Лаборатория для выращивания водорослей – Ультразвуковая добыча водорослей

Выращивание водорослей

Algae Grow Lab разработала серию трубчатых и плоских фотобиореакторов для культивирования водорослей, а также процесс клеточного ультразвукового разрушения на основе ультразвуковых процессоров Hielscher, оснащенных проточными ячейками.
Ниже приведена общая схема процесса.

В блок-схеме показан процесс выращивания водорослей и производства водорослей с использованием ультразвука. © Лаборатория выращивания водорослей

Ниже приводятся примеры фотобиореакторов для выращивания водорослей.
Использование светодиодных панелей, излучающих свет в части спектра PAR, позволяет достичь максимальной скорости роста водорослей.
Например, после инокуляции Chlorella Vulgaris с начальной плотностью 0,146 г / л мы достигли плотности 7,3 г / л за 7 дней.

Уничтожение клеток водорослей ультразвуком

После стадиона роста водорослей, водоросли созревают для обработки нефти. Поскольку содержание клеток отделено от окружающей среды строением содержащихся клеточных мембран, метод разрушения клеток имеет важное значение для высвобождения полного внутриклеточного материала. Клеточная мембрана обеспечивает механическую прочность клетки и сохраняет ее целостность. Эластичные свойства клеточной мембраны позволяют клеткам выдерживать быстрые изменения осмотического давления, которые могут возникать в их внешней среде.
Как ультразвуковые, так и микроволновые методы, которые описаны ниже, значительно улучшают экстракцию микроводорослей с более высокой эффективностью, сокращением времени экстракции и повышенными выходами, а также низкой и умеренной затратами и незначительной добавленной токсичностью.
Очень часто извлечение целевых продуктов из водорослей является более эффективным, если клетки водорослей разрушаются до извлечения. Но иногда само разрушение клеток приводит к высвобождению целевого продукта, и для его получения необходим только процесс разделения (например, извлечение липидов из водорослей для производства биотоплива).
Лаборатория выращивания водорослей объединяет ультразвуковую систему для разрушения и извлечения клеток в их установку, чтобы обеспечить высокоэффективный процесс, обеспечивающий полное высвобождение внутриклеточного содержимого и тем самым более высокую урожайность за более короткое время. В ультразвуковом реакторе ультразвуковые волны создают кавитацию в жидкой среде, которая содержит клетки водорослей. Кавитационные пузырьки растут во время чередующихся фаз разрежения ультразвуковой волны до тех пор, пока они не достигнут определенного размера, когда никакая дополнительная энергия не может быть адсорбирована. В этой точке максимума роста пузырьков коллапс пустот во время фазы сжатия. Коллапс пузыря создает экстремальные условия различий давления и температуры, а также ударные волны и сильные струи жидкости. Эти экстремальные силы не только разрушают клетки, но также эффективно смывают их содержимое в жидкую среду (например, воду или растворители).
Эффективность ультразвуковой деструкции сильно зависит от долговечности и эластичности клеточных стенок, которая значительно варьирует между отдельными штаммами водорослей. Именно поэтому эффективность разрушения клеток сильно зависит от параметров процесса ультразвуковой обработки: наиболее важными параметрами являются амплитуда, давление, концентрация & вязкости и температуре. Эти параметры должны быть оптимизированы для каждого конкретного штамма водорослей, чтобы обеспечить оптимальную эффективность обработки.
Некоторые примеры разрушения клеток и дезинтеграции различных штаммов водорослей можно найти в статьях, приведенных ниже:

• Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: король PM, Nowotarski K .; Джойс, Э.М. Мейсон, TJ (2012): Ультразвуковое разрушение клеток водорослей. Труды конференции AIP; 24.04.2012, том. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Оценка и сравнение методов разрушения водорослей: микроволновая, водяная ванна, блендер, ультразвуковое и лазерное лечение. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, стр. 128-134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Влияние различных методов разрушения клеток на монопереваривание водорослевой биомассы. Всемирный конгресс по возобновляемым источникам энергии 2011, Bioenergy Technologies, 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 ультразвуковым способом. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer и Roberto E. Armenta (2011): События в добыче нефти из микроводорослей. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. P. Pulz: Улучшение разрушения клеток для Scotiellopsis terrestris с помощью ультразвука и разлагаемого пектина фермента. Naturstoffchemie.

Обработать

После культивирования поток биомассы водорослей подают в концентрационное устройство для отделения биомассы от жидкой среды. Концентрат накапливается в резервуаре. После разделения клетки должны быть разрушены, чтобы высвободить масло и другой внутриклеточный материал. Поэтому концентрированная биомасса прокачивается через ультразвуковое устройство Hielscher. Ультразвуковая система рециркуляции обеспечивает рециркуляцию концентрата ячейки под заданным давлением через проточную ячейку Hielscher обратно в накопительный резервуар. Рециркуляция длится время, необходимое для уничтожения ячеек. Когда процесс уничтожения завершен, биомасса с разрушенными клетками накачивается в устройство разделения продукта, где происходит окончательное отделение продукта от остающегося мусора.

Установка для уничтожения водорослей с установкой для концентрирования / разделения биомассы и ультразвуковым процессором Hierscher мощностью 1,5 кВт UIP1500hd. © Лаборатория выращивания водорослей

Измерение процента разрушенных клеток

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

1. Первый метод анализа основан на измерении флуоресценции хлорофилла A, B и A + B.
   Во время медленного центрифугирования спина клетки водорослей и обломки будут осаждаться на дне реципиента, но остатки свободно плавающего хлорофилла все равно останутся в надосадочной жидкости. Используя эти физические характеристики клетки и хлорофилла, можно определить процент сломанных клеток. Это достигается путем измерения сначала полной флуоресценции хлорофилла образца. Затем образец центрифугируют. Затем измеряют флуоресценцию хлорофилла супернатанта. Принимая процент флуоресценции хлорофилла в супернатанте до флуоресценции хлорофилла всего образца, можно сделать оценку процента сломанных клеток. Эта форма измерения довольно точна, но делает предположение, что количество хлорофилла на клетку равномерно. Полные выделения хлорофилла выполняли с использованием метанола.
2. Для второго метода анализа классическая гемоцитометрия была использована для измерения плотности клеток в образце собранных водорослей. Процедура выполняется в 2 этапа:

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

Рис.1: Водоросли до уничтожения © Лаборатория выращивания водорослей

Рис. 2: Нарушение водорослей: нарушение активности 50% через 60 мин. Озвучивание. © Лаборатория выращивания водорослей

Рис. 3: Нарушение водорослей: 100% разрушение клеток после 120 мин. Озвучивание. © Лаборатория выращивания водорослей