آزمایشگاه رشد جلبک – استخراج جلبک التراسونیک

کشت جلبک

آزمایشگاه رشد جلبک توسعه یک سری از لوله ای و مسطح photobioreactors برای کشت جلبک و همچنین یک فرایند تخریب مافوق صوت سلول بر اساس پردازنده های مافوق صوت Hielscher مجهز به سلول های جریان.
نمودار جریان کلی فرآیند در زیر نشان داده شده است.

نمودار جریان روند کشت جلبک و تولید روغن جلبکی را با استفاده از امواج فراصوت نشان می دهد. ©آزمایشگاه رشد جلبک

نمونه هایی از فتوبیوراکتورهای آزمایشگاه رشد جلبک ها در زیر ارائه شده است.
استفاده از پانل های LED ساطع کننده نور در قسمت PAR طیف اجازه می دهد تا به حداکثر سرعت رشد جلبک ها دست یابید.
به عنوان مثال، پس از تلقیح کلرلا ولگاریس با چگالی اولیه 146/0 گرم در لیتر در 7 روز به دانسیته 3/7 گرم در لیتر دست یافتیم.

تخریب سلول های جلبک توسط اولتراسونفیکاسیون

پس از استادیوم رشد جلبک ها، سلول جلبک ها برای درمان تولید روغن آماده می شوند. از آنجایی که محتوای سلول توسط ساختاری از غشای سلولی متشکل از محیط اطراف جدا می شود، روش اختلال سلولی با توجه به رهاسازی مواد کامل داخل سلولی قابل توجه است. غشای سلولی استحکام مکانیکی سلول را فراهم می کند و یکپارچگی آن را حفظ می کند. خواص الاستیک غشای سلولی به سلول ها اجازه می دهد تا در برابر تغییرات سریع فشار اسمزی که ممکن است در محیط خارجی آنها رخ دهد مقاومت کنند.
هر دو روش اولتراسوند و مایکروویو، که در زیر توضیح داده می شوند، استخراج ریزجلبک ها را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند، با راندمان بالاتر، کاهش زمان استخراج و افزایش بازده، و همچنین هزینه های کم تا متوسط و سمیت افزوده ناچیز.
اغلب اوقات استخراج محصولات هدف از جلبک ها در صورتی موثرتر است که سلول های جلبک قبل از استخراج از بین بروند. اما گاهی اوقات، خود تخریب سلول منجر به آزاد شدن محصول هدف می شود و فقط فرآیند جداسازی برای به دست آوردن آن مورد نیاز است (به عنوان مثال استخراج لیپیدها از جلبک ها برای تولید سوخت زیستی).
آزمایشگاه رشد جلبک ها یک سیستم اولتراسونیک برای اختلال و استخراج سلول را در راه اندازی خود ادغام می کند تا از یک فرآیند بسیار کارآمد اطمینان حاصل کند که به انتشار کامل محتوای داخل سلولی و در نتیجه بازده بالاتر در زمان کوتاه تری دست می یابد. در راکتور اولتراسونیک، امواج اولتراسونیک در محیط مایع که حاوی سلول های جلبک است، ایجاد حفره می کنند. حباب های حفره ای در طول مراحل نادر متناوب موج اولتراسونیک رشد می کنند تا زمانی که به اندازه مشخصی برسند ، زمانی که هیچ انرژی دیگری قابل جذب نیست. در این حداکثر نقطه رشد حباب، حفره ها در طول یک مرحله فشرده سازی فرو می ریزند. فروپاشی حباب شرایط شدیدی از دیفرانسیل فشار و دما و همچنین امواج ضربه ای و جت های مایع قوی ایجاد می کند. این نیروهای شدید نه تنها سلول ها را از بین می برند ، بلکه به طور موثر محتویات آنها را در محیط مایع (به عنوان مثال آب یا حلال ها) شستشو می دهند.
اثربخشی تخریب اولتراسونیک به شدت به دوام و خاصیت ارتجاعی دیواره های سلولی بستگی دارد که به طور قابل توجهی بین سویه های جلبک های فردی متفاوت است. به همین دلیل است که کارایی تخریب سلول به شدت تحت تأثیر پارامترهای فرآیند فراصوت است: مهمترین پارامترها دامنه ، فشار ، غلظت هستند & ویسکوزیته و دما. این پارامترها باید برای هر سویه خاصی از جلبک ها بهینه شوند تا از راندمان پردازش بهینه اطمینان حاصل شود.
چند نمونه از اختلال سلولی و تجزیه سویه های مختلف جلبک ها را می توان در مقالات ذکر شده 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 اوکولاتا: جاناتان آر مک میلان ، ایان آ. واتسون ، محمود علی ، ویم جعفر (2013): ارزیابی و مقایسه روش های اختلال سلول های جلبکی: مایکروویو ، حمام آب ، مخلوط کن ، اولتراسونیک و لیزر انرژی کاربردی، مارس 2013، جلد 103، صفحات 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: خوزه گرد، Mellissa Montalbo-Lomboy M، Linxing یائو، دیوید گرول، تانگ وانگ (2012): ارزیابی اختلال سلول های ریز جلبک توسط درمان اولتراسونیک. فناوری منابع زیستی 2012 ، جلد 125 ، صص 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 زیست توده جلبک ها به دستگاه تغلیظ تغذیه می شود تا زیست توده از محیط مایع جدا شود. کنسانتره در مخزن ذخیره سازی جمع می شود. پس از جداسازی، سلول ها باید مختل شوند تا روغن و سایر مواد داخل سلولی آزاد شود. از این رو, زیست توده متمرکز است که از طریق یک دستگاه مافوق صوت Hielscher پمپ. راه اندازی گردش مافوق صوت تضمین گردش مجدد کنسانتره سلول تحت فشار داده شده از طریق سلول جریان Hielscher به مخزن انباشت. گردش مجدد مدت زمان لازم برای از بین بردن سلول ها طول می کشد. هنگامی که فرآیند تخریب به پایان رسید، زیست توده با سلول های تخریب شده به دستگاه جداسازی محصول پمپاژ می شود، جایی که جداسازی نهایی محصول از زباله های باقی مانده اتفاق می افتد.

