藻類グローラボ – 超音波藻類抽出

藻類の栽培

Algae Grow Labは、藻類培養用の一連の管状およびフラットフォトバイオリアクター、ならびにフローセルを装備したヒールシャー超音波プロセッサに基づく細胞超音波破壊のプロセスを開発しました。
プロセスの一般的なフロー図を以下に示します。

フローチャートは、超音波処理を使用した藻類の栽培と藻類油の生産のプロセスを示しています。©藻類グローラボ

Algae Grow Labフォトバイオリアクターの例を以下に示します。
スペクトルのPAR部分で発光するLEDパネルの使用により、藻類の最大成長速度を達成することができます。
例えば、Chlorella Vulgarisを初期密度0.146g/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壊

藻類成長スタジアムの後、藻類細胞は石油生産処理に熟しています。細胞内容物は、構成された細胞膜の構造によって周囲の環境から分離されるため、細胞破壊法は完全な細胞内物質の放出に関して重要です。細胞膜は、細胞に機械的強度を提供し、その完全性を維持します。細胞膜の弾性特性により、細胞は外部環境で発生す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。
以下に説明する超音波およびマイクロ波支援法はどちらも、微細藻類の抽出を大幅に改善し、効率を高め、抽出時間を短縮し、収率を増加させるだけでなく、低コストから中程度のコストと最小限の毒性を追加します。
非常に多くの場合、藻類からの目標生成物の抽出は、抽出前に藻類細胞が破壊されている場合により効果的です。しかし、時には、細胞破壊自体が目標生成物の放出につながり、それを得るために必要なのは分離プロセスだけです(例えば、バイオ燃料生産のための藻類からの脂質の抽出)。
藻類成長ラボは、細胞破壊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、細胞内含有量の完全な放出を達成し、それにより短時間でより高い収量を達成する高効率プロセスを確保します。超音波反応器では、超音波は藻類細胞を含む液体媒体にキャビアテーションを作ります。キャビテーション気泡は、超音波の交互の希薄化段階で成長し、一定のサイズに達するまで成長し、それ以上のエネルギーを吸着できなくなります。この気泡成長の最大点では、ボイドは圧縮フェーズ中に崩壊します。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の極端な条件を作り出します。これらの極端な力は、細胞を破壊するだけでなく、その内容物を効果的に液体媒体(水や溶媒など)に洗い流します。
超音波破壊の有効性は、細胞壁の耐久性と弾力性に強く依存し、これは個々の藻類株間でかなり異なります。それが、細胞破壊の効率が超音波処理プロセスのパラメータによって大きく影響を受ける理由です:最も重要なパラメータは振幅、圧力、濃度です & 粘度、および温度。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、藻類の特定の株ごとに最適化する必要があります。
細胞の破壊とさまざまな藻類株の崩壊の例は、以下に引用する記事に記載されています。

• Dunnaliella salinaとNannochloropsis oculata:King P.M.、Nowotarski K.;ジョイス、EM;メイソン、TJ(2012):藻類細胞の超音波破壊。AIP会議の議事録;2012年5月24日、Vol.1433、第1号、237ページ。
• Nannochloropsis oculata:Jonathan R. McMillan、Ian A. Watson、Mehmood Ali、Weaam Jaafar(2013):藻類細胞破壊法の評価と比較:マイクロ波、ウォーターバス、ブレンダー、超音波およびレーザー治療。Applied Energy、2013年3月、Vol.103、128〜134ページ。
• Nanochloropsis salina:Sebastian Schwede、Alexandra Kowalczyk、Mandy Gerber、Roland Span(2011):藻類バイオマスのモノ消化に対するさまざまな細胞破壊技術の影響。World Renewable Energy Congress 2011、Bioenergy Technologies、2011年5月8-12日、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):超音波治療による微細藻類細胞破壊の評価。バイオリソーステクノロジー 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii:Paula MercerとRoberto E. Armenta(2011):微細藻類からの油抽出の開発。脂質科学技術のヨーロッパJornal、2011年。
• 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の細胞破壊の改善。Naturstoffchemie。

過程

培養後、藻類バイオマスストリームは濃縮装置に供給され、バイオマスを液体培地から分離します。濃縮物は貯蔵タンクに蓄積されます。分離後、細胞を破壊して油やその他の細胞内物質を放出する必要があります。したがって、濃縮されたバイオマスはヒールシャー超音波装置を通してポンプで送られます。超音波再循環セットアップは、ヒールシャーフローセルを介して所定の圧力下で細胞濃縮物が蓄積タンクに戻ることを確実にする。再循環は、細胞を破壊するのに必要な時間続きます。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が製品分離装置にポンプで送られ、残りの破片から製品が最終的に分離されます。

バイオマス濃縮/分離装置とヒールシャーの1.5キロワットの超音波プロセッサUIP1500hdを備えた藻類細胞破壊ユニット。©藻類グローラボ

破壊された細胞の割合の測定

藻類の破損の効率評価のために、ALgae Grow Labは2つの異なる方法を使用して、破壊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蛍光の測定に基づいています。
   低速スピン遠心分離中、藻類細胞と破片はレシピエントの底部でペレット状になりますが、浮遊クロロフィルの残りは上清に残ります。これらの細胞とクロロフィル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ます。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。上清中のクロロフィル蛍光の割合を全サンプルのクロロフィル蛍光にすることで、壊れた細胞の割合を推定できます。この形式の測定はかなり正確ですが、細胞あたりのクロロフィルの数が均一であると仮定しています。全クロロフィル抽出はメタノールを用いて行った。
2. 2番目の分析方法では、従来の血球計算方法を使用して、採取した藻類サンプルの細胞密度を測定しています。この手順は2つのステップで実行されます。

• まず、超音波治療の前に採取され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の非破壊(残存)細胞の数を測定します。
  これら 2 つの測定結果に基づいて、破壊されたセルの割合が計算されます。

写真1:破壊©前の藻類藻類成長ラボ

写真2:藻類の破壊:60分後の50%の細胞破壊。©藻類グローラボ

写真3:藻類の破壊:120分後の100%の細胞破壊。©藻類グローラボ