Algae Grow Lab – ultraheli lainete abil teostatav vetikate ekstraheerimine

Vetikate kasvatamine

Algae Grow Lab töötas välja rea torujaid ja lamedaid fotobioreaktoreid vetikate kasvatamiseks ning rakkude ultraheli abil hävitamise protsessi, mis põhineb läbivoolukambritega varustatud Hielscheri ultraheli protsessoritel.
Protsessi üldine vooskeem on näidatud allpool.

Vooskeem kujutab vetikate kasvatamise ja vetikaõli tootmise protsessi ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutades. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab fotobioreaktorite näiteid on esitatud allpool.
PAR-spektriosas valgust kiirgavate LED-paneelide kasutamine võimaldab saavutada vetikate maksimaalse kasvukiiruse.
Näiteks saavutasime pärast Chlorella Vulgaris’e inokuleerimist algtihedusega 0,146 g/L tiheduse 7,3g/L 7 päevaga.

Vetikarakkude hävitamine ultraheli abil

Pärast vetikate kasvufaasi on vetikarakud õlitootmiseks vajalikuks töötluseks valmis. Kuna rakusisu on ümbritsevast keskkonnast eraldatud rakumembraanidest koosneva struktuuriga, on rakkude lõhkumise meetod oluline kogu rakusisese materjali vabastamise seisukohalt. Rakumembraan annab rakule mehaanilise tugevuse ja säilitab selle terviklikkuse. Rakumembraani elastsed omadused võimaldavad rakkudel taluda osmootse rõhu kiireid muutusi, mis võivad tekkida nende välisümbruses.
Nii ultraheli- kui ka mikrolaineabiga meetodid, mida allpool kirjeldatakse, parandavad mikrovetikate ekstraheerimist oluliselt: need tagavad suurema tõhususe, lühemad ekstraheerimisajad ja suuremad saagised ning madalad kuni mõõdukad kulud ja tähtsusetu lisatoksilisuse.
Sageli on sihtproduktide ekstraheerimine vetikatest tõhusam, kui vetikarakud hävitatakse enne ekstraheerimist. Mõnikord aga viib rakkude hävitamine ise sihtprodukti vabanemiseni ja selle kättesaamiseks on vaja ainult eraldusprotsessi (nt lipiidide ekstraheerimine vetikatest biokütuse tootmiseks).
Algae grow lab integreerib oma süsteemi ultraheli süsteemi rakkude lõhkumiseks ja ekstraheerimiseks, et tagada väga tõhus protsess, mis saavutab rakusisese sisu täieliku vabanemise ja seeläbi suuremad saagised lühema ajaga. Ultraheli reaktoris tekitavad ultraheli lained kavitatsiooni vetikarakke sisaldavas vedelas keskkonnas. Kavitatsioonimullid kasvavad ultraheli laine vahelduvate hõrenemisfaaside ajal, kuni saavutavad teatud suuruse, mil enam energiat adsorbeerida ei saa. Mullide kasvu selles maksimaalses punktis kollabeeruvad õõnsused survefaasi ajal. Mulli kollaps tekitab äärmuslikud tingimused: rõhu- ja temperatuuride erinevused, samuti lööklained ja tugevad vedelikujoad. Need äärmuslikud jõud mitte ainult ei hävita rakke, vaid uhuvad nende sisu tõhusalt välja ka vedelasse keskkonda (nt vette või lahustitesse).
Ultraheli abil hävitamise tõhusus sõltub tugevalt rakuseinte vastupidavusest ja elastsusest, mis varieeruvad üksikute vetikatüvede vahel märkimisväärselt. Seetõttu mõjutavad rakkude hävitamise tõhusust suuresti sonikeerimisprotsessi parameetrid: kõige olulisemad parameetrid on amplituud, rõhk, kontsentratsioon ja viskoossus ning temperatuur. Need parameetrid tuleb optimeerida iga konkreetse vetikatüve jaoks, et tagada optimaalne töötlemise tõhusus.
Mõned näited erinevate vetikatüvede rakkude lõhkumisest ja desintegreerimisest leiab allpool viidatud artiklitest:

• Dunnaliella salina ja 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): Vetikarakkude katkestamise meetodite hindamine ja võrdlemine: mikrolaineahi, veevann, segisti, ultraheli- ja laserravi. Applied Energy, märts 2013, kd 103, lk 128–134.
• Nanokloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Erinevate rakkude katkestamise tehnikate mõju vetikate biomassi monolagundamisele. Maailma taastuvenergia kongress 2011, Bioenergy Technologies, 8.–12. mai 2011, Rootsi.
• Schizochytrium limacinum ja 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 ja 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: Scotiellopsis terrestris’e rakkude katkemise parandamine ultraheli ja pektiini lagunenud ensüümi abil. Naturstoffchemie.

Protsess

Pärast kasvatamist suunatakse vetikabiomassi vool kontsentreerimisseadmesse, et biomass vedelast keskkonnast eraldada. Kontsentraat kogutakse mahutisse. Pärast eraldamist tuleb rakud lõhkuda, et vabastada õli ja muu rakusisene materjal. Seetõttu pumbatakse kontsentreeritud biomass läbi Hielscheri ultraheli seadme. Ultraheli retsirkulatsioonisüsteem tagab rakukontsentraadi retsirkulatsiooni etteantud rõhul läbi Hielscheri läbivoolukambri tagasi akumulatsioonimahutisse. Retsirkulatsioon kestab nii kaua, kui on vaja rakkude hävitamiseks. Kui hävitamisprotsess on lõppenud, pumbatakse hävitatud rakkudega biomass produkti eraldusseadmesse, kus toimub produkti lõplik eraldamine allesjäänud jäätmetest.

Vetikarakkude hävitamise üksus biomassi kontsentreerimis-/eraldusseadmega ja Hielscheri 1,5 kW ultraheli protsessoriga UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Hävitatud rakkude protsendi mõõtmine

Vetikate lõhkumise tõhususe hindamiseks kasutas ALgae Grow Lab hävitatud rakkude protsendi mõõtmiseks kahte erinevat metoodikat:

1. Esimene analüüsimeetod põhineb klorofülli A, B ning A+B fluorestsentsi mõõtmisel.
   Aeglasel tsentrifuugimisel settivad vetikarakud ja praht anuma põhja, kuid vabalt hõljuva klorofülli jäägid jäävad siiski supernatanti. Neid raku ja klorofülli füüsikalisi omadusi kasutades saab kindlaks teha purunenud rakkude protsendi. See tehakse, mõõtes esmalt proovi kogu klorofülli fluorestsentsi. Seejärel proov tsentrifuugitakse. Pärast seda mõõdetakse supernatandi klorofülli fluorestsentsi. Võttes supernatandi klorofülli fluorestsentsi protsendi proovi kogu klorofülli fluorestsentsi suhtes, saab hinnata purunenud rakkude protsenti. See mõõtmisviis on üsna täpne, kuid eeldab, et klorofülli hulk raku kohta on ühtlane. Kogu klorofülli ekstraheerimine tehti metanooli abil.
2. Teise analüüsimeetodi puhul kasutati rakutiheduse mõõtmiseks koristatud vetikaproovis klassikalist hemotsütomeetriat. Protseduur viiakse läbi 2 etapis:

• Esiteks mõõdetakse koristatud vetikaproovi rakutihedus enne ultraheli töötlust.
• Teiseks mõõdetakse sama proovi hävitamata (allesjäänud) rakkude arv pärast sonikeerimist.
  Nende kahe mõõtmise tulemuste põhjal arvutatakse hävitatud rakkude protsent.

Foto 1: Vetikad enne hävitamist ©Algae Grow Lab

Foto 2: Vetikate lõhkumine: 50% rakkude lõhkumine pärast 60 min sonikeerimist. ©Algae Grow Lab

Foto 3: Vetikate lõhkumine: 100% rakkude lõhkumine pärast 120 min sonikeerimist. ©Algae Grow Lab