LT6018B - Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema - Google Patents

Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema Download PDF

Info

Publication number
LT6018B
LT6018B LT2012072A LT2012072A LT6018B LT 6018 B LT6018 B LT 6018B LT 2012072 A LT2012072 A LT 2012072A LT 2012072 A LT2012072 A LT 2012072A LT 6018 B LT6018 B LT 6018B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
algae
biomass
magnetic field
bio
algal
Prior art date
Application number
LT2012072A
Other languages
English (en)
Other versions
LT2012072A (lt
Inventor
Vida BENDIKIENĖ
Olegas ROMAŠKEVIČIUS
Vita KIRILIAUSKAITĖ
Original Assignee
Uab "Unera"
Vilniaus Universitetas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Uab "Unera", Vilniaus Universitetas filed Critical Uab "Unera"
Priority to LT2012072A priority Critical patent/LT6018B/lt
Priority to EP13717576.6A priority patent/EP2882839A1/en
Priority to PCT/LT2013/000005 priority patent/WO2014027871A1/en
Publication of LT2012072A publication Critical patent/LT2012072A/lt
Publication of LT6018B publication Critical patent/LT6018B/lt

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/06—Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/06—Lysis of microorganisms
    • C12N1/066—Lysis of microorganisms by physical methods

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Fodder In General (AREA)

Abstract

Išradimas skirtas atsinaujinančių šaltinių - dumblių biomasės ląstelių suardymui sukamojo indukuoto magnetinio lauko pagalba ir ląstelėje sukauptų bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai ir vitaminai, išskyrimo iš suardytos biomasės sistemoms ir būdams. Išskirti bioproduktai gali būti panaudoti įvairiose šiuolaikinės biotechnologijos pramonės srityse, ypač biodegalų (bioetanolio, biodujų, biodyzelino) bioskalių plastiklių, pašarų ir/arba jų priedų bei maisto papildų gamyboje, medicinoje ir farmacijos pramonėje.

