Algae Grow Lab – Εκχύλιση φυκών με υπερήχους

Καλλιέργεια φυκών

Η Algae Grow Lab ανέπτυξε μια σειρά σωληνωτών και επίπεδων φωτοβιοαντιδραστήρων για την καλλιέργεια φυκών, καθώς και μια διεργασία καταστροφής κυττάρων με υπερήχους, βασισμένη σε επεξεργαστές υπερήχων Hielscher εξοπλισμένους με κυψελίδες ροής.
Το γενικό διάγραμμα ροής της διεργασίας παρουσιάζεται παρακάτω.

Το διάγραμμα ροής παρουσιάζει τη διεργασία καλλιέργειας φυκών και παραγωγής ελαίου φυκών με κατεργασία με υπερήχους. ©Algae Grow Lab

Παρακάτω παρουσιάζονται παραδείγματα φωτοβιοαντιδραστήρων της Algae Grow Lab.
Η χρήση πάνελ LED που εκπέμπουν φως στην περιοχή PAR του φάσματος επιτρέπει την επίτευξη μέγιστου ρυθμού ανάπτυξης των φυκών.
Για παράδειγμα, μετά τον εμβολιασμό με Chlorella Vulgaris σε αρχική πυκνότητα 0,146 g/L, επιτύχαμε πυκνότητα 7,3g/L σε 7 ημέρες.

Καταστροφή κυττάρων φυκών με κατεργασία με υπερήχους

Μετά το στάδιο ανάπτυξης των φυκών, τα κύτταρά τους είναι ώριμα για την κατεργασία παραγωγής ελαίου. Καθώς το περιεχόμενο των κυττάρων διαχωρίζεται από το περιβάλλον μέσω μιας δομής που αποτελείται από κυτταρικές μεμβράνες, η μέθοδος κυτταρικής διάρρηξης έχει σημαντικό ρόλο στην απελευθέρωση ολόκληρου του ενδοκυτταρικού υλικού. Η κυτταρική μεμβράνη παρέχει μηχανική αντοχή στο κύτταρο και διατηρεί την ακεραιότητά του. Οι ελαστικές ιδιότητες της κυτταρικής μεμβράνης επιτρέπουν στα κύτταρα να αντέχουν τις απότομες μεταβολές της οσμωτικής πίεσης που ενδέχεται να εμφανιστούν στο εξωτερικό τους περιβάλλον.
Τόσο οι μέθοδοι με υπερήχους όσο και οι μέθοδοι με υποβοήθηση μικροκυμάτων, οι οποίες περιγράφονται παρακάτω, βελτιώνουν σημαντικά την εκχύλιση μικροφυκών, με υψηλότερη αποδοτικότητα, μειωμένους χρόνους εκχύλισης και αυξημένες αποδόσεις, καθώς και χαμηλό έως μέτριο κόστος και αμελητέα πρόσθετη τοξικότητα.
Πολύ συχνά η εκχύλιση των επιθυμητών προϊόντων από τα φύκη είναι αποτελεσματικότερη εάν τα κύτταρα των φυκών καταστραφούν πριν από την εκχύλιση. Μερικές φορές, όμως, η ίδια η καταστροφή των κυττάρων οδηγεί στην απελευθέρωση του επιθυμητού προϊόντος και απαιτείται μόνο η διεργασία διαχωρισμού για την παραλαβή του (π.χ. η εκχύλιση λιπιδίων από φύκη για την παραγωγή βιοκαυσίμων).
Η Algae grow lab ενσωματώνει στην εγκατάστασή της ένα σύστημα υπερήχων για κυτταρική διάρρηξη και εκχύλιση, ώστε να διασφαλίσει μια ιδιαίτερα αποδοτική διεργασία που επιτυγχάνει πλήρη απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού περιεχομένου και, συνεπώς, υψηλότερες αποδόσεις σε συντομότερο χρόνο. Στον αντιδραστήρα υπερήχων, τα υπερηχητικά κύματα δημιουργούν σπηλαίωση στο υγρό μέσο που περιέχει τα κύτταρα των φυκών. Οι φυσαλίδες σπηλαίωσης αναπτύσσονται κατά τις εναλλασσόμενες φάσεις αραίωσης του υπερηχητικού κύματος, μέχρι να φτάσουν σε ένα ορισμένο μέγεθος, οπότε δεν μπορεί να προσροφηθεί περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο μέγιστης ανάπτυξης των φυσαλίδων, οι κοιλότητες καταρρέουν κατά τη διάρκεια μιας φάσης συμπίεσης. Η κατάρρευση των φυσαλίδων δημιουργεί ακραίες συνθήκες διαφορών πίεσης και θερμοκρασίας, καθώς και κρουστικά κύματα και ισχυρούς πίδακες υγρού. Αυτές οι ακραίες δυνάμεις όχι μόνο καταστρέφουν τα κύτταρα, αλλά και εκπλένουν αποτελεσματικά το περιεχόμενό τους στο υγρό μέσο (π.χ. νερό ή διαλύτες).
Η αποτελεσματικότητα της καταστροφής με υπερήχους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ανθεκτικότητα και την ελαστικότητα των κυτταρικών τοιχωμάτων, οι οποίες διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των επιμέρους στελεχών φυκών. Για τον λόγο αυτό, η αποδοτικότητα της καταστροφής των κυττάρων επηρεάζεται έντονα από τις παραμέτρους της διεργασίας κατεργασίας με υπερήχους: Οι σημαντικότερες παράμετροι είναι το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση, η συγκέντρωση και το ιξώδες, καθώς και η θερμοκρασία. Αυτές οι παράμετροι πρέπει να βελτιστοποιούνται για κάθε συγκεκριμένο στέλεχος φυκών, ώστε να διασφαλίζεται η βέλτιστη αποδοτικότητα της κατεργασίας.
Ορισμένα παραδείγματα κυτταρικής διάρρηξης και αποσύνθεσης διαφορετικών στελεχών φυκών μπορούν να βρεθούν στα άρθρα που παρατίθενται παρακάτω:

• Dunnaliella salina και Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Διάρρηξη κυττάρων φυκών με υπερήχους. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, τόμ. 1433, τεύχος 1, σ. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Αξιολόγηση και σύγκριση μεθόδων κυτταρικής διάρρηξης φυκών: Κατεργασία με μικροκύματα, υδατόλουτρο, αναμείκτη, υπερήχους και λέιζερ. Applied Energy, March 2013, τόμ. 103, σελίδες 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Επίδραση διαφορετικών τεχνικών κυτταρικής διάρρηξης στη μονοχώνευση βιομάζας φυκών. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Σουηδία.
• Schizochytrium limacinum και Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Αξιολόγηση της κυτταρικής διάρρηξης μικροφυκών με κατεργασία με υπερήχους. Bioresource Technology 2012, τόμ. 125, σσ.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer και Roberto E. Armenta (2011): Εξελίξεις στην εκχύλιση ελαίου από μικροφύκη. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Βελτίωση της κυτταρικής διαταραχής για Scotiellopsis terrestris μέσω υπερήχων και ενός ενζύμου πηκτίνης που αποσυντίθεται. Naturstoffchemie.

Διεργασία

Μετά την καλλιέργεια, το ρεύμα βιομάζας φυκών τροφοδοτείται στη διάταξη συμπύκνωσης για τον διαχωρισμό της βιομάζας από το υγρό μέσο. Το συμπύκνωμα συγκεντρώνεται στη δεξαμενή αποθήκευσης. Μετά τον διαχωρισμό, τα κύτταρα πρέπει να υποστούν διάρρηξη για να απελευθερωθούν το έλαιο και το υπόλοιπο ενδοκυτταρικό υλικό. Για τον σκοπό αυτό, η συμπυκνωμένη βιομάζα αντλείται μέσα από μια συσκευή υπερήχων Hielscher. Η εγκατάσταση ανακυκλοφορίας με υπερήχους διασφαλίζει την ανακυκλοφορία του κυτταρικού συμπυκνώματος υπό τη δεδομένη πίεση, μέσω της κυψελίδας ροής Hielscher, πίσω στη δεξαμενή συγκέντρωσης. Η ανακυκλοφορία διαρκεί όσο χρόνο απαιτείται για την καταστροφή των κυττάρων. Όταν ολοκληρωθεί η διεργασία καταστροφής, η βιομάζα με τα κατεστραμμένα κύτταρα αντλείται στη διάταξη διαχωρισμού του προϊόντος, όπου πραγματοποιείται ο τελικός διαχωρισμός του προϊόντος από τα εναπομείναντα υπολείμματα.

