofylfluorescensen i den samlede prøve, kan der foretages et skøn over procentdelen af ødelagte celler. Denne form for måling er ret nøjagtig, men antager, at antallet af klorofyl pr. celle er ensartet. Totale klorofylekstraktioner blev udført ved hjælp af methanol.
2. Til den anden analysemetode er den klassiske hæmocytometri blevet brugt til at måle celletætheden i den høstede algeprøve. Proceduren udføres i 2 trin:

• For det første måles celletætheden af den høstede algeprøve før ultralydsbehandlingen.
• For det andet måles antallet af ikke-ødelagte (resterende) celler efter sonificering af den samme prøve.
  Baseret på resultaterne af disse to målinger beregnes procentdelen af ødelagte celler.

Billede 1: Alger før ødelæggelse ©Alger vokser laboratorium

Billede 2: Algeforstyrrelse: 50% celleforstyrrelse efter 60 min. sonikering. ©Algedyrkningslaboratorium

Billede 3: Algeforstyrrelse: 100% celleforstyrrelse efter 120 min. sonikering. ©Algedyrkningslaboratorium