Algae Grow Lab – Ultraschallextraktioun vun Algen

Algekultivatioun

Algae Grow Lab huet eng Serie vu réierefërmegen a flaache Photobioreaktere fir d’Algekultivatioun entwéckelt, souwéi e Verfare fir d’Zerstéierung vun Zelle mat Ultraschall, dat op Hielscher Ultraschallprozessore mat Duerchflosszelle baséiert.
Dat allgemengt Flossschema vum Prozess ass hei ënnendrënner gewisen.

D’Flossschema weist de Prozess vun der Algekultivatioun an der Produktioun vun Algenueleg mat Ultraschall. ©Algae Grow Lab

Beispiller vu Photobioreaktere vun Algae Grow Lab ginn hei ënnendrënner gewisen.
D’Benotzung vun LED-Panneauen, déi Liicht am PAR-Beräich vum Spektrum ausstralen, erméiglecht et, e maximale Wuesstemstaux vun den Algen z’erreechen.
Zum Beispill hu mir no der Inokulatioun vu Chlorella Vulgaris mat enger Ufanksdicht vun 0,146 g/L bannent 7 Deeg eng Dicht vun 7,3g/L erreecht.

Zerstéierung vun Algenzelle mat Ultraschall

No der Wuesstemsphas vun den Alge sinn d’Algenzelle prett fir d’Behandlung zur Uelegproduktioun. Well den Zellinhalt duerch eng Struktur aus Zellmembrane vun der Ëmwelt getrennt ass, ass d’Method vum Zellopschloss entscheedend fir d’Fräisetzung vum gesamten intrazelluläre Material. D’Zellmembran gëtt der Zell mechanesch Festegkeet an erhält hir Integritéit. Déi elastesch Eegenschafte vun der Zellmembran erlaben den Zellen, de séiere Verännerunge vum osmoteschen Drock standzehalen, déi an hirer baussenzeger Ëmwelt optriede kënnen.
Souwuel Ultraschallmethoden ewéi och mikrowellenënnerstëtzt Methoden, déi hei ënnendrënner beschriwwe ginn, verbesseren d’Extraktioun aus Mikroalgen däitlech, mat méi héijer Effizienz, méi kuerzen Extraktiounszäiten a méi héijen Ausbezuelen, souwéi niddrege bis moderéierte Käschten an enger vernoléissegbarer zousätzlecher Toxizitéit.
Ganz dacks ass d’Extraktioun vun den Zilprodukter aus Alge méi effektiv, wann d’Algenzelle virun der Extraktioun zerstéiert ginn. Mee heiansdo féiert d’Zellzerstéierung selwer zur Fräisetzung vum Zilprodukt, an nëmmen den Trennprozess ass néideg, fir et ze gewannen (z. B. d’Extraktioun vu Lipiden aus Alge fir d’Produktioun vu Biokraftstoff).
Algae grow lab integréiert en Ultraschallsystem fir den Zellopschloss an d’Extraktioun an hir Anlag, fir en héicheffiziente Prozess ze garantéieren, deen de gesamten intrazellulären Inhalt fräisetzt an doduerch méi héich Ausbezuelen a méi kuerzer Zäit erreecht. Am Ultraschallreakter erzeugen Ultraschallwelle Kavitatioun am flëssege Medium, dat d’Algenzellen enthält. D’Kavitatiounsblosen wuessen an de sech ofwiesselnde Verdënnungsphase vun der Ultraschallwell, bis si eng bestëmmte Gréisst erreechen, bei där keng weider Energie méi adsorbéiert ka ginn. Op dësem maximale Punkt vum Blosewuesstem kollabéieren d’Huelraim wärend enger Kompressiounsphas. De Kollaps vun de Blose schaaft extrem Bedéngunge mat Drock- an Temperaturdifferenzen, souwéi Stousswellen a staarke Flëssegkeetsstralen. Dës extrem Kräfte zerstéieren net nëmmen d’Zellen, mee spullen och hiren Inhalt effektiv an d’flësseg Medien eraus (z. B. Waasser oder Léisungsmëttel).
D’Wierksamkeet vun der Zerstéierung mat Ultraschall hänkt staark vun der Widderstandsfäegkeet an der Elastizitéit vun den Zellwänn of, déi tëscht den eenzelen Algestämm däitlech variéieren. Dofir gëtt d’Effizienz vun der Zellzerstéierung staark vun de Parametere vun der Ultraschallbehandlung beaflosst: Déi wichtegst Parametere sinn Amplitud, Drock, Konzentratioun & Viskositéit an Temperatur. Dës Parametere musse fir all eenzelen Algestamm optiméiert ginn, fir eng optimal Veraarbechtungseffizienz ze garantéieren.
E puer Beispiller vum Zellopschloss an der Desintegratioun vu verschiddenen Algestämm fannt Dir an den hei ënnendrënner zitéierten Artikelen:

