Algae Grow Lab – Ultraschallextraktion von Algen

Algenkultivierung

Algae Grow Lab entwickelte eine Reihe von röhrenförmigen und flachen Photobioreaktoren zur Algenkultivierung sowie ein Verfahren zum Zellaufschluss mittels Ultraschall auf Basis von Hielscher-Ultraschallprozessoren mit Durchflusszellen.
Das allgemeine Fließschema des Verfahrens ist unten dargestellt.

Das Fließschema zeigt den Prozess der Algenkultivierung und Algenölproduktion mittels Ultraschallbehandlung. ©Algae Grow Lab

Beispiele für Photobioreaktoren von Algae Grow Lab sind unten dargestellt.
Der Einsatz von LED-Panels, die Licht im PAR-Bereich des Spektrums emittieren, ermöglicht eine maximale Wachstumsrate der Algen.
Beispielsweise erreichten wir nach der Inokulation mit Chlorella Vulgaris bei einer Anfangsdichte von 0,146 g/L innerhalb von 7 Tagen eine Dichte von 7,3g/L.

Aufschluss von Algenzellen mittels Ultraschall

Nach der Wachstumsphase sind die Algenzellen bereit für die Behandlung zur Ölgewinnung. Da der Zellinhalt durch eine aus Zellmembranen bestehende Struktur von der Umgebung getrennt ist, ist die Methode des Zellaufschlusses für die Freisetzung des gesamten intrazellulären Materials von entscheidender Bedeutung. Die Zellmembran verleiht der Zelle mechanische Festigkeit und bewahrt ihre Integrität. Die elastischen Eigenschaften der Zellmembran ermöglichen es den Zellen, schnellen Änderungen des osmotischen Drucks standzuhalten, die in ihrer äußeren Umgebung auftreten können.
Sowohl ultraschallgestützte als auch mikrowellengestützte Verfahren, die im Folgenden beschrieben werden, verbessern die Extraktion aus Mikroalgen erheblich: Sie bieten eine höhere Effizienz, kürzere Extraktionszeiten und höhere Ausbeuten sowie geringe bis moderate Kosten und eine vernachlässigbare zusätzliche Toxizität.
Sehr häufig ist die Extraktion der Zielprodukte aus Algen effektiver, wenn die Algenzellen vor der Extraktion aufgeschlossen werden. Manchmal führt jedoch bereits der Zellaufschluss zur Freisetzung des Zielprodukts, sodass zu dessen Gewinnung nur noch ein Trennverfahren erforderlich ist, beispielsweise bei der Extraktion von Lipiden aus Algen zur Herstellung von Biokraftstoffen.
Algae Grow Lab integriert ein Ultraschallsystem zum Zellaufschluss und zur Extraktion in seine Anlage, um einen hocheffizienten Prozess zu gewährleisten, der den intrazellulären Inhalt vollständig freisetzt und dadurch höhere Ausbeuten in kürzerer Zeit erzielt. Im Ultraschallreaktor erzeugen Ultraschallwellen Kavitation im flüssigen Medium, das die Algenzellen enthält. Die Kavitationsblasen wachsen während der wechselnden Unterdruckphasen der Ultraschallwelle, bis sie eine bestimmte Größe erreichen, bei der keine weitere Energie aufgenommen werden kann. Bei dieser maximalen Blasengröße kollabieren die Hohlräume während einer Kompressionsphase. Der Blasenkollaps erzeugt extreme Druck- und Temperaturunterschiede sowie Stoßwellen und starke Flüssigkeitsstrahlen. Diese extremen Kräfte schließen die Zellen auf und spülen deren Inhalt wirksam in das flüssige Medium aus, beispielsweise in Wasser oder Lösungsmittel.
Die Wirksamkeit des Ultraschallaufschlusses hängt stark von der Widerstandsfähigkeit und Elastizität der Zellwände ab, die zwischen den einzelnen Algenstämmen erheblich variieren. Deshalb wird die Effizienz des Zellaufschlusses maßgeblich von den Parametern der Ultraschallbehandlung beeinflusst: Die wichtigsten Parameter sind Amplitude, Druck, Konzentration und Viskosität sowie Temperatur. Diese Parameter müssen für jeden einzelnen Algenstamm optimiert werden, um eine optimale Verarbeitungseffizienz zu gewährleisten.
Einige Beispiele für den Zellaufschluss und die Desintegration verschiedener Algenstämme finden sich in den nachfolgend zitierten Artikeln:

• Dunnaliella salina und 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, Bd. 1433, Ausgabe 1, S. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, März 2013, Bd. 103, S. 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 Mai 2011, Schweden.
• Schizochytrium limacinum und 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, Bd. 125, S. 175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer und Roberto E. Armenta (2011): Developments in oil extraction from microalgae. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Verbesserung des Zellaufschlusses bei Scotiellopsis terrestris mittels Ultraschall und eines pektinabbauenden Enzyms. Naturstoffchemie.

