Algae Grow Lab – استخراج فراصوتی جلبک

کشت جلبک

Algae Grow Lab مجموعه‌ای از فتوبیورآکتورهای لوله‌ای و تخت را برای کشت جلبک، و نیز فرایندی برای تخریب فراصوتی سلول‌ها مبتنی بر پردازشگرهای فراصوتی Hielscher مجهز به سلول‌های جریان توسعه داده است.
نمودار جریان کلی این فرایند در زیر نشان داده شده است.

نمودار جریان، فرایند کشت جلبک و تولید روغن جلبک با استفاده از فراصوت‌دهی را نشان می‌دهد. ©Algae Grow Lab

نمونه‌هایی از فتوبیورآکتورهای Algae Grow Lab در زیر ارائه شده‌اند.
استفاده از پنل‌های LED که در بخش PAR طیف نور گسیل می‌کنند، دستیابی به حداکثر نرخ رشد جلبک را امکان‌پذیر می‌سازد.
برای مثال، پس از تلقیح Chlorella Vulgaris با تراکم اولیهٔ 0٫146 g/L، در مدت 7 روز به تراکم 7٫3g/L رسیدیم.

تخریب سلول‌های جلبک با فراصوت‌دهی

پس از مرحلهٔ رشد جلبک، سلول‌های جلبک برای فرایند تولید روغن آماده می‌شوند. ازآنجاکه محتوای سلول به‌واسطهٔ ساختاری متشکل از غشاهای سلولی از محیط پیرامون جدا می‌شود، روش تخریب سلولی از نظر آزادسازی کامل مواد درون‌سلولی اهمیت دارد. غشای سلولی به سلول استحکام مکانیکی می‌بخشد و یکپارچگی آن را حفظ می‌کند. خواص کشسانی غشای سلولی به سلول‌ها امکان می‌دهد تغییرات سریع فشار اسمزی را که ممکن است در محیط بیرونی آن‌ها رخ دهد، تحمل کنند.
هر دو روش به‌کمک فراصوت و به‌کمک مایکروویو، که در ادامه شرح داده می‌شوند، استخراج از ریزجلبک‌ها را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهند و با کارایی بالاتر، زمان استخراج کوتاه‌تر و بازده بیشتر، و نیز هزینه‌های کم تا متوسط و افزایش ناچیز سمیت همراه‌اند.
در بسیاری از موارد، اگر سلول‌های جلبک پیش از استخراج تخریب شوند، استخراج محصولات هدف از جلبک مؤثرتر خواهد بود. اما گاهی تخریب سلولی به‌خودی‌خود باعث آزادسازی محصول هدف می‌شود و برای به‌دست‌آوردن آن فقط فرایند جداسازی لازم است؛ برای مثال، در استخراج لیپیدها از جلبک برای تولید سوخت زیستی.
Algae grow lab یک سامانهٔ فراصوتی برای تخریب سلولی و استخراج را در مجموعهٔ تجهیزات خود ادغام می‌کند تا فرایندی با کارایی بسیار بالا تضمین شود که محتوای درون‌سلولی را به‌طور کامل آزاد می‌سازد و در نتیجه، در زمان کوتاه‌تر بازده بیشتری به دست می‌دهد. در رآکتور فراصوتی، امواج فراصوت در محیط مایع حاوی سلول‌های جلبک کاویتاسیون ایجاد می‌کنند. حباب‌های کاویتاسیون طی مراحل متناوب انبساط موج فراصوت رشد می‌کنند تا به اندازه‌ای مشخص برسند که در آن دیگر انرژی بیشتری قابل جذب نیست. در این نقطهٔ حداکثر رشد حباب، حفره‌ها طی یک مرحلهٔ تراکم فرومی‌پاشند. فروپاشی حباب، اختلاف‌های بسیار شدید فشار و دما و نیز امواج ضربه‌ای و جت‌های قوی مایع ایجاد می‌کند. این نیروهای شدید علاوه بر تخریب سلول‌ها، محتوای آن‌ها را نیز به‌طور مؤثر شسته و وارد محیط مایع، مانند آب یا حلال‌ها، می‌کنند.
اثربخشی تخریب فراصوتی به‌شدت به استحکام و کشسانی دیواره‌های سلولی وابسته است؛ ویژگی‌هایی که میان سویه‌های مختلف جلبک تفاوت چشمگیری دارند. به همین دلیل، کارایی تخریب سلولی به‌شدت تحت تأثیر پارامترهای فرایند فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد: مهم‌ترین پارامترها عبارت‌اند از دامنه، فشار، غلظت و گرانروی، و دما. برای تضمین کارایی بهینهٔ فراوری، این پارامترها باید برای هر سویهٔ خاص جلبک بهینه شوند.
نمونه‌هایی از تخریب سلولی و متلاشی‌سازی سویه‌های مختلف جلبک را می‌توان در مقالات ارجاع‌شده در زیر یافت:

• Dunnaliella salina و Nannochloropsis oculata: King P.M.، Nowotarski K.; جویس ، E.M. ؛ میسون ، T.J. (2012): اختلال اولتراسونیک سلول های جلبک. مجموعه مقالات کنفرانس AIP؛ 5/24/2012 ، جلد 1433 شماره 1 ، ص. 237.
• نانوکلروپسیس اکولاتا: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• نانوکلروپسیس سالینا: سباستین شود، الکساندرا کوالچیک، مندی گربر، رولاند اسپن (2011): تأثیر تکنیک های مختلف تخریب سلولی بر هضم تک دانه زیست توده جلبکی. کنگره جهانی انرژی های تجدیدپذیر 2011، فناوری های انرژی زیستی، 8-12 مه 2011، سوئد.
• Schizochytrium limacinum و 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 و Roberto E. Armenta (2011): تحولات در استخراج روغن از ریزجلبک ها. ژورنال اروپایی فناوری علوم لیپید، 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke، Dr. N. Hempel، L. Dombrowski، Prof. Dr. O. Pulz: بهبود اختلال سلولی برای Scotiellopsis terrestris با استفاده از سونوگرافی و آنزیم تجزیه شده پکتین. Naturstoffchemie.

فرایند

پس از کشت، جریان زیست‌تودهٔ جلبک به دستگاه تغلیظ وارد می‌شود تا زیست‌توده از محیط مایع جدا شود. کنسانتره در مخزن ذخیره جمع‌آوری می‌شود. پس از جداسازی، سلول‌ها باید تخریب شوند تا روغن و سایر مواد درون‌سلولی آزاد شوند. بنابراین، زیست‌تودهٔ تغلیظ‌شده با پمپ از دستگاه فراصوتی Hielscher عبور داده می‌شود. سامانهٔ بازگردش فراصوتی تضمین می‌کند که کنسانترهٔ سلولی تحت فشار تعیین‌شده از سلول جریان Hielscher عبور کند و دوباره به مخزن جمع‌آوری بازگردد. بازگردش به‌اندازهٔ زمان لازم برای تخریب سلول‌ها ادامه می‌یابد. پس از تکمیل فرایند تخریب، زیست‌تودهٔ حاوی سلول‌های تخریب‌شده به دستگاه جداسازی محصول پمپ می‌شود؛ در آنجا جداسازی نهایی محصول از بقایای باقیمانده انجام می‌گیرد.

واحد تخریب سلول‌های جلبک با دستگاه تغلیظ/جداسازی زیست‌توده و پردازشگر فراصوتی UIP1500hd ساخت Hielscher با توان 1٫5 kW. ©Algae Grow Lab

اندازه‌گیری درصد سلول‌های تخریب‌شده

برای ارزیابی کارایی شکستن سلول‌های جلبک، ALgae Grow Lab از دو روش متفاوت برای اندازه‌گیری درصد سلول‌های تخریب‌شده استفاده کرد:

1. روش نخست تحلیل بر اندازه‌گیری فلورسانس کلروفیل A، B و A+B مبتنی است.
   طی سانتریفیوژ با سرعت چرخش کم، سلول‌های جلبک و بقایای سلولی در ته ظرف رسوب فشرده تشکیل می‌دهند، اما بقایای کلروفیل آزاد و شناور همچنان در مایع رویی باقی می‌مانند. با استفاده از این ویژگی‌های فیزیکی سلول و کلروفیل، می‌توان درصد سلول‌های شکسته‌شده را تعیین کرد. برای این کار، ابتدا فلورسانس کل کلروفیل یک نمونه اندازه‌گیری می‌شود. سپس نمونه سانتریفیوژ می‌شود. پس از آن، فلورسانس کلروفیل مایع رویی اندازه‌گیری می‌شود. با محاسبهٔ نسبت درصدی فلورسانس کلروفیل مایع رویی به فلورسانس کلروفیل کل نمونه، می‌توان درصد سلول‌های شکسته‌شده را برآورد کرد. این شیوهٔ اندازه‌گیری نسبتاً دقیق است، اما بر این فرض استوار است که تعداد مولکول‌های کلروفیل در هر سلول یکسان است. استخراج کل کلروفیل با استفاده از متانول انجام شد.
2. در روش دوم تحلیل، از هموسیتومتری کلاسیک برای اندازه‌گیری تراکم سلولی در نمونهٔ جلبک برداشت‌شده استفاده شده است. این روش در 2 مرحله انجام می‌شود:

• نخست، تراکم سلولی نمونهٔ جلبک برداشت‌شده پیش از تیمار فراصوتی اندازه‌گیری می‌شود.
• سپس، تعداد سلول‌های تخریب‌نشده (باقی‌مانده) پس از فراصوت‌دهی همان نمونه اندازه‌گیری می‌شود.
  بر اساس نتایج این دو اندازه‌گیری، درصد سلول‌های تخریب‌شده محاسبه می‌شود.

تصویر 1: جلبک پیش از تخریب ©Algae Grow Lab

تصویر 2: تخریب جلبک: تخریب 50% سلول‌ها پس از 60 min. فراصوت‌دهی. ©Algae Grow Lab

تصویر 3: تخریب جلبک: تخریب 100% سلول‌ها پس از 120 min. فراصوت‌دهی. ©Algae Grow Lab