Description

Išradimo sritis
Išradimas priskirtinas atsinaujinančių šaltinių - dumblių ląstelių - biomasės (su)ardymui sukamojo indukuoto magnetinio lauko pagalba ir ląstelėje sukauptų bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai ir vitaminai, išskyrimui iš suardytos biomasės sistemoms ir būdams. Išskirti bioproduktai gali būti panaudoti įvairiose šiuolaikinės biotechnologijos pramonės srityse, ypač biodegalų (bioetanolio, biodujų, biodyzelino), bioplastiklių, ploviklių, biopašarų ir maisto papildų gamyboje, kosmetikos ir farmacijos pramonėje, kt.
Technikos lygis
Pasaulyje dėl senkančių iškastinio kuro šaltinių, aplinkosauginių, augančio energijos poreikio ir kitų problemų pastaruoju metu yra ypatingai padidėjęs žaliavų (riebalų, baltymų, polisacharidų) poreikis įvairiose srityse, todėl intensyviai plečiama jų paieška. Remiantis Tarptautinės Energijos Agentūros prognozėmis, energijos poreikis pasaulyje iki 2030 m. turėtų išaugti 40%, o skysto biokuro sąnaudos išaugo trigubai vien 2000-2007 metų laikotarpyje. Komercinio biokuro rūšys (biodyzelinas, biodujos, bioetanolis, biovandenilis) apsprendžia ir jų gavimui būtinus žaliavos šaltinius bei atitinkamas technologijas. Tikslinės paskirties atsinaujinančiais žaliavų šaltiniais gali būti mikroorganizmų ir dumblių kaupiami produktai, tinkami naudoti įvairiose pramonės šakose (maisto, farmacijos, buitinės ir darniosios chemijos ir kt.) bei žemės ūkyje. Šiuo metu ypatingas dėmesys skiriamas būtent dumbliams perspektyviems ir patraukliems tiek atsinaujinančios energijos, tiek maisto papildų ir/ar pašarų, tiek kitoms biotechnologijos pramonės šakoms svarbių produktų šaltiniams.
Vieni esminių dumblių pranašumų prieš analogiškas - iš aukštesniųjų augalų išskiriamų bioproduktų - technologijas yra tokie:
- efektyvios pigios saulės energijos sąnaudos (augalai sunaudoja 0,5% visos vidurio platumas pasiekiančios energijos, dumbliai -10% šio kiekio);
- dumblių biomasės augimas greitas ir nepriklauso nuo oro sąlygų;
- ženkliai mažesni negu aliejingų grūdinių kultūrų užimamų dirbamos žemės plotai;
- ženkliai mažesnės negu drėkinamai žemdirbystei būtinos vandens sąnaudos;
- dumblių augimo terpių komponentai yra tik vanduo ir mineralinės druskos, o augimui sunaudojamas nieko nekainuojantis atmosferinis CO2 (100 t mikrodumblių biomasės -1831CO2).
Apibendrinta galimų produktų iš dumblių gavimo fotosintezės keliu, perdirbant/įsisavinant CO2, technologinio ciklo schema pateikta žemiau:
Trąšų komponentai
Pasaulyje didėjant žmonių populiacijai auga ir maisto poreikis, tačiau maistinėms kultūroms skiriami dirbamos žemės plotai yra riboti geografiškai, be to, jų plėtrai nėra galimybės ir dėl ekosistemos pažeidžiamumo, ir dėl aplinkosaugos reikalavimų griežtinimo. Todėl maisto trūkumo problemą pasaulyje bandoma spręsti keliais būdais, pvz., didinant žemės ūkio kultūrų derlingumą arba ieškant alternatyvių maisto produktų šaltinių ir/ar efektyvių jų gavimo būdų [Pulz, O., Gross, W. (2004). Valuable products from biotechnology of microalgae. Appl.Microbiol. Biotechnol. 65(6):635-48]. Šiuo metu ypač didelį susidomėjimą kelia dumbliai dėl jų biomasėje kaupiamų produktų įvairovės (1- 3 lentelės) ir galimybės panaudoti įvairiose srityse [Barrow, C., Shahidi, F. Marine nutraceuticals and functional foods. CRC Press, Taylor & Francis Group; 2008; Torrey, M. (2008). Algae in the tank. Internat. News
Fats, Oils and Related Mat. 19(7):432-37; Mata, T. M., A. A. Martins, A. A., Caetano, N. S. (2010). Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Ren. Sustain. Energy Rev.. 14: 217-232]. Tai - neišnaudota ir daug potencialo turinti niša, kuri gali tiekti tokios pat ar net geresnės kokybės bioproduktus, kaip ir gaunamus iš įprastų šaltinių. Platų jų pritaikymą lemia tai, kad skirtingos padermės dumblių biomasėje gausu lipidų (Renaud, S.M., Thinh, L.V., Parry, D.L. (1999).The gross Chemical composition and fatty acid composition of 18 species of tropical Australian microalgae for possible ūse in mariculture. Aquaculture. 170:147-59; Pulz and Gross. 2004) baltymų, pigmentų, angliavandenių, vitaminų (1-2 lentelės žemiau), kurie labai efektyviai ir greitai didina kultivuojamų dumblių biomasės prieaugį, kas itin svarbu norint konkuruoti su tradiciniais bioproduktų šaltiniais.
lentelė
Kai kurių dumblių produkuojamų aliejų išeigos
Eil. Nr. Dumbliai Aliejaus išeigos (%, nuo sauso svorio)
1. Ankistrodesmus TR-87 28-40
2. Botryococcus braunii 29-75
3. Chlorella sp. 29
4. Chlorella protothecoides(autotrophicTheterothrophic) 15-55
5. Cyclotella Dl- 35 42
6. Dunaliella tertiolecta 36-42
7. Hantzschia DI-160 66
8. Nannochloris 31(6-63)
9. Nannochloropsis 46(31-68)
10. Nitzschia TR-114 28-50
11. Phaeodactylum tricornutum 31
12. Scenedesmus TR-84 45
13. Stichococcus 33(9-59)
14. Tetraselmis suecica 15-32
15. Thalassiosira pseudonana (21-31)
16. Crpthecodinium cohnii 20
17. Neochloris oleoabundans 35-54
18. Schiochytrium 50-77
lentelė
Dumblių sausos biomasės cheminė sudėtis (%)
Dumblių kamienas Baltymai Angliavandeniai Lipidai Nukleorūgštys
Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14 3-6
Scenedesmus quadricauda 47 - 1.9 -
Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40 -
Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21 -
Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22 4-5
Chlorella pyrenoidosa 57 26 2 -
Spirogyra sp. 6-20 33-64 11-21 -
Dunaliella bioculata 49 4 8 -
Dunaliella salina 57 32 6 -
Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20 -
Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-38 1-2
Tetraselmis maculata 52 15 3 -
Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14 -
Spirulina platensis 46-63 8-14 4-9 2-5
Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7 3-4.5
Synechoccus sp. 63 15 11 5
Anabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7 -
lentelė
Dvejose dumblių padermėse esančių pagrindinių riebalų rūgščių sudėties (%) palyginimas
Riebalų rūgštys (RR) Cladophora fracta Chlorella protothecoides
Sočiosios RR 12-14 11-13
Nesočiosios RR 33-35 24-26
Polinesočiosios RR 51-53 63-65
Kitos RR 3-4 2-3
Po dumblių kultivavimo sukaupta biomasė, kaip atsinaujinantis šaltinis, randa platų ir nuolat didėjantį pritaikymą įvairiose srityse [Kijne J. W. Unlocking the VVater Potential of Agriculture. Rome: FAO, 2003: 26; Brennan, L. and P. Owende. (2010). Biofuels from microalgae—a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Ren. Sustain. Energy Rev. 14 (2): 557577.]: biodegalai (bioetanolis, biodyzelinas, biovandenilis); maisto papildai (tabletės, kapsulės, milteliai, tirpalai) [Rasmussen R. S., Morrissey M. T., Steve L. T. Marine biotechnology for production of food ingredients. In: Advances in Food and Nutrition Research, 2007, pp. 237-292, Academic Press, Boston, Mass, USA, 2007]; kosmetikos priedai [Humphrey, A.M. 1980. Chlorophyll. Food Chem. 5 (1): 57-67]; kosmetikos priedai [Humphrey, A.M. 1980. Chlorophyll. Food Chem. 5 (1): 57-67]; natūralūs - bio-dažikliai; pašarai ir/ar jų papildai [Humphrey A. M. (2004). Chlorophyll as a color and functional ingredient. J. Food Sci. 69 (5): 422-425; Becker E.W. (2007). Micro-algae as a source of protein. Biotechnol. Adv. 25(2): 207-10]; kokybiški natūralūs produktai: polinesočiosios riebalų rūgštys (angį. PUFĄ), ω-3 riebalų rūgštys, pigmentai, stabilūs izotopai [Spears K. 1988. Developments in food colourings: the natūrai alternatives. Trends Biotechnol. 6 (11): 283-288.].
Kadangi, kaip minėta, dumblių biomasėje kaupiami produktai yra viduląsteliniai, nustatyta, kad dumblių ląstelėse sukaupto pigmento - chlorofiloekstrakcija organiniais tirpikliais (klasikinis pigmentų išskyrimo būdas) ženkliai pagerėja po vieno iš šių papildomų būdų - ardymo malimo, homogenizavimo, ultragarsinio apdorojimo. Simon ir Hellivvell [Simon D. and S. Hellivvell. (1998).
Extraction and quantification of chlorophyll a from freshwater green algae. VVafer
