Лаборатория по выращиванию водорослей – Ультразвуковая экстракция водорослей

выращивание водорослей

Компания Algae Grow Lab разработала серию трубчатых и плоских фотобиореакторов для выращивания водорослей, а также процесс ультразвуковой деструкции клеток на основе ультразвуковых процессоров Hielscher, оснащенных проточными ячейками.
Общая схема процесса приведена ниже.

На технологической схеме показан процесс выращивания водорослей и производства водорослевого масла с помощью ультразвука. ©Лаборатория по выращиванию водорослей

Ниже представлены примеры фотобиореакторов Algae Grow Lab.
Использование светодиодных панелей, излучающих свет в ФАР части спектра, позволяет добиться максимальной скорости роста водорослей.
Например, после посева Chlorella Vulgaris с исходной плотностью 0,146 г/л мы достигли плотности 7,3 г/л за 7 дней.

Уничтожение клеток водорослей с помощью ультразвука

После стадии роста водорослей клетки водорослей созревают для обработки при производстве нефти. Поскольку клеточное содержимое отделено от окружающей среды структурой составляющих клеточных мембран, метод клеточного разрушения имеет важное значение с точки зрения высвобождения всего внутриклеточного материала. Клеточная мембрана обеспечивает механическую прочность клетки и сохраняет ее целостность. Упругие свойства клеточной мембраны позволяют клеткам выдерживать быстрые изменения осмотического давления, которые могут происходить в их внешней среде.
Как ультразвуковые, так и микроволновые методы, которые описаны ниже, значительно улучшают экстракцию микроводорослей, с более высокой эффективностью, сокращенным временем экстракции и увеличенным выходом, а также низкими или умеренными затратами и незначительной дополнительной токсичностью.
Очень часто извлечение целевых продуктов из водорослей оказывается более эффективным, если клетки водорослей разрушаются до экстракции. Но иногда разрушение клеток само по себе приводит к высвобождению целевого продукта, и для его получения требуется только процесс разделения (например, извлечение липидов из водорослей для производства биотоплива).
Лаборатория по выращиванию водорослей интегрирует в свою установку ультразвуковую систему для разрушения клеток и экстракции, чтобы обеспечить высокоэффективный процесс, достигая полного высвобождения внутриклеточного содержимого и, таким образом, более высоких выходов за более короткое время. В ультразвуковом реакторе ультразвуковые волны создают кавиацию в жидкой среде, содержащей клетки водорослей. Кавитационные пузырьки растут во время чередующихся фаз разрежения ультразвуковой волны до тех пор, пока не достигнут определенного размера, когда энергия больше не может быть адсорбирована. В этой максимальной точке роста пузырьков пустоты схлопываются во время фазы сжатия. Схлопывание пузырьков создает экстремальные условия перепадов давления и температуры, а также ударные волны и сильные струи жидкости. Эти экстремальные силы не только разрушают клетки, но и эффективно вымывают их содержимое в жидкие среды (например, воду или растворители).
Эффективность ультразвуковой деструкции в значительной степени зависит от прочности и эластичности клеточных стенок, которые значительно варьируются в зависимости от отдельных штаммов водорослей. Именно по этой причине эффективность разрушения клеток в значительной степени зависит от параметров процесса сонификации: наиболее важными параметрами являются амплитуда, давление, концентрация & вязкость и температура. Эти параметры должны быть оптимизированы для каждого конкретного штамма водорослей, чтобы обеспечить оптимальную эффективность обработки.
Некоторые примеры разрушения и распада клеток различных штаммов водорослей можно найти в статьях, приведенных ниже:

• Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Джойс, Э.М.; Мейсон, Т.Д. (2012): Ультразвуковое разрушение клеток водорослей. Материалы конференции АИП; 24.05.2012, том 1433 выпуск 1, стр. 237.
• Nannochloropsis oculata: Джонатан Р. Макмиллан, Ян А. Уотсон, Мехмуд Али, Веам Джаафар (2013): Оценка и сравнение методов разрушения клеток водорослей: микроволновая печь, водяная баня, блендер, ультразвуковое и лазерное лечение. Прикладная энергия, март 2013 г., том 103, стр. 128–134.
• Nanochloropsis salina: Себастьян Шведе, Александра Ковальчик, Мэнди Гербер, Роланд Спан (2011): Влияние различных методов разрушения клеток на монопереваривание биомассы водорослей. Всемирный конгресс по возобновляемым источникам энергии 2011, биоэнергетические технологии, 8-12 мая 2011 года, Швеция.
• Schizochytrium limacinum и Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Оценка разрушения клеток микроводорослей с помощью ультразвукового лечения. Биоресурсные технологии 2012, том 125, стр. 175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Паула Мерсер и Роберто Э. Армента (2011): Разработки в области извлечения масла из микроводорослей. Европейский журнал технологии липидной науки, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: С. Штарке, д-р Н. Гемпель, Л. Домбровски, проф. д-р О. Пульц: Улучшение разрушения клеток Scotiellopsis terrestris с помощью ультразвука и фермента, расщепленного пектином. Naturstoffchemie.

Процесс

После культивирования поток биомассы водорослей подается в концентрационное устройство для отделения биомассы от жидких сред. Концентрат накапливается в накопительном баке. После разделения клетки должны быть разрушены, чтобы высвободить масло и другой внутриклеточный материал. Поэтому концентрированная биомасса прокачивается через ультразвуковое устройство Хильшера. Установка ультразвуковой рециркуляции обеспечивает рециркуляцию концентрата ячейки под заданным давлением через проточную ячейку Хильшера обратно в накопительную емкость. Рециркуляция длится время, необходимое для разрушения клеток. Когда процесс деструкции завершен, биомасса с разрушенными ячейками перекачивается в устройство разделения продукта, где происходит окончательное отделение продукта от оставшегося мусора.

Установка для уничтожения клеток водорослей с устройством для концентрации/разделения биомассы и ультразвуковым процессором Hielscher мощностью 1,5 кВт UIP1500hd. ©Лаборатория по выращиванию водорослей

Измерение процента разрушенных клеток

Для оценки эффективности разрушения водорослей ALgae Grow Lab использовала две различные методологии для измерения процента разрушенных клеток:

1. Первый метод анализа основан на измерении флуоресценции хлорофилла А, В и А+В.
   Во время медленного спинового центрифугирования клетки водорослей и мусор будут накапливаться на дне реципиента, но остатки свободно плавающего хлорофилла все равно останутся в надосадочной жидкости. Используя эти физические характеристики клетки и хлорофилла, можно определить процент разрушенных клеток. Это достигается путем измерения сначала общей флуоресценции хлорофилла образца. Затем образец центрифугируется. После этого измеряют флуоресценцию хлорофилла надосадочной жидкости. Взяв процентное соотношение флуоресценции хлорофилла в надосадочной жидкости к флуоресценции хлорофилла всего образца, можно оценить процент разрушенных клеток. Эта форма измерения довольно точна, но позволяет предположить, что количество хлорофилла в клетке равномерно. Общую экстракцию хлорофилла проводили с использованием метанола.
2. Для второго метода анализа использовалась классическая гемоцитометрия для измерения плотности клеток в собранном образце водорослей. Процедура проводится в 2 этапа:

• Во-первых, измеряется плотность клеток собранного образца водорослей до ультразвуковой обработки.
• Во-вторых, измеряется количество неразрушенных (оставшихся) клеток после сонификации одного и того же образца.
  На основании результатов этих двух измерений рассчитывается процент разрушенных клеток.

Рис.1: Водоросли до уничтожения ©Лаборатория по выращиванию водорослей

Фото 2: Разрушение водорослей: 50% разрушение клеток после 60 мин. ультразвуковой обработки. ©Лаборатория по выращиванию водорослей

Фото 3: Разрушение водорослей: 100% разрушение клеток после 120 мин. ультразвуковой обработки. ©Лаборатория по выращиванию водорослей