Coltivazione di alghe

Algae Grow Lab ha sviluppato una serie di fotobioreattori tubolari e piatti per la coltivazione delle alghe e un processo di distruzione cellulare ad ultrasuoni basato su processori ad ultrasuoni Hielscher dotati di celle a flusso.
Il diagramma di flusso generale del processo è riportato di seguito.

Il diagramma di flusso mostra il processo di coltivazione delle alghe e la produzione di olio di alghe mediante ultrasuoni. Laboratorio di coltivazione delle alghe

Di seguito sono presentati alcuni esempi di fotobioreattori Algae Grow Lab.
L'utilizzo dei pannelli LED che emettono luce nella parte PAR dello spettro permette di ottenere il massimo tasso di crescita delle alghe.
Ad esempio, dopo l'inoculo di Chlorella Vulgaris con la densità iniziale di 0,146 g/L abbiamo raggiunto la densità di 7,3g/L in 7 giorni.

Distruzione delle cellule algali per ultrasonificazione

Dopo lo stadio di crescita delle alghe, le cellule di alghe sono mature per il trattamento di produzione dell'olio. Poiché il contenuto cellulare è separato dall'ambiente circostante da una struttura di membrane cellulari, il metodo di distruzione cellulare è significativo per quanto riguarda il rilascio dell'intero materiale intracellulare. La membrana cellulare fornisce resistenza meccanica alla cella e ne preserva l'integrità. Le proprietà elastiche della membrana cellulare consentono alle cellule di resistere ai rapidi cambiamenti di pressione osmotica che possono verificarsi nell'ambiente esterno.
Sia i metodi ad ultrasuoni che quelli a microonde, descritti di seguito, migliorano significativamente l'estrazione delle microalghe, con una maggiore efficienza, tempi di estrazione ridotti e rese più elevate, nonché costi da bassi a moderati e una tossicità aggiuntiva trascurabile.
Molto spesso l'estrazione dei prodotti di destinazione dalle alghe è più efficace se le cellule algali vengono distrutte prima dell'estrazione. Ma a volte, la distruzione cellulare stessa porta al rilascio del prodotto di destinazione, e solo il processo di separazione è necessario per ottenerlo (ad esempio, l'estrazione di lipidi dalle alghe per la produzione di biocarburanti).
Il laboratorio di coltivazione delle alghe integra un sistema ad ultrasuoni per la distruzione e l'estrazione delle cellule nella loro configurazione per garantire un processo altamente efficiente, ottenendo un rilascio completo del contenuto intracellulare e quindi rese più elevate in tempi più brevi. Nel reattore ad ultrasuoni, le onde ultrasoniche creano la caviatazione nel liquido che contiene le cellule algali. Le bolle di cavitazione crescono durante le fasi alternate di rarefazione dell'onda ultrasonica fino a raggiungere una certa dimensione, quando non è possibile assorbire ulteriore energia. A questo punto massimo di crescita della bolla, i vuoti crollano durante la fase di compressione. Il collasso della bolla crea condizioni estreme di differenziali di pressione e temperatura, nonché onde d'urto e forti getti di liquidi. Queste forze estreme non solo distruggono le cellule, ma anche lavare efficacemente il loro contenuto nel liquido (ad esempio acqua o solventi).
L'efficacia della distruzione ad ultrasuoni dipende fortemente dalla durata e dall'elasticità delle pareti cellulari, che varia notevolmente tra i singoli ceppi di alghe. Questo è il motivo per cui l'efficienza della distruzione delle cellule è fortemente influenzata dai parametri del processo di sonificazione: I parametri più importanti sono l'ampiezza, la pressione, la concentrazione & viscosità e temperatura. Questi parametri devono essere ottimizzati per ogni particolare ceppo di alghe per garantire l'efficienza di lavorazione ottimale.
Alcuni esempi di disgregazione cellulare e disintegrazione di diversi ceppi di alghe si possono trovare negli articoli citati di seguito:

• Dunnaliella salina e Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Interruzione ultrasonica delle cellule algali. Atti della conferenza AIP; 5/24/2012, vol. 1433, edizione 1, pag. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Valutazione e confronto dei metodi di distruzione delle cellule algali: Trattamento a microonde, bagno d'acqua, frullatore, ultrasuoni e laser. Applied Energy, marzo 2013, Vol. 103, pagine 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influenza di diverse tecniche di distruzione cellulare sulla mono digestione della biomassa algale. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 maggio 2011, Svezia.
• Schizochytrium limacinum e Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Valutazione della rottura delle cellule di microalghe mediante trattamento ad ultrasuoni. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer e Roberto E. Armenta (2011): Sviluppi nell'estrazione petrolifera da microalghe. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Miglioramento della distruzione cellulare per Scotiellopsis terrestris per mezzo di ultrasuoni e di un enzima decomposto di pectina. Naturstoffchemie.

Processo

Dopo la coltivazione, il flusso di biomassa algale viene alimentato al dispositivo di concentrazione per separare la biomassa dai mezzi liquidi. Il concentrato viene accumulato nel serbatoio di stoccaggio. Dopo la separazione, le cellule devono essere interrotte per rilasciare l'olio e altro materiale intracellulare. Pertanto, la biomassa concentrata viene pompata attraverso un dispositivo ad ultrasuoni Hielscher. Il sistema di ricircolo ad ultrasuoni assicura il ricircolo del concentrato della cella sotto la pressione data attraverso la cella di flusso Hielscher per tornare al serbatoio di accumulo. Il ricircolo dura il tempo necessario per distruggere le cellule. Al termine del processo di distruzione, la biomassa con le celle distrutte viene pompata al dispositivo di separazione del prodotto, dove avviene la separazione finale del prodotto dai detriti rimanenti.

Unità di distruzione delle cellule di alghe con dispositivo di concentrazione/separazione di biomassa e processore ad ultrasuoni Hielscher da 1,5 kW UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Misurazione della percentuale di cellule distrutte

Per la valutazione dell'efficienza della rottura delle alghe, ALgae Grow Lab ha utilizzato due diverse metodologie per misurare la percentuale di cellule distrutte:

1. Il primo metodo di analisi si basa sulla misurazione della fluorescenza della clorofilla A, B e A+B.
   Durante la lenta centrifugazione di centrifugazione, le cellule algali e i detriti si agglomereranno sul fondo del recipiente, ma i resti di clorofilla libera galleggiante rimarranno ancora nel surnatante. Utilizzando queste caratteristiche fisiche della cellula e della clorofilla, è possibile determinare la percentuale di cellule rotte. Questo si ottiene misurando innanzitutto la fluorescenza clorofilla totale di un campione. Quindi, il campione viene centrifugato. Successivamente, viene misurata la fluorescenza clorofilla del surnatante. Prendendo la percentuale di fluorescenza clorofilla nel surnatante alla fluorescenza clorofilla del campione totale, si può fare una stima della percentuale di cellule rotte. Questa forma di misurazione è abbastanza accurata, ma presuppone che il numero di clorofilla per cella sia uniforme. Le estrazioni totali di clorofilla sono state effettuate utilizzando metanolo.
2. Per il secondo metodo di analisi, l'emocitometria classica è stata utilizzata per misurare la densità cellulare nel campione di alghe raccolte. La procedura si svolge in 2 fasi:

• In primo luogo, la densità cellulare del campione di alghe raccolte prima del trattamento ad ultrasuoni.
• In secondo luogo, viene misurato il numero di cellule non distrutte (rimanenti) dopo la sonificazione dello stesso campione.
  Sulla base dei risultati di queste due misurazioni, viene calcolata la percentuale di cellule distrutte.

Fig.1: Alghe prima della distruzione ©Algae Grow Lab

Foto 2: Interruzione da alghe: 50% di interruzione cellulare dopo 60 min. sonicazione. Laboratorio di coltivazione delle alghe

Foto 3: Interruzione delle alghe: 100% di interruzione cellulare dopo 120 min. sonicazione. Laboratorio di coltivazione delle alghe