Algae Grow Lab – aļģu ekstrakcija ar ultraskaņu

Aļģu audzēšana

Algae Grow Lab izstrādāja virkni cauruļveida un plakanu fotobioreaktoru aļģu audzēšanai, kā arī šūnu sagraušanas procesu ar ultraskaņu, kura pamatā ir Hielscher ultraskaņas procesori, kas aprīkoti ar plūsmas šūnām.
Procesa vispārīgā plūsmas shēma ir parādīta zemāk.

Plūsmas shēmā ir attēlots aļģu audzēšanas un aļģu eļļas ražošanas process, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu. ©Algae Grow Lab

Zemāk ir parādīti Algae Grow Lab fotobioreaktoru piemēri.
LED paneļu izmantošana, kuri izstaro gaismu spektra fotosintētiski aktīvā starojuma (PAR) daļā, ļauj sasniegt maksimālu aļģu augšanas ātrumu.
Piemēram, pēc Chlorella Vulgaris inokulācijas ar sākotnējo blīvumu 0,146 g/L mēs 7 dienās sasniedzām blīvumu 7,3g/L.

Aļģu šūnu sagraušana ar ultraskaņu

Pēc aļģu augšanas posma aļģu šūnas ir gatavas apstrādei eļļas ražošanai. Tā kā šūnas saturu no apkārtējās vides atdala šūnu membrānu veidota struktūra, šūnu sagraušanas metodei ir būtiska nozīme visa intracelulārā materiāla atbrīvošanā. Šūnas membrāna nodrošina šūnas mehānisko izturību un saglabā tās integritāti. Šūnas membrānas elastīgās īpašības ļauj šūnām izturēt straujas osmotiskā spiediena izmaiņas, kas var rasties to ārējā vidē.
Gan ultraskaņas metodes, gan metodes ar mikroviļņu palīdzību, kas aprakstītas zemāk, ievērojami uzlabo ekstrakciju no mikroaļģēm, nodrošinot augstāku efektivitāti, īsāku ekstrakcijas laiku un lielāku iznākumu, kā arī zemas līdz mērenas izmaksas un niecīgu papildu toksiskumu.
Ļoti bieži mērķproduktu ekstrakcija no aļģēm ir efektīvāka, ja aļģu šūnas pirms ekstrakcijas tiek sagrautas. Taču dažkārt pati šūnu sagraušana izraisa mērķprodukta atbrīvošanos, un tā iegūšanai ir nepieciešams tikai atdalīšanas process (piemēram, lipīdu ekstrakcija no aļģēm biodegvielas ražošanai).
Algae Grow Lab savā iekārtu sistēmā integrē ultraskaņas sistēmu šūnu sagraušanai un ekstrakcijai, lai nodrošinātu ļoti efektīvu procesu, panākot pilnīgu intracelulārā satura atbrīvošanos un tādējādi lielāku iznākumu īsākā laikā. Ultraskaņas reaktorā ultraskaņas viļņi rada kavitāciju šķidrajā vidē, kas satur aļģu šūnas. Kavitācijas burbuļi aug ultraskaņas viļņa pārmaiņus retinājuma fāzēs, līdz sasniedz noteiktu izmēru, kad vairs nav iespējams adsorbēt papildu enerģiju. Šajā burbuļu augšanas maksimuma punktā dobumi sabrūk saspiešanas fāzē. Burbuļu sabrukšana rada ārkārtējas spiediena un temperatūras starpības, kā arī triecienviļņus un spēcīgas šķidruma strūklas. Šie ārkārtīgi spēcīgie spēki ne tikai sagrauj šūnas, bet arī efektīvi izskalo to saturu šķidrajā vidē (piemēram, ūdenī vai šķīdinātājos).
Sagraušanas ar ultraskaņu efektivitāte ir ļoti atkarīga no šūnu sieniņu izturības un elastības, kas dažādiem aļģu celmiem ievērojami atšķiras. Tāpēc šūnu sagraušanas efektivitāti būtiski ietekmē apstrādes ar ultraskaņu procesa parametri: svarīgākie parametri ir amplitūda, spiediens, koncentrācija un viskozitāte, kā arī temperatūra. Šie parametri ir jāoptimizē katram konkrētajam aļģu celmam, lai nodrošinātu optimālu apstrādes efektivitāti.
Daži piemēri par dažādu aļģu celmu šūnu sagraušanu un dezintegrāciju ir atrodami zemāk minētajos rakstos:

• Dunnaliella salina un Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Aļģu šūnu sagraušana ar ultraskaņu. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, 1433. sēj., 1. nr., 237. lpp.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Aļģu šūnu sagraušanas metožu novērtējums un salīdzinājums: apstrāde ar mikroviļņiem, ūdens vannā, blenderī, ar ultraskaņu un lāzeru. Applied Energy, March 2013, 103. sēj., 128–134. lpp.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Dažādu šūnu sagraušanas metožu ietekme uz aļģu biomasas monofermentāciju. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Zviedrija.
• Schizochytrium limacinum un Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikroaļģu šūnu sagraušanas novērtējums, veicot apstrādi ar ultraskaņu. Bioresource Technology 2012, 125. sēj., 175–81. lpp.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer un Roberto E. Armenta (2011): Sasniegumi eļļas ekstrakcijā no mikroaļģēm. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Scotiellopsis terrestris šūnu sagraušanas uzlabošana ar ultraskaņu un pektīnu noārdošu enzīmu. Naturstoffchemie.

Process

Pēc audzēšanas aļģu biomasas plūsma tiek padota uz koncentrēšanas ierīci, lai atdalītu biomasu no šķidrās vides. Koncentrāts tiek uzkrāts uzglabāšanas tvertnē. Pēc atdalīšanas šūnas ir jāsagrauj, lai atbrīvotu eļļu un citu intracelulāro materiālu. Tāpēc koncentrētā biomasa tiek sūknēta caur Hielscher ultraskaņas ierīci. Ultraskaņas recirkulācijas sistēma nodrošina šūnu koncentrāta recirkulāciju noteiktā spiedienā caur Hielscher plūsmas šūnu atpakaļ uz uzkrāšanas tvertni. Recirkulācija turpinās tik ilgi, cik nepieciešams šūnu sagraušanai. Kad sagraušanas process ir pabeigts, biomasa ar sagrautajām šūnām tiek sūknēta uz produkta atdalīšanas ierīci, kur notiek produkta galīgā atdalīšana no atlikušajām šūnu atliekām.

Aļģu šūnu sagraušanas iekārta ar biomasas koncentrēšanas/ atdalīšanas ierīci un Hielscher 1,5 kW ultraskaņas procesoru UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Sagrauto šūnu procentuālā daudzuma noteikšana

Lai novērtētu aļģu šūnu sagraušanas efektivitāti, Algae Grow Lab izmantoja divas atšķirīgas metodikas sagrauto šūnu procentuālā daudzuma noteikšanai:

1. Pirmā analīzes metode balstās uz hlorofila A, B un A+B fluorescences mērījumiem.
   Centrifugējot ar mazu griešanās ātrumu, aļģu šūnas un šūnu atliekas veido nogulsnes trauka dibenā, bet brīvi peldošā hlorofila atlikumi joprojām paliek supernatantā. Izmantojot šīs šūnu un hlorofila fizikālās īpašības, var noteikt sagrauto šūnu procentuālo daudzumu. To veic, vispirms izmērot parauga kopējo hlorofila fluorescenci. Pēc tam paraugu centrifugē. Tad mēra supernatanta hlorofila fluorescenci. Aprēķinot supernatanta hlorofila fluorescences procentuālo attiecību pret visa parauga hlorofila fluorescenci, var aplēst sagrauto šūnu procentuālo daudzumu. Šis mērīšanas veids ir samērā precīzs, taču tā pamatā ir pieņēmums, ka hlorofila daudzums katrā šūnā ir vienāds. Kopējā hlorofila ekstrakcija tika veikta, izmantojot metanolu.
2. Otrajā analīzes metodē šūnu blīvuma mērīšanai ievākto aļģu paraugā tika izmantota klasiskā hemocitometrija. Procedūru veic 2 posmos:

• Vispirms tiek izmērīts šūnu blīvums ievākto aļģu paraugā pirms apstrādes ar ultraskaņu.
• Pēc tam tiek izmērīts nesagrauto (atlikušo) šūnu skaits pēc tā paša parauga apstrādes ar ultraskaņu.
  Pamatojoties uz šo divu mērījumu rezultātiem, tiek aprēķināts sagrauto šūnu procentuālais daudzums.

1. att.: Aļģes pirms sagraušanas ©Algae Grow Lab

2. att.: Aļģu sagraušana: 50% šūnu sagraušana pēc 60 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu. ©Algae Grow Lab

3. att.: Aļģu sagraušana: 100% šūnu sagraušana pēc 120 min. ilgas apstrādes ar ultraskaņu. ©Algae Grow Lab