Algae Grow Lab – การสกัดสาหร่ายด้วยอัลตราซาวนด์

การเพาะเลี้ยงสาหร่าย

Algae Grow Lab ได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสงชนิดท่อและชนิดแผ่นแบนหลายรุ่นสำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่าย รวมทั้งกระบวนการทำลายเซลล์ด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ของ Hielscher ที่ติดตั้งเซลล์การไหล
แผนภาพการไหลโดยรวมของกระบวนการแสดงไว้ด้านล่าง

แผนผังการไหลแสดงกระบวนการเพาะเลี้ยงสาหร่ายและการผลิตน้ำมันสาหร่ายโดยใช้อัลตราซาวนด์ ©Algae Grow Lab

ตัวอย่างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสงของ Algae Grow Lab แสดงไว้ด้านล่าง
การใช้แผง LED ที่ปล่อยแสงในช่วง PAR ของสเปกตรัมช่วยให้สาหร่ายมีอัตราการเจริญเติบโตสูงสุด
ตัวอย่างเช่น หลังจากใส่หัวเชื้อ Chlorella Vulgaris ที่มีความหนาแน่นเริ่มต้น 0.146 g/L เราสามารถเพิ่มความหนาแน่นเป็น 7.3g/L ได้ภายใน 7 วัน

การทำลายเซลล์สาหร่ายด้วยอัลตราซาวนด์

หลังจากระยะการเจริญเติบโตของสาหร่าย เซลล์สาหร่ายจะพร้อมสำหรับกระบวนการผลิตน้ำมัน เนื่องจากสารภายในเซลล์ถูกแยกออกจากสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วยโครงสร้างที่ประกอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ วิธีการทำให้เซลล์แตกจึงมีความสำคัญต่อการปลดปล่อยสารภายในเซลล์ทั้งหมด เยื่อหุ้มเซลล์ทำให้เซลล์มีความแข็งแรงเชิงกลและคงความสมบูรณ์ของเซลล์ไว้ คุณสมบัติยืดหยุ่นของเยื่อหุ้มเซลล์ช่วยให้เซลล์ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความดันออสโมติกที่อาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมภายนอกได้
ทั้งวิธีที่ใช้อัลตราซาวนด์และวิธีที่ใช้ไมโครเวฟช่วย ซึ่งอธิบายไว้ด้านล่าง ช่วยปรับปรุงการสกัดจากสาหร่ายขนาดเล็กได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยให้ประสิทธิภาพสูงขึ้น ลดเวลาการสกัด และเพิ่มผลได้ อีกทั้งมีต้นทุนต่ำถึงปานกลางและมีความเป็นพิษที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยจนละเลยได้
บ่อยครั้ง การสกัดผลิตภัณฑ์เป้าหมายจากสาหร่ายจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นหากทำลายเซลล์สาหร่ายก่อนการสกัด แต่ในบางกรณี การทำลายเซลล์เองทำให้ผลิตภัณฑ์เป้าหมายถูกปลดปล่อยออกมา และจำเป็นต้องใช้เพียงกระบวนการแยกเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์นั้น (เช่น การสกัดลิพิดจากสาหร่ายเพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ)
Algae grow lab ผสานระบบอัลตราซาวนด์สำหรับการทำให้เซลล์แตกและการสกัดเข้ากับชุดระบบของตน เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการมีประสิทธิภาพสูงมาก สามารถปลดปล่อยสารภายในเซลล์ได้ทั้งหมด และจึงให้ผลได้สูงขึ้นในเวลาที่สั้นลง ในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ คลื่นอัลตราซาวนด์ก่อให้เกิดคาวิเทชันในตัวกลางของเหลวที่มีเซลล์สาหร่ายอยู่ ฟองคาวิเทชันจะเติบโตในช่วงลดความดันที่เกิดสลับกันของคลื่นอัลตราซาวนด์ จนมีขนาดถึงระดับหนึ่งที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้อีก ณ จุดที่ฟองเติบโตสูงสุดนี้ โพรงฟองจะยุบตัวในช่วงอัดตัว การยุบตัวของฟองก่อให้เกิดสภาวะรุนแรงของความแตกต่างด้านความดันและอุณหภูมิ รวมทั้งคลื่นกระแทกและลำของเหลวพุ่งที่รุนแรง แรงที่รุนแรงเหล่านี้ไม่เพียงทำลายเซลล์ แต่ยังชะสารภายในเซลล์ออกสู่ตัวกลางของเหลว (เช่น น้ำหรือตัวทำละลาย) ได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย
ประสิทธิผลของการทำลายด้วยอัลตราซาวนด์ขึ้นอยู่กับความทนทานและความยืดหยุ่นของผนังเซลล์อย่างมาก ซึ่งแตกต่างกันมากระหว่างสาหร่ายแต่ละสายพันธุ์ ด้วยเหตุนี้ พารามิเตอร์ของกระบวนการใช้อัลตราซาวนด์จึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำลายเซลล์ พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด ได้แก่ แอมพลิจูด ความดัน ความเข้มข้นและความหนืด และอุณหภูมิ ต้องปรับพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหมาะสมที่สุดสำหรับสาหร่ายแต่ละสายพันธุ์ เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการมีประสิทธิภาพสูงสุด
ตัวอย่างบางส่วนของการทำให้เซลล์แตกและสลายตัวในสาหร่ายสายพันธุ์ต่าง ๆ สามารถดูได้จากบทความที่อ้างอิงด้านล่าง:

