Algae Grow Lab – 초음파 조류 추출

조류 배양

Algae Grow Lab은 조류 배양용 관형 및 평판형 광생물반응기 시리즈와 함께, 플로우 셀이 장착된 Hielscher 초음파 프로세서를 기반으로 하는 초음파 세포 파괴 공정을 개발했습니다.
이 공정의 전체 흐름도는 아래에 나와 있습니다.

이 흐름도는 초음파 처리를 이용한 조류 배양 및 조류 오일 생산 공정을 보여 줍니다. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab의 광생물반응기 예시는 아래에 나와 있습니다.
스펙트럼의 광합성 유효 복사(PAR) 영역에 해당하는 빛을 방출하는 LED 패널을 사용하면 조류의 최대 성장률을 달성할 수 있습니다.
예를 들어, Chlorella Vulgaris를 초기 밀도 0.146 g/L로 접종한 후 7일 만에 밀도 7.3g/L를 달성했습니다.

초음파 처리에 의한 조류 세포 파괴

조류의 성장 단계가 끝나면 조류 세포는 오일 생산 처리를 하기에 적합한 상태가 됩니다. 세포 내용물은 세포막으로 이루어진 구조에 의해 주변 환경과 분리되어 있으므로, 세포 내 물질 전체를 방출하는 데에는 세포 파쇄 방법이 중요합니다. 세포막은 세포에 기계적 강도를 부여하고 그 온전한 상태를 유지합니다. 세포막의 탄성 특성 덕분에 세포는 외부 환경에서 발생할 수 있는 급격한 삼투압 변화를 견딜 수 있습니다.
아래에 설명된 초음파 및 마이크로파 보조 방법은 모두 미세조류 추출을 크게 개선하며, 더 높은 효율, 단축된 추출 시간, 증가된 수율과 함께 낮거나 중간 수준의 비용 및 무시할 만한 추가 독성을 제공합니다.
조류에서 목표 산물을 추출할 때는 추출 전에 조류 세포를 파괴하면 효과가 더 높은 경우가 매우 많습니다. 그러나 때로는 세포 파괴 자체로 목표 산물이 방출되어, 이를 얻기 위한 분리 공정만 필요하기도 합니다(예: 바이오연료 생산을 위한 조류 지질 추출).
Algae grow lab은 세포 파쇄 및 추출용 초음파 시스템을 설비에 통합하여, 세포 내 내용물을 완전히 방출하고 이를 통해 더 짧은 시간에 더 높은 수율을 달성하는 고효율 공정을 보장합니다. 초음파 반응기에서는 초음파가 조류 세포를 함유한 액체 매질에 캐비테이션을 발생시킵니다. 캐비테이션 기포는 초음파의 주기적인 희박화 단계에서 성장하여, 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 특정 크기에 도달합니다. 기포 성장이 최대에 이르면 이 공동들은 압축 단계에서 붕괴합니다. 기포 붕괴는 압력차와 온도차가 극심한 조건을 만들며, 충격파와 강력한 액체 제트도 발생시킵니다. 이러한 극한의 힘은 세포를 파괴할 뿐만 아니라 그 내용물을 액체 매질(예: 물 또는 용매)로 효과적으로 씻어 냅니다.
초음파 파괴의 효과는 세포벽의 내구성과 탄성에 크게 좌우되며, 이러한 특성은 개별 조류 균주마다 상당히 다릅니다. 이 때문에 세포 파괴 효율은 초음파 처리 공정의 매개변수에 크게 영향을 받습니다. 가장 중요한 매개변수는 진폭, 압력, 농도 및 점도, 온도입니다. 최적의 처리 효율을 보장하려면 각 조류 균주에 맞게 이러한 매개변수를 최적화해야 합니다.
여러 조류 균주의 세포 파쇄 사례는 아래에 인용된 논문에서 확인할 수 있습니다.

