Algatermesztő laboratórium – Ultrahangos alga extrakció

algák termesztése

Az Algae Grow Lab kifejlesztett egy sor cső alakú és lapos fotobioreaktort az algák termesztésére, valamint a sejtek ultrahangos megsemmisítésének folyamatát a Hielscher ultrahangos processzorok alapján, amelyek áramlási cellákkal vannak felszerelve.
A folyamat általános folyamatábrája az alábbiakban látható.

A folyamatábra az algák termesztésének és az algaolaj-termelés folyamatát mutatja ultrahangos kezeléssel. ©Algatermesztő laboratórium

Az alábbiakban bemutatjuk az Algae Grow Lab fotobioreaktorok példáit.
A spektrum PAR részében fényt kibocsátó LED panelek használata lehetővé teszi az algák maximális növekedési ütemének elérését.
Például a 0,146 g/l kezdeti sűrűségű Chlorella Vulgaris beoltása után 7 nap alatt elértük a 7,3 g/l sűrűséget.

Az algák sejtjeinek megsemmisítése ultrahanggal

Az alganövekedési stadion után az algasejt megérett az olajtermelő kezelésre. Mivel a sejttartalmat a környező környezettől sejtmembránok szerkezete választja el, a sejtzavar módszer jelentős a teljes intracelluláris anyag felszabadulása szempontjából. A sejtmembrán mechanikai szilárdságot biztosít a sejtnek és megőrzi integritását. A sejtmembrán rugalmas tulajdonságai lehetővé teszik a sejtek számára, hogy ellenálljanak az ozmotikus nyomás gyors változásainak, amelyek külső környezetükben előfordulhatnak.
Mind az ultrahang, mind a mikrohullámú módszerrel segített módszerek, amelyeket az alábbiakban ismertetünk, jelentősen javítják a mikroalgák kivonását, nagyobb hatékonysággal, csökkentett extrakciós idővel és megnövelt hozammal, valamint alacsony vagy közepes költségekkel és elhanyagolható hozzáadott toxicitással.
Nagyon gyakran a céltermékek kivonása az algákból hatékonyabb, ha az algasejteket az extrakció előtt megsemmisítik. Néha azonban maga a sejtpusztulás vezet a céltermék felszabadulásához, és csak az elválasztási folyamatra van szükség annak eléréséhez (pl. lipidek kivonása algákból bioüzemanyag előállításához).
Az algatermesztő laboratórium integrálja az ultrahangos rendszert a sejtek megzavarására és extrakciójára a beállításukba, hogy biztosítsa a rendkívül hatékony folyamatot, amely az intracelluláris tartalom teljes felszabadulását és ezáltal rövidebb idő alatt magasabb hozamot ér el. Az ultrahangos reaktorban az ultrahangos hullámok kaviatációt hoznak létre az algasejteket tartalmazó folyékony közegben. A kavitációs buborékok az ultrahangos hullám váltakozó ritkasági fázisaiban nőnek, amíg el nem érnek egy bizonyos méretet, amikor további energiát nem lehet adszorbeálni. A buboréknövekedés ezen maximális pontján az üregek összeomlanak a kompressziós fázis alatt. A buborék összeomlása szélsőséges körülményeket teremt a nyomás és a hőmérséklet különbségei, valamint a lökéshullámok és az erős folyadéksugarak között. Ezek a szélsőséges erők nemcsak elpusztítják a sejteket, hanem hatékonyan kimossák tartalmukat a folyékony közegbe (pl. Víz vagy oldószerek).
Az ultrahangos megsemmisítés hatékonysága erősen függ a sejtfalak tartósságától és rugalmasságától, amely jelentősen változik az egyes algatörzsek között. Ez az oka annak, hogy a sejtpusztulás hatékonyságát nagymértékben befolyásolják a szonifikációs folyamat paraméterei: A legfontosabb paraméterek az amplitúdó, a nyomás, a koncentráció & viszkozitás és hőmérséklet. Ezeket a paramétereket minden egyes algatörzsre optimalizálni kell az optimális feldolgozási hatékonyság biztosítása érdekében.
Néhány példa a különböző algatörzsek sejtzavarására és szétesésére az alább idézett cikkekben található:

