조류 성장 연구실 – 초음파 조류 추출

조류 재배

Algae Grow Lab은 조류 배양을위한 일련의 관형 및 평면 광 생물 반응기와 플로우 셀이 장착 된 Hielscher 초음파 프로세서를 기반으로 한 세포 초음파 파괴 과정을 개발했습니다.
프로세스의 일반적인 흐름도는 다음과 같습니다.

순서도는 초음파를 사용하여 조류 재배 및 조류 기름 생산 과정을 표시합니다. ©조류 성장 연구소

Algae Grow Lab 광생물 반응기의 예는 다음과 같습니다.
스펙트럼의 PAR 부분에서 빛을 방출하는 LED 패널을 사용하면 조류의 최대 성장 속도를 달성할 수 있습니다.
예를 들어, 초기 밀도가 0.146g/L인 Chlorella Vulgaris를 접종한 후 7일 만에 7g/L의 밀도를 달성했습니다.

초음파에 의한 조류 세포 파괴

조류 성장 경기장 후, 조류 세포는 오일 생산 처리를 위해 익었습니다. 세포 함량은 구성된 세포막의 구조에 의해 주변 환경과 분리되기 때문에 세포 파괴 방법은 완전한 세포 내 물질의 방출과 관련하여 중요합니다. 세포막은 세포에 기계적 강도를 제공하고 세포의 무결성을 보존합니다. 세포막의 탄성 특성으로 인해 세포는 외부 환경에서 발생할 수 있는 삼투압의 급격한 변화를 견딜 수 있습니다.
아래에 설명된 초음파 및 마이크로파 보조 방법 모두 미세조류의 추출을 크게 개선하여 효율성을 높이고, 추출 시간을 단축하고, 수율을 증가시킬 뿐만 아니라 낮거나 중간 정도의 비용과 무시할 수 있는 추가 독성을 제공합니다.
조류로부터 목표 생성물을 추출하는 것은 조류 세포가 추출 전에 파괴되는 경우에 더 효과적이다. 그러나 때로는 세포 파괴 자체가 목표 산물의 방출로 이어지며 이를 얻기 위해 분리 과정만 필요합니다(예: 바이오 연료 생산을 위한 조류에서 지질 추출).
조류 성장 실험실은 세포 파괴 및 추출을 위한 초음파 시스템을 설정에 통합하여 매우 효율적인 프로세스를 보장하고 세포 내 내용물의 완전한 방출을 달성하여 더 짧은 시간에 더 높은 수율을 달성합니다. 초음파 반응기에서 초음파는 조류 세포를 포함하는 액체 매체에 캐비에이션을 생성합니다. 캐비테이션 기포는 초음파의 교대 희박 단계 동안 더 이상 에너지를 흡착 할 수없는 특정 크기에 도달 할 때까지 성장합니다. 이 최대 기포 성장 지점에서 공극은 압축 단계 동안 붕괴됩니다. 버블 붕괴는 압력과 온도의 차이뿐만 아니라 충격파와 강한 액체 제트의 극한 조건을 만듭니다. 이러한 극한의 힘은 세포를 파괴할 뿐만 아니라 세포의 내용물을 액체 매체(예: 물 또는 용제)로 효과적으로 씻어냅니다.
초음파 파괴의 효과는 세포벽의 내구성과 탄성에 크게 좌우되며, 이는 개별 조류 균주마다 상당히 다릅니다. 이것이 세포 파괴의 효율성이 초음파 처리 과정의 매개 변수에 크게 영향을받는 이유입니다 : 가장 중요한 매개 변수는 진폭, 압력, 농도입니다 & 점도 및 온도. 이러한 매개변수는 최적의 처리 효율성을 보장하기 위해 조류의 모든 특정 균주에 대해 최적화되어야 합니다.
다른 조류 균주의 세포 파괴 및 붕괴의 몇 가지 예는 아래에 인용된 기사에서 찾을 수 있습니다.

