Algae Grow Lab – Estrazione delle alghe mediante ultrasuoni

Coltivazione delle alghe

Algae Grow Lab ha sviluppato una serie di fotobioreattori tubolari e piani per la coltivazione delle alghe, nonché un processo di disgregazione cellulare mediante ultrasuoni basato su processori a ultrasuoni Hielscher dotati di celle di flusso.
Lo schema di flusso generale del processo è riportato di seguito.

Il diagramma di flusso illustra il processo di coltivazione delle alghe e di produzione di olio algale mediante ultrasuoni. ©Algae Grow Lab

Di seguito sono presentati alcuni esempi di fotobioreattori di Algae Grow Lab.
L’utilizzo di pannelli LED che emettono luce nella regione PAR dello spettro consente di raggiungere la massima velocità di crescita delle alghe.
Ad esempio, dopo l’inoculazione di Chlorella Vulgaris con una densità iniziale di 0,146 g/L, abbiamo raggiunto una densità di 7,3g/L in 7 giorni.

Disgregazione delle cellule algali mediante ultrasuoni

Dopo la fase di crescita delle alghe, le cellule algali sono pronte per il trattamento finalizzato alla produzione di olio. Poiché il contenuto cellulare è separato dall’ambiente circostante da una struttura costituita da membrane cellulari, il metodo di disgregazione cellulare è determinante per il rilascio di tutto il materiale intracellulare. La membrana cellulare conferisce resistenza meccanica alla cellula e ne preserva l’integrità. Le proprietà elastiche della membrana cellulare consentono alle cellule di resistere alle rapide variazioni della pressione osmotica che possono verificarsi nell’ambiente esterno.
Sia i metodi assistiti da ultrasuoni sia quelli assistiti da microonde, descritti di seguito, migliorano significativamente l’estrazione dalle microalghe, con maggiore efficienza, tempi di estrazione ridotti e rese più elevate, oltre a costi da bassi a moderati e una tossicità aggiuntiva trascurabile.
Molto spesso l’estrazione dei prodotti desiderati dalle alghe è più efficace se le cellule algali vengono disgregate prima dell’estrazione. Talvolta, tuttavia, la disgregazione cellulare stessa determina il rilascio del prodotto desiderato ed è necessario soltanto il processo di separazione per recuperarlo (ad esempio, l’estrazione di lipidi dalle alghe per la produzione di biocarburanti).
Algae Grow Lab integra nel proprio impianto un sistema a ultrasuoni per la disgregazione cellulare e l’estrazione, così da garantire un processo altamente efficiente che consenta il rilascio completo del contenuto intracellulare e, di conseguenza, rese più elevate in tempi più brevi. Nel reattore a ultrasuoni, le onde ultrasoniche generano cavitazione nel mezzo liquido contenente le cellule algali. Le bolle di cavitazione crescono durante le fasi alternate di rarefazione dell’onda ultrasonica fino a raggiungere una certa dimensione, oltre la quale non possono più assorbire energia. Una volta raggiunto questo punto di massima crescita, le cavità collassano durante una fase di compressione. Il collasso delle bolle genera condizioni estreme di differenze di pressione e temperatura, oltre a onde d’urto e potenti getti di liquido. Queste forze estreme non solo disgregano le cellule, ma ne estraggono anche efficacemente il contenuto, trasferendolo nel mezzo liquido (ad esempio, acqua o solventi).
L’efficacia della disgregazione mediante ultrasuoni dipende fortemente dalla resistenza e dall’elasticità delle pareti cellulari, che variano considerevolmente tra i singoli ceppi algali. Per questo motivo, l’efficienza della disgregazione cellulare è fortemente influenzata dai parametri del processo di sonicazione: i parametri più importanti sono ampiezza, pressione, concentrazione e viscosità, e temperatura. Questi parametri devono essere ottimizzati per ogni specifico ceppo algale per garantire un’efficienza di trattamento ottimale.
Alcuni esempi di disgregazione e disintegrazione cellulare di diversi ceppi algali sono riportati negli articoli citati di seguito:

• Dunnaliella salina e 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): Valutazione e confronto dei metodi di distruzione delle cellule algali: Microonde, bagno d’acqua, frullatore, ultrasuoni e trattamento laser. Applied Energy, marzo 2013, vol. 103, pagg. 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 e 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 e 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: Miglioramento della disgregazione cellulare per Scotiellopsis terrestris mediante ultrasuoni e un enzima di decomposizione della pectina. Naturstoffchemie.

Processo

Dopo la coltivazione, il flusso di biomassa algale viene alimentato al dispositivo di concentrazione per separare la biomassa dal mezzo liquido. Il concentrato viene raccolto nel serbatoio di stoccaggio. Dopo la separazione, le cellule devono essere disgregate per rilasciare l’olio e altro materiale intracellulare. La biomassa concentrata viene quindi pompata attraverso un dispositivo a ultrasuoni Hielscher. L’impianto di ricircolo a ultrasuoni garantisce il ricircolo del concentrato cellulare alla pressione stabilita attraverso la cella di flusso Hielscher, riportandolo al serbatoio di accumulo. Il ricircolo prosegue per il tempo necessario a disgregare le cellule. Una volta completato il processo di disgregazione, la biomassa contenente le cellule disgregate viene pompata al dispositivo di separazione del prodotto, dove avviene la separazione finale del prodotto dai detriti residui.

Unità di disgregazione delle cellule algali con dispositivo di concentrazione/separazione della biomassa e processore a ultrasuoni Hielscher UIP1500hd da 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Misurazione della percentuale di cellule disgregate

Per valutare l’efficienza della disgregazione delle alghe, Algae Grow Lab ha utilizzato due diverse metodologie per misurare la percentuale di cellule disgregate:

1. Il primo metodo di analisi si basa sulla misurazione della fluorescenza della clorofilla A, B e A+B.
   Durante la centrifugazione a bassa velocità, le cellule algali e i detriti sedimentano formando un pellet sul fondo del recipiente, mentre i residui di clorofilla libera rimangono nel surnatante. Sfruttando queste caratteristiche fisiche delle cellule e della clorofilla, è possibile determinare la percentuale di cellule disgregate. A tal fine, si misura innanzitutto la fluorescenza totale della clorofilla di un campione. Il campione viene quindi centrifugato. Successivamente, si misura la fluorescenza della clorofilla nel surnatante. Esprimendo in percentuale il rapporto tra la fluorescenza della clorofilla nel surnatante e quella del campione totale, è possibile stimare la percentuale di cellule disgregate. Questo metodo di misurazione è piuttosto accurato, ma presuppone che la quantità di clorofilla per cellula sia uniforme. Le estrazioni della clorofilla totale sono state eseguite utilizzando metanolo.
2. Per il secondo metodo di analisi è stata utilizzata l’emocitometria classica per misurare la densità cellulare nel campione di alghe raccolte. La procedura viene eseguita in 2 fasi:

• Innanzitutto, si misura la densità cellulare del campione di alghe raccolte prima del trattamento a ultrasuoni.
• Successivamente, si misura il numero di cellule non disgregate (rimaste integre) dopo la sonicazione dello stesso campione.
  In base ai risultati di queste due misurazioni, si calcola la percentuale di cellule disgregate.

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

Fig. 2: Disgregazione delle alghe: 50% di disgregazione cellulare dopo 60 min. di sonicazione. ©Algae Grow Lab

Fig. 3: Disgregazione delle alghe: 100% di disgregazione cellulare dopo 120 min. di sonicazione. ©Algae Grow Lab