• Dunnaliella salina an Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Opschloss vun Algenzelle mat Ultraschall. 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): Bewäertung a Verglach vu Methode fir den Opschloss vun Algenzellen: Behandlung mat Mikrowellen, Waasserbad, Mixer, Ultraschall a Laser. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Afloss vu verschiddenen Zellopschlosstechniken op d’Monovergärung vun Algebiomass. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Schweden.
• Schizochytrium limacinum an Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Bewäertung vum Opschloss vu Mikroalgenzellen duerch Ultraschallbehandlung. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer an Roberto E. Armenta (2011): Entwécklungen an der Uelegextraktioun aus Mikroalgen. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Verbesserung vum Zellopschloss vu Scotiellopsis terrestris mat Ultraschall an engem pektinofbauenden Enzym. Naturstoffchemie.

Prozess

No der Kultivatioun gëtt de Stroum vun der Algebiomass an d’Konzentratiounsapparatur geleet, fir d’Biomass vum flëssege Medium ze trennen. D’Konzentrat gëtt am Späicherbehälter gesammelt. No der Trennung mussen d’Zellen opgeschloss ginn, fir den Ueleg an anert intrazelluläert Material fräizesetzen. Dofir gëtt déi konzentréiert Biomass duerch en Hielscher Ultraschallapparat gepompelt. D’Ultraschallrezirkulatiounsanlag suergt dofir, datt d’Zellkonzentrat ënner dem virgegebenen Drock duerch d’Hielscher Duerchflosszell zréck an de Sammelbehälter zirkuléiert. D’Rezirkulatioun dauert esou laang, wéi et fir d’Zerstéierung vun den Zellen néideg ass. Wann den Zerstéierungsprozess ofgeschloss ass, gëtt d’Biomass mat den zerstéierten Zellen an d’Produkttrennapparatur gepompelt, wou d’Produkt abschléissend vun de verbleiwenden Zellreschter getrennt gëtt.

Anlag fir d’Zerstéierung vun Algenzelle mat enger Apparatur fir d’Konzentratioun/ Trennung vu Biomass an dem Hielscher 1,5 kW Ultraschallprozessor UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Miessung vum Prozentsaz vun den zerstéierten Zellen

Fir d’Effizienz vum Opschloss vun den Algenzellen ze bewäerten, huet ALgae Grow Lab zwou verschidde Methode benotzt, fir de Prozentsaz vun den zerstéierten Zellen ze moossen:

1. Déi éischt Analysemethod baséiert op der Miessung vun der Fluoreszenz vu Chlorophyll A, B an A+B.
   Beim Zentrifugéiere mat niddreger Dréizuel bilden d’Algenzellen an d’Zellreschter e Pellet um Buedem vum Behälter, mee Reschter vu fräi schwiewendem Chlorophyll bleiwen am Iwwerstand. Mat Hëllef vun dëse physikaleschen Eegenschafte vun der Zell a vum Chlorophyll kann de Prozentsaz vun den opgeschlossenen Zelle bestëmmt ginn. Dofir gëtt fir d’éischt déi gesamt Chlorophyllfluoreszenz vun enger Prouf gemooss. Duerno gëtt d’Prouf zentrifugéiert. Uschléissend gëtt d’Chlorophyllfluoreszenz vum Iwwerstand gemooss. Wann d’Chlorophyllfluoreszenz am Iwwerstand als Prozentsaz vun der Chlorophyllfluoreszenz vun der gesamter Prouf ausgedréckt gëtt, kann de Prozentsaz vun den opgeschlossenen Zelle geschat ginn. Dës Miessmethod ass zimlech genee, setzt awer viraus, datt d’Quantitéit u Chlorophyll pro Zell eenheetlech ass. Gesamtextraktioune vum Chlorophyll goufe mat Methanol duerchgefouert.
2. Fir déi zweet Analysemethod gouf déi klassesch Hämozytometrie benotzt, fir d’Zelldicht an der gesammelter Algeprouf ze moossen. D’Verfare gëtt an 2 Schrëtt duerchgefouert:

• Fir d’éischt gëtt d’Zelldicht vun der gesammelter Algeprouf virun der Ultraschallbehandlung gemooss.
• Duerno gëtt d’Zuel vun den net zerstéierten (verbleiwenden) Zellen no der Ultraschallbehandlung vun där selwechter Prouf gemooss.
  Op Basis vun de Resultater vun dësen zwou Miessunge gëtt de Prozentsaz vun den zerstéierten Zelle berechent.

Bild.1: Alge virun der Zerstéierung ©Algae Grow Lab

Bild 2: Algenopschloss: 50% Zellopschloss no 60 min. Ultraschallbehandlung. ©Algae Grow Lab

Bild 3: Algenopschloss: 100% Zellopschloss no 120 min. Ultraschallbehandlung. ©Algae Grow Lab