Laboratorium för odling av alger – Ultraljud algextraktion

Odling av alger

Algae Grow Lab utvecklade en serie rörformiga och platta fotobioreaktorer för algodling samt en process för cellens ultraljudsdestruktion baserad på Hielscher ultraljudsprocessorer utrustade med flödesceller.
Det allmänna flödesschemat för processen visas nedan.

Flödesschemat visar processen för algodling och algoljeproduktion med hjälp av ultraljud. ©Laboratorium för odling av alger

Exempel på Algae Grow Labs fotobioreaktorer presenteras nedan.
Användningen av LED-panelerna som avger ljus i PAR-delen av spektrumet gör det möjligt att uppnå en maximal tillväxthastighet av alger.
Till exempel, efter inokulering av Chlorella Vulgaris med den ursprungliga densiteten 0,146 g/L uppnådde vi densiteten 7,3 g/L på 7 dagar.

Förstörelse av algceller genom ultraljud

Efter algtillväxtstadion är algcellen mogen för behandling av oljeproduktion. Eftersom cellinnehållet är separerat från den omgivande miljön genom en struktur av bestående cellmembran, är cellstörningsmetoden betydelsefull när det gäller frisättningen av det kompletta intracellulära materialet. Cellmembranet ger mekanisk styrka till cellen 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 ultraljud och mikrovågsassisterade metoder, som beskrivs nedan, förbättrar extraktionen av mikroalger avsevärt, med högre effektivitet, minskade extraktionstider och ökad avkastning, samt låga till måttliga kostnader och försumbar ökad toxicitet.
Mycket ofta är extraktionen av målprodukterna från alger mer effektiv om algcellerna förstörs före extraktionen. Men ibland leder själva celldestruktionen till frisläppning av målprodukten, och endast separationsprocessen behövs för att få fram den (t.ex. extraktion av lipider från alger för biobränsleproduktion).
Algodlingslabb integrerar ett ultraljudssystem för cellstörning och extraktion i sin installation för att säkerställa en mycket effektiv process som uppnår en fullständig frisättning av intracellulärt innehåll och därmed högre avkastning på kortare tid. I ultraljudsreaktorn skapar ultraljudsvågor kaviatation i det flytande mediet som innehåller algcellerna. Kavitationsbubblorna växer under de alternerande sällsynthetsfaserna av ultraljudsvågen tills de når en viss storlek, då ingen ytterligare energi kan adsorberas. Vid denna maximala punkt för bubbeltillväxt kollapsar hålrummen under en kompressionsfas. Bubbelkollapsen skapar extrema förhållanden med skillnader i tryck och temperatur samt stötvågor och starka vätskestrålar. Dessa extrema krafter förstör inte bara cellerna, utan tvättar också effektivt ut deras innehåll i det flytande mediet (t.ex. vatten eller lösningsmedel).
Effektiviteten av ultraljudsdestruktionen beror starkt på cellväggarnas hållbarhet och elasticitet, som varierar avsevärt mellan de enskilda algstammarna. Det är anledningen till att effektiviteten av celldestruktion i hög grad påverkas av parametrarna för sonifieringsprocessen: De viktigaste parametrarna är amplitud, tryck, koncentration & viskositet och temperatur. Dessa parametrar måste optimeras för varje enskild algstam för att säkerställa optimal bearbetningseffektivitet.
Några exempel på cellrubbning och sönderfall av olika algstammar finns i de artiklar som citeras nedan:

• Dunnaliella salina och Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultraljud störning av algceller. Handlingar från AIP-konferensen; 2012-05-24, Vol. 1433 utgåva 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Utvärdering och jämförelse av metoder för att störa algceller: Mikrovågsugn, vattenbad, mixer, ultraljud och laserbehandling. Applied Energy, mars 2013, vol. 103, sidorna 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Inverkan av olika cellstörningstekniker på mono digestion av algbiomassa. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 maj 2011, Sverige.
• Schizochytrium limacinum och Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Utvärdering av mikroalgcellstörning genom ultraljudsbehandling. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, s.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer och Roberto E. Armenta (2011): Utveckling inom oljeutvinning från mikroalger. Europeen Jornal från Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Förbättring av cellstörning för Scotiellopsis terrestris med hjälp av ultraljud och ett pektinsönderdelat enzym. Naturstoffchemie.

Process

Efter odling matas algbiomassaströmmen till koncentrationsanordningen för att separera biomassan från det flytande mediet. Koncentratet ackumuleras i lagringstanken. Efter separationen måste cellerna brytas sönder för att frigöra oljan och annat intracellulärt material. Därför pumpas den koncentrerade biomassan genom en Hielscher ultraljudsanordning. Ultraljudsrecirkulationsinställningen säkerställer återcirkulationen av cellkoncentratet under det givna trycket genom Hielscher-flödescellen tillbaka till ackumuleringstanken. Recirkulationen varar den tid som krävs för att förstöra celler. När destruktionsprocessen är klar pumpas biomassan med de förstörda cellerna till produktseparationsanordningen, där den slutliga separationen av produkten från det återstående skräpet sker.

Enhet för destruktion av algceller med anordning för koncentration/separation av biomassa och Hielschers 1,5 kW ultraljudsprocessor UIP1500hd. ©Laboratorium för odling av alger

Mätning av procentandelen förstörda celler

För effektivitetsutvärderingen av algbrottet använde ALgae Grow Lab två olika metoder för att mäta andelen förstörda celler:

1. Den första analysmetoden är baserad på mätning av klorofyll A-, B- och A+B-fluorescens.
   Under långsam centrifugering kommer algceller och skräp att pelletera på botten av behållaren, men rester av fritt flytande klorofyll kommer fortfarande att finnas kvar i supernatanten. Med hjälp av dessa fysiska egenskaper hos cellen och klorofyllet kan procentandelen av de trasiga cellerna fastställas. Detta åstadkoms genom att först mäta den totala klorofyllfluorescensen i ett prov. Därefter centrifugeras provet. Därefter mäts supernatantens klorofyllfluorescens. Genom att ta den procentuella andelen klorofyllfluorescens i supernatanten till klorofyllfluorescensen i det totala provet kan en uppskattning göras av procentandelen trasiga celler. Denna form av mätning är ganska exakt, men gör antagandet att antalet klorofyll per cell är enhetligt. Total klorofyllextraktion utfördes med hjälp av metanol.
2. För den andra analysmetoden har den klassiska hemocytometrin använts för att mäta celldensiteten i det skördade algprovet. Proceduren utförs i 2 steg:

• För det första mäts celltätheten i det skördade algprovet före ultraljudsbehandlingen.
• För det andra mäts antalet icke-förstörda (kvarvarande) celler efter sonifiering av samma prov.
  Baserat på resultaten av dessa två mätningar beräknas procentandelen förstörda celler.

Pic.1: Alger före destruktion ©Algae Grow Lab

Bild 2: Algstörning: 50% cellstörning efter 60 min. ©Laboratorium för odling av alger

Bild 3: Algstörning: 100% cellstörning efter 120 min. ©Laboratorium för odling av alger