Algae Grow Lab – Ультразвукове видобування водоростей

Вирощування водоростей

Algae Grow Lab розробила серію трубчастих і плоских фотобіореакторів для вирощування водоростей, а також процес ультразвукового руйнування клітин на основі ультразвукових процесорів Hielscher, оснащених проточними комірками.
Загальна блок-схема процесу наведена нижче.

Блок-схема відображає процес вирощування водоростей і виробництва олії з водоростей за допомогою ультразвукової обробки. ©Algae Grow Lab

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

Руйнування клітин водоростей за допомогою ультразвуку

Після стадії росту водоростей клітини готові до обробки для виробництва олії. Оскільки вміст клітини відокремлений від навколишнього середовища структурою, що складається з клітинних мембран, метод руйнування клітин є важливим щодо вивільнення повного внутрішньоклітинного матеріалу. Клітинна мембрана забезпечує механічну міцність клітини та зберігає її цілісність. Еластичні властивості клітинної мембрани дозволяють клітинам витримувати швидкі зміни осмотичного тиску, які можуть виникати в їхньому зовнішньому середовищі.
Як ультразвукові, так і мікрохвильові методи, які описані нижче, значно покращують екстракцію мікроводоростей, забезпечуючи вищу ефективність, скорочення часу екстракції та збільшення виходу продукту, а також низькі або помірні витрати та незначну додаткову токсичність.
Дуже часто екстракція цільових продуктів з водоростей є більш ефективною, якщо клітини водоростей руйнуються перед екстракцією. Але іноді саме руйнування клітин призводить до вивільнення цільового продукту, і потрібен лише процес розділення, щоб отримати його (наприклад, екстракція ліпідів з водоростей для виробництва біопалива).
Algae grow lab інтегрує ультразвукову систему для руйнування клітин та екстракції у свою установку, щоб забезпечити високоефективний процес, який досягає повного вивільнення внутрішньоклітинного вмісту і, таким чином, вищого виходу за коротший час. У ультразвуковому реакторі ультразвукові хвилі створюють кавітацію в рідкому середовищі, яке містить клітини водоростей. Бульбашки кавітації зростають під час чергування фаз розрідження ультразвукової хвилі, доки не досягають певного розміру, коли подальша енергія не може бути адсорбована. У цій максимальній точці росту бульбашок порожнини колапсують під час фази стиснення. Колапс бульбашки створює екстремальні умови різниці тиску та температури, а також ударні хвилі та сильні рідинні струмені. Ці екстремальні сили не лише руйнують клітини, але й ефективно вимивають їхній вміст у рідке середовище (наприклад, воду або розчинники).
Ефективність ультразвукового руйнування сильно залежить від міцності та еластичності клітинних стінок, які суттєво варіюються між окремими штамами водоростей. Це є причиною того, що ефективність руйнування клітин сильно залежить від параметрів процесу сонофікації: найважливішими параметрами є амплітуда, тиск, концентрація та в’язкість, а також температура. Ці параметри повинні бути оптимізовані для кожного конкретного штаму водоростей, щоб забезпечити оптимальну ефективність обробки.
Деякі приклади руйнування та дезінтеграції клітин різних штамі водоростей можна знайти в статтях, цитованих нижче:

• Dunnaliella salina і Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Ultrasonic disruption of algae cells. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, Vol. 1433 Issue 1, p. 237.
• Наннохлоропсис окулата: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Evaluation and comparison of algal cell disruption methods: Microwave, waterbath, blender, ultrasonic and laser treatment. Applied Energy, March 2013, Vol. 103, Pages 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 і Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Evaluation of microalgae cell disruption by ultrasonic treatment. Bioresource Technology 2012, Vol. 125, pp.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 вирощування потік біомаси водоростей подається на концентратор для відокремлення біомаси від рідкого середовища. Концентрат накопичується в резервуарі для зберігання. Після розділення клітини повинні бути зруйновані, щоб вивільнити олію та інший внутрішньоклітинний матеріал. Тому концентрована біомаса прокачується через ультразвуковий пристрій Hielscher. Ультразвукова установка рециркуляції забезпечує рециркуляцію концентрату клітин під заданим тиском через проточну комірку Hielscher назад у накопичувальний резервуар. Рециркуляція триває стільки часу, скільки потрібно для руйнування клітин. Коли процес руйнування завершено, біомаса зі зруйнованими клітинами перекачується на пристрій розділення продукту, де відбувається остаточне розділення продукту від залишкового сміття.

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

Вимірювання відсотка зруйнованих клітин

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

1. Перший метод аналізу базується на вимірюванні флуоресценції хлорофілу A, B та A+B.
   Під час повільного центрифугування клітини водоростей та уламки осаджуються на дні приймача, але залишки вільно плаваючого хлорофілу залишаються в надосадковій рідині. Використовуючи ці фізичні характеристики клітини та хлорофілу, можна визначити відсоток зруйнованих клітин. Це досягається шляхом спочатку вимірювання загальної флуоресценції хлорофілу зразка. Потім зразок центрифугується. Після цього вимірюється флуоресценція хлорофілу надосадкової рідини. Беручи відсоток флуоресценції хлорофілу в надосадковій рідині до флуоресценції хлорофілу загального зразка, можна оцінити відсоток зруйнованих клітин. Ця форма вимірювання є досить точною, але припускає, що кількість хлорофілу на клітину є однорідною. Загальна екстракція хлорофілу проводилася з використанням метанолу.
2. Для другого методу аналізу класична гематоцитометрія використовувалася для вимірювання щільності клітин у зібраному зразку водоростей. Процедура виконується у 2 етапи:

• По-перше, вимірюється щільність клітин у зібраному зразку водоростей перед ультразвуковою обробкою.
• По-друге, вимірюється кількість незруйнованих (залишкових) клітин після сонофікації того ж зразка.
  На основі результатів цих двох вимірювань розраховується відсоток зруйнованих клітин.

Мал. 1: Водорості перед руйнуванням ©Algae Grow Lab

Мал. 2: Руйнування водоростей: 50% руйнування клітин після 60 min. ультразвукової обробки. ©Algae Grow Lab

Мал. 3: Руйнування водоростей: 100% руйнування клітин після 120 min. ультразвукової обробки. ©Algae Grow Lab