Algae Grow Lab – Chiết xuất tảo bằng siêu âm

Nuôi trồng tảo

Algae Grow Lab đã phát triển một loạt thiết bị phản ứng quang sinh học dạng ống và dạng phẳng để nuôi trồng tảo, cũng như một quy trình phá hủy tế bào bằng siêu âm dựa trên các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher được trang bị buồng dòng chảy.
Sơ đồ dòng tổng quát của quy trình được trình bày bên dưới.

Sơ đồ dòng thể hiện quy trình nuôi trồng tảo và sản xuất dầu tảo bằng siêu âm. ©Algae Grow Lab

Các ví dụ về thiết bị phản ứng quang sinh học của Algae Grow Lab được trình bày bên dưới.
Việc sử dụng các tấm LED phát ánh sáng trong vùng PAR của quang phổ cho phép đạt tốc độ sinh trưởng tối đa của tảo.
Ví dụ, sau khi cấy Chlorella Vulgaris với mật độ ban đầu là 0,146 g/L, chúng tôi đã đạt mật độ 7,3g/L trong 7 ngày.

Phá hủy tế bào tảo bằng siêu âm

Sau giai đoạn sinh trưởng của tảo, tế bào tảo đã sẵn sàng cho quá trình xử lý để sản xuất dầu. Do các thành phần bên trong tế bào được ngăn cách với môi trường xung quanh bằng một cấu trúc gồm các màng tế bào, phương pháp phá vỡ tế bào có ý nghĩa quan trọng đối với việc giải phóng toàn bộ vật chất nội bào. Màng tế bào tạo độ bền cơ học cho tế bào và duy trì tính toàn vẹn của tế bào. Đặc tính đàn hồi của màng tế bào cho phép tế bào chịu được những thay đổi nhanh về áp suất thẩm thấu có thể xảy ra trong môi trường bên ngoài.
Cả phương pháp có hỗ trợ siêu âm và phương pháp có hỗ trợ vi sóng, được mô tả bên dưới, đều cải thiện đáng kể quá trình chiết xuất vi tảo, với hiệu quả cao hơn, thời gian chiết xuất ngắn hơn và hiệu suất thu hồi cao hơn, cũng như chi phí từ thấp đến trung bình và độc tính gia tăng không đáng kể.
Trong rất nhiều trường hợp, việc chiết xuất các sản phẩm mục tiêu từ tảo hiệu quả hơn nếu tế bào tảo được phá hủy trước khi chiết xuất. Nhưng đôi khi, bản thân việc phá hủy tế bào đã giải phóng sản phẩm mục tiêu, và chỉ cần quá trình phân tách để thu được sản phẩm đó (ví dụ: chiết xuất lipid từ tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học).
Algae grow lab tích hợp một hệ thống siêu âm để phá vỡ tế bào và chiết xuất vào hệ thống thiết bị của mình nhằm bảo đảm quy trình có hiệu quả cao, giải phóng hoàn toàn các thành phần nội bào và nhờ đó đạt hiệu suất thu hồi cao hơn trong thời gian ngắn hơn. Trong thiết bị phản ứng siêu âm, sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực trong môi trường lỏng chứa tế bào tảo. Các bọt khí xâm thực lớn dần trong các pha giãn luân phiên của sóng siêu âm cho đến khi đạt một kích thước nhất định, khi không thể hấp phụ thêm năng lượng. Tại thời điểm bọt khí đạt kích thước lớn nhất này, các khoang rỗng sụp đổ trong một pha nén. Sự sụp đổ của bọt khí tạo ra các điều kiện cực đoan về chênh lệch áp suất và nhiệt độ, cũng như sóng xung kích và các tia chất lỏng mạnh. Những lực cực mạnh này không chỉ phá hủy tế bào mà còn rửa trôi hiệu quả các thành phần bên trong tế bào vào môi trường lỏng (ví dụ: nước hoặc dung môi).
Hiệu quả phá hủy bằng siêu âm phụ thuộc rất nhiều vào độ bền và độ đàn hồi của thành tế bào, vốn khác nhau đáng kể giữa các chủng tảo riêng lẻ. Đó là lý do hiệu quả phá hủy tế bào chịu ảnh hưởng lớn từ các thông số của quá trình xử lý siêu âm: Các thông số quan trọng nhất là biên độ, áp suất, nồng độ & độ nhớt và nhiệt độ. Những thông số này phải được tối ưu hóa cho từng chủng tảo cụ thể để bảo đảm hiệu quả xử lý tối ưu.
Một số ví dụ về việc phá vỡ và phân rã tế bào của các chủng tảo khác nhau có thể được tìm thấy trong các bài báo được trích dẫn bên dưới:

• Dunnaliella salina và Nannochloropsis oculata: King P.M., Nowotarski K.; Joyce, E.M.; Mason, T.J. (2012): Phá vỡ tế bào tảo bằng siêu âm. AIP Conference Proceedings; 5/24/2012, 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: Xử lý bằng vi sóng, bể cách thủy, máy xay, siêu âm và laser. Applied Energy, March 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 phân hủy đơn cơ chất của sinh khối tảo. World Renewable Energy Congress 2011, Bioenergy Technologies, 8-12 May 2011, Thụy Điển.
• Schizochytrium limacinum và Chlamydomonas reinhardtii: Jose Gerde, Mellissa Montalbo-Lomboy M, Linxing Yao, David Grewell, Tong Wang (2012): Đánh giá việc phá vỡ tế bào vi tảo bằng xử lý siêu âm. Bioresource Technology 2012, Tập 125, tr.175-81.
• Crypthecodinium cohnii: Paula Mercer và Roberto E. Armenta (2011): Những tiến bộ trong chiết xuất dầu từ vi tảo. Europeen Jornal of Lipid Science Technology, 2011.
• Scotiellopsis terrestris: S. Starke, TS. N. Hempel, L. Dombrowski, GS. TS. O. Pulz: Cải thiện việc phá vỡ tế bào Scotiellopsis terrestris bằng siêu âm và một enzyme phân giải pectin. Naturstoffchemie.

Quy trình

Sau khi nuôi trồng, dòng sinh khối tảo được đưa vào thiết bị cô đặc để tách sinh khối khỏi môi trường lỏng. Phần cô đặc được tích lũy trong bồn chứa. Sau khi phân tách, các tế bào phải được phá vỡ để giải phóng dầu và các vật chất nội bào khác. Vì vậy, sinh khối cô đặc được bơm qua một thiết bị siêu âm Hielscher. Hệ thống tuần hoàn siêu âm bảo đảm phần tế bào cô đặc tuần hoàn dưới áp suất đã cho qua buồng dòng chảy Hielscher rồi trở về bồn tích lũy. Quá trình tuần hoàn kéo dài trong khoảng thời gian cần thiết để phá hủy tế bào. Khi quá trình phá hủy hoàn tất, sinh khối chứa các tế bào đã bị phá hủy được bơm đến thiết bị phân tách sản phẩm, nơi diễn ra bước phân tách cuối cùng để tách sản phẩm khỏi các mảnh vụn còn lại.

Hệ thống phá hủy tế bào tảo với thiết bị cô đặc/ phân tách sinh khối và thiết bị xử lý siêu âm UIP1500hd 1,5 kW của Hielscher. ©Algae Grow Lab

Đo tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá hủy

Để đánh giá hiệu quả 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 thứ nhất dựa trên phép đo huỳnh quang của diệp lục A, B và A+B.
   Trong quá trình ly tâm tốc độ thấp, tế bào tảo và các mảnh vụn sẽ tạo cặn ở đáy vật chứa, nhưng phần diệp lục trôi nổi tự do còn lại vẫn nằm trong dịch nổi. Dựa vào những đặc tính vật lý này của tế bào và diệp lục, có thể xác định tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá vỡ. Để thực hiện, trước tiên đo tổng huỳnh quang diệp lục của một mẫu. Sau đó, mẫu được ly tâm. Tiếp theo, đo huỳnh quang diệp lục của dịch nổi. Bằng cách tính tỷ lệ phần trăm giữa huỳnh quang diệp lục trong dịch nổi và huỳnh quang diệp lục của toàn bộ mẫu, có thể ước tính tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá vỡ. Cách đo này khá chính xác, nhưng dựa trên giả định rằng số lượng phân tử diệp lục trong mỗi tế bào là đồng đều. Việc chiết xuất toàn bộ diệp lục được thực hiện bằng methanol.
2. Đối với phương pháp phân tích thứ hai, phương pháp đếm tế bào bằng buồng đếm hồng cầu truyền thống đã được sử dụng để đo mật độ tế bào trong mẫu tảo đã thu hoạch. Quy trình được thực hiện theo 2 bước:

• Thứ nhất, đo mật độ tế bào của mẫu tảo đã thu hoạch trước khi xử lý siêu âm.
• Thứ hai, đo số lượng tế bào chưa bị phá hủy (còn lại) sau khi xử lý siêu âm cùng mẫu đó.
  Dựa trên kết quả của hai phép đo này, tính tỷ lệ phần trăm tế bào bị phá hủy.

Hình 1: Tảo trước khi phá hủy ©Algae Grow Lab

Hình 2: Phá vỡ tảo: 50% tế bào bị phá vỡ sau 60 phút xử lý siêu âm. ©Algae Grow Lab

Hình 3: Phá vỡ tảo: 100% tế bào bị phá vỡ sau 120 phút xử lý siêu âm. ©Algae Grow Lab