Algae Grow Lab – 超音波による藻類抽出

藻類の培養

Algae Grow Labは、藻類培養用の管状および平板型フォトバイオリアクターのシリーズと、フローセルを備えたHielscher超音波プロセッサーを用いた超音波による細胞破砕プロセスを開発しました。
このプロセスの全体的なフロー図を以下に示します。

このフローチャートは、超音波処理を用いた藻類の培養と藻類油の生産プロセスを示しています。©Algae Grow Lab

Algae Grow Labのフォトバイオリアクターの例を以下に示します。
光スペクトルのPAR領域の光を放射するLEDパネルを使用することで、藻類の最大増殖速度を達成できます。
例えば、Chlorella Vulgarisを初期密度0.146 g/Lで接種したところ、7日間で7.3g/Lの密度を達成しました。

超音波処理による藻類細胞の破砕

藻類の増殖段階が終わると、藻類細胞は油生産のための処理に適した状態になります。細胞内容物は、細胞膜で構成される構造によって周囲の環境から隔てられているため、細胞内物質をすべて放出させるには、細胞破砕の方法が重要です。細胞膜は細胞に機械的強度を与え、その完全性を維持します。細胞膜の弾性特性により、細胞は外部環境で生じる可能性のある浸透圧の急激な変化に耐えることができます。
以下で説明する超音波法とマイクロ波支援法は、いずれも微細藻類からの抽出を大幅に改善し、効率の向上、抽出時間の短縮、収率の増加をもたらすとともに、コストは低から中程度で、追加される毒性は無視できるほど小さいものです。
藻類から目的の生成物を抽出する際には、抽出前に藻類細胞を破砕すると、抽出の効果が高まる場合が非常に多くあります。しかし、細胞破砕自体によって目的の生成物が放出され、それを得るために分離プロセスのみが必要となる場合もあります（例えば、バイオ燃料生産のために藻類から脂質を抽出する場合）。
Algae grow labは、細胞破砕と抽出のための超音波システムを設備に組み込み、細胞内の内容物を完全に放出させることで、より短時間でより高い収率を達成する、非常に効率的なプロセスを確保しています。超音波リアクターでは、超音波が藻類細胞を含む液体媒体中にキャビテーションを発生させます。キャビテーション気泡は、超音波の交互に繰り返される希薄化相の間に成長し、ある大きさに達すると、それ以上エネルギーを吸着できなくなります。気泡の成長がこの最大点に達すると、空洞は圧縮相の間に崩壊します。気泡の崩壊は、圧力差と温度差に関する極端な条件に加え、衝撃波と強力な液体ジェットを生み出します。これらの極端な力は、細胞を破砕するだけでなく、その内容物を液体媒体（例えば、水や溶媒）中に効果的に洗い出します。
超音波による破砕の有効性は、細胞壁の耐久性と弾性に強く依存し、これらは藻類の個々の株によって大きく異なります。このため、細胞破砕の効率は超音波処理プロセスのパラメーターに大きく左右されます。最も重要なパラメーターは、振幅、圧力、濃度と粘度、および温度です。最適な処理効率を確保するには、藻類の各株に合わせてこれらのパラメーターを最適化する必要があります。
異なる藻類株の細胞破砕と崩壊の例は、以下に引用する論文に掲載されています。

• Dunnaliella salinaおよび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.
• Nannochloropsis oculata：Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013)：藻類の細胞破砕法の評価と比較：マイクロ波、水浴、ブレンダー、超音波およびレーザー処理。Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina：Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011)：各種細胞破砕技術が藻類バイオマスの単独消化に及ぼす影響。World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, スウェーデン。
• Schizochytrium limacinumおよび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の細胞破砕の評価。Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175–81.
• Crypthecodinium cohnii：Paula MercerおよびRoberto E. Armenta (2011)：微細藻類からの油抽出における進展。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を濃縮装置に送り、バイオマスを液体媒体から分離します。濃縮物は貯蔵タンクに蓄積されます。分離後、油やその他の細胞内物質を放出させるために、細胞を破砕する必要があります。そのため、濃縮されたバイオマスをポンプでHielscher超音波装置に通します。超音波再循環設備により、所定の圧力下で細胞濃縮物をHielscherフローセルに通し、蓄積タンクへ戻す再循環が確保されます。再循環は、細胞を破砕するために必要な時間だけ続けられます。破砕プロセスが完了すると、破砕された細胞を含むバイオマスをポンプで生成物分離装置に送り、そこで残った細胞残渣から生成物を最終的に分離します。

バイオマスの濃縮／分離装置とHielscherの1.5 kW超音波プロセッサーUIP1500hdを備えた藻類細胞破砕ユニット。©Algae Grow Lab

破砕された細胞の割合の測定

藻類破砕の効率を評価するため、ALgae Grow Labは二つの異なる方法を用いて、破砕された細胞の割合を測定しました：

1. 最初の分析方法は、クロロフィルA、B、およびA+Bの蛍光測定に基づいています。
   低速遠心分離を行うと、藻類細胞と細胞残渣は容器の底にペレットとして沈殿しますが、遊離して浮遊するクロロフィルの残りは上清中に残ります。細胞とクロロフィルのこうした物理的特性を利用することで、破砕された細胞の割合を求めることができます。まず、サンプル全体のクロロフィル蛍光を測定します。次に、サンプルを遠心分離します。その後、上清のクロロフィル蛍光を測定します。サンプル全体のクロロフィル蛍光に対する上清のクロロフィル蛍光の割合を求めることで、破砕された細胞の割合を推定できます。この測定方法はかなり正確ですが、細胞当たりのクロロフィル数が均一であることを前提としています。全クロロフィルの抽出にはメタノールを使用しました。
2. 二番目の分析方法では、従来の血球計数法を用いて、回収した藻類サンプルの細胞密度を測定しました。この手順は2段階で行います：

• まず、超音波処理前の、回収した藻類サンプルの細胞密度を測定します。
• 次に、同じサンプルの超音波処理後に、破砕されていない（残存している）細胞の数を測定します。
  これら二つの測定結果に基づいて、破砕された細胞の割合を算出します。

写真1：破砕前の藻類 ©Algae Grow Lab

写真2：藻類の破砕：60 min.の超音波処理後に50%の細胞を破砕。©Algae Grow Lab

写真3：藻類の破砕：120 min.の超音波処理後に100%の細胞を破砕。©Algae Grow Lab