Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

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 ultrasónica celular basado en procesadores ultrasónicos Hielscher equipados con células de flujo.
El diagrama de flujo general del proceso se muestra a continuación.

Algae Gro Lab desarrolló una configuración de proceso completa que incluye fotobiorreactor 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 ultrasonicación. © Algae Grow Lab

Ejemplos de fotobiorreactores de Algae Grow Lab se presentan a continuación.
El uso de paneles LED que emiten luz en la parte PAR del espectro permite alcanzar una tasa de crecimiento máxima de algas.
Por ejemplo, después de la inoculación de Chlorella Vulgaris con una densidad inicial de 0.146 g / L, logramos la densidad de 7.3 g / L en 7 días.

www.algaegrowlab.com

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

Destrucción de células de algas por ultrasonidos

Después del estadio de crecimiento de algas, las células de algas están maduras para el tratamiento de producción de petróleo. Como el contenido celular está separado del ambiente circundante por una estructura de membranas celulares comprendidas, el método de interrupción celular es significativo con respecto 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 resistir los rápidos cambios en la presión osmótica que pueden ocurrir en su entorno externo.
Tanto los métodos ecográficos como asistidos por microondas, que se describen a continuación, mejoran significativamente la extracción de microalgas, con una mayor eficacia, tiempos de extracción reducidos y mayores rendimientos, así como costes bajos a moderados y una toxicidad añadida insignificante.
Con mucha frecuencia, la extracción de los productos objetivo de las algas es más efectiva si las células de las algas se destruyen antes de la extracción. Pero a veces, la destrucción celular en sí misma conduce a la liberación del producto objetivo, y solo se necesita el proceso de separación para obtenerlo (por ejemplo, la extracción de lípidos de algas para la producción de biocombustibles).
Algae grow lab integra un sistema ultrasónico para la interrupción y extracción de células en su configuración para garantizar un proceso altamente eficiente que logre una liberación completa de 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 de rarefacción alterna de la onda ultrasónica hasta que alcanzan cierto tamaño, cuando no se puede adsorber más energía. En este punto máximo de crecimiento de burbujas, los huecos se colapsan durante una fase de compresión. El colapso de burbujas crea condiciones extremas de diferenciales de presión y temperatura, así como ondas de choque y chorros de líquido fuertes. Estas fuerzas extremas no solo destruyen las células, sino que también eliminan eficazmente sus contenidos en los medios líquidos (por ejemplo, agua o disolventes).
La eficacia de la destrucción ultrasónica depende en gran medida de la durabilidad y la elasticidad de las paredes celulares, que varía considerablemente entre las cepas de algas individuales. Esa es la razón por la cual la eficiencia 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 variedad particular de algas para garantizar la eficiencia de procesamiento óptima.
Algunos ejemplos de disrupción celular y desintegración de diferentes cepas de algas se pueden encontrar en los artículos citados a continuación:

  • Dunnaliella salina y Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K .; Joyce, EM; Mason, TJ (2012): disrupción ultrasónica de las células de algas. Actas de la Conferencia de AIP; 24/05/2012, vol. 1433 Issue 1, p. 237.
  • Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): evaluación y comparación de los métodos de disrupción de las células de algas: tratamiento de microondas, baño de agua, licuadora, ultrasónico y 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 mono-digestión de la biomasa de algas. Congreso Mundial de Energía Renovable 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 de mayo de 2011, Suecia.
  • Schizochytrium limacinum y Chlamydomonas reinhardtii: José Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluación de la disrupción de las células de microalgas por tratamiento ultrasónico. Bioresource Technology 2012, vol. 125, pp.175-81.
  • Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer y Roberto E. Armenta (2011): Desarrollos en la extracción de aceite de microalgas. Europeen Jornal de Lipid Science Technology, 2011.
  • Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Mejora de la disrupción celular para Scotiellopsis terrestris mediante ultrasonidos y una enzima descompuesta por pectina. Naturstoffchemie.
Cultivo de algas en un fotobiorreactor de 500L

Fotobiorreactor tubular 500L con paneles LED © Algae Grow Lab

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

Fotobiorreactor plano equipado con paneles LED © Algae Grow Lab

Proceso

Después del cultivo, la corriente de biomasa de algas se alimenta al dispositivo de concentración para separar la biomasa de los medios líquidos. El concentrado se acumula en el tanque de almacenamiento. Después de la separación, las células se deben romper para liberar el aceite y otro material intracelular. Por lo tanto, la biomasa concentrada se bombea a través de un dispositivo ultrasónico Hielscher. La configuración de recirculación ultrasónica garantiza la recirculación del concentrado celular bajo la presión dada a través de la celda de flujo Hielscher de vuelta al tanque de acumulación. La recirculación dura el tiempo requerido para destruir las células. Cuando se completa el proceso de destrucción, la biomasa con las células destruidas bombea hacia el dispositivo de separación del producto, donde se produce la separación final del producto de los residuos restantes.

La ultrasonicación potente es el método eficiente para la rotura de células de algas. Hielscher's UIP1500hd es un homogenizador ultrasónico de 1500 vatios que se puede integrar fácilmente para completar las aplicaciones más exigentes.

Unidad de destrucción de células de algas con dispositivo de concentración / separación de biomasa y procesador ultrasónico de 1.5 kW Hielscher UIP1500hd. © Algae Grow Lab

Medición del porcentaje de células destruidas

Para la evaluación de la eficacia de la rotura de 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 clorofila A, B y A + B.
    Durante la centrifugación de centrifugado lento, las células de algas y los desechos se sedimentarán en el fondo del recipiente, pero los restos de clorofila flotante libre permanecerán en el sobrenadante. Usando estas características físicas de la célula y la clorofila, se puede determinar el porcentaje de las células rotas. Esto se logra midiendo en primer lugar la fluorescencia total de clorofila de una muestra. Luego, la muestra se centrifuga. Después, se mide la fluorescencia de la clorofila del sobrenadante. Al tomar el porcentaje de fluorescencia de clorofila en el sobrenadante 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 supone que la cantidad de clorofila por célula es uniforme. Las extracciones totales de clorofila se realizaron con metanol.
  2. Para el segundo método de análisis, la hemocitometría clásica se ha utilizado para medir la densidad celular en la muestra de algas recolectadas. El procedimiento se lleva a cabo en 2 pasos:
  • En primer lugar, se mide la densidad celular de la muestra de algas recolectadas antes del tratamiento con ultrasonidos.
  • En segundo lugar, se mide el número de células no destruidas (restantes) después de la sonificación de la misma muestra.
    En base a los resultados de estas dos mediciones, se calcula el porcentaje de células destruidas.
La imagen muestra el concentrado de algas antes de la interrupción celular mediante ultrasonidos de potencia (Hielscher UIP1500hd). © Algae Grow Lab

Pic.1: Algas antes de la destrucción © Algae Grow Lab

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

Imagen 2: alteración de las algas: 50% de disrupción celular después de 60 min. sonicación. © Algae Grow Lab

Imagen microscópica de células de algas interrumpidas y desintegradas ultrasónicamente. © Algae Grow Lab

Pic 3: Alteración de las algas: 100% de disrupción celular después de 120 min. sonicación. © Algae Grow Lab

Algae Grow Lab ha desarrollado una unidad de destrucción ultrasónica que integra el equipo ultrasónico de Hielscher para la interrupción 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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