Algae Grow Lab – Ultraschall-Algenextraktion

Algenzucht

Algae Grow Lab hat eine Reihe von röhrenförmigen und flachen Photobioreaktoren für die Algenzucht sowie einen Zellaufschlußprozess entwickelt. Für den Algenaufschluß werden Hielscher Ultraschallreaktoren mit Ultraschalldurchflusszellen integriert.
Das Flussdiagramm des Prozesses ist unten abgebildet.

Das Flussdiagramm zeigt den Prozess der Algenzucht und der ultraschall-gestützten Ölgewinnung aus Algen. ©Algae Grow Lab

Beispiele für Algae Grow Lab's Photobioreaktoren werden unten vorgestellt.
Mit Hilfe der LED-Panels, die Licht in die PAR-Teil des Spektrums emittieren, wird eine maximale Algenwachstumsrate erzielt.
So wird beispielsweise nach der Inokulation der Chlorella Vulgaris Algen mit der ursprünglichen Dichte 0,146 g/l innerhalb von 7 Tagen die Dichte von 7,3 g/l erreicht.

Algenzellaufschluß durch Hochleistungs-Ultraschall

Nach dem Wachstumsstadium sind die Algenzellen reif für den Prozess der Ölextraktion. Da der Zellinhalt durch die Zellmembran vom Umgebungsmedium getrennt ist, ist die Methode der Zelldesintegration ausschlaggebend für eine vollständige Freigabe des intrazellulären Materials. Der Zellmembran verleiht der Zelle Stabilität und Festigkeit und dient somit ihrem Schutz. Die elastischen Eigenschaften der Zellmembran ermöglichen es der Zelle, dem plötzlichen Anstieg und Abfall des osmotischen Druckes, welche durch externe Bedingungen auftreten können, Stand zu halten.
Ultraschall- und mikrowellen-gestützte Verfahren, wie sie nachfolgend beschrieben werden, verbessern die Extraktion von Mikroalgen deutlich und resultieren in einem höheren Wirkungsgrad, geringerer Extraktionsdauer und Ertragssteigerungen, sowie niedrigen Kosten sowie kaum hizugefügte Toxizität (wichtig bei der Produktion von Öl für Pharmaka, Nutraceuticals und Kosmetika).
Normalerweise ist die Gewinnung von Algenöl und anderem intrazellulärem Material aus Algen effektiver, wenn die Algenzellen vor der Extraktion zerstört werden. Manchmal ist sogar nur ein Zellaufschluß notwendig, der gleichzeitig die Abgabe des Zielproduktes mit sich bringt, so dass nur noch ein Trennverfahren (z.B. bei der Extraktion von Lipiden aus Algen für die Biokraftstofferzeugung) erforderlich ist.
Algae Grow Gab hat ein Ultraschallsystem für den Zellaufschluss und die Extraktion in ihr Setup integriert, um ein hoch-effizientes Verfahren zu gewährleisten, bei dem die vollständige Abgabe des intrazellulären Inhalts und damit eine höhere Ausbeute in kürzerer Zeit erreicht wird. Im Ultraschallreaktor generieren Ultraschallwellen Kavitation im flüssigen Medium, welches die Algenzellen enthält. Dabei entstehen und wachsen Kavitationsblasen während der alternierenden Rarefaktionsphasen der Ultraschallwelle solange bis sie eine bestimmte Größe erreichen, mit der sie keine weitere Energie absorbieren können. Ist diese maximale Punkt des Blasenwachstums erreicht, implodieren die Kavitationsblasen während einer Kompressionsphase. Die Blasenimplosion führt zu extremen Druck- und Temperaturunterschieden sowie zu Schockwellen und starken Flüssigkeitsjets. Diese extremen Kräfte zerstören nicht nur die Zellmembran, sondern spült den Zellinhalt in das umgebende Medium (z.B. Wasser oder Lösungsmittel).
Die Wirksamkeit der Ultraschall-Zelldesintegration ist von der Festigkeit und Elastizität der Zellwände abhängig, welche zwischen den einzelnen Algenstämmen erheblich variieren. Das ist der Grund, weshalb die Effizienz der Zelldesintegration und Extraktion stark von den Parametern des Beschallungsprozesses abhängt: die wichtigsten Parameter sind Amplitude, Druck, Konzentration & Viskosität und Temperatur. Diese Parameter müssen unter Berücksichtigung der Zelleigenschaften jedes einzelnen Algenstamm optimiert werden, um eine optimale Verarbeitungseffektivität und -effizienz zu gewährleisten.
Die Parameter des Zellaufschlusses und der Desintegration wurden bereits für einige Algenstämme untersucht. Weiterführende Informationen können den unten stehenden Forschungsberichten entnommen werden:

• Dunnaliella salina and 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): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 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, Schweden.
• Schizochytrium limacinum and 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 and 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: Improvement of cell disruption for Scotiellopsis terrestris by means of ultrasound and a pectin decomposed enzyme. Naturstoffchemie.

