Phòng thí nghiệm phát triển tảo – Ultrasonic Algae Extraction

Trồng tảo

Algae Grow Lab đã phát triển một loạt các lò phản ứng quang sinh học hình ống và phẳng để nuôi trồng tảo cũng như một quá trình phá hủy siêu âm tế bào dựa trên bộ vi xử lý siêu âm Hielscher được trang bị các tế bào dòng chảy.
Sơ đồ dòng chảy chung của quá trình được hiển thị dưới đây.

Biểu đồ dòng chảy hiển thị quá trình nuôi trồng tảo và sản xuất dầu tảo bằng cách sử dụng ultrasonication. ©Phòng thí nghiệm trồng tảo

Ví dụ về các lò phản ứng quang sinh học của Algae Grow Lab được trình bày dưới đây.
Việc sử dụng các bảng LED phát ra ánh sáng trong phần PAR của quang phổ cho phép đạt được tốc độ phát triển tối đa của tảo.
Ví dụ, sau khi tiêm Chlorella Vulgaris với mật độ ban đầu là 0,146 g / L, chúng tôi đã đạt được mật độ 7,3g / L trong 7 ngày.

Phá hủy tế bào tảo bằng siêu âm

Sau sân vận động tăng trưởng tảo, tế bào tảo đã chín để xử lý sản xuất dầu. Vì hàm lượng tế bào được tách ra khỏi môi trường xung quanh bởi cấu trúc của màng tế bào bao gồm, phương pháp phá vỡ tế bào có ý nghĩa quan trọng liên quan đến việc giải phóng vật liệu nội bào hoàn chỉnh. Màng tế bào cung cấp sức mạnh cơ học cho tế bào và bảo tồn tính toàn vẹn của nó. Các đặc tính đàn hồi của màng tế bào cho phép các tế bào chịu được những thay đổi nhanh chóng về áp suất thẩm thấu có thể xảy ra trong môi trường xung quanh bên ngoài của chúng.
Cả hai phương pháp siêu âm và vi sóng, được mô tả dưới đây, cải thiện đáng kể việc khai thác vi tảo, với hiệu quả cao hơn, giảm thời gian khai thác và tăng năng suất, cũng như chi phí thấp đến trung bình và độc tính bổ sung không đáng kể.
Rất thường việc chiết xuất các sản phẩm mục tiêu từ tảo có hiệu quả hơn nếu các tế bào tảo bị phá hủy trước khi chiết xuất. Nhưng đôi khi, sự phá hủy tế bào tự nó dẫn đến việc giải phóng sản phẩm mục tiêu và chỉ cần quá trình phân tách để có được nó (ví dụ như chiết xuất lipid từ tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học).
Phòng thí nghiệm phát triển tảo tích hợp một hệ thống siêu âm để phá vỡ tế bào và khai thác vào thiết lập của họ để đảm bảo một quá trình hiệu quả cao đạt được sự giải phóng hoàn toàn nội dung nội bào và do đó năng suất cao hơn trong thời gian ngắn hơn. Trong lò phản ứng siêu âm, sóng siêu âm tạo ra caviatation trong môi trường lỏng có chứa các tế bào tảo. Các bong bóng xâm thực phát triển trong các giai đoạn hiếm xen kẽ của sóng siêu âm cho đến khi chúng đạt được kích thước nhất định, khi không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại điểm tăng trưởng bong bóng tối đa này, các khoảng trống sụp đổ trong giai đoạn nén. Sự sụp đổ bong bóng tạo ra các điều kiện khắc nghiệt về chênh lệch áp suất và nhiệt độ cũng như sóng xung kích và tia chất lỏng mạnh. Những lực cực đoan này không chỉ phá hủy các tế bào, mà còn rửa trôi hiệu quả nội dung của chúng vào môi trường lỏng (ví dụ như nước hoặc dung môi).
Hiệu quả của việc phá hủy siêu âm phụ thuộc mạnh mẽ vào độ bền và độ đàn hồi của thành tế bào, thay đổi đáng kể giữa các chủng tảo riêng lẻ. Đó là lý do tại sao hiệu quả phá hủy tế bào bị ảnh hưởng nhiều bởi các thông số của quá trình âm thanh: Các thông số quan trọng nhất là biên độ, áp suất, nồng độ & độ nhớt và nhiệt độ. Các thông số này phải được tối ưu hóa cho từng chủng tảo cụ thể để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu.
Một số ví dụ về sự gián đoạn tế bào và sự tan rã của các chủng tảo khác nhau có thể được tìm thấy trong các bài báo được trích dẫn dưới đây:

