מעבדה לגידול אצות – מיצוי אצות אולטראסוני

גידול אצות

Algae Grow Lab פיתחה סדרה של פוטו-ביוריאקטורים צינוריים ושטוחים לגידול אצות וכן תהליך של הרס תאים על-קולי המבוסס על מעבדים על-קוליים של Hielscher המצוידים בתאי זרימה.
דיאגרמת הזרימה הכללית של התהליך מוצגת להלן.

תרשים הזרימה מציג את תהליך גידול האצות וייצור שמן האצות באמצעות אולטרה-סוניקציה. ©מעבדה לגידול אצות

דוגמאות לפוטוביוריאקטורים של Algae Grow Lab מוצגות להלן.
השימוש בלוחות LED הפולטים אור בחלק PAR של ספקטרום מאפשר להשיג קצב גידול מקסימלי של אצות.
לדוגמה, לאחר חיסון של Chlorella Vulgaris עם צפיפות התחלתית של 0.146 גרם / ליטר הגענו לצפיפות של 7.3g / L בתוך 7 ימים.

הרס תאי אצות על ידי אולטרה-סאונד

לאחר אצטדיון גידול האצות, תאי האצות בשלים לטיפול בהפקת נפט. מכיוון שתכולת התא מופרדת מהסביבה על ידי מבנה של קרומי תאים מורכבים, שיטת שיבוש התא משמעותית לגבי שחרור החומר התוך-תאי השלם. קרום התא מספק חוזק מכני לתא ושומר על שלמותו. התכונות האלסטיות של קרום התא מאפשרות לתאים לעמוד בשינויים המהירים בלחץ האוסמוטי שעלולים להתרחש בסביבתם החיצונית.
הן שיטות אולטרסאונד והן שיטות בסיוע מיקרוגל, המתוארות להלן, משפרות את מיצוי המיקרו-אצות באופן משמעותי, עם יעילות גבוהה יותר, זמני מיצוי קצרים יותר ותשואות מוגברות, כמו גם עלויות נמוכות עד בינוניות ורעילות נוספת זניחה.
לעתים קרובות מיצוי תוצרי המטרה מאצות יעיל יותר אם תאי האצות נהרסים לפני המיצוי. אבל לפעמים, הרס התאים עצמו מוביל לשחרור תוצר המטרה, ורק תהליך ההפרדה נדרש כדי לקבל אותו (למשל מיצוי שומנים מאצות לייצור דלק ביולוגי).
מעבדת גידול אצות משלבת מערכת על-קולית לשיבוש וחילוץ תאים בהקמתם כדי להבטיח תהליך יעיל ביותר המשיג שחרור מלא של תוכן תוך תאי ובכך יבול גבוה יותר בזמן קצר יותר. בכור העל-קולי, גלים על-קוליים יוצרים קביאטציה במצע הנוזלי המכיל את תאי האצות. בועות הקוויטציה גדלות במהלך שלבי הרפרקציה לסירוגין של הגל העל-קולי עד שהן מגיעות לגודל מסוים, כאשר לא ניתן לספוג אנרגיה נוספת. בנקודה מקסימלית זו של צמיחת הבועה, החללים קורסים במהלך שלב הדחיסה. קריסת הבועה יוצרת תנאים קיצוניים של הפרשי לחץ וטמפרטורה וכן גלי הלם וסילוני נוזלים חזקים. כוחות קיצוניים אלה לא רק הורסים את התאים, אלא גם שוטפים ביעילות את תכולתם למדיה נוזלית (למשל מים או ממסים).
יעילות ההרס העל-קולי תלויה מאוד בעמידות ובגמישות של דפנות התא, המשתנה במידה ניכרת בין זני האצות הבודדים. זו הסיבה מדוע יעילות הרס התא מושפעת מאוד מהפרמטרים של תהליך הסוניפיקציה: הפרמטרים החשובים ביותר הם משרעת, לחץ, ריכוז & צמיגות, וטמפרטורה. פרמטרים אלה חייבים להיות מותאמים לכל זן מסוים של אצות כדי להבטיח את יעילות העיבוד האופטימלית.
כמה דוגמאות לשיבוש תאים והתפוררות של זני אצות שונים ניתן למצוא במאמרים המצוטטים להלן:

• Dunnaliella salina ו Nannochloropsis oculata: המלך P.M., Nowotarski K.; ג'ויס, א.מ.; מייסון, טי ג'יי (2012): הפרעה קולית של תאי אצות. דיוני ועידת AIP; 24/5/2012, כרך 1433 גיליון 1, עמ' 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): הערכה והשוואה של שיטות שיבוש תאי אצות: מיקרוגל, אמבט מים, בלנדר, טיפול קולי ולייזר. אנרגיה יישומית, מרץ 2013, כרך 103, עמודים 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): השפעת טכניקות שונות של שיבוש תאים על עיכול מונו של ביומסה אצות. הקונגרס העולמי לאנרגיה מתחדשת 2011, טכנולוגיות ביו-אנרגיה, 8-12 במאי 2011, שבדיה.
• Schizochytrium limacinum ו- Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): הערכה של הפרעה בתאי מיקרו-אצות על ידי טיפול קולי. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: פאולה מרסר ורוברטו א. ארמנטה (2011): התפתחויות בהפקת 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.

תהליך

לאחר הגידול, זרם הביומסה של האצות מוזן למכשיר הריכוז כדי להפריד את הביומסה מהמדיה הנוזלית. התרכיז נצבר במיכל האחסון. לאחר ההפרדה, יש לשבש את התאים כדי לשחרר את השמן וחומר תוך תאי אחר. לכן, הביומסה המרוכזת נשאבת באמצעות מכשיר קולי Hielscher. מערך המחזור הקולי מבטיח את מחזור התא להתרכז בלחץ נתון דרך תא זרימת היילשר בחזרה למיכל הצבירה. מחזור נמשך הזמן הדרוש כדי להרוס תאים. כאשר תהליך ההרס הושלם, הביומסה עם התאים שנהרסו שואבת למכשיר הפרדת המוצר, שם מתרחשת ההפרדה הסופית של המוצר מהפסולת הנותרת.

יחידת השמדת תאי אצות עם התקן ריכוז/הפרדת ביומסה ומעבד אולטרסוני 1.5 קילוואט UIP1500hd של Hielscher. ©מעבדה לגידול אצות

מדידת אחוז התאים שנהרסו

לצורך הערכת היעילות של שבירת האצות, ALgae Grow Lab השתמשה בשתי מתודולוגיות שונות כדי למדוד את אחוז התאים שהושמדו:

1. שיטת הניתוח הראשונה מבוססת על מדידת פלואורסצנטיות הכלורופיל A, B ו-A+B.
   במהלך צנטריפוגה של סיבוב איטי, תאי אצות ופסולת יזלגו בתחתית הנמען, אך מנוחות של כלורופיל צף חופשי עדיין יישארו בסופרנטנט. באמצעות מאפיינים פיזיקליים אלה של התא והכלורופיל, ניתן לברר את אחוז התאים השבורים. זה מושג על ידי מדידת ראשית את פלואורסצנטיות הכלורופיל הכוללת של דגימה. לאחר מכן, הדגימה היא צנטריפוגה. לאחר מכן, נמדדת פלואורסצנטיות הכלורופיל של הסופרנאטנט. על ידי לקיחת אחוז פלואורסצנטיות הכלורופיל בסופרנאטנט לפלואורסצנטיות הכלורופיל של כלל הדגימה, ניתן לבצע הערכה לאחוז התאים השבורים. צורת מדידה זו מדויקת למדי, אך יוצאת מנקודת הנחה שמספר הכלורופיל לתא אחיד. סה"כ מיצוי כלורופיל בוצע באמצעות מתנול.
2. עבור שיטת הניתוח השנייה, ההמוציטומטריה הקלאסית שימשה למדידת צפיפות התאים בדגימת האצות שנקטפו. ההליך מתבצע בשני שלבים:

• ראשית, צפיפות התאים של דגימת האצות שנקטפו לפני טיפול האולטרסאונד נמדדת.
• שנית, נמדד מספר התאים שלא נהרסו (שנותרו) לאחר סוניפיקציה של אותה דגימה.
  בהתבסס על התוצאות של שתי מדידות אלה, אחוז התאים ההרוסים מחושב.

תמונה 1: אצות לפני השמדה ©מעבדה לגידול אצות

תמונה 2: הפרעה באצות: 50% הפרעה לתאים לאחר 60 דקות. ©מעבדה לגידול אצות

תמונה 3: הפרעה באצות: 100% הפרעה בתאים לאחר 120 דקות. סוניקציה. ©מעבדה לגידול אצות