Laboratorio de crecimiento de algas – Extracción ultrasónica de algas

cultivo de algas

Algae Grow Lab desarrolló una serie de fotobiorreactores tubulares y planos para el cultivo de algas, así como un proceso de destrucción celular por ultrasonidos basado en procesadores ultrasónicos Hielscher equipados con celdas de flujo.
A continuación se muestra el diagrama de flujo general del proceso.

Algae Gro Lab ha desarrollado un proceso completo que incluye un fotorreactor para el cultivo de algas y el procesamiento posterior para obtener aceite de algas.

El diagrama de flujo muestra el proceso de cultivo de algas y producción de aceite de algas mediante ultrasonidos. ©Algae Grow Lab

A continuación se presentan ejemplos de fotobiorreactores Algae Grow Lab.
El uso de paneles LED que emiten luz en la parte PAR del espectro permite alcanzar una tasa de crecimiento máxima de las algas.
Por ejemplo, tras la inoculación de Chlorella Vulgaris con la densidad inicial de 0,146 g/L alcanzamos la densidad de 7,3g/L en 7 días.

www.algaegrowlab.com

Algae Grow Lab suministra fotobiorreactores y equipos para la producción de aceite de algas.

Destrucción de células de algas por ultrasonidos

Tras el estadio de crecimiento de las algas, la célula de algas está madura para el tratamiento de producción de aceite. Como el contenido celular está separado del medio circundante por una estructura de membranas celulares compuestas, el método de disrupción celular es significativo en cuanto a la liberación del material intracelular completo. La membrana celular proporciona resistencia mecánica a la célula y preserva su integridad. Las propiedades elásticas de la membrana celular permiten a las células soportar los rápidos cambios de presión osmótica que pueden producirse en su entorno externo.
Tanto los métodos asistidos por ultrasonidos como los asistidos por microondas, que se describen a continuación, mejoran notablemente la extracción de microalgas, con mayor eficacia, tiempos de extracción reducidos y mayores rendimientos, así como costes de bajos a moderados y una toxicidad añadida insignificante.
Muy a menudo, la extracción de los productos objetivo de las algas es más eficaz si las células de las algas se destruyen antes de la extracción. Pero a veces, la propia destrucción de las células conduce a la liberación del producto objetivo, y sólo es necesario el proceso de separación para obtenerlo (por ejemplo, la extracción de lípidos de las algas para la producción de biocombustibles).
Algae grow lab integra un sistema de ultrasonidos para la disrupción y extracción de células en su configuración para garantizar un proceso altamente eficiente logrando una liberación completa del contenido intracelular y por lo tanto mayores rendimientos en menos tiempo. En el reactor ultrasónico, las ondas ultrasónicas crean cavitación en el medio líquido que contiene las células de algas. Las burbujas de cavitación crecen durante las fases alternas de rarefacción de la onda ultrasónica hasta que alcanzan cierto tamaño, cuando ya no se puede adsorber más energía. En este punto máximo de crecimiento de las burbujas, los vacíos se colapsan durante una fase de compresión. El colapso de las burbujas crea condiciones extremas de diferenciales de presión y temperatura, así como ondas de choque y fuertes chorros de líquido. Estas fuerzas extremas no sólo destruyen las células, sino que también lavan eficazmente su contenido en el medio líquido (por ejemplo, agua o disolventes).
La eficacia de la destrucción por ultrasonidos depende en gran medida de la durabilidad y elasticidad de las paredes celulares, que varía considerablemente entre las distintas cepas de algas. Esta es la razón por la que la eficacia de la destrucción celular está muy influenciada por los parámetros del proceso de sonificación: Los parámetros más importantes son la amplitud, la presión, la concentración & viscosidad y temperatura. Estos parámetros deben optimizarse para cada cepa concreta de algas con el fin de garantizar una eficacia óptima del procesado.
En los artículos que se citan a continuación se pueden encontrar algunos ejemplos de disgregación y desintegración celular de distintas cepas de algas:

  • Dunnaliella salina y Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Disrupción ultrasónica de células de algas. 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): Evaluación y comparación de métodos de disrupción celular de algas: Microondas, baño de agua, batidora, ultrasonidos y tratamiento con láser. Applied Energy, marzo de 2013, vol. 103, páginas 128-134.
  • Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influencia de diferentes técnicas de disrupción celular en la monodigestión de biomasa algal. Congreso Mundial de Energías Renovables 2011, Tecnologías de la Bioenergía, 8-12 de mayo de 2011, Suecia.
  • Schizochytrium limacinum y Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluación de la disrupción celular de microalgas mediante tratamiento ultrasónico. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
  • Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer y 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: Mejora de la disrupción celular de Scotiellopsis terrestris mediante ultrasonidos y una enzima descomponedora de pectina. Naturstoffchemie.
Cultivo de algas en un fotobiorreactor de 500 litros

Fotobiorreactor tubular de 500L con paneles LED ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab suministra fotobiorreactores de distintos diseños para el cultivo de algas.