واحد تخریب سلول جلبک با غلظت زیست توده / دستگاه جداسازی و پردازنده اولتراسونیک 1.5 کیلو وات Hielscher UIP1500hd. ©آزمایشگاه رشد جلبک

اندازه گیری درصد سلول های از بین رفته

برای ارزیابی کارایی شکستگی جلبک ها، آزمایشگاه رشد جلبک از دو روش مختلف برای اندازه گیری درصد سلول های از بین رفته استفاده کرد:

1. روش اول تجزیه و تحلیل بر اساس اندازه گیری فلورسانس کلروفیل A، B و A+B است.
   در طول سانتریفیوژ چرخش آهسته، سلول های جلبکی و بقایای آن در پایین گیرنده گلوله می شوند، اما بقیه کلروفیل شناور آزاد همچنان در مایع رویی باقی می مانند. با استفاده از این خصوصیات فیزیکی سلول و کلروفیل ، می توان درصد سلولهای شکسته را تعیین کرد. این کار ابتدا با اندازه گیری فلورسانس کلروفیل کل یک نمونه انجام می شود. سپس نمونه سانتریفیوژ می شود. پس از آن ، فلورسانس کلروفیل مایع رویی اندازه گیری می شود. با در نظر گرفتن درصد فلورسانس کلروفیل در مایع رویی به فلورسانس کلروفیل کل نمونه ، می توان درصد سلولهای شکسته را تخمین زد. این شکل از اندازه گیری نسبتا دقیق است ، اما فرض می کند که تعداد کلروفیل در هر سلول یکنواخت است. استخراج کلروفیل کل با استفاده از متانول انجام شد.
2. برای روش تجزیه و تحلیل دوم، از هموسیتومتری کلاسیک برای اندازه گیری تراکم سلولی در نمونه جلبک برداشت شده استفاده شده است. این روش در 2 مرحله انجام می شود:

• ابتدا تراکم سلولی نمونه جلبک برداشت شده قبل از تیمار سونوگرافی اندازه گیری می شود.
• در مرحله دوم، تعداد سلول های تخریب نشده (باقی مانده) پس از سونفیکاسیون همان نمونه اندازه گیری می شود.
  بر اساس نتایج این دو اندازه گیری، درصد سلول های تخریب شده محاسبه می شود.

عکس 1: جلبک ها قبل از تخریب ©آزمایشگاه رشد جلبک ها

عکس 2: اختلال جلبک ها: 50٪ اختلال سلول پس از 60 دقیقه. ©آزمایشگاه رشد جلبک

عکس 3: اختلال جلبک ها: 100٪ اختلال سلول پس از 120 دقیقه. ©آزمایشگاه رشد جلبک