Levät kasvavat laboratoriossa – Ultraäänilevien uuttaminen

Levien viljely

Algae Grow Lab kehitti sarjan putkimaisia ja litteitä fotobioreaktoreita levien viljelyyn sekä solujen ultraäänituhoamisprosessin, joka perustuu virtaussoluilla varustettuihin Hielscherin ultraääniprosessoreihin.
Prosessin yleinen vuokaavio on esitetty alla.

Vuokaavio näyttää levien viljelyn ja leväöljyn tuotannon prosessin ultraäänellä. ©Levät kasvavat laboratoriossa

Esimerkkejä Algae Grow Lab -fotobioreaktoreista on esitetty alla.
LED-paneelien käyttö, joka lähettää valoa spektrin PAR-osassa, mahdollistaa levien maksimaalisen kasvunopeuden.
Esimerkiksi Chlorella Vulgaris -inokuloinnin jälkeen, jonka alkuperäinen tiheys oli 0,146 g / l, saavutimme tiheyden 7,3 g / l 7 päivässä.

Levien solujen tuhoaminen ultrasonifikaation avulla

Leväkasvustadionin jälkeen leväsolu on kypsä öljyntuotannon käsittelyyn. Koska solun sisältö erotetaan ympäröivästä ympäristöstä solukalvojen rakenteella, solun dislokaatiomenetelmällä on merkitystä koko solunsisäisen materiaalin vapautumisen kannalta. Solukalvo antaa solulle mekaanisen lujuuden ja säilyttää sen eheyden. Solukalvon elastisten ominaisuuksien ansiosta solut kestävät nopeita osmoottisen paineen muutoksia, joita voi esiintyä niiden ulkoisessa ympäristössä.
Sekä ultraääni- että mikroaaltoavusteiset menetelmät, jotka on kuvattu alla, parantavat mikrolevien uuttamista merkittävästi, suuremmalla tehokkuudella, lyhyemmillä uuttoajoilla ja lisääntyneillä saannoilla sekä alhaisilla tai kohtalaisilla kustannuksilla ja vähäisellä lisämyrkyllisyydellä.
Hyvin usein tavoitetuotteiden uuttaminen levistä on tehokkaampaa, jos leväsolut tuhoutuvat ennen uuttamista. Mutta joskus solujen tuhoutuminen itsessään johtaa tavoitetuotteen vapautumiseen, ja sen saamiseksi tarvitaan vain erotusprosessi (esim. lipidien uuttaminen levistä biopolttoaineiden tuotantoa varten).
Levien kasvatuslaboratorio integroi ultraäänijärjestelmän solujen häiriöihin ja uuttamiseen niiden kokoonpanoon varmistaakseen erittäin tehokkaan prosessin, jolla saavutetaan solunsisäisen sisällön täydellinen vapautuminen ja siten korkeammat saannot lyhyemmässä ajassa. Ultraäänireaktorissa ultraääniaallot luovat kaviataation nestemäisessä väliaineessa, joka sisältää leväsoluja. Kavitaatiokuplat kasvavat ultraääniaallon vuorottelevien harvinaisten vaiheiden aikana, kunnes ne saavuttavat tietyn koon, jolloin lisäenergiaa ei voida adsorboitua. Tässä kuplan kasvun maksimipisteessä tyhjät tilat romahtavat puristusvaiheen aikana. Kuplan romahtaminen luo äärimmäiset olosuhteet paine- ja lämpötilaeroille sekä iskuaalloille ja voimakkaille nestesuihkuille. Nämä äärimmäiset voimat eivät ainoastaan tuhoa soluja, vaan myös huuhtovat tehokkaasti niiden sisällön nestemäiseen väliaineeseen (esim. veteen tai liuottimiin).
Ultraäänituhon tehokkuus riippuu voimakkaasti soluseinien kestävyydestä ja joustavuudesta, joka vaihtelee huomattavasti yksittäisten leväkantojen välillä. Tästä syystä sonifikaatioprosessin parametrit vaikuttavat suuresti solujen tuhoutumisen tehokkuuteen: Tärkeimmät parametrit ovat amplitudi, paine, pitoisuus & viskositeetti ja lämpötila. Nämä parametrit on optimoitava jokaiselle leväkannalle optimaalisen käsittelytehokkuuden varmistamiseksi.
Joitakin esimerkkejä solujen hajoamisesta ja eri leväkantojen hajoamisesta löytyy alla mainituista artikkeleista:

• Dunnaliella salina ja Nannochloropsis oculata: kuningas PM, Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, TJ (2012): Leväsolujen ultraäänihäiriöt. AIP:n konferenssijulkaisut; 24.5.2012, nide 1433, numero 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Leväsolujen häiriömenetelmien arviointi ja vertailu: Mikroaaltouuni, vesihaude, tehosekoitin, ultraääni- ja laserhoito. Applied Energy, maaliskuu 2013, osa 103, sivut 128–134.
• Nanokloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Erilaisten solujen häiriötekniikoiden vaikutus leväbiomassan monopilkkomiseen. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8.–12. toukokuuta 2011, Ruotsi.
• Schizochytrium limacinum ja Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikroleväsolujen häiriöiden arviointi ultraäänikäsittelyllä. Bioresource Technology 2012, osa 125, s.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ja Roberto E. Armenta (2011): Öljyn uuttamisen kehitys mikrolevistä. Europeen Jornal, Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Scotiellopsis terrestrisin solujen häiriöiden parantaminen ultraäänellä ja pektiinin hajonneella entsyymillä. Naturstoffchemie.

Prosessi

Viljelyn jälkeen levien biomassavirta syötetään rikastuslaitteeseen biomassan erottamiseksi nestemäisestä väliaineesta. Konsentraatti kerääntyy varastosäiliöön. Erotuksen jälkeen solut on hajotettava öljyn ja muun solunsisäisen materiaalin vapauttamiseksi. Siksi väkevöity biomassa pumpataan Hielscherin ultraäänilaitteen läpi. Ultraäänikierrätysasetus varmistaa solukonsentraatin kierrätyksen annetussa paineessa Hielscherin virtauskennon läpi takaisin keräyssäiliöön. Kierrätys kestää solujen tuhoamiseen tarvittavan ajan. Kun tuhoamisprosessi on valmis, biomassa tuhoutuneiden solujen kanssa pumppaa tuotteen erotuslaitteeseen, jossa tuotteen lopullinen erottaminen jäljellä olevista roskista tapahtuu.

Levien solujen tuhoamisyksikkö, jossa on biomassan pitoisuus / erotuslaite ja Hielscherin 1,5 kW: n ultraääniprosessori UIP1500hd. ©Levät kasvavat laboratoriossa

Tuhoutuneiden solujen prosenttiosuuden mittaaminen

Levien rikkoutumisen tehokkuuden arvioimiseksi ALgae Grow Lab käytti kahta erilaista menetelmää tuhoutuneiden solujen prosenttiosuuden mittaamiseen:

1. Ensimmäinen analyysimenetelmä perustuu klorofylli A-, B- ja A+B-fluoresenssin mittaamiseen.
   Hitaan linkoussentrifugoinnin aikana leväsolut ja roskat pelletoituvat vastaanottajan pohjalle, mutta vapaasti kelluvan klorofyllin jäännökset jäävät edelleen supernatanttiin. Näitä solun ja klorofyllin fysikaalisia ominaisuuksia käyttämällä voidaan määrittää rikkoutuneiden solujen prosenttiosuus. Tämä tehdään mittaamalla ensin näytteen kokonaisklorofyllifluoresenssi. Sitten näyte sentrifugoidaan. Tämän jälkeen mitataan supernatantin klorofyllifluoresenssi. Ottamalla supernatantin klorofyllifluoresenssin prosenttiosuus koko näytteen klorofyllifluoresenssiin voidaan arvioida rikkoutuneiden solujen prosenttiosuus. Tämä mittausmuoto on melko tarkka, mutta olettaa, että klorofyllin määrä solua kohti on yhtenäinen. Klorofylliuutot suoritettiin yhteensä metanolilla.
2. Toisessa analyysimenetelmässä klassista hemosytometriaa on käytetty solutiheyden mittaamiseen kerätystä levänäytteestä. Menettely suoritetaan 2 vaiheessa:

• Ensinnäkin kerätyn levänäytteen solutiheys ennen ultraäänikäsittelyn mittaamista.
• Toiseksi mitataan tuhoutumattomien (jäljellä olevien) solujen lukumäärä saman näytteen sonifikaation jälkeen.
  Näiden kahden mittauksen tulosten perusteella lasketaan tuhoutuneiden solujen prosenttiosuus.

Kuva 1: Levät ennen tuhoa ©Levät kasvavat laboratoriossa

Kuva 2: Levien häiriöt: 50% solujen häiriöt 60 minuutin sonikoinnin jälkeen. ©Levät kasvavat laboratoriossa

Kuva 3: Levien häiriöt: 100% solujen häiriöt 120 minuutin sonikoinnin jälkeen. ©Levät kasvavat laboratoriossa