Algae Grow Lab – 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.

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

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

Destrucción de células de algas mediante sonicación

Tras la fase de crecimiento de las algas, sus células están listas para el tratamiento destinado a la producción de aceite. Dado que el contenido celular está separado del entorno por una estructura formada por membranas celulares, el método de ruptura celular resulta determinante para liberar la totalidad del material intracelular. La membrana celular proporciona resistencia mecánica a la célula y preserva su integridad. Las propiedades elásticas de la membrana celular permiten que las células soporten los cambios rápidos 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 considerablemente la extracción de microalgas, con una mayor eficiencia, tiempos de extracción más cortos y mayores rendimientos, así como costes bajos a moderados y una toxicidad añadida insignificante.
Con mucha frecuencia, la extracción de los productos de interés de las algas es más eficaz si las células se destruyen antes de la extracción. Sin embargo, en ocasiones la propia destrucción celular libera el producto de interés y solo es necesario un proceso de separación para obtenerlo (p. ej., la extracción de lípidos de algas para la producción de biocombustibles).
Algae grow lab integra en su instalación un sistema ultrasónico de ruptura celular y extracción para garantizar un proceso altamente eficiente que libere por completo el contenido intracelular y permita así obtener mayores rendimientos en menos tiempo. En el reactor ultrasónico, las ondas ultrasónicas generan cavitación en el medio líquido que contiene las células de las algas. Las burbujas de cavitación crecen durante las fases alternas de rarefacción de la onda ultrasónica hasta alcanzar un tamaño determinado, a partir del cual ya no pueden adsorber más energía. En este punto de crecimiento máximo, las cavidades colapsan durante una fase de compresión. El colapso de las burbujas genera condiciones extremas de diferencias de presión y temperatura, así como ondas de choque y potentes chorros de líquido. Estas fuerzas extremas no solo destruyen las células, sino que también arrastran eficazmente su contenido hacia el medio líquido (p. ej., agua o disolventes).
La eficacia de la destrucción ultrasónica depende en gran medida de la resistencia y la elasticidad de las paredes celulares, que varían considerablemente entre las distintas cepas de algas. Por este motivo, los parámetros del proceso de sonicación influyen decisivamente en la eficiencia de la destrucción celular: los parámetros más importantes son la amplitud, la presión, la concentración y la viscosidad, y la temperatura. Estos parámetros deben optimizarse para cada cepa de algas en particular a fin de garantizar una eficiencia de procesamiento óptima.
En los artículos citados a continuación pueden encontrarse algunos ejemplos de ruptura celular y desintegración 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.

Proceso

Tras el cultivo, la corriente de biomasa de algas se introduce en el equipo de concentración para separar la biomasa del medio líquido. El concentrado se acumula en el depósito de almacenamiento. Después de la separación, las células deben romperse para liberar el aceite y el resto del material intracelular. Por ello, la biomasa concentrada se bombea a través de un equipo ultrasónico Hielscher. La instalación de recirculación ultrasónica garantiza que el concentrado celular recircule a la presión especificada a través de la celda de flujo Hielscher y regrese al depósito de acumulación. La recirculación se mantiene durante el tiempo necesario para destruir las células. Una vez completado el proceso de destrucción, la biomasa con las células destruidas se bombea al equipo de separación del producto, donde se realiza la separación final del producto de los restos celulares.

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

Medición del porcentaje de células destruidas

Para evaluar la eficiencia de la ruptura de las algas, ALgae Grow Lab utilizó dos metodologías distintas 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 la centrifugación a baja velocidad, las células de las algas y los restos celulares forman un sedimento en el fondo del recipiente, mientras que los restos de clorofila libre permanecen en el sobrenadante. Estas características físicas de las células y la clorofila permiten determinar el porcentaje de células rotas. Para ello, primero se mide la fluorescencia total de la clorofila de una muestra. A continuación, se centrifuga la muestra. Después, se mide la fluorescencia de la clorofila del sobrenadante. Calculando el porcentaje que representa la fluorescencia de la clorofila del sobrenadante respecto a la de la muestra total, puede estimarse el porcentaje de células rotas. Esta forma de medición es bastante precisa, pero parte del supuesto de que la cantidad de clorofila por célula es uniforme. Las extracciones de clorofila total se realizaron con metanol.
2. Para el segundo método de análisis, se utilizó la hemocitometría clásica para medir la densidad celular de la muestra de algas recolectada. El procedimiento se realiza 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 sonicación de la misma muestra.
  A partir de los resultados de estas dos mediciones, se calcula el porcentaje de células destruidas.

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

Fig. 2: Ruptura de algas: 50% de ruptura celular tras 60 min. de sonicación. ©Algae Grow Lab

Fig. 3: Ruptura de algas: 100% de ruptura celular tras 120 min. de sonicación. ©Algae Grow Lab