Levät kasvavat laboratoriossa – Ultra ääni levät louhinta

Levien viljely

Algae Grow Lab kehitti joukon putkimaisia ​​ja litteitä fotobioreaktoreita levien viljelyyn sekä solujen ultraäänituhoutumisprosessiin perustuen Hielscherin virtaussolujen varustettuihin ultraääniprosessoreihin.
Menettelyn yleinen virtauskaavio on esitetty alla.

Vuokaaviossa esitetään levien viljely- ja leväöljytuotannon prosessi käyttäen ultraäänitutkimusta. © Algae Grow Lab

Seuraavassa esitetään esimerkkejä Algae Grow Labin fotobioreaktoreista.
LED-paneelit, jotka lähettävät valoa spektrin PAR-osassa, voivat saavuttaa levien maksimaalisen kasvunopeuden.
Esimerkiksi Chlorella Vulgaris -lajin inokulaation jälkeen, jonka alkuperäinen tiheys oli 0,146 g / l, saatiin tiheys 7,3 g / l 7 päivän aikana.

Levien solujen tuhoaminen ultrasonifikaation avulla

Leväkasvuston jälkeen lehmän solut ovat kypsiä öljyntuotannossa. Koska solusisältö on erotettu ympäröivästä ympäristöstä solukalvojen muodostaman rakenteen avulla, solujen hajotusmenetelmä on merkittävä kokonaisen solunsisäisen materiaalin vapautumisen suhteen. Solukalvo antaa mekaanista lujuutta soluun ja säilyttää sen eheyden. Solukalvon elastiset ominaisuudet antavat solujen kestää nopeat muutokset osmoottisessa paineessa, joita voi esiintyä ulkoisessa ympäristössä.
Sekä ultraäänitutkimukset että mikroaaltoavusteiset menetelmät, jotka on kuvattu alla, parantavat mikroalgaamin uuttamista merkittävästi, tehokkaammin, vähentyneillä uuttoajoilla ja lisääntyneillä saannoilla sekä alhaisilla tai kohtalaisilla kustannuksilla ja merkityksettömällä lisääntyneellä myrkyllisyydellä.
Usein tavoite-tuotteiden louhinta levestä on tehokkaampaa, jos leväkennot tuhoutuvat ennen uuttoa. Mutta joskus solujen tuhoutuminen johtaa itse pääomatuoton vapauttamiseen ja vain sen erottamisprosessi tarvitaan sen saamiseksi (esim. Lipidien uuttaminen levistä biopolttoaineiden tuotannolle).
Algaa kasvaa laboratoriossa integroituu ultraäänilaitteisto solujen häiriöön ja uuttoon niiden konfigurointiin, jotta varmistetaan erittäin tehokas prosessi, joka johtaa intrasellulaarisen sisällön täydelliseen vapautumiseen ja siten suurempaan saantoon lyhyemmässä ajassa. Ultraäänireaktorissa ultraääni-aallot luovat kaviaatiota nestemäisessä väliaineessa, joka sisältää leväkennot. Kavitaatiokuplat kasvavat ultraääni-aallon vuorottelevien harvinaisvaihevaiheiden aikana, kunnes ne saavuttavat tietyn koon, kun lisäenergiaa ei voida adsorboida. Tällä kuplan kasvun maksimipisteessä tyhjät pudotukset puristusvaiheen aikana. Kuplan romahdus luo äärimmäisiä olosuhteita paine- ja lämpötilaerojen sekä iskujen ja voimakkaiden nestemäisten suuttimien välillä. Nämä äärivoimat eivät ainoastaan ​​tuhoa soluja vaan myös tehokkaasti pesevät niiden sisältöä nestemäisiin väliaineisiin (esim. Veteen tai liuottimiin).
Ultraäänihävikkien tehokkuus riippuu vahvasti soluseinämien kestävyydestä ja kimmoisuudesta, joka vaihtelee huomattavasti yksittäisten leväkantojen välillä. Siksi solutuhoisuuden tehokkuuteen vaikuttavat voimakkaasti sonificaatioprosessin parametrit: Tärkeimmät parametrit ovat amplitudi, paine, pitoisuus & viskositeetti ja lämpötila. Nämä parametrit on optimoitava jokaiselle levänlajille, jotta varmistetaan optimaalinen käsittelytehokkuus.
Joitakin esimerkkejä erilaisten leväkantojen solujen hajoamisesta ja hajoamisesta on seuraavissa artikkeleissa:

• Dunnaliella salina ja Nannochloropsis oculata: kuningas PM, Nowotarski K .; Joyce, EM; Mason, TJ (2012): Leväkasvien ultraäänihäiriö. AIP-konferenssijulkaisut; 24.5.2012, 1433, numero 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Leväkukkojen häiriintymenetelmien arviointi ja vertailu: Mikroaaltouuni, vesihöyry, sekoittimet, ultraääni- ja laserhoito. Applied Energy, maaliskuu 2013, voi. 103, sivut 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Eri soluhaittaustekniikoiden vaikutukset leväbiomassan mono-digestioksi. Maailman uusiutuvan energian kongressi 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): Mikroalgojen solujen häiriöiden arviointi ultraäänikäsittelyllä. Bioresource Technology 2012, Voi. 125, s. 175 - 81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ja Roberto E. Armenta (2011): Mikroalga-öljyn uuttamisen kehitys. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Scotiellopsis terrestrisin soluhaittojen parantaminen ultraäänellä ja pektiini hajotetulla entsyymillä. Naturstoffchemie.

Käsitellä asiaa

Viljelmän jälkeen leväbiomassavirta syötetään pitoisuuslaitteeseen biomassan erottamiseksi nestemäisestä väliaineesta. Konsentraatti kerääntyy varastosäiliöön. Erottamisen jälkeen solut on hajotettava öljyn ja muun solunsisäisen materiaalin vapauttamiseksi. Siksi väkevöity biomassa pumpataan Hielscherin ultraäänilaitteella. Ultraäänikierrätysasennuksella varmistetaan solukonsentraatin kierrätys tietyn paineen alla Hielscherin virtaussolun kautta takaisin akkumulaatiosäiliöön. Kierrätys kestää aikaa, joka tarvitaan solujen tuhoamiseen. Kun tuhoutumisprosessi on päättynyt, tuhoutuneiden solujen biomassa pumppaa tuotteen erotuslaitteeseen, jossa tuotteen lopullinen erottuminen jäljelle jääneestä roskista tapahtuu.

Levien solujen hävitysyksikkö biomassan pitoisuus / erotuslaitteella ja Hielscherin 1,5 kW: n ultraääniprosessori UIP1500hd. © Algae Grow Lab

Tuhotun solujen prosenttiosuuden mittaaminen

Algae-rikkoutumisen tehokkuuden arvioimiseksi ALgae Grow Lab käytti kahta eri menetelmää tuhoutuneiden solujen prosenttiosuuden mittaamiseksi:

1. Ensimmäinen analyysimenetelmä perustuu klorofylli A-, B- ja A + B-fluoresenssin mittaukseen.
   Hitaassa spin-sentrifugoinnissa algalaseja ja roskia pelletataan vastaanottajan alareunassa, mutta vapaasti kelluvan klorofyllin lepäävät edelleen supernatantissa. Näiden solujen ja klorofyllien fysikaalisten ominaisuuksien avulla voidaan todeta rikkoutuneiden solujen prosenttiosuus. Tämä toteutetaan mittaamalla ensin näytteen kokonais klorofyllifluoresenssi. Sitten näytettä sentrifugoidaan. Sen jälkeen mitataan supernatantin klorofylli-fluoresenssi. Ottamalla klorofyllifluoresenssin prosenttiosuus supernatantista kokonaisnäytteen klorofyllifluoresenssille voidaan tehdä estimointi rikkoutuneiden solujen prosenttiosuudelle. Tämä mittausmuoto on melko tarkka, mutta tekee olettamuksen, että klorofyllien määrä solua kohti on yhtenäinen. Yhteensä klorofylliuottoja suoritettiin käyttäen metanolia.
2. Toisessa analyysimenetelmässä klassista hemosytometriaa on käytetty solujen tiheyden mittaamiseen kerättyyn levänäytteeseen. Menettely toteutetaan kahdessa vaiheessa:

• Ensiksi kerätyn levänäytteen solutiheys mitataan ennen ultraäänikäsittelyä.
• Toiseksi mitattuna tuhoutumattomat (jäljellä olevat) solut saman näytteen sonificaation jälkeen mitataan.
  Näiden kahden mittauksen tulosten perusteella lasketaan tuhoutuneiden solujen prosenttiosuus.

Kuva 1: Levät ennen tuhoa © Algae Grow Lab

Kuva 2: Levien häiriöt: 50% solujen häiriöt 60 minuutin kuluttua. sonikoimalla. © Algae Grow Lab

Kuva 3: Levien hajoaminen: 100% solujen häiriö 120 minuutin kuluttua. sonikoimalla. © Algae Grow Lab