Laboratório de cultivo de algas – Extração de algas por ultra-sons

cultivo de algas

O Algae Grow Lab desenvolveu uma série de fotobiorreactores tubulares e planos para a cultura de algas, bem como um processo de destruição ultra-sónica de células baseado em processadores ultra-sónicos Hielscher equipados com células de fluxo.
O fluxograma geral do processo é apresentado a seguir.

O fluxograma mostra o processo de cultivo de algas e produção de óleo de algas usando ultrassom. ©Algae Grow Lab

São apresentados abaixo exemplos de fotobiorreactores Algae Grow Lab.
A utilização de painéis LED que emitem luz na parte PAR do espetro permite atingir uma taxa máxima de crescimento das algas.
Por exemplo, após a inoculação de Chlorella Vulgaris com a densidade inicial de 0,146 g/L, atingimos a densidade de 7,3 g/L em 7 dias.

Destruição de células de algas por ultra-sons

Após o estádio de crescimento das algas, as células das algas estão maduras para o tratamento de produção de óleo. Como o conteúdo celular está separado do ambiente circundante por uma estrutura de membranas celulares compostas, o método de rutura celular é significativo no que respeita à libertação de todo o material intracelular. A membrana celular proporciona resistência mecânica à célula e preserva a sua integridade. As propriedades elásticas da membrana celular permitem que as células resistam às rápidas alterações da pressão osmótica que podem ocorrer no seu ambiente externo.
Tanto os métodos assistidos por ultra-sons como por micro-ondas, a seguir descritos, melhoram significativamente a extração de microalgas, com maior eficiência, tempos de extração reduzidos e rendimentos mais elevados, bem como custos baixos a moderados e toxicidade adicional insignificante.
Muitas vezes, a extração dos produtos pretendidos das algas é mais eficaz se as células das algas forem destruídas antes da extração. Mas, por vezes, a própria destruição das células leva à libertação do produto pretendido, sendo apenas necessário o processo de separação para o obter (por exemplo, a extração de lípidos de algas para a produção de biocombustíveis).
O laboratório de cultivo de algas integra um sistema de ultra-sons para a rutura e extração de células na sua configuração para garantir um processo altamente eficiente, conseguindo uma libertação completa do conteúdo intracelular e, assim, rendimentos mais elevados em menos tempo. No reator ultrassónico, as ondas ultra-sónicas criam cavitação no meio líquido que contém as células de algas. As bolhas de cavitação crescem durante as fases de rarefação alternadas da onda ultra-sónica até atingirem um determinado tamanho, quando não é possível adsorver mais energia. Neste ponto máximo de crescimento das bolhas, os vazios colapsam durante uma fase de compressão. O colapso da bolha cria condições extremas de diferenciais de pressão e temperatura, bem como ondas de choque e fortes jactos de líquido. Estas forças extremas não só destroem as células, como também lavam efetivamente o seu conteúdo para o meio líquido (por exemplo, água ou solventes).
A eficácia da destruição ultra-sónica depende fortemente da durabilidade e elasticidade das paredes celulares, que varia consideravelmente entre as estirpes individuais de algas. Esta é a razão pela qual a eficácia da destruição celular é altamente influenciada pelos parâmetros do processo de sonificação: Os parâmetros mais importantes são a amplitude, a pressão, a concentração & viscosidade e temperatura. Estes parâmetros devem ser optimizados para cada estirpe específica de algas, de modo a garantir uma eficiência de processamento óptima.
Alguns exemplos de rutura e desintegração celular de diferentes estirpes de algas podem ser encontrados nos artigos citados abaixo:

• Dunnaliella salina e Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic rutura de células de algas. Actas da Conferência AIP; 5/24/2012, Vol. 1433 Edição 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Avaliação e comparação de métodos de rompimento de células de algas: Micro-ondas, banho de água, liquidificador, ultrassom e tratamento a laser. Energia Aplicada, março de 2013, Vol. 103, Páginas 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Influência de diferentes técnicas de disrupção celular na mono-digestão de biomassa de algas. Congresso Mundial de Energias Renováveis 2011, Tecnologias de Bioenergia, 8-12 de maio de 2011, Suécia.
• Schizochytrium limacinum e Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Avaliação da rutura de células de microalgas por tratamento ultrassónico. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer e Roberto E. Armenta (2011): Desenvolvimentos na extração de óleo de microalgas. Jornal Europeu de Tecnologia da Ciência dos Lípidos, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Melhoria da rutura celular de Scotiellopsis terrestris por meio de ultra-sons e de uma enzima de decomposição da pectina. Naturstoffchemie.

processo

Após o cultivo, o fluxo de biomassa de algas é enviado para o dispositivo de concentração para separar a biomassa do meio líquido. O concentrado é acumulado no tanque de armazenamento. Após a separação, as células devem ser rompidas para libertar o óleo e outro material intracelular. Por conseguinte, a biomassa concentrada é bombeada através de um dispositivo ultrassónico Hielscher. A configuração de recirculação ultra-sónica assegura a recirculação do concentrado de células sob a pressão dada através da célula de fluxo Hielscher de volta para o tanque de acumulação. A recirculação dura o tempo necessário para destruir as células. Quando o processo de destruição está concluído, a biomassa com as células destruídas é bombeada para o dispositivo de separação do produto, onde ocorre a separação final do produto dos restantes resíduos.

Unidade de destruição celular de algas com dispositivo de concentração/separação de biomassa e processador ultrassónico UIP1500hd de 1,5 kW da Hielscher ©Algae Grow Lab

Medição da percentagem de células destruídas

Para a avaliação da eficiência da quebra das algas, o ALgae Grow Lab utilizou duas metodologias diferentes para medir a percentagem de células destruídas:

1. O primeiro método de análise baseia-se na medição da fluorescência da clorofila A, B e A+B.
   Durante a centrifugação lenta, as células de algas e os detritos irão sedimentar no fundo do recipiente, mas restos de clorofila livre flutuante ainda permanecerão no sobrenadante. Utilizando estas caraterísticas físicas da célula e da clorofila, é possível determinar a percentagem de células quebradas. Para o efeito, mede-se em primeiro lugar a fluorescência total da clorofila de uma amostra. Em seguida, a amostra é centrifugada. Depois, mede-se a fluorescência da clorofila no sobrenadante. Ao calcular a percentagem de fluorescência da clorofila no sobrenadante em relação à fluorescência da clorofila da amostra total, pode ser feita uma estimativa da percentagem de células quebradas. Esta forma de medição é bastante exacta, mas pressupõe que o número de clorofilas por célula é uniforme. As extracções de clorofila total foram efectuadas com metanol.
2. Para o segundo método de análise, foi utilizada a hemocitometria clássica para medir a densidade celular na amostra de algas colhida. O procedimento é efectuado em 2 etapas:

• Em primeiro lugar, é medida a densidade celular da amostra de algas colhida antes do tratamento por ultra-sons.
• Em segundo lugar, é medido o número de células não destruídas (restantes) após a sonificação da mesma amostra.
  Com base nos resultados destas duas medições, é calculada a percentagem de células destruídas.

Fig.1: Algas antes da destruição ©Algae Grow Lab

Foto 2: Rutura de algas: 50% de rompimento celular após 60 min. de sonicação. ©Algae Grow Lab

Imagem 3: Rutura de algas: 100% de rompimento celular após 120 min. de sonicação. ©Algae Grow Lab