Laboratórium na pestovanie rias – Ultrazvuková extrakcia rias

pestovanie rias

Spoločnosť Algae Grow Lab vyvinula sériu rúrkových a plochých fotobioreaktorov na pestovanie rias, ako aj proces ultrazvukovej deštrukcie buniek na báze ultrazvukových procesorov Hielscher vybavených prietokovými bunkami.
Všeobecný vývojový diagram procesu je uvedený nižšie.

Vývojový diagram zobrazuje proces pestovania rias a produkcie riasového oleja pomocou ultrazvuku. ©Laboratórium na pestovanie rias

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

Deštrukcia buniek rias ultrazvukom

Po štadióne rastu rias sú bunky rias zrelé na ošetrenie produkcie oleja. Keďže obsah buniek je oddelený od okolitého prostredia štruktúrou zložených bunkových membrán, metóda narušenia buniek je významná z hľadiska uvoľňovania celého intracelulárneho materiálu. Bunková membrána dodáva bunke mechanickú pevnosť a zachováva jej integritu. Elastické vlastnosti bunkovej membrány umožňujú bunkám odolávať rýchlym zmenám osmotického tlaku, ktoré sa môžu vyskytnúť v ich vonkajšom okolí.
Ultrazvukové aj mikrovlnné metódy, ktoré sú opísané nižšie, výrazne zlepšujú extrakciu mikrorias s vyššou účinnosťou, skráteným časom extrakcie a zvýšenými výťažkami, ako aj nízkymi až strednými nákladmi a zanedbateľnou pridanou toxicitou.
Extrakcia cieľových produktov z rias je veľmi často účinnejšia, ak sú bunky rias pred extrakciou zničené. Niekedy však samotná deštrukcia buniek vedie k uvoľneniu cieľového produktu a na jeho získanie je potrebný iba separačný proces (napr. extrakcia lipidov z rias na výrobu biopalív).
Laboratórium na pestovanie rias integruje ultrazvukový systém na narušenie a extrakciu buniek do svojho nastavenia, aby sa zabezpečil vysoko efektívny proces, ktorý dosiahne úplné uvoľnenie intracelulárneho obsahu, a tým aj vyššie výnosy v kratšom čase. V ultrazvukovom reaktore vytvárajú ultrazvukové vlny kaviatáciu v kvapalnom médiu, ktoré obsahuje bunky rias. Kavitačné bubliny rastú počas striedavých fáz riedenia ultrazvukovej vlny, až kým nedosiahnu určitú veľkosť, keď nie je možné adsorbovať žiadnu ďalšiu energiu. V tomto maximálnom bode rastu bublín sa dutiny zrútia počas kompresnej fázy. Kolaps bublín vytvára extrémne podmienky rozdielov tlaku a teploty, ako aj rázových vĺn a silných prúdov kvapaliny. Tieto extrémne sily nielen ničia bunky, ale aj účinne vymývajú ich obsah do kvapalného média (napr. vody alebo rozpúšťadiel).
Účinnosť ultrazvukovej deštrukcie silne závisí od trvanlivosti a pružnosti bunkových stien, ktorá sa medzi jednotlivými kmeňmi rias značne líši. To je dôvod, prečo je účinnosť deštrukcie buniek výrazne ovplyvnená parametrami sonifikačného procesu: Najdôležitejšími parametrami sú amplitúda, tlak, koncentrácia & viskozita a teplota. Tieto parametre musia byť optimalizované pre každý konkrétny kmeň rias, aby sa zabezpečila optimálna účinnosť spracovania.
Niektoré príklady narušenia buniek a rozpadu 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 narušenie buniek rias. Zborník z konferencie AIP; 24.5.2012, roč. 1433 vydanie 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Hodnotenie a porovnanie metód narušenia buniek rias: Mikrovlnná rúra, vodný kúpeľ, mixér, ultrazvukové a laserové ošetrenie. Aplikovaná energia, marec 2013, zv. 103, strany 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Vplyv rôznych techník narušenia buniek na mono trávenie biomasy rias. Svetový kongres o obnoviteľných zdrojoch energie 2011, Bioenergetické technológie, 8. – 12. mája 2011, Švédsko.
• Schizochytrium limacinum a Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Hodnotenie narušenia buniek mikrorias ultrazvukovým ošetrením. Technológia biologických zdrojov 2012, zv. 125, s. 175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer a Roberto E. Armenta (2011): Vývoj v extrakcii ropy z mikrorias. Europeen Jornal z Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Zlepšenie narušenia buniek pre Scotiellopsis terrestris pomocou ultrazvuku a enzýmu rozloženého pektínom. Naturstoffchemie.