• Dunnaliella salina és Nannochloropsis oculata: P. M. király, Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, TJ (2012): Az algasejtek ultrahangos megzavarása. AIP konferencia eljárásai; 2012.05.24., 1433. évf. 1. szám, 237. o.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Az algasejt-megszakítási módszerek értékelése és összehasonlítása: Mikrohullámú sütő, vízfürdő, turmixgép, ultrahangos és lézeres kezelés. Applied Energy, 2013. március, 103. kötet, 128–134. oldal.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Különböző sejtzavar-technikák hatása az alga biomassza mono emésztésére. Megújuló Energia Világkongresszus, 2011, Bioenergy Technologies, 2011. május 8-12., Svédország.
• Schizochytrium limacinum és Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): A mikroalgák sejtzavarának értékelése ultrahangos kezeléssel. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer és Roberto E. Armenta (2011): A mikroalgákból történő olajkitermelés fejleményei. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: A Scotiellopsis terrestris sejtzavarának javítása ultrahang és pektinnel lebontott enzim segítségével. Naturstoffchemie.

Folyamat

A tenyésztés után az algák biomasszaáramát a koncentrációs készülékbe táplálják, hogy elválasszák a biomasszát a folyékony közegtől. A koncentrátum felhalmozódik a tárolótartályban. Az elválasztás után a sejteket meg kell szakítani az olaj és más intracelluláris anyag felszabadításához. Ezért a koncentrált biomasszát egy Hielscher ultrahangos készüléken keresztül szivattyúzzák. Az ultrahangos recirkulációs beállítás biztosítja a sejtkoncentrátum recirkulációját az adott nyomás alatt a Hielscher áramlási cellán keresztül vissza a felhalmozódási tartályba. A recirkuláció a sejtek elpusztításához szükséges ideig tart. Amikor a megsemmisítési folyamat befejeződött, az elpusztult sejtekkel ellátott biomassza szivattyúzik a termékelválasztó eszközbe, ahol a termék végső elválasztása a maradék törmelékből történik.

Algasejt-megsemmisítő egység biomassza-koncentrációval / elválasztó eszközzel és Hielscher 1.5 kW-os ultrahangos processzorával UIP1500hd. ©Algatermesztő laboratórium

Az elpusztult sejtek százalékos arányának mérése

Az algák törésének hatékonyságának értékeléséhez az ALgae Grow Lab két különböző módszert használt az elpusztult sejtek százalékos arányának mérésére:

1. Az első elemzési módszer a klorofill A, B és A + B fluoreszcencia mérésén alapul.
   A lassú spinű centrifugálás során az algasejtek és a törmelék pelletet képez a recipiens alján, de a szabadon lebegő klorofill maradékai továbbra is a felülúszóban maradnak. A sejt és a klorofill ezen fizikai jellemzőinek felhasználásával megállapítható a törött sejtek százalékos aránya. Ezt úgy érjük el, hogy először megmérjük a minta teljes klorofill fluoreszcenciáját. Ezután a mintát centrifugáljuk. Ezután megmérjük a felülúszó klorofill fluoreszcenciáját. Ha a felülúszó klorofill fluoreszcenciájának százalékos arányát a teljes minta klorofill fluoreszcenciájához vesszük, meg lehet becsülni a törött sejtek százalékos arányát. Ez a mérési forma meglehetősen pontos, de feltételezi, hogy a sejtenkénti klorofill száma egyenletes. A teljes klorofill extrakciót metanollal végeztük.
2. A második elemzési módszerhez a klasszikus hemocitometriát használtuk a betakarított algaminta sejtsűrűségének mérésére. Az eljárást 2 lépésben hajtják végre:

• Először a betakarított algaminta sejtsűrűségét mérjük meg az ultrahangkezelés előtt.
• Másodszor, megmérjük a nem elpusztult (maradó) sejtek számát ugyanazon minta szonifikációja után.
  E két mérés eredményei alapján kiszámítják az elpusztult sejtek százalékos arányát.

1. kép: Algák a pusztulás ©előtt Algatermesztő Laboratórium

2. kép: Algák zavara: 50% sejtzavar 60 perc ultrahangos kezelés után. ©Algatermesztő laboratórium

3. kép: Algák zavara: 100% sejtzavar után 120 perc ultrahangos kezelés. ©Algatermesztő laboratórium