Algae Grow Lab – Ultradźwiękowa ekstrakcja alg

Hodowla alg

Algae Grow Lab opracowało serię rurowych i płaskich fotobioreaktorów do hodowli alg, a także proces ultradźwiękowego rozbijania komórek oparty na procesorach ultradźwiękowych Hielscher wyposażonych w komory przepływowe.
Ogólny schemat przepływowy procesu przedstawiono poniżej.

Schemat przepływowy przedstawia proces hodowli alg i produkcji oleju z alg z wykorzystaniem sonikacji. ©Algae Grow Lab

Poniżej przedstawiono przykłady fotobioreaktorów Algae Grow Lab.
Zastosowanie paneli LED emitujących światło w zakresie widma PAR pozwala osiągnąć maksymalne tempo wzrostu alg.
Na przykład po inokulacji Chlorella Vulgaris przy początkowej gęstości 0,146 g/L osiągnęliśmy gęstość 7,3g/L w ciągu 7 dni.

Rozbijanie komórek alg za pomocą sonikacji

Po zakończeniu etapu wzrostu komórki alg są gotowe do przetwarzania w celu produkcji oleju. Ponieważ zawartość komórki jest oddzielona od otaczającego środowiska strukturą złożoną z błon komórkowych, metoda rozbijania komórek ma istotne znaczenie dla uwolnienia całego materiału wewnątrzkomórkowego. Błona komórkowa zapewnia komórce wytrzymałość mechaniczną i zachowuje jej integralność. Właściwości sprężyste błony komórkowej pozwalają komórkom wytrzymywać gwałtowne zmiany ciśnienia osmotycznego, które mogą występować w ich otoczeniu zewnętrznym.
Zarówno metody wspomagane ultradźwiękami, jak i mikrofalami, opisane poniżej, znacznie usprawniają ekstrakcję mikroalg, zapewniając wyższą efektywność, skrócenie czasu ekstrakcji i zwiększenie uzysku, a także niskie do umiarkowanych koszty oraz znikomy dodatkowy wzrost toksyczności.
Bardzo często ekstrakcja produktów docelowych z alg jest skuteczniejsza, jeśli komórki alg zostaną rozbite przed ekstrakcją. Czasami jednak samo rozbijanie komórek prowadzi do uwolnienia produktu docelowego i do jego uzyskania potrzebny jest jedynie proces separacji (np. przy ekstrakcji lipidów z alg do produkcji biopaliw).
Algae grow lab integruje ultradźwiękowy system do rozbijania komórek i ekstrakcji ze swoją instalacją, aby zapewnić wysoce efektywny proces umożliwiający całkowite uwolnienie zawartości wewnątrzkomórkowej, a tym samym wyższy uzysk w krótszym czasie. W reaktorze ultradźwiękowym fale ultradźwiękowe wywołują kawitację w ośrodku ciekłym zawierającym komórki alg. Pęcherzyki kawitacyjne rosną podczas kolejnych faz rozrzedzania fali ultradźwiękowej, aż osiągną określony rozmiar, przy którym nie może już zostać pochłonięta dalsza energia. W tym punkcie maksymalnego wzrostu pęcherzyków powstałe pustki zapadają się podczas fazy sprężania. Zapadanie się pęcherzyków powoduje powstanie ekstremalnych różnic ciśnienia i temperatury, a także fal uderzeniowych i silnych strug cieczy. Te ekstremalne siły nie tylko rozbijają komórki, ale także skutecznie wypłukują ich zawartość do ośrodka ciekłego (np. wody lub rozpuszczalników).
Skuteczność ultradźwiękowego rozbijania silnie zależy od wytrzymałości i sprężystości ścian komórkowych, które znacznie różnią się między poszczególnymi szczepami alg. Dlatego parametry procesu sonikacji mają duży wpływ na skuteczność rozbijania komórek: najważniejszymi parametrami są amplituda, ciśnienie, stężenie i lepkość oraz temperatura. Parametry te należy zoptymalizować dla każdego konkretnego szczepu alg, aby zapewnić optymalną efektywność przetwarzania.
Przykłady rozbijania i dezintegracji komórek różnych szczepów alg można znaleźć w artykułach cytowanych poniżej:

• Dunnaliella salina i 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): Ocena i porównanie metod rozbijania komórek glonów: Mikrofale, łaźnia wodna, blender, obróbka ultradźwiękowa i laserowa. Applied Energy, marzec 2013, tom 103, strony 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 i 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 i 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: Poprawa rozpadu komórek Scotiellopsis terrestris za pomocą ultradźwięków i enzymu rozkładającego pektyny. Naturstoffchemie.

Proces

Po zakończeniu hodowli strumień biomasy alg jest kierowany do urządzenia zagęszczającego w celu oddzielenia biomasy od ośrodka ciekłego. Koncentrat jest gromadzony w zbiorniku magazynowym. Po separacji komórki muszą zostać rozbite, aby uwolnić olej i pozostały materiał wewnątrzkomórkowy. Dlatego zagęszczona biomasa jest pompowana przez urządzenie ultradźwiękowe Hielscher. Ultradźwiękowa instalacja recyrkulacyjna zapewnia recyrkulację koncentratu komórek pod zadanym ciśnieniem przez komorę przepływową Hielscher z powrotem do zbiornika gromadzącego. Recyrkulacja trwa przez czas niezbędny do rozbicia komórek. Po zakończeniu procesu rozbijania biomasa z rozbitymi komórkami jest pompowana do urządzenia do separacji produktu, w którym następuje ostateczne oddzielenie produktu od pozostałych resztek komórkowych.

Instalacja do rozbijania komórek alg z urządzeniem do zagęszczania/separacji biomasy i procesorem ultradźwiękowym UIP1500hd firmy Hielscher o mocy 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Pomiar odsetka rozbitych komórek

Do oceny skuteczności rozbijania alg ALgae Grow Lab zastosowało dwie różne metody pomiaru odsetka rozbitych komórek:

1. Pierwsza metoda analizy opiera się na pomiarze fluorescencji chlorofilu A, B oraz A+B.
   Podczas wirowania z małą prędkością komórki alg i resztki komórkowe tworzą osad na dnie naczynia, ale pozostałości swobodnie unoszącego się chlorofilu nadal pozostają w supernatancie. Wykorzystując te właściwości fizyczne komórek i chlorofilu, można określić odsetek rozbitych komórek. W tym celu najpierw mierzy się całkowitą fluorescencję chlorofilu w próbce. Następnie próbkę poddaje się wirowaniu. Potem mierzy się fluorescencję chlorofilu w supernatancie. Obliczając procentowy stosunek fluorescencji chlorofilu w supernatancie do fluorescencji chlorofilu w całej próbce, można oszacować odsetek rozbitych komórek. Ta metoda pomiaru jest dość dokładna, lecz zakłada, że ilość chlorofilu w każdej komórce jest jednakowa. Ekstrakcje całkowitego chlorofilu przeprowadzono z użyciem metanolu.
2. W drugiej metodzie analizy zastosowano klasyczną hemocytometrię do pomiaru gęstości komórek w próbce zebranych alg. Procedura jest przeprowadzana w 2 etapach:

• Najpierw mierzy się gęstość komórek w próbce zebranych alg przed obróbką ultradźwiękową.
• Następnie mierzy się liczbę nierozbitych (pozostałych) komórek po sonikacji tej samej próbki.
  Na podstawie wyników tych dwóch pomiarów oblicza się odsetek rozbitych komórek.

Fot.1: Algi przed rozbiciem komórek ©Algae Grow Lab

Fot. 2: Rozbijanie alg: 50% komórek rozbitych po 60 min. sonikacji. ©Algae Grow Lab

Fot. 3: Rozbijanie alg: 100% komórek rozbitych po 120 min. sonikacji. ©Algae Grow Lab