藻類培養ラボ – 超音波藻類抽出

藻類培養

Algae Grow Lab社は、フローセルを備えたHielscher社の超音波プロセッサーをベースに、藻類培養用の一連の管状および平板状の光バイオリアクターと、細胞超音波破壊プロセスを開発した。
プロセスの一般的な流れ図を以下に示す。

フローチャートは、超音波を使った藻類の培養と藻類油の生産プロセスを示している。©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab光バイオリアクターの例を以下に示す。
スペクトルのPAR部分を発光するLEDパネルを使用することで、藻類の成長速度を最大にすることができる。
例えば、初期密度0.146g/Lのクロレラを接種した後、7日間で7.3g/Lの密度を達成した。

超音波による藻類細胞の破壊

藻類成長スタジアムの後、藻類細胞はオイル生産処理のために熟している。細胞内容物は細胞膜で構成された構造によって周囲の環境から分離されているため、細胞破壊法は細胞内物質の完全な放出に関して重要である。細胞膜は細胞に機械的強度を与え、その完全性を維持する。細胞膜の弾性特性により、細胞は外部環境で起こりうる浸透圧の急激な変化に耐えることができる。
以下に述べる超音波およびマイクロ波アシスト法は、微細藻類の抽出を著しく改善し、効率が高く、抽出時間が短縮され、収量が増加し、さらに低～中程度のコストで、毒性も無視できる程度である。
藻類からの目的生成物の抽出は、抽出前に藻類細胞を破壊した方が効果的な場合が非常に多い。しかし、細胞を破壊すること自体が目的生成物の放出につながり、それを得るためには分離プロセスのみが必要となることもある（例えば、バイオ燃料製造のための藻類からの脂質抽出）。
藻類培養ラボでは、細胞内含有物の完全な放出を達成するための非常に効率的なプロセスを確保するために、細胞破砕と抽出のための超音波システムをセットアップに統合し、それによってより短時間でより高い収率を実現している。超音波リアクターでは、超音波が藻類細胞を含む液体培地にキャビテーションを発生させる。キャビテーション気泡は、超音波の交互希薄化相の間に、それ以上のエネルギーが吸着できなくなる一定の大きさになるまで成長する。この気泡成長の最大点では、圧縮段階で空隙が崩壊する。気泡の崩壊は、圧力と温度の差、衝撃波、強力な液体ジェットという極限状態を作り出す。これらの極端な力は細胞を破壊するだけでなく、内容物を液体媒体（水や溶媒など）に効果的に洗い流す。
超音波による細胞破壊の効果は、細胞壁の耐久性と弾力性に強く依存し、それは個々の藻類株によってかなり異なる。細胞破壊の効率が超音波処理のパラメーターに大きく影響されるのはこのためである：最も重要なパラメーターは、振幅、圧力、濃度である。 & 粘度、温度。これらのパラメータは、最適な処理効率を確保するために、特定の藻類株ごとに最適化されなければならない。
さまざまな藻類株の細胞破壊と分解の例は、以下に引用する論文で見ることができる：

• Dunnaliella salinaとNannochloropsis oculata：King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012)：藻類細胞の超音波破砕。AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol.1433 Issue 1, p. 237.
• ナンノクロロプシス・オキュラータJonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013)：藻類細胞破砕法の評価と比較：マイクロ波、ウォーターバス、ブレンダー、超音波、レーザー処理。応用エネルギー、2013年3月、103巻、128-134ページ。
• ナノクロロプシス・サリナSebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011)：藻類バイオマスの単消化における細胞破砕技術の違いによる影響。World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinumとChlamydomonas reinhardtii：Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012)：超音波処理による微細藻類細胞破砕の評価。Bioresource Technology 2012, Vol.125, pp.175-81.
• クリプテコディニウム・コフニイPaula Mercer and Roberto E. Armenta (2011)：微細藻類からのオイル抽出の発展。Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: 超音波とペクチン分解酵素によるScotiellopsis terrestrisの細胞破砕の改善。Naturstoffchemie.

プロセス

培養後、藻類バイオマスの流れは濃縮装置に送られ、バイオマスを液体媒体から分離する。濃縮物は貯蔵タンクに蓄積される。分離後、オイルや他の細胞内物質を放出するために細胞を破壊する必要がある。そのため、濃縮バイオマスはHielscher社製の超音波装置を通してポンプで送られる。超音波再循環セットアップにより、Hielscherフローセルを通した所定の圧力下での濃縮細胞の再循環が保証され、蓄積タンクに戻る。再循環は細胞破壊に必要な時間続く。破壊プロセスが完了すると、破壊された細胞を含むバイオマスは製品分離装置に送られ、そこで残りの残骸から製品が最終的に分離される。

バイオマス濃縮・分離装置とHielscher社製1.5kW超音波処理装置UIP1500hdを備えた藻類細胞破壊装置 ©Algae Grow Lab.

破壊された細胞の割合の測定

藻類破壊の効率を評価するために、ALgae Grow Labは破壊された細胞の割合を測定するために2つの異なる方法を使用した：

1. 最初の分析方法は、クロロフィルA、B、A+B蛍光の測定に基づいている。
   低速回転遠心分離の間、藻類の細胞や残骸はレシピエントの底にペレット化するが、自由浮遊クロロフィルの残りはまだ上清に残っている。細胞やクロロフィルのこれらの物理的特性を利用して、壊れた細胞の割合を確認することができる。これは、まずサンプルの総クロロフィル蛍光を測定することによって達成される。次に、サンプルを遠心分離する。その後、上清のクロロフィル蛍光を測定する。サンプル全体のクロロフィル蛍光に対する上澄み液のクロロフィル蛍光の割合をとることで、壊れた細胞の割合を推定することができる。この測定方法はかなり正確だが、細胞あたりのクロロフィル数が均一であるという前提がある。全クロロフィル抽出はメタノールを用いて行った。
2. 2つ目の分析方法では、採取した藻類サンプルの細胞密度を測定するために、古典的なヘモサイトメトリーを使用した。手順は2段階で行う：

• まず、収穫した藻類サンプルの超音波処理前の細胞密度を測定する。
• 次に、同じサンプルを超音波処理した後に、破壊されなかった（残った）細胞の数を測定する。
  これら2つの測定結果に基づいて、破壊された細胞の割合が計算される。

写真1：破壊前の藻類 ©Algae Grow Lab

写真2：藻類の破砕：60分間の超音波処理で50%の細胞が破壊された。©Algae Grow Lab

写真3：藻類の破砕：120分の超音波処理で100%の細胞破砕。©Algae Grow Lab