Prozess

Nach der Kultivierung wird die Algen-Biomasse konzentriert, um die Biomasse von der restlichen Flüssigkeit zu trennen. Anschließend wird das Algenkonzentrat wird in einem Vorratstank gesammelt. Nach der Abtrennung von der Flüssigkeit müssen die Zellen aufgeschloßen werden, um das Öl und weiteres intrazelluläres Material zu extrahieren. Dazu wird die konzentrierte Biomasse durch den Ultraschallreaktor eines Hielscher Ultraschallprozessors gepumpt. Das Ultraschallrezirkulations-Setup wird die Rückführung des Zellkonzentrats unter dem gegebenen Druck durch die Hielscher-Durchflusszelle zurück in einen Speichertank sichergestellt. Die Rezirkulation durch den Ultraschallreaktor wird solange wiederholt bis die Algenzellen vollständig aufgeschlossen sind und die Algenbiomasse desintegriert ist. Nach vollständiger Ultraschallextraktion werden die extrahierten Lipide während eines Separationsschrittes von der Biomasse abgetrennt, um so das Endprodukt zu erhalten.

Equipment für den Algenzellaufschluss mit einem Hielscher 1,5 kW-Ultraschall-Prozessor UIP1500hd und Konzentrations-/ Separationsstufe. ©Algae Grow Lab

Angewandte Messmethoden zur Auswertung der Extraktion

Um die Effizienz der Algenzellaufschlusses zu messen und zu bewerten, verwendet Algae Grow Lab zwei verschiedene Methoden, um den Prozentsatz der lysierten Zellen zu evaluieren:

1. Die erste Analysemethode basiert auf der Messung von Chlorophyll A, B und A B Fluoreszenz.
   Während einer Slow-Spin-Zentrifugation werden die Algenzellen und dieZelltrümmer als Pellet am Gefäßboden separiert, so dass nur noch Reste frei schwebenden Chlorophylls im Überstand verbleiben. Für die Messung werden die physikalischen Eigenschaften der Zellen und Chlorophylls herangezogen, anhand deren der Prozentsatz der Zelllyse festgestellt wird. Dafür wird zunächst die totale Chlorophyll-Fluoreszenz der Probe gemessen. Anschließend wird die Probe erneut zentrifugiert und die Chlorophyll-Fluoreszenz des Überstands gemessen. Durch den Vergleich der Prozentwerte der Chlorophyll-Fluoreszenz im Überstand und der Chlorophyll-Fluoreszenz der Gesamtprobe kann der Prozentsatz des Zellaufschlusses kalkuliert werden. Diese Messmethode ist relativ genau; allerdings basiert sie auf der Annahme, dass der Chlorophyllgehalt der Zellen einheitlich ist. Alle Total-Chlorophyllextraktionen wurden mit Methanol durchgeführt.
2. Für die zweite Analysemethode wurde die klassische Hemocytometrie angewendet, bei welcher die Zelldichte in der geernteten Algenprobe gemessen wird. Diese Messprozedur erfolgt in 2 Schritten:

• Zuerst wird die Zelldichte einer Algenprobe gemessen, welche vor der Ultraschallbehandlung geerntet wurde.
• Nach der Beschallung wird eine Probe entnommen, um in einer zweiten Messung die Anzahl der Zellen zu bestimmen, welche während der Ultraschallbehandlung nicht aufgeschlossen wurden.
  Auf Grundlage der Ergebnisse dieser beiden Messungen wird der Prozentsatz des Zellsufschlusses berechnet.

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

Abb. 2: Algenaufschluss: 50 % Zellaufschluss nach 60 Min. Beschallung. ©Algae Grow Lab

Abb. 3: Algenaufschluss: 100 % Zellaufschluss nach 120 Min. Beschallung. ©Algae Grow Lab