Algae Grow Lab – Levien ultraääniuutto

Levien viljely

Algae Grow Lab kehitti sarjan putkimaisia ja litteitä fotobioreaktoreita levien viljelyyn sekä solujen ultraäänihajotusprosessin, joka perustuu virtauskennoilla varustettuihin Hielscherin ultraääniprosessoreihin.
Prosessin yleinen virtauskaavio esitetään alla.

Virtauskaavio esittää levien viljelyn ja leväöljyn tuotannon ultraäänikäsittelyn avulla. ©Algae Grow Lab

Alla esitetään esimerkkejä Algae Grow Labin fotobioreaktoreista.
Valoa spektrin PAR-alueella säteilevien LED-paneelien käyttö mahdollistaa levien suurimman kasvunopeuden saavuttamisen.
Esimerkiksi kun Chlorella Vulgaris -viljelmä siirrostettiin alkutiheyteen 0,146 g/L, saavutimme tiheyden 7,3g/L 7 päivässä.

Leväsolujen hajotus ultraäänikäsittelyllä

Kasvuvaiheen jälkeen leväsolut ovat valmiita öljyntuotantokäsittelyyn. Koska solun sisältö on erotettu ympäristöstä solukalvoista koostuvalla rakenteella, solujen hajotusmenetelmällä on merkittävä vaikutus kaiken solunsisäisen materiaalin vapautumiseen. Solukalvo antaa solulle mekaanista lujuutta ja säilyttää sen eheyden. Solukalvon elastiset ominaisuudet auttavat soluja kestämään nopeita osmoottisen paineen muutoksia, joita niiden ulkoisessa ympäristössä voi esiintyä.
Sekä ultraääniavusteiset että mikroaaltoavusteiset menetelmät, joita kuvataan jäljempänä, parantavat mikrolevien uuttoa merkittävästi: tehokkuus paranee, uuttoajat lyhenevät ja saannot kasvavat, minkä lisäksi kustannukset ovat pienet tai kohtalaiset ja toksisuuden lisääntyminen on merkityksetöntä.
Hyvin usein haluttujen tuotteiden uutto levistä on tehokkaampaa, jos leväsolut hajotetaan ennen uuttoa. Joskus kuitenkin solujen hajotus itsessään vapauttaa halutun tuotteen, jolloin sen saamiseksi tarvitaan vain erotusprosessi (esimerkiksi lipidien uuttaminen levistä biopolttoaineen tuotantoa varten).
Algae grow lab integroi laitteistoonsa ultraäänijärjestelmän solujen hajotukseen ja uuttoon varmistaakseen erittäin tehokkaan prosessin, jossa solunsisäinen sisältö vapautuu kokonaan ja siten saavutetaan suuremmat saannot lyhyemmässä ajassa. Ultraäänireaktorissa ultraääniaallot synnyttävät kavitaatiota leväsoluja sisältävässä nestemäisessä väliaineessa. Kavitaatiokuplat kasvavat ultraääniaallon vuorottelevien harvenemisvaiheiden aikana, kunnes ne saavuttavat tietyn koon, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa. Tässä kuplien kasvun maksimipisteessä ontelot luhistuvat puristusvaiheen aikana. Kuplien luhistuminen synnyttää äärimmäisiä paine- ja lämpötilaeroja sekä iskuaaltoja ja voimakkaita nestesuihkuja. Nämä äärimmäiset voimat hajottavat solut ja myös huuhtovat tehokkaasti niiden sisällön nestemäiseen väliaineeseen (esimerkiksi veteen tai liuottimiin).
Ultraäänihajotuksen tehokkuus riippuu voimakkaasti soluseinämien kestävyydestä ja elastisuudesta, jotka vaihtelevat huomattavasti eri leväkantojen välillä. Tästä syystä ultraäänikäsittelyprosessin parametrit vaikuttavat voimakkaasti solujen hajotuksen tehokkuuteen: tärkeimmät parametrit ovat amplitudi, paine, pitoisuus ja viskositeetti sekä lämpötila. Nämä parametrit on optimoitava erikseen jokaiselle leväkannalle optimaalisen käsittelytehokkuuden varmistamiseksi.
Esimerkkejä eri leväkantojen solujen hajotuksesta ja hajautumisesta löytyy seuraavista artikkeleista:

