Laboratori i rritjes së algave – Nxjerrja e algave me ultratinguj

kultivimi i algave

Algae Grow Lab zhvilloi një seri fotobioreaktorësh tubularë dhe të sheshtë për kultivimin e algave, si dhe një proces të shkatërrimit të qelizave me ultratinguj bazuar në përpunuesit tejzanor Hielscher të pajisur me qeliza rrjedhëse.
Diagrami i përgjithshëm i rrjedhës së procesit është paraqitur më poshtë.

Grafiku i rrjedhës tregon procesin e kultivimit të algave dhe prodhimit të vajit të algave duke përdorur ultratinguj. ©Algae Grow Lab

Shembuj të fotobioreaktorëve të Algae Grow Lab janë paraqitur më poshtë.
Përdorimi i paneleve LED që lëshojnë dritë në pjesën PAR të spektrit lejon të arrihet një shkallë maksimale e rritjes së algave.
Për shembull, pas inokulimit të Chlorella Vulgaris me dendësinë fillestare prej 0,146 g/L kemi arritur densitetin prej 7,3 g/L në 7 ditë.

Shkatërrimi i qelizave të algave me ultratinguj

Pas stadiumit të rritjes së algave, qeliza e algave është e pjekur për trajtimin e prodhimit të vajit. Meqenëse përmbajtja e qelizave është e ndarë nga mjedisi përreth nga një strukturë e membranave qelizore të përbëra, metoda e përçarjes së qelizave është e rëndësishme në lidhje me çlirimin e materialit të plotë ndërqelizor. Membrana qelizore siguron forcë mekanike për qelizën dhe ruan integritetin e saj. Vetitë elastike të membranës qelizore i lejojnë qelizat të përballojnë ndryshimet e shpejta në presionin osmotik që mund të ndodhin në mjedisin e tyre të jashtëm.
Të dyja metodat me ultratinguj dhe ato me mikrovalë, të cilat përshkruhen më poshtë, përmirësojnë ndjeshëm nxjerrjen e mikroalgave, me efikasitet më të lartë, kohë të reduktuara të nxjerrjes dhe rritje të rendimentit, si dhe kosto të ulëta deri në mesatare dhe toksicitet të papërfillshëm të shtuar.
Shumë shpesh, nxjerrja e produkteve të synuara nga algat është më efektive nëse qelizat e algave shkatërrohen para nxjerrjes. Por ndonjëherë, vetë shkatërrimi i qelizave çon në çlirimin e produktit të synuar, dhe vetëm procesi i ndarjes nevojitet për ta marrë atë (p.sh. nxjerrja e lipideve nga algat për prodhimin e biokarburanteve).
Laboratori i rritjes së algave integron një sistem tejzanor për përçarjen dhe nxjerrjen e qelizave në konfigurimin e tyre për të siguruar një proces shumë efikas që arrin një çlirim të plotë të përmbajtjes ndërqelizore dhe në këtë mënyrë rendimente më të larta në kohë më të shkurtër. Në reaktorin tejzanor, valët tejzanor krijojnë kaviacion në median e lëngshme që përmban qelizat e algave. Flluskat e kavitacionit rriten gjatë fazave të alternuara të rrallimit të valës ultrasonike derisa të arrijnë një madhësi të caktuar, kur nuk mund të absorbohet më energji. Në këtë pikë maksimale të rritjes së flluskave, zbrazëtitë shemben gjatë një faze kompresimi. Rënia e flluskës krijon kushte ekstreme të diferencave të presionit dhe temperaturës, si dhe valët e goditjes dhe avionët e fortë të lëngjeve. Këto forca ekstreme jo vetëm që shkatërrojnë qelizat, por gjithashtu shpërlajnë në mënyrë efektive përmbajtjen e tyre në media të lëngshme (p.sh. ujë ose tretës).
Efektiviteti i shkatërrimit me ultratinguj varet fuqimisht nga qëndrueshmëria dhe elasticiteti i mureve të qelizave, i cili ndryshon në mënyrë të konsiderueshme midis llojeve individuale të algave. Kjo është arsyeja pse efikasiteti i shkatërrimit të qelizave ndikohet shumë nga parametrat e procesit të sonifikimit: Parametrat më të rëndësishëm janë amplituda, presioni, përqendrimi. & viskoziteti dhe temperatura. Këto parametra duhet të optimizohen për çdo lloj të veçantë të algave për të siguruar efikasitetin optimal të përpunimit.
Disa shembuj të përçarjes dhe shpërbërjes së qelizave të shtameve të ndryshme të algave mund të gjenden në artikujt e cituar më poshtë:

• Dunnaliella salina dhe Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; Joyce, EM; Mason, TJ (2012): Përçarje tejzanor e qelizave të algave. Punimet e Konferencës AIP; 24.5.2012, Vëll. 1433 Çështja 1, f. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Vlerësimi dhe krahasimi i metodave të prishjes së qelizave të algave: Mikrovalë, banjë uji, blender, trajtim me ultratinguj dhe lazer. Energjia e Aplikuar, Mars 2013, Vol. 103, Faqe 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Ndikimi i teknikave të ndryshme të përçarjes së qelizave në tretjen e vetme të biomasës së algave. Kongresi Botëror i Energjisë së Rinovueshme 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 maj 2011, Suedi.
• Schizochytrium limacinum dhe Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Vlerësimi i përçarjes së qelizave mikroalgash nga trajtimi me ultratinguj. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, fq.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer dhe Roberto E. Armenta (2011): Zhvillimet në nxjerrjen e vajit nga mikroalgat. European Journal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Përmirësimi i përçarjes së qelizave për Scotiellopsis terrestris me anë të ultrazërit dhe një enzime të dekompozuar nga pektina. Naturstoffchemie.

Procesi

Pas kultivimit, rryma e biomasës së algave futet në pajisjen e përqendrimit për të ndarë biomasën nga media e lëngshme. Koncentrati grumbullohet në rezervuarin e magazinimit. Pas ndarjes, qelizat duhet të prishen për të çliruar vajin dhe materialin tjetër ndërqelizor. Prandaj, biomasa e përqendruar pompohet përmes një pajisjeje tejzanor Hielscher. Konfigurimi i riqarkullimit tejzanor siguron riqarkullimin e koncentratit të qelizës nën presionin e dhënë përmes qelizës së rrjedhës Hielscher përsëri në rezervuarin e akumulimit. Riqarkullimi zgjat kohën e nevojshme për të shkatërruar qelizat. Kur procesi i shkatërrimit përfundon, biomasa me qelizat e shkatërruara pompohet në pajisjen e ndarjes së produktit, ku ndodh ndarja përfundimtare e produktit nga mbeturinat e mbetura.

Njësia e shkatërrimit të qelizave të algave me pajisje për përqendrimin/ndarjen e biomasës dhe procesorin ultrasonik 1,5 kW të Hielscher UIP1500hd. ©Algae Grow Lab

Matja e përqindjes së qelizave të shkatërruara

Për vlerësimin e efikasitetit të thyerjes së algave, ALgae Grow Lab përdori dy metodologji të ndryshme për të matur përqindjen e qelizave të shkatërruara:

1. Metoda e parë e analizës bazohet në matjen e fluoreshencës së klorofilit A, B dhe A+B.
   Gjatë centrifugimit me rrotullim të ngadaltë, qelizat e algave dhe mbeturinat do të grumbullohen në fund të marrësit, por pjesa tjetër e klorofilit lundrues të lirë do të mbetet ende në supernatant. Duke përdorur këto karakteristika fizike të qelizës dhe klorofilit, mund të konstatohet përqindja e qelizave të thyera. Kjo realizohet duke matur fillimisht fluoreshencën totale të klorofilit të një kampioni. Më pas, kampioni centrifugohet. Më pas matet fluoreshenca e klorofilit të supernatantit. Duke marrë përqindjen e fluoreshencës së klorofilit në supernatant ndaj fluoreshencës së klorofilit të mostrës totale, mund të bëhet një vlerësim për përqindjen e qelizave të thyera. Kjo formë matjeje është mjaft e saktë, por supozon se numri i klorofilit për qelizë është uniform. Ekstraktimet totale të klorofilit u kryen duke përdorur metanol.
2. Për metodën e dytë të analizës, hemocitometria klasike është përdorur për të matur densitetin e qelizave në kampionin e algave të mbledhura. Procedura kryhet në 2 hapa:

• Së pari, matet dendësia e qelizave të mostrës së algave të korrura përpara trajtimit me ultratinguj.
• Së dyti, matet numri i qelizave të pashkatërruara (të mbetura) pas sonifikimit të të njëjtit mostër.
  Bazuar në rezultatet e këtyre dy matjeve, llogaritet përqindja e qelizave të shkatërruara.

Pic.1: Algat Para Shkatërrimit ©Algae Grow Lab

Fotografia 2: Ndërprerja e algave: 50% përçarje e qelizave pas 60 minutash. sonikacion. ©Algae Grow Lab

Figura 3: Ndërprerja e algave: Përçarje 100% e qelizave pas 120 minutash. sonikacion. ©Algae Grow Lab