Algae Grow Lab – અલ્ટ્રાસોનિક શેવાળ નિષ્કર્ષણ

શેવાળનું સંવર્ધન

Algae Grow Lab એ શેવાળના સંવર્ધન માટે નળાકાર અને સપાટ ફોટોબાયોરિએક્ટરોની શ્રેણી તેમજ પ્રવાહ કોષોથી સજ્જ Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો પર આધારિત કોષોના અલ્ટ્રાસોનિક વિઘટનની પ્રક્રિયા વિકસાવી છે.
આ પ્રક્રિયાનો સામાન્ય પ્રવાહ આલેખ નીચે દર્શાવવામાં આવ્યો છે.

આ પ્રવાહ આલેખ અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ કરીને શેવાળના સંવર્ધન અને શેવાળના તેલના ઉત્પાદનની પ્રક્રિયા દર્શાવે છે. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab ના ફોટોબાયોરિએક્ટરોનાં ઉદાહરણો નીચે રજૂ કરવામાં આવ્યાં છે.
વર્ણપટના PAR ભાગમાં પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરતી LED પેનલોનો ઉપયોગ શેવાળનો મહત્તમ વૃદ્ધિદર હાંસલ કરવા દે છે.
ઉદાહરણ તરીકે, 0.146 g/L ની પ્રારંભિક ઘનતા સાથે Chlorella Vulgaris નું નિવેશન કર્યા પછી અમે 7 દિવસમાં 7.3g/L ની ઘનતા હાંસલ કરી હતી.

અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા શેવાળના કોષોનું વિઘટન

શેવાળની વૃદ્ધિના તબક્કા પછી, શેવાળના કોષો તેલના ઉત્પાદન માટેની પ્રક્રિયા માટે તૈયાર થાય છે. કોષની અંદરની સામગ્રી કોષપટલોથી બનેલી રચના દ્વારા આસપાસના પર્યાવરણથી અલગ રહેતી હોવાથી, કોષની અંદરની સંપૂર્ણ સામગ્રી મુક્ત કરવા માટે કોષવિઘટનની પદ્ધતિ મહત્ત્વપૂર્ણ છે. કોષપટલ કોષને યાંત્રિક મજબૂતી આપે છે અને તેની અખંડિતતા જાળવે છે. કોષપટલના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મો કોષોને તેમના બાહ્ય પર્યાવરણમાં થઈ શકતા આસૃતિ દબાણના ઝડપી ફેરફારોનો સામનો કરવા દે છે.
નીચે વર્ણવેલી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને માઇક્રોવેવની સહાયવાળી બંને પદ્ધતિઓ વધુ કાર્યક્ષમતા, નિષ્કર્ષણનો ઓછો સમય અને વધુ ઉપજ સાથે, તેમજ ઓછાથી મધ્યમ ખર્ચ અને નગણ્ય વધારાની વિષાક્તતા સાથે સૂક્ષ્મશેવાળના નિષ્કર્ષણમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે.
ઘણી વાર નિષ્કર્ષણ પહેલાં શેવાળના કોષોનું વિઘટન કરવામાં આવે તો શેવાળમાંથી લક્ષિત ઉત્પાદનોનું નિષ્કર્ષણ વધુ અસરકારક બને છે. પરંતુ ક્યારેક કોષવિઘટન પોતે જ લક્ષિત ઉત્પાદનને મુક્ત કરે છે અને તેને મેળવવા માટે માત્ર અલગ કરવાની પ્રક્રિયા જરૂરી રહે છે (દા.ત. જૈવઇંધણના ઉત્પાદન માટે શેવાળમાંથી લિપિડનું નિષ્કર્ષણ).
Algae grow lab કોષની અંદરની સામગ્રીને સંપૂર્ણપણે મુક્ત કરીને ઓછા સમયમાં વધુ ઉપજ આપતી અત્યંત કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા સુનિશ્ચિત કરવા માટે તેમની વ્યવસ્થામાં કોષવિઘટન અને નિષ્કર્ષણ માટેની અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલી સંકલિત કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરમાં અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો શેવાળના કોષો ધરાવતા પ્રવાહી માધ્યમમાં કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક તરંગના વારાફરતી આવતા વિરલન તબક્કાઓ દરમિયાન કેવિટેશનના પરપોટા ચોક્કસ કદ સુધી વધે છે, ત્યારબાદ વધુ ઊર્જા અધિશોષિત થઈ શકતી નથી. પરપોટાની વૃદ્ધિના આ મહત્તમ બિંદુએ, સંકોચન તબક્કા દરમિયાન આ પોલાણો ધસી પડે છે. પરપોટાના ધસી પડવાથી દબાણ અને તાપમાનના તફાવતોની આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓ તેમજ આઘાત તરંગો અને પ્રવાહીના શક્તિશાળી જેટ ઉત્પન્ન થાય છે. આ આત્યંતિક બળો કોષોનું વિઘટન કરવા ઉપરાંત તેમની અંદરની સામગ્રીને અસરકારક રીતે ધોઈને પ્રવાહી માધ્યમમાં (દા.ત. પાણી અથવા દ્રાવકોમાં) બહાર કાઢે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક વિઘટનની અસરકારકતા કોષભિત્તિઓની ટકાઉપણાની ક્ષમતા અને સ્થિતિસ્થાપકતા પર ખૂબ આધાર રાખે છે, જે શેવાળની જુદી જુદી જાતોમાં નોંધપાત્ર રીતે બદલાય છે. આથી જ કોષવિઘટનની કાર્યક્ષમતા સોનિકેશન પ્રક્રિયાનાં પરિમાણોથી ખૂબ પ્રભાવિત થાય છે: સૌથી મહત્ત્વપૂર્ણ પરિમાણોમાં કંપવિસ્તાર, દબાણ, સાંદ્રતા અને શ્યાનતા, તેમજ તાપમાનનો સમાવેશ થાય છે. શ્રેષ્ઠ પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે શેવાળની દરેક ચોક્કસ જાત માટે આ પરિમાણો શ્રેષ્ઠ રીતે ગોઠવવાં આવશ્યક છે.
શેવાળની વિવિધ જાતોના કોષવિઘટન અને વિખંડનનાં કેટલાંક ઉદાહરણો નીચે ઉલ્લેખિત લેખોમાં મળી શકે છે:

• Dunnaliella salina અને Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): શેવાળના કોષોનું અલ્ટ્રાસોનિક વિઘટન. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, ખંડ 1433 અંક 1, પૃ. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): શેવાળના કોષવિઘટનની પદ્ધતિઓનું મૂલ્યાંકન અને તુલના: માઇક્રોવેવ, જળસ્નાન, બ્લેન્ડર, અલ્ટ્રાસોનિક અને લેસર ઉપચાર. Applied Energy, March 2013, ખંડ 103, પૃષ્ઠો 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): શેવાળના જૈવભારના એકલ પાચન પર કોષવિઘટનની વિવિધ તકનીકોનો પ્રભાવ. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, સ્વીડન.
• Schizochytrium limacinum અને Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચાર દ્વારા સૂક્ષ્મશેવાળના કોષવિઘટનનું મૂલ્યાંકન. Bioresource Technology 2012, ખંડ 125, પૃ.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer અને Roberto E. Armenta (2011): સૂક્ષ્મશેવાળમાંથી તેલના નિષ્કર્ષણમાં થયેલા વિકાસ. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Pro. Dr. O. Pulz: અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને પેક્ટીન વિઘટિત એન્ઝાઇમ દ્વારા Scotiellopsis Terrestris માટે સેલ વિક્ષેપમાં સુધારો. નેચરસ્ટોફકેમી.

પ્રક્રિયા

સંવર્ધન પછી, પ્રવાહી માધ્યમમાંથી જૈવભારને અલગ કરવા માટે શેવાળના જૈવભારનો પ્રવાહ સાંદ્રીકરણ ઉપકરણમાં મોકલવામાં આવે છે. સાંદ્રિત દ્રવ્ય સંગ્રહ ટાંકીમાં એકત્રિત કરવામાં આવે છે. અલગ કર્યા પછી, તેલ અને કોષની અંદરની અન્ય સામગ્રી મુક્ત કરવા માટે કોષોનું વિઘટન કરવું આવશ્યક છે. તેથી, સાંદ્રિત જૈવભારને Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણમાંથી પંપ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક પુનઃપરિભ્રમણ વ્યવસ્થા નિર્ધારિત દબાણ હેઠળ કોષોના સાંદ્રિત દ્રવ્યને Hielscher પ્રવાહ કોષમાંથી પસાર કરીને ફરી એકત્રીકરણ ટાંકીમાં પહોંચાડવાનું સુનિશ્ચિત કરે છે. કોષોનું વિઘટન કરવા માટે જરૂરી સમય સુધી પુનઃપરિભ્રમણ ચાલુ રહે છે. વિઘટન પ્રક્રિયા પૂર્ણ થયા પછી, વિઘટિત કોષો ધરાવતા જૈવભારને ઉત્પાદન અલગ કરવાના ઉપકરણમાં પંપ કરવામાં આવે છે, જ્યાં બાકીના અવશેષોમાંથી ઉત્પાદનને અંતિમ રીતે અલગ કરવામાં આવે છે.