Fotobiorreactor plano equipado con paneles LED ©Algae Grow Lab

Proceso

Tras el cultivo, el flujo de biomasa de algas se introduce en el dispositivo de concentración para separar la biomasa del medio líquido. El concentrado se acumula en el tanque de almacenamiento. Tras la separación, las células deben desintegrarse para liberar el aceite y otros materiales intracelulares. Por ello, la biomasa concentrada se bombea a través de un dispositivo de ultrasonidos Hielscher. La instalación de recirculación ultrasónica asegura la recirculación del concentrado celular bajo la presión dada a través de la célula de flujo Hielscher de vuelta al tanque de acumulación. La recirculación dura el tiempo necesario para destruir las células. Una vez finalizado el proceso de destrucción, la biomasa con las células destruidas se bombea al dispositivo de separación del producto, donde se produce la separación final del producto de los restos restantes.

La potente ultrasonicación es el método eficaz para romper las células de las algas. El UIP1500hd de Hielscher es un homogeneizador ultrasónico de 1500 vatios que puede integrarse fácilmente para satisfacer aplicaciones exigentes.

Unidad de destrucción de células de algas con dispositivo de concentración/separación de biomasa y procesador ultrasónico UIP1500hd de 1,5 kW de Hielscher ©Algae Grow Lab

Medición del porcentaje de células destruidas

Para la evaluación de la eficacia de la rotura de las algas, ALgae Grow Lab utilizó dos metodologías diferentes para medir el porcentaje de células destruidas:

  1. El primer método de análisis se basa en la medición de la fluorescencia de la clorofila A, B y A+B.
    Durante el centrifugado lento, las células y los restos de algas se precipitarán en el fondo del recipiente, pero en el sobrenadante quedarán restos de clorofila flotando libremente. Utilizando estas características físicas de la célula y la clorofila, se puede determinar el porcentaje de células rotas. Esto se consigue midiendo en primer lugar la fluorescencia total de clorofila de una muestra. A continuación, se centrifuga la muestra. A continuación, se mide la fluorescencia de clorofila del sobrenadante. Tomando el porcentaje de fluorescencia de clorofila en el sobrenadante respecto a la fluorescencia de clorofila de la muestra total, se puede hacer una estimación del porcentaje de células rotas. Esta forma de medición es bastante precisa, pero presupone que el número de clorofilas por célula es uniforme. Las extracciones de clorofila total se realizaron con metanol.
  2. Para el segundo método de análisis, se ha utilizado la hemocitometría clásica para medir la densidad celular en la muestra de algas recolectada. El procedimiento se lleva a cabo en 2 pasos:
  • En primer lugar, se mide la densidad celular de la muestra de algas recolectada antes del tratamiento con ultrasonidos.
  • En segundo lugar, se mide el número de células no destruidas (restantes) tras la sonificación de la misma muestra.
    A partir de los resultados de estas dos mediciones, se calcula el porcentaje de células destruidas.
La imagen muestra el concentrado de algas antes de la disrupción celular mediante ultrasonidos de potencia (Hielscher UIP1500hd) ©Algae Grow Lab

Foto 1: Algas antes de su destrucción ©Algae Grow Lab

La imagen microscópica muestra el concentrado de algas tras 60 minutos de sonicación. El 50% de las células de algas ya están rotas.

Foto 2: Disrupción de algas: 50% de disrupción celular tras 60 min. de sonicación. ©Algae Grow Lab

Imagen microscópica de células de algas rotas y desintegradas por ultrasonidos. ©Algae Grow Lab

Foto 3: Disrupción de algas: 100% de disrupción celular tras 120 min. de sonicación. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab ha desarrollado una unidad de destrucción por ultrasonidos que integra el equipo de ultrasonidos de Hielscher para la disrupción celular (¡Haga clic para ampliar!)

Diagrama de flujo de la unidad de cultivo y procesamiento de algas de Algae Grow Lab. ©Algae Grow Lab

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