Algae Grow Lab – Ultrazvučna ekstrakcija algi

Uzgoj algi

Algae Grow Lab razvio je niz cjevastih i ravnih fotobioreaktora za uzgoj algi te postupak ultrazvučnog razaranja stanica koji se temelji na ultrazvučnim procesorima Hielscher opremljenima protočnim ćelijama.
Opći dijagram toka postupka prikazan je u nastavku.

Dijagram toka prikazuje postupak uzgoja algi i proizvodnje ulja iz algi primjenom sonikacije. ©Algae Grow Lab

Primjeri fotobioreaktora tvrtke Algae Grow Lab prikazani su u nastavku.
Upotreba LED panela koji emitiraju svjetlost u PAR dijelu spektra omogućuje postizanje maksimalne brzine rasta algi.
Primjerice, nakon inokulacije alge Chlorella Vulgaris s početnom gustoćom od 0,146 g/L postigli smo gustoću od 7,3g/L u 7 dana.

Razaranje stanica algi sonikacijom

Nakon faze rasta algi, stanice algi spremne su za obradu radi proizvodnje ulja. Budući da je stanični sadržaj od okolnog medija odvojen strukturom sastavljenom od staničnih membrana, metoda razaranja stanica važna je za oslobađanje cjelokupnog unutarstaničnog materijala. Stanična membrana stanici pruža mehaničku čvrstoću i čuva njezin integritet. Elastična svojstva stanične membrane omogućuju stanicama da izdrže brze promjene osmotskog tlaka koje se mogu pojaviti u njihovoj vanjskoj okolini.
I ultrazvučne metode i metode potpomognute mikrovalovima, koje su opisane u nastavku, znatno poboljšavaju ekstrakciju iz mikroalgi, uz veću učinkovitost, kraće vrijeme ekstrakcije i veće prinose te niske do umjerene troškove i zanemarivu dodatnu toksičnost.
Vrlo često ekstrakcija ciljanih proizvoda iz algi učinkovitija je ako se stanice algi razore prije ekstrakcije. No ponekad samo razaranje stanica dovodi do oslobađanja ciljanog proizvoda te je za njegovo dobivanje potreban samo postupak odvajanja (npr. ekstrakcija lipida iz algi za proizvodnju biogoriva).
Algae grow lab u svoje postrojenje integrira ultrazvučni sustav za razaranje stanica i ekstrakciju kako bi osigurao vrlo učinkovit postupak kojim se postiže potpuno oslobađanje unutarstaničnog sadržaja, a time i veći prinosi u kraćem vremenu. U ultrazvučnom reaktoru ultrazvučni valovi stvaraju kavitaciju u tekućem mediju koji sadrži stanice algi. Kavitacijski mjehurići rastu tijekom naizmjeničnih faza razrjeđivanja ultrazvučnog vala dok ne dosegnu određenu veličinu pri kojoj se više ne može adsorbirati dodatna energija. U toj točki maksimalnog rasta mjehurića šupljine kolabiraju tijekom faze kompresije. Kolaps mjehurića stvara ekstremne razlike u tlaku i temperaturi te udarne valove i snažne mlazove tekućine. Te ekstremne sile ne samo da razaraju stanice nego i učinkovito ispiru njihov sadržaj u tekući medij (npr. vodu ili otapala).
Učinkovitost ultrazvučnog razaranja snažno ovisi o otpornosti i elastičnosti staničnih stijenki, koje se znatno razlikuju među pojedinim sojevima algi. Zbog toga parametri postupka sonikacije uvelike utječu na učinkovitost razaranja stanica: najvažniji parametri su amplituda, tlak, koncentracija i viskoznost te temperatura. Ti se parametri moraju optimizirati za svaki pojedini soj algi kako bi se osigurala optimalna učinkovitost obrade.
Neki primjeri razaranja i dezintegracije stanica različitih sojeva algi mogu se pronaći u člancima navedenima u nastavku:

• Dunnaliella salina i Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrazvučno razaranje stanica algi. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, sv. 1433, br. 1, str. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Procjena i usporedba metoda razaranja stanica algi: obrada mikrovalovima, vodenom kupelji, miješalicom, ultrazvukom i laserom. Applied Energy, March 2013, sv. 103, str. 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Utjecaj različitih tehnika razaranja stanica na monodigestiju biomase algi. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum i Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Procjena razaranja stanica mikroalgi ultrazvučnom obradom. Bioresource Technology 2012, sv. 125, str. 175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer i Roberto E. Armenta (2011): Razvoj postupaka ekstrakcije ulja iz mikroalgi. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, dr. N. Hempel, L. Dombrowski, prof. dr. O. Pulz: Poboljšanje razaranja stanica za Scotiellopsis terrestris pomoću ultrazvuka i enzima koji razgrađuje pektin. Naturstoffchemie.

Postupak

Nakon uzgoja tok biomase algi dovodi se u uređaj za koncentriranje kako bi se biomasa odvojila od tekućeg medija. Koncentrat se nakuplja u spremniku za pohranu. Nakon odvajanja stanice se moraju razoriti kako bi se oslobodili ulje i drugi unutarstanični materijali. Stoga se koncentrirana biomasa pumpa kroz ultrazvučni uređaj Hielscher. Ultrazvučni recirkulacijski sustav osigurava recirkulaciju staničnog koncentrata pod zadanim tlakom kroz protočnu ćeliju Hielscher natrag u sabirni spremnik. Recirkulacija traje onoliko koliko je potrebno za razaranje stanica. Nakon završetka postupka razaranja biomasa s razorenim stanicama pumpa se u uređaj za odvajanje proizvoda, u kojem se proizvod konačno odvaja od preostalih ostataka.

Jedinica za razaranje stanica algi s uređajem za koncentriranje/odvajanje biomase i ultrazvučnim procesorom Hielscher UIP1500hd snage 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Mjerenje postotka razorenih stanica

Za procjenu učinkovitosti razaranja algi ALgae Grow Lab upotrijebio je dvije različite metodologije za mjerenje postotka razorenih stanica:

1. Prva metoda analize temelji se na mjerenju fluorescencije klorofila A, B i A+B.
   Tijekom centrifugiranja pri maloj brzini stanice algi i stanični ostaci talože se na dnu posude, dok ostaci slobodno plutajućeg klorofila ostaju u supernatantu. Na temelju tih fizikalnih svojstava stanica i klorofila može se utvrditi postotak razorenih stanica. To se postiže tako da se najprije izmjeri ukupna fluorescencija klorofila u uzorku. Zatim se uzorak centrifugira. Nakon toga mjeri se fluorescencija klorofila u supernatantu. Izražavanjem fluorescencije klorofila u supernatantu kao postotka fluorescencije klorofila u cijelom uzorku može se procijeniti postotak razorenih stanica. Taj je oblik mjerenja prilično točan, ali pretpostavlja da je količina klorofila po stanici jednaka. Ekstrakcije ukupnog klorofila provedene su upotrebom metanola.
2. U drugoj metodi analize upotrijebljena je klasična hemocitometrija za mjerenje gustoće stanica u uzorku prikupljenih algi. Postupak se provodi u 2 koraka:

• Najprije se mjeri gustoća stanica u uzorku prikupljenih algi prije ultrazvučne obrade.
• Zatim se mjeri broj nerazorenih (preostalih) stanica nakon sonikacije istog uzorka.
  Na temelju rezultata tih dvaju mjerenja izračunava se postotak razorenih stanica.

Sl.1: Alge prije razaranja ©Algae Grow Lab

Sl. 2: Razaranje algi: 50% razorenih stanica nakon 60 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab

Sl. 3: Razaranje algi: 100% razorenih stanica nakon 120 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab