Vetikate kasvulabor – Ultraheli vetikate ekstraheerimine

vetikate kasvatamine

Algae Grow Lab töötas välja rea torukujulisi ja lamedaid fotobioreaktoreid vetikate kasvatamiseks, samuti rakkude ultraheli hävitamise protsessi, mis põhineb Hielscheri ultraheli protsessoritel, mis on varustatud voolurakkudega.
Protsessi üldine vooskeem on esitatud allpool.

Vooskeem näitab vetikate kasvatamise ja vetikaõli tootmise protsessi ultraheli abil. ©Vetikate kasvulabor

Allpool on toodud vetikate kasvulabori fotobioreaktorite näited.
LED-paneelide kasutamine, mis kiirgavad valgust spektri PAR-osas, võimaldab saavutada vetikate maksimaalse kasvukiiruse.
Näiteks pärast Chlorella Vulgaris'e inokuleerimist esialgse tihedusega 0,146 g/l saavutasime tiheduse 7,3 g/l 7 päevaga.

Vetikarakkude hävitamine ultraheliga

Pärast vetikate kasvustaadionit on vetikarakk küpsed õlitootmise töötlemiseks. Kuna rakusisaldus eraldatakse ümbritsevast keskkonnast rakumembraanide struktuuriga, on raku katkestamise meetod oluline kogu rakusisese materjali vabanemise seisukohast. Rakumembraan annab rakule mehaanilise tugevuse ja säilitab selle terviklikkuse. Rakumembraani elastsed omadused võimaldavad rakkudel taluda osmootse rõhu kiireid muutusi, mis võivad tekkida nende väliskeskkonnas.
Nii ultraheli- kui ka mikrolaineahju abil kasutatavad meetodid, mida kirjeldatakse allpool, parandavad mikrovetikate ekstraheerimist märkimisväärselt, suurema efektiivsusega, vähendavad ekstraheerimisaega ja suurendavad saagikust, samuti madalaid kuni mõõdukaid kulusid ja tühist lisatoksilisust.
Väga sageli on vetikate sihttoodete ekstraheerimine tõhusam, kui vetikarakud hävitatakse enne ekstraheerimist. Kuid mõnikord viib rakkude hävitamine ise sihttoote vabanemiseni ja selle saamiseks on vaja ainult eraldamisprotsessi (nt lipiidide ekstraheerimine vetikatest biokütuse tootmiseks).
Vetikate kasvulabor integreerib ultraheli süsteemi rakkude katkestamiseks ja ekstraheerimiseks nende seadistusse, et tagada ülitõhus protsess, mis saavutab rakusisese sisu täieliku vabanemise ja seeläbi suurema saagikuse lühema aja jooksul. Ultraheli reaktoris tekitavad ultraheli lained vedelas keskkonnas kaaviatatsiooni, mis sisaldab vetikarakke. Kavitatsioonimullid kasvavad ultraheli laine vahelduvate harvaesinevate faaside ajal, kuni nad saavutavad teatud suuruse, kui täiendavat energiat ei saa adsorbeerida. Selles mullide kasvu maksimaalses punktis varisevad tühimikud kokkusurumisfaasi ajal. Mullide kokkuvarisemine loob äärmuslikud tingimused rõhu ja temperatuuri erinevustele, samuti lööklainetele ja tugevatele vedelikujoadele. Need äärmuslikud jõud mitte ainult ei hävita rakke, vaid pesevad ka nende sisu tõhusalt vedelasse keskkonda (nt vette või lahustitesse).
Ultraheli hävitamise efektiivsus sõltub tugevalt rakuseinte vastupidavusest ja elastsusest, mis varieerub märkimisväärselt üksikute vetikate tüvede vahel. See on põhjus, miks rakkude hävitamise tõhusust mõjutavad suuresti sonifikatsiooniprotsessi parameetrid: Kõige olulisemad parameetrid on amplituud, rõhk, kontsentratsioon & viskoossus ja temperatuur. Need parameetrid tuleb optimeerida iga konkreetse vetikatüve jaoks, et tagada optimaalne töötlemise efektiivsus.
Mõned näited rakkude katkemisest ja erinevate vetikatüvede lagunemisest leiate allpool viidatud artiklitest:

