Pulsed Electric Fields (PEF) as microalgae pretreatment in the context of a biorefinery
Authors: Παπαχρήστου Ιωάννης 
Published: April 2022

Τα μικροφύκη είναι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί με ένα μεγάλος εύρος εφαρμογών λόγω της ποικιλόμορφης σύσταση τους. Τα μικροφύκη μπορούν να συμβάλουν στη μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα σε φιλικότερα προς το περιβάλλον, προσφέρουν ευκαιρίες για την ανάπτυξη χημικών ή άλλων προϊόντων υψηλής αξίας και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για θρεπτικούς σκοπούς ή για ζωοτροφές.Η αποτελεσματική εκμετάλλευση ολόκληρης της βιομάζας αποτελεί σημαντική πρόκληση για τη εκμετάλλευση σε μεγάλη κλίμακα των μικροφυκών από τη βιομηχανία. Ένα σύνηθες πρόβλημα είναι η ανάγκη για μια αποτελεσματική μέθοδο προεπεξεργασίας που μπορεί να υπερνικήσει τη φυσική αντίσταση των μικροφυκών στην εκχύλιση. Τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία (ΠΗΠ) είναι μια τέτοια μέθοδος, η οποία έχει αποδειχτεί ως αποτελεσματική σε φρέσκα, υγρά μικροφύκη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση των ενδοκυτταρικών υδατοδιαλυτών συστατικών στο περιβάλλον υδάτινο μέσο. Υδρόφοβα συστατικά όπως τα λιπίδια και τριγλυκερίδια παραμένουν στα κύτταρα και μπορούν στη συνέχεια να εκχυλιστούν με την προσθήκη οργανικών διαλυτών. Είναι προφανές λοιπόν ότι τα ΠΗΠ θα μπορούσαν να παίξουν ρόλο σε ένα πιθανό βιοδιυλιστήριο μικροφυκών.Ωστόσο, ο ακριβής μηχανισμός της επίδρασης των ΠΗΠ στα μικροφύκη είναι ακόμα υπό διερεύνηση. Επιπλέον, έχει παρατηρηθεί ότι ο χρόνος που παρήλθε μετά την επεξεργασία με ΠΗΠ είναι μια σημαντική παράμετρος με επίδραση στις αποδόσεις του προϊόντος. Αυτή η περίοδος αναμονής ή αλλιώς «επώαση», είναι ουσιαστικά το πρώτο στάδιο σε ένα βιοδιυλιστήριο, καθώς συμπίπτει με την απελευθέρωση των υδατοδιαλυτών συστατικών κάτι που καθιστά μια προσεκτική εξέτασή της απαραίτητη. Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν να αξιολογήσει τα ΠΗΠ ως μέθοδο προεπεξεργασίας για μικροφύκη με έμφαση στην εκχύλιση λιπιδίων και να αξιολογήσει τον αντίκτυπο της επώασης της βιομάζας στην διαδικασία επεξεργασίας.Η Auxenochlorella protothecoides (A. protothecoides), που καλλιεργήθηκε αυτοτροφικά, χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο αναφοράς λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς του σε λιπίδια και του ιδιαίτερα ανθεκτικού κυτταρικού τοιχώματος που έχουν. Η βιομάζα επωάστηκε μετά από ΠΗΠ σε αδρανείς συνθήκες (χωρίς φωτισμό, στους 23 °C και χωρίς ανάδευση) για 24 ώρες. Η εκχύλιση λιπιδίων πραγματοποιήθηκε σε υγρή βιομάζα χρησιμοποιώντας 76 mL/g ξηρής βιομάζας ενός μονοφασικού μίγματος διαλυτών αιθανόλης:εξανίου:νερού (1:0,41:0,04 vol/vol/vol) με διάρκεια 24 ωρών, στο σκοτάδι και συνεχή ανάδευση.Το στέλεχος A. protothecoides χωρίς καμία προεπεξεργασία αποδείχθηκε πράγματι αρκετά ανθεκτικό στην ενδοκυτταρική εκχύλιση. Δεν ανιχνεύθηκαν υδατοδιαλυτά συστατικά στο υδάτινο κλάσμα και η εκχύλιση λιπιδίων ήταν αμελητέα. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα μετά από ΠΗΠ, χωρίς επώαση, καθορίστηκαν από το μέγεθος της ενέργειας που εφαρμόστηκε στα μικροφύκη. Με 25 kJ/L, ανιχνεύθηκαν ~3,2 g/L υδατάνθρακες στο κλάσμα νερού σε σύγκριση με ~8,4 g/L για 150 kJ/L. Περίπου ~5% λιπίδια επί ξηρού βάρους εκχυλίστηκαν από βιομάζα που είχε υποστεί προεπεξεργασία με 25 kJ/L και ~32% από βιομάζα με 150 kJ/L. Ωστόσο, ένα στάδιο επώασης 24 ωρών μετά την επεξεργασία με ΠΗΠ οδήγησε σε πολύ βελτιωμένα αποτελέσματα, ιδιαίτερα για την 25 kJ/L ενέργεια, με απελευθέρωση υδατανθράκων 8,1 g/L και αποδόσεις λιπιδίων ~31 % ξηρού βάρους. Η απελευθέρωση υδατανθράκων για 150 kJ/L παρέμεινε σχετικά σταθερή στα 8,9 g/L και οι αποδόσεις λιπιδίων αυξήθηκαν έως και 38% ξηρό βάρος. Η επώαση των μικροφυκών μετά την επεξεργασία με ΠΗΠ θα μπορούσε επομένως να οδηγήσει σε αυξημένες αποδόσεις και να οδηγήσει σε μείωση της ενέργειας επεξεργασίας έως 6 φορές διατηρώντας παρόμοια αποτελέσματα.Το προφίλ των λιπιδίων καθώς και η περιεκτικότητα σε χρωστικές ουσίες των μικροφυκών αναλύθηκαν με αέρια χρωματογραφία (GC) και υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC). Δεν παρατηρήθηκε κάποια επιβλαβή επίδραση στα παραπάνω μετά από την προεπεξεργασία με ΠΗΠ ή την εικοσιτετράωρη επώαση της βιομάζας, επιβεβαιώνοντας έτσι την διασφάλιση της ποιότητας του προϊόντος.Η δομή των κυττάρων των μικροφυκών καθώς και το κυτταρικό τοίχωμα αυτών μελετήθηκαν περαιτέρω προκειμένου να διευκρινιστεί ο μηχανισμός προεπεξεργασίας με ΠΗΠ. Η επιθεώρηση των κυττάρων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) δεν έδειξε κάποια αισθητή παραμόρφωση στην επιφάνειά τους. Η επώαση βρέθηκε να επηρεάζει σημαντικά τους ρυθμούς εκχύλισης λιπιδίων. Για βιομάζα επεξεργασμένη με ΠΗΠ και χωρίς επώαση, μετά από 10 λεπτά εκχύλισης, ~6% λιπιδίων επί ξηρής βάσης εκχυλίστηκαν ακόμη και σε ενέργεια επεξεργασίας 150 kJ/L. Με επώαση μετά από ΠΗΠ, ~30% λιπίδια επί ξηρής βάσης εκχυλίστηκαν για την ίδια περίοδο, ακολουθούμενη από μια επακόλουθη ελαφρά αύξηση της απόδοσης σε μια περίοδο 18 ωρών. Αυτή η επιτάχυνση της εκχυλίσεως θα μπορούσε να ερμηνευθεί ως μια πρώτη ένδειξη αποικοδόμησης του κυτταρικού τοιχώματος μετά από επεξεργασία με ΠΗΠ, του κύριου εμποδίου στην εκχύλιση λιπιδίων.Τέλος, διενεργήθηκε μια εκτίμηση της απαιτούμενης ενέργειας για την εκχύλιση 1 λίτρου λιπιδίων προκειμένου να εντοπιστούν τα βήματα που χρήζουν βελτίωσης και να αξιολογηθεί ο αντίκτυπος της επώασης μετά τα ΠΗΠ. Χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα, διαμορφώθηκαν έξι σενάρια ανάλογα με τη συμπερίληψη της επώασης, της ενέργειας επεξεργασίας με ΠΗΠ και της διάρκειας εκχύλισης με εξισώσεις και ενεργειακές απαιτήσεις για κάθε στάδιο επεξεργασίας, προσαρμοσμένες από τη βιβλιογραφία. Η ανακύκλωση των οργανικών διαλυτών είχε την μεγαλύτερη απαίτηση, αντιπροσωπεύοντας περισσότερο από το 90 % της ενεργειακής κατανάλωσης και κυρίως ο διαχωρισμός αιθανόλης- νερού. Σε κάθε περίπτωση, ο συνολικός δείκτης κατανάλωσης ενέργειας (ΔΚΕ) ήταν αρκετά υψηλός, με τη χαμηλότερη τιμή ίση με 11,5, που αντιστοιχεί σε 24 ώρες επωάσεως, 24 ώρες εκχύλισης και 150 kJ/L ενέργεια επεξεργασίας.Επομένως, για την περαιτέρω αναβάθμιση της διαδικασίας, είναι σημαντικό να μειωθεί ο όγκος των χρησιμοποιούμενων οργανικών διαλυτών. Η αποδόμηση της βιομάζας κατά την επώαση μετά τα ΠΗΠ επέτρεψε τη δοκιμή εναλλακτικών τεχνικών εκχύλισης. Η εκχύλιση με 37 mL/g ξηρής βιομάζας ενός διφασικού μίγματος αιθανόλης:εξανίου:νερού (1:6:0,4 vol/vol/vol), είχε περιορισμένη επιτυχία, με αποδόσεις λιπιδίων περίπου 27% επι ξηρό βάρος, αλλά μόνο για επωασμένη βιομάζα. Παρά τις μέτριες αποδόσεις, ο ΔΚΕ για 1 λίτρο λιπιδίων σε αυτή την περίπτωση μειώθηκε σημαντικά σε 2,3, κυρίως λόγω της ελαχιστοποίησης της χρησιμοποιούμενης αιθανόλης. Το τελευταίο αυτό αποτέλεσμα καθιστά την εκχύλιση λιπιδίων από μικροφύκη ανταγωνιστικότερη και ανοίγει νέες προοπτικές βελτίωσης της.