Algae Grow Lab – Extração ultrassónica de algas

Cultivo de algas

A Algae Grow Lab desenvolveu uma série de fotobiorreatores tubulares e planos para o cultivo de algas, bem como um processo de destruição celular por ultrassons baseado em processadores ultrassónicos Hielscher equipados com células de fluxo.
O diagrama de fluxo geral do processo é apresentado abaixo.

O fluxograma apresenta o processo de cultivo de algas e de produção de óleo de algas com recurso à sonicação. ©Algae Grow Lab

Apresentam-se abaixo exemplos de fotobiorreatores da Algae Grow Lab.
A utilização de painéis LED que emitem luz na região PAR do espectro permite atingir uma taxa máxima de crescimento das algas.
Por exemplo, após a inoculação de Chlorella Vulgaris com uma densidade inicial de 0,146 g/L, atingimos uma densidade de 7,3g/L em 7 dias.

Destruição de células de algas por sonicação

Após a fase de crescimento das algas, as células estão prontas para o tratamento de produção de óleo. Como o conteúdo celular está separado do ambiente circundante por uma estrutura constituída por membranas celulares, o método de rutura celular é importante para a libertação de todo o material intracelular. A membrana celular confere resistência mecânica à célula e preserva a sua integridade. As propriedades elásticas da membrana celular permitem que as células resistam às alterações rápidas da pressão osmótica que podem ocorrer no seu ambiente externo.
Tanto os métodos assistidos por ultrassons como os assistidos por micro-ondas, descritos abaixo, melhoram significativamente a extração de microalgas, com maior eficiência, tempos de extração reduzidos e rendimentos superiores, bem como custos baixos a moderados e uma toxicidade adicional negligenciável.
Muito frequentemente, a extração dos produtos pretendidos a partir de algas é mais eficaz se as células das algas forem destruídas antes da extração. Contudo, por vezes, a própria destruição celular leva à libertação do produto pretendido, sendo necessário apenas o processo de separação para o obter (por exemplo, a extração de lípidos de algas para a produção de biocombustíveis).
A Algae grow lab integra um sistema ultrassónico de rutura celular e extração na sua instalação para garantir um processo altamente eficiente que permite a libertação completa do conteúdo intracelular e, assim, rendimentos superiores em menos tempo. No reator ultrassónico, as ondas ultrassónicas criam cavitação no meio líquido que contém as células das algas. As bolhas de cavitação crescem durante as fases alternadas de rarefação da onda ultrassónica até atingirem uma determinada dimensão, momento em que já não pode ser adsorvida mais energia. Neste ponto máximo de crescimento das bolhas, as cavidades colapsam durante uma fase de compressão. O colapso das bolhas cria condições extremas de diferenças de pressão e temperatura, bem como ondas de choque e jatos de líquido intensos. Estas forças extremas destroem as células e também arrastam eficazmente o seu conteúdo para o meio líquido (por exemplo, água ou solventes).
A eficácia da destruição ultrassónica depende fortemente da resistência e da elasticidade das paredes celulares, que variam consideravelmente entre as diferentes estirpes de algas. Por esse motivo, a eficiência da destruição celular é fortemente influenciada pelos parâmetros do processo de sonicação: os parâmetros mais importantes são a amplitude, a pressão, a concentração e a viscosidade, e a temperatura. Estes parâmetros devem ser otimizados para cada estirpe específica de algas, de modo a garantir a eficiência ótima do processamento.
Alguns exemplos de rutura celular e desintegração 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 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): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, março de 2013, Vol. 103, páginas 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 de maio de 2011, Suécia.
• Schizochytrium limacinum e 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 e 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: 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 alimentado ao dispositivo de concentração para separar a biomassa do meio líquido. O concentrado é acumulado no tanque de armazenamento. Após a separação, é necessário romper as células para libertar o óleo e o restante material intracelular. Por isso, a biomassa concentrada é bombeada através de um dispositivo ultrassónico Hielscher. A instalação de recirculação ultrassónica garante a recirculação do concentrado celular à pressão estabelecida, através da célula de fluxo Hielscher, de volta ao tanque de acumulação. A recirculação mantém-se durante 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 detritos restantes.

Unidade de destruição de células 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 avaliar a eficiência da rutura das algas, a 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 a baixa velocidade, as células das algas e os detritos sedimentam no fundo do recipiente, mas os restos de clorofila livre permanecem no sobrenadante. Utilizando estas características físicas das células e da clorofila, é possível determinar a percentagem de células rompidas. Para tal, mede-se primeiro a fluorescência total da clorofila de uma amostra. Em seguida, a amostra é centrifugada. Depois, mede-se a fluorescência da clorofila do sobrenadante. Calculando a percentagem da fluorescência da clorofila no sobrenadante em relação à fluorescência da clorofila da amostra total, pode estimar-se a percentagem de células rompidas. Esta forma de medição é bastante precisa, mas pressupõe que a quantidade de clorofila por célula é uniforme. As extrações de clorofila total foram realizadas com metanol.
2. No segundo método de análise, foi utilizada a hemocitometria clássica para medir a densidade celular na amostra de algas colhida. O procedimento é realizado em 2 etapas:

• Em primeiro lugar, mede-se a densidade celular da amostra de algas colhida antes do tratamento por ultrassons.
• Em segundo lugar, mede-se o número de células não destruídas (restantes) após a sonicação da mesma amostra.
  Com base nos resultados destas duas medições, calcula-se a percentagem de células destruídas.

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

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

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