Algae Grow Lab – अल्ट्रासोनिक शैवाल निष्कर्षण

शैवाल संवर्धन

Algae Grow Lab ने शैवाल संवर्धन के लिए नलिकाकार और सपाट फोटोबायोरिएक्टरों की एक श्रृंखला विकसित की है। इसके साथ ही, प्रवाह सेल से सुसज्जित Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों पर आधारित कोशिकाओं के अल्ट्रासोनिक विघटन की एक प्रक्रिया भी विकसित की है।
प्रक्रिया का सामान्य प्रवाह आरेख नीचे दिखाया गया है।

प्रवाह आरेख अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके शैवाल संवर्धन और शैवाल तेल उत्पादन की प्रक्रिया दर्शाता है। ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab के फोटोबायोरिएक्टरों के उदाहरण नीचे प्रस्तुत हैं।
स्पेक्ट्रम के PAR भाग में प्रकाश उत्सर्जित करने वाले LED पैनलों के उपयोग से शैवाल की अधिकतम वृद्धि दर प्राप्त की जा सकती है।
उदाहरण के लिए, 0.146 g/L के प्रारंभिक घनत्व पर Chlorella Vulgaris का संरोपण करने के बाद हमने 7 दिनों में 7.3g/L का घनत्व प्राप्त किया।

अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा शैवाल कोशिकाओं का विघटन

शैवाल की वृद्धि अवस्था के बाद, शैवाल कोशिकाएँ तेल उत्पादन के उपचार के लिए तैयार हो जाती हैं। चूँकि कोशिका की अंतर्वस्तु कोशिका झिल्लियों से बनी संरचना द्वारा आसपास के वातावरण से अलग रहती है, इसलिए समस्त अंतःकोशिकीय पदार्थ को मुक्त करने के लिए कोशिका विघटन की विधि महत्वपूर्ण है। कोशिका झिल्ली कोशिका को यांत्रिक मजबूती प्रदान करती है और उसकी अखंडता बनाए रखती है। कोशिका झिल्ली के प्रत्यास्थ गुण कोशिकाओं को परासरण दाब में होने वाले उन तीव्र परिवर्तनों को सहन करने में सक्षम बनाते हैं, जो उनके बाहरी परिवेश में हो सकते हैं।
नीचे वर्णित अल्ट्रासाउंड और माइक्रोवेव-सहायित दोनों विधियाँ सूक्ष्मशैवाल के निष्कर्षण में उल्लेखनीय सुधार करती हैं। इनसे अधिक दक्षता, कम निष्कर्षण समय और अधिक उपज मिलती है, साथ ही लागत कम से मध्यम रहती है और अतिरिक्त विषाक्तता नगण्य होती है।
बहुत बार, यदि निष्कर्षण से पहले शैवाल कोशिकाओं का विघटन कर दिया जाए, तो शैवाल से वांछित उत्पादों का निष्कर्षण अधिक प्रभावी होता है। लेकिन कभी-कभी कोशिका विघटन से ही वांछित उत्पाद मुक्त हो जाता है और उसे प्राप्त करने के लिए केवल पृथक्करण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है (जैसे जैवईंधन उत्पादन के लिए शैवाल से लिपिड का निष्कर्षण)।
Algae grow lab अपने संयंत्र में कोशिका विघटन और निष्कर्षण के लिए एक अल्ट्रासोनिक प्रणाली एकीकृत करता है, ताकि अत्यधिक दक्ष प्रक्रिया सुनिश्चित हो सके, जिसमें अंतःकोशिकीय अंतर्वस्तु पूरी तरह मुक्त हो और इस प्रकार कम समय में अधिक उपज प्राप्त हो। अल्ट्रासोनिक रिएक्टर में अल्ट्रासोनिक तरंगें शैवाल कोशिकाओं वाले तरल माध्यम में कैविटेशन उत्पन्न करती हैं। अल्ट्रासोनिक तरंग के बारी-बारी से आने वाले विरलन चरणों के दौरान कैविटेशन बुलबुले बढ़ते हैं, जब तक कि वे एक निश्चित आकार तक नहीं पहुँच जाते, जिसके बाद और ऊर्जा अधिशोषित नहीं हो सकती। बुलबुले की वृद्धि के इस अधिकतम बिंदु पर, संपीड़न चरण के दौरान ये गुहाएँ ढह जाती हैं। बुलबुलों के ढहने से दाब और तापमान के अंतर की चरम स्थितियाँ उत्पन्न होती हैं, साथ ही आघात तरंगें और शक्तिशाली तरल जेट भी बनते हैं। ये चरम बल कोशिकाओं का विघटन करने के साथ-साथ उनकी अंतर्वस्तु को प्रभावी ढंग से बाहर निकालकर तरल माध्यम (जैसे पानी या विलायकों) में पहुँचा देते हैं।
अल्ट्रासोनिक विघटन की प्रभावशीलता कोशिका भित्तियों की मजबूती और प्रत्यास्थता पर बहुत अधिक निर्भर करती है, जो शैवाल के अलग-अलग प्रभेदों में काफी भिन्न होती हैं। इसी कारण कोशिका विघटन की दक्षता सोनिकेशन प्रक्रिया के मापदंडों से अत्यधिक प्रभावित होती है: सबसे महत्वपूर्ण मापदंड आयाम, दाब, सांद्रता और श्यानता, तथा तापमान हैं। इष्टतम प्रसंस्करण दक्षता सुनिश्चित करने के लिए शैवाल के प्रत्येक विशिष्ट प्रभेद हेतु इन मापदंडों का अनुकूलन करना आवश्यक है।
शैवाल के विभिन्न प्रभेदों के कोशिका विघटन और विखंडन के कुछ उदाहरण नीचे उद्धृत लेखों में मिल सकते हैं:

• Dunnaliella salina और Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): शैवाल कोशिकाओं का अल्ट्रासोनिक विघटन। 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): शैवाल कोशिका विघटन की विधियों का मूल्यांकन और तुलना: माइक्रोवेव, जल स्नान, ब्लेंडर, अल्ट्रासोनिक और लेज़र उपचार। Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): शैवाल बायोमास के एकल पाचन पर विभिन्न कोशिका विघटन तकनीकों का प्रभाव। World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum और Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): अल्ट्रासोनिक उपचार द्वारा सूक्ष्मशैवाल कोशिका विघटन का मूल्यांकन। Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer और Roberto E. Armenta (2011): सूक्ष्मशैवाल से तेल निष्कर्षण में प्रगति। Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: अल्ट्रासाउंड और एक पेक्टिन विघटित एंजाइम के माध्यम से Scotiellopsis terrestris के लिए सेल व्यवधान में सुधार। Naturstoffchemie।

प्रक्रिया

संवर्धन के बाद, शैवाल बायोमास की धारा को सांद्रण उपकरण में भेजा जाता है, ताकि बायोमास को तरल माध्यम से अलग किया जा सके। सांद्रित पदार्थ को भंडारण टैंक में एकत्र किया जाता है। पृथक्करण के बाद, तेल और अन्य अंतःकोशिकीय पदार्थ को मुक्त करने के लिए कोशिकाओं का विघटन करना आवश्यक है। इसलिए सांद्रित बायोमास को पंप द्वारा Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरण से गुजारा जाता है। अल्ट्रासोनिक पुनःपरिसंचरण व्यवस्था यह सुनिश्चित करती है कि कोशिका सांद्र दिए गए दाब पर Hielscher प्रवाह सेल से होकर वापस संचयन टैंक में पुनःपरिसंचरित हो। पुनःपरिसंचरण कोशिकाओं के विघटन के लिए आवश्यक समय तक चलता है। विघटन प्रक्रिया पूरी होने पर, विघटित कोशिकाओं वाले बायोमास को पंप द्वारा उत्पाद पृथक्करण उपकरण में भेजा जाता है, जहाँ शेष मलबे से उत्पाद का अंतिम पृथक्करण होता है।

बायोमास सांद्रण/ पृथक्करण उपकरण और Hielscher के 1.5 kW अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP1500hd वाली शैवाल कोशिका विघटन इकाई। ©Algae Grow Lab

विघटित कोशिकाओं के प्रतिशत का मापन

शैवाल विघटन की दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए, ALgae Grow Lab ने विघटित कोशिकाओं का प्रतिशत मापने हेतु दो अलग-अलग पद्धतियों का उपयोग किया:

1. पहली विश्लेषण विधि क्लोरोफिल A, B और A+B की प्रतिदीप्ति के मापन पर आधारित है।
   धीमी गति से अपकेंद्रीकरण के दौरान, शैवाल कोशिकाएँ और मलबा पात्र की तली में अवसाद के रूप में जमा हो जाते हैं, लेकिन स्वतंत्र रूप से तैरते क्लोरोफिल के अवशेष अधिप्लावी द्रव में बने रहते हैं। कोशिका और क्लोरोफिल की इन भौतिक विशेषताओं का उपयोग करके विघटित कोशिकाओं का प्रतिशत निर्धारित किया जा सकता है। इसके लिए सबसे पहले नमूने की कुल क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति मापी जाती है। फिर नमूने का अपकेंद्रीकरण किया जाता है। इसके बाद अधिप्लावी द्रव की क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति मापी जाती है। संपूर्ण नमूने की क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति के सापेक्ष अधिप्लावी द्रव की क्लोरोफिल प्रतिदीप्ति का प्रतिशत निकालकर विघटित कोशिकाओं के प्रतिशत का अनुमान लगाया जा सकता है। मापन का यह तरीका काफी सटीक है, लेकिन इसमें यह मान लिया जाता है कि प्रति कोशिका क्लोरोफिल की संख्या समान है। कुल क्लोरोफिल का निष्कर्षण मेथनॉल का उपयोग करके किया गया।
2. दूसरी विश्लेषण विधि में, एकत्रित शैवाल नमूने में कोशिका घनत्व मापने के लिए पारंपरिक हीमोसाइटोमेट्री का उपयोग किया गया है। यह प्रक्रिया 2 चरणों में की जाती है:

• पहले, अल्ट्रासाउंड उपचार से पहले एकत्रित शैवाल नमूने का कोशिका घनत्व मापा जाता है।
• दूसरे, उसी नमूने के सोनिकेशन के बाद अविघटित (शेष) कोशिकाओं की संख्या मापी जाती है।
  इन दोनों मापनों के परिणामों के आधार पर विघटित कोशिकाओं का प्रतिशत निकाला जाता है।

चित्र.1: विघटन से पहले शैवाल ©Algae Grow Lab

चित्र 2: शैवाल विघटन: 60 min. सोनिकेशन के बाद 50% कोशिका विघटन। ©Algae Grow Lab

चित्र 3: शैवाल विघटन: 120 min. सोनिकेशन के बाद 100% कोशिका विघटन। ©Algae Grow Lab