Research. 32 (7): 2220-2223] nustatė, kad optimaliausiu ekstrakcijos metodu išskirama (gaunama) tik ketvirtis viso sukaupto dumblių ląstelėse pigmento kiekio.
Produktų, sukauptų dumblių ląstelėse, išskyrimas yra viena iš sunkiausių užduočių bei brangiausiai kainuojančių proceso dalių.
Taigi viena iš svarbiausių ir iki šiol pasauliniu mastu neišspręstų problemų yra sudėtingas dumblių biomasės ardymas. Dėl storos dumblių ląstelių sienelės viduląstelinių biologiškai aktyvių produktų išskyrimas tampa brangiausia ir limituojančia viso proceso dalimi.
Kadangi skirtingai nuo mikroorganizmų, kurie produkuojamas medžiagas išskiria į aplinką (ekstraląsteliniai produktai), dumblių bioproduktai yra sukaupiami ląstelės viduje (viduląstelinės medžiagos) ir dėl ypatingai tvirtų dumblių ląstelių sienelių, kaip minėta, jų suardymas pasaulinėje praktikoje yra viena iš sunkiausiai sprendžiamų problemų.
Naudojami įvairūs klasikiniai dumblių ląstelių biomasės ardymo būdai:
lentelė
Mikrodumblių ląstelių klasikiniai ardymo būdai ir priemonės*
Mechaninis poveikis Nemechaninis poveikis
Ląstelių homogenizavimas Užšaldymas
Malimas, trynimas su abrazyvinėmis medžiagomis Organiniai tirpikliai (ekstrakcija)
Ultragarsu Osmotinis šokas
Autoklavavimas Rūgštinės ir šarminės reakcijos
Džiovinimas purkštuvinėse džiovyklose Fermentinės reakcijos
* pagalYoo, C.,Lee, J.Y Jun, S.Y., Ahn, C.Y.. Oh, H.M. (2010). Comparison of Severai methods for effective lipid extraction from microalgae. Bioresour Technol. Suppl 1.S75-7.
Kaip jau minėta, tam tikslui yra naudojama daug žinomų, klasikinių ir nuolatos atnaujinamų metodų http://www.oilgae.com/algae/oil/extract.html.
Atitinkamai nemažai dumblių ardymo būdų ir priemonių yra atskleista patentuotuose techniniuose sprendimuose: pavyzdžiui, akustinis ardymas (WO2010/132414, US4065875, US2010/0261918, US2012/0095245,
WO2011/069070, kt.); malimas-trynimas (UA24468U; kt.) fermentinė hidrolizė ir pan. (SU662046 ir kt.) Be klasikinių mechaninių ar nemechaninių ląstelių ardymo metodų yra naudojama ir ekstrakcija organiniais tirpikliais, pvz., patentinė paraiška US 2012/0095245 A1, kt.. https://www.cvberlipid.org/extract/extr0001.html.
Tačiau jie visi turi vienokių ar kitokių trūkumų. Pvz., mechaniniai yra, nepatogūs, ilgai trunkantys, sunkiai pritaikomi gamyboje didele apimtimi ir mažai veiksmingi. Fizikiniai reikalauja daug energijos, brangūs; fermentiniai - efektyvūs, bet kolkas yra ypatingai brangūs.
Yra žinomi dumblių ląstelių ardymo būdai, panaudojant elektros lauko poveikį, pavyzdžiui, VVO2010/123903; WO2012/021831, kt. Tarptautinėje paraiškoje WO2012/010969 aprašytas dumblių ląstelių ardymas elektroporacijos būdu pulsuojančio elektromagnetinio 0,5-500 kV/cm lauko poveikyje.
Siūlomam išradimui artimiausiu sprendimu gali būti laikoma tarptautinėje paraiškoje WO2011/109161 atskleista sistema, apimanti bent vieną dumblių ląstelę, metalo nanodaleles ir elektromagnetinės spinduliuotės generatorių, generuojantį mikrobangų spinduliuotės didelės galios linijinį lauką. Tačiau praktinis tokių ląstelių ardymo priemonių biotechnologinis pritaikymas abejotinas, nes pagal aprašyme pateiktus fizikinius parametrus:
- atsiranda labai didelės energijos sąnaudos;
- dėl naudojamo aukšto (0,3-300 GHz) mikrobangų dažnio ir neapibrėžtos darbinės zonos kyla pavojus aptarnaujančio personalo sveikatai ir/arba apsaugos nuo tokio poveikio būtinybė, kas sudaro papildomas sąnaudas ir pan.;
Efektyvaus laiko ir energijos sąnaudų prasme, lengvai pritaikomo gamyboje dumblių ląstelių suardymo būdų ir sistemų paieška yra labai svarbi viduląstelinių dumblių bioproduktų išlaisvinimui su tolesniu jų išskyrimu iš suardytos ląstelių biomasės ir praktiniu jų panaudojimu.
- sudėtinga jranga.
Išradimo esmė
Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo iš jų būdas pagal šį išradimą apima dumblių biomasės auginimą, koncentravimą, dumblių ląstelių apdorojimą elektromagnetinio lauko poveikiu ir tikslinių bioproduktų iš dumblių ląstelių išlaisvinimą ir ekstrahavimą. Būdas skiriasi tuo, kad j užaugintų dumblių biomasės koncentratą prideda feromagnetinių dalelių arba nanodalelių ir ne ilgiau kaip 1 min. apdoroja kintamo sukamojo magnetinio lauko poveikiu, kurio magnetinio srauto tankis apdorojimo zonos centre yra 0,08-1 T.
Kintamo sukamojo magnetinio lauko dažnis pagal išradimą yra 50-400 Hz; sukamojo magnetinio lauko linijinis greitis yra 0,1-240 m/s.
Užaugintus dumblius koncentruoja pašalinant iš biomasės bent dalį vandens, optimaliai centrifuguojant, ir/arba po dumblių biomasės nucentrifugavimo pakeičiant terpę tikslinio bioprodukto išskyrimui tinkamu tirpalu ir/arba tirpikliu, įskaitant distiliuotą vandenį.
Dumblių padermės apima Scenedesmus dimorphus, Nannochloropsis, Nannochloris, Spirulina platensis, Botryococcus braunii, ir Botryoccocus braunii CCALA 220, Chlorella padermės Chlorella vulgaris, Chlorella vulgaris CCALA 269, Chlorella vulgaris 896, C. cf. vulgaris ir/arba genetiškai modifikuotus variantus, tiek monokultūros formoje, tiek ir skirtingų dumblių padermių mišinio formoje.
Bioproduktas pagal išradimą apimą bet kurį iš dumblių ląstelėse sukauptų naudingų bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai, vitaminai. Tikslinį bioproduktą iš suardytų dumblių ląstelių biomasės ekstrahuoja konkrečiam bioproduktui įprastais būdais.
Kitas išradimo objektas yra bioproduktais praturtinta terpė po dumblių ląstelių suardymo išradimo siūlomu būdu, kuri skirta konkrečių bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai, vitaminai, išskyrimui ir ekstrahavimui.
Dar vienas išradimo objektas - dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo iš jų sistema, apimanti ardymui ir bioproduktų išskyrimui skirtą dumblių ląstelių kiekį, feromagnetines daleles arba nanodaleles, kurių santykis su minėtu dumblių ląstelių kiekiu sudaro apytikriai 10-7:1, ir elektromagnetinę malyklę, skirtą apdoroti minėtą dumblių ląstelių kiekį kintamo sukamojo magnetinio lauko poveikiu pagal išradimą.
Minėta elektromagnetinė malyklė yra įrenginys, apimantis darbo bloką su aktyviąja zona, kur darbo blokas yra apgaubtas kintamo sukamojo magnetinio lauko induktoriumi, kuriančiu magnetinį lauką darbo bloko aktyvioje zonoje; induktoriaus žadinimo srovės galios reguliatorių; induktoriaus ir darbo bloko aušinimo mazgą; kur prie kiekvienos induktoriaus žadinimo ričių grupės yra nuosekliai prijungtas bent vienas papildomos kondensatorių grupės kondensatorius. Elektromagnetinės malyklės visų kondensatorių grupės kondensatorių parametrai parenkami taip, kad visose magnetinio lauko žadinimo fazinėse grandinėse būtų tenkinamos įtampų rezonanso sąlygos.
Išradimas yra aprašytas žemiau su detalėmis ir lydinčiais brėžiniais bei pavyzdžiais.
Detalus išradimo aprašymas
Dumblių ląstelių ardymas ir bioproduktų išskyrimas buvo vykdomi pagal žemiau pateiktą bendrą metodinę schemą:
I stadija:
Dumblių ląstelių auginimas (kultivavimas) - biomasės gavimas ir paruošimas ląstelių suardymui
II stadija
Paruoštos biomasės ląstelių ardymas kintamo sukamojo magnetinio lauko poveikiu ir bioproduktų išlaisvinimas
I
III stadija
Konkrečių bioproduktų (tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai, vitaminai, kt.) išskyrimas iš lizuotos dumblių biomasės
Pirmoje stadijoje dumbliai kultivuojami įprastais būdais optimizuotose terpėse ir sąlygomis, leidžiančiomis sukaupti pakankamą tikslinių bioproduktų kiekį. Dumblių ląstelės gali būti bet kokios padermės (gėlavandeniai, jūriniai; žaliadumbliai, melsvadumbliai; mikro- ir makrodumbliai; genetiškai modifikuoti dumbliai, turintys rekombinantiniu genų), tinkamos kultivuoti tiksliniams bioproduktams gauti. Dumblių padermės, tarp kitų, gali apimti Schiochytrium, Neochloris oleoabundans, Crypthecodinium cohnii, Thalassiosira pseudonana, Tetraselmis suecica,