• Dunnaliella salina และ Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): การทำให้เซลล์สาหร่ายแตกด้วยอัลตราซาวนด์ AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, เล่ม 1433 ฉบับที่ 1, หน้า 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): การประเมินและเปรียบเทียบวิธีการทำให้เซลล์สาหร่ายแตก: การใช้ไมโครเวฟ อ่างน้ำ เครื่องปั่น อัลตราซาวนด์ และเลเซอร์ Applied Energy, มีนาคม 2013, เล่ม 103, หน้า 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): อิทธิพลของเทคนิคการทำให้เซลล์แตกแบบต่าง ๆ ต่อการย่อยชีวมวลสาหร่ายแบบใช้วัตถุดิบชนิดเดียว World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 พฤษภาคม 2011, สวีเดน.
• Schizochytrium limacinum และ Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): การประเมินการทำให้เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กแตกด้วยอัลตราซาวนด์ Bioresource Technology 2012, เล่ม 125, หน้า 175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer และ Roberto E. Armenta (2011): พัฒนาการในการสกัดน้ำมันจากสาหร่ายขนาดเล็ก Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: การปรับปรุงการหยุดชะงักของเซลล์สําหรับ Scotiellopsis terrestris โดยใช้อัลตราซาวนด์และเอนไซม์ที่ย่อยสลายของเพคติน Naturstoffchemie.

กระบวนการ

หลังการเพาะเลี้ยง กระแสชีวมวลสาหร่ายจะถูกป้อนเข้าสู่อุปกรณ์เพิ่มความเข้มข้นเพื่อแยกชีวมวลออกจากตัวกลางของเหลว ส่วนเข้มข้นจะถูกรวบรวมไว้ในถังเก็บ หลังการแยก ต้องทำให้เซลล์แตกเพื่อปลดปล่อยน้ำมันและสารภายในเซลล์อื่น ๆ ดังนั้น ชีวมวลเข้มข้นจึงถูกสูบผ่านอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ชุดระบบหมุนเวียนอัลตราซาวนด์ทำให้ส่วนเข้มข้นของเซลล์หมุนเวียนภายใต้ความดันที่กำหนด ผ่านเซลล์การไหลของ Hielscher กลับไปยังถังรวบรวม การหมุนเวียนจะดำเนินต่อไปเป็นระยะเวลาที่จำเป็นสำหรับการทำลายเซลล์ เมื่อกระบวนการทำลายเสร็จสมบูรณ์ ชีวมวลที่มีเซลล์ซึ่งถูกทำลายแล้วจะถูกสูบไปยังอุปกรณ์แยกผลิตภัณฑ์ ซึ่งเป็นจุดที่แยกผลิตภัณฑ์ออกจากเศษเซลล์ที่เหลือในขั้นตอนสุดท้าย

ชุดทำลายเซลล์สาหร่ายพร้อมอุปกรณ์เพิ่มความเข้มข้น/แยกชีวมวล และเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ UIP1500hd ขนาด 1.5 kW ของ Hielscher ©Algae Grow Lab

การวัดร้อยละของเซลล์ที่ถูกทำลาย

เพื่อประเมินประสิทธิภาพการทำให้เซลล์สาหร่ายแตก ALgae Grow Lab ใช้วิธีการสองวิธีที่แตกต่างกันเพื่อวัดร้อยละของเซลล์ที่ถูกทำลาย:

1. วิธีวิเคราะห์วิธีแรกอาศัยการวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ A, B และ A+B
   ระหว่างการปั่นเหวี่ยงด้วยความเร็วต่ำ เซลล์สาหร่ายและเศษเซลล์จะตกเป็นตะกอนที่ก้นภาชนะ แต่คลอโรฟิลล์ที่ลอยอย่างอิสระส่วนที่เหลือจะยังคงอยู่ในของเหลวส่วนใสเหนือตะกอน คุณลักษณะทางกายภาพเหล่านี้ของเซลล์และคลอโรฟิลล์สามารถใช้หาร้อยละของเซลล์ที่แตกได้ โดยเริ่มจากการวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ทั้งหมดในตัวอย่าง จากนั้นนำตัวอย่างไปปั่นเหวี่ยง แล้ววัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ในของเหลวส่วนใสเหนือตะกอน การคำนวณค่าการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ในของเหลวส่วนใสเหนือตะกอนเป็นร้อยละของค่าการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ในตัวอย่างทั้งหมด ทำให้สามารถประมาณร้อยละของเซลล์ที่แตกได้ การวัดในรูปแบบนี้มีความแม่นยำค่อนข้างสูง แต่ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าจำนวนคลอโรฟิลล์ต่อเซลล์เท่ากัน การสกัดคลอโรฟิลล์ทั้งหมดดำเนินการโดยใช้เมทานอล
2. สำหรับวิธีวิเคราะห์วิธีที่สอง ใช้วิธีนับเซลล์ด้วยฮีโมไซโตมิเตอร์แบบดั้งเดิมเพื่อวัดความหนาแน่นของเซลล์ในตัวอย่างสาหร่ายที่เก็บเกี่ยว กระบวนการนี้ดำเนินการใน 2 ขั้นตอน:

• ขั้นแรก วัดความหนาแน่นของเซลล์ในตัวอย่างสาหร่ายที่เก็บเกี่ยวก่อนการใช้อัลตราซาวนด์
• ขั้นที่สอง วัดจำนวนเซลล์ที่ไม่ถูกทำลาย (ที่เหลืออยู่) หลังจากใช้อัลตราซาวนด์กับตัวอย่างเดียวกัน
  นำผลการวัดทั้งสองครั้งนี้มาคำนวณร้อยละของเซลล์ที่ถูกทำลาย

ภาพที่ 1: สาหร่ายก่อนการทำลาย ©Algae Grow Lab

ภาพที่ 2: การทำให้สาหร่ายแตก: เซลล์แตก 50% หลังใช้อัลตราซาวนด์เป็นเวลา 60 นาที ©Algae Grow Lab

ภาพที่ 3: การทำให้สาหร่ายแตก: เซลล์แตก 100% หลังใช้อัลตราซาวนด์เป็นเวลา 120 นาที ©Algae Grow Lab