Algae Grow Lab – Ekstraksi Alga Ultrasonik

Kultivasi Alga

Algae Grow Lab mengembangkan serangkaian fotobioreaktor tubular dan datar untuk kultivasi alga serta proses penghancuran sel secara ultrasonik berbasis prosesor ultrasonik Hielscher yang dilengkapi dengan sel alir.
Diagram alir umum proses tersebut ditampilkan di bawah ini.

Diagram alir ini menampilkan proses kultivasi alga dan produksi minyak alga menggunakan ultrasonikasi. ©Algae Grow Lab

Contoh fotobioreaktor Algae Grow Lab ditampilkan di bawah ini.
Penggunaan panel LED yang memancarkan cahaya pada bagian PAR dari spektrum memungkinkan tercapainya laju pertumbuhan alga maksimum.
Sebagai contoh, setelah inokulasi Chlorella Vulgaris dengan kepadatan awal 0,146 g/L, kami mencapai kepadatan 7,3g/L dalam 7 hari.

Penghancuran Sel Alga dengan Ultrasonikasi

Setelah tahap pertumbuhan alga, sel alga siap untuk perlakuan produksi minyak. Karena isi sel dipisahkan dari lingkungan sekitarnya oleh struktur membran sel, metode disrupsi sel berperan penting dalam pelepasan seluruh materi intraseluler. Membran sel memberikan kekuatan mekanis pada sel dan mempertahankan integritasnya. Sifat elastis membran sel memungkinkan sel menahan perubahan tekanan osmotik yang cepat yang dapat terjadi di lingkungan luarnya.
Baik metode berbantuan ultrasonik maupun gelombang mikro, yang dijelaskan di bawah ini, secara signifikan meningkatkan ekstraksi mikroalga, dengan efisiensi yang lebih tinggi, waktu ekstraksi yang lebih singkat, dan rendemen yang lebih tinggi, serta biaya rendah hingga sedang dan tambahan toksisitas yang dapat diabaikan.
Sering kali, ekstraksi produk sasaran dari alga lebih efektif jika sel alga dihancurkan sebelum ekstraksi. Namun, terkadang penghancuran sel itu sendiri menyebabkan pelepasan produk sasaran, sehingga hanya proses pemisahan yang diperlukan untuk memperolehnya (misalnya ekstraksi lipid dari alga untuk produksi bahan bakar hayati).
Algae Grow Lab mengintegrasikan sistem ultrasonik untuk disrupsi sel dan ekstraksi ke dalam instalasinya untuk memastikan proses yang sangat efisien, yang menghasilkan pelepasan seluruh isi intraseluler sehingga rendemen lebih tinggi dapat dicapai dalam waktu lebih singkat. Di dalam reaktor ultrasonik, gelombang ultrasonik menghasilkan kavitasi dalam media cair yang mengandung sel alga. Gelembung kavitasi tumbuh selama fase perenggangan gelombang ultrasonik yang berlangsung secara bergantian hingga mencapai ukuran tertentu, ketika tidak ada lagi energi yang dapat diserap. Pada titik pertumbuhan gelembung maksimum ini, rongga-rongga tersebut runtuh selama fase kompresi. Keruntuhan gelembung menciptakan kondisi ekstrem berupa perbedaan tekanan dan suhu serta gelombang kejut dan semburan cairan yang kuat. Gaya-gaya ekstrem ini tidak hanya menghancurkan sel, tetapi juga secara efektif membilas keluar isinya ke dalam media cair (misalnya air atau pelarut).
Efektivitas penghancuran ultrasonik sangat bergantung pada ketahanan dan elastisitas dinding sel, yang sangat bervariasi antarstrain alga. Itulah sebabnya efisiensi penghancuran sel sangat dipengaruhi oleh parameter proses sonikasi: Parameter terpenting adalah amplitudo, tekanan, konsentrasi & viskositas, serta suhu. Parameter-parameter ini harus dioptimalkan untuk setiap strain alga tertentu guna memastikan efisiensi pemrosesan yang optimal.
Beberapa contoh disrupsi sel dan disintegrasi berbagai strain alga dapat ditemukan dalam artikel-artikel yang dikutip di bawah ini:

• Dunnaliella salina dan Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic disruption of algae cells. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluasi dan perbandingan metode disrupsi sel alga: Perlakuan dengan gelombang mikro, penangas air, blender, ultrasonik, dan laser. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Pengaruh berbagai teknik disrupsi sel terhadap pencernaan anaerobik biomassa alga sebagai substrat tunggal. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum dan Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer and Roberto E. Armenta (2011): Perkembangan dalam ekstraksi minyak dari mikroalga. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Peningkatan disrupsi sel Scotiellopsis terrestris menggunakan ultrasonik dan enzim pengurai pektin. Naturstoffchemie.

Proses

Setelah kultivasi, aliran biomassa alga dialirkan ke perangkat pemekatan untuk memisahkan biomassa dari media cair. Konsentrat dikumpulkan di dalam tangki penyimpanan. Setelah pemisahan, sel harus didisrupsi untuk melepaskan minyak dan materi intraseluler lainnya. Oleh karena itu, biomassa yang telah dipekatkan dipompa melalui perangkat ultrasonik Hielscher. Instalasi resirkulasi ultrasonik memastikan resirkulasi konsentrat sel pada tekanan yang ditentukan melalui sel alir Hielscher kembali ke tangki penampungan. Resirkulasi berlangsung selama waktu yang diperlukan untuk menghancurkan sel. Setelah proses penghancuran selesai, biomassa dengan sel yang telah hancur dipompa ke perangkat pemisahan produk, tempat berlangsungnya pemisahan akhir produk dari sisa fragmen sel.

Unit penghancuran sel alga dengan perangkat pemekatan/ pemisahan biomassa dan prosesor ultrasonik UIP1500hd 1,5 kW dari Hielscher. ©Algae Grow Lab

Pengukuran persentase sel yang hancur

Untuk mengevaluasi efisiensi pemecahan sel alga, Algae Grow Lab menggunakan dua metodologi berbeda untuk mengukur persentase sel yang hancur:

1. Metode analisis pertama didasarkan pada pengukuran fluoresensi klorofil A, B, dan A+B.
   Selama sentrifugasi berkecepatan rendah, sel alga dan fragmen sel akan membentuk pelet di dasar wadah, tetapi sisa klorofil yang mengambang bebas akan tetap berada dalam supernatan. Dengan memanfaatkan karakteristik fisik sel dan klorofil ini, persentase sel yang pecah dapat ditentukan. Hal ini dilakukan dengan terlebih dahulu mengukur fluoresensi klorofil total suatu sampel. Kemudian, sampel disentrifugasi. Setelah itu, fluoresensi klorofil dalam supernatan diukur. Dengan menghitung persentase fluoresensi klorofil dalam supernatan terhadap fluoresensi klorofil seluruh sampel, persentase sel yang pecah dapat diperkirakan. Bentuk pengukuran ini cukup akurat, tetapi mengasumsikan bahwa jumlah klorofil per sel seragam. Ekstraksi klorofil total dilakukan menggunakan metanol.
2. Untuk metode analisis kedua, hemositometri klasik digunakan untuk mengukur kepadatan sel dalam sampel alga yang dipanen. Prosedur ini dilakukan dalam 2 langkah:

• Pertama, kepadatan sel dalam sampel alga yang dipanen diukur sebelum perlakuan ultrasonik.
• Kedua, jumlah sel yang tidak hancur (tersisa) setelah sonikasi pada sampel yang sama diukur.
  Berdasarkan hasil kedua pengukuran ini, persentase sel yang hancur dihitung.

Gbr.1: Alga Sebelum Penghancuran ©Algae Grow Lab

Gbr 2: Disrupsi alga: disrupsi sel sebesar 50% setelah sonikasi selama 60 min. ©Algae Grow Lab

Gbr 3: Disrupsi alga: disrupsi sel sebesar 100% setelah sonikasi selama 120 min. ©Algae Grow Lab