Algae Grow Lab – Ультразвуковая экстракция водорослей

Культивирование водорослей

Algae Grow Lab разработала серию трубчатых и плоских фотобиореакторов для культивирования водорослей, а также процесс ультразвукового разрушения клеток на основе ультразвуковых процессоров Hielscher, оснащённых проточными ячейками.
Общая технологическая схема процесса показана ниже.

Технологическая схема показывает процесс культивирования водорослей и получения масла из водорослей с использованием обработки ультразвуком. ©Algae Grow Lab

Ниже представлены примеры фотобиореакторов Algae Grow Lab.
Использование светодиодных панелей, излучающих свет в области фотосинтетически активной радиации (PAR), позволяет достичь максимальной скорости роста водорослей.
Например, после инокуляции Chlorella Vulgaris с начальной плотностью 0,146 g/L мы достигли плотности 7,3g/L за 7 дней.

Разрушение клеток водорослей с помощью обработки ультразвуком

После стадии роста клетки водорослей готовы к обработке для получения масла. Поскольку содержимое клеток отделено от окружающей среды структурой, состоящей из клеточных мембран, метод разрушения клеток имеет существенное значение для высвобождения всего внутриклеточного материала. Клеточная мембрана обеспечивает механическую прочность клетки и сохраняет её целостность. Упругие свойства клеточной мембраны позволяют клеткам выдерживать быстрые изменения осмотического давления, которые могут происходить во внешней среде.
Как ультразвуковые методы, так и методы с применением микроволн, описанные ниже, значительно улучшают экстракцию микроводорослей, обеспечивая более высокую эффективность, сокращение времени экстракции и повышение выхода, а также низкие или умеренные затраты и пренебрежимо малую дополнительную токсичность.
Очень часто извлечение целевых продуктов из водорослей оказывается более эффективным, если клетки водорослей разрушены до экстракции. Однако иногда само разрушение клеток приводит к высвобождению целевого продукта, и для его получения требуется только процесс разделения (например, при извлечении липидов из водорослей для производства биотоплива).
Algae grow lab интегрирует в свою установку ультразвуковую систему для разрушения клеток и экстракции, чтобы обеспечить высокоэффективный процесс с полным высвобождением внутриклеточного содержимого и, соответственно, более высоким выходом за более короткое время. В ультразвуковом реакторе ультразвуковые волны создают кавитацию в жидкой среде, содержащей клетки водорослей. Кавитационные пузырьки растут во время чередующихся фаз разрежения ультразвуковой волны, пока не достигнут определённого размера, при котором дальнейшая адсорбция энергии невозможна. В этой точке максимального роста пузырьков полости схлопываются во время фазы сжатия. Схлопывание пузырьков создаёт экстремальные перепады давления и температуры, а также ударные волны и мощные струи жидкости. Эти экстремальные силы не только разрушают клетки, но и эффективно вымывают их содержимое в жидкую среду (например, воду или растворители).
Эффективность ультразвукового разрушения сильно зависит от прочности и упругости клеточных стенок, которые значительно различаются у отдельных штаммов водорослей. Поэтому на эффективность разрушения клеток существенно влияют параметры процесса обработки ультразвуком: наиболее важными параметрами являются амплитуда, давление, концентрация и вязкость, а также температура. Эти параметры необходимо оптимизировать для каждого конкретного штамма водорослей, чтобы обеспечить оптимальную эффективность обработки.
Некоторые примеры разрушения и дезинтеграции клеток различных штаммов водорослей можно найти в приведённых ниже статьях:

• Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ультразвуковое разрушение клеток водорослей. 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): Оценка и сравнение методов разрушения клеток водорослей: микроволновая обработка, водяная баня, блендер, ультразвуковая и лазерная обработка. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Влияние различных методов разрушения клеток на моносбраживание биомассы водорослей. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Швеция.
• Schizochytrium limacinum и Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Оценка разрушения клеток микроводорослей при обработке ультразвуком. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer и Roberto E. Armenta (2011): Развитие методов экстракции масла из микроводорослей. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 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 подаётся в устройство концентрирования для отделения биомассы от жидкой среды. Концентрат накапливается в резервуаре для хранения. После разделения клетки необходимо разрушить, чтобы высвободить масло и другой внутриклеточный материал. Поэтому концентрированная биомасса прокачивается через ультразвуковое устройство Hielscher. Ультразвуковая рециркуляционная установка обеспечивает рециркуляцию клеточного концентрата под заданным давлением через проточную ячейку Hielscher обратно в накопительный резервуар. Рециркуляция продолжается в течение времени, необходимого для разрушения клеток. После завершения процесса разрушения биомасса с разрушенными клетками перекачивается в устройство отделения продукта, где происходит окончательное отделение продукта от оставшихся клеточных фрагментов.

Установка для разрушения клеток водорослей с устройством концентрирования/разделения биомассы и ультразвуковым процессором Hielscher UIP1500hd мощностью 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Измерение процентной доли разрушенных клеток

Для оценки эффективности разрушения клеток водорослей ALgae Grow Lab использовала две различные методики измерения процентной доли разрушенных клеток:

1. Первый метод анализа основан на измерении флуоресценции хлорофилла A, B и A+B.
   При центрифугировании на низкой скорости клетки водорослей и клеточные фрагменты образуют осадок на дне ёмкости, однако остатки свободно плавающего хлорофилла остаются в надосадочной жидкости. Используя эти физические характеристики клеток и хлорофилла, можно определить процентную долю разрушенных клеток. Для этого сначала измеряют общую флуоресценцию хлорофилла в образце. Затем образец центрифугируют. После этого измеряют флуоресценцию хлорофилла в надосадочной жидкости. Рассчитав процентное отношение флуоресценции хлорофилла в надосадочной жидкости к флуоресценции хлорофилла во всём образце, можно оценить процентную долю разрушенных клеток. Этот способ измерения достаточно точен, но основан на предположении, что количество хлорофилла в каждой клетке одинаково. Экстракцию всего хлорофилла проводили с использованием метанола.
2. Во втором методе анализа для измерения плотности клеток в образце собранных водорослей использовалась классическая гемоцитометрия. Процедура проводится в 2 этапа:

• Сначала измеряют плотность клеток в образце собранных водорослей до обработки ультразвуком.
• Затем измеряют количество неразрушенных (оставшихся) клеток после обработки того же образца ультразвуком.
  На основании результатов этих двух измерений рассчитывают процентную долю разрушенных клеток.

Рис.1: Водоросли до разрушения ©Algae Grow Lab

Рис. 2: Разрушение водорослей: разрушение 50% клеток после 60 мин. обработки ультразвуком. ©Algae Grow Lab

Рис. 3: Разрушение водорослей: разрушение 100% клеток после 120 мин. обработки ультразвуком. ©Algae Grow Lab