• Dunnaliella salina ja Nannochloropsis oculata: kuningas P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Vetikarakkude ultraheli katkestamine. AIP-i konverentsi toimetised; 24.05.2012, kd 1433, 1. väljaanne, lk 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): mikrovetikate rakkude häirete hindamine ultraheliravi abil. Bioresource Technology 2012, kd 125, lk.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ja Roberto E. Armenta (2011): mikrovetikatest õli ekstraheerimise arengud. Europeen Jornal lipiidide teadustehnoloogiast, 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 kultiveerimist juhitakse vetikate biomassi voog kontsentratsiooniseadmesse, et eraldada biomass vedelast keskkonnast. Kontsentraat koguneb mahutisse. Pärast eraldamist tuleb rakud õli ja muu rakusisese materjali vabastamiseks katkestada. Seetõttu pumbatakse kontsentreeritud biomass läbi Hielscheri ultraheli seadme. Ultraheli retsirkulatsiooni seadistus tagab rakukontsentraadi retsirkulatsiooni antud rõhu all läbi Hielscheri vooluraku tagasi akumulatsioonipaaki. Retsirkulatsioon kestab rakkude hävitamiseks vajaliku aja. Kui hävitamisprotsess on lõpule viidud, pumbatakse hävitatud rakkudega biomass toote eraldusseadmesse, kus toimub toote lõplik eraldamine ülejäänud prahist.

Vetikarakkude hävitamise seade biomassi kontsentratsiooni / eraldusseadmega ja Hielscheri 1,5 kW ultraheli protsessor UIP1500hd. ©Vetikate kasvulabor

Hävinud rakkude protsendi mõõtmine

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

1. Esimene analüüsimeetod põhineb klorofülli A, B ja A+B fluorestsentsi mõõtmisel.
   Aeglase tsentrifuugimise ajal pelleeruvad vetikarakud ja praht retsipiendi põhjas, kuid vabalt hõljuva klorofülli ülejäänud osad jäävad endiselt supernatandi. Neid raku ja klorofülli füüsikalisi omadusi kasutades saab kindlaks teha purustatud rakkude protsendi. Selleks mõõdetakse kõigepealt proovi klorofülli fluorestsentsi koguhulk. Seejärel tsentrifuugitakse proov. Seejärel mõõdetakse supernatandi klorofülli fluorestsents. Võttes klorofülli fluorestsentsi protsendi supernatandis kogu proovi klorofülli fluorestsentsi suhtes, saab hinnata purunenud rakkude protsenti. See mõõtmisviis on üsna täpne, kuid eeldab, et klorofülli arv raku kohta on ühtlane. Klorofülli koguekstraktsioonid viidi läbi metanooli abil.
2. Teise analüüsimeetodi puhul on kogutud vetikaproovi rakkude tiheduse mõõtmiseks kasutatud klassikalist hemotsütomeetriat. Protseduur viiakse läbi 2 etapis:

• Esiteks mõõdetakse koristatud vetikaproovi rakutihedust enne ultraheliravi.
• Teiseks mõõdetakse hävitamata (allesjäänud) rakkude arvu pärast sama proovi sonifikatsiooni.
  Nende kahe mõõtmise tulemuste põhjal arvutatakse hävitatud rakkude protsent.

Pic.1: Vetikad enne hävitamist ©Vetikate kasvulabor

Pilt 2: Vetikate häired: 50% rakkude katkemine pärast 60 minutit. ©Vetikate kasvulabor

Pilt 3: Vetikate häired: 100% rakkude katkemine pärast 120 minutit. ©Vetikate kasvulabor