જૈવભારના સાંદ્રીકરણ/અલગીકરણ ઉપકરણ અને Hielscher ના 1.5 kW અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર UIP1500hd સાથેનું શેવાળના કોષવિઘટનનું એકમ. ©Algae Grow Lab

વિઘટિત કોષોની ટકાવારીનું માપન

શેવાળના વિઘટનની કાર્યક્ષમતાનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે, ALgae Grow Lab એ વિઘટિત કોષોની ટકાવારી માપવા માટે બે જુદી જુદી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કર્યો હતો:

1. પ્રથમ વિશ્લેષણ પદ્ધતિ ક્લોરોફિલ A, B અને A+B ની પ્રતિદીપ્તિના માપન પર આધારિત છે.
   ધીમી ગતિના અપકેન્દ્રણ દરમિયાન, શેવાળના કોષો અને અવશેષો પાત્રના તળિયે ગોળિકા સ્વરૂપે જમા થશે, પરંતુ મુક્તપણે તરતા ક્લોરોફિલના અવશેષો હજુ પણ ઉપરના પ્રવાહીમાં રહેશે. કોષ અને ક્લોરોફિલની આ ભૌતિક લાક્ષણિકતાઓનો ઉપયોગ કરીને વિઘટિત કોષોની ટકાવારી નક્કી કરી શકાય છે. આ માટે સૌપ્રથમ નમૂનાની કુલ ક્લોરોફિલ પ્રતિદીપ્તિ માપવામાં આવે છે. ત્યારબાદ નમૂનાનું અપકેન્દ્રણ કરવામાં આવે છે. પછી ઉપરના પ્રવાહીની ક્લોરોફિલ પ્રતિદીપ્તિ માપવામાં આવે છે. સમગ્ર નમૂનાની ક્લોરોફિલ પ્રતિદીપ્તિની સરખામણીએ ઉપરના પ્રવાહીની ક્લોરોફિલ પ્રતિદીપ્તિની ટકાવારી લઈને વિઘટિત કોષોની ટકાવારીનો અંદાજ મેળવી શકાય છે. માપનની આ પદ્ધતિ પ્રમાણમાં સચોટ છે, પરંતુ તે દરેક કોષમાં ક્લોરોફિલની સંખ્યા સમાન હોવાની ધારણા કરે છે. કુલ ક્લોરોફિલનું નિષ્કર્ષણ મિથેનોલનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.
2. બીજી વિશ્લેષણ પદ્ધતિમાં, એકત્રિત કરેલા શેવાળના નમૂનામાં કોષઘનતા માપવા માટે પરંપરાગત હીમોસાઇટોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આ પ્રક્રિયા 2 પગલાંમાં કરવામાં આવે છે:

• પ્રથમ, અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઉપચાર પહેલાં એકત્રિત કરેલા શેવાળના નમૂનાની કોષઘનતા માપવામાં આવે છે.
• બીજું, એ જ નમૂનાના સોનિકેશન પછી અવિઘટિત (બાકી રહેલા) કોષોની સંખ્યા માપવામાં આવે છે.
  આ બે માપનનાં પરિણામોના આધારે વિઘટિત કોષોની ટકાવારીની ગણતરી કરવામાં આવે છે.

ચિત્ર.1: વિઘટન પહેલાંના શેવાળ ©Algae Grow Lab

ચિત્ર 2: શેવાળનું વિઘટન: 60 min. સોનિકેશન પછી 50% કોષવિઘટન. ©Algae Grow Lab

ચિત્ર 3: શેવાળનું વિઘટન: 120 min. સોનિકેશન પછી 100% કોષવિઘટન. ©Algae Grow Lab