Лабораторія вирощування водоростей – Ультразвукова екстракція водоростей

вирощування водоростей

Лабораторія Algae Grow Lab розробила серію трубчастих і плоских фотобіореакторів для культивування водоростей, а також процесу ультразвукового руйнування клітин на основі ультразвукових процесорів Hielscher, оснащених проточними комірками.
Загальна схема процесу показана нижче.

Блок-схема відображає процес культивування водоростей і отримання жиру з водоростей за допомогою ультразвуку. ©Лабораторія вирощування водоростей

Приклади фотобіореакторів Algae Grow Lab представлені нижче.
Використання світлодіодних панелей, що випромінюють світло в частині спектра PAR, дозволяє досягти максимальної швидкості росту водоростей.
Наприклад, після інокуляції Chlorella Vulgaris з початковою щільністю 0,146 г/л ми досягли щільності 7,3 г/л за 7 днів.

Руйнування клітин водоростей за допомогою ультразвуку

Після стадіону для росту водоростей клітини водоростей дозрівають для обробки жиром. Оскільки вміст клітини відокремлений від навколишнього середовища структурою складених клітинних мембран, метод руйнування клітин має важливе значення щодо вивільнення повного внутрішньоклітинного матеріалу. Клітинна мембрана забезпечує механічну міцність клітини і зберігає її цілісність. Еластичні властивості клітинної мембрани дозволяють клітинам витримувати швидкі зміни осмотичного тиску, які можуть виникнути в їх зовнішньому оточенні.
Як ультразвукові, так і мікрохвильові методи, які описані нижче, значно покращують екстракцію мікроводоростей, з більш високою ефективністю, скороченням часу екстракції та збільшенням виходу, а також низькими або помірними витратами та незначною додатковою токсичністю.
Дуже часто екстракція цільових продуктів з водоростей більш ефективна, якщо клітини водоростей знищені перед екстракцією. Але іноді саме руйнування клітини призводить до вивільнення цільового продукту, а для його отримання потрібен лише процес поділу (наприклад, екстракція ліпідів з водоростей для виробництва біопалива).
Лабораторія вирощування водоростей інтегрує ультразвукову систему для руйнування та екстракції клітин у свою установку, щоб забезпечити високоефективний процес, досягаючи повного вивільнення внутрішньоклітинного вмісту і, тим самим, більш високих врожаїв за коротший час. В ультразвуковому реакторі ультразвукові хвилі створюють кавіатацію в рідкому середовищі, в якому містяться клітини водоростей. Кавітаційні бульбашки ростуть під час чергування фаз розрідження ультразвукової хвилі, поки не досягнуть певного розміру, коли подальша енергія не може бути адсорбована. У цій максимальній точці росту бульбашок порожнечі руйнуються під час фази стиснення. Руйнування бульбашки створює екстремальні умови перепадів тиску і температури, а також ударних хвиль і сильних струменів рідини. Ці екстремальні сили не тільки руйнують клітини, але й ефективно вимивають їх вміст у рідкі середовища (наприклад, воду або розчинники).
Ефективність ультразвукової деструкції сильно залежить від міцності і еластичності клітинних стінок, яка значно варіює в залежності від окремих штамів водоростей. Саме тому на ефективність руйнування клітин сильно впливають параметри процесу соніфікації: Найважливішими параметрами є амплітуда, тиск, концентрація & в'язкість, і температура. Ці параметри повинні бути оптимізовані для кожного конкретного штаму водоростей, щоб забезпечити оптимальну ефективність переробки.
Деякі приклади руйнування клітин і розпаду різних штамів водоростей можна знайти в статтях, наведених нижче:

• Dunnaliella salina та Nannochloropsis oculata: Кінг П.М., Новотарський К.; Джойс, Е. М.; Мейсон, Т.Дж. (2012): Ультразвукове руйнування клітин водоростей. Матеріали конференції AIP; 24.05.2012, том 1433, випуск 1, с. 237.
• Nannochloropsis oculata: Джонатан Р. Макміллан, Ян А. Уотсон, Мехмуд Алі, Веам Джаафар (2013): Оцінка та порівняння методів руйнування клітин водоростей: мікрохвильова піч, водяна баня, блендер, ультразвукове та лазерне лікування. Прикладна енергетика, березень 2013 р., том 103, сторінки 128–134.
• Nanochloropsis salina: Себастьян Шведе, Олександра Ковальчик, Менді Гербер, Роланд Спан (2011): Вплив різних методів руйнування клітин на моноперетравлення біомаси водоростей. Всесвітній конгрес з відновлюваної енергетики 2011, біоенергетичні технології, 8-12 травня 2011 р., Швеція.
• Schizochytrium limacinum та Chlamydomonas reinhardtii: Хосе Герде, Меллісса Монтальбо-Ломбой М, Лінсін Яо, Девід Гревелл, Тонг Ван (2012): Оцінка руйнування клітин мікроводоростей за допомогою ультразвукового лікування. Технологія біоресурсів 2012, том 125, с.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Паула Мерсер та Роберто Е. Армента (2011): Розробки в галузі екстракції олії з мікроводоростей. Європейський журнал ліпідної наукової технології, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Покращення руйнування клітин для Scotiellopsis terrestris за допомогою ультразвуку та ферменту, що розклався пектином. Naturstoffchemie.

Процес

Після культивування потік біомаси водоростей подається на концентраційний пристрій для відділення біомаси від рідких середовищ. Концентрат накопичується в накопичувальному баку. Після поділу клітини необхідно порушити, щоб вивільнити масло та інший внутрішньоклітинний матеріал. Тому концентрована біомаса перекачується через ультразвуковий апарат Hielscher. Установка ультразвукової рециркуляції забезпечує рециркуляцію концентрату клітин під заданим тиском через проточну камеру Hielscher назад до накопичувального бака. Рециркуляція триває стільки часу, скільки потрібно для руйнування клітин. Коли процес руйнування завершується, біомаса зі зруйнованими клітинами перекачується в пристрій сепарації продукту, де відбувається остаточне відділення продукту від залишків сміття.

Установка для знищення клітин водоростей з пристроєм концентрації/розділення біомаси та ультразвуковим процесором Hielscher потужністю 1,5 кВт UIP1500hd. ©Лабораторія вирощування водоростей

Вимірювання відсотка зруйнованих клітин

Для оцінки ефективності руйнування водоростей, ALgae Grow Lab використовувала дві різні методики для вимірювання відсотка зруйнованих клітин:

1. Перший метод аналізу заснований на вимірюванні флуоресценції хлорофілу А, В і А+В.
   Під час центрифугування з повільним обертанням клітини водоростей і сміття будуть дратуватися на дні реципієнта, але залишки вільно плаваючого хлорофілу все одно залишаться в супернатанті. Використовуючи ці фізичні характеристики клітини та хлорофілу, можна визначити відсоток розбитих клітин. Це досягається шляхом вимірювання спочатку загальної флуоресценції хлорофілу зразка. Потім зразок центрифугують. Після цього вимірюють флуоресценцію хлорофілу супернатанту. Взявши відсоток флуоресценції хлорофілу в супернатанті до флуоресценції хлорофілу в загальній вибірці, можна зробити оцінку відсотка розбитих клітин. Ця форма вимірювання досить точна, але робить припущення, що кількість хлорофілу в клітині є рівномірною. Тотальні екстракції хлорофілу проводили з використанням метанолу.
2. Для другого методу аналізу була використана класична гемоцитометрія для вимірювання щільності клітин у зібраному зразку водоростей. Процедура проводиться в 2 етапи:

• По-перше, вимірюється щільність клітин зібраного зразка водоростей перед проведенням ультразвукового лікування.
• По-друге, вимірюється кількість незруйнованих (що залишилися) клітин після соніфікації одного і того ж зразка.
  За результатами цих двох вимірювань розраховується відсоток зруйнованих клітин.

Рис.1: Водорості до руйнування ©Лабораторія росту водоростей

Рисунок 2: Руйнування водоростей: 50% руйнування клітин після 60 хв. ©Лабораторія вирощування водоростей

Фото 3: Руйнування водоростей: 100% руйнування клітин після 120 хв. ©Лабораторія вирощування водоростей