Laboratorium uprawy alg – Ultradźwiękowa ekstrakcja glonów
uprawa alg
Algae Grow Lab opracowało serię rurowych i płaskich fotobioreaktorów do uprawy alg, a także proces ultradźwiękowego niszczenia komórek oparty na ultradźwiękowych procesorach Hielschera wyposażonych w komórki przepływowe.
Ogólny schemat przepływu procesu przedstawiono poniżej.

Schemat blokowy przedstawia proces uprawy alg i produkcji oleju z alg przy użyciu ultradźwięków. ©Algae Grow Lab
Poniżej przedstawiono przykłady fotobioreaktorów Algae Grow Lab.
Zastosowanie paneli LED emitujących światło w części widma PAR pozwala osiągnąć maksymalne tempo wzrostu glonów.
Na przykład, po zaszczepieniu Chlorella Vulgaris o początkowej gęstości 0,146 g/L osiągnęliśmy gęstość 7,3 g/L w ciągu 7 dni.

Algae Grow Lab dostarcza fotobioreaktory i sprzęt do produkcji oleju z alg.
Zniszczenie komórek glonów przez ultradźwięki
Po stadium wzrostu alg, ich komórki są dojrzałe do produkcji oleju. Ponieważ zawartość komórki jest oddzielona od otaczającego środowiska przez strukturę złożonych błon komórkowych, metoda rozbijania komórek jest istotna w odniesieniu do uwalniania całego materiału wewnątrzkomórkowego. Błona komórkowa zapewnia wytrzymałość mechaniczną komórki i zachowuje jej integralność. Elastyczne właściwości błony komórkowej pozwalają komórkom wytrzymać gwałtowne zmiany ciśnienia osmotycznego, które mogą wystąpić w ich otoczeniu zewnętrznym.
Zarówno metody ultradźwiękowe, jak i mikrofalowe, które opisano poniżej, znacznie poprawiają ekstrakcję mikroalg, z wyższą wydajnością, skróconym czasem ekstrakcji i zwiększoną wydajnością, a także niskimi lub umiarkowanymi kosztami i znikomą dodatkową toksycznością.
Bardzo często ekstrakcja docelowych produktów z alg jest bardziej skuteczna, jeśli komórki alg zostaną zniszczone przed ekstrakcją. Czasami jednak samo zniszczenie komórek prowadzi do uwolnienia docelowego produktu, a do jego uzyskania potrzebny jest jedynie proces separacji (np. ekstrakcja lipidów z alg do produkcji biopaliw).
Laboratorium uprawy alg integruje system ultradźwiękowy do rozbijania i ekstrakcji komórek w swojej konfiguracji, aby zapewnić wysoce wydajny proces osiągający całkowite uwolnienie zawartości wewnątrzkomórkowej, a tym samym wyższe plony w krótszym czasie. W reaktorze ultradźwiękowym fale ultradźwiękowe tworzą kawiatację w ciekłym medium zawierającym komórki alg. Pęcherzyki kawitacyjne rosną podczas naprzemiennych faz rozrzedzania fali ultradźwiękowej, aż osiągną określony rozmiar, gdy nie można zaadsorbować dalszej energii. W tym maksymalnym punkcie wzrostu pęcherzyków, puste przestrzenie zapadają się podczas fazy kompresji. Zapadanie się pęcherzyków tworzy ekstremalne warunki różnic ciśnienia i temperatury, a także fale uderzeniowe i silne strumienie cieczy. Te ekstremalne siły nie tylko niszczą komórki, ale także skutecznie wypłukują ich zawartość do ciekłych mediów (np. wody lub rozpuszczalników).
Skuteczność niszczenia ultradźwiękowego silnie zależy od trwałości i elastyczności ścian komórkowych, które różnią się znacznie między poszczególnymi szczepami alg. Z tego powodu na skuteczność niszczenia komórek duży wpływ mają parametry procesu sonifikacji: Najważniejszymi parametrami są amplituda, ciśnienie, stężenie & lepkość i temperatura. Parametry te muszą być zoptymalizowane dla każdego konkretnego szczepu alg, aby zapewnić optymalną wydajność przetwarzania.
Niektóre przykłady rozpadu komórek i dezintegracji 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): Ultradźwiękowe zakłócenie komórek glonów. 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, Aleksandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influence of different cell disruption techniques on mono digestion of algal biomass. Światowy Kongres Energii Odnawialnej 2011, Technologie Bioenergetyczne, 8-12 maja 2011, Szwecja.
- Schizochytrium limacinum i Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Ocena rozpadu komórek mikroalg przez obróbkę ultradźwiękową. 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 uprawy strumień biomasy glonów jest podawany do urządzenia zagęszczającego w celu oddzielenia biomasy od ciekłego medium. Koncentrat jest gromadzony w zbiorniku magazynowym. Po oddzieleniu, komórki muszą zostać rozbite w celu uwolnienia oleju i innego materiału wewnątrzkomórkowego. Dlatego skoncentrowana biomasa jest pompowana przez urządzenie ultradźwiękowe Hielscher. Recyrkulacja ultradźwiękowa zapewnia recyrkulację koncentratu komórkowego pod danym ciśnieniem przez komorę przepływową Hielschera z powrotem do zbiornika akumulacyjnego. Recyrkulacja trwa przez czas wymagany do zniszczenia komórek. Po zakończeniu procesu niszczenia biomasa ze zniszczonymi komórkami jest pompowana do urządzenia do oddzielania produktu, gdzie następuje ostateczne oddzielenie produktu od pozostałych zanieczyszczeń.

Urządzenie do niszczenia komórek glonów z urządzeniem do zagęszczania/oddzielania biomasy i procesorem ultradźwiękowym UIP1500hd firmy Hielscher o mocy 1,5 kW. ©Algae Grow Lab
Pomiar odsetka zniszczonych komórek
W celu oceny skuteczności niszczenia alg, ALgae Grow Lab wykorzystało dwie różne metodologie do pomiaru procentu zniszczonych komórek:
- Pierwsza metoda analizy opiera się na pomiarze fluorescencji chlorofilu A, B i A+B.
Podczas powolnego wirowania, komórki glonów i szczątki osiadają na dnie pojemnika, ale resztki swobodnie unoszącego się chlorofilu nadal pozostają w supernatancie. Wykorzystując te właściwości fizyczne komórek i chlorofilu, można określić procent uszkodzonych komórek. Osiąga się to poprzez pomiar całkowitej fluorescencji chlorofilu w próbce. Następnie próbka jest odwirowywana. Następnie mierzona jest fluorescencja chlorofilu w supernatancie. Biorąc pod uwagę procent fluorescencji chlorofilu w supernatancie do fluorescencji chlorofilu całej próbki, można oszacować procent uszkodzonych komórek. Ta forma pomiaru jest dość dokładna, ale zakłada, że liczba chlorofilu na komórkę jest jednolita. Ekstrakcje całkowitego chlorofilu przeprowadzono przy użyciu metanolu. - W przypadku drugiej metody analizy, do pomiaru gęstości komórek w zebranej próbce glonów wykorzystano klasyczną hemocytometrię. Procedura jest przeprowadzana w 2 krokach:
- Po pierwsze, mierzona jest gęstość komórek zebranej próbki glonów przed obróbką ultradźwiękową.
- Po drugie, mierzona jest liczba niezniszczonych (pozostałych) komórek po sonifikacji tej samej próbki.
Na podstawie wyników tych dwóch pomiarów obliczany jest procent zniszczonych komórek.