Stichococcus, Scenedesmus TR-84, Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia TR, Nannochloropsis, Nannochloris, Hantzschia Dl, Dunaliella tertiolecta, Cyclotella Dl, Ankistrodesmus TR-87, Botryococcus braunii, Pleurochrysis carterae (CCMP647); Dunaliella kamienas, pavyzdžiui Dunaliella salina arba Dunaliella tertiolecta; Chlorella padermės Chlorella vulgaris, Chlorella sp. 29, arba Chlorella protothecoides, Gracilaha, Sargassum ir/arba genetiškai modifikuotus jų variantus. Gali būti vienos dumblių padermės monokultūra arba gali būti daugiau nei viena dumblių padermė.
Dumblių biomasė koncentruojama, pašalinant arba nepašalinant (ardoma betarpiškai biomasės terpėje) dalį vandens ir/arba po biomasės nucetrifugavimo pakeičiant terpę tolimesniam bioprodukto išskyrimui distiliuotu vandeniu arba tinkamu bioprodukto išskyrimui tirpalu ir/arba tirpikliu.
Dumblių ląstelių suardymui naudoja apdorojimą kintamu sukamuoju indukuotu magnetiniu lauku, elektromagnetinėje malyklėje, kur lokalinių elektromagnetinių laukų ir jų lydimų reiškinių superpozicijos visuminis poveikis lemia greitą dumblių ląstelių sienelių suardymą ir leidžia veiksmingai išskirti tikslinius ląstelėje sukauptus bioproduktus (lipidus, baltymus, pigmentus, vitaminus ir kt.) iš suardytos dumblių biomasės, naudojant mažas energijos ir laiko sąnaudas.
Apdorojimą sukamuoju magnetiniu lauku vykdo tam skirtoje elektromagnetinėje malyklėje, pavyzdžiui, procesų aktyvinimo įrenginyje pagal Liuksemburgo patentinę paraišką Nr.91865 („Process activating unit“, padavimo data 2011-09-05), kuri paraiška laikytina įtraukta pagal nuorodą. Toks įrenginys (Fig. 1) apima galios reguliatorių 1, kurio įėjimai prijungti prie elektros tinklo, o išėjimai - prie papildomos reguliuojamos talpos elektrinių kondensatorių grupės 2 įėjimų; šios kondensatorių grupės 2 išėjimai prijungti prie sukamojo magnetinio lauko induktoriaus 3, kartu su aušinimo mazgu sudarančio bendrą konstrukcinį vienetą. Minėtas magnetinio lauko induktorius 3 apgaubia darbo bloką 4, turintį, pavyzdžiui, cilindro formą. Prie kiekvienos minėto induktoriaus 3 žadinimo ričių grupės nuosekliai prijungtas vienas papildomos kondensatorių grupės kondensatorius. Visų kondensatorių grupės kondensatorių parametrai parenkami taip, kad visose magnetinio lauko žadinimo fazinėse grandinėse būtų tenkinamos įtampų rezonanso sąlygos, siekiant maksimaliai padidinti sunaudojamos elektros energijos galios koeficientą ir tuo pačiu minimizuoti iš elektros tinklo paimamos energijos sąnaudas.
Aktyvinimas vyksta, padavus įtampą per galios reguliatorių ir kondensatorių grupę į magnetinio lauko induktorių; prieš tai galios reguliatoriuje nustatoma konkretų aktyvinimo procesą atitinkanti magnetinio lauko žadinimo galia.
Koncentruotą dumblių suspensiją iš pirmos stadijos, pridėjus 1-15 mm ilgio pailgos formos feromagnetinių dalelių arba nanodalelių santykiu 10:1, talpina į 5-360 ml uždarą konteinerį, pavyzdžiui, tuščiavidurį nepermatomą nemagnetinės medžiagos cilindrą, kuris įtaisomas minėtos elektromagnetinės malyklės darbo bloko aktyvioje zonoje. Konteinerio turinys ne daugiau kaip 1 min. aplinkos temperatūroje veikiamas induktoriaus sukuriamo kintamo (50-400 Hz) dažnio sukamojo magnetinio lauko, kur magnetinio srauto tankis induktoriaus centre yra nuo 0,08 iki 1 T; sukamojo magnetinio lauko linijinis greitis 25 m/s. Esant dažniui 50 Hz feromagnetinių dalelių sūkurinio sluoksnio tūrio vienete pasiekiamas 10 000 kW/m3 eilės galingumas Wr. Sukurtų papildomų laukų amplitudė - nuo 0,5 iki 18 mV ir dažnis nuo 10 iki 700 Hz.
Po dumblių ląstelių sienelių suardymo gaunama lizuota biomasė pasižymi tuo, kad yra linkusi išsisluoksniuoti; todėl palengvėja atskyrimo procesas ir kai kuriais atvejais netgi pakanka dekantacijos. Lizuota biomasė arba užšaldoma -18°C šaldymo kameroje (šaldytuve), arba iš karto panaudojama tolimesniam atitinkamo tikslinio bioprodukto arba kelių tikslinių bioproduktų išskyrimui. Žinomi metodai, tokie kaip centrifugavimas, išsodinimas, ekstrakcija ar šių metodų kombinacija ar kiti metodai gali būti panaudoti bioproduktų iš/atskyrimui nuo liekamosios (lizuotos) biomasės.
Po (su)ardymo bioproduktai, pvz., lipidai (gali būti laisvi aliejai) per suardytas dumblių sieneles išlaisvinami į aplinką. Lipidų cheminė sudėtis gali būti skirtinga ir priklauso nuo naudojamų dumblių padermės. Lipidai dumblių ląstelėse kaupiami viduląstelinėse vakuolėse - riebalų kaupimo „kamerose“. Po ląstelių sienelių (su)ardymo riebalai gali būti atpalaiduoti laisvoje formoje, bet gali likti riebalų kaupimo „kamerose“ - vakuolėse. (Su)ardymo proceso režimas turi įtakos ir lemia ląstelių sienelių suardymo laipsnį ir bioproduktų atpalaidavimo pilnumą.
Visi tirtų padermių dumblių ląstelių viduje sukaupti bioproduktai (lipidai, baltymai, pigmentai ir vitaminai) po ląstelių ūžavimo siūlomu būdu be cheminės sandaros pažaidų; pilnai išlaisvinami/atpalaiduojami iš viduląstelinių struktūrų; ženkliai lengviau (dėl agregacijos ir išsisluoksniavimo) ir mažesnėmis laiko ir energijos sąnaudomis tradiciniais, klasikiniais kiekvienai bioprodukto klasei metodais gali būti atskiriami nuo likutinės masės; išskiriami gryname pavidale ir praktiškai panaudojami pagal tikslą ir poreikį.
Bioproduktai, gauti pagal siūlomą išradimą, toliau gali būti panaudoti konkretiems biotechnologinės pramonės produktams gauti. Pvz., riebalai (triacilgliceroliai) su įvairiais alkoholiais gali būti transesterinami iki riebalų rūgščių alkilo esterių. Jei reakcijoje bus naudojamas metilo alkoholis, bus gaunami riebalų rūgščių (RR) metilo esteriai (biodyzelinas), jei aukštesnieji, ilgagrandžiai, šakotos cheminės sandaros alkoholiai - atitinkami RR esteriai, naudojami darniosios chemijos, farmacijos ir kt. pramonės šakose. Be to, iš dumblių lipidų gali būti gautas biobutanolis, įvairios sudėties išgryninti augaliniai aliejai, polinesočiosios γ-, ωriebalų rūgštys ir t.t.
Feromagnetinės dalelės arba nanodaleles gali būti pašalintos bet kuriuo būdu, pvz., magnetinio lauko poveikiu, centrifugavimu. (Su)ardymo procese gali būti pastoviai panaudotos pakartotinai regeneruotos feromagnetinės dalelės. Likutinė biomasė po minėtų bioproduktų išskyrimo gali būti panaudota kaip atsinaujinantis biokuro (biodujų, metano) šaltinis, kaip pašarų priedai. Likutinė terpė, vandens nuotekos gali būti grąžinta į procesą dumblių rekultivavimui.
Trumpas figūrų aprašymas:
Fig. 1 pavaizduotas įrenginys (blokinė schema, žinomas technikos lygis), tinkamas elektromagnetinės malyklės funkcijai atlikti ir sukamojo magnetinio lauko poveikiui pagal išradimą sukurti: 1- galios reguliatorius; 2- reguliuojamos talpos kondensatorių grupė; 3- magnetinio lauko induktorius; 4 - darbo blokas.
Fig. 2. Grynų cheminių junginių, kaip galimų dumblių lipidinės kilmės bioproduktų, chromatografinis vaizdas (kontrolės). 1- oleino rūgšties metilo esteris (MetO, metiloleatas); 2 - trioleinas (TO; TAG - triacilglicerolis); 3 - oleino rūgštis (OR, riebalų rūgštis (RR)); 4-1,3, 1,2 - dioleinų mišinys (DO; DAG - diacilgliceroliai); 5 monooleinas (MO, MAG - mono acilglicerolis). Sistema: petrolio eteris (PE): dietilo eteris (E): acto rūgštis (AR) - (85:15:2).
Fig. 3 (A, B) pateiktos dumblių Chlorella vulgaris ląstelių iki (su)ardymo ir po (su)ardymo mikroskopinio vaizdo nuotraukos: A - Chlorella vulgaris CCALA 269 ląstelių mikroskopinio vaizdo nuotrauka (padidinimas 40x); B - elektromagnetine malykle lizuotų Chlorella vulgaris CCALA 269 ląstelių mikroskopinio vaizdo nuotrauka (padidinimas 100x).
Fig. 4 Pigmentų koncentracijos pasiskirstymo chromatografinis vaizdas. 1, 2 ir 3iame takelyje užnešti ekstraktai atitinkamai iš C.vulgaris 269, C.vulgaris 896 ir C.tf.vulgaris suardytos biomasės. S- starto linija, F- fronto linija.
Fig. 5. Chlorella vulgaris lizuotos biomasės išekstrahuotų lipidinės kilmės bioproduktų chromatografinis vaizdas: TAG, DAG, MAG - tri-, di- ir monoacilgliceroliai, RR riebalų rūgštys (pažymėjimai, kaip antroje figūroje).
Išradimo pavyzdžiai
Toliau pateikiami konkretūs dumblių ląstelių suardymo ir bioproduktų išskyrimo pavyzdžiai tik iliustruoja išradimo įgyvendinimą, bet neapriboja jo apimties.
