Aļģu audzēšanas laboratorija – Ultraskaņas aļģu ekstrakcija

aļģu audzēšana

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

Plūsmas diagramma parāda aļģu audzēšanas un aļģu eļļas ražošanas procesu, izmantojot ultrasonication. ©Aļģu audzēšanas laboratorija

Zemāk ir sniegti Algae Grow Lab fotobioreaktoru piemēri.
LED paneļu izmantošana, kas izstaro gaismu spektra PAR daļā, ļauj sasniegt maksimālu aļģu augšanas ātrumu.
Piemēram, pēc Chlorella Vulgaris inokulācijas ar sākotnējo blīvumu 0,146 g/L 7 dienu laikā sasniedzām blīvumu 7,3g/L.

Aļģu šūnu iznīcināšana ar ultrasonifikāciju

Pēc aļģu augšanas stadiona aļģu šūna ir nogatavojusies eļļas ražošanas apstrādei. Tā kā šūnas saturs ir atdalīts no apkārtējās vides ar šūnu membrānu struktūru, šūnu darbības traucējumu metode ir nozīmīga attiecībā uz pilnīga intracelulārā materiāla izdalīšanos. Šūnu membrāna nodrošina šūnas mehānisko izturību un saglabā tās integritāti. Šūnu membrānas elastīgās īpašības ļauj šūnām izturēt straujas osmotiskā spiediena izmaiņas, kas var rasties to ārējā vidē.
Gan ultraskaņas, gan mikroviļņu palīdzības metodes, kas aprakstītas zemāk, ievērojami uzlabo mikroaļģu ieguvi ar augstāku efektivitāti, samazinātu ekstrakcijas laiku un palielinātu ražu, kā arī zemas vai vidējas izmaksas un nenozīmīgu pievienoto toksicitāti.
Ļoti bieži mērķa produktu ekstrakcija no aļģēm ir efektīvāka, ja aļģu šūnas tiek iznīcinātas pirms ekstrakcijas. Bet dažreiz pati šūnu iznīcināšana noved pie mērķa produkta izdalīšanās, un, lai to iegūtu, ir nepieciešams tikai atdalīšanas process (piemēram, lipīdu ekstrakcija no aļģēm biodegvielas ražošanai).
Aļģu audzēšanas laboratorija integrē ultraskaņas sistēmu šūnu darbības traucējumiem un ekstrakcijai to iestatījumos, lai nodrošinātu ļoti efektīvu procesu, kas nodrošina pilnīgu intracelulārā satura atbrīvošanu un tādējādi augstāku ražu īsākā laikā. Ultraskaņas reaktorā ultraskaņas viļņi rada kavāciju šķidrā vidē, kas satur aļģu šūnas. Kavitācijas burbuļi aug ultraskaņas viļņa mainīgajās retināšanas fāzēs, līdz tie sasniedz noteiktu lielumu, kad nevar adsorbēt papildu enerģiju. Šajā maksimālajā burbuļu augšanas punktā tukšumi sabrūk kompresijas fāzes laikā. Burbuļu sabrukums rada ekstremālus spiediena un temperatūras diferenciāļu apstākļus, kā arī triecienviļņus un spēcīgas šķidruma strūklas. Šie galējie spēki ne tikai iznīcina šūnas, bet arī efektīvi izskalo to saturu šķidrā vidē (piemēram, ūdenī vai šķīdinātājos).
Ultraskaņas iznīcināšanas efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no šūnu sienu izturības un elastības, kas ievērojami atšķiras starp atsevišķiem aļģu celmiem. Tas ir iemesls, kāpēc šūnu iznīcināšanas efektivitāti ļoti ietekmē sonifikācijas procesa parametri: Vissvarīgākie parametri ir amplitūda, spiediens, koncentrācija & viskozitāte un temperatūra. Šie parametri ir jāoptimizē katram konkrētam aļģu celmam, lai nodrošinātu optimālu apstrādes efektivitāti.
Daži šūnu darbības traucējumu un dažādu aļģu celmu sadalīšanās piemēri ir atrodami zemāk minētajos rakstos:

• Dunnaliella salina un Nannochloropsis oculata: karalis P.M., Nowotarski K.; Džoisa, E.M.; Mason, T.J. (2012): Aļģu šūnu ultraskaņas traucējumi. AIP konferenču materiāli; 24.05.2012., 1433. sējums, 1. izdevums, 237. lpp.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Aļģu šūnu traucējumu metožu novērtēšana un salīdzinājums: Mikroviļņu krāsns, ūdens vanna, blenderis, ultraskaņas un lāzera apstrāde. Lietišķā enerģija, 2013. gada marts, 103. sējums, 128.–134. lpp.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Dažādu šūnu darbības traucējumu metožu ietekme uz aļģu biomasas mono sagremošanu. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 2011. gada 8.-12. maijs, Zviedrija.
• Schizochytrium limacinum un Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Mikroaļģu šūnu traucējumu novērtēšana ar ultraskaņas apstrādi. Bioresursu tehnoloģija, 2012, 125. sējums, 175.-81. lpp.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer un Roberto E. Armenta (2011): Naftas ieguves attīstība no mikroaļģēm. Europeen Jornal no Lipīdu zinātnes tehnoloģijas, 2011. gads.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Scotiellopsis terrestris šūnu traucējumu uzlabošana, izmantojot ultraskaņu un pektīna sadalītu fermentu. Naturstoffchemie.

Process

Pēc audzēšanas aļģu biomasas plūsma tiek ievadīta koncentrācijas ierīcē, lai atdalītu biomasu no šķidrās vides. Koncentrāts tiek uzkrāts uzglabāšanas tvertnē. Pēc atdalīšanas šūnas ir jāpārtrauc, lai atbrīvotu eļļu un citu intracelulāro materiālu. Tāpēc koncentrētā biomasa tiek sūknēta caur Hielscher ultraskaņas ierīci. Ultraskaņas recirkulācijas iestatījums nodrošina šūnu koncentrāta recirkulāciju dotajā spiedienā caur Hielscher plūsmas šūnu atpakaļ uz uzkrāšanas tvertni. Recirkulācija ilgst laiku, kas nepieciešams šūnu iznīcināšanai. Kad iznīcināšanas process ir pabeigts, biomasa ar iznīcinātajām šūnām tiek sūknēta uz produktu atdalīšanas ierīci, kur notiek produkta galīgā atdalīšana no atlikušajiem atkritumiem.

Aļģu šūnu iznīcināšanas vienība ar biomasas koncentrācijas / atdalīšanas ierīci un Hielscher 1,5 kW ultraskaņas procesoru UIP1500hd. ©Aļģu audzēšanas laboratorija

Iznīcināto šūnu procentuālā daudzuma mērīšana

Lai novērtētu aļģu lūzumu efektivitāti, ALgae Grow Lab izmantoja divas dažādas metodes, lai izmērītu iznīcināto šūnu procentuālo daudzumu:

1. Pirmās analīzes metodes pamatā ir hlorofila A, B un A+B fluorescences mērījumi.
   Lēnas centrifugēšanas laikā aļģu šūnas un gruveši granulēsies recipienta apakšā, bet brīvi peldošā hlorofila atliekas joprojām paliks centrifugātā. Izmantojot šīs šūnas un hlorofila fizikālās īpašības, var noteikt šķelto šūnu procentuālo daudzumu. To panāk, vispirms izmērot parauga kopējo hlorofila fluorescenci. Pēc tam paraugu centrifugē. Pēc tam izmēra centrifugāta hlorofila fluorescenci. Ņemot hlorofila fluorescences procentuālo daudzumu centrifugātā pret visa parauga hlorofila fluorescenci, var novērtēt šķelto šūnu procentuālo daudzumu. Šis mērīšanas veids ir diezgan precīzs, bet pieņem, ka hlorofila skaits uz šūnu ir vienāds. Kopējās hlorofila ekstrakcijas tika veiktas, izmantojot metanolu.
2. Otrajai analīzes metodei ir izmantota klasiskā hemocitometrija, lai izmērītu šūnu blīvumu novāktajā aļģu paraugā. Procedūra tiek veikta 2 posmos:

• Pirmkārt, novāktā aļģu parauga šūnu blīvums pirms ultraskaņas apstrādes mērīšanas.
• Otrkārt, tiek mērīts neiznīcināto (atlikušo) šūnu skaits pēc tā paša parauga sonifikācijas.
  Pamatojoties uz šo divu mērījumu rezultātiem, tiek aprēķināts iznīcināto šūnu procentuālais daudzums.

Pic.1: Aļģes pirms iznīcināšanas ©aļģes aug laboratorijā

2. attēls: Aļģu darbības traucējumi: 50% šūnu darbības traucējumi pēc 60 min. ©Aļģu audzēšanas laboratorija

3. attēls: aļģu darbības traucējumi: 100% šūnu darbības traucējumi pēc 120 min. ©Aļģu audzēšanas laboratorija