Algae Grow Lab – Ултразвучна екстракција из алги

Узгој алги

Algae Grow Lab је развио серију цевастих и равних фотобиореактора за узгој алги, као и поступак ултразвучног разарања ћелија заснован на Hielscher ултразвучним процесорима опремљеним проточним ћелијама.
Општа шема тока процеса приказана је у наставку.

Дијаграм тока приказује процес узгоја алги и производње уља из алги применом ултразвука. ©Algae Grow Lab

Примери фотобиореактора компаније Algae Grow Lab приказани су у наставку.
Употреба LED панела који емитују светлост у PAR делу спектра омогућава постизање максималне брзине раста алги.
На пример, након инокулације алге Chlorella Vulgaris са почетном густином од 0,146 g/L постигли смо густину од 7,3g/L за 7 дана.

Разарање ћелија алги ултразвуком

Након фазе раста, ћелије алги су спремне за обраду ради производње уља. Пошто је ћелијски садржај одвојен од околине структуром коју чине ћелијске мембране, метода разарања ћелија значајна је за ослобађање целокупног унутарћелијског материјала. Ћелијска мембрана обезбеђује механичку чврстоћу ћелије и чува њен интегритет. Еластична својства ћелијске мембране омогућавају ћелијама да издрже брзе промене осмотског притиска које се могу јавити у њиховој спољашњој средини.
И ултразвучне методе и методе потпомогнуте микроталасима, које су описане у наставку, знатно побољшавају екстракцију из микроалги, уз већу ефикасност, краће време екстракције и повећане приносе, као и ниске до умерене трошкове и занемарљиву додатну токсичност.
Веома често је екстракција циљних производа из алги ефикаснија ако се ћелије алги разоре пре екстракције. Међутим, понекад само разарање ћелија доводи до ослобађања циљног производа, па је за његово добијање потребан само поступак сепарације (нпр. екстракција липида из алги за производњу биогорива).
Algae Grow Lab интегрише ултразвучни систем за разарање ћелија и екстракцију у своје постројење како би обезбедио високо ефикасан процес којим се постиже потпуно ослобађање унутарћелијског садржаја, а тиме и већи приноси за краће време. У ултразвучном реактору, ултразвучни таласи стварају кавитацију у течној средини која садржи ћелије алги. Кавитациони мехурићи расту током наизменичних фаза разређивања ултразвучног таласа док не достигну одређену величину, када се више не може адсорбовати додатна енергија. У тој тачки максималног раста мехурића, шупљине колабирају током фазе сабијања. Колапс мехурића ствара екстремне услове у погледу разлика у притиску и температури, као и ударне таласе и снажне млазеве течности. Ове екстремне силе не само да разарају ћелије већ и ефикасно испирају њихов садржај у течну средину (нпр. воду или раствараче).
Ефикасност ултразвучног разарања у великој мери зависи од отпорности и еластичности ћелијских зидова, које се знатно разликују међу појединачним сојевима алги. Због тога параметри поступка соникације снажно утичу на ефикасност разарања ћелија: најважнији параметри су амплитуда, притисак, концентрација и вискозност, као и температура. Ови параметри морају бити оптимизовани за сваки појединачни сој алги како би се обезбедила оптимална ефикасност обраде.
Неки примери разарања и дезинтеграције ћелија различитих сојева алги могу се наћи у радовима наведеним у наставку:

• Dunnaliella salina и Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ултразвучно разарање ћелија алги. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Процена и поређење метода разарања ћелија алги: обрада микроталасима, у воденом купатилу, блендером, ултразвуком и ласером. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Утицај различитих техника разарања ћелија на монодигестију биомасе алги. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Шведска.
• Schizochytrium limacinum и Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Процена разарања ћелија микроалги ултразвучном обрадом. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer и Roberto E. Armenta (2011): Развој екстракције уља из микроалги. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Побољшање разарања ћелија алге Scotiellopsis terrestris применом ултразвука и ензима који разграђује пектин. Naturstoffchemie.

Процес

Након узгоја, ток биомасе алги доводи се у уређај за концентрисање ради одвајања биомасе од течне средине. Концентрат се сакупља у резервоару за складиштење. Након сепарације, ћелије се морају разорити како би се ослободили уље и други унутарћелијски материјал. Зато се концентрована биомаса пумпа кроз Hielscher ултразвучни уређај. Ултразвучно постројење за рециркулацију обезбеђује рециркулацију ћелијског концентрата под задатим притиском кроз Hielscher проточну ћелију назад у сабирни резервоар. Рециркулација траје онолико колико је потребно за разарање ћелија. Када је поступак разарања завршен, биомаса са разореним ћелијама пумпа се у уређај за сепарацију производа, где се производ коначно одваја од преосталих ћелијских остатака.

Јединица за разарање ћелија алги са уређајем за концентрисање/ сепарацију биомасе и Hielscher ултразвучним процесором UIP1500hd снаге 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Мерење процента разорених ћелија

За процену ефикасности разарања ћелија алги, Algae Grow Lab је користио две различите методологије за мерење процента разорених ћелија:

1. Прва метода анализе заснива се на мерењу флуоресценције хлорофила A, B и A+B.
   Током центрифугирања при малој брзини обртања, ћелије алги и ћелијски остаци формирају талог на дну посуде, али остаци слободно плутајућег хлорофила и даље остају у супернатанту. На основу ових физичких карактеристика ћелија и хлорофила може се утврдити проценат разорених ћелија. То се постиже тако што се најпре измери укупна флуоресценција хлорофила у узорку. Затим се узорак центрифугира. Након тога се мери флуоресценција хлорофила у супернатанту. Израчунавањем процентуалног односа флуоресценције хлорофила у супернатанту према флуоресценцији хлорофила у целом узорку може се проценити проценат разорених ћелија. Овај начин мерења је прилично тачан, али се заснива на претпоставци да је број молекула хлорофила по ћелији уједначен. Екстракције укупног хлорофила изведене су метанолом.
2. У другој методи анализе коришћена је класична хемоцитометрија за мерење густине ћелија у узорку сакупљених алги. Поступак се спроводи у 2 корака:

• Прво се мери густина ћелија у узорку сакупљених алги пре ултразвучне обраде.
• Затим се мери број неразорених (преосталих) ћелија након соникације истог узорка.
  На основу резултата ова два мерења израчунава се проценат разорених ћелија.

Сл.1: Алге пре разарања ©Algae Grow Lab

Сл. 2: Разарање ћелија алги: 50% разорених ћелија након 60 мин. соникације. ©Algae Grow Lab

Сл. 3: Разарање ћелија алги: 100% разорених ћелија након 120 мин. соникације. ©Algae Grow Lab