Aļģu augšanas laboratorija – Ultraskaņas aļģu ekstrakcija

Aļģu audzēšana

Aļģu 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 vispārīgā plūsmas diagramma ir parādīta tālāk.

Blokshēmā tiek parādīts aļģu audzēšanas un aļģu eļļas ražošanas process, izmantojot Ultrasonication. © Aļģu Grow lab

Tālāk ir norādīti aļģu Grow lab fotobioreaktoru piemēri.
Izmantojot LED paneļi izstaro gaismu par daļu spektra ļauj sasniegt maksimālo pieauguma likmi aļģēm.
Piemēram, pēc Chlorella vulgaris inokulācijas ar sākotnējo blīvumu 0,146 g/L mēs sasniedzām blīvumu 7,3 g/L 7 dienu laikā.

Aļģu šūnas iznīcināšana Ultrasonification

Pēc aļģu augšanas stadionā aļģu šūna ir nogatavojušies eļļas ražošanas apstrādei. Tā kā šūnu saturs ir atdalīts no apkārtējās vides ar struktūru, kas sastāv no šūnu membrānām, šūnu traucējumu metode ir nozīmīga attiecībā uz pilnīga intracelulārā materiāla izdalīšanos. Šūnu membrāna nodrošina mehānisko izturību pret šūnu un saglabā tās integritāti. No šūnu membrānas elastīgās īpašības ļauj šūnām izturēt straujās izmaiņas osmotiskā spiediena, kas var rasties to ārējo apkārtni.
Gan ultraskaņas, gan mikroviļņu palīgmetodes, kas ir aprakstītas turpmāk, uzlabo mikroaļģu ekstrakciju, ar augstāku efektivitāti, samazinātu ekstrakcijas laiku un lielāku ražu, kā arī zemas līdz vidējas izmaksas un nenozīmīgu pievienoto Toksicitātes.
Ļoti bieži ieguve mērķa produktiem no aļģēm ir efektīvāka, ja aļģu šūnas tiek iznīcinātas pirms ekstrakcijas. Bet dažkārt šūnu iznīcināšana pati par sevi noved pie mērķa produkta izlaišanas, un ir nepieciešams tikai atdalīšanas process, lai to iegūtu (piem., lipīdu ieguve no aļģēm, kas paredzētas biodegvielas ražošanai).
Aļģu augt lab integrē ultraskaņas sistēma šūnu traucējumus un ieguvi to setup, lai nodrošinātu ļoti efektīvu procesu, lai sasniegtu pilnīgu atbrīvošanu intracelulāro saturu un tādējādi augstāku ražu īsākā laikā. Ultraskaņas reaktorā ultraskaņas viļņi rada ikrāciju šķidrā vidē, kas satur aļģu šūnas. Kavitāciju burbuļi aug mainīgu retināšana fāzes ultraskaņas vilnis, līdz tie sasniedz noteiktu lielumu, kad vairs nevar absorbēt enerģiju. Šajā maksimālais punkts burbulis izaugsmi, tukšumu sabrukums laikā kompresijas fāzē. Burbulis sabrukums rada ārkārtējas apstākļus diferenciāļiem spiediena un temperatūras, kā arī šoka viļņi un spēcīgas šķidruma strūklu. Šie ekstrēmie spēki ne tikai iznīcina šūnas, bet arī efektīvi izmazgā to saturu šķidrā datu nesējā (piemēram, ūdenī vai šķīdinātājos).
Ultraskaņas iznīcināšanas efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no izturību un elastību šūnu sienām, kas ievērojami atšķiras starp individuālo aļģu celmu. Tas ir iemesls, kāpēc šūnu iznīcināšanas efektivitāte ir ļoti ietekmē parametrus sonification process: svarīgākie parametri ir amplitūda, spiediens, koncentrācija & viskozitātes un temperatūras. Šie parametri ir jāoptimizē katru konkrētu celmu aļģēm, lai nodrošinātu optimālu apstrādes efektivitāti.
Daži šūnu traucējumu un dažādu aļģu celmu sabrukšanas piemēri atrodami turpmāk minētajās pantos:

• Dunnaliella Salina un Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; Joyce, em; Mason, TJ (2012): ultraskaņas traucējumi aļģu šūnās. AIP konferences process; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): novērtēšana un salīdzinājums aļģu šūnu sagraušanas metodes: mikroviļņu krāsns, ūdens vanna, blenderis, ultraskaņas un lāzera apstrāde. Lietišķās enerģijas, March 2013, Vol. 103, Pages 128 – 134.
• Nanohlorropsis Salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland span (2011): ietekme dažādu šūnu traucējumu paņēmienus par mono iztvaicējot aļģu biomasu. Pasaules atjaunojamās enerģijas kongress 2011, bioenerģijas tehnoloģijas, 8-12 maijs 2011, 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 tehnoloģiju 2012, Vol. 125, 175-81. lpp.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer un Roberto E. Armenta (2011): naftas ieguves no mikroaļģēm attīstību. Tehnoloģiju, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. DOMBROWSKI, Prof. Dr. O. pulz: uzlabojot šūnu traucējumus scotiellopsis terrestris, izmantojot ultraskaņas un pektīnu sadalīja fermentu. Naturstoffchemie.

process

Pēc audzēšanas, aļģu biomasas plūsma tiek padots uz koncentrācijas ierīci, lai atdalītu biomasu no šķidrā vidē. Koncentrāts tiek uzkrāts uzglabāšanas tvertnē. Pēc atdalīšanas šūnas jāiztraucē, lai atbrīvotu eļļu un citu intracelulāro materiālu. Tāpēc koncentrēta biomasa tiek sūknēts caur Hielscher ultraskaņas ierīci. Ultraskaņas recirkulācijas iestatījumi nodrošina, ka šūnas koncentrāta recirkulācija zem dotā spiediena caur Hielscher plūsmas šūnu atgriežas uzkrāšanas tvertnē. Recirkulācija ilgst laiku, kas nepieciešams, lai iznīcinātu šūnas. Kad iznīcināšanas process ir pabeigts, biomasa ar iznīcināto šūnu tiek sūknēšana uz ražojuma atdalīšanas ierīci, ja pēdējā atdalīšana produkta no atlikušajiem atliekām notiek.

Aļģu šūnu iznīcināšanas iekārta ar biomasas koncentrāciju/separācijas ierīci un Hielscher ' s 1,5 kW ultraskaņas procesors UIP1500hd. © Aļģu Grow lab

Iznīcināto šūnu procentuālā daudzuma mērīšana

Lai novērtētu aļģu bojājumus, aļģu Grow lab izmantoja divas dažādas metodes, lai izmērītu iznīcināto šūnu procentuālo daudzumu:

1. Pirmā analīzes metode pamatojas uz fluorescences hlorofila A, B un A + B mērījumiem.
   Lēnā centrifūgas centrifugēšanas laikā, aļģu šūnās un gruvešos granulās, bet atpūšas bez peldoša hlorofila joprojām paliek centrifugāta apakšā. Šo šūnu un hlorofila fizikālo īpašību izmantošana ļauj noskaidrot šķelto šūnu procentuālo sastāvu. To panāk, vispirms mērot parauga kopējo hlorofila fluorescenci. Pēc tam paraugu centrifugēta. Pēc tam mēra virsslāņa hlorofila fluorescences. Ņemot vērā hlorofila fluorescences procentuālo daudzumu centrifugāta vietā ar kopējā parauga hlorofila fluorescenci, var izdarīt novērtējumu par šķelto šūnu procentuālo daudzumu. Šī mērīšanas forma ir samērā precīza, bet pieņem, ka hlorofila skaits vienā šūnā ir vienveidīgs. Kopējais hlorofila ekstrakcija tika veikta, izmantojot metanolu.
2. Attiecībā uz otro analīzes metodi, lai izmērītu šūnu blīvumu iegūtajā aļģu paraugā, izmanto klasisko hemocytometry. Procedūra tiek veikta ar 2 soļiem:

• Pirmkārt, novāktās aļģu parauga šūnu blīvums pirms ultraskaņas apstrādes ir izmērīts.
• Otrkārt, tiek mērīts neiznīcināto (atlikušo) šūnu skaits pēc tā paša parauga sonificēšanas.
  Pamatojoties uz šo divu mērījumu rezultātiem, tiek aprēķināta iznīcināto šūnu procentuālā daļa.

Pic. 1: aļģes pirms iznīcināšanas © aļģu Grow lab

2. pic: aļģu darbības traucējumi: 50% šūnu traucējumi pēc 60 min ultraskaņu. © Aļģu Grow lab

Pic 3: aļģu traucējumi: 100% šūnu traucējumi pēc 120 min. ultraskaņas apstrāde. © Aļģu Grow lab