Algae Grow Lab – Ջրիմուռների ուլտրաձայնային էքստրակցիա

Ջրիմուռների աճեցում

Algae Grow Lab-ը մշակել է ջրիմուռների աճեցման համար նախատեսված խողովակաձև և հարթ ֆոտոբիոռեակտորների շարք, ինչպես նաև բջիջների ուլտրաձայնային քայքայման գործընթաց՝ հիմնված հոսքային խցիկներով հագեցած Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորների վրա։
Գործընթացի ընդհանուր հոսքային սխեման ներկայացված է ստորև։

Հոսքային սխեման ցույց է տալիս ջրիմուռների աճեցման և ուլտրաձայնային մշակմամբ ջրիմուռներից յուղի ստացման գործընթացը։ ©Algae Grow Lab

Ստորև ներկայացված են Algae Grow Lab-ի ֆոտոբիոռեակտորների օրինակներ։
Սպեկտրի ֆոտոսինթետիկորեն ակտիվ ճառագայթման (PAR) տիրույթում լույս արձակող LED վահանակների օգտագործումը թույլ է տալիս հասնել ջրիմուռների աճի առավելագույն արագությանը։
Օրինակ՝ Chlorella Vulgaris-ի՝ 0,146 g/L սկզբնական խտությամբ ցանքսից հետո մենք 7 օրում հասանք 7,3g/L խտության։

Ջրիմուռների բջիջների քայքայում ուլտրաձայնային մշակմամբ

Ջրիմուռների աճի փուլից հետո դրանց բջիջները պատրաստ են յուղի ստացման համար մշակմանը։ Քանի որ բջջի պարունակությունը շրջակա միջավայրից բաժանված է բջջաթաղանթներից կազմված կառուցվածքով, բջիջների քայքայման մեթոդը կարևոր նշանակություն ունի ամբողջ ներբջջային նյութի ազատման համար։ Բջջաթաղանթը բջջին մեխանիկական ամրություն է հաղորդում և պահպանում դրա ամբողջականությունը։ Բջջաթաղանթի առաձգական հատկությունները բջիջներին թույլ են տալիս դիմակայել օսմոտիկ ճնշման արագ փոփոխություններին, որոնք կարող են տեղի ունենալ դրանց արտաքին միջավայրում։
Ստորև նկարագրված թե՛ ուլտրաձայնային, թե՛ միկրոալիքային օժանդակությամբ մեթոդները զգալիորեն բարելավում են միկրոջրիմուռներից էքստրակցիան՝ ապահովելով ավելի բարձր արդյունավետություն, էքստրակցիայի ավելի կարճ տևողություն և ավելի մեծ ելք, ինչպես նաև ցածրից միջին ծախսեր և աննշան հավելյալ թունավորություն։
Շատ հաճախ ջրիմուռներից նպատակային նյութերի էքստրակցիան ավելի արդյունավետ է, եթե ջրիմուռների բջիջները քայքայվում են էքստրակցիայից առաջ։ Սակայն երբեմն բջիջների քայքայումն ինքնին հանգեցնում է նպատակային նյութի ազատմանը, և այն ստանալու համար անհրաժեշտ է միայն բաժանման գործընթացը (օրինակ՝ կենսավառելիքի արտադրության համար ջրիմուռներից լիպիդների էքստրակցիայի դեպքում)։
Algae grow lab-ն իր կայանքի մեջ ինտեգրում է բջիջների քայքայման և էքստրակցիայի ուլտրաձայնային համակարգ՝ ապահովելու խիստ արդյունավետ գործընթաց, որի ընթացքում ներբջջային պարունակությունն ամբողջությամբ ազատվում է՝ այդպիսով ավելի կարճ ժամանակում ապահովելով ավելի մեծ ելք։ Ուլտրաձայնային ռեակտորում ուլտրաձայնային ալիքները կավիտացիա են առաջացնում ջրիմուռների բջիջներ պարունակող հեղուկ միջավայրում։ Կավիտացիոն պղպջակներն աճում են ուլտրաձայնային ալիքի հերթագայող նոսրացման փուլերի ընթացքում, մինչև հասնում են որոշակի չափի, երբ այլևս էներգիա չի կարող ադսորբվել։ Պղպջակների աճի այս առավելագույն կետում խոռոչները փլուզվում են սեղմման փուլի ընթացքում։ Պղպջակների փլուզումն առաջացնում է ճնշման և ջերմաստիճանի տարբերությունների ծայրահեղ պայմաններ, ինչպես նաև հարվածային ալիքներ և հեղուկի ուժեղ շիթեր։ Այս ծայրահեղ ուժերը ոչ միայն քայքայում են բջիջները, այլև արդյունավետորեն լվանալով դուրս են բերում դրանց պարունակությունը հեղուկ միջավայրի մեջ (օրինակ՝ ջրի կամ լուծիչների)։
Ուլտրաձայնային քայքայման արդյունավետությունը մեծապես կախված է բջջապատերի ամրությունից և առաձգականությունից, որոնք զգալիորեն տարբերվում են ջրիմուռների առանձին շտամների միջև։ Այդ պատճառով բջիջների քայքայման արդյունավետության վրա մեծ ազդեցություն են ունենում ուլտրաձայնային մշակման գործընթացի պարամետրերը։ Ամենակարևոր պարամետրերն են ամպլիտուդը, ճնշումը, կոնցենտրացիան և մածուցիկությունը, ինչպես նաև ջերմաստիճանը։ Այս պարամետրերը պետք է օպտիմալացվեն ջրիմուռների յուրաքանչյուր կոնկրետ շտամի համար՝ մշակման օպտիմալ արդյունավետությունն ապահովելու նպատակով։
Ջրիմուռների տարբեր շտամների բջիջների քայքայման և մասնատման որոշ օրինակներ կարելի է գտնել ստորև հղված հոդվածներում․