pavyzdys. Botryococcus braunii ir Scenedesmus dimorphus dumblių ląstelių ardymas ir lipidų išskyrimas
Atskirti Botryococcus braunii ir Scenedesmus dimorphus ląstelių biomasę nuo auginimo terpės galima filtruojant arba centrifuguojant terpę, o lipidus išskirti klasikiniais metodais. B. braunii ląstelės turi labai storą sienelę ir šlapioje biomasėje yra 10 kartų daugiau vandens, nei lipidų. Chlorella vulgaris, Botryococcus braunii ir/ar Scenedesmus dimorphus dumbliai buvo auginami Bristol maitinimo terpėje, 25°+1° C temperatūroje, natūraliu dienos/nakties apšvietimo režimu.
Standartinis metodas: Padermė auginama skystoje terpėje. Iš mėgintuvėlių su agarizuota terpe sėjimo lazdele padermė perkeliama j mėgintuvėlius su 50 ml skystos terpės. Auginama 30 dienų autoklavuotoje (120 °C 1 MPa 30 min.) modifikuotoje Bristol terpėje. Po 30 dienų auginimo, kai vizualiai matyti, kad biomasės susiformavo pakankamai, 15 ml (10 % terpės tūrio) kultūros persėjama į 250 tūrio kolbą, kurioje yra 150 ml autoklavuotos, modifikuotos Bristol terpės. Steriliai užsėjus kultūrą kolba užkemšama vatos kamščiu. Padermių peršėjimas j skystą terpę atliekamas kas 10 - 20 dienų, atsižvelgiant j biomasės augimo greitį ir ląstelių koncentraciją.
Kultivuojama auginimo spintoje 25 °C temperatūros ir 12:12 (12val šviesos:12 vai. tamsos) šviesos arba dienos/ nakties periodo sąlygomis 7-14 dienų.
Dumblių biomasės koncentracijos nustatymui naudojami optinio tankio matavimai. Užsėjus padermes yra išmatuojami užsėtų terpių optiniai tankiai. Optiniam tankiui matuoti pasirinktas bangos ilgis yra D 670 (pagal ALGALTOXKIT FTM metodiką). Optinio tankio matavimai kartojami tris kartus ir skaičiuojamas vidurkis. Optinis tankis matuojamas kasdien 14 dienų bėgyje.
Dumblių biomasė standartiniu metodu sukoncentruojama 7 ir 14 auginimo dienomis naudojant centrifūgą. į 10 - 250 ml tūrio centrifuginius mėgintuvėlius pilama skysta terpė su paderme ir centrifuguojama 1500 rpm 15 min. Tada centrifugatas surenkamas ir supilamas į atskirus mėgintuvėlius, o surinkta biomasė praplaunama distiliuotu vandeniu ir dar kartą centrifuguojama tokiomis pačiomis sąlygomis. Surinkta šlapia biomasė užšaldoma (-18 °C) tolimesniems tyrimams.
Lipidų ekstrakcija organiniais tirpikliais:
Ependorfiniame mėgintuvėlyje į šlapią dumblių 0,45 g biomasę pridedama 0,16 g stiklo grūdelių ir visas turinys užpilamas 1 ml tirpikliu, kurio sudėtis chloroformas:metanolis (CHCI3:CH3OH) tūrių santykiu 3:1, ir dedama 30 minučių į purtyklę (1400 rpm). Purtyklėje mėginiai išlaikomi 20 vai. Išėmus iš purtyklės mėginiai nucentrifuguojami 5000 rpm 5 min. Išsiskyręs vanduo virš mėginių ependorfiniuose mėgintuvėliuose nusiurbiamas automatine pipete. Imami tiriamieji mėginiai iš chloroforminio sluoksnio po atsisluoksniavusiu dumblių biomasės sluoksniu ependorfiniame mėgintuvėlyje ir analizuojami.
Analizei plonasluoksnės chromatografijos (TLC) metodu naudotos stiklo plokštelės padengtos silikageliu (G-25, sluoksnio storis 0,25 mm). Parinkta tirpiklių sistema: 96:4:1 chloroformas-acetonas-acto rūgštis. Ant chromatog ratinės plokštelės 1,0 cm nuotoliu nuo krašto pažymima starto linija. Ant jos 0,8-1,0 cm nuotoliu vienas nuo kito automatine pipete užlašinami po 4-8 pi tiriamos medžiagos. Palaukiama kol dėmės išdžiūsta. Chromatografinė plokštelė dedama į chromatografijos indą su atitinkama tirpiklių sistema. Naudotos tirpiklių sistemos: 80:20:2 petrolio eteris-eteris-acto rūgštis (pagrindinė), 70:30:2 petrolio eteris-eterisacto rūgštis, toluolas-chloroformas 70:30, 96:4:1 chloroformas-acetonas-acto rūgštis. Išdžiovintos plokštelės ryškinamos jodo garų kameroje. Dėmių padėtis lyginama su standartu - atitinkamos koncentracijos grynų riebalų rūgščių, linalolo, linalolo acetato. Plokštelių tinkamumas ir eliucijos sistemų efektyvumas tolimesniam darbui pasirinktas, atsižvelgiant į gautus rezultatus (medžiagų atskyrimo efektyvumas, dėmių stabilumas ant plokštelių saugojimo metu ir kt.).
Plokštelė išimama, pažymima fronto linija ir išdžiovinama traukos spintoje. Plokštelės ryškinamos jodo garų kameroje.
Dėmių padėtis lyginama su atitinkamos koncentracijos kontrolėmis pvz., trioleinas, tripalmitinas; cis-13-dokazeno (C22:1, eruko) rūgštis; cis-9-oktadeceno (C18:1, oleino) rūgštis; trilaurino; 1,3—dipalmitoil—3—oleil—glicerolis; trikaprinas ir/ar kt.
Naudojant fotodensitometrą (Uvitec Cambrige Fire-reader imaging system) apskaičiuojama ant plonasluoksnės chromatografinės plokštelės pasiskirsčiusių riebalų koncentracija.
Riebalų koncentracija šlapioje dumblių biomasėje apskaičiuota pagal formulę:
X = A · B/C , (čia X - riebalų koncentracija (mg/μΙ), A - nežinomos riebalų koncentracijos, dėmės parametrai (px), B - kontrolės koncentracija (1,3-dipalmitoil-3-oleil-glicerolis 0,098 mg/μΙ), C - kontrolinės dėmės parametrai (5718014 px).
Iš biomasės mėginio pašalinus vandenį centrifugavimu gauta apie 10 ml dumblių koncentrato. Jis supilamas j užsukamą cilindrinį konteinerį, pridedant feromagnetinių dalelių santykiu 10:1. Konteineris talpinamas elektromagnetinės malyklės (aprašytos aukščiau) darbo bloko aktyvioje zonoje, kur 40 sek taiko 50 Hz sukamąjį magnetinį lauką, kurio magnetinio srauto tankis aktyviosios zonos centre
0,17 T. Apdorotas dumblių koncentratas yra linkęs agreguotis, ko pasėkoje išsisluoksniuoja. Lipidai išskiriami įprastu būdu, ekstrahuojant heksanu; terpė grąžinama į dumblių auginimo stadiją. Alternatyviai tinkamas organinis tirpiklis gali būti taip pat pridedamas kartu su feromagnetinėmis dalelėmis prieš taikant apdorojimą sukamuoju magnetiniu lauku. Likusi biomasė gali būti toliau panaudota kitų naudingų bioproduktų gavimui arba biodujų gamybai.
Analogiškai pagal šio pavyzdžio metodiką galima išskirti lipidinės kilmės bioproduktus iš kitų padermių, pavyzdiui, Chlorella vulgaris dumblių. Grynų cheminių junginių, kaip galimų dumblių lipidinės kilmės bioproduktų, chromatografinis vaizdas (kontrolės) pateiktas Fig. 2, kur 1- oleino rūgšties metilo esteris (Meto, metiloleatas);
- trioleinas (TO; TAG - triacilglicerolis); 3 - oleino rūgštis (OR, riebalų rūgštis (RR)); 4-1,3, 1,2 - dioleinų mišinys (DO; DAG - diacilgliceroliai); 5 - monooleinas (MO, MAG - mono acilglicerolis). Sistema: petrolio eteris (PE): dietilo eteris (E) : acto rūgštis (AR) - (85:15:2).
pavyzdys. Spirulina platensis dumblių ląstelių ardymas ir baltymų išskyrimas
Spirulina platensis dumbliai buvo kultivuoti standartinėmis sąlygomis maitinimo terpėje, natūraliu dienos/nakties apšvietimo režimu 25°+1° C temperatūroje (Spirulina platensis 1) ir standartinėmis sąlygomis maitinimo terpėje, natūraliu dienos/nakties apšvietimo režimu, bet 20°+1° C temperatūroje (Spirulina platensis 2). (Spirulina platensis biomasės pavyzdžiai 1 ir 2 buvo gauti iš UAB „Speila“)
Žinomi dumblių ląstelėse esančių baltymų nustatymo būdai po ląstelių ardymo analoge (Meijer E.A. and R.H. VVijffels, 1998. Development of a fast, reproducible and effective method for the extraction and ąuantification of proteine of micro-algea. Biotechnology Techniąues, Vol 12, pp. 353-358) aprašytais metodais 1) ližės buferis (5 ml/l Tritono Χ-100, 0.3722 g/EDTA, 0.0348 g/ p- metilsulfonilfluorido, PMSF) 1 vai.; 2) didelės galios ultragarsinė vonelė (Ultrasons, J.P. Selecta, Barcelona.Spain), trukmė - 10 min su ližės buferiu; 3) 5 min trynimas grustūvėliu piestoje su ližės buferiu; 4) 5 min trynimas grustūvėliu piestoje su ližės buferiu ir su aliuminio oksido milteliais (biomasės ir miltelių santykis 1:1). Baltymų kiekis buvo nustatomas Louri metodu), 5) Kjeldalio metodu buvo nustatytas bendras azoto ir elementinės analizės metodu - visas azoto kiekis mėginyje.
Siūlomo metodo efektyvumo išryškinimui Spirulina platensis 1 ir Spirulina platensis 2 biomasė buvo ardyta tiek žinomais analoguose aprašytais, tiek ir išradime siūlomu būdais:
1) Suspendavimas ližės buferyje, 1 vai.
