Algae Grow Lab – מיצוי אצות באולטרסאונד

גידול אצות

Algae Grow Lab פיתחה סדרה של פוטוביוריאקטורים צינוריים ושטוחים לגידול אצות, וכן תהליך לפירוק תאים באולטרסאונד המבוסס על מעבדים אולטרסוניים של Hielscher המצוידים בתאי זרימה.
תרשים הזרימה הכללי של התהליך מוצג להלן.

תרשים הזרימה מציג את תהליך גידול האצות והפקת שמן מאצות באמצעות אולטרסאונד. ©Algae Grow Lab

דוגמאות לפוטוביוריאקטורים של Algae Grow Lab מוצגות להלן.
השימוש בלוחות LED הפולטים אור בתחום PAR של הספקטרום מאפשר להשיג קצב גידול מרבי של אצות.
לדוגמה, לאחר זריעה של Chlorella Vulgaris בצפיפות התחלתית של 0.146 g/L, השגנו צפיפות של 7.3g/L בתוך 7 ימים.

פירוק תאי אצות באמצעות אולטרסאונד

לאחר שלב גידול האצות, תאי האצות מוכנים לטיפול להפקת שמן. מאחר שתכולת התא מופרדת מהסביבה המקיפה אותו באמצעות מבנה המורכב מקרומי תאים, לשיטת פירוק התאים יש חשיבות לשחרור מלוא החומר התוך־תאי. קרום התא מעניק לתא חוזק מכני ושומר על שלמותו. התכונות האלסטיות של קרום התא מאפשרות לתאים לעמוד בשינויים המהירים בלחץ האוסמוטי העלולים להתרחש בסביבתם החיצונית.
הן שיטות בסיוע אולטרסאונד והן שיטות בסיוע מיקרוגל, המתוארות להלן, משפרות במידה ניכרת את המיצוי ממיקרו־אצות, עם יעילות גבוהה יותר, זמני מיצוי קצרים יותר ותפוקות מוגדלות, וכן עלויות נמוכות עד בינוניות ותוספת זניחה של רעילות.
לעיתים קרובות מאוד, מיצוי תוצרי המטרה מאצות יעיל יותר אם תאי האצות מפורקים לפני המיצוי. אולם לעיתים פירוק התאים עצמו מוביל לשחרור תוצר המטרה, ורק תהליך ההפרדה נדרש כדי לקבלו (למשל, מיצוי ליפידים מאצות להפקת דלק ביולוגי).
Algae grow lab משלבת במערך שלה מערכת אולטרסונית לפירוק תאים ולמיצוי כדי להבטיח תהליך יעיל ביותר המשיג שחרור מלא של התכולה התוך־תאית, ובכך תפוקות גבוהות יותר בזמן קצר יותר. בריאקטור האולטרסוני, גלים אולטרסוניים יוצרים קוויטציה בתווך הנוזלי המכיל את תאי האצות. בועות הקוויטציה גדלות במהלך שלבי הקלישה המתחלפים של הגל האולטרסוני, עד שהן מגיעות לגודל מסוים שבו לא יכולה עוד להיספח אנרגיה נוספת. בנקודת שיא זו של גדילת הבועות, החללים קורסים במהלך שלב דחיסה. קריסת הבועות יוצרת תנאים קיצוניים של הפרשי לחץ וטמפרטורה, וכן גלי הלם וסילוני נוזל חזקים. כוחות קיצוניים אלה לא רק מפרקים את התאים, אלא גם שוטפים ביעילות את תכולתם אל התווך הנוזלי (למשל, מים או ממסים).
יעילות הפירוק האולטרסוני תלויה במידה רבה בעמידות ובאלסטיות של דופנות התאים, המשתנות במידה ניכרת בין זני האצות השונים. זו הסיבה לכך שיעילות פירוק התאים מושפעת מאוד מהפרמטרים של תהליך הסוניקציה: הפרמטרים החשובים ביותר הם משרעת, לחץ, ריכוז וצמיגות, וטמפרטורה. יש למטב פרמטרים אלה עבור כל זן אצות מסוים כדי להבטיח יעילות עיבוד מיטבית.
ניתן למצוא כמה דוגמאות לפירוק ולהתפוררות תאים של זני אצות שונים במאמרים המצוטטים להלן:

• Dunnaliella salina ו־Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): פירוק תאי אצות באולטרסאונד. 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): הערכה והשוואה של שיטות לפירוק תאי אצות: טיפול במיקרוגל, באמבט מים, בבלנדר, באולטרסאונד ובלייזר. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): השפעת טכניקות שונות לפירוק תאים על עיכול ביומסת אצות כמצע יחיד. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum ו־Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): הערכת פירוק תאי מיקרו־אצות באמצעות טיפול אולטרסוני. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer and Roberto E. Armenta (2011): התפתחויות במיצוי שמן ממיקרו־אצות. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: שיפור הפרעה התאית עבור Scotiellopsis terrestris באמצעות אולטרסאונד ואנזים מפורק פקטין. Naturstoffchemie.

התהליך

לאחר הגידול, זרם הביומסה של האצות מוזן למתקן הריכוז כדי להפריד את הביומסה מהתווך הנוזלי. התרכיז נאסף במכל האחסון. לאחר ההפרדה, יש לפרק את התאים כדי לשחרר את השמן וחומר תוך־תאי אחר. לכן, הביומסה המרוכזת נשאבת דרך מכשיר אולטרסוני של Hielscher. מערך הסחרור האולטרסוני מבטיח את סחרור תרכיז התאים בלחץ הנתון דרך תא הזרימה של Hielscher בחזרה למכל האגירה. הסחרור נמשך למשך הזמן הנדרש לפירוק התאים. עם השלמת תהליך הפירוק, הביומסה המכילה את התאים המפורקים נשאבת למתקן הפרדת התוצר, שבו מתבצעת ההפרדה הסופית של התוצר משאריות הפסולת.

יחידה לפירוק תאי אצות עם מתקן לריכוז/הפרדת ביומסה ומעבד אולטרסוני UIP1500hd של Hielscher בהספק 1.5 kW. ©Algae Grow Lab

מדידת אחוז התאים המפורקים

כדי להעריך את יעילות פירוק האצות, השתמשה ALgae Grow Lab בשתי מתודולוגיות שונות למדידת אחוז התאים המפורקים:

1. שיטת האנליזה הראשונה מבוססת על מדידת הפלואורסצנציה של כלורופיל A, B ו־A+B.
   במהלך צנטריפוגה במהירות סיבוב נמוכה, תאי האצות ושברי התאים ישקעו בתחתית הכלי, אך שאריות של כלורופיל הצף בחופשיות עדיין יישארו בנוזל העליון. באמצעות מאפיינים פיזיקליים אלה של התא והכלורופיל ניתן לקבוע את אחוז התאים המפורקים. לשם כך מודדים תחילה את הפלואורסצנציה הכוללת של הכלורופיל בדגימה. לאחר מכן הדגימה עוברת צנטריפוגה. בהמשך מודדים את פלואורסצנציית הכלורופיל בנוזל העליון. חישוב האחוז של פלואורסצנציית הכלורופיל בנוזל העליון ביחס לפלואורסצנציית הכלורופיל בדגימה כולה מאפשר להעריך את אחוז התאים המפורקים. צורת מדידה זו מדויקת למדי, אך מניחה שכמות הכלורופיל בכל תא אחידה. מיצויי כלל הכלורופיל בוצעו באמצעות מתנול.
2. בשיטת האנליזה השנייה נעשה שימוש בהמוציטומטריה הקלאסית למדידת צפיפות התאים בדגימת האצות שנקצרו. ההליך מתבצע ב־2 שלבים:

• תחילה נמדדת צפיפות התאים בדגימת האצות שנקצרו לפני הטיפול באולטרסאונד.
• לאחר מכן נמדד מספר התאים שלא פורקו (התאים הנותרים) לאחר סוניקציה של אותה דגימה.
  על סמך תוצאות שתי המדידות האלה מחושב אחוז התאים המפורקים.

תמונה 1: אצות לפני פירוק ©Algae Grow Lab

תמונה 2: פירוק אצות: פירוק של 50% מהתאים לאחר 60 דקות סוניקציה. ©Algae Grow Lab

תמונה 3: פירוק אצות: פירוק של 100% מהתאים לאחר 120 דקות סוניקציה. ©Algae Grow Lab