조류 성장 연구소 – 초음파 조류 추출

조류 재배

조류 성장 연구소는 조류 재배를위한 관형 및 평면 광생물 반응기의 시리즈뿐만 아니라 흐름 세포가 장착 Hielscher 초음파 프로세서를 기반으로 세포 초음파 파괴의 과정을 개발했다.
프로세스의 일반적인 흐름 다이어그램은 다음과 같습니다.

플로우 차트는 초음파를 사용하여 조류 재배 및 조류 오일 생산 과정을 표시합니다. © 조류 성장 연구소

해조류 성장 실험실 광생물 반응기의 예는 아래에 제시되어 있다.
스펙트럼의 PAR 부분에서 빛을 방출하는 LED 패널을 사용하면 조류의 최대 성장 속도를 달성 할 수 있습니다.
예를 들어, 0.146 g/L의 초기 밀도로 클로렐라 벌가리스를 접종한 후 7일 만에 7.3g/L의 밀도를 달성했습니다.

초음파화에 의한 조류 세포 파괴

조류 성장 경기장 후, 조류 세포는 오일 생산 처리를 위해 익은. 세포 함량이 구성된 세포막의 구조에 의해 주변 환경으로부터 분리됨에 따라, 세포 파괴 방법은 완전한 세포내 물질의 방출에 관하여 중요하다. 세포막은 세포에 기계적 힘을 제공하고 무결성을 보존합니다. 세포막의 탄성 특성은 세포가 외부 환경에서 발생할 수있는 삼투압의 급격한 변화를 견딜 수 있게합니다.
아래에 설명된 초음파 및 마이크로웨이브 보조 방법 모두 미세 조류 추출을 크게 향상시키고, 더 높은 효율, 추출 시간 감소 및 수율 증가, 낮은 비용에서 중간 정도의 비용 및 무시할 만한 추가 독성.
매우 자주 조류에서 목표 제품의 추출은 추출 하기 전에 조류 세포를 파괴 하는 경우 더 효과적 이다. 그러나 때로는 세포 파괴 자체가 목표 생성물의 방출로 이어지며 이를 얻기 위해서는 분리 공정만이 필요합니다(예: 바이오 연료 생산을 위한 조류로부터 지질 추출).
조류 성장 실험실은 세포 내 콘텐츠의 완전한 방출을 달성하고 그로 인하여 짧은 시간에 더 높은 수율을 달성하는 매우 효율적인 프로세스를 보장하기 위해 세포 중단 및 추출을위한 초음파 시스템을 통합합니다. 초음파 반응기에서 초음파는 조류 세포를 포함하는 액체 매체에 캐비테이션을 만듭니다. 캐비테이션 기포는 더 이상 에너지를 흡착 할 수 없을 때 특정 크기에 도달 할 때까지 초음파의 교대로 드문 단계 동안 자랍니다. 이 최대 기포 성장 지점에서 압축 단계에서 보이드가 붕괴됩니다. 버블 붕괴는 충격파와 강한 액체 제트뿐만 아니라 압력과 온도의 차이의 극단적 인 조건을 만듭니다. 이러한 극단적 인 힘은 세포를 파괴 할뿐만 아니라 액체 매체 (예 : 물 또는 용매)로 내용물을 효과적으로 씻어 내기도합니다.
초음파 파괴의 효과는 주로 개별 조류 균주 사이에 상당히 변화하는 세포벽의 내구성과 탄성에 달려 있습니다. 세포 파괴의 효율성이 sonification 프로세스의 매개 변수에 의해 크게 영향을받는 이유입니다 : 가장 중요한 매개 변수는 진폭, 압력, 농도입니다. & 점도 및 온도. 이러한 파라미터는 최적의 처리 효율을 보장하기 위해 조류의 모든 특정 변형에 대해 최적화되어야 합니다.
세포 중단 및 다른 조류 긴장의 붕괴의 몇 가지 예는 아래에 인용 된 기사에서 찾을 수 있습니다.

