Laboratorij za gojenje alg – Ultrazvočna ekstrakcija alg

gojenje alg

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

Diagram poteka prikazuje proces gojenja alg in proizvodnje olja alg z uporabo ultrazvoka. ©Laboratorij za gojenje alg

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

Uničenje celic alg z ultrazvokom

Po stadionu rasti alg so celice alg zrele za obdelavo s proizvodnjo olja. Ker je vsebina celic ločena od okoliškega okolja s strukturo sestavljenih celičnih membran, je metoda celičnih motenj pomembna za sproščanje celotnega znotrajceličnega materiala. Celična membrana zagotavlja mehansko trdnost celice in ohranja njeno celovitost. Elastične lastnosti celične membrane omogočajo celicam, da prenesejo hitre spremembe osmotskega tlaka, ki se lahko pojavijo v njihovi zunanji okolici.
Tako ultrazvočne kot mikrovalovne metode, ki so opisane spodaj, znatno izboljšajo ekstrakcijo mikroalg, z večjo učinkovitostjo, krajšim časom ekstrakcije in povečanimi donosi, pa tudi z nizkimi do zmernimi stroški in zanemarljivo dodano toksičnostjo.
Zelo pogosto je ekstrakcija ciljnih produktov iz alg učinkovitejša, če se celice alg uničijo pred ekstrakcijo. Včasih pa uničenje celic samo po sebi vodi do sproščanja ciljnega produkta in za njegovo pridobivanje je potreben le postopek ločevanja (npr. ekstrakcija lipidov iz alg za proizvodnjo biogoriv).
Laboratorij za gojenje alg integrira ultrazvočni sistem za motnje in ekstrakcijo celic v njihovo nastavitev, da zagotovi visoko učinkovit proces, ki doseže popolno sproščanje znotrajcelične vsebine in s tem višje donose v krajšem času. V ultrazvočnem reaktorju ultrazvočni valovi ustvarjajo kaviatacijo v tekočem mediju, ki vsebuje celice alg. Kavitacijski mehurčki rastejo med izmeničnimi fazami redčenja ultrazvočnega vala, dokler ne dosežejo določene velikosti, ko ni mogoče adsorbirati nadaljnje energije. Na tej najvišji točki rasti mehurčkov se praznine zrušijo med fazo stiskanja. Propad mehurčkov ustvarja ekstremne pogoje razlik v tlaku in temperaturi, pa tudi udarne valove in močne curke tekočine. Te ekstremne sile ne samo uničijo celice, temveč tudi učinkovito izperejo njihovo vsebino v tekoči medij (npr. vodo ali topila).
Učinkovitost ultrazvočnega uničenja je močno odvisna od trajnosti in elastičnosti celičnih sten, ki se med posameznimi sevi alg precej razlikuje. To je razlog, zakaj na učinkovitost uničenja celic močno vplivajo parametri procesa sonifikacije: najpomembnejši parametri so amplituda, tlak, koncentracija & viskoznost in temperaturo. Te parametre je treba optimizirati za vsak posamezen sev alg, da se zagotovi optimalna učinkovitost predelave.
Nekaj primerov celičnih motenj in razpadov različnih sevov alg lahko najdete v spodaj navedenih člankih:

• Dunnaliella salina in Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrazvočna motnja celic alg. Zbornik konference AIP; 24.5.2012, zvezek 1433, številka 1, str. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Vrednotenje in primerjava metod motenj celic alg: mikrovalovna pečica, vodna kopel, mešalnik, ultrazvočno in lasersko zdravljenje. Uporabna energija, marec 2013, zvezek 103, strani 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Vpliv različnih tehnik celičnih motenj na mono prebavo biomase alg. Svetovni kongres o obnovljivi energiji 2011, Bioenergijske tehnologije, 8.–12. maj 2011, Švedska.
• Schizochytrium limacinum in Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Ocena motenj celic mikroalg z ultrazvočnim zdravljenjem. Tehnologija bioloških virov 2012, zvezek 125, str.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer in Roberto E. Armenta (2011): Razvoj ekstrakcije nafte iz mikroalg. Europeen Jornal iz tehnologije znanosti o lipidih, 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.

Proces

Po gojenju se tok biomase alg donaša v koncentracijsko napravo, da se biomasa loči od tekočega medija. Koncentrat se nabira v rezervoarju. Po ločitvi je treba celice prekiniti, da se sprosti olje in drug znotrajcelični material. Zato se koncentrirana biomasa črpa skozi Hielscherjevo ultrazvočno napravo. Nastavitev ultrazvočne recirkulacije zagotavlja recirkulacijo celičnega koncentrata pod danim tlakom skozi Hielscherjevo pretočno celico nazaj v akumulacijski rezervoar. Recirkulacija traja toliko časa, kot je potrebno za uničenje celic. Ko je postopek uničenja končan, se biomasa z uničenimi celicami črpa v napravo za ločevanje izdelkov, kjer pride do končne ločitve proizvoda od preostalih odpadkov.

Enota za uničevanje celic alg z napravo za koncentracijo / ločevanje biomase in Hielscherjevim 1,5 kW ultrazvočnim procesorjem UIP1500hd. ©Laboratorij za gojenje alg

Merjenje odstotka uničenih celic

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

1. Prva metoda analize temelji na merjenju fluorescence klorofila A, B in A + B.
   Med počasnim centrifugiranjem bodo celice alg in ostanki peletirali na dnu prejemnika, vendar bodo ostanki prosto plavajočega klorofila še vedno ostali v supernatantu. Z uporabo teh fizikalnih lastnosti celice in klorofila je mogoče ugotoviti odstotek zlomljenih celic. To se doseže tako, da se najprej izmeri skupna fluorescenca klorofila v vzorcu. Nato se vzorec centrifugira. Nato se izmeri fluorescenca klorofila supernatanta. Z upoštevanjem odstotka fluorescence klorofila v supernatantu na fluorescenco klorofila celotnega vzorca lahko ocenimo odstotek zlomljenih celic. Ta oblika merjenja je dokaj natančna, vendar predpostavlja, da je število klorofila na celico enakomerno. Skupne ekstrakcije klorofila so bile izvedene z uporabo metanola.
2. Za drugo metodo analize je bila uporabljena klasična hemocitometrija za merjenje gostote celic v pobranem vzorcu alg. Postopek se izvede v 2 korakih:

• Najprej se izmeri gostota celic pobranega vzorca alg pred ultrazvočno obdelavo.
• Drugič, izmeri se število neuničenih (preostalih) celic po sonifikaciji istega vzorca.
  Na podlagi rezultatov teh dveh meritev se izračuna odstotek uničenih celic.

Slika 1: Alge pred uničenjem ©Laboratorij za rast alg

Slika 2: Motnje alg: 50% motnje celic po 60 min. ultrazvočna obdelava. ©Laboratorij za gojenje alg

Slika 3: Motnje alg: 100% motnje celic po 120 min. ultrazvočno razbijanje. ©Laboratorij za gojenje alg