Vetikate kasvuv Lab – Ultraheli vetikate ekstraheerimine

Vetikate kasvatamine

Algae Grow Lab töötas välja vetikate kasvatamiseks torukujuliste ja lamedate fotobiooreaktorite sarja, samuti raku ultraheli hävitamise protsessi, mis põhineb vooluartiklitega varustatud Hielscher ultraheli protsessoritel.
Allpool on näidatud protsessi üldine voog diagramm.

Voolukava näitab vetikate kasvatamise ja vetikate õli tootmise protsessi, kasutades ultraheliuuringuid. © Algae Grow Lab

Alljärgnevalt on toodud vetikategurite fotobiooreaktorite näited.
LED-paneelide kasutamine, mis kiirgab parameetri spektri paragrahvi, võimaldab saavutada vetikate maksimaalset kasvumäära.
Näiteks pärast Chlorella Vulgaris inokuleerimist, mille esialgne tihedus oli 0,146 g / l, saavutati 7 päeva tihedus 7,3 g / l.

Vetikate rakkude hävitamine ultraheliga

Pärast vetikate kasvu staadioni on vetikate rakk küps õli tootmiseks. Kuna rakusisaldus on ümbritsevast keskkonnast eraldatud koosnevate rakumembraanide struktuuriga, on rakkude häirimise meetod märkimisväärne täieliku intratsellulaarse materjali vabanemisega. Rakumembraan annab rakule mehaanilise tugevuse ja säilitab selle terviklikkuse. Rakumembraani elastsed omadused võimaldavad rakkudel taluda välismõõdul tekkivaid osmootilise rõhu kiireid muutusi.
Mõlemad ultraheli- ja mikrolainepõhised meetodid, mida on kirjeldatud allpool, parandavad märkimisväärselt mikropalengute ekstraheerimist, suurendades efektiivsust, vähendades ekstraheerimisaegu ja suurendades saagiseid ning vähendades kulusid ja mõõdukaid kulusid ning vähendades lisamürgist.
Väga tihti on vetikate toodete eesmärgipärasuse ekstraheerimine tõhusam, kui vetikate rakud hävitatakse enne ekstraheerimist. Kuid mõnikord viib rakkude hävitamine eesmärgipärase toote vabanemiseni ja selle saamiseks on vaja ainult eraldamisprotsessi (nt vetikate lipiidide ekstraheerimine biokütuse tootmiseks).
Vetikate kasvuv labor integreerib ultraheli süsteemi rakkude häireteks ja nende eraldamiseks, et tagada väga tõhus protsess, mis võimaldab saavutada rakusisese sisu täielikku vabanemist ja seeläbi suuremaid saagiseid lühema aja jooksul. Ultraheli reaktoris tekitavad ultraheli lained vedelas keskkonnas, mis sisaldab vetikate rakke. Kavitumismullid kasvavad ultraheli lainete vahelduvate lahutusfaaside ajal, kuni nad saavutavad teatud suuruse, kui täiendavat energiat ei saa adsorbeerida. Selles maksimaalses mullide kasvupunktis laguneb tihendusfaasis tühjad ruumid. Mullide kokkuvarisemine tekitab ekstreemsid tingimusi rõhu ja temperatuuri erinevuste, samuti lööklainete ja tugevate vedelike joa suhtes. Need äärmuslikud jõud ei hävita mitte ainult rakke, vaid ka efektiivselt pesta nende sisu vedelas keskkonnas (nt vesi või lahustid).
Ultraheli hävitamise efektiivsus sõltub tugevalt rakuseinte vastupidavusest ja elastsusest, mis varieerub oluliselt üksikute vetikate tüvede vahel. See on põhjus, miks rakkude hävitamise efektiivsust mõjutavad suuresti sonifitseerimisprotsessi parameetrid: kõige tähtsamad parameetrid on amplituud, rõhk, kontsentratsioon & viskoossus ja temperatuur. Need parameetrid peavad olema optimaalsed iga konkreetse vetikate liigi jaoks, et tagada optimaalne töötlemisvõime.
Mõned näited erinevate vetikate tüvede raku hävingust ja lagunemisest on toodud alljärgnevates artiklites:

• Dunnaliella salina ja Nannochloropsis oculata: kuningas PM, Nowotarski K .; Joyce, EM; Mason, TJ (2012): vetikate rakkude ultrahelihäired. AIP konverentsi toimingud; 2012.05.25, Vol. 1433 v. 1, lk. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): vetikate eemaldamise meetodite hindamine ja võrdlemine: mikrolaineahi, vesivann, segisti, ultraheli- ja laserravi. Rakenduslik energia, märts 2013, kd. 103, leheküljed 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): erinevate rakkude hävimise meetodite mõju vetikate biomassi mono-seedimisele. Maailma taastuvenergia kongress 2011, Bioenergy Technologies, 8.-12. Mail 2011, Rootsi.
• Schizochytrium limacinum ja Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): mikrokalkulaatorraku häirete hindamine ultraheliuuringuga. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, lk.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ja Roberto E. Armenta (2011): mikrovetikate õli ekstraheerimise areng. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotillopsis terrestris: S. Starke, dr N. Hempel, L. Dombrowski, prof. Dr O. Pulz: Scotiellopsis terrestris rakkude häirimise parandamine ultraheli ja pektiini lagundatud ensüümi abil. Naturstoffchemie.

Protsess

Pärast kasvatamist suunatakse vetikate biomassi voog kontsentratsiooniseadmesse, et eraldada biomass vedelas keskkonnas. Kontsentraat koguneb mahutisse. Pärast eraldamist tuleb rakud häirida, et vabastada õli ja muu intratsellulaarne materjal. Seepärast pumbatakse kontsentreeritud biomass läbi Hielscheri ultraheli seadme. Ultraheli retsirkulatsiooni seadistamine tagab raku kontsentraadi ringluse ringis läbi Hielscheri voolurakuli antud rõhu kaudu akumulatsioonipaagile. Retsirkulatsioon kestab rakkude hävitamiseks vajalikku aega. Kui hävitamise protsess on lõpule viidud, on hävitatud rakkudega biomass pumpamine toote eraldamise seadmesse, kus toimub toote lõplik eraldamine ülejäänud prahist.

Vetikakujunduse üksus biomassi kontsentratsiooni / eraldamise seadmega ja Hielscheri 1,5 kW ultraheli protsessor UIP1500hd. © Algae Grow Lab

Hävitatud rakkude protsendi mõõtmine

Vetikate purunemise efektiivsuse hindamiseks kasutas ALgae Grow Lab hävitatud rakkude protsendi mõõtmiseks kahte erinevat metoodikat:

1. Esimene analüüsimeetod põhineb klorofülli A, B ja A + B fluorestsentsi mõõtmisel.
   Ajava tsentrifuugimisega aeglaselt tsentrifuugitakse vetikakujulisi rakke ja prahti retsipiendi põhjas, kuid vabanev ujuv klorofüll jääb supernatandist endiselt. Rakkude ja klorofülli füüsiliste omaduste abil saab kindlaks teha purustatud rakkude protsendi. Selle saavutamiseks mõõdetakse kõigepealt proovi üldine klorofülli fluorestsents. Seejärel tsentrifuugitakse proovi. Seejärel mõõdetakse supernatandi klorofülli fluorestsentsi. Võttes fluorestseeruva klorofülli fluorestsentsi protsendi supernatandis kogu proovi klorofülli fluorestsentsi, võib teha hinnang purustatud rakkude protsendi kohta. See mõõtmisviis on üsna täpne, kuid teeb eelduse, et klorofülli arv rakkude kohta on ühtlane. Klorofülli ekstraheerimine koguti metanooliga.
2. Teise analüüsimeetodi puhul on kasutatud rakkude tihedust mõõdetud vetikate proovis klassikalise hemotsütomeetriat. Protseduur viiakse läbi kahes etapis:

• Esiteks mõõdetakse koristatud vetikate proovi rakutihedust enne ultraheliravi.
• Teiseks mõõdetakse sama proovi sonikatsiooni tõttu hävinud (järelejäänud) rakkude arv.
  Nende kahe mõõtmise tulemuste põhjal arvutatakse hävitatud rakkude protsent.

Joonis 1. Vetikad enne hävitamist © Algae Grow Lab

2. pilt: vetikate katkestus: 50% raku katkestamine 60 minuti pärast. ultrahelitöötlus. © Algae Grow Lab

3. pilt: vetikate katkestamine: 100% raku katkestamine pärast 120 min. ultrahelitöötlus. © Algae Grow Lab