สาหร่ายเติบโตห้องปฏิบัติการ – Ultrasonic Algae Extraction

การเพาะเลี้ยงสาหร่าย

Algae Grow Lab ได้พัฒนาชุดของเครื่องปฏิกรณ์โฟโตไบโอรีเอเตอร์แบบท่อและแบบแบนสําหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายตลอดจนกระบวนการทําลายเซลล์อัลตราโซนิกโดยใช้โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher ที่ติดตั้งเซลล์การไหล
แผนภาพการไหลทั่วไปของกระบวนการแสดงไว้ด้านล่าง

ผังงานแสดงกระบวนการเพาะปลูกสาหร่ายและการผลิตน้ํามันสาหร่ายโดยใช้อัลตราโซนิก ©ห้องปฏิบัติการสาหร่ายเติบโต

ตัวอย่างของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพของ Algae Grow Lab แสดงไว้ด้านล่าง
การใช้แผง LED ที่เปล่งแสงในส่วน PAR ของสเปกตรัมช่วยให้สาหร่ายมีอัตราการเจริญเติบโตสูงสุด
ตัวอย่างเช่น หลังจากฉีดวัคซีน Chlorella Vulgaris ด้วยความหนาแน่นเริ่มต้น 0.146 g/L เราได้รับความหนาแน่น 7.3g/L ใน 7 วัน

การทําลายเซลล์สาหร่ายโดย Ultrasonification

หลังจากสนามกีฬาการเจริญเติบโตของสาหร่ายเซลล์สาหร่ายจะสุกสําหรับการบําบัดการผลิตน้ํามัน เนื่องจากเนื้อหาของเซลล์ถูกแยกออกจากสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วยโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ที่ประกอบด้วยวิธีการหยุดชะงักของเซลล์จึงมีความสําคัญเกี่ยวกับการปลดปล่อยวัสดุภายในเซลล์ที่สมบูรณ์ เยื่อหุ้มเซลล์ให้ความแข็งแรงเชิงกลแก่เซลล์และรักษาความสมบูรณ์ของเซลล์ คุณสมบัติความยืดหยุ่นของเยื่อหุ้มเซลล์ช่วยให้เซลล์สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความดันออสโมติกที่อาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมภายนอก
ทั้งวิธีการอัลตราซาวนด์และไมโครเวฟซึ่งอธิบายไว้ด้านล่างช่วยปรับปรุงการสกัดสาหร่ายขนาดเล็กอย่างมีนัยสําคัญด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้นลดเวลาในการสกัดและเพิ่มผลผลิตตลอดจนต้นทุนต่ําถึงปานกลางและความเป็นพิษที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย
บ่อยครั้งที่การสกัดผลิตภัณฑ์เป้าหมายจากสาหร่ายจะมีประสิทธิภาพมากกว่าหากเซลล์สาหร่ายถูกทําลายก่อนการสกัด แต่บางครั้งการทําลายเซลล์เองก็นําไปสู่การปล่อยผลิตภัณฑ์เป้าหมายและจําเป็นต้องมีกระบวนการแยกเท่านั้นที่จะได้รับ (เช่นการสกัดไขมันจากสาหร่ายเพื่อการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ)
ห้องปฏิบัติการการเจริญเติบโตของสาหร่ายรวมระบบอัลตราโซนิกสําหรับการหยุดชะงักของเซลล์และการสกัดเข้ากับการตั้งค่าเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงบรรลุการปลดปล่อยเนื้อหาภายในเซลล์อย่างสมบูรณ์และด้วยเหตุนี้จึงให้ผลผลิตที่สูงขึ้นในเวลาอันสั้น ในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกคลื่นอัลตราโซนิกสร้าง caviatation ในตัวกลางของเหลวซึ่งมีเซลล์สาหร่าย ฟองอากาศจะเติบโตในช่วงการหายากสลับกันของคลื่นอัลตราโซนิกจนกว่าจะมีขนาดที่กําหนดเมื่อไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ที่จุดสูงสุดของการเจริญเติบโตของฟองอากาศช่องว่างจะยุบตัวในระหว่างขั้นตอนการบีบอัด การล่มสลายของฟองอากาศสร้างสภาวะที่รุนแรงของความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิ ตลอดจนคลื่นกระแทกและไอพ่นของเหลวที่รุนแรง แรงที่รุนแรงเหล่านี้ไม่เพียงแต่ทําลายเซลล์ แต่ยังชะล้างเนื้อหาลงในตัวกลางที่เป็นของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น น้ําหรือตัวทําละลาย)
ประสิทธิภาพของการทําลายอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับความทนทานและความยืดหยุ่นของผนังเซลล์ซึ่งแตกต่างกันอย่างมากระหว่างสาหร่ายแต่ละสายพันธุ์ นั่นคือเหตุผลว่าทําไมประสิทธิภาพของการทําลายเซลล์จึงได้รับอิทธิพลอย่างมากจากพารามิเตอร์ของกระบวนการ sonification: พารามิเตอร์ที่สําคัญที่สุดคือแอมพลิจูดความดันความเข้มข้น & ความหนืดและอุณหภูมิ พารามิเตอร์เหล่านี้ต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมสําหรับสาหร่ายทุกสายพันธุ์เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการประมวลผลที่เหมาะสมที่สุด
ตัวอย่างบางส่วนของการหยุดชะงักของเซลล์และการสลายตัวของสาหร่ายสายพันธุ์ต่างๆ สามารถพบได้ในบทความที่อ้างถึงด้านล่าง:

• Dunnaliella salina และ Nannochloropsis oculata: King PM, Nowotarski K.; จอยซ์, EM; เมสัน, TJ (2012): การหยุดชะงักของเซลล์สาหร่ายอัลตราโซนิก การประชุม AIP; 5/24/2012 ฉบับที่ 1433 ฉบับที่ 1 หน้า 237
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): การประเมินและเปรียบเทียบวิธีการหยุดชะงักของเซลล์สาหร่าย: ไมโครเวฟ, อ่างน้ํา, เครื่องปั่น, อัลตราโซนิกและการรักษาด้วยเลเซอร์ Applied Energy, มีนาคม 2013, Vol. 103, หน้า 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): อิทธิพลของเทคนิคการหยุดชะงักของเซลล์ที่แตกต่างกันต่อการย่อยแบบโมโนของชีวมวลสาหร่าย 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): การประเมินการหยุดชะงักของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กโดยการบําบัดด้วยอัลตราโซนิก เทคโนโลยีทรัพยากรชีวภาพ 2012 ฉบับที่ 125 หน้า 175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer และ Roberto. Armenta (2011): การพัฒนาการสกัดน้ํามันจากสาหร่ายขนาดเล็ก ยุโรปแห่งเทคโนโลยีวิทยาศาสตร์ไขมัน, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: การปรับปรุงการหยุดชะงักของเซลล์สําหรับ Scotiellopsis terrestris โดยใช้อัลตราซาวนด์และเอนไซม์ที่ย่อยสลายของเพคติน Naturstoffchemie.

แปรรูป

หลังจากการเพาะปลูกกระแสชีวมวลของสาหร่ายจะถูกป้อนไปยังอุปกรณ์ความเข้มข้นเพื่อแยกชีวมวลออกจากตัวกลางที่เป็นของเหลว ความเข้มข้นจะสะสมอยู่ในถังเก็บ หลังจากการแยกเซลล์จะต้องถูกรบกวนเพื่อปล่อยน้ํามันและวัสดุภายในเซลล์อื่น ๆ ดังนั้นชีวมวลเข้มข้นจึงถูกสูบผ่านอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher การตั้งค่าการหมุนเวียนแบบอัลตราโซนิกช่วยให้มั่นใจได้ถึงการหมุนเวียนของเซลล์เข้มข้นภายใต้ความดันที่กําหนดผ่านเซลล์การไหลของ Hielscher กลับไปที่ถังสะสม การไหลเวียนใช้เวลานานในการทําลายเซลล์ เมื่อกระบวนการทําลายเสร็จสิ้นชีวมวลที่มีเซลล์ที่ถูกทําลายจะถูกสูบไปยังอุปกรณ์แยกผลิตภัณฑ์ซึ่งจะเกิดการแยกผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจากเศษซากที่เหลืออยู่

หน่วยทําลายเซลล์สาหร่ายพร้อมอุปกรณ์ความเข้มข้น / การแยกชีวมวลและโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก 1.5 กิโลวัตต์ของ Hielscher UIP1500hd ©ห้องปฏิบัติการสาหร่ายเติบโต

การวัดเปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่ถูกทําลาย

สําหรับการประเมินประสิทธิภาพของการแตกตัวของสาหร่าย ALgae Grow Lab ใช้สองวิธีที่แตกต่างกันในการวัดเปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่ถูกทําลาย:

1. วิธีการวิเคราะห์แรกขึ้นอยู่กับการวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ A, B และ A+B
   ในระหว่างการหมุนเหวี่ยงแบบช้าเซลล์สาหร่ายและเศษซากจะอัดเม็ดที่ด้านล่างของผู้รับ แต่ส่วนที่เหลือของคลอโรฟิลล์ที่ลอยอยู่อย่างอิสระจะยังคงอยู่ในส่วนเหนือ การใช้ลักษณะทางกายภาพของเซลล์และคลอโรฟิลล์เหล่านี้สามารถตรวจสอบเปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่แตกได้ สิ่งนี้ทําได้โดยการวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ทั้งหมดของตัวอย่างก่อน จากนั้นตัวอย่างจะถูกหมุนเหวี่ยง หลังจากนั้นจะวัดการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ของส่วนเหนือน้ํา โดยการนําเปอร์เซ็นต์ของการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ในส่วนเหนือของน้ํากับการเรืองแสงของคลอโรฟิลล์ของตัวอย่างทั้งหมดสามารถประมาณเปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่แตกได้ รูปแบบการวัดนี้ค่อนข้างแม่นยํา แต่ตั้งสมมติฐานว่าจํานวนคลอโรฟิลล์ต่อเซลล์นั้นสม่ําเสมอ การสกัดคลอโรฟิลล์ทั้งหมดดําเนินการโดยใช้เมทานอล
2. สําหรับวิธีการวิเคราะห์ที่สอง ฮีโมไซโตเมทรีแบบคลาสสิกถูกนํามาใช้เพื่อวัดความหนาแน่นของเซลล์ในตัวอย่างสาหร่ายที่เก็บเกี่ยว ขั้นตอนนี้ดําเนินการใน 2 ขั้นตอน:

• ประการแรก ความหนาแน่นของเซลล์ของตัวอย่างสาหร่ายที่เก็บเกี่ยวก่อนการบําบัดด้วยอัลตราซาวนด์จะถูกวัด
• ประการที่สอง จะวัดจํานวนเซลล์ที่ไม่ถูกทําลาย (ที่เหลืออยู่) หลังจากการ sonification ของตัวอย่างเดียวกัน
  จากผลการวัดทั้งสองนี้เปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่ถูกทําลายจะถูกคํานวณ

รูปที่ 1: สาหร่ายก่อนการทําลาย ©Algae Grow Lab

รูปที่ 2: การหยุดชะงักของสาหร่าย: การหยุดชะงักของเซลล์ 50% หลังจาก 60 นาที ©ห้องปฏิบัติการสาหร่ายเติบโต

รูปที่ 3: การหยุดชะงักของสาหร่าย: การหยุดชะงักของเซลล์ 100% หลังจาก 120 นาที ©ห้องปฏิบัติการสาหร่ายเติบโต