laboratorio di coltivazione delle alghe – Estrazione di alghe a ultrasuoni

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 a ultrasuoni basato su processori a ultrasuoni Hielscher dotati di celle a flusso.
Il diagramma di flusso generale del processo è illustrato di seguito.

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

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

Distruzione delle cellule algali mediante ultrasuoni

Dopo lo stadio di crescita delle alghe, le cellule algali sono mature per il trattamento di produzione dell'olio. Poiché il contenuto della cellula è separato dall'ambiente circostante da una struttura di membrane cellulari composte, il metodo di rottura della cellula è significativo per quanto riguarda il rilascio del materiale intracellulare completo. La membrana cellulare fornisce resistenza meccanica alla cellula 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 gli ultrasuoni che i metodi assistiti da microonde, descritti di seguito, migliorano significativamente l'estrazione delle microalghe, con una maggiore efficienza, tempi di estrazione ridotti e rese maggiori, oltre a costi bassi o moderati e una tossicità aggiunta trascurabile.
Molto spesso l'estrazione dei prodotti finali dalle alghe è più efficace se le cellule delle alghe vengono distrutte prima dell'estrazione. A volte, però, la distruzione stessa delle cellule porta al rilascio del prodotto finale e per ottenerlo è necessario solo il processo di separazione (ad esempio, l'estrazione di lipidi dalle alghe per la produzione di biocarburanti).
Algae grow lab integra un sistema a ultrasuoni per la disgregazione e l'estrazione delle cellule nel suo impianto, per garantire un processo altamente efficiente che consente di ottenere un rilascio completo del contenuto intracellulare e quindi rese più elevate in tempi più brevi. Nel reattore a ultrasuoni, le onde ultrasoniche creano una cavitazione nel mezzo liquido che contiene le cellule delle alghe. Le bolle di cavitazione crescono durante le fasi di rarefazione alternata dell'onda ultrasonica fino a raggiungere determinate dimensioni, quando non è più possibile adsorbire ulteriore energia. In questo punto massimo di crescita delle bolle, i vuoti collassano durante una fase di compressione. Il collasso delle bolle crea condizioni estreme di differenziali di pressione e temperatura, nonché onde d'urto e forti getti di liquido. Queste forze estreme non solo distruggono le cellule, ma lavano efficacemente il loro contenuto nel mezzo liquido (ad esempio, acqua o solventi).
L'efficacia della distruzione a ultrasuoni dipende fortemente dalla durata e dall'elasticità delle pareti cellulari, che varia notevolmente tra i singoli ceppi di alghe. Per questo motivo l'efficacia della distruzione cellulare è fortemente influenzata dai parametri del processo di sonificazione: I parametri più importanti sono l'ampiezza, la pressione, la concentrazione e l'intensità. & viscosità e temperatura. Questi parametri devono essere ottimizzati per ogni particolare ceppo di alghe per garantire un'efficienza di lavorazione ottimale.
Alcuni esempi di rottura e disintegrazione cellulare di diversi ceppi di alghe sono riportati negli articoli citati di seguito:

• Dunnaliella salina e Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Distruzione ad ultrasuoni di cellule algali. AIP Conference Proceedings; 24/5/2012, 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): Influenza di diverse tecniche di disgregazione cellulare sulla mono digestione di 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 disgregazione cellulare delle microalghe mediante trattamento a ultrasuoni. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer e Roberto E. Armenta (2011): Sviluppi nell'estrazione di olio dalle microalghe. 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 accumulato nel serbatoio di stoccaggio. Dopo la separazione, le cellule devono essere disgregate per rilasciare l'olio e altri materiali intracellulari. Pertanto, la biomassa concentrata viene pompata attraverso un dispositivo a ultrasuoni Hielscher. L'impianto di ricircolo a ultrasuoni assicura il ricircolo del concentrato cellulare alla pressione data attraverso la cella di flusso Hielscher fino al serbatoio di accumulo. Il ricircolo dura il tempo necessario per distruggere le cellule. Al termine del processo di distruzione, la biomassa con le cellule distrutte viene pompata al dispositivo di separazione del prodotto, dove avviene la separazione finale del prodotto dai detriti rimanenti.

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

Misurazione della percentuale di cellule distrutte

Per valutare l'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 centrifugazione lenta, le cellule algali e i detriti si depositano sul fondo del recipiente, ma nel surnatante rimangono ancora resti di clorofilla libera di galleggiare. Utilizzando queste caratteristiche fisiche della cellula e della clorofilla, è possibile accertare la percentuale di cellule rotte. Ciò si ottiene misurando innanzitutto la fluorescenza totale della clorofilla di un campione. Successivamente, il campione viene centrifugato. Successivamente, si misura la fluorescenza della clorofilla del surnatante. Considerando la percentuale di fluorescenza della clorofilla nel surnatante rispetto alla fluorescenza della clorofilla del campione totale, è possibile stimare la percentuale di cellule rotte. Questa forma di misurazione è abbastanza accurata, ma presuppone che il numero di clorofille per cellula sia uniforme. Le estrazioni di clorofilla totale sono state effettuate con metanolo.
2. Per il secondo metodo di analisi, è stata utilizzata la classica emocitometria per misurare la densità cellulare nel campione di alghe raccolto. La procedura si svolge in 2 fasi:

• In primo luogo, viene misurata la densità cellulare del campione di alghe raccolto prima del trattamento a ultrasuoni.
• In secondo luogo, si misura il numero di cellule non distrutte (rimanenti) dopo la sonificazione dello stesso campione.
  In base ai risultati di queste due misurazioni, si calcola la percentuale di cellule distrutte.

Figura 1: Alghe prima della distruzione ©Algae Grow Lab

Foto 2: Distruzione delle alghe: 50% di distruzione delle cellule dopo 60 minuti di sonicazione. © Laboratorio di coltivazione delle alghe

Fig. 3: Distruzione delle alghe: 100% di distruzione delle cellule dopo 120 minuti di sonicazione. © Laboratorio di coltivazione delle alghe