2) Trynimas grūstuvėliu piestoje su stiklo rutuliukais: 5 min (0,5 g drėgnos biomasės - 0,1 g stiklo rutuliukų, svorio santykis - 5:1) ir suspendavimas ližės buferyje arba dist. H2O.
3) Ardymas ultragarsu: 10 min, 175 W galia, ližės buferyje arba dist. H2O (mėginys laikomas ledo vonioje).
4) (Su)ardymas išradime siūlomu metodu su elektomagnetine malykle: -1-5 g drėgnos biomasės suspenduota 3-15 mL dist. H2O, malama su smulkiomis (1-10 mm) dalelėmis 45 s ir 60 s, ir su stambiomis (5-30 mm) dalelėmis 45 s ir 60 s.
Baltymų kiekis nustatytas Louri (Lowry) metodu. Ardymas ližės buferiu pasirodė neefektyviausias biomasės suardymo būdas, nes nustatytų baltymų kiekis yra tik ~3,85 %. Ardymu trinant piestoje su stiklo rutuliukais nustatyta, kad Spirulina 1 biomasėje yra 41,34 % , o Spirulina 2 biomasėje - 36,41 %. Labai panašios baltymų išeigos gautos suvidurkinus Lowry ir Smith’o metodais gautus duomenis iš ardytų ultragarsu mėginių - 71,76 % ir 70,84 % atitinkamai. Bretford’o metodas netinka baltymų kiekiui nustatyti bet kuriuo būdu suardytoje Spirulina biomasėje, nes sumažina jų kiekį, lyginant su Smith’o ir Lowry metodais. Išdžiovintą Spirulina 2 biomasę suardžius ultragarsu, baltymai buvo išsodinti trichloracto rūgštimi (TCA) ir jų koncentracija nustatyta anksčiau naudotais metodais. TCA išsodintų baltymų kiekio išeigos yra 65,76 ir 65,58 % atitinkamai, nustatytos Lowry ir Bretford’o metodais.Baltymų išeigos ardytoje ultragarsu, bet TCA neišsodintoje biomasėje, nustatytos Lowry ir Smith’o metodais, buvo 71,76 % ir 70,84 % atitinkamai. Gaunamą ~5 % skirtumą, lyginant baltymų išeigą ardytoje ultragarsu ir TCA neišsodintoje biomasėje, galėjo lemti tai, kad TCA gali nepilnai išsodinti baltymus, esančius mėginyje, trumpus peptidus ir/ar laisvas aminorūgštis, bet kurie nustatomi ir Lowry, ir Smith’o metodais. Baltymų kiekis TCA išsodintame mėginyje, nustatytas BredfordO metodu, yra didesnis nei ultragarsu ardytame mėginyje, dėl galimo pašalinio įvairių ultragarsu ardytoje biomasėje esančių komponentų pašalinimo išsodinant TCA.
Spirulina baltymų koncentracijai nustatyti klasikiniais metodais suardytoje šlapioje biomasėje tinka ir Smith’o ir Lowry metodai, o išdžiovintoje - Lowry ir Bredfordo metodai.
(Su)ardžius išradime siūlomu būdu elektromagnetinėje malyklėje, baltymų kiekis buvo nustatytas visais trimis metodais - Lowry, Smith’o ir Bretford’o. Didžiausia baltymų koncentracija Spirulina platensis 1 ir 2 biomasėje ir šiuo atveju nustatyta Lowry metodu - 87,76 % ir 82,77 % atitinkamai. Dalelių dydis turi įtakos proceso efektyvumui: su smulkiomios dalelėmis (1-10 mm) aptinkama daugiau baltymų, negu veikiant su stambiomis dalelėmis, bet neturi reikšmės poveikio trukmė - po 45 s ir 60 s nustatytas baltymo kiekis praktiškai nesiskiria. Su stambiomis dalelėmis (5-30 mm) poveikio trukmės liginimas nuo 45 s iki 60 s turi įtakos proceso efektyvumui, nes Bretford’o metodu aptinkama ~ 18 %, Smith’o metodu ~ 19 % ir Lowry metodu ~ 23 % daugiau baltymų, negu po 45 s, tačiau nepasiekiamas baltymų kiekio lygis, kaip po povekio 45 s smulkiomis dalelėmis.
Analogišku būdu pagal 1 pavyzdžio metodiką buvo ardomos ir Chlorella vulgaris dumblių ląstelės, siekiant išskirti baltymus.
pavyzdys. Chlorella dumblių ląstelių ardymas ir pigmentų išskyrimas
Chlorella vulgaris 269, C.vulgaris 896 ir C.et.vulgaris dumbliai buvo kultivuoti 14 dienų Bristol modifikuotoje maitinimo terpėje, 25°+1° C temperatūroje, esant dirbtiniam apšvietimui.
Iš biomasės mėginio gauta 120 ml dumblių koncentrato, kuris buvo apdorojamas pagal 1 pavyzdžio metodiką, tik pridedant feromagnetinių dalelių santykiu 7:1 ir 1 min taikant 50 Hz sukamąjį magnetinį lauką, kurio magnetinio srauto tankis apdorojimo zonos centre sudarė 0,17 T. Fig. 3 (A, B) pateiktos dumblių Chlorella vulgaris ląstelių iki (su)ardymo (A) ir po (su)ardymo (B) mikroskopinio vaizdo nuotraukos.
Pigmentai buvo išskiriami įprastais būdais, ekstrahuojant tinkamais organiniai tirpikliais (acetonas, etilo alkoholis arba jų mišiniai). Chlorella pigmentų kokybinei identifikacijai panaudota plonasluoksnė chromatografija (angį. Thin Layer
Chromaotography, TLC). Apskaičiuoti kiekvienos pigmentų dėmės, pasiskirsčiusios ant chromatografinės plokštelės, pasiskirstymo koeficientai (Rf). Pigmentų dėmės identifikuotos lyginant jų pasiskirstymo koeficientus su žinomais pigmentų pasiskirstymo koeficientų standartais. Ant chromatografinės plokštelės iš kiekvieno
Chlorella kultūrų ekstrakto ryškiai pasiskirstė po 4 pigmentų dėmes.
Chromatografinėje plokštelėje visų Chlorella ekstraktų pigmentų dėmės yra pasiskirsčiusios vienodai (Fig. 4) , pigmentų įvairovė - ta pati. Apskaičiuoti TLC pasiskirstymo koeficientai ir pagal tai identifikuoti pigmentai pateikti 5-oje lentelėje.
lentelė
Identifikuoti pigmentai pagal pasiskirstymo koeficientus
Dėmės numeris Dėmės spalva Nueitas atstumas (mm) Pasiskirstymo koeficientas, Rf Pigmentai
1‘ Ryškiai geltona 22 22/54 = 0,407 = Rf ksantofilų
2‘ Gelsvai žalia 25 25/54 = 0,462 = Rf chlorofilo b
3‘ Mėlynai žalia 30 30/54 = 0,555 = Rf chlorofilo a
4‘ Geltonai oranžinė 52 52/54 = 0,962 = Rfp karoteno
Tirpiklių sistemos nueitas atstumas (frontas) 54 mm
Pasiskirstymo koeficientai Chlorella ekstraktuose atitinka šiuos pigmentus: ksantofilus, chlorofilą a, chlorofilą b ir β karoteną. Kitų pigmentų kokybiškai aptikti nepavyko.
Spektrofotometru išmatuota pigmentų sugertis ties atitinkamais bangų ilgiais ir pagal jos reikšmes apskaičiuotos kiekvienos Chlorella kultūros chlorofilo a, b, c ir karotenoidų koncentracijos (6 lentelė).
lentelė
Tirtų Chlorella kultūrų pigmentų koncentracijų reikšmės
Kultūra Koncentracija, mg/l
Chia Chlb Chlc Karotenoidai
Ch.v.269 18,19 18,69 5,91 18,28
Cri.v896 20,3 19,2 6,2 22,28
Ch.cf.v 25,16 18,57 6,34 26,4
Analogiškai ardant dumblių ląsteles sukamuoju magnetiniu lauku pagal siūlomą išradimą, galima iš to paties dumblių koncentrato paeiliui išskirti daugiau nei vieną juose esančių bioproduktų, pavyzdžiui, tiek lipidus, tiek baltymus ( pvz., iš Botryoccocus braunii ar kt J.
Apdorojant dumblių ląsteles sukamuoju magnetiniu lauku pagal išradimą, darbo bloke atsiranda stiprūs lokaliniai elektromagnetiniai laukai. Kintamas magnetinis laukas kuria elektrinį lauką, o pastarojo sukurta srovė - papildomą magnetinį lauką. Be sukurtų papildomų laukų elektromagnetinės malyklės darbo bloke susidaro ir akustinės bangos - garsinės ir ultragarsinės. Jų šaltinis - judančios feromagnetinės dalelės, taip pat iššaukiančios ir kavitacijos efektą.
Esant pakankamai didelėms smūgių galioms pradeda veikti fiziniai ir cheminiai procesai, kurie normaliomis sąlygomis neįmanomi: pvz., deformuojama medžiagos kristalinė gardelė, ženkliai padidėja apdorojamų medžiagų cheminis aktyvumas. Smūgių vietoje slėgis siekia tūkstančius megapasakalių, todėl dėl tokio poveikio ženkliai išauga laisvosios energijos kiekis. Be to, šį procesą dar skatina ir lokaliniai elektromagnetiniai laukai. Sūkurinio sluoksnio tūrio vienete sukuriama didele galia ir, kaip minėta, visuminis poveikis lemia dumblių ląstelių sienelių greitą suardymą ir leidžia veiksmingai išskirti tikslinius ląstelėje sukauptus bioproduktus (lipidus, baltymus, pigmentus, vitaminus ir kt.) iš suardytos dumblių biomasės, naudojant mažas energijos ir laiko sąnaudas.
Būtinas ir pakankamas ląstelių sienelių suardymui elektromagnetinių laukų superpozicijos poveikis pagal išradimą ne tiktai leidžia greitai ir efektyviai gauti dumblių ląstelių lizatą, iš kurio galima kiekybiškai išskirti dumbliuose sukauptus naudingus bioproduktus, palengvina flokuliaciją ir t.t., bet - svarbiausia - užtikrina lizuotos biomasės (bioproduktais praturtintos terpės) kokybiškumą, maksimaliai išsaugo išlaisvintų bioproduktų nepakitusią cheminę sandarą ir biologinį aktyvumą, nes nenaudojami jam kenkiantys arba jį mažinantys faktoriai: aukšta temperatūra, agresyvios, aplinkai kenkiančios cheminės medžiagos (pvz., šarmai, rūgštys, abrazyvinės, paviršiaus aktyvios medžiagos (PAV), detergentai), ilgai trunkantis, didelės jėgos slėgimas.

