Laboratoire de culture d'algues – Extraction d'algues par ultrasons

culture d'algues

Algae Grow Lab a développé une série de photobioréacteurs tubulaires et plats pour la culture d'algues ainsi qu'un processus de destruction cellulaire par ultrasons basé sur des processeurs ultrasoniques Hielscher équipés de cellules d'écoulement.
L'organigramme général du processus est présenté ci-dessous.

L'organigramme présente le processus de culture d'algues et de production d'huile d'algues par ultrasons. ©Algae Grow Lab

Des exemples de photobioréacteurs Algae Grow Lab sont présentés ci-dessous.
L'utilisation de panneaux LED émettant de la lumière dans la partie PAR du spectre permet d'atteindre un taux de croissance maximal des algues.
Par exemple, après inoculation de Chlorella Vulgaris avec une densité initiale de 0,146 g/L, nous avons atteint une densité de 7,3 g/L en 7 jours.

Destruction des cellules d'algues par ultrasons

Après le stade de croissance des algues, les cellules d'algues sont mûres pour le traitement de production d'huile. Comme le contenu des cellules est séparé du milieu environnant par une structure composée de membranes cellulaires, la méthode de désintégration des cellules est importante pour la libération de l'ensemble du matériel intracellulaire. La membrane cellulaire assure la résistance mécanique de la cellule et préserve son intégrité. Les propriétés élastiques de la membrane cellulaire permettent aux cellules de résister aux changements rapides de pression osmotique qui peuvent se produire dans leur environnement extérieur.
Les méthodes assistées par ultrasons et par micro-ondes, décrites ci-dessous, améliorent considérablement l'extraction des microalgues, avec une plus grande efficacité, des temps d'extraction réduits et des rendements accrus, ainsi que des coûts faibles à modérés et une toxicité ajoutée négligeable.
Très souvent, l'extraction des produits recherchés à partir des algues est plus efficace si les cellules des algues sont détruites avant l'extraction. Mais parfois, la destruction des cellules elle-même conduit à la libération du produit recherché, et seul le processus de séparation est nécessaire pour l'obtenir (par exemple, l'extraction de lipides des algues pour la production de biocarburants).
Le laboratoire de culture d'algues intègre un système à ultrasons pour la désintégration et l'extraction des cellules dans son installation afin de garantir un processus hautement efficace permettant une libération complète du contenu intracellulaire et, par conséquent, des rendements plus élevés en moins de temps. Dans le réacteur à ultrasons, les ondes ultrasoniques créent une cavitation dans le milieu liquide qui contient les cellules d'algues. Les bulles de cavitation se développent pendant les phases de raréfaction alternées de l'onde ultrasonique jusqu'à ce qu'elles atteignent une certaine taille, lorsque l'énergie ne peut plus être adsorbée. À ce point maximal de croissance des bulles, les vides s'effondrent au cours d'une phase de compression. L'effondrement de la bulle crée des conditions extrêmes de différentiels de pression et de température, ainsi que des ondes de choc et de puissants jets de liquide. Ces forces extrêmes ne détruisent pas seulement les cellules, mais entraînent également leur contenu dans le milieu liquide (eau ou solvants, par exemple).
L'efficacité de la destruction par ultrasons dépend fortement de la durabilité et de l'élasticité des parois cellulaires, qui varient considérablement entre les différentes souches d'algues. C'est la raison pour laquelle l'efficacité de la destruction des cellules est fortement influencée par les paramètres du processus de sonification : Les paramètres les plus importants sont l'amplitude, la pression, la concentration & la viscosité et la température. Ces paramètres doivent être optimisés pour chaque souche d'algue afin de garantir une efficacité de traitement optimale.
Les articles cités ci-dessous donnent quelques exemples de désagrégation cellulaire et de désintégration de différentes souches d'algues :

