Algae Grow Lab – Ultrazvočna ekstrakcija alg

Gojenje alg

Algae Grow Lab je razvil serijo cevastih in ploščatih fotobioreaktorjev za gojenje alg ter postopek ultrazvočnega uničevanja celic, ki temelji na ultrazvočnih procesorjih Hielscher, opremljenih s pretočnimi celicami.
Splošni diagram poteka postopka je prikazan spodaj.

Diagram poteka prikazuje postopek gojenja alg in pridobivanja olja iz alg z uporabo sonikacije. ©Algae Grow Lab

Primeri fotobioreaktorjev Algae Grow Lab so predstavljeni spodaj.
Uporaba LED-panelov, ki oddajajo svetlobo v delu spektra PAR, omogoča doseganje največje hitrosti rasti alg.
Na primer, po inokulaciji Chlorella Vulgaris z začetno gostoto 0,146 g/L smo v 7 dneh dosegli gostoto 7,3g/L.

Uničenje celic alg s sonikacijo

Po fazi rasti alg so njihove celice pripravljene na obdelavo za pridobivanje olja. Ker je celična vsebina od okoliškega okolja ločena s strukturo, sestavljeno iz celičnih membran, je metoda razgradnje celic pomembna za sproščanje celotnega znotrajceličnega materiala. Celična membrana celici zagotavlja mehansko trdnost in ohranja njeno celovitost. Elastične lastnosti celične membrane celicam omogočajo, da prenesejo hitre spremembe osmotskega tlaka, ki se lahko pojavijo v njihovem zunanjem okolju.
Tako ultrazvočne metode kot metode s pomočjo mikrovalov, ki so opisane spodaj, znatno izboljšajo ekstrakcijo mikroalg z večjo učinkovitostjo, krajšimi časi ekstrakcije in večjimi izkoristki ter nizkimi do zmernimi stroški in zanemarljivo dodatno toksičnostjo.
Ekstrakcija ciljnih produktov iz alg je zelo pogosto učinkovitejša, če celice alg pred ekstrakcijo uničimo. Včasih pa že samo uničenje celic povzroči sproščanje ciljnega produkta in je za njegovo pridobitev potreben le postopek ločevanja (npr. ekstrakcija lipidov iz alg za proizvodnjo biogoriv).
Algae grow lab v svoj sistem vključuje ultrazvočni sistem za razgradnjo celic in ekstrakcijo, da zagotovi zelo učinkovit postopek, pri katerem se znotrajcelična vsebina popolnoma sprosti, s čimer se dosežejo večji izkoristki v krajšem času. V ultrazvočnem reaktorju ultrazvočni valovi ustvarjajo kavitacijo v tekočem mediju, ki vsebuje celice alg. Kavitacijski mehurčki rastejo med izmenjujočimi se fazami redčenja ultrazvočnega vala, dokler ne dosežejo določene velikosti, pri kateri se ne more adsorbirati nobena dodatna energija. Na tej največji točki rasti mehurčkov se votline med fazo stiskanja sesedejo. Sesedanje mehurčkov ustvari ekstremne razmere z razlikami v tlaku in temperaturi ter udarne valove in močne curke tekočine. Te ekstremne sile celice ne le uničijo, temveč tudi učinkovito izperejo njihovo vsebino v tekoči medij (npr. vodo ali topila).
Učinkovitost ultrazvočnega uničevanja je močno odvisna od odpornosti in elastičnosti celičnih sten, ki se med posameznimi sevi alg precej razlikujeta. Zato na učinkovitost uničevanja celic močno vplivajo parametri postopka sonikacije: najpomembnejši parametri so amplituda, tlak, koncentracija in viskoznost ter temperatura. Te parametre je treba optimizirati za vsak posamezen sev alg, da se zagotovi optimalna učinkovitost obdelave.
Nekaj primerov razgradnje in dezintegracije celic različnih sevov alg je mogoče najti v spodaj navedenih člankih:

• Dunnaliella salina in Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrazvočna razgradnja celic alg. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, letnik 1433, številka 1, str. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Vrednotenje in primerjava metod razgradnje celic alg: obdelava z mikrovalovi, vodno kopeljo, mešalnikom, ultrazvokom in laserjem. Applied Energy, March 2013, letnik 103, strani 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Vpliv različnih tehnik razgradnje celic na samostojno anaerobno razgradnjo biomase alg. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, Švedska.
• Schizochytrium limacinum in Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Vrednotenje razgradnje celic mikroalg z ultrazvočno obdelavo. Bioresource Technology 2012, letnik 125, str.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer in Roberto E. Armenta (2011): Napredek pri ekstrakciji olja iz mikroalg. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Izboljšanje celičnih motenj za Scotiellopsis terrestris s pomočjo ultrazvoka in encima, razgrajenega pektinom. Naturstoffchemie.

Postopek

Po gojenju se tok biomase alg dovaja v napravo za koncentriranje, da se biomasa loči od tekočega medija. Koncentrat se zbira v zalogovniku. Po ločevanju je treba celice razgraditi, da se sprostijo olje in drugi znotrajcelični materiali. Zato se koncentrirana biomasa črpa skozi ultrazvočno napravo Hielscher. Ultrazvočni sistem za recirkulacijo zagotavlja recirkulacijo celičnega koncentrata pri danem tlaku skozi pretočno celico Hielscher nazaj v zbiralni rezervoar. Recirkulacija traja toliko časa, kolikor je potrebno za uničenje celic. Ko je postopek uničevanja končan, se biomasa z uničenimi celicami črpa v napravo za ločevanje produkta, kjer poteka končno ločevanje produkta od preostalih ostankov.

Enota za uničevanje celic alg z napravo za koncentriranje/ ločevanje biomase in ultrazvočnim procesorjem Hielscher UIP1500hd z močjo 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Merjenje odstotka uničenih celic

Za vrednotenje učinkovitosti razgradnje alg je ALgae Grow Lab uporabil dve različni metodologiji za merjenje odstotka uničenih celic:

1. Prva analizna metoda temelji na merjenju fluorescence klorofila A, B in A+B.
   Med centrifugiranjem pri nizki hitrosti se celice alg in ostanki usedejo na dno posode, ostanki prosto plavajočega klorofila pa ostanejo v supernatantu. Z uporabo teh fizikalnih lastnosti celic in klorofila je mogoče določiti odstotek razgrajenih celic. To dosežemo tako, da najprej izmerimo skupno fluorescenco klorofila v vzorcu. Nato vzorec centrifugiramo. Zatem izmerimo fluorescenco klorofila v supernatantu. Iz odstotnega razmerja med fluorescenco klorofila v supernatantu in fluorescenco klorofila v celotnem vzorcu lahko ocenimo odstotek razgrajenih celic. Ta oblika merjenja je precej natančna, vendar temelji na predpostavki, da je število klorofilov na celico enako. Ekstrakcije celotnega klorofila so bile izvedene z metanolom.
2. Pri drugi analizni metodi je bila za merjenje gostote celic v vzorcu pobranih alg uporabljena klasična hemocitometrija. Postopek poteka v 2 korakih:

• Najprej se izmeri gostota celic v vzorcu pobranih alg pred ultrazvočno obdelavo.
• Nato se izmeri število neuničenih (preostalih) celic po sonikaciji istega vzorca.
  Na podlagi rezultatov teh dveh meritev se izračuna odstotek uničenih celic.

Sl.1: Alge pred uničenjem ©Algae Grow Lab

Sl. 2: Razgradnja alg: 50% razgradnja celic po 60 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab

Sl. 3: Razgradnja alg: 100% razgradnja celic po 120 min. sonikacije. ©Algae Grow Lab