• Dunnaliella salina ja Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Leväsolujen ultraäänihajotus. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Leväsolujen hajotusmenetelmien arviointi ja vertailu: mikroaalto-, vesihaude-, sekoitin-, ultraääni- ja laserkäsittely. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Eri solujen hajotustekniikoiden vaikutus leväbiomassan monomädätykseen. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Ruotsi.
• Schizochytrium limacinum ja Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikrolevien solujen hajotuksen arviointi ultraäänikäsittelyllä. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ja Roberto E. Armenta (2011): Mikrolevistä tehtävän öljynuuton kehitys. Europeen Jornal of 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 leväbiomassavirta syötetään väkevöintilaitteeseen biomassan erottamiseksi nestemäisestä väliaineesta. Väkevöity biomassa kerätään varastosäiliöön. Erotuksen jälkeen solut on hajotettava öljyn ja muun solunsisäisen materiaalin vapauttamiseksi. Siksi väkevöity biomassa pumpataan Hielscherin ultraäänilaitteen läpi. Ultraäänikierrätyslaitteisto varmistaa, että solukonsentraatti kiertää annetussa paineessa Hielscherin virtauskennon läpi takaisin keräyssäiliöön. Kierrätys kestää solujen hajottamiseen tarvittavan ajan. Kun hajotusprosessi on valmis, hajotetut solut sisältävä biomassa pumpataan tuotteen erotuslaitteeseen, jossa tuote erotetaan lopullisesti jäljelle jääneistä solujäännöksistä.

Leväsolujen hajotusyksikkö, jossa on biomassan väkevöinti-/erotuslaite ja Hielscherin 1,5 kW:n ultraääniprosessori UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Hajotettujen solujen prosenttiosuuden mittaus

Levien hajotustehokkuuden arvioimiseksi ALgae Grow Lab käytti kahta eri menetelmää hajotettujen solujen prosenttiosuuden mittaamiseen:

1. Ensimmäinen analyysimenetelmä perustuu klorofyllin A, B ja A+B fluoresenssin mittaukseen.
   Hitaassa sentrifugoinnissa leväsolut ja solujäännökset muodostavat pelletin astian pohjalle, mutta vapaasti kelluvan klorofyllin jäännökset jäävät edelleen supernatanttiin. Näiden solun ja klorofyllin fysikaalisten ominaisuuksien avulla voidaan määrittää hajotettujen solujen prosenttiosuus. Ensin mitataan näytteen klorofyllin kokonaisfluoresenssi. Sitten näyte sentrifugoidaan. Tämän jälkeen mitataan supernatantin klorofyllin fluoresenssi. Hajotettujen solujen prosenttiosuutta voidaan arvioida laskemalla, kuinka monta prosenttia supernatantin klorofyllin fluoresenssi on koko näytteen klorofyllin fluoresenssista. Tämä mittaustapa on melko tarkka, mutta siinä oletetaan, että klorofyllin määrä on sama jokaisessa solussa. Klorofyllin kokonaisuutot tehtiin metanolilla.
2. Toisessa analyysimenetelmässä kerätyn levänäytteen solutiheys mitattiin perinteisellä hemosytometrialla. Menettely suoritetaan 2 vaiheessa:

• Ensin mitataan kerätyn levänäytteen solutiheys ennen ultraäänikäsittelyä.
• Toiseksi mitataan hajottamattomien (jäljellä olevien) solujen lukumäärä saman näytteen ultraäänikäsittelyn jälkeen.
  Näiden kahden mittauksen tulosten perusteella lasketaan hajotettujen solujen prosenttiosuus.

Kuva 1: Levät ennen hajotusta ©Algae Grow Lab

Kuva 2: Levien hajotus: 50% soluista hajotettu 60 minuutin ultraäänikäsittelyn jälkeen. ©Algae Grow Lab

Kuva 3: Levien hajotus: 100% soluista hajotettu 120 minuutin ultraäänikäsittelyn jälkeen. ©Algae Grow Lab