Водорості Grow Lab – Ультразвукові видобутку водоростей

Вирощування водоростей

Водорослевая лабораторія розробила серію трубчастих та плоских фотобіореакторів для вирощування водоростей, а також процес ультразвукового руйнування клітин на базі процесорів Хільшера, оснащених ультразвуковими процесорами.
Загальна схема процесу наведена нижче.

Поточна схема показує процес вирощування водоростей та виробництва масла водоростей за допомогою ультразвукового дослідження. © Algae Grow Lab

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

Знищення водоростей за допомогою ультразвуку

Після стадіону росту водоростей клітина водоростей дозріла для обробки нафти. Оскільки вміст клітин відокремлюється від навколишнього середовища структурою містять клітинні мембрани, спосіб розриву клітин є важливим для 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, що може виникнути у їхньому зовнішньому середовищі.
Як ультразвукові, так і мікрохвильові методи, описані нижче, значно поліпшують видобуток мікроводоростей, забезпечують більш високу ефективність, зменшують час видобутку та збільшують врожайність, а також низькі до помірних витрат та незначну додаткову токсичність.
Дуже часто видобуток цільових продуктів з водоростей є більш ефективним, якщо клітини водоростей знищуються до видобутку. Але іноді, руйнування клітин сам по собі призводить до вивільнення цільового продукту, і для його отримання потрібен лише процес поділу (наприклад, вилучення ліпідів з водоростей для виробництва біопалива).
Водорості, що розвиваються, лабораторія інтегрує ультразвукову систему для зриву та вилучення клітин у їх установку, щоб забезпечити високоефективний процес, що забезпечує повне вивільнення внутрішньоклітинного вмісту і, отже, більш високу врожайність у коротший час. У ультразвуковому реакторі ультразвукові хвилі створюють кавітацію в рідких середовищах, що містять водорості клітини. Кавітаційні бульбашки ростуть під час чергування фаз розрідження ультразвукової хвилі до тих пір, поки вони не досягнуть певного розміру, коли більше енергії не можна адсорбувати. При цій максимальній точці зростання бульбашок порожнечі руйнуються під час фази стиснення. Колапс бульбашки створює екстремальні умови диференціалів тиску і температури, а також ударні хвилі та сильні рідкі струмені. Ці екстремальні сили не тільки руйнують клітини, але також ефективно промивають їх вміст у рідкі середовища (наприклад, воду або розчинники).
Ефективність ультразвукового руйнування сильно залежить від міцності та еластичності стінок клітин, що значно варіює між окремими штамами водоростей. Ось чому для ефективності руйнування клітин сильно впливають параметри процесу синхронізації: найважливішими параметрами є амплітуда, тиск, концентрація & в'язкість і температура. Ці параметри повинні бути оптимізовані для кожного конкретного штаму водоростей для забезпечення оптимальної ефективності обробки.
Деякі приклади порушень та розпаду клітин різних штамів водоростей можна знайти в статтях, цитованих нижче:

• Dunnaliella salina та Nannochloropsis oculata: прем'єр-міністр, Новоодарський К .; Джойс, Е. М.; Мейсон, TJ (2012): Ультразвукова розбивка водоростей. Труды конференції AIP; 24.05.2012, т. 1433, випуск 1, стор. 237.
• Nannochloropsis oculata: Джонатан Р. Макміллан, Ян А. Уотсон, Мехмуд Алі, Уаам Яафар (2013): Оцінка та порівняння методів деструкції водоростей: мікрохвильова піч, водяна баня, блендер, ультразвукове та лазерне лікування. Applied Energy, березень 2013 р., Т. 103, сторінки 128-134.
• Nanochloropsis salina: Себастьян Шведе, Олександра Ковальчик, Менді Гербер, Роланд Спан (2011): Вплив різних методів блокування клітин на монотермінування біомаси водоростей. Світовий Консенсус Відновлюваної Енергії 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 травня 2011 р., Швеція.
• Schizochytrium limacinum та Chlamydomonas reinhardtii: Хосе Герд, Мелліса Монтальбо-Ломбой М, Лінкинг Яо, Дейвід Грювель, Тонг Ванг (2012): Оцінка порушень клітин мікроводоростей за допомогою ультразвукової обробки. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, с.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Паула Мерсер і Роберто Е. Армена (2011): Розвиток видобутку олії з мікроводоростей. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Dr. N. Hempel, L. Dombrowski, Prof. Dr. O. Pulz: Поліпшення розладу клітин для Scotiellopsis terrestris за допомогою ультразвуку та розщепленого пектином ферменту. Naturstoffchemie.

процес

Після культивування потік біомаси водоростей подається до концентраційного пристрою для відділення біомаси від рідких середовищ. Концентрат накопичується в резервуарі для зберігання. Після поділу клітини повинні бути порушені, щоб звільнити масло та інший внутрішньоклітинний матеріал. Тому концентрована біомаса перекачується через ультразвукове пристрої Хілешер. Установка ультразвукової рециркуляції забезпечує рециркуляцію клітинного концентрату під заданим тиском через потік клітини Хілешер назад до накопичувального резервуара. Рециркуляція триває час, необхідний для руйнування клітин. Коли завершується процес знищення, біомаса з знищеними клітинами перекачується до пристрою для розділення продукту, де відбувається остаточне відділення продукту від залишкового сміття.

Одиниця руйнування водоростей з пристроєм концентрації / розділення біомаси та ультразвуковим процесором Hielscher 1,5 кВт UIP1500hd. © Algae Grow Lab

Вимірювання відсотка руйнуються клітин

Для оцінки ефективності вогневих пошкоджень, компанія ALgae Grow Lab використовувала дві різні методології для вимірювання відсотка знищених клітин:

1. Перший метод аналізу базується на вимірюванні флуоресценції хлорофілу А, В та А + В.
   Під час повільного центрифугування спірання водорості клітини і сміття будуть гранульовані в нижній частині реципієнта, але залишки вільного плаваючого хлорофілу все ще залишаться в супернатанті. Використовуючи ці фізичні характеристики клітини та хлорофілу, можна визначити відсоток розбитих клітин. Це досягається виміром спочатку загальної флуоресценції хлорофілу зразка. Потім пробу центрифугували. Після цього вимірюють флуоресценцію хлорофілу супернатанту. Беручи відсоток флуоресценції хлорофілу в супернатанті до флуоресценції хлорофілу у загальній вибірці, можна зробити оцінку відсотку розбитих клітин. Ця форма вимірювання досить точна, але робить припущення, що кількість хлорофілу на клітину є рівномірною. Загальні екстракції хлорофілу проводили з використанням метанолу.
2. Для другого методу аналізу була використана класична гемоцитометрія для вимірювання щільності клітин у зразку збору зразків водоростей. Процедура виконується в два етапи:

• По-перше, вимірюється щільність клітин зібраного зразка водоростей перед обробкою ультразвуку.
• По-друге, вимірюється кількість незнищених (залишилися) клітин після одужання одного зразка.
  Виходячи з результатів цих двох вимірювань, розраховується відсоток знищених клітин.

Pic.1: Водорості перед руйнуванням © Algae Grow Lab

Рисунок 2: порушення водоростей: порушення клітин 50% через 60 хв. ультразвуком. © Algae Grow Lab

Рисунок 3: Розбиття водоростей: 100% розрив клітин через 120 хв. ультразвуком. © Algae Grow Lab