Algae Grow Lab – Ekstraksi Alga Ultrasonik

Budidaya Alga

Algae Grow Lab mengembangkan serangkaian tubular dan fotobioreaktor datar untuk penanaman alga serta proses penghancuran sel dengan proses ultrasonik Hielscher yang dilengkapi dengan sel aliran / flow cell
Diagram dibawah ini menunjukkan aliran yang mum / general flow suatu proses.

Diagram menampilakan aliran proses budidaya ganggang dan produksi minyak ganggang yang menggunakan ultrasonication. © Algae Grow Lab

Beriku contoh fotobioreaktor dari Algae Grow Lab di bawah ini.
Penggunaan panel LED yang memancarkan cahaya di bagian PAR spektrum memungkinkan untuk mencapai tingkat pertumbuhan alga maksimum.
Sebagai contoh, setelah inokulasi Chlorella vulgaris dengan densitas awal 0.146 g/L kita mencapai kepadatan 7.3 g/L dalam 7 hari.

Kerusakan Sel Alga oleh Ultrasonifikasi

Setelah stadium pertumbuhan alga, maka sel alga sudah matang untuk pengolahan produksi minyak. Karena kandungan sel dipisahkan dari lingkungan sekitar oleh struktur membran sel yang tersusun, metode gangguan sel signifikan terhadap pelepasan bahan intraselular lengkap. Membran sel memberi kekuatan mekanik pada sel dan menjaga integritasnya. Sifat elastis membran sel memungkinkan sel untuk menahan perubahan cepat tekanan osmotik yang mungkin terjadi di lingkungan luarnya.
Ultrasound dan mikrowave metode, yang akan dijelaskan di bawah, meningkatkan ekstraksi Mikroalgae secara signifikan, dengan efisiensi tinggi, ekstraksi mengurangi waktu dan meningkatkan hasil panen, serta rendah biaya dan tambahkan toksisita dapat diabaikan.
Sangat sering ekstraksi dari alga lebih efektif jika sel alga dihancurkan sebelum ekstraksi untuk target produkt. Tapi terkadang, penghancuran sel tersebut menyebabkan pelepasan target produk yang diinginkan, dan hanya proses pemisahan yang diperlukan untuk mendapatkannya (misalnya ekstraksi lipid dari alga untuk produksi biofuel).
Algae Grow Lab menintegrasikan sistem ultrasonik untuk gangguan sel dan ekstraksi ke dalam penyiapannya untuk memastikan proses yang sangat efisien untuk mencapai pelepasan lengkap kandungan intraselular dan dengan demikian menghasilkan hasil yang lebih tinggi dalam waktu yang lebih singkat. Dalam reaktor ultrasonik, gelombang ultrasonik menciptakan kavitasi di media cair yang mengandung sel alga. Gelembung kavitasi tumbuh selama fase penciutan dari gelombang ultrasonik sampai mencapai ukuran tertentu, bila tidak ada lagi energi lebih lanjut yang dapat diadsorpsi. Pada titik maksimum pertumbuhan gelembung ini, serta rongga runtuh selama fase kompresi. Keruntuhan gelembung menciptakan kondisi ekstrim dari perbedaan tekanan dan suhu serta gelombang kejut akibat pancaran cairan yang kuat. Kekuatan ekstrim ini tidak hanya menghancurkan sel, tapi juga secara efektif membersihkan isinya ke media cair (misalnya air atau pelarut).
Efektivitas penghancuran ultrasonik sangat tergantung pada daya tahan dan elastisitas dinding sel, yaitu tegangnya yang bervariasi antara individu ganggang. Inilah alasan mengapa efisiensi penghancuran sel sangat dipengaruhi oleh parameter proses sonifikasi: parameter yang paling penting adalah amplitudo, tekanan, konsentrasi & viskositas dan suhu. Parameter tersebut harus dioptimalkan untuk setiap tegangan tertentu dari alga untuk menjamin efisiensi optimal dalam pengolahan.
Beberapa contoh gangguan sel dan disintegrasi berbeda dari tegangan alaga dapat ditemukan di artikel yang dikutip di bawah ini:

• Dunnaliella salina and 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): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influence of different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum and 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): Developments in oil extraction from microalgae. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Improvement of cell disruption for Scotiellopsis terrestris by means of ultrasound and a pectin decomposed enzyme. Naturstoffchemie.

Proses

Setelah kultivasi, aliran biomassa alga diumpankan ke alat konsentrasi untuk memisahkan biomassa dari media cair. Konsentratnya terakumulasi di tangki penyimpanan. Setelah pemisahan, sel-sel harus terganggu untuk melepaskan minyak dan bahan intraselular lainnya. Oleh karena itu, biomassa terkonsentrasi dipompa melalui perangkat ultrasonik Hielscher. Penyiapan resirkulasi ultrasonik memastikan resirkulasi konsentrat sel di bawah tekanan yang diberikan melalui sel aliran / flow cell Hielscher kembali ke tangki akumulasi. Resirkulasi berlangsung selama waktu yang dibutuhkan untuk menghancurkan sel. Ketika proses penghancuran selesai, biomassa dengan sel yang hancur dipompa ke perangkat pemisahan produk, di mana pemisahan akhir produk dari puing yang sisa terjadi.

Unit penghancur sel alga dengan alat pemisah / pemisahan biomassa dan prosesor ultrasonik 1,5 kW UHS1500hd Hielscher. © Algae Grow Lab

Pengukuran persentase sel yang rusak

Untuk evaluasi efisiensi kerusakan alga, ALgae Grow Lab menggunakan dua metodologi yang berbeda untuk mengukur persentase sel yang hancur:

1. Metode analisis pertama didasarkan pada pengukuran klorofil A, B, dan A B fluoresensi.
   Selama perputaran sentrifugasi yang lambat, sel alga dan serpihanakan meletup di bagian bawah penerima, namun sisa klorofil terapung bebas masih serta akan tetap berada dalam supernatan. Dengan menggunakan karakteristik fisik sel dan klorofil ini, persentase sel-sel yang rusak dapat dipastikan. Hal ini dilakukan dengan mengukur terlebih dahulu total fluoresensi klorofil dari sebuah sampel. Kemudian sampel disentrifugasi. Setelah itu, fluoresensi klorofil supernatan diukur. Dengan mengambil persentase fluoresensi klorofil dalam supernatan terhadap fluoresensi klorofil dari total sampel, perkiraan persentase sel yang rusak dapat dibuat. Bentuk pengukuran ini cukup akurat, namun membuat anggapan bahwa jumlah klorofil per selnya seragam. Total ekstraksi klorofil dilakukan dengan menggunakan metanol.
2. Untuk metode analisis kedua, hemocytometry klasik telah digunakan untuk mengukur kerapatan sel pada sampel alga yang dipanen. Prosedur dilakukan dalam 2 langkah:

• Pertama, kepadatan sel sampel alga yang dipanen dicker Sebelum pengolahan ultrasound.
• Kedua, jumlah sel yang tidak hancur (tersisa) setelah sonikasi sampel yang sama diukur.
  Berdasarkan hasil kedua pengukuran, persentase sel yang hancur dihitung.

Pic.1: Alga sebelum penghancuran © Algae Grow Lab

Pic 2: Gangguan Alga: 50% sel gangguan setelah 60menit sonikasi. © Algae Grow Lab

Pic 3: Ganguan alga: gangguan sel 100% setelah sonikasi 120 menit. © Algae Grow Lab