• Dunnaliella salina 및 Nannochloropsis oculata : King P.M., Nowotarski K.; 조이스, E.M.; Mason, T.J. (2012) : 조류 세포의 초음파 파괴. AIP 컨퍼런스 회의록; 2012/5/24, Vol. 1433 1호, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): 조류 세포 파괴 방법의 평가 및 비교: 마이크로파, 수조, 믹서기, 초음파 및 레이저 처리. Applied Energy, 2013년 3월, Vol. 103, pages 128–134.
• 나노클로롭시스 살리나: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): 조류 바이오매스의 단일 소화에 대한 다양한 세포 파괴 기술의 영향. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 2011년 5월 8-12일, 스웨덴.
• Schizochytrium limacinum 및 Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): 초음파 처리에 의한 미세조류 세포 파괴 평가. 생물자원기술 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii : Paula Mercer 및 Roberto E. Armenta (2011) : 미세 조류에서 오일 추출의 개발. Lipid 과학 기술의 Europeen Jornal, 2011년.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: 초음파와 펙틴 분해 효소에 의하여 Scotiellopsis terrestris를 위한 세포 파괴의 개선. Naturstoffchemie.

프로세스

배양 후, 조류 바이오매스 스트림은 농축 장치에 공급되어 액체 매체에서 바이오매스를 분리합니다. 농축액은 저장 탱크에 축적됩니다. 분리 후에는 세포를 파괴하여 오일 및 기타 세포 내 물질을 방출해야 합니다. 따라서 농축 된 바이오 매스는 Hielscher 초음파 장치를 통해 펌핑됩니다. 초음파 재순환 설정은 Hielscher 플로우 셀을 통해 주어진 압력 하에서 세포 농축액이 축적 탱크로 다시 재순환되도록 합니다. 재순환은 세포를 파괴하는 데 필요한 시간 동안 지속됩니다. 파괴 과정이 완료되면 파괴된 세포와 함께 바이오매스가 제품 분리 장치로 펌핑되어 남은 파편에서 제품의 최종 분리가 발생합니다.

바이오 매스 농도 / 분리 장치와 Hielscher의 1.5 kW 초음파 프로세서 UIP1500hd를 갖춘 조류 세포 파괴 장치. ©조류 성장 연구소

파괴된 세포의 비율 측정

조류 파괴의 효율성 평가를 위해 ALgae Grow Lab은 두 가지 다른 방법론을 사용하여 파괴된 세포의 비율을 측정했습니다.

1. 첫 번째 분석 방법은 엽록소 A, B 및 A+B 형광 측정을 기반으로 합니다.
   느린 스핀 원심분리 중에는 조류 세포와 파편이 수혜자의 바닥에서 펠릿되지만 자유 부유 엽록소의 나머지는 여전히 상층액에 남아 있습니다. 세포와 엽록소의 이러한 물리적 특성을 사용하여 파괴된 세포의 비율을 확인할 수 있습니다. 이것은 먼저 샘플의 총 엽록소 형광을 측정함으로써 달성됩니다. 그런 다음 샘플을 원심 분리합니다. 그 후, 상층액의 엽록소 형광을 측정합니다. 상층액의 엽록소 형광 비율을 전체 샘플의 엽록소 형광 비율로 취함으로써 파괴된 세포의 비율을 추정할 수 있습니다. 이러한 형태의 측정은 상당히 정확하지만 세포당 엽록소의 수가 균일하다고 가정합니다. 총 엽록소 추출은 메탄올을 사용하여 수행하였다.
2. 두 번째 분석 방법의 경우, 고전적인 혈구측정법을 사용하여 채취한 조류 샘플의 세포 밀도를 측정했습니다. 절차는 2단계로 수행됩니다.

• 첫째, 초음파 처리 전에 채취한 조류 샘플의 세포 밀도를 측정합니다.
• 둘째, 동일한 샘플의 초음파 처리 후 파괴되지 않은(남아있는) 세포의 수를 측정합니다.
  이 두 가지 측정 결과를 기반으로 파괴된 셀의 비율이 계산됩니다.

Picture.1: 파괴 ©전의 조류 조류 성장 실험실

그림 2 : 조류 붕괴 : 60 분 후 50 % 세포 파괴. ©조류 성장 연구소

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