• Dunnaliella salina 및 Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): 조류 세포의 초음파 파쇄. 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): 조류 세포 파쇄 방법의 평가 및 비교: 마이크로파, 수조, 블렌더, 초음파 및 레이저 처리. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): 다양한 세포 파쇄 기법이 조류 바이오매스의 단독 소화에 미치는 영향. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, 스웨덴.
• Schizochytrium limacinum 및 Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): 초음파 처리에 의한 미세조류 세포 파쇄 평가. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer 및 Roberto E. Armenta (2011): 미세조류 오일 추출의 발전. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: 초음파와 펙틴 분해 효소를 이용한 Scotiellopsis terrestris의 세포 파쇄 개선. Naturstoffchemie.

공정

배양 후 조류 바이오매스 흐름을 농축 장치에 공급하여 바이오매스를 액체 매질에서 분리합니다. 농축물은 저장 탱크에 모입니다. 분리 후에는 오일과 기타 세포 내 물질을 방출하기 위해 세포를 파쇄해야 합니다. 이를 위해 농축된 바이오매스를 펌프로 Hielscher 초음파 장치에 통과시킵니다. 초음파 재순환 설비는 주어진 압력에서 세포 농축물을 Hielscher 플로우 셀을 거쳐 다시 수집 탱크로 재순환시킵니다. 재순환은 세포를 파괴하는 데 필요한 시간 동안 지속됩니다. 파괴 공정이 완료되면 파괴된 세포를 포함한 바이오매스를 펌프로 산물 분리 장치에 보내며, 이 장치에서 남은 잔해로부터 산물을 최종적으로 분리합니다.

바이오매스 농축/분리 장치와 Hielscher의 1.5 kW 초음파 프로세서 UIP1500hd가 장착된 조류 세포 파괴 장치. ©Algae Grow Lab

파괴된 세포의 백분율 측정

조류 파괴 효율을 평가하기 위해 ALgae Grow Lab은 두 가지 서로 다른 방법으로 파괴된 세포의 백분율을 측정했습니다.

1. 첫 번째 분석 방법은 엽록소 A, B 및 A+B의 형광 측정을 기반으로 합니다.
   저속 원심분리 중에는 조류 세포와 잔해가 용기 바닥에 펠릿을 형성하지만, 자유롭게 떠다니는 엽록소의 잔여분은 여전히 상등액에 남습니다. 이러한 세포와 엽록소의 물리적 특성을 이용하여 파괴된 세포의 백분율을 확인할 수 있습니다. 이를 위해 먼저 시료의 총 엽록소 형광을 측정합니다. 그런 다음 시료를 원심분리합니다. 이후 상등액의 엽록소 형광을 측정합니다. 전체 시료의 엽록소 형광에 대한 상등액 엽록소 형광의 백분율을 구하면 파괴된 세포의 백분율을 추정할 수 있습니다. 이 측정 방식은 상당히 정확하지만, 세포당 엽록소 수가 균일하다고 가정합니다. 총 엽록소 추출에는 메탄올을 사용했습니다.
2. 두 번째 분석 방법으로는 수확한 조류 시료의 세포 밀도를 측정하기 위해 전통적인 혈구계수법을 사용했습니다. 이 절차는 2단계로 수행됩니다.

• 첫째, 초음파 처리 전 수확한 조류 시료의 세포 밀도를 측정합니다.
• 둘째, 동일한 시료를 초음파 처리한 후 파괴되지 않은(남아 있는) 세포 수를 측정합니다.
  이 두 측정 결과를 바탕으로 파괴된 세포의 백분율을 계산합니다.

그림.1: 파괴 전 조류 ©Algae Grow Lab

그림 2: 조류 파쇄: 60 min. 초음파 처리 후 세포의 50% 파쇄. ©Algae Grow Lab

그림 3: 조류 파쇄: 120 min. 초음파 처리 후 세포의 100% 파쇄. ©Algae Grow Lab