Algae Grow Lab – Ultrasone algenextractie

Algenkweek

Algae Grow Lab ontwikkelde een reeks buisvormige en vlakke fotobioreactoren voor de algenkweek, evenals een proces voor ultrasone celvernietiging op basis van ultrasone processoren van Hielscher die zijn uitgerust met doorstroomcellen.
Het algemene stroomschema van het proces wordt hieronder weergegeven.

Het stroomschema toont het proces van algenkweek en algenolieproductie met behulp van sonicatie. ©Algae Grow Lab

Hieronder worden voorbeelden van fotobioreactoren van Algae Grow Lab weergegeven.
Het gebruik van LED-panelen die licht uitstralen in het PAR-gedeelte van het spectrum maakt het mogelijk een maximale groeisnelheid van algen te bereiken.
Na inoculatie van Chlorella Vulgaris met een begindichtheid van 0,146 g/L bereikten we bijvoorbeeld in 7 dagen een dichtheid van 7,3g/L.

Vernietiging van algencellen door sonicatie

Na de groeifase van de algen zijn de algencellen klaar voor de behandeling voor olieproductie. Omdat de celinhoud door een structuur van celmembranen van de omgeving wordt gescheiden, is de celontsluitingsmethode van belang voor het vrijmaken van al het intracellulaire materiaal. Het celmembraan geeft de cel mechanische sterkte en behoudt haar integriteit. Dankzij de elastische eigenschappen van het celmembraan kunnen de cellen de snelle veranderingen in osmotische druk weerstaan die in hun externe omgeving kunnen optreden.
Zowel ultrasone als door microgolven ondersteunde methoden, die hieronder worden beschreven, verbeteren de extractie uit microalgen aanzienlijk, met een hogere efficiëntie, kortere extractietijden en hogere opbrengsten, evenals lage tot matige kosten en een verwaarloosbare toename van de toxiciteit.
De extractie van de beoogde producten uit algen is vaak doeltreffender als de algencellen vóór de extractie worden vernietigd. Soms leidt de celvernietiging zelf echter tot het vrijkomen van het beoogde product en is alleen het scheidingsproces nodig om het te verkrijgen (bijvoorbeeld bij de extractie van lipiden uit algen voor de productie van biobrandstof).
Algae grow lab integreert een ultrasoon systeem voor celontsluiting en extractie in zijn installatie om een zeer efficiënt proces te waarborgen waarbij de intracellulaire inhoud volledig vrijkomt en daardoor in kortere tijd hogere opbrengsten worden bereikt. In de ultrasone reactor veroorzaken ultrasone golven cavitatie in het vloeibare medium dat de algencellen bevat. De cavitatiebellen groeien tijdens de afwisselende verdunningsfasen van de ultrasone golf totdat ze een bepaalde grootte bereiken waarbij geen verdere energie kan worden geadsorbeerd. Op dit maximale punt van de bellengroei imploderen de holten tijdens een compressiefase. Het imploderen van de bellen veroorzaakt extreme druk- en temperatuurverschillen, evenals schokgolven en krachtige vloeistofstralen. Deze extreme krachten vernietigen niet alleen de cellen, maar spoelen hun inhoud ook doeltreffend uit in het vloeibare medium (bijvoorbeeld water of oplosmiddelen).
De doeltreffendheid van de ultrasone vernietiging hangt sterk af van de bestendigheid en elasticiteit van de celwanden, die aanzienlijk verschillen tussen de afzonderlijke algenstammen. Daarom wordt de efficiëntie van de celvernietiging sterk beïnvloed door de parameters van het sonicatieproces: de belangrijkste parameters zijn amplitude, druk, concentratie & viscositeit en temperatuur. Deze parameters moeten voor elke specifieke algenstam worden geoptimaliseerd om een optimale verwerkingsefficiëntie te waarborgen.
Enkele voorbeelden van celontsluiting en desintegratie van verschillende algenstammen zijn te vinden in de hieronder aangehaalde artikelen:

• Dunnaliella salina en Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic disruption of algae cells. 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): Evaluatie en vergelijking van methoden voor celdisruptie bij algen: Microgolf, waterbad, blender, ultrasoon en laserbehandeling. Applied Energy, maart 2013, Vol. 103, Pagina’s 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influence of different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Sweden.
• Schizochytrium limacinum en Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer en Roberto E. Armenta (2011): Developments in oil extraction from microalgae. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Verbetering van celdisruptie bij Scotiellopsis terrestris door middel van ultrageluid en een enzym dat pectine afbreekt. Naturstoffchemie.

Proces

Na de kweek wordt de algenbiomassastroom naar het concentratieapparaat gevoerd om de biomassa van het vloeibare medium te scheiden. Het concentraat wordt verzameld in de opslagtank. Na de scheiding moeten de cellen worden ontsloten om de olie en ander intracellulair materiaal vrij te maken. Daarom wordt de geconcentreerde biomassa door een ultrasoon apparaat van Hielscher gepompt. De ultrasone recirculatie-installatie zorgt ervoor dat het celconcentraat onder de gegeven druk door de doorstroomcel van Hielscher terug naar de verzameltank circuleert. De recirculatie duurt zolang als nodig is om de cellen te vernietigen. Wanneer het vernietigingsproces is voltooid, wordt de biomassa met de vernietigde cellen naar het productscheidingsapparaat gepompt, waar het product uiteindelijk van de resterende celresten wordt gescheiden.

Eenheid voor de vernietiging van algencellen met een apparaat voor biomassaconcentratie/ scheiding en de ultrasone processor UIP1500hd van Hielscher met een vermogen van 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Meting van het percentage vernietigde cellen

Om de efficiëntie van de ontsluiting van algencellen te beoordelen, gebruikte ALgae Grow Lab twee verschillende methoden om het percentage vernietigde cellen te meten:

1. De eerste analysemethode is gebaseerd op de meting van de fluorescentie van chlorofyl A, B en A+B.
   Bij centrifugeren met een laag toerental vormen algencellen en celresten een pellet op de bodem van het vat, maar blijven resten van vrij zwevend chlorofyl in het supernatant achter. Met behulp van deze fysische eigenschappen van de cel en het chlorofyl kan het percentage ontsloten cellen worden bepaald. Hiervoor wordt eerst de totale chlorofylfluorescentie van een monster gemeten. Vervolgens wordt het monster gecentrifugeerd. Daarna wordt de chlorofylfluorescentie van het supernatant gemeten. Door de chlorofylfluorescentie in het supernatant uit te drukken als percentage van de chlorofylfluorescentie van het volledige monster, kan het percentage ontsloten cellen worden geschat. Deze meetmethode is redelijk nauwkeurig, maar gaat ervan uit dat de hoeveelheid chlorofyl per cel gelijk is. Voor de extractie van al het chlorofyl werd methanol gebruikt.
2. Bij de tweede analysemethode werd klassieke hemocytometrie gebruikt om de celdichtheid in het geoogste algenmonster te meten. De procedure wordt in 2 stappen uitgevoerd:

• Eerst wordt de celdichtheid van het geoogste algenmonster vóór de ultrasone behandeling gemeten.
• Vervolgens wordt het aantal niet-vernietigde (resterende) cellen na sonicatie van hetzelfde monster gemeten.
  Op basis van de resultaten van deze twee metingen wordt het percentage vernietigde cellen berekend.

Afb.1: Algen vóór vernietiging ©Algae Grow Lab

Afb. 2: Algenontsluiting: 50% celontsluiting na 60 min. sonicatie. ©Algae Grow Lab

Afb. 3: Algenontsluiting: 100% celontsluiting na 120 min. sonicatie. ©Algae Grow Lab