• Dunnaliella salina և Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012)․ Ջրիմուռների բջիջների ուլտրաձայնային քայքայում։ AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, հատ. 1433, թողարկում 1, էջ 237։
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013)․ Ջրիմուռների բջիջների քայքայման մեթոդների գնահատում և համեմատություն՝ միկրոալիքային մշակում, ջրային բաղնիք, բլենդեր, ուլտրաձայնային և լազերային մշակում։ Applied Energy, March 2013, հատ. 103, էջեր 128–134։
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011)․ Բջիջների քայքայման տարբեր մեթոդների ազդեցությունը ջրիմուռների կենսազանգվածի մոնոմարսման վրա։ World Renewable Energy Congress 2011, Կենսաէներգետիկ տեխնոլոգիաներ, 8-12 May 2011, Շվեդիա։
• Schizochytrium limacinum և Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012)․ Ուլտրաձայնային մշակմամբ միկրոջրիմուռների բջիջների քայքայման գնահատում։ Bioresource Technology 2012, հատ. 125, էջեր 175–81։
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer և Roberto E. Armenta (2011)․ Միկրոջրիմուռներից յուղի էքստրակցիայի ոլորտի զարգացումները։ Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011։
• Scotiellopsis terrestris. S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz. Scotiellopsis terrestris-ի բջիջների խանգարման բարելավում ուլտրաձայնի և պեկտինի քայքայված ֆերմենտի միջոցով: Naturstoffchemie.

Գործընթաց

Աճեցումից հետո ջրիմուռների կենսազանգվածի հոսքն ուղղվում է խտացման սարք՝ կենսազանգվածը հեղուկ միջավայրից բաժանելու համար։ Խտանյութը կուտակվում է պահեստավորման բաքում։ Բաժանումից հետո բջիջները պետք է քայքայվեն՝ յուղը և մյուս ներբջջային նյութերն ազատելու համար։ Այդ նպատակով խտացված կենսազանգվածը պոմպով մղվում է Hielscher ուլտրաձայնային սարքի միջով։ Ուլտրաձայնային վերաշրջանառության կայանքն ապահովում է բջջային խտանյութի վերաշրջանառությունը՝ տրված ճնշման տակ Hielscher հոսքային խցիկով այն վերադարձնելով կուտակման բաք։ Վերաշրջանառությունը տևում է այնքան ժամանակ, որքան անհրաժեշտ է բջիջները քայքայելու համար։ Երբ քայքայման գործընթացն ավարտվում է, քայքայված բջիջներով կենսազանգվածը պոմպով մղվում է արտադրանքի բաժանման սարք, որտեղ տեղի է ունենում արտադրանքի վերջնական բաժանումը մնացած բջջային բեկորներից։

