Algae Grow Lab – Ekstraktimi i 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, të bazuar në procesorët ultrasonikë Hielscher të pajisur me qeliza rrjedhjeje.
Diagrami i përgjithshëm i rrjedhës së procesit paraqitet më poshtë.

Diagrami i rrjedhës paraqet procesin e kultivimit të algave dhe të prodhimit të vajit të algave duke përdorur trajtimin me ultratinguj. ©Algae Grow Lab

Më poshtë paraqiten shembuj të fotobioreaktorëve të Algae Grow Lab.
Përdorimi i paneleve LED që emetojnë dritë në pjesën PAR të spektrit mundëson arritjen e një shpejtësie maksimale të rritjes së algave.
Për shembull, pas inokulimit të Chlorella Vulgaris me dendësi fillestare 0,146 g/L, arritëm dendësinë 7,3g/L në 7 ditë.

Shkatërrimi i qelizave të algave me ultratinguj

Pas fazës së rritjes së algave, qelizat e algave janë të gatshme për trajtimin për prodhimin e vajit. Meqenëse përmbajtja qelizore ndahet nga mjedisi përreth nga një strukturë e përbërë nga membrana qelizore, metoda e çarjes së qelizave ka rëndësi për çlirimin e të gjithë materialit brendaqelizor. Membrana qelizore i jep qelizës qëndrueshmëri mekanike dhe ruan tërësinë e saj. Vetitë elastike të membranës qelizore u mundësojnë qelizave t’u rezistojnë ndryshimeve të shpejta të presionit osmotik që mund të ndodhin në mjedisin e tyre të jashtëm.
Si metodat me ultratinguj, ashtu edhe ato të asistuara me mikrovalë, të cilat përshkruhen më poshtë, përmirësojnë ndjeshëm ekstraktimin nga mikroalgat, me efikasitet më të lartë, kohë më të shkurtër ekstraktimi dhe rendimente më të larta, si dhe me kosto të ulëta deri mesatare dhe toksicitet shtesë të papërfillshëm.
Shumë shpesh, ekstraktimi i produkteve të synuara nga algat është më efektiv nëse qelizat e algave shkatërrohen përpara ekstraktimit. Por ndonjëherë, vetë shkatërrimi i qelizave çon në çlirimin e produktit të synuar dhe nevojitet vetëm procesi i ndarjes për ta përftuar atë (p.sh. ekstraktimi i lipideve nga algat për prodhimin e biokarburanteve).
Algae Grow Lab integron në sistemin e vet një sistem ultrasonik për çarjen e qelizave dhe ekstraktimin, për të siguruar një proces shumë efikas që arrin çlirimin e plotë të përmbajtjes brendaqelizore dhe, rrjedhimisht, rendimente më të larta në kohë më të shkurtër. Në reaktorin ultrasonik, valët ultrasonike krijojnë kavitacion në mjedisin e lëngshëm që përmban qelizat e algave. Flluskat e kavitacionit rriten gjatë fazave të alternuara të rrallimit të valës ultrasonike derisa arrijnë një madhësi të caktuar, kur nuk mund të adsorbohet më energji. Në këtë pikë maksimale të rritjes së flluskave, zgavrat shemben gjatë një faze ngjeshjeje. Shembja e flluskave krijon kushte ekstreme të diferencave të presionit dhe temperaturës, si dhe valë goditëse dhe rryma të fuqishme lëngu. Këto forca ekstreme jo vetëm që shkatërrojnë qelizat, por edhe e shpëlajnë në mënyrë efektive përmbajtjen e tyre në mjedisin e lëngshëm (p.sh. ujë ose tretës).
Efektiviteti i shkatërrimit me ultratinguj varet shumë nga qëndrueshmëria dhe elasticiteti i mureve qelizore, të cilat ndryshojnë ndjeshëm ndërmjet shtameve të veçanta të algave. Kjo është arsyeja pse efikasiteti i shkatërrimit të qelizave ndikohet shumë nga parametrat e procesit të trajtimit me ultratinguj: parametrat më të rëndësishëm janë amplituda, presioni, përqendrimi & viskoziteti dhe temperatura. Këta parametra duhet të optimizohen për çdo shtam të veçantë algash për të siguruar efikasitetin optimal të përpunimit.
Disa shembuj të çarjes 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 P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Çarja e qelizave të algave me ultratinguj. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vëll. 1433, Nr. 1, f. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Vlerësimi dhe krahasimi i metodave të çarjes së qelizave të algave: trajtimi me mikrovalë, banjë uji, blender, ultratinguj dhe lazer. Applied Energy, March 2013, Vëll. 103, Faqet 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Ndikimi i teknikave të ndryshme të çarjes së qelizave në tretjen e biomasës së algave si substrat i vetëm. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Suedi.
• Schizochytrium limacinum dhe Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Vlerësimi i çarjes së qelizave të mikroalgave nëpërmjet trajtimit me ultratinguj. Bioresource Technology 2012, Vëll. 125, f.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer dhe Roberto E. Armenta (2011): Zhvillimet në ekstraktimin e vajit nga mikroalgat. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Përmirësimi i çarjes së qelizave të Scotiellopsis terrestris nëpërmjet ultratingujve dhe një enzime që zbërthen pektinën. Naturstoffchemie.

Procesi

Pas kultivimit, rrjedha e biomasës së algave dërgohet në pajisjen e përqendrimit për ta ndarë biomasën nga mjedisi i lëngshëm. Koncentrati grumbullohet në rezervuarin e ruajtjes. Pas ndarjes, qelizat duhet të çahen për të çliruar vajin dhe materialin tjetër brendaqelizor. Prandaj, biomasa e përqendruar pompohet përmes një pajisjeje ultrasonike Hielscher. Sistemi i riqarkullimit ultrasonik siguron riqarkullimin e koncentratit qelizor nën presionin e përcaktuar përmes qelizës së rrjedhjes Hielscher dhe kthimin e tij në rezervuarin e grumbullimit. Riqarkullimi zgjat për aq kohë sa nevojitet për shkatërrimin e qelizave. Kur procesi i shkatërrimit përfundon, biomasa me qelizat e shkatërruara pompohet drejt pajisjes së ndarjes së produktit, ku kryhet ndarja përfundimtare e produktit nga mbetjet e tjera.

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

Matja e përqindjes së qelizave të shkatërruara

Për vlerësimin e efikasitetit të çarjes 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 shpejtësi të ulët rrotullimi, qelizat e algave dhe mbetjet do të formojnë një sediment në fund të enës, por mbetjet e klorofilit që pluskon lirshëm do të vazhdojnë të mbeten në supernatant. Duke përdorur këto karakteristika fizike të qelizës dhe të klorofilit, mund të përcaktohet përqindja e qelizave të çara. Kjo realizohet duke matur fillimisht fluoreshencën totale të klorofilit të një mostre. Më pas, mostra centrifugohet. Pas kësaj, matet fluoreshenca e klorofilit të supernatantit. Duke llogaritur përqindjen e fluoreshencës së klorofilit në supernatant kundrejt fluoreshencës së klorofilit të të gjithë mostrës, mund të vlerësohet përqindja e qelizave të çara. Kjo mënyrë matjeje është mjaft e saktë, por bazohet në supozimin se numri i molekulave të klorofilit për qelizë është i njëjtë. Ekstraktimet e klorofilit total u kryen duke përdorur metanol.
2. Për metodën e dytë të analizës, u përdor hemocitometria klasike për të matur dendësinë qelizore në mostrën e algave të mbledhura. Procedura kryhet në 2 hapa:

• Së pari, matet dendësia qelizore e mostrës së algave të mbledhura përpara trajtimit me ultratinguj.
• Së dyti, matet numri i qelizave të pashkatërruara (të mbetura) pas trajtimit me ultratinguj të së njëjtës mostër.
  Në bazë të rezultateve të këtyre dy matjeve, llogaritet përqindja e qelizave të shkatërruara.

Fig.1: Algat përpara shkatërrimit ©Algae Grow Lab

Fig. 2: Çarja e algave: 50% çarje e qelizave pas 60 min. trajtimi me ultratinguj. ©Algae Grow Lab

Fig. 3: Çarja e algave: 100% çarje e qelizave pas 120 min. trajtimi me ultratinguj. ©Algae Grow Lab