Verfahren

Nach der Kultivierung wird der Algenbiomassestrom der Anlage zur Aufkonzentrierung zugeführt, um die Biomasse vom flüssigen Medium zu trennen. Das Konzentrat wird im Vorratstank gesammelt. Nach der Trennung müssen die Zellen aufgeschlossen werden, um das Öl und weiteres intrazelluläres Material freizusetzen. Dazu wird die konzentrierte Biomasse durch ein Ultraschallgerät von Hielscher gepumpt. Die Ultraschallanlage mit Rezirkulation gewährleistet, dass das Zellkonzentrat unter dem vorgegebenen Druck durch die Durchflusszelle von Hielscher zurück in den Sammeltank zirkuliert. Die Rezirkulation wird so lange fortgesetzt, wie es für den Zellaufschluss erforderlich ist. Sobald der Aufschlussprozess abgeschlossen ist, wird die Biomasse mit den aufgeschlossenen Zellen zur Produkttrennanlage gepumpt, in der das Produkt abschließend von den verbleibenden Zelltrümmern getrennt wird.

Anlage zum Aufschluss von Algenzellen mit einer Anlage zur Aufkonzentrierung und Abtrennung der Biomasse sowie dem 1,5 kW-Ultraschallprozessor UIP1500hd von Hielscher. ©Algae Grow Lab

Messung des prozentualen Anteils aufgeschlossener Zellen

Zur Bewertung der Effizienz des Algenzellaufschlusses verwendete Algae Grow Lab zwei verschiedene Methoden zur Messung des prozentualen Anteils aufgeschlossener Zellen:

1. Die erste Analysemethode basiert auf der Messung der Fluoreszenz von Chlorophyll A, B und A+B.
   Bei der Zentrifugation mit niedriger Drehzahl bilden Algenzellen und Zelltrümmer am Boden des Gefäßes ein Pellet, während Reste von frei schwebendem Chlorophyll im Überstand verbleiben. Anhand dieser physikalischen Eigenschaften der Zellen und des Chlorophylls lässt sich der prozentuale Anteil aufgeschlossener Zellen bestimmen. Dazu wird zunächst die gesamte Chlorophyllfluoreszenz einer Probe gemessen. Anschließend wird die Probe zentrifugiert. Danach wird die Chlorophyllfluoreszenz des Überstands gemessen. Aus dem prozentualen Verhältnis der Chlorophyllfluoreszenz im Überstand zur Chlorophyllfluoreszenz der Gesamtprobe lässt sich der Anteil aufgeschlossener Zellen abschätzen. Diese Messmethode ist recht genau, setzt jedoch voraus, dass die Anzahl der Chlorophyllmoleküle pro Zelle einheitlich ist. Die Extraktionen des Gesamtchlorophylls wurden mit Methanol durchgeführt.
2. Bei der zweiten Analysemethode wurde die klassische Hämozytometrie eingesetzt, um die Zelldichte in der geernteten Algenprobe zu messen. Das Verfahren wird in 2 Schritten durchgeführt:

• Zunächst wird die Zelldichte der geernteten Algenprobe vor der Ultraschallbehandlung gemessen.
• Anschließend wird die Anzahl der nicht aufgeschlossenen, verbliebenen Zellen nach der Ultraschallbehandlung derselben Probe gemessen.
  Anhand der Ergebnisse dieser beiden Messungen wird der prozentuale Anteil aufgeschlossener Zellen berechnet.

Abb. 1: Algen vor dem Zellaufschluss ©Algae Grow Lab

Abb. 2: Algenzellaufschluss: 50% Zellaufschluss nach 60 min. Ultraschallbehandlung. ©Algae Grow Lab

Abb. 3: Algenzellaufschluss: 100% Zellaufschluss nach 120 min. Ultraschallbehandlung. ©Algae Grow Lab