Claims (11)

  1. Išradimo apibrėžtis
    1. Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo iš jų būdas, apimantis dumblių biomasės auginimą, koncentravimą, dumblių ląstelių apdorojimą elektromagnetinio lauko poveikiu ir tikslinių bioproduktų iš dumblių ląstelių išlaisvinimą ir ekstrahavimą, besiskiriantis tuo, kad į užaugintų dumblių biomasės koncentratą prideda feromagnetinių dalelių arba nanodalelių ir ne ilgiau kaip 1 min. apdoroja kintamo sukamojo magnetinio lauko poveikiu, kurio magnetinio srauto tankis apdorojimo zonos centre yra 0,08-1 T.
  2. 2. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad kintamo sukamojo magnetinio lauko dažnis yra 50-400 Hz.
  3. 3. Būdas pagal 1 arba 2 punktą, besiskiriantis tuo, kad kintamo sukamojo magnetinio lauko linijinis greitis yra 0,1-240 m/s.
  4. 4. Būdas pagal bet kurį iš 1-3 punktų besiskiriantis tuo, kad užaugintus dumblius koncentruoja pašalinant iš biomasės bent dalį vandens, optimaliai centrifuguojant, ir/arba po dumblių biomasės nucentrifugavimo pakeičiant terpę tikslinio bioprodukto išskyrimui tinkamu tirpalu ir/arba tirpikliu, įskaitant distiliuotą vandenį.
  5. 5. Būdas pagal bet kurį iš 1-4 punktų besiskiriantis tuo, kad dumblių padermės yra pasirinktos iš grupės, apimančios Scenedesmus dimorphus, Nannochloropsis, Nannochloris, Spirulina platensis, Botryococcus braunii, ir Botryoccocus braunii CCALA 220, Chlorella padermės Chlorella vulgaris, Chlorella vulgaris CCALA 269, Chlorella vulgaris 896, C. cf. vulgaris ir genetiškai modifikuotus variantus, tiek monokultūros formoje, tiek ir skirtingų dumblių padermių mišinio formoje.
  6. 6. Būdas pagal bet kurį iš 1-5 punktų besiskiriantis tuo, kad bioproduktas apimą bet kurį iš dumblių ląstelėse sukauptų naudingų bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai, vitaminai.
  7. 7. Būdas pagal bet kurį iš 1-6 punktų besiskiriantis tuo, kad tikslinį bioproduktą iš suardytų dumblių ląstelių biomasės ekstrahuoja konkrečiam bioproduktui įprastais būdais.
  8. 8. Bioproduktais praturtinta terpė po dumblių ląstelių suardymo būdu pagal 1-7 punktus, skirta konkrečių bioproduktų, tokių kaip lipidai, baltymai, pigmentai, vitaminai, išskyrimui ir ekstrahavimui.
  9. 9. Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo iš jų sistema, apimanti ardymui ir bioproduktų išskyrimui skirtą dumblių ląstelių kiekj, feromagnetines daleles arba nanodaleles, besiskirianti tuo, kad minėtu dumblių ląstelių kiekio santykis su feromagnetinėmis arba nanodalelėmis sudaro apytikriai 10-7:1, ir sistema papildomai apima elektromagnetinę malyklę, skirtą apdoroti minėtą dumblių ląstelių kiekį kintamo sukamojo magnetinio lauko poveikiu pagal 1-7 punktus.
  10. 10. Sistema pagal 9 punktą, besiskirianti tuo, kad elektromagnetinė malyklė yra įrenginys, apimantis darbo bloką (4) su aktyviąja zona, kur darbo blokas yra apgaubtas kintamo sukamojo magnetinio lauko induktoriumi (3), kuriančiu magnetinį lauką darbo bloko aktyvioje zonoje; induktoriaus (3) žadinimo srovės galios reguliatorių (1); induktoriaus (3) ir darbo bloko (4) aušinimo mazgą; kur prie kiekvienos induktoriaus (3) žadinimo ričių grupės yra nuosekliai prijungtas bent vienas papildomos kondensatorių grupės kondensatorius.
  11. 11. Sistema pagal 10 punktą, besiskirianti tuo, kad elektromagnetinės malyklės visų kondensatorių grupės kondensatorių parametrai parenkami taip, kad visose magnetinio lauko žadinimo fazinėse grandinėse būtų tenkinamos įtampų rezonanso sąlygos.
LT2012072A 2012-08-13 2012-08-13 Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema LT6018B (lt)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2012072A LT6018B (lt) 2012-08-13 2012-08-13 Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema
EP13717576.6A EP2882839A1 (en) 2012-08-13 2013-03-13 Method and system of algal cells disruption and isolation of bioproducts therefrom
PCT/LT2013/000005 WO2014027871A1 (en) 2012-08-13 2013-03-13 Method and system of algal cells disruption and isolation of bioproducts therefrom

