Algele cresc laborator – Extracția algelor cu ultrasunete

cultivarea algelor

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

Diagrama de flux afișează procesul de cultivare a algelor și producția de ulei de alge folosind ultrasonication. ©Algele cresc laborator

Exemple de fotobioreactoare Algae Grow Lab sunt prezentate mai jos.
Utilizarea panourilor LED care emit lumină în partea PAR a spectrului permite atingerea unei rate maxime de creștere a algelor.
De exemplu, după inocularea Chlorella vulgaris cu densitatea inițială de 0,146 g / L am obținut densitatea de 7,3 g / L în 7 zile.

Distrugerea celulelor algelor prin ultrasonificare

După stadionul de creștere a algelor, celulele algelor sunt coapte pentru tratamentul producției de ulei. Deoarece conținutul celular este separat de mediul înconjurător printr-o structură de membrane celulare compuse, metoda de întrerupere celulară este semnificativă în ceea ce privește eliberarea materialului intracelular complet. Membrana celulară asigură rezistența mecanică a celulei și păstrează integritatea acesteia. Proprietățile elastice ale membranei celulare permit celulelor să reziste schimbărilor rapide ale presiunii osmotice care pot apărea în mediul lor extern.
Ambele metode cu ultrasunete și microunde, care sunt descrise mai jos, îmbunătățesc semnificativ extracția microalgelor, cu o eficiență mai mare, timpi de extracție reduși și randamente crescute, precum și costuri scăzute până la moderate și toxicitate adăugată neglijabilă.
Foarte des, extracția produselor țintă din alge este mai eficientă dacă celulele algelor sunt distruse înainte de extracție. Dar, uneori, distrugerea celulelor în sine duce la eliberarea produsului țintă și numai procesul de separare este necesar pentru a-l obține (de exemplu, extracția lipidelor din alge pentru producția de biocombustibil).
Algele cresc laborator integrează un sistem cu ultrasunete pentru întreruperea celulelor și extracția în configurația lor pentru a asigura un proces extrem de eficient, realizând o eliberare completă a conținutului intracelular și, prin urmare, randamente mai mari într-un timp mai scurt. În reactorul cu ultrasunete, undele ultrasonice creează cavitație în mediul lichid care conține celulele algelor. Bulele de cavitație cresc în timpul fazelor alternative de rarefiere ale undei ultrasonice până când ating o anumită dimensiune, când nu mai poate fi adsorbită altă energie. În acest punct maxim de creștere a bulelor, golurile se prăbușesc în timpul unei faze de compresie. Colapsul bulelor creează condiții extreme de diferențiale 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 lor în mediul lichid (de exemplu, apă sau solvenți).
Eficacitatea distrugerii cu ultrasunete depinde puternic de durabilitatea și elasticitatea pereților celulari, care variază considerabil între tulpinile individuale de alge. Acesta este motivul pentru care eficiența distrugerii celulelor este puternic influențată de parametrii procesului de sonificare: Cei mai importanți parametri sunt amplitudinea, presiunea, concentrația & vâscozitatea și temperatura. Acești parametri trebuie optimizați pentru fiecare tulpină particulară de alge pentru a asigura eficiența optimă a procesării.
Câteva exemple de perturbare celulară și dezintegrare a diferitelor tulpini de alge pot fi găsite în articolele citate mai jos:

• Dunnaliella salina și Nannochloropsis oculata: Regele P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Perturbarea cu ultrasunete a celulelor algelor. Lucrările conferinței AIP; 24.05.2012, vol. 1433, numărul 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): Influența diferitelor tehnici de perturbare celulară asupra digestiei mono a biomasei algelor. Congresul Mondial al Energiei Regenerabile 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 mai 2011, Suedia.
• Schizochytrium limacinum și Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluarea perturbării celulelor microalge prin tratament cu ultrasunete. Tehnologia bioresurselor 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 al algelor este alimentat în dispozitivul de concentrare pentru a separa biomasa de mediul lichid. Concentratul este acumulat în rezervorul de stocare. După separare, celulele trebuie perturbate pentru a elibera uleiul și alte materiale intracelulare. Prin urmare, biomasa concentrată este pompată printr-un dispozitiv cu ultrasunete Hielscher. Configurarea recirculării cu ultrasunete asigură recircularea concentratului celular sub presiunea dată prin celula de flux Hielscher înapoi la rezervorul de acumulare. Recircularea durează timpul necesar pentru distrugerea celulelor. Când procesul de distrugere este finalizat, biomasa cu celulele distruse pompează către dispozitivul de separare a produsului, unde are loc separarea finală a produsului de resturile rămase.

Unitate de distrugere a celulelor algelor cu concentrație de biomasă / dispozitiv de separare și Hielscher 1.5 kW procesor cu ultrasunete UIP1500hd. ©Algele cresc laborator

Măsurarea procentului de celule distruse

Pentru evaluarea eficienței ruperii algelor, ALgae Grow Lab a folosit două metodologii diferite pentru a măsura procentul de celule distruse:

1. Prima metodă de analiză se bazează pe măsurarea fluorescenței clorofilei A, B și A + B.
   În timpul centrifugării cu centrifugare lentă, celulele de alge și resturile se vor granula în partea inferioară a recipientului, dar resturile de clorofilă plutitoare liberă vor rămâne în continuare în supernatant. Folosind aceste caracteristici fizice ale celulei și clorofilei, se poate stabili procentul de celule rupte. Acest lucru se realizează prin măsurarea în primul rând a fluorescenței totale a clorofilei unei probe. Apoi, eșantionul este centrifugat. Apoi se măsoară fluorescența clorofilei supernatantului. Luând procentul de fluorescență a clorofilei din supernatant la fluorescența clorofilei din întreaga probă, se poate face o estimare a procentului de celule rupte. Această formă de măsurare este destul de precisă, dar presupune că numărul de clorofilă pe celulă este uniform. Extracțiile totale de clorofilă au fost efectuate folosind metanol.
2. Pentru a doua metodă de analiză, hemocitometria clasică a fost utilizată pentru a măsura densitatea celulară în proba de alge recoltate. Procedura se desfășoară în 2 etape:

• În primul rând, 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 sonificarea aceleiași probe.
  Pe baza rezultatelor acestor două măsurători, se calculează procentul de celule distruse.

Pic.1: Algele înainte de distrugere ©algele cresc în laborator

Pic 2: Alge perturbare: 50% perturbarea celulelor după 60 min. sonicare. ©Algele cresc laborator

Pic 3: Alge perturbare: 100% perturbarea celulelor după 120 min. sonicare. ©Algele cresc laborator