• Dunnaliella salina et Nannochloropsis oculata : King P.M., Nowotarski K. ; Joyce, E.M. ; Mason, T.J. (2012) : Ultrasonic disruption of algae cells. 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) : Évaluation et comparaison des méthodes de désintégration cellulaire des algues : Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, mars 2013, Vol. 103, Pages 128-134.
• Nanochloropsis salina : Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011) : Influence de différentes techniques de rupture cellulaire sur la mono digestion de la biomasse algale. Congrès mondial sur les énergies renouvelables 2011, Technologies bioénergétiques, 8-12 mai 2011, Suède.
• Schizochytrium limacinum et Chlamydomonas reinhardtii : Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012) : Évaluation de la rupture cellulaire des microalgues par traitement ultrasonique. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii : Paula Mercer et Roberto E. Armenta (2011) : Developments in oil extraction from microalgae. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris : S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz : Amélioration de la désintégration cellulaire pour Scotiellopsis terrestris au moyen d'ultrasons et d'une enzyme décomposant la pectine. Naturstoffchemie.

Processus

Après la culture, le flux de biomasse d'algues est acheminé vers le dispositif de concentration pour séparer la biomasse du milieu liquide. Le concentré est accumulé dans le réservoir de stockage. Après la séparation, les cellules doivent être perturbées pour libérer l'huile et d'autres matières intracellulaires. La biomasse concentrée est donc pompée à travers un dispositif à ultrasons Hielscher. Le dispositif de recirculation ultrasonique assure la recirculation du concentré cellulaire sous la pression donnée à travers la cellule d'écoulement Hielscher vers le réservoir d'accumulation. La recirculation dure le temps nécessaire à la destruction des cellules. Lorsque le processus de destruction est terminé, la biomasse contenant les cellules détruites est pompée vers le dispositif de séparation du produit, où a lieu la séparation finale du produit et des débris restants.

Unité de destruction de cellules d’algues avec dispositif de concentration/séparation de la biomasse et processeur à ultrasons UIP1500hd de 1,5 kW de Hielscher. ©Laboratoire de culture d’algues

Mesure du pourcentage de cellules détruites

Pour évaluer l'efficacité de la destruction des algues, ALgae Grow Lab a utilisé deux méthodologies différentes pour mesurer le pourcentage de cellules détruites :

1. La première méthode d'analyse est basée sur la mesure de la fluorescence de la chlorophylle A, B et A+B.
   Au cours de la centrifugation lente, les cellules et les débris d'algues se déposent au fond du récipient, mais des restes de chlorophylle flottante restent dans le surnageant. En utilisant ces caractéristiques physiques de la cellule et de la chlorophylle, le pourcentage de cellules brisées peut être déterminé. Pour ce faire, on mesure d'abord la fluorescence totale de la chlorophylle d'un échantillon. L'échantillon est ensuite centrifugé. La fluorescence chlorophyllienne du surnageant est ensuite mesurée. En rapportant le pourcentage de fluorescence chlorophyllienne du surnageant à la fluorescence chlorophyllienne de l'échantillon total, on peut estimer le pourcentage de cellules brisées. Cette forme de mesure est assez précise, mais suppose que le nombre de chlorophylle par cellule est uniforme. Les extractions de chlorophylle totale ont été réalisées à l'aide de méthanol.
2. Pour la deuxième méthode d'analyse, l'hémocytométrie classique a été utilisée pour mesurer la densité cellulaire dans l'échantillon d'algues récolté. La procédure se déroule en deux étapes :

• Tout d'abord, la densité cellulaire de l'échantillon d'algues récolté avant le traitement aux ultrasons est mesurée.
• Deuxièmement, le nombre de cellules non détruites (restantes) après la sonification du même échantillon est mesuré.
  Sur la base des résultats de ces deux mesures, le pourcentage de cellules détruites est calculé.

Photo 1 : Algues avant destruction ©Algae Grow Lab

Photo 2 : Désintégration des algues : 50 % des cellules sont détruites après 60 minutes de sonication. ©Algae Grow Lab

Photo 3 : Désintégration d'algues : 100% des cellules sont détruites après 120 minutes de sonication. ©Algae Grow Lab