Algae Grow Lab – Ultraljudsextraktion av alger

Algodling

Algae Grow Lab utvecklade en serie rörformiga och plana fotobioreaktorer för algodling samt en process för cellsönderdelning med ultraljud baserad på Hielschers ultraljudsprocessorer utrustade med flödesceller.
Processens övergripande flödesschema visas nedan.

Flödesschemat visar processen för algodling och produktion av algolja med hjälp av ultraljudsbehandling. ©Algae Grow Lab

Exempel på fotobioreaktorer från Algae Grow Lab visas nedan.
Användningen av LED-paneler som avger ljus inom spektrumets PAR-område gör det möjligt att uppnå maximal tillväxthastighet hos algerna.
Efter inokulering av Chlorella Vulgaris med en initial densitet på 0,146 g/L uppnådde vi exempelvis en densitet på 7,3g/L på 7 dagar.

Sönderdelning av algceller med ultraljud

Efter algernas tillväxtfas är algcellerna redo för behandling för oljeproduktion. Eftersom cellinnehållet skiljs från den omgivande miljön av en struktur bestående av cellmembran har metoden för cellsönderdelning betydelse för frisättningen av allt intracellulärt material. Cellmembranet ger cellen mekanisk hållfasthet och bevarar dess integritet. Cellmembranets elastiska egenskaper gör att cellerna kan motstå de snabba förändringar i osmotiskt tryck som kan uppstå i deras yttre omgivning.
Både ultraljuds- och mikrovågsassisterade metoder, som beskrivs nedan, förbättrar extraktionen från mikroalger avsevärt, med högre effektivitet, kortare extraktionstider och ökat utbyte samt låga till måttliga kostnader och försumbar ytterligare toxicitet.
Mycket ofta är extraktionen av målprodukterna från alger effektivare om algcellerna sönderdelas före extraktionen. Ibland leder dock själva cellsönderdelningen till att målprodukten frisätts, och då behövs endast separationsprocessen för att erhålla den (t.ex. extraktion av lipider från alger för produktion av biobränsle).
Algae grow lab integrerar ett ultraljudssystem för cellsönderdelning och extraktion i sin anläggning för att säkerställa en mycket effektiv process som åstadkommer fullständig frisättning av det intracellulära innehållet och därmed högre utbyte på kortare tid. I ultraljudsreaktorn skapar ultraljudsvågor kavitation i det flytande medium som innehåller algcellerna. Kavitationsbubblorna växer under ultraljudsvågens återkommande förtunningsfaser tills de når en viss storlek, då ingen ytterligare energi kan adsorberas. Vid denna maximala punkt i bubblornas tillväxt kollapsar hålrummen under en kompressionsfas. Bubbelkollapsen skapar extrema tryck- och temperaturskillnader samt stötvågor och kraftiga vätskestrålar. Dessa extrema krafter sönderdelar inte bara cellerna, utan sköljer också effektivt ut deras innehåll i det flytande mediet (t.ex. vatten eller lösningsmedel).
Effektiviteten hos sönderdelningen med ultraljud beror i hög grad på cellväggarnas hållfasthet och elasticitet, vilka varierar avsevärt mellan de enskilda algstammarna. Därför påverkas cellsönderdelningens effektivitet i hög grad av ultraljudsbehandlingens processparametrar: De viktigaste parametrarna är amplitud, tryck, koncentration & viskositet samt temperatur. Dessa parametrar måste optimeras för varje enskild algstam för att säkerställa optimal processeffektivitet.
Några exempel på cellsönderdelning och disintegration av olika algstammar finns i artiklarna som citeras nedan:

• Dunnaliella salina och Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Sönderdelning av algceller med ultraljud. 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): Utvärdering och jämförelse av metoder för sönderdelning av algceller: behandling med mikrovågor, vattenbad, mixer, ultraljud och laser. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Inverkan av olika tekniker för cellsönderdelning på monorötning av algbiomassa. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Sverige.
• Schizochytrium limacinum och Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Utvärdering av sönderdelning av mikroalgceller genom ultraljudsbehandling. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer och Roberto E. Armenta (2011): Utveckling inom oljeextraktion från mikroalger. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Förbättrad cellsönderdelning för Scotiellopsis terrestris med hjälp av ultraljud och ett pektinnedbrytande enzym. Naturstoffchemie.

Process

Efter odlingen leds flödet av algbiomassa till koncentreringsenheten för att separera biomassan från det flytande mediet. Koncentratet samlas i lagringstanken. Efter separationen måste cellerna sönderdelas för att frigöra oljan och annat intracellulärt material. Därför pumpas den koncentrerade biomassan genom en ultraljudsenhet från Hielscher. Ultraljudsanläggningens recirkulationssystem säkerställer att cellkoncentratet recirkuleras under det givna trycket genom Hielschers flödescell tillbaka till uppsamlingstanken. Recirkulationen pågår under den tid som krävs för att sönderdela cellerna. När sönderdelningsprocessen är slutförd pumpas biomassan med de sönderdelade cellerna till produktseparationsenheten, där den slutliga separationen av produkten från de återstående resterna sker.

Enhet för sönderdelning av algceller med enhet för koncentrering/separation av biomassa och Hielschers ultraljudsprocessor UIP1500hd på 1,5 kW. ©Algae Grow Lab

Mätning av andelen sönderdelade celler

För att utvärdera effektiviteten hos sönderdelningen av alger använde ALgae Grow Lab två olika metoder för att mäta andelen sönderdelade celler:

1. Den första analysmetoden bygger på mätning av fluorescensen hos klorofyll A, B och A+B.
   Vid centrifugering med låg rotationshastighet bildar algceller och cellrester en pellet på botten av kärlet, medan rester av fritt svävande klorofyll fortfarande finns kvar i supernatanten. Med hjälp av dessa fysikaliska egenskaper hos cellerna och klorofyllet kan andelen sönderdelade celler fastställas. Detta görs genom att först mäta den totala klorofyllfluorescensen i ett prov. Därefter centrifugeras provet. Sedan mäts klorofyllfluorescensen i supernatanten. Genom att beräkna supernatantens klorofyllfluorescens som procentandel av hela provets klorofyllfluorescens kan andelen sönderdelade celler uppskattas. Denna mätmetod är förhållandevis noggrann, men förutsätter att mängden klorofyll per cell är enhetlig. Extraktioner av totalt klorofyll utfördes med metanol.
2. I den andra analysmetoden användes klassisk hemocytometri för att mäta celldensiteten i det skördade algprovet. Förfarandet genomförs i 2 steg:

• Först mäts celldensiteten i det skördade algprovet före ultraljudsbehandlingen.
• Därefter mäts antalet icke sönderdelade (kvarvarande) celler efter ultraljudsbehandling av samma prov.
  Utifrån resultaten av dessa två mätningar beräknas andelen sönderdelade celler.

Bild 1: Alger före sönderdelning ©Algae Grow Lab

Bild 2: Sönderdelning av alger: 50% cellsönderdelning efter 60 min. ultraljudsbehandling. ©Algae Grow Lab

Bild 3: Sönderdelning av alger: 100% cellsönderdelning efter 120 min. ultraljudsbehandling. ©Algae Grow Lab