Сопровождая изменения в растущей индустрии морских водорослей
08 Jul 2019
Неудивительно, что водоросли стали востребованным сырьем для многочисленных продуктов в фармацевтической, химической и пищевой отраслях, ведь они являются богатым источником полиненасыщенных жирных кислот, белков, ферментов, витаминов, минералов и микроэлементов. На протяжении более 50 лет GEA сопровождает стартапы и производителей водорослей поддержкой в области НИОКР и высококачественными технологиями обработки, которые соответствуют строгим отраслевым стандартам.
Водоросли — самый важный потребитель CO2 на нашей планете, 1 килограмм биомассы водорослей, способен хранить около 2 килограммов CO2, одновременно выделяя 1,6 килограмма кислорода. В дополнение к этой очень важной работе, сферы применения водорослей обширны, включая все, от зубной пасты, лака для обуви, крема для лица, корма для животных, пищевых продуктов и пищевых добавок, натуральных пищевых красителей, биоудобрений, кондиционеров почвы, до очистки сточных вод и в качестве связующего вещества для удаления тяжелых металлов. И этот список все пополняется новыми способами применения.
Водоросли существуют как в морской, так и в пресноводной форме, их дополнительно классифицируют по размеру — макро- или микроводоросли — и по цвету: синие, зеленые, коричневые или красные. Макроводоросли включают более крупные водные растения, такие как ламинария и морская капуста, которые могут достигать 50 метров в длину. Микроводоросли включают, например, такие водоросли как хлорелла и спирулина:
- Как правило, это микроскопические одноклеточные организмы (средний размер клеток от 2 до 10 микрометров)
- Не имеют корней, стеблей или листьев
- Их можно культивировать в фотобиореакторах (PBR) или в открытых водоемах, их питают сточными водами, включая канализационные воды, или культивируют с помощью гетеротрофной ферментации, при которой водоросли питаются скорее сахаром, чем солнечным светом
- Водоросли можно выращивать на землях, непригодных для продовольственных культур, и, следовательно, таким образом избегается конкуренция с производством продовольствия
Для отделения водорослевой биомассы от воды, в которой она выращивалась требуется переработка или сбор урожая — именно та сфера, в которой GEA работает с 1960-х годов, с технологиями концентрирования, извлечения и промывки водорослей, а также сушки.
С точки зрения питательной ценности у водорослей практически нет конкурентов. Рыба, как, например, лосось, содержит полезные омега-3 жиры, но она не производит их естественным путем, а, скорее, получает их, потребляя микроводоросли. Это означает, что масло из водорослей обладает еще большим потенциалом для удовлетворения глобальