Laboratorij za uzgoj algi – Ultrazvučna ekstrakcija algi

uzgoj algi

Algae Grow Lab je razvio niz cjevastih i ravnih fotobioreaktora za uzgoj algi kao i proces ultrazvučnog uništavanja stanica temeljen na Hielscher ultrazvučnim procesorima opremljenim protočnim ćelijama.
Opći dijagram toka procesa prikazan je u nastavku.

Dijagram toka prikazuje proces uzgoja algi i proizvodnju ulja od algi korištenjem ultrazvučne obrade. ©Algae Grow Lab

Primjeri fotobioreaktora Algae Grow Lab prikazani su u nastavku.
Korištenje LED panela koji emitiraju svjetlost u PAR dijelu spektra omogućuje postizanje maksimalne stope rasta algi.
Na primjer, nakon inokulacije Chlorella vulgaris s početnom gustoćom od 0,146 g/L postigli smo gustoću od 7,3 g/L u 7 dana.

Uništavanje stanica algi ultrazvukom

Nakon stadija rasta algi, stanica alge je zrela za tretman proizvodnje ulja. Budući da je stanični sadržaj odvojen od okolnog okoliša strukturom staničnih membrana, metoda razbijanja stanica je značajna u pogledu oslobađanja cjelokupnog unutarstaničnog materijala. Stanična membrana osigurava mehaničku čvrstoću stanice i čuva njenu cjelovitost. Elastična svojstva stanične membrane omogućuju stanicama da izdrže brze promjene osmotskog tlaka koje se mogu pojaviti u njihovom vanjskom okruženju.
I ultrazvuk i metode potpomognute mikrovalovima, koje su opisane u nastavku, značajno poboljšavaju ekstrakciju mikroalgi, uz veću učinkovitost, smanjeno vrijeme ekstrakcije i povećane prinose, kao i niske do umjerene troškove i zanemarivu dodatnu toksičnost.
Vrlo često je ekstrakcija ciljnih produkata iz algi učinkovitija ako se stanice alge unište prije ekstrakcije. Ali ponekad, samo uništavanje stanica dovodi do oslobađanja ciljnog produkta, a za njegovo dobivanje potreban je samo proces odvajanja (npr. ekstrakcija lipida iz algi za proizvodnju biogoriva).
Laboratorij za uzgoj algi integrira ultrazvučni sustav za razbijanje i ekstrakciju stanica u svoju postavu kako bi se osigurao visoko učinkovit proces kojim se postiže potpuno oslobađanje unutarstaničnog sadržaja, a time i veći prinosi u kraćem vremenu. U ultrazvučnom reaktoru ultrazvučni valovi stvaraju kavijaciju u tekućem mediju koji sadrži stanice algi. Kavitacijski mjehurići rastu tijekom izmjeničnih faza razrjeđivanja ultrazvučnog vala dok ne postignu određenu veličinu, kada se više energije ne može adsorbirati. Na ovoj najvećoj točki rasta mjehurića, praznine se kolabiraju tijekom faze kompresije. Kolaps mjehurića stvara ekstremne uvjete razlika tlaka i temperature, kao i udarne valove i jake mlaznice tekućine. Ove ekstremne sile ne samo da uništavaju stanice, već i učinkovito ispiru njihov sadržaj u tekući medij (npr. vodu ili otapala).
Učinkovitost ultrazvučne destrukcije uvelike ovisi o trajnosti i elastičnosti staničnih stijenki, koja se značajno razlikuje između pojedinih sojeva algi. To je razlog zašto na učinkovitost uništavanja stanica jako utječu parametri procesa sonifikacije: najvažniji parametri su amplituda, tlak, koncentracija & viskoznosti i temperature. Ovi parametri moraju biti optimizirani za svaki pojedini soj algi kako bi se osigurala optimalna učinkovitost obrade.
Neki primjeri poremećaja stanica i dezintegracije različitih sojeva algi mogu se pronaći u dolje citiranim člancima:

• Dunnaliella salina i Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; Joyce, EM; Mason, TJ (2012.): Ultrazvučno razbijanje stanica algi. Zbornik radova AIP konferencije; 24.5.2012., sv. 1433 Broj 1, str. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013.): Evaluacija i usporedba metoda uništavanja stanica algi: mikrovalna pećnica, vodena kupelj, miješalica, ultrazvučni i laserski tretman. Primijenjena energija, ožujak 2013., sv. 103, stranice 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011.): Utjecaj različitih tehnika razbijanja stanica na monodigestiju biomase algi. Svjetski kongres obnovljivih izvora energije 2011., Bioenergy Technologies, 8.-12. svibnja 2011., Švedska.
• Schizochytrium limacinum i Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012.): Evaluacija poremećaja stanica mikroalgi ultrazvučnim tretmanom. Tehnologija bioresursa 2012., sv. 125, str.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer i Roberto E. Armenta (2011.): Razvoj ekstrakcije ulja iz mikroalgi. European 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 koncentraciju kako bi se biomasa odvojila od tekućeg medija. Koncentrat se skuplja u spremniku. Nakon odvajanja, stanice se moraju poremetiti kako bi se oslobodilo ulje i drugi unutarstanični materijal. Stoga se koncentrirana biomasa pumpa kroz Hielscher ultrazvučni uređaj. Ultrazvučna postavka recirkulacije osigurava recirkulaciju koncentrata stanica pod danim tlakom kroz Hielscherovu protočnu ćeliju natrag u akumulacijski spremnik. Recirkulacija traje vrijeme potrebno za uništavanje stanica. Po završetku procesa destrukcije, biomasa s uništenim stanicama se pumpa u uređaj za separaciju produkta, gdje dolazi do konačnog odvajanja produkta od preostalog otpada.

Jedinica za uništavanje stanica algi s uređajem za koncentraciju/odvajanje biomase i Hielscherovim ultrazvučnim procesorom UIP1500hd od 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Mjerenje postotka uništenih stanica

Za procjenu učinkovitosti lomljenja algi, ALgae Grow Lab koristio je dvije različite metodologije za mjerenje postotka uništenih stanica:

1. Prva metoda analize temelji se na mjerenju fluorescencije klorofila A, B i A+B.
   Tijekom sporog centrifugiranja, stanice algi i krhotine će se taložiti na dnu spremnika, ali će ostaci slobodnog plutajućeg klorofila i dalje ostati u supernatantu. Pomoću ovih fizičkih karakteristika stanice i klorofila može se utvrditi postotak razbijenih stanica. To se postiže najprije mjerenjem ukupne fluorescencije klorofila uzorka. Zatim se uzorak centrifugira. Nakon toga se mjeri fluorescencija klorofila supernatanta. Uzimanjem postotka fluorescencije klorofila u supernatantu i fluorescencije klorofila ukupnog uzorka, može se napraviti procjena postotka razbijenih stanica. Ovaj oblik mjerenja prilično je točan, ali pretpostavlja da je broj klorofila po stanici ujednačen. Ukupna ekstrakcija klorofila izvedena je metanolom.
2. Za drugu metodu analize korištena je klasična hemocitometrija za mjerenje gustoće stanica u ubranom uzorku algi. Postupak se provodi u 2 koraka:

• Prvo se mjeri gustoća stanica uzorka ubranih algi prije tretmana ultrazvukom.
• Drugo, mjeri se broj neuništenih (preostalih) stanica nakon sonifikacije istog uzorka.
  Na temelju rezultata ova dva mjerenja izračunava se postotak uništenih stanica.

Slika 1: Alge prije uništenja ©Algae Grow Lab

Slika 2: Ometanje algi: 50% ometanja stanica nakon 60 min. sonikacija. ©Algae Grow Lab

Slika 3: Ometanje algi: 100% ometanje stanica nakon 120 min. sonikacija. ©Algae Grow Lab