Algae Grow Lab – Ultrazvuková extrakcia z rias

Kultivácia rias

Spoločnosť Algae Grow Lab vyvinula sériu rúrkových a plochých fotobioreaktorov na kultiváciu rias, ako aj proces ultrazvukového rozrušovania buniek založený na ultrazvukových procesoroch Hielscher vybavených prietokovými celami.
Všeobecná schéma priebehu procesu je uvedená nižšie.

Vývojový diagram zobrazuje proces kultivácie rias a výroby oleja z rias pomocou ultrazvuku. ©Algae Grow Lab

Príklady fotobioreaktorov Algae Grow Lab sú uvedené nižšie.
Použitie LED panelov vyžarujúcich svetlo v oblasti PAR spektra umožňuje dosiahnuť maximálnu rýchlosť rastu rias.
Napríklad po inokulácii Chlorella Vulgaris s počiatočnou hustotou 0,146 g/L sme za 7 dní dosiahli hustotu 7,3g/L.

Rozrušovanie buniek rias ultrazvukom

Po rastovej fáze sú bunky rias pripravené na spracovanie na výrobu oleja. Keďže bunkový obsah je od okolitého prostredia oddelený štruktúrou tvorenou bunkovými membránami, metóda rozrušovania buniek je dôležitá z hľadiska uvoľnenia všetkého vnútrobunkového materiálu. Bunková membrána poskytuje bunke mechanickú pevnosť a zachováva jej celistvosť. Elastické vlastnosti bunkovej membrány umožňujú bunkám odolávať rýchlym zmenám osmotického tlaku, ktoré sa môžu vyskytnúť v ich vonkajšom prostredí.
Ultrazvukové metódy aj metódy využívajúce mikrovlny, ktoré sú opísané nižšie, výrazne zlepšujú extrakciu z mikrorias, pričom poskytujú vyššiu účinnosť, kratšie časy extrakcie a vyššie výťažky, ako aj nízke až stredné náklady a zanedbateľnú dodatočnú toxicitu.
Extrakcia cieľových produktov z rias je veľmi často účinnejšia, ak sa bunky rias pred extrakciou rozrušia. Niekedy však už samotné rozrušenie buniek vedie k uvoľneniu cieľového produktu a na jeho získanie je potrebný iba separačný proces (napr. pri extrakcii lipidov z rias na výrobu biopalív).
Algae grow lab začleňuje do svojej zostavy ultrazvukový systém na rozrušovanie buniek a extrakciu, aby zabezpečila vysoko účinný proces, pri ktorom sa dosahuje úplné uvoľnenie vnútrobunkového obsahu, a tým vyššie výťažky za kratší čas. V ultrazvukovom reaktore vytvárajú ultrazvukové vlny kavitáciu v kvapalnom médiu obsahujúcom bunky rias. Kavitačné bubliny rastú počas striedajúcich sa fáz zrieďovania ultrazvukovej vlny, až kým nedosiahnu určitú veľkosť, pri ktorej sa už nemôže adsorbovať ďalšia energia. V tomto bode maximálneho rastu bublín dutiny počas fázy stláčania skolabujú. Kolaps bublín vytvára extrémne tlakové a teplotné rozdiely, ako aj rázové vlny a silné prúdy kvapaliny. Tieto extrémne sily nielen rozrušujú bunky, ale aj účinne vyplavujú ich obsah do kvapalného média (napr. vody alebo rozpúšťadiel).
Účinnosť ultrazvukového rozrušovania výrazne závisí od odolnosti a elasticity bunkových stien, ktoré sa medzi jednotlivými kmeňmi rias značne líšia. Preto účinnosť rozrušovania buniek výrazne ovplyvňujú parametre procesu sonikácie: Najdôležitejšími parametrami sú amplitúda, tlak, koncentrácia a viskozita a teplota. Tieto parametre sa musia optimalizovať pre každý konkrétny kmeň rias, aby sa zabezpečila optimálna účinnosť spracovania.
Niektoré príklady rozrušovania a dezintegrácie buniek rôznych kmeňov rias možno nájsť v článkoch citovaných nižšie:

• Dunnaliella salina a Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrazvukové rozrušovanie buniek rias. 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): Hodnotenie a porovnanie metód rozrušovania buniek rias: spracovanie mikrovlnami, vo vodnom kúpeli, mixérom, ultrazvukom a laserom. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Vplyv rôznych techník rozrušovania buniek na monodigesciu biomasy rias. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Švédsko.
• Schizochytrium limacinum a Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Hodnotenie rozrušovania buniek mikrorias ultrazvukovým spracovaním. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer a Roberto E. Armenta (2011): Pokroky v extrakcii oleja z mikrorias. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Zlepšenie rozrušovania buniek Scotiellopsis terrestris pomocou ultrazvuku a enzýmu rozkladajúceho pektín. Naturstoffchemie.

Proces

Po kultivácii sa prúd biomasy rias privádza do zahusťovacieho zariadenia, aby sa biomasa oddelila od kvapalného média. Koncentrát sa zhromažďuje v zásobnej nádrži. Po separácii sa bunky musia rozrušiť, aby sa uvoľnil olej a ďalší vnútrobunkový materiál. Koncentrovaná biomasa sa preto prečerpáva cez ultrazvukové zariadenie Hielscher. Ultrazvuková recirkulačná zostava zabezpečuje recirkuláciu bunkového koncentrátu pri danom tlaku cez prietokovú celu Hielscher späť do akumulačnej nádrže. Recirkulácia trvá tak dlho, ako je potrebné na rozrušenie buniek. Po dokončení procesu rozrušovania sa biomasa s rozrušenými bunkami čerpá do zariadenia na separáciu produktu, kde sa uskutočňuje konečné oddelenie produktu od zostávajúcich zvyškov.

Jednotka na rozrušovanie buniek rias so zariadením na zahusťovanie/separáciu biomasy a ultrazvukovým procesorom Hielscher UIP1500hd s výkonom 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Meranie percentuálneho podielu rozrušených buniek

Na vyhodnotenie účinnosti rozrušovania rias použila spoločnosť ALgae Grow Lab dve rôzne metodiky merania percentuálneho podielu rozrušených buniek:

1. Prvá analytická metóda je založená na meraní fluorescencie chlorofylu A, B a A+B.
   Pri centrifugácii pri nízkych otáčkach sa bunky rias a ich zvyšky usadia na dne nádoby, ale zvyšky voľne sa vznášajúceho chlorofylu zostanú v supernatante. Na základe týchto fyzikálnych vlastností buniek a chlorofylu možno určiť percentuálny podiel rozrušených buniek. Najskôr sa zmeria celková fluorescencia chlorofylu vo vzorke. Potom sa vzorka centrifuguje. Následne sa zmeria fluorescencia chlorofylu v supernatante. Z percentuálneho pomeru fluorescencie chlorofylu v supernatante k fluorescencii chlorofylu v celej vzorke možno odhadnúť percentuálny podiel rozrušených buniek. Táto forma merania je pomerne presná, ale predpokladá, že množstvo chlorofylu na jednu bunku je rovnaké. Extrakcie celkového chlorofylu sa vykonali pomocou metanolu.
2. Pri druhej analytickej metóde sa na meranie hustoty buniek v zozbieranej vzorke rias použila klasická hemocytometria. Postup sa vykonáva v 2 krokoch:

• Najskôr sa zmeria hustota buniek v zozbieranej vzorke rias pred ultrazvukovým spracovaním.
• Potom sa zmeria počet nerozrušených (zostávajúcich) buniek po sonikácii tej istej vzorky.
  Na základe výsledkov týchto dvoch meraní sa vypočíta percentuálny podiel rozrušených buniek.

Obr.1: Riasy pred rozrušením ©Algae Grow Lab

Obr. 2: Rozrušovanie rias: 50% rozrušenie buniek po 60 min. sonikácie. ©Algae Grow Lab

Obr. 3: Rozrušovanie rias: 100% rozrušenie buniek po 120 min. sonikácie. ©Algae Grow Lab