Μονάδα καταστροφής κυττάρων φυκών με διάταξη συμπύκνωσης/ διαχωρισμού βιομάζας και επεξεργαστή υπερήχων UIP1500hd της Hielscher, ισχύος 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Μέτρηση του ποσοστού κατεστραμμένων κυττάρων

Για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας της διάρρηξης των φυκών, η ALgae Grow Lab χρησιμοποίησε δύο διαφορετικές μεθοδολογίες για τη μέτρηση του ποσοστού κατεστραμμένων κυττάρων:

1. Η πρώτη μέθοδος ανάλυσης βασίζεται στη μέτρηση του φθορισμού της χλωροφύλλης A, B και A+B.
   Κατά τη φυγοκέντρηση σε χαμηλές στροφές, τα κύτταρα των φυκών και τα υπολείμματα σχηματίζουν ίζημα στον πυθμένα του δοχείου, ενώ υπολείμματα ελεύθερα αιωρούμενης χλωροφύλλης παραμένουν στο υπερκείμενο υγρό. Χρησιμοποιώντας αυτά τα φυσικά χαρακτηριστικά του κυττάρου και της χλωροφύλλης, μπορεί να προσδιοριστεί το ποσοστό των κυττάρων που έχουν υποστεί διάρρηξη. Αυτό επιτυγχάνεται μετρώντας πρώτα τον συνολικό φθορισμό χλωροφύλλης ενός δείγματος. Στη συνέχεια, το δείγμα φυγοκεντρείται. Έπειτα, μετράται ο φθορισμός χλωροφύλλης του υπερκείμενου υγρού. Υπολογίζοντας τον φθορισμό χλωροφύλλης στο υπερκείμενο υγρό ως ποσοστό του φθορισμού χλωροφύλλης του συνολικού δείγματος, μπορεί να εκτιμηθεί το ποσοστό των κυττάρων που έχουν υποστεί διάρρηξη. Αυτή η μορφή μέτρησης είναι αρκετά ακριβής, αλλά βασίζεται στην παραδοχή ότι η ποσότητα χλωροφύλλης ανά κύτταρο είναι ομοιόμορφη. Οι εκχυλίσεις ολικής χλωροφύλλης πραγματοποιήθηκαν με χρήση μεθανόλης.
2. Για τη δεύτερη μέθοδο ανάλυσης, χρησιμοποιήθηκε η κλασική αιμοκυτταρομετρία για τη μέτρηση της κυτταρικής πυκνότητας στο δείγμα φυκών που συλλέχθηκε. Η διαδικασία πραγματοποιείται σε 2 βήματα:

• Αρχικά, μετράται η κυτταρική πυκνότητα του δείγματος φυκών που συλλέχθηκε, πριν από την κατεργασία με υπερήχους.
• Στη συνέχεια, μετράται ο αριθμός των μη κατεστραμμένων (εναπομεινάντων) κυττάρων μετά την κατεργασία του ίδιου δείγματος με υπερήχους.
  Με βάση τα αποτελέσματα αυτών των δύο μετρήσεων, υπολογίζεται το ποσοστό των κατεστραμμένων κυττάρων.

Εικ.1: Φύκη πριν από την καταστροφή ©Algae Grow Lab

Εικ. 2: Διάρρηξη φυκών: 50% κυτταρική διάρρηξη μετά από 60 min. κατεργασίας με υπερήχους. ©Algae Grow Lab

Εικ. 3: Διάρρηξη φυκών: 100% κυτταρική διάρρηξη μετά από 120 min. κατεργασίας με υπερήχους. ©Algae Grow Lab