Ջրիմուռների բջիջների քայքայման հանգույց՝ կենսազանգվածի խտացման/բաժանման սարքով և Hielscher-ի 1,5 kW հզորությամբ UIP1500hd ուլտրաձայնային պրոցեսորով։ ©Algae Grow Lab

Քայքայված բջիջների տոկոսային բաժնի չափում

Ջրիմուռների բջիջների քայքայման արդյունավետությունը գնահատելու համար ALgae Grow Lab-ը կիրառել է երկու տարբեր մեթոդաբանություն՝ քայքայված բջիջների տոկոսային բաժինը չափելու նպատակով․

1. Վերլուծության առաջին մեթոդը հիմնված է A, B և A+B քլորոֆիլի ֆլուորեսցենցիայի չափման վրա։
   Ցածր պտտման արագությամբ ցենտրիֆուգման ընթացքում ջրիմուռների բջիջներն ու բեկորները նստվածք են առաջացնում տարայի հատակին, իսկ ազատ լողացող քլորոֆիլի մնացորդները դեռ մնում են վերնստվածքային հեղուկում։ Օգտագործելով բջջի և քլորոֆիլի այս ֆիզիկական բնութագրերը՝ կարելի է որոշել քայքայված բջիջների տոկոսային բաժինը։ Դրա համար նախ չափվում է նմուշի քլորոֆիլի ընդհանուր ֆլուորեսցենցիան։ Այնուհետև նմուշը ցենտրիֆուգվում է։ Դրանից հետո չափվում է վերնստվածքային հեղուկի քլորոֆիլի ֆլուորեսցենցիան։ Հաշվարկելով վերնստվածքային հեղուկի քլորոֆիլի ֆլուորեսցենցիայի տոկոսային հարաբերությունը ամբողջ նմուշի քլորոֆիլի ֆլուորեսցենցիային՝ կարելի է գնահատել քայքայված բջիջների տոկոսային բաժինը։ Չափման այս եղանակը բավական ճշգրիտ է, սակայն հիմնվում է այն ենթադրության վրա, որ յուրաքանչյուր բջջում քլորոֆիլի քանակը նույնն է։ Քլորոֆիլի ամբողջական էքստրակցիաներն իրականացվել են մեթանոլի օգտագործմամբ։
2. Վերլուծության երկրորդ մեթոդի համար հավաքված ջրիմուռների նմուշում բջիջների խտությունը չափելու նպատակով օգտագործվել է դասական հեմոցիտոմետրիա։ Ընթացակարգն իրականացվում է 2 քայլով․

• Նախ չափվում է հավաքված ջրիմուռների նմուշում բջիջների խտությունը՝ ուլտրաձայնային մշակումից առաջ։
• Այնուհետև չափվում է նույն նմուշի ուլտրաձայնային մշակումից հետո չքայքայված (մնացած) բջիջների թիվը։
  Այս երկու չափումների արդյունքների հիման վրա հաշվարկվում է քայքայված բջիջների տոկոսային բաժինը։

Նկ.1․ Ջրիմուռները քայքայումից առաջ ©Algae Grow Lab

Նկ. 2․ Ջրիմուռների քայքայում․ բջիջների 50% քայքայում՝ 60 min. ուլտրաձայնային մշակումից հետո։ ©Algae Grow Lab

Նկ. 3․ Ջրիմուռների քայքայում․ բջիջների 100% քայքայում՝ 120 min. ուլտրաձայնային մշակումից հետո։ ©Algae Grow Lab