Proces

Po kultivácii sa prúd biomasy rias privádza do koncentračného zariadenia, aby sa biomasa oddelila od kvapalného média. Koncentrát sa hromadí v skladovacej nádrži. Po oddelení musia byť bunky narušené, aby sa uvoľnil olej a iný intracelulárny materiál. Preto sa koncentrovaná biomasa čerpá cez ultrazvukové zariadenie Hielscher. Nastavenie ultrazvukovej recirkulácie zabezpečuje recirkuláciu bunkového koncentrátu pod daným tlakom cez Hielscherovu prietokovú bunku späť do akumulačnej nádrže. Recirkulácia trvá čas potrebný na zničenie buniek. Po dokončení procesu deštrukcie sa biomasa so zničenými bunkami čerpá do zariadenia na separáciu produktov, kde dochádza ku konečnému oddeleniu produktu od zvyšných zvyškov.

Jednotka na ničenie buniek rias so zariadením na koncentráciu/separáciu biomasy a ultrazvukovým procesorom Hielscher 1,5 kW UIP1500hd. ©Laboratórium na pestovanie rias

Meranie percentuálneho podielu zničených buniek

Na hodnotenie účinnosti lámania rias použilo ALgae Grow Lab dve rôzne metodiky na meranie percenta zničených buniek:

1. Prvá analytická metóda je založená na meraní fluorescencie chlorofylu A, B a A+B.
   Počas pomalej spinovej centrifugácie budú bunky rias a úlomky peletovať na dne príjemcu, ale zvyšky voľne plávajúceho chlorofylu zostanú v supernatante. Pomocou týchto fyzikálnych vlastností bunky a chlorofylu je možné zistiť percento rozbitých buniek. To sa dosiahne tak, že sa najprv zmeria celková fluorescencia chlorofylu vo vzorke. Potom sa vzorka odstredí. Potom sa zmeria fluorescencia chlorofylu supernatantu. Zohľadnením percentuálneho podielu fluorescencie chlorofylu v supernatante na fluorescenciu chlorofylu v celkovej vzorke je možné odhadnúť percento rozbitých buniek. Táto forma merania je pomerne presná, ale predpokladá, že počet chlorofylu na bunku je jednotný. Celková extrakcia chlorofylu sa uskutočnila pomocou metanolu.
2. Pri druhej metóde analýzy bola použitá klasická hemocytometria na meranie hustoty buniek vo vzorke zozbieraných rias. Postup sa vykonáva v 2 krokoch:

• Po prvé, zmeria sa hustota buniek zozbieranej vzorky rias pred ultrazvukovým ošetrením.
• Po druhé, meria sa počet nezničených (zostávajúcich) buniek po sonifikácii tej istej vzorky.
  Na základe výsledkov týchto dvoch meraní sa vypočíta percento zničených buniek.

Obr.1: Laboratórium na pestovanie rias pred zničením ©

Obrázok 2: Narušenie rias: 50% narušenie buniek po 60 min. sonikácia. ©Laboratórium na pestovanie rias

Obrázok 3: Narušenie rias: 100% narušenie buniek po 120 min. sonikácia. ©Laboratórium na pestovanie rias