წყალმცენარეების ზრდის ლაბორატორია – ულტრაბგერითი წყალმცენარეების ექსტრაქცია

წყალმცენარეების გაშენება

Algae Grow Lab-მა შეიმუშავა ტუბულარული და ბრტყელი ფოტობიორეაქტორების სერია წყალმცენარეების გაშენებისთვის, ასევე უჯრედების ულტრაბგერითი განადგურების პროცესი, რომელიც დაფუძნებულია Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორებით, რომლებიც აღჭურვილია ნაკადის უჯრედებით.
პროცესის ზოგადი ნაკადის დიაგრამა ნაჩვენებია ქვემოთ.

ნაკადის სქემა გვიჩვენებს წყალმცენარეების კულტივირებისა და წყალმცენარეების ზეთის წარმოების პროცესს ულტრაბგერითი გამოყენებით. © Algae Grow Lab

წყალმცენარეების ზრდის ლაბორატორიის ფოტობიორეაქტორების მაგალითები წარმოდგენილია ქვემოთ.
LED პანელების გამოყენება, რომლებიც ასხივებენ შუქს სპექტრის PAR ნაწილში, საშუალებას გაძლევთ მიაღწიოთ წყალმცენარეების ზრდის მაქსიმალურ სიჩქარეს.
მაგალითად, Chlorella Vulgaris-ის ინოკულაციის შემდეგ საწყისი სიმკვრივით 0,146 გ/ლ მივაღწიეთ 7,3 გ/ლ სიმკვრივეს 7 დღეში.

წყალმცენარეების უჯრედების განადგურება ულტრაბგერითი გზით

წყალმცენარეების ზრდის სტადიონის შემდეგ, წყალმცენარეების უჯრედი მომწიფებულია ზეთის წარმოებისთვის. ვინაიდან უჯრედის შემცველობა გამოყოფილია მიმდებარე გარემოსგან შემადგენელი უჯრედის მემბრანების სტრუქტურით, უჯრედის დარღვევის მეთოდი მნიშვნელოვანია მთლიანი უჯრედშიდა მასალის გამოყოფასთან დაკავშირებით. უჯრედის მემბრანა უზრუნველყოფს უჯრედის მექანიკურ ძალას და ინარჩუნებს მის მთლიანობას. უჯრედის მემბრანის ელასტიური თვისებები საშუალებას აძლევს უჯრედებს გაუძლონ ოსმოსური წნევის სწრაფ ცვლილებებს, რაც შეიძლება მოხდეს მათ გარე გარემოში.
ორივე ულტრაბგერითი და მიკროტალღური დახმარებით, რომლებიც აღწერილია ქვემოთ, მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მიკრო წყალმცენარეების ექსტრაქციას, უფრო მაღალი ეფექტურობით, შემცირებული მოპოვების დროით და გაზრდილი მოსავლიანობით, ასევე დაბალიდან ზომიერ ხარჯებთან და უმნიშვნელო დამატებით ტოქსიკურობით.
ძალიან ხშირად წყალმცენარეებიდან მიზნობრივი პროდუქტების მოპოვება უფრო ეფექტურია, თუ წყალმცენარეების უჯრედები განადგურდება მოპოვებამდე. მაგრამ ზოგჯერ, უჯრედის განადგურება თავისთავად იწვევს მიზნობრივი პროდუქტის გათავისუფლებას და მის მისაღებად საჭიროა მხოლოდ გამოყოფის პროცესი (მაგ. წყალმცენარეებიდან ლიპიდების მოპოვება ბიოსაწვავის წარმოებისთვის).
წყალმცენარეების ზრდის ლაბორატორია აერთიანებს ულტრაბგერითი სისტემას უჯრედების დაშლისა და ექსტრაქციისთვის მათ კონფიგურაციაში, რათა უზრუნველყოს მაღალეფექტური პროცესი უჯრედშიდა შინაარსის სრულ განთავისუფლებას და ამით უფრო მაღალ მოსავალს მოკლე დროში. ულტრაბგერითი რეაქტორში ულტრაბგერითი ტალღები ქმნის კავიატაციას თხევად მედიაში, რომელიც შეიცავს წყალმცენარეების უჯრედებს. კავიტაციის ბუშტები იზრდებიან ულტრაბგერითი ტალღის იშვიათობის მონაცვლეობითი ფაზების დროს, სანამ არ მიაღწევენ გარკვეულ ზომას, როდესაც შემდგომი ენერგიის შეწოვა შეუძლებელია. ბუშტების ზრდის ამ მაქსიმალურ წერტილში, სიცარიელეები იშლება შეკუმშვის ფაზის დროს. ბუშტის კოლაფსი ქმნის წნევისა და ტემპერატურის დიფერენციალურ ექსტრემალურ პირობებს, ასევე დარტყმის ტალღებს და ძლიერ სითხის ჭავლებს. ეს ექსტრემალური ძალები არა მხოლოდ ანადგურებს უჯრედებს, არამედ ეფექტურად შლის მათ შიგთავსს თხევად მედიაში (მაგ. წყალი ან გამხსნელები).
ულტრაბგერითი განადგურების ეფექტურობა დიდწილად დამოკიდებულია უჯრედის კედლების გამძლეობაზე და ელასტიურობაზე, რაც მნიშვნელოვნად განსხვავდება წყალმცენარეების ცალკეულ შტამებს შორის. სწორედ ამიტომ უჯრედების განადგურების ეფექტურობაზე დიდ გავლენას ახდენს სონიფიკაციის პროცესის პარამეტრები: ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრებია ამპლიტუდა, წნევა, კონცენტრაცია. & სიბლანტე და ტემპერატურა. ეს პარამეტრები უნდა იყოს ოპტიმიზირებული წყალმცენარეების თითოეული კონკრეტული შტამისთვის, რათა უზრუნველყოს დამუშავების ოპტიმალური ეფექტურობა.
სხვადასხვა წყალმცენარეების შტამების უჯრედების დაშლისა და დაშლის რამდენიმე მაგალითი შეგიძლიათ იხილოთ ქვემოთ მოყვანილ სტატიებში:

• Dunnaliella salina და Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; ჯოისი, EM; მეისონი, TJ (2012): წყალმცენარეების უჯრედების ულტრაბგერითი დარღვევა. AIP კონფერენციის მასალები; 24.5.2012, ტ. 1433 გამოცემა 1, გვ. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): წყალმცენარეების უჯრედების დარღვევის მეთოდების შეფასება და შედარება: მიკროტალღური, წყლის აბაზანა, ბლენდერი, ულტრაბგერითი და ლაზერული მკურნალობა. გამოყენებითი ენერგია, მარტი 2013, ტ. 103, გვერდები 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): უჯრედების დაშლის სხვადასხვა ტექნიკის გავლენა წყალმცენარეების ბიომასის მონომონელებაზე. განახლებადი ენერგიის მსოფლიო კონგრესი 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 მაისი 2011, შვედეთი.
• Schizochytrium limacinum და Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): ულტრაბგერითი დამუშავებით მიკროალგის უჯრედების დარღვევის შეფასება. Bioresource Technology 2012, ტ. 125, გვ.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer და Roberto E. Armenta (2011): ნავთობის მოპოვების განვითარება მიკრო წყალმცენარეებიდან. ლიპიდური მეცნიერების ტექნოლოგიის ევროპული ჟურნალი, 2011 წ.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Scotiellopsis terrestris უჯრედების დაშლის გაუმჯობესება ულტრაბგერითი და პექტინით დაშლილი ფერმენტის საშუალებით. Naturstoffchemie.

პროცესი

გაშენების შემდეგ წყალმცენარეების ბიომასის ნაკადი მიეწოდება კონცენტრაციის მოწყობილობას ბიომასის თხევადი მედიიდან გამოსაყოფად. კონცენტრატი გროვდება შესანახ ავზში. გამოყოფის შემდეგ, უჯრედები უნდა დაირღვეს ზეთის და სხვა უჯრედშიდა მასალის გასათავისუფლებლად. აქედან გამომდინარე, კონცენტრირებული ბიომასის ამოტუმბვა ხდება Hielscher ულტრაბგერითი მოწყობილობის მეშვეობით. ულტრაბგერითი რეცირკულაციის დაყენება უზრუნველყოფს უჯრედის კონცენტრატის რეცირკულაციას მოცემული წნევის ქვეშ Hielscher ნაკადის უჯრედის მეშვეობით უკან დაგროვების ავზში. რეცირკულაცია გრძელდება უჯრედების განადგურებისთვის საჭირო დროს. როდესაც განადგურების პროცესი დასრულებულია, განადგურებული უჯრედებით ბიომასა ტუმბოს პროდუქტის გამოყოფის მოწყობილობაში, სადაც ხდება პროდუქტის საბოლოო გამოყოფა დარჩენილი ნარჩენებისგან.

წყალმცენარეების უჯრედების განადგურების განყოფილება ბიომასის კონცენტრაციის/გამოყოფის მოწყობილობით და Hielscher-ის 1.5 კვტ ულტრაბგერითი პროცესორი UIP1500hd. © Algae Grow Lab

განადგურებული უჯრედების პროცენტის გაზომვა

წყალმცენარეების დაშლის ეფექტურობის შესაფასებლად, ALgae Grow Lab-მა გამოიყენა ორი განსხვავებული მეთოდოლოგია განადგურებული უჯრედების პროცენტის გასაზომად:

1. პირველი ანალიზის მეთოდი ეფუძნება ქლოროფილის A, B და A+B ფლუორესცენციის გაზომვას.
   ნელი სპინური ცენტრიფუგაციის დროს წყალმცენარეების უჯრედები და ნამსხვრევები გროვდება მიმღების ძირში, მაგრამ თავისუფალი მცურავი ქლოროფილის ნარჩენები კვლავ რჩება სუპერნატანში. უჯრედისა და ქლოროფილის ამ ფიზიკური მახასიათებლების გამოყენებით შეიძლება დადგინდეს გატეხილი უჯრედების პროცენტი. ეს მიიღწევა პირველ რიგში ნიმუშის მთლიანი ქლოროფილის ფლუორესცენციის გაზომვით. შემდეგ, ნიმუში ცენტრიფუგირებულია. ამის შემდეგ, სუპერნატანტის ქლოროფილის ფლუორესცენცია იზომება. ზედმეტ წყალში ქლოროფილის ფლუორესცენტის პროცენტის მიღებით მთლიანი ნიმუშის ქლოროფილის ფლუორესცენციამდე, შეიძლება მოხდეს გატეხილი უჯრედების პროცენტის შეფასება. გაზომვის ეს ფორმა საკმაოდ ზუსტია, მაგრამ იძლევა ვარაუდს, რომ ქლოროფილის რაოდენობა უჯრედზე ერთგვაროვანია. მთლიანი ქლოროფილის ექსტრაქცია განხორციელდა მეთანოლის გამოყენებით.
2. მეორე ანალიზის მეთოდისთვის, კლასიკური ჰემოციტომეტრია გამოყენებული იქნა უჯრედის სიმკვრივის გასაზომად მოპოვებულ წყალმცენარეების ნიმუშში. პროცედურა ტარდება 2 ეტაპად:

• უპირველეს ყოვლისა, ულტრაბგერითი დამუშავების წინ მოპოვებული წყალმცენარეების ნიმუშის უჯრედის სიმკვრივე იზომება.
• მეორეც, იზომება იგივე ნიმუშის სონიფიკაციის შემდეგ დაუნგრეველი (დარჩენილი) უჯრედების რაოდენობა.
  ამ ორი გაზომვის შედეგების საფუძველზე გამოითვლება განადგურებული უჯრედების პროცენტი.

Pic.1: წყალმცენარეები განადგურებამდე © Algae Grow Lab

სურათი 2: წყალმცენარეების რღვევა: 50% უჯრედის დარღვევა 60 წუთის შემდეგ. გაჟონვა. © Algae Grow Lab

სურათი 3: წყალმცენარეების რღვევა: 100% უჯრედის დარღვევა 120 წუთის შემდეგ. გაჟონვა. © Algae Grow Lab