Algae Grow Lab – Ultrahangos algaextrakció

Algatermesztés

Az Algae Grow Lab csöves és sík fotobioreaktorok sorozatát fejlesztette ki algatermesztéshez, valamint egy ultrahangos sejtfeltárási eljárást, amely átfolyó cellákkal felszerelt Hielscher ultrahangos processzorokon alapul.
Az eljárás általános folyamatábrája alább látható.

A folyamatábra az algatermesztés és az algaolaj ultrahangos kezeléssel történő előállításának folyamatát mutatja be. ©Algae Grow Lab

Az Algae Grow Lab fotobioreaktoraira alább láthatók példák.
A spektrum PAR-tartományában fényt kibocsátó LED-panelek használata lehetővé teszi az algák maximális növekedési sebességének elérését.
Például a Chlorella Vulgaris 0,146 g/L kezdeti sűrűségű beoltása után 7 nap alatt 7,3g/L sűrűséget értünk el.

Algasejtek feltárása ultrahangos kezeléssel

Az algák növekedési szakasza után az algasejtek készen állnak az olaj előállítását szolgáló kezelésre. Mivel a sejttartalmat egy sejtmembránokból álló szerkezet választja el a környezettől, a sejtfeltárási módszer jelentős szerepet játszik a teljes sejten belüli anyag felszabadításában. A sejtmembrán mechanikai szilárdságot biztosít a sejtnek, és megőrzi annak épségét. A sejtmembrán rugalmas tulajdonságai lehetővé teszik, hogy a sejtek ellenálljanak az ozmotikus nyomás gyors változásainak, amelyek a külső környezetükben előfordulhatnak.
Mind az ultrahanggal, mind a mikrohullámmal támogatott, alább ismertetett módszerek jelentősen javítják a mikroalgák extrakcióját: nagyobb hatékonyságot, rövidebb extrakciós időt és nagyobb hozamot eredményeznek, alacsony vagy mérsékelt költségek és elhanyagolható többlettoxicitás mellett.
A céltermékek algákból történő extrakciója nagyon gyakran hatékonyabb, ha az algasejteket az extrakció előtt feltárják. Néha azonban maga a sejtfeltárás is felszabadítja a célterméket, és annak kinyeréséhez csak az elválasztási folyamatra van szükség (például lipidek algákból történő kinyerésekor bioüzemanyag előállításához).
Az Algae grow lab ultrahangos sejtfeltáró és extrakciós rendszert épít be a berendezésébe, hogy rendkívül hatékony eljárást biztosítson, amely a sejten belüli tartalom teljes felszabadításával rövidebb idő alatt nagyobb hozamot eredményez. Az ultrahangos reaktorban az ultrahanghullámok kavitációt hoznak létre az algasejteket tartalmazó folyékony közegben. A kavitációs buborékok az ultrahanghullám váltakozó ritkulási fázisai során növekednek, amíg el nem érnek egy bizonyos méretet, amelynél már nem adszorbeálódhat további energia. A buboréknövekedés ezen maximális pontján az üregek egy összenyomási fázis során összeomlanak. A buborékok összeomlása szélsőséges nyomás- és hőmérséklet-különbségeket, valamint lökéshullámokat és erős folyadéksugarakat hoz létre. Ezek a szélsőséges erők nemcsak feltárják a sejteket, hanem tartalmukat is hatékonyan kimossák a folyékony közegbe (például vízbe vagy oldószerekbe).
Az ultrahangos sejtfeltárás hatékonysága nagymértékben függ a sejtfalak ellenálló képességétől és rugalmasságától, amelyek az egyes algatörzsek között jelentősen eltérnek. Ezért a sejtfeltárás hatékonyságát nagymértékben befolyásolják az ultrahangos kezelés paraméterei: a legfontosabb paraméterek az amplitúdó, a nyomás, a koncentráció és a viszkozitás, valamint a hőmérséklet. Ezeket a paramétereket minden egyes algatörzs esetében optimalizálni kell az optimális feldolgozási hatékonyság biztosítása érdekében.
A különböző algatörzsek sejtfeltárására és szétdarabolására néhány példa található az alább idézett cikkekben:

• Dunnaliella salina és Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Algasejtek ultrahangos feltárása. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, 1433. kötet, 1. szám, 237. o.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Algasejt-feltárási módszerek értékelése és összehasonlítása: mikrohullámú, vízfürdős, turmixgépes, ultrahangos és lézeres kezelés. Applied Energy, March 2013, 103. kötet, 128–134. o.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Különböző sejtfeltárási technikák hatása az algabiomassza önálló anaerob lebontására. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Svédország.
• Schizochytrium limacinum és Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikroalgák ultrahangos kezeléssel történő sejtfeltárásának értékelése. Bioresource Technology 2012, 125. kötet, 175–81. o.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer és Roberto E. Armenta (2011): Fejlesztések a mikroalgákból történő olajextrakció területén. 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.

Eljárás

A termesztés után az algabiomassza-áramot a sűrítőberendezésbe vezetik, hogy a biomasszát elválasszák a folyékony közegtől. A koncentrátumot a tárolótartályban gyűjtik össze. Az elválasztás után a sejteket fel kell tárni az olaj és az egyéb sejten belüli anyagok felszabadításához. Ezért a sűrített biomasszát egy Hielscher ultrahangos berendezésen szivattyúzzák át. Az ultrahangos recirkulációs rendszer biztosítja a sejtkoncentrátum visszakeringetését az adott nyomáson, a Hielscher átfolyó cellán keresztül a gyűjtőtartályba. A visszakeringetés a sejtek feltárásához szükséges ideig tart. A sejtfeltárási folyamat befejezése után a feltárt sejteket tartalmazó biomasszát a termékelválasztó berendezésbe szivattyúzzák, ahol a terméket véglegesen elválasztják a visszamaradt törmeléktől.

Algasejt-feltáró egység biomassza-sűrítő/-elválasztó berendezéssel és a Hielscher 1,5 kW teljesítményű UIP1500hd ultrahangos processzorával. ©Algae Grow Lab

A feltárt sejtek százalékos arányának mérése

Az algasejtek feltárási hatékonyságának értékeléséhez az ALgae Grow Lab két különböző módszert alkalmazott a feltárt sejtek százalékos arányának mérésére:

1. Az első elemzési módszer a klorofill A, B és A+B fluoreszcenciájának mérésén alapul.
   Kis fordulatszámú centrifugálás során az algasejtek és a törmelék az edény alján üledéket képeznek, a szabadon lebegő klorofill maradványai azonban továbbra is a felülúszóban maradnak. A sejtek és a klorofill ezen fizikai tulajdonságai alapján megállapítható a feltárt sejtek százalékos aránya. Ehhez először megmérik a minta teljes klorofill-fluoreszcenciáját. Ezután a mintát centrifugálják. Ezt követően megmérik a felülúszó klorofill-fluoreszcenciáját. A felülúszó klorofill-fluoreszcenciájának a teljes minta klorofill-fluoreszcenciájához viszonyított százalékos arányából megbecsülhető a feltárt sejtek százalékos aránya. Ez a mérési módszer meglehetősen pontos, de feltételezi, hogy a sejtenkénti klorofillszám azonos. A teljes klorofill extrakcióját metanollal végezték.
2. A második elemzési módszerben klasszikus hemocitometriát alkalmaztak a sejtsűrűség mérésére a betakarított algamintában. Az eljárást 2 lépésben végzik:

• Először megmérik a betakarított algaminta sejtsűrűségét az ultrahangos kezelés előtt.
• Másodszor megmérik a fel nem tárt (megmaradt) sejtek számát ugyanannak a mintának az ultrahangos kezelése után.
  E két mérés eredménye alapján kiszámítják a feltárt sejtek százalékos arányát.

1. kép: Algák sejtfeltárás előtt ©Algae Grow Lab

2. kép: Algák sejtfeltárása: 50%-os sejtfeltárás 60 min. ultrahangos kezelés után. ©Algae Grow Lab

3. kép: Algák sejtfeltárása: 100%-os sejtfeltárás 120 min. ultrahangos kezelés után. ©Algae Grow Lab