• Dunnaliella salina và Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, TJ (2012): Sự gián đoạn siêu âm của các tế bào tảo. Kỷ yếu Hội nghị AIP; 24/5/2012, Tập 1433, Số 1, tr. 237.
• Nannochloropsis oculata: Jonathan R. McMillan, Ian A. Watson, Mehmood Ali, Weaam Jaafar (2013): Đánh giá và so sánh các phương pháp phá vỡ tế bào tảo: Lò vi sóng, bồn nước, máy xay sinh tố, siêu âm và xử lý laser. Applied Energy, tháng Ba năm 2013, tập 103, trang 128–134.
• Nanochloropsis salina: Sebastian Schwede, Alexandra Kowalczyk, Mandy Gerber, Roland Span (2011): Ảnh hưởng của các kỹ thuật phá vỡ tế bào khác nhau đến quá trình tiêu hóa đơn khối của tảo. Đại hội Năng lượng tái tạo thế giới 2011, Công nghệ năng lượng sinh học, 8-12 tháng 5 năm 2011, Thụy Điển.
• Schizochytrium limacinum và Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Đánh giá sự gián đoạn tế bào vi tảo bằng cách xử lý siêu âm. Công nghệ tài nguyên sinh học 2012, Tập 125, tr.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer và Roberto E. Armenta (2011): Phát triển khai thác dầu từ vi tảo. Châu Âu Jornal của Công nghệ Khoa học Lipid, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, Tiến sĩ N. Hempel, L. Dombrowski, Giáo sư Tiến sĩ O. Pulz: Cải thiện sự gián đoạn tế bào đối với Scotiellopsis terrestris bằng phương pháp siêu âm và enzyme phân hủy pectin. Naturstoffchemie.

Quá trình

Sau khi canh tác, dòng sinh khối tảo được đưa vào thiết bị nồng độ để tách sinh khối ra khỏi môi trường lỏng. Chất cô đặc được tích lũy trong bể chứa. Sau khi tách, các tế bào phải bị phá vỡ để giải phóng dầu và các vật liệu nội bào khác. Do đó, sinh khối đậm đặc được bơm qua thiết bị siêu âm Hielscher. Thiết lập tuần hoàn siêu âm đảm bảo tuần hoàn tế bào cô đặc dưới áp suất nhất định thông qua tế bào dòng chảy Hielscher trở lại bể tích lũy. Sự tuần hoàn kéo dài thời gian cần thiết để phá hủy các tế bào. Khi quá trình phá hủy hoàn tất, sinh khối với các tế bào bị phá hủy đang bơm đến thiết bị tách sản phẩm, nơi xảy ra sự phân tách cuối cùng của sản phẩm khỏi các mảnh vụn còn lại.

Đơn vị phá hủy tế bào tảo với thiết bị phân tách / nồng độ sinh khối và bộ xử lý siêu âm 1,5 kW UIP1500hd của Hielscher. ©Phòng thí nghiệm trồng tảo

Đo tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá hủy

Để đánh giá hiệu quả của sự phá vỡ tảo, ALgae Grow Lab đã sử dụng hai phương pháp khác nhau để đo tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá hủy:

1. Phương pháp phân tích đầu tiên dựa trên phép đo huỳnh quang diệp lục A, B và A + B.
   Trong quá trình ly tâm spin chậm, các tế bào tảo và mảnh vụn sẽ viên nén ở dưới cùng của người nhận, nhưng phần còn lại của chất diệp lục nổi tự do sẽ vẫn còn trong supernatant. Sử dụng các đặc tính vật lý này của tế bào và chất diệp lục, tỷ lệ phần trăm của các tế bào bị hỏng có thể được xác định. Điều này được thực hiện bằng cách đo trước hết tổng huỳnh quang diệp lục của một mẫu. Sau đó, mẫu được ly tâm. Sau đó, huỳnh quang diệp lục của supernatant được đo. Bằng cách lấy tỷ lệ phần trăm huỳnh quang diệp lục trong chất siêu nhiên đến huỳnh quang diệp lục của tổng mẫu, có thể ước tính tỷ lệ phần trăm của các tế bào bị hỏng. Hình thức đo lường này khá chính xác, nhưng đưa ra giả định rằng số lượng chất diệp lục trên mỗi tế bào là đồng đều. Tổng số chiết xuất chất diệp lục được thực hiện bằng methanol.
2. Đối với phương pháp phân tích thứ hai, phép đo huyết học cổ điển đã được sử dụng để đo mật độ tế bào trong mẫu tảo thu hoạch. Thủ tục được thực hiện theo 2 bước:

• Thứ nhất, mật độ tế bào của mẫu tảo thu hoạch trước khi điều trị siêu âm được đo.
• Thứ hai, số lượng tế bào không bị phá hủy (còn lại) sau khi sonification của cùng một mẫu được đo.
  Dựa trên kết quả của hai phép đo này, tỷ lệ phần trăm của các tế bào bị phá hủy được tính toán.

Hình 1: Tảo trước khi phá hủy ©Phòng thí nghiệm phát triển tảo

Hình 2: Sự gián đoạn của tảo: 50% sự gián đoạn tế bào sau 60 phút. sonication. ©Phòng thí nghiệm trồng tảo

Hình 3: Sự gián đoạn của tảo: 100% sự gián đoạn tế bào sau 120 phút. sonication. ©Phòng thí nghiệm trồng tảo