Algae Grow Lab – Extracția ultrasonică a algelor

Cultivarea algelor

Algae Grow Lab a dezvoltat o serie de fotobioreactoare tubulare și plate pentru cultivarea algelor, precum și un proces de distrugere ultrasonică a celulelor bazat pe procesoare cu ultrasunete Hielscher echipate cu celule de flux.
Diagrama generală a fluxului procesului este prezentată mai jos.

Diagrama de flux prezintă procesul de cultivare a algelor și de producere a uleiului algal prin ultrasonicare. ©Algae Grow Lab

Mai jos sunt prezentate exemple de fotobioreactoare Algae Grow Lab.
Utilizarea panourilor LED care emit lumină în domeniul PAR al spectrului permite atingerea unei rate maxime de creștere a algelor.
De exemplu, după inocularea Chlorella Vulgaris cu o densitate inițială de 0,146 g/L, am obținut o densitate de 7,3g/L în 7 zile.

Distrugerea celulelor de alge prin ultrasonicare

După stadiul de creștere, celulele de alge sunt pregătite pentru tratamentul de producere a uleiului. Deoarece conținutul celular este separat de mediul înconjurător printr-o structură alcătuită din membrane celulare, metoda de dezintegrare a celulelor este importantă pentru eliberarea completă a materialului intracelular. Membrana celulară conferă celulei rezistență mecanică și îi păstrează integritatea. Proprietățile elastice ale membranei celulare permit celulelor să reziste la schimbările rapide ale presiunii osmotice care pot apărea în mediul lor extern.
Atât metodele asistate de ultrasunete, cât și cele asistate de microunde, descrise mai jos, îmbunătățesc semnificativ extracția din microalge, cu o eficiență mai mare, timpi de extracție reduși și randamente crescute, precum și costuri scăzute până la moderate și o toxicitate suplimentară neglijabilă.
De foarte multe ori, extracția produselor țintă din alge este mai eficientă dacă celulele de alge sunt distruse înainte de extracție. Însă uneori distrugerea celulelor în sine duce la eliberarea produsului țintă și este necesar doar procesul de separare pentru a-l obține (de ex. extracția lipidelor din alge pentru producția de biocombustibili).
Algae grow lab integrează în instalația sa un sistem cu ultrasunete pentru dezintegrarea celulelor și extracție, pentru a asigura un proces extrem de eficient, care realizează o eliberare completă a conținutului intracelular și, prin urmare, randamente mai mari într-un timp mai scurt. În reactorul cu ultrasunete, undele ultrasonice generează cavitație în mediul lichid care conține celulele de alge. Bulele de cavitație cresc în timpul fazelor alternante de rarefiere ale undei ultrasonice până când ating o anumită dimensiune, la care nu mai poate fi adsorbită energie suplimentară. În acest punct maxim de creștere a bulelor, golurile implodează în timpul unei faze de compresie. Implozia bulelor creează condiții extreme de diferențe de presiune și temperatură, precum și unde de șoc și jeturi puternice de lichid. Aceste forțe extreme nu numai că distrug celulele, ci și spală eficient conținutul acestora în mediul lichid (de ex. apă sau solvenți).
Eficacitatea distrugerii ultrasonice depinde în mare măsură de durabilitatea și elasticitatea pereților celulari, care variază considerabil între diferitele tulpini de alge. Acesta este motivul pentru care eficiența distrugerii celulelor este puternic influențată de parametrii procesului de sonicare: cei mai importanți parametri sunt amplitudinea, presiunea, concentrația & vâscozitatea și temperatura. Acești parametri trebuie optimizați pentru fiecare tulpină de alge în parte, pentru a asigura eficiența optimă a procesării.
Câteva exemple de dezintegrare a celulelor și de dezagregare a diferitelor tulpini de alge pot fi găsite în articolele citate mai jos:

• Dunnaliella salina și 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): Evaluarea și compararea metodelor de perturbare a celulelor algelor: cuptor cu microunde, baie de apă, blender, tratament cu ultrasunete și laser. Applied Energy, martie 2013, vol. 103, paginile 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 și 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 și Roberto E. Armenta (2011): Evoluții în extracția uleiului din microalge. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Îmbunătățirea perturbării celulare pentru Scotiellopsis terrestris prin intermediul ultrasunetelor și a unei enzime descompuse de pectină. Naturstoffchemie.

Proces

După cultivare, fluxul de biomasă algală este alimentat în dispozitivul de concentrare pentru a separa biomasa de mediul lichid. Concentratul este acumulat în rezervorul de stocare. După separare, celulele trebuie dezintegrate pentru a elibera uleiul și alte materiale intracelulare. Prin urmare, biomasa concentrată este pompată printr-un dispozitiv cu ultrasunete Hielscher. Instalația de recirculare cu ultrasunete asigură recircularea concentratului celular, la presiunea dată, prin celula de flux Hielscher înapoi în rezervorul de acumulare. Recircularea durează timpul necesar pentru distrugerea celulelor. Când procesul de distrugere este încheiat, biomasa cu celulele distruse este pompată către dispozitivul de separare a produsului, unde are loc separarea finală a produsului de resturile rămase.

Unitate de distrugere a celulelor de alge cu dispozitiv de concentrare/ separare a biomasei și procesorul cu ultrasunete Hielscher UIP1500hd de 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Măsurarea procentului de celule distruse

Pentru evaluarea eficienței spargerii algelor, ALgae Grow Lab a utilizat două metodologii diferite de măsurare a procentului de celule distruse:

1. Prima metodă de analiză se bazează pe măsurarea fluorescenței clorofilei A, B și A+B.
   În timpul centrifugării la turație redusă, celulele algale și resturile se depun sub formă de sediment pe fundul recipientului, dar resturi de clorofilă care plutește liber rămân în continuare în supernatant. Folosind aceste caracteristici fizice ale celulei și ale clorofilei, se poate determina procentul de celule sparte. Acest lucru se realizează măsurând mai întâi fluorescența totală a clorofilei dintr-o probă. Apoi, proba este centrifugată. Ulterior, se măsoară fluorescența clorofilei din supernatant. Calculând procentul pe care îl reprezintă fluorescența clorofilei din supernatant față de fluorescența clorofilei din întreaga probă, se poate face o estimare a procentului de celule sparte. Această formă de măsurare este destul de precisă, dar presupune că numărul de clorofilă per celulă este uniform. Extracțiile totale de clorofilă au fost efectuate cu metanol.
2. Pentru a doua metodă de analiză, s-a utilizat hemocitometria clasică pentru a măsura densitatea celulară din proba de alge recoltată. Procedura se desfășoară în 2 etape:

• Mai întâi, se măsoară densitatea celulară a probei de alge recoltate înainte de tratamentul cu ultrasunete.
• În al doilea rând, se măsoară numărul de celule nedistruse (rămase) după sonicarea aceleiași probe.
  Pe baza rezultatelor acestor două măsurători, se calculează procentul de celule distruse.

Imaginea 1: Alge înainte de distrugere ©Algae Grow Lab

Imaginea 2: Dezintegrarea algelor: dezintegrare celulară de 50% după 60 min. de sonicare. ©Algae Grow Lab

Imaginea 3: Dezintegrarea algelor: dezintegrare celulară de 100% după 120 min. de sonicare. ©Algae Grow Lab