Лабораторија за раст алги – Ултразвучна екстракција алги

гајење алги

Алгае Гров Лаб је развио серију цевастих и равних фотобиореактора за култивацију алги, као и процес ултразвучног уништавања ћелија заснован на Хиелсцхер ултразвучним процесорима опремљеним проточним ћелијама.
Општи дијаграм тока процеса је приказан испод.

Дијаграм тока приказује процес узгоја алги и производње алгиног уља коришћењем ултразвука. ©Алгае Гров Лаб

Примери фотобиореактора из лабораторије за раст алги су представљени у наставку.
Употреба ЛЕД панела који емитују светлост у ПАР делу спектра омогућава постизање максималне стопе раста алги.
На пример, након инокулације Цхлорелла Вулгарис са почетном густином од 0,146 г/Л, за 7 дана смо постигли густину од 7,3 г/Л.

Уништавање ћелија алги ултразвуком

Након стадиона за раст алги, ћелије алги су зреле за третман производње уља. Пошто је ћелијски садржај одвојен од околног окружења структуром састављених ћелијских мембрана, метода дерупције ћелије је значајна у погледу ослобађања комплетног интрацелуларног материјала. Ћелијска мембрана обезбеђује механичку снагу ћелији и чува њен интегритет. Еластична својства ћелијске мембране омогућавају ћелијама да издрже брзе промене осмотског притиска које се могу јавити у њиховом спољашњем окружењу.
И ултразвук и методе уз помоћ микроталасне пећнице, које су описане у наставку, значајно побољшавају екстракцију микроалги, са већом ефикасношћу, скраћеним временом екстракције и повећаним приносима, као и ниским до умереним трошковима и занемарљивом додатном токсичношћу.
Веома често је екстракција циљних производа из алги ефикаснија ако се ћелије алги униште пре екстракције. Али понекад, само уништавање ћелије доводи до ослобађања циљног производа, а за његово добијање потребан је само процес раздвајања (нпр. екстракција липида из алги за производњу биогорива).
Лабораторија за узгој алги интегрише ултразвучни систем за разбијање ћелија и екстракцију у њихову поставку како би се обезбедио високо ефикасан процес којим се постиже потпуно ослобађање интрацелуларног садржаја и самим тим већи приноси за краће време. У ултразвучном реактору, ултразвучни таласи стварају кавијацију у течном медију који садржи ћелије алги. Кавитациони мехурићи расту током наизменичних фаза разређивања ултразвучног таласа све док не достигну одређену величину, када се више не може адсорбовати енергија. На овој максималној тачки раста мехурића, шупљине се колабирају током фазе компресије. Колапс мехурића ствара екстремне услове разлике притиска и температуре, као и ударне таласе и јаке млазове течности. Ове екстремне силе не само да уништавају ћелије, већ и ефикасно испиру њихов садржај у течне медије (нпр. воду или раствараче).
Ефикасност ултразвучног уништавања у великој мери зависи од издржљивости и еластичности ћелијских зидова, која значајно варира између појединачних сојева алги. То је разлог зашто на ефикасност уништавања ћелија у великој мери утичу параметри процеса сонификације: Најважнији параметри су амплитуда, притисак, концентрација & вискозитет и температура. Ови параметри морају бити оптимизовани за сваки појединачни сој алги да би се обезбедила оптимална ефикасност обраде.
Неки примери поремећаја ћелија и дезинтеграције различитих сојева алги могу се наћи у доле наведеним чланцима:

• Дунналиелла салина и Нанноцхлоропсис оцулата: Кинг ПМ, Новотарски К.; Јоице, ЕМ; Масон, ТЈ (2012): Ултразвучни поремећај ћелија алги. АИП Цонференце Процеедингс; 24.5.2012, Вол. 1433 Свеска 1, стр. 237.
• Нанноцхлоропсис оцулата: Јонатхан Р. МцМиллан, Иан А. Ватсон, Мехмоод Али, Веаам Јаафар (2013). Примењена енергија, март 2013, књ. 103, стр. 128–134.
• Наноцхлоропсис салина: Себастиан Сцхведе, Александра Ковалцзик, Манди Гербер, Роланд Спан (2011): Утицај различитих техника дерупције ћелија на моно дигестију биомасе алги. Светски конгрес обновљиве енергије 2011, Биоенерги Тецхнологиес, 8-12 мај 2011, Шведска.
• Сцхизоцхитриум лимацинум и Цхламидомонас реинхардтии: Јосе Герде, Меллисса Монталбо-Ломбои М, Линкинг Иао, Давид Гревелл, Тонг Ванг (2012): Евалуација оштећења ћелија микроалги ултразвучним третманом. Биоресоурце Тецхнологи 2012, Вол. 125, стр. 175-81.
• Цриптхецодиниум цохнии: Паула Мерцер и Роберто Е. Армента (2011): Развој у екстракцији уља из микроалги. Еуропеан Јоурнал оф Липид Сциенце Тецхнологи, 2011.
• Сцотиеллопсис террестрис: С. Старке, Др. Н. Хемпел, Л. Домбровски, Проф. Др. О. Пулз: Побољшање деструкције ћелија код Сцотиеллопсис террестрис помоћу ултразвука и ензима разложеног пектина. Натурстоффцхемие.

Процес

Након култивације, ток биомасе алги се доводи у уређај за концентровање да би се биомаса одвојила од течног медија. Концентрат се акумулира у резервоару за складиштење. Након раздвајања, ћелије морају бити поремећене да би се ослободило уље и други интрацелуларни материјал. Због тога се концентрована биомаса пумпа кроз Хиелсцхер ултразвучни уређај. Поставка ултразвучне рециркулације обезбеђује рециркулацију ћелијског концентрата под датим притиском кроз Хиелсцхер проточну ћелију назад у акумулациони резервоар. Рециркулација траје време потребно за уништавање ћелија. Када се процес уништавања заврши, биомаса са уништеним ћелијама се пумпа у уређај за сепарацију производа, где долази до коначног одвајања производа од преосталих остатака.

Јединица за уништавање ћелија алги са уређајем за концентрацију/раздвајање биомасе и Хиелсцхеровим ултразвучним процесором од 1,5 кВ УИП1500хд. ©Алгае Гров Лаб

Мерење процента уништених ћелија

За процену ефикасности ломљења алги, АЛгае Гров Лаб је користио две различите методологије за мерење процента уништених ћелија:

1. Прва метода анализе заснива се на мерењу флуоресценције хлорофила А, Б и А+Б.
   Током центрифугирања са спорим центрифугирањем, ћелије алги и остаци ће се таложити на дну реципијента, али остаци слободног плутајућег хлорофила ће и даље остати у супернатанту. Користећи ове физичке карактеристике ћелије и хлорофила, може се утврдити проценат сломљених ћелија. Ово се постиже мерењем најпре укупне флуоресценције хлорофила узорка. Затим се узорак центрифугира. Након тога се мери флуоресценција хлорофила супернатанта. Узимањем процента флуоресценције хлорофила у супернатанту до флуоресценције хлорофила укупног узорка, може се направити процена процента сломљених ћелија. Овај облик мерења је прилично тачан, али претпоставља да је број хлорофила по ћелији уједначен. Екстракције укупног хлорофила су изведене коришћењем метанола.
2. За други метод анализе, класична хемоцитометрија је коришћена за мерење густине ћелија у узорку сакупљених алги. Поступак се изводи у 2 корака:

• Прво, мери се густина ћелија сакупљеног узорка алги пре ултразвучног третмана.
• Друго, мери се број неуништених (преосталих) ћелија након сонификације истог узорка.
  На основу резултата ова два мерења израчунава се проценат уништених ћелија.

Слика 1: Алге пре уништења ©Алгае Гров Лаб

Слика 2: Поремећај алги: 50% поремећаја ћелија након 60 мин. соницатион. ©Алгае Гров Лаб

Слика 3: Поремећај алги: 100% прекид ћелија након 120 мин. соницатион. ©Алгае Гров Лаб