Algae Grow Lab – ულტრაბგერითი ალგების ექსტრაქცია

ალგების მოშენება

Algae Grow Lab-მა შეიმუშავა ალგების მოშენებისთვის განკუთვნილი ტუბულური და ბრტყელი ფოტობიორეაქტორების სერია, ასევე უჯრედების ულტრაბგერითი დანგრევის პროცესი, რომელიც ეფუძნება Hielscher-ის ულტრაბგერით პროცესორებს, აღჭურვილ ნაკადის უჯრედებით.
პროცესის ზოგადი ნაკადის დიაგრამა ნაჩვენებია ქვემოთ.

ნაკადის სქემა აჩვენებს ალგების მოშენების და ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით ალგების ზეთის წარმოების პროცესს. ©Algae Grow Lab

ქვემოთ წარმოდგენილია Algae Grow Lab-ის ფოტობიორეაქტორების მაგალითები.
სპექტრის PAR ნაწილში გამოსხივებადი სინათლის მქონე LED პანელების გამოყენება საშუალებას გვაძლევს მივაღწიოთ ალგების ზრდის მაქსიმალურ სიჩქარეს.
მაგალითად, Chlorella Vulgaris-ის ინოკულაციის შემდეგ საწყისი სიმკვრივით 0,146 g/L, ჩვენ მივაღწიეთ 7,3g/L სიმკვრივეს 7 დღეში.

ალგების უჯრედების დანგრევა ულტრაბგერითი დამუშავებით

ალგების ზრდის სტადიის შემდეგ ალგების უჯრედები მზადაა ზეთის წარმოების დამუშავებისთვის. ვინაიდან უჯრედის შიგთავსი გარემოსგან გამოყოფილია უჯრედის მემბრანებისგან შემდგარი სტრუქტურით, უჯრედების დანგრევის მეთოდი მნიშვნელოვანია სრული ინტრაცელულარული მასალის გამოთავისუფლების თვალსაზრისით. უჯრედის მემბრანა უჯრედს აძლევს მექანიკურ სიმტკიცეს და ინარჩუნებს მის მთლიანობას. უჯრედის მემბრანის ელასტიური თვისებები საშუალებას აძლევს უჯრედებს გაუძლონ ოსმოსური წნევის სწრაფ ცვლილებებს, რომლებიც შეიძლება მოხდეს მათ გარე გარემოში.
როგორც ქვემოთ არის აღწერილი, როგორც ულტრაბგერითი, ისე მიკროტალღური მეთოდები მნიშვნელოვნად აუმჯობესებენ მიკროალგების ექსტრაქციას, უფრო მაღალი ეფექტურობით, შემცირებული ექსტრაქციის დროებით და გაზრდილი გამოსავლიანობით, ასევე დაბალიდან ზომიერამდე ხარჯებით და უმნიშვნელო დამატებითი ტოქსიკურობით.
ხშირად, ალგებიდან სამიზნე პროდუქტების ექსტრაქცია უფრო ეფექტურია, თუ ალგების უჯრედები ექსტრაქციამდე დანგრეულია. მაგრამ ზოგჯერ, უჯრედების დანგრევა თავად იწვევს სამიზნე პროდუქტის გამოთავისუფლებას, და მის მისაღებად მხოლოდ სეპარაციის პროცესია საჭირო (მაგ. ლიპიდების ექსტრაქცია ალგებიდან ბიოსაწვავის წარმოებისთვის).
Algae Grow Lab ინტეგრირებს უჯრედების დანგრევისა და ექსტრაქციისთვის განკუთვნილ ულტრაბგერით სისტემას თავის კომპლექტში, რათა უზრუნველყოს მაღალეფექტური პროცესი, რომელიც ახდენს ინტრაცელულარული შიგთავსის სრულ გამოთავისუფლებას და ამით უფრო მაღალ გამოსავლიანობას უფრო მოკლე დროში. ულტრაბგერით რეაქტორში ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან კავიტაციას სითხის გარემოში, რომელიც შეიცავს ალგების უჯრედებს. კავიტაციის ბუშტები იზრდება ულტრაბგერითი ტალღის მონაცვლეობითი გაიშვიათების ფაზების დროს, სანამ არ მიაღწევენ გარკვეულ ზომას, როდესაც მეტი ენერგია ვეღარ შეიწოვება. ბუშტის ზრდის ამ მაქსიმალურ წერტილში სიცარიელეები ინგრევა კუმშვის ფაზის დროს. ბუშტის კოლაფსი ქმნის ექსტრემალურ პირობებს წნევისა და ტემპერატურის სხვაობებით, ასევე დარტყმითი ტალღებითა და ძლიერი თხევადი ჭავლებით. ეს ექსტრემალური ძალები არა მხოლოდ ანგრევენ უჯრედებს, არამედ ეფექტურად გამორეცხავენ მათ შიგთავსს თხევად გარემოში (მაგ. წყალში ან გამხსნელებში).
ულტრაბგერითი დანგრევის ეფექტურობა ძლიერ არის დამოკიდებული უჯრედის კედლების გამძლეობასა და ელასტიურობაზე, რაც მნიშვნელოვნად განსხვავდება ცალკეული ალგების შტამებს შორის. სწორედ ამიტომ უჯრედების დანგრევის ეფექტურობაზე ძლიერ გავლენას ახდენს ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესის პარამეტრები: ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრებია ამპლიტუდა, წნევა, კონცენტრაცია და სიბლანტე და ტემპერატურა. ეს პარამეტრები უნდა იყოს ოპტიმიზირებული ალგების თითოეული კონკრეტული შტამისთვის, რათა უზრუნველყოფილ იქნას დამუშავების ოპტიმალური ეფექტურობა.
ალგების სხვადასხვა შტამის უჯრედების დანგრევისა და დეზინტეგრაციის ზოგიერთი მაგალითი შეგიძლიათ იპოვოთ ქვემოთ ციტირებულ სტატიებში:

• Dunnaliella salina და Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic disruption of algae cells. 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): 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): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.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

მოშენების შემდეგ ალგების ბიომასის ნაკადი მიეწოდება კონცენტრაციის მოწყობილობას, რათა მოხდეს ბიომასის გამოყოფა თხევადი გარემოსგან. კონცენტრატი გროვდება შესანახ ავზში. გამოყოფის შემდეგ უჯრედები უნდა დაინგრეს ზეთისა და სხვა ინტრაცელულარული მასალის გამოსათავისუფლებლად. ამიტომ კონცენტრირებული ბიომასა ტუმბოვდება Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობის გავლით. ულტრაბგერითი რეცირკულაციის კომპლექტი უზრუნველყოფს უჯრედების კონცენტრატის რეცირკულაციას მოცემული წნევის პირობებში Hielscher-ის ნაკადის უჯრედის გავლით უკან, დაგროვების ავზში. რეცირკულაცია გრძელდება იმდენ ხანს, რამდენიც საჭიროა უჯრედების დასანგრევად. როდესაც დანგრევის პროცესი დასრულდება, ბიომასა დანგრეული უჯრედებით ტუმბოვდება პროდუქტის გამოყოფის მოწყობილობაში, სადაც ხდება პროდუქტის საბოლოო გამოყოფა დარჩენილი ნამსხვრევებისგან.

ალგების უჯრედების დანგრევის ბლოკი ბიომასის კონცენტრაციის/ სეპარაციის მოწყობილობით და Hielscher-ის 1,5 kW ულტრაბგერითი პროცესორით UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

დანგრეული უჯრედების პროცენტული რაოდენობის გაზომვა

ალგების დანგრევის ეფექტურობის შეფასებისთვის, Algae Grow Lab-მა გამოიყენა ორი სხვადასხვა მეთოდოლოგია დანგრეული უჯრედების პროცენტული რაოდენობის გასაზომად:

1. პირველი ანალიზის მეთოდი ეფუძნება ქლოროფილი A, B და A+B ფლუორესცენციის გაზომვას.
   ნელი ბრუნვით ცენტრიფუგირებისას ალგების უჯრედები და ნამსხვრევები დალექება ჭურჭლის ფსკერზე, მაგრამ თავისუფლად მოლივლივე ქლოროფილის ნაშთები მაინც დარჩება სუპერნატანტში. უჯრედისა და ქლოროფილის ამ ფიზიკური თვისებების გამოყენებით შესაძლებელია დანგრეული უჯრედების პროცენტული რაოდენობის დადგენა. ეს ხორციელდება ჯერ ნიმუშის ჯამური ქლოროფილის ფლუორესცენციის გაზომვით. შემდეგ ნიმუში ცენტრიფუგირდება. ამის შემდეგ იზომება სუპერნატანტის ქლოროფილის ფლუორესცენცია. სუპერნატანტში ქლოროფილის ფლუორესცენციის შეფარდებით ნიმუშის ჯამურ ქლოროფილის ფლუორესცენციასთან შესაძლებელია დანგრეული უჯრედების პროცენტული რაოდენობის შეფასება. გაზომვის ეს ფორმა საკმაოდ ზუსტია, მაგრამ ეფუძნება დაშვებას, რომ ქლოროფილის რაოდენობა თითო უჯრედში ერთგვაროვანია. ქლოროფილის ჯამური ექსტრაქციები ჩატარდა მეთანოლის გამოყენებით.
2. მეორე ანალიზის მეთოდისთვის, კლასიკური ჰემოციტომეტრია გამოიყენება მოპოვებულ ალგების ნიმუშში უჯრედების სიმკვრივის გასაზომად. პროცედურა ხორციელდება 2 ეტაპად:

• ჯერ, იზომება მოპოვებული ალგების ნიმუშის უჯრედების სიმკვრივე ულტრაბგერითი დამუშავების წინ.
• მეორეც, იზომება არადანგრეული (დარჩენილი) უჯრედების რაოდენობა იმავე ნიმუშის ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ.
  ამ ორი გაზომვის შედეგების საფუძველზე, გამოითვლება დანგრეული უჯრედების პროცენტული რაოდენობა.

Pic.1: ალგები დანგრევამდე ©Algae Grow Lab

Pic 2: ალგების დანგრევა: 50% უჯრედების დანგრევა 60 წთ. ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ. ©Algae Grow Lab

Pic 3: ალგების დანგრევა: 100% უჯრედების დანგრევა 120 წთ. ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ. ©Algae Grow Lab