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2012072A LT6018B (lt) 2012-08-13 2012-08-13 Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2012072A LT2012072A (lt) 2014-02-25
LT6018B true LT6018B (lt) 2014-04-25

Family

ID=48142849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2012072A LT6018B (lt) 2012-08-13 2012-08-13 Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2882839A1 (lt)
LT (1) LT6018B (lt)
WO (1) WO2014027871A1 (lt)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104962473B (zh) * 2015-06-02 2018-08-31 中国农业大学 一种利用污水分阶段培养微藻的方法
JP6880571B2 (ja) * 2016-05-20 2021-06-02 Jnc株式会社 磁性粒子を用いた水溶液中の微生物の回収方法および回収装置
CN113801725A (zh) * 2021-09-18 2021-12-17 华中科技大学 一种生物燃料及其制备方法与应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4065875A (en) 1976-09-17 1978-01-03 University Of Delaware Selective destruction of certain algae
SU662046A1 (ru) 1977-04-04 1979-05-15 Волгоградское Головное Проектно-Конструкторское Бюро Мясной И Молочной Промышленности Машина дл мойки сыров
UA24468U (en) 2004-06-14 2007-07-10 Kovalevskyi Inst Of Southern S Method for extraction of lipids and pigments from unicellular algae
US20100261918A1 (en) 2009-04-13 2010-10-14 Board Of Regents, The University Of Texas System Novel Process for Separating Lipids From a Biomass
WO2010123903A1 (en) 2009-04-20 2010-10-28 Originoil, Inc. Systems, apparatus and methods for obtaining intracellular products and cellular mass and debris from algae and derivative products and process of use thereof
WO2010132414A1 (en) 2009-05-11 2010-11-18 Phycal Llc Biofuel production from algae
WO2011069070A2 (en) 2009-12-03 2011-06-09 Bard Holding, Inc. Process and system for producing algal oil
WO2012021831A2 (en) 2010-08-13 2012-02-16 Origin Oil, Inc. Procedure for extracting of lipids from algae without cell sacrifice

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU662043A1 (ru) 1976-12-27 1979-05-15 Сибирский технологический институт Способ разрушени клеточной оболочки водорослей
EP1650297B1 (en) * 2004-10-19 2011-04-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for the rapid disruption of cells or viruses using micro magnetic beads and laser
US8722375B2 (en) 2010-03-05 2014-05-13 Raytheon Company Algal cell lysis and lipid extraction using electromagnetic radiation-excitable metallic nanoparticles
US20130224822A1 (en) * 2010-07-07 2013-08-29 Richard Sayre Modification of microalgae for magnetic properties
WO2012010969A2 (en) 2010-07-20 2012-01-26 Board Of Regents, The University Of Texas System Electromechanical lysing of algae cells

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4065875A (en) 1976-09-17 1978-01-03 University Of Delaware Selective destruction of certain algae
SU662046A1 (ru) 1977-04-04 1979-05-15 Волгоградское Головное Проектно-Конструкторское Бюро Мясной И Молочной Промышленности Машина дл мойки сыров
UA24468U (en) 2004-06-14 2007-07-10 Kovalevskyi Inst Of Southern S Method for extraction of lipids and pigments from unicellular algae
US20100261918A1 (en) 2009-04-13 2010-10-14 Board Of Regents, The University Of Texas System Novel Process for Separating Lipids From a Biomass
WO2010123903A1 (en) 2009-04-20 2010-10-28 Originoil, Inc. Systems, apparatus and methods for obtaining intracellular products and cellular mass and debris from algae and derivative products and process of use thereof
WO2010132414A1 (en) 2009-05-11 2010-11-18 Phycal Llc Biofuel production from algae
US20120095245A1 (en) 2009-05-11 2012-04-19 Phycal, Inc. Biofuel production from algae
WO2011069070A2 (en) 2009-12-03 2011-06-09 Bard Holding, Inc. Process and system for producing algal oil
WO2012021831A2 (en) 2010-08-13 2012-02-16 Origin Oil, Inc. Procedure for extracting of lipids from algae without cell sacrifice

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUMPHREY A.M.: "Chlorophyll as a color and functional ingredient", J FOOD SCI, 2004, pages 422 - 425
MATA T.M. ET AL.: "Microalgae for biodiesel production and other applications: A review", RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, 2010, pages 217 - 232, XP026670594, DOI: doi:10.1016/j.rser.2009.07.020
PULZ O, GROSS W.: "Valuable products from biotechnology of microalgae", APPL. MICROBIOL. BIOTECHNOL, 2004, pages 635 - 648, XP055172247, DOI: doi:10.1007/s00253-004-1647-x
Retrieved from the Internet <URL:http://www.oilgae.com/algae/oil/extract.html>
SIMON D. AND HALLIWELL S.: "Extrxtion and quantification of chlorophyl from freshwater green algae", WATER RESEARCH, 1998, pages 2220 - 2223
SPEARS K.: "Developments in food solourings: the natural alternatives", TRENDS BIOTECHNOL., 1988, pages 283 - 288

Also Published As

Publication number Publication date
LT2012072A (lt) 2014-02-25
WO2014027871A1 (en) 2014-02-20
EP2882839A1 (en) 2015-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Goh et al. Sustainability of direct biodiesel synthesis from microalgae biomass: A critical review
Chen et al. Determination of microalgal lipid content and fatty acid for biofuel production
Tommasi et al. Enhanced and selective lipid extraction from the microalga P. tricornutum by dimethyl carbonate and supercritical CO2 using deep eutectic solvents and microwaves as pretreatment
Hoang et al. Extraction of squalene as value-added product from the residual biomass of Schizochytrium mangrovei PQ6 during biodiesel producing process
Pérez et al. An effective method for harvesting of marine microalgae: pH induced flocculation
Benavides et al. Productivity and biochemical composition of Phaeodactylum tricornutum (Bacillariophyceae) cultures grown outdoors in tubular photobioreactors and open ponds
KR101961958B1 (ko) 세포로부터의 지질의 추출 및 이로부터의 생성물
Pohndorf et al. Production of lipids from microalgae Spirulina sp.: Influence of drying, cell disruption and extraction methods
Moheimani et al. Non-destructive oil extraction from Botryococcus braunii (Chlorophyta)
ES2406189B2 (es) Procedimiento para la extracción de lípidos a partir de biomasa algal.
Wahidin et al. Rapid biodiesel production using wet microalgae via microwave irradiation
Bondioli et al. Oil production by the marine microalgae Nannochloropsis sp. F&M-M24 and Tetraselmis suecica F&M-M33
Halim et al. Extraction of oil from microalgae for biodiesel production: A review
Grima et al. Solvent extraction for microalgae lipids
Wu et al. Evaluation of several flocculants for flocculating microalgae
Sanyano et al. Coagulation–flocculation of marine Chlorella sp. for biodiesel production
Zhou et al. Optimization of microwave assisted lipid extraction from microalga Scenedesmus obliquus grown on municipal wastewater
Han et al. Beneficial changes in biomass and lipid of microalgae Anabaena variabilis facing the ultrasonic stress environment
Kowthaman et al. A comprehensive insight from microalgae production process to characterization of biofuel for the sustainable energy
Polakovičová et al. Process integration of algae production and anaerobic digestion
WO2009073816A1 (en) Optimization of biofuel production
AU2012214187A1 (en) Aqueous extraction methods for high lipid microorganisms
Zalogin et al. Azide improves triglyceride yield in microalgae
Russell et al. Microalgae for lipid production: Cultivation, extraction & detection
LT6018B (lt) Dumblių ląstelių ardymo ir bioproduktų išskyrimo būdas ir sistema

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20140128

FG9A Patent granted

Effective date: 20140425

MM9A Lapsed patents

Effective date: 20160813