Algae Grow Lab – Ultrasonik Alg Ekstraksiyonu

Alg Yetiştiriciliği

Algae Grow Lab, alg yetiştiriciliği için bir dizi boru tipi ve düz fotobiyoreaktörün yanı sıra, akış hücreleriyle donatılmış Hielscher ultrasonik işlemcilerine dayanan bir ultrasonik hücre parçalama prosesi geliştirdi.
Prosesin genel akış şeması aşağıda gösterilmiştir.

Akış şeması, ultrasonikasyon kullanılarak alg yetiştirme ve alg yağı üretme prosesini göstermektedir. ©Algae Grow Lab

Algae Grow Lab fotobiyoreaktörlerinin örnekleri aşağıda sunulmuştur.
Spektrumun PAR bölgesinde ışık yayan LED panellerin kullanılması, alglerin maksimum büyüme hızına ulaşmasını sağlar.
Örneğin, Chlorella Vulgaris’i 0,146 g/L başlangıç yoğunluğunda aşıladıktan sonra 7 günde 7,3g/L yoğunluğa ulaştık.

Ultrasonikasyon ile Alg Hücrelerinin Parçalanması

Alg büyüme aşamasından sonra alg hücreleri, yağ üretimi işlemine hazırdır. Hücre içeriği, hücre zarlarından oluşan bir yapı ile çevresindeki ortamdan ayrıldığı için hücre parçalama yöntemi, hücre içindeki tüm materyalin serbest bırakılması açısından önemlidir. Hücre zarı, hücreye mekanik dayanıklılık sağlar ve bütünlüğünü korur. Hücre zarının elastik özellikleri, hücrelerin dış ortamlarında meydana gelebilecek hızlı ozmotik basınç değişimlerine dayanmasını sağlar.
Aşağıda açıklanan hem ultrason hem de mikrodalga destekli yöntemler, daha yüksek verimlilik, daha kısa ekstraksiyon süreleri ve daha yüksek ürün veriminin yanı sıra düşük ila orta düzeyde maliyetler ve ihmal edilebilir düzeyde ek toksisiteyle mikroalg ekstraksiyonunu önemli ölçüde iyileştirir.
Alg hücreleri ekstraksiyondan önce parçalandığında, hedef ürünlerin alglerden ekstraksiyonu çoğu zaman daha etkili olur. Ancak bazen hücre parçalamanın kendisi hedef ürünün serbest kalmasını sağlar ve ürünü elde etmek için yalnızca ayırma prosesi gerekir (örneğin biyoyakıt üretimi için alglerden lipitlerin ekstraksiyonu).
Algae grow lab, hücre içeriğinin tamamen serbest bırakılmasını ve böylece daha kısa sürede daha yüksek ürün verimi elde edilmesini sağlayan, verimliliği yüksek bir proses sağlamak için kurulumuna hücre parçalama ve ekstraksiyon amaçlı bir ultrasonik sistem entegre eder. Ultrasonik reaktörde ultrasonik dalgalar, alg hücrelerini içeren sıvı ortamda kavitasyon oluşturur. Kavitasyon kabarcıkları, ultrasonik dalganın dönüşümlü seyrelme evreleri sırasında, artık daha fazla enerjinin adsorbe edilemediği belirli bir boyuta ulaşana kadar büyür. Kabarcık büyümesinin bu maksimum noktasında boşluklar, bir sıkıştırma evresi sırasında çöker. Kabarcıkların çökmesi, basınç ve sıcaklık farkları bakımından aşırı koşulların yanı sıra şok dalgaları ve güçlü sıvı jetleri oluşturur. Bu aşırı kuvvetler hücreleri parçalamanın yanı sıra içeriklerini de etkili biçimde yıkayarak sıvı ortama (örneğin suya veya çözücülere) aktarır.
Ultrasonik parçalamanın etkinliği, farklı alg suşları arasında önemli ölçüde değişen hücre duvarı dayanıklılığına ve elastikiyetine büyük ölçüde bağlıdır. Bu nedenle hücre parçalama verimliliği, sonikasyon prosesinin parametrelerinden büyük ölçüde etkilenir: En önemli parametreler genlik, basınç, konsantrasyon ve viskozite ile sıcaklıktır. Optimum işleme verimliliğini sağlamak için bu parametreler her bir alg suşuna özel olarak optimize edilmelidir.
Farklı alg suşlarının hücrelerinin parçalanmasına ve dağılmasına ilişkin bazı örnekler, aşağıda atıfta bulunulan makalelerde bulunabilir:

• Dunnaliella salina ve Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Alg hücrelerinin ultrasonik parçalanması. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Cilt 1433 Sayı 1, s. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Alg hücresi parçalama yöntemlerinin değerlendirilmesi ve karşılaştırılması: Mikrodalga, su banyosu, blender, ultrasonik işlem ve lazer işlemi. Applied Energy, March 2013, Cilt 103, Sayfalar 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Farklı hücre parçalama tekniklerinin alg biyokütlesinin tek başına çürütülmesi üzerindeki etkisi. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8–12 May 2011, İsveç.
• Schizochytrium limacinum ve Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Ultrasonik işlem ile mikroalg hücrelerinin parçalanmasının değerlendirilmesi. Bioresource Technology 2012, Cilt 125, s.175–81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer ve Roberto E. Armenta (2011): Mikroalglerden yağ ekstraksiyonundaki gelişmeler. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Ultrason ve pektin ayrışmış bir enzim aracılığıyla Scotiellopsis terrestris için hücre bozulmasının iyileştirilmesi. Naturstoffchemie.

Proses

Yetiştirme işleminden sonra alg biyokütlesi akışı, biyokütleyi sıvı ortamdan ayırmak için konsantrasyon cihazına beslenir. Konsantre, depolama tankında biriktirilir. Ayırma işleminden sonra yağı ve diğer hücre içi materyali serbest bırakmak için hücreler parçalanmalıdır. Bu nedenle konsantre biyokütle, bir Hielscher ultrasonik cihazından geçirilerek pompalanır. Ultrasonik resirkülasyon kurulumu, hücre konsantresinin belirli basınç altında Hielscher akış hücresinden geçerek biriktirme tankına geri dönmesini sağlar. Resirkülasyon, hücreleri parçalamak için gereken süre boyunca devam eder. Parçalama prosesi tamamlandığında, parçalanmış hücreleri içeren biyokütle, ürünün kalan hücre kalıntılarından nihai olarak ayrıldığı ürün ayırma cihazına pompalanır.

Biyokütle konsantrasyon/ ayırma cihazı ve Hielscher’in 1,5 kW ultrasonik işlemcisi UIP1500hd ile donatılmış alg hücresi parçalama ünitesi. ©Algae Grow Lab

Parçalanmış hücrelerin yüzdesinin ölçülmesi

Alg parçalamanın verimliliğini değerlendirmek için ALgae Grow Lab, parçalanmış hücrelerin yüzdesini ölçmek üzere iki farklı metodoloji kullandı:

1. İlk analiz yöntemi, klorofil A, B ve A+B floresansının ölçülmesine dayanır.
   Düşük devirli santrifüjleme sırasında alg hücreleri ve hücre kalıntıları kabın dibinde bir çökelti oluştururken, serbestçe yüzen klorofil kalıntıları süpernatantta kalır. Hücrenin ve klorofilin bu fiziksel özelliklerinden yararlanılarak parçalanmış hücrelerin yüzdesi belirlenebilir. Bunun için önce bir numunenin toplam klorofil floresansı ölçülür. Ardından numune santrifüjlenir. Daha sonra süpernatantın klorofil floresansı ölçülür. Süpernatanttaki klorofil floresansının, numunenin tamamındaki klorofil floresansına göre yüzdesi alınarak parçalanmış hücrelerin yüzdesi tahmin edilebilir. Bu ölçüm biçimi oldukça doğrudur, ancak hücre başına klorofil sayısının aynı olduğunu varsayar. Toplam klorofil ekstraksiyonları metanol kullanılarak gerçekleştirildi.
2. İkinci analiz yönteminde, hasat edilen alg numunesindeki hücre yoğunluğunu ölçmek için klasik hemositometri kullanılmıştır. Prosedür 2 adımda gerçekleştirilir:

• İlk olarak, hasat edilen alg numunesinin ultrason işleminden önceki hücre yoğunluğu ölçülür.
• İkinci olarak, aynı numunenin sonikasyonundan sonra parçalanmamış (kalan) hücrelerin sayısı ölçülür.
  Bu iki ölçümün sonuçlarına dayanarak parçalanmış hücrelerin yüzdesi hesaplanır.

Res.1: Parçalama Öncesindeki Algler ©Algae Grow Lab

Res. 2: Alg parçalama: 60 min. sonikasyondan sonra %50 hücre parçalama. ©Algae Grow Lab

Res. 3: Alg parçalama: 120 min. sonikasyondan sonra %100 hücre parçalama. ©Algae Grow Lab