• 던날리엘라 살리나와 난노클로로프시스 오큘라타: 킹 P.M., 노우타르스키 K.; 조이스, 이엠; 메이슨, T.J. (2012) : 조류 세포의 초음파 중단. AIP 컨퍼런스 절차; 2012년 5월 24일, 제1433호 1호, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: 조나단 R. 맥밀런, 이안 A. 왓슨, 메흐무드 알리, Weaam Jaafar (2013): 평가 및 조류 세포 중단 방법의 비교: 전자 레인지, 수욕, 믹서기, 초음파 및 레이저 치료. 응용 에너지, 2013년 3월, 103권, 128-134쪽.
• 나노 클로로시스 살리나: 세바스찬 슈베데, 알렉산드라 코발치크, 맨디 거버, 롤랜드 스팬 (2011) : 조류 바이오 매스의 모노 소화에 다른 세포 파괴 기술의 영향. 세계 재생 에너지 회의 2011, 바이오 에너지 기술, 8-12 할 수있다 2011, 스웨덴.
• Schizochytrium limacinum 및 클라미도모나스 reinhardtii: 호세 게르데, 멜리사 몬탈보 롬보이 M, Linxing Yao, 데이비드 그레웰, 통 왕 (2012) : 초음파 치료에 의한 미세 조류 세포 중단의 평가. 생물 자원 기술 2012, 권 125, pp.175-81.
• 크립토코디늄 cohnii: 폴라 머서와 로베르토 E. 아르멘타 (2011) : 미세 조류에서 오일 추출의 개발. 지질 과학 기술의 유럽 요르날, 2011.
• 스코시엘로프시스 테레스트리스: S. Starke, N. Hempel 박사, L. Dombrowski, O. Pulz 교수: 초음파와 펙틴 분해 효소를 통해 스코티엘로프시스 테레스트리스의 세포 파괴 개선. 내분비체미.

방법

재배 후, 조류 바이오매스 스트림은 액체 매체로부터 바이오매스를 분리하는 농축 장치에 공급된다. 농축액은 저장 탱크에 축적된다. 분리 후, 세포는 오일 및 기타 세포 내 물질을 방출하기 위해 중단해야합니다. 따라서 농축 된 바이오 매스는 Hielscher 초음파 장치를 통해 펌핑됩니다. 초음파 재순환 설정은 Hielscher 유동 전지를 통해 주어진 압력하에서 축적 탱크로 다시 세포 농축물의 재순환을 보장합니다. 재순환은 세포를 파괴하는 데 필요한 시간 동안 지속됩니다. 파괴 공정이 완료되면, 파괴된 세포가 있는 바이오매스가 제품 분리 장치로 펌핑되고, 여기서 나머지 이물질로부터 제품의 최종 분리가 발생한다.

바이오 매스 농도 / 분리 장치와 Hielscher의 1.5 kW 초음파 프로세서 UIP1500hd와 조류 세포 파괴 장치. © 조류 성장 연구소

파괴 된 세포의 비율측정

조류 파손의 효율성 평가를 위해 ALgae Grow Lab은 두 가지 방법을 사용하여 파괴된 세포의 비율을 측정했습니다.

1. 첫 번째 분석 방법은 엽록소 A, B 및 A +B 형광의 측정을 기반으로합니다.
   느린 스핀 원심 분리 동안 조류 세포와 파편은 수령인의 바닥에 펠릿을 사용하지만 자유 플로팅 엽록소는 여전히 상판에 남아 있습니다. 세포와 엽록소의 이러한 물리적 특성을 사용하여 깨진 세포의 비율을 확인할 수 있습니다. 이것은 먼저 견본의 총 엽록소 형광을 측정하여 달성됩니다. 이어서, 샘플을 원심분리한다. 그 후, 상수의 엽록소 형광이 측정됩니다. 전체 샘플의 엽록소 형광에 상한체에서 엽록소 형광의 백분율을 취함으로써, 깨진 세포의 백분율에 대한 추정이 이루어질 수 있다. 이 측정 형태는 상당히 정확하지만 세포 당 엽록소의 수가 균일하다고 가정합니다. 총 엽록소 추출은 메탄올을 사용하여 수행되었다.
2. 두 번째 분석 방법의 경우, 고전적인 혈세포 측정은 수확된 조류 샘플에서 세포 밀도를 측정하는 데 사용되었습니다. 절차는 2 단계로 수행됩니다.

• 첫째, 초음파 처리 전에 수확된 조류 샘플의 세포 밀도가 측정된다.
• 둘째, 동일한 샘플의 sonification 후 비파괴(잔여) 세포의 수를 측정한다.
  이 두 측정의 결과에 따라 파괴 된 세포의 비율이 계산됩니다.

그림.1: 파괴 전 조류 © 조류 성장 연구소

그림 2: 조류 중단: 50% 세포 중단 후 60 분. 초음파 처리. © 조류 성장 연구소

그림 3: 조류 중단: 120 분 후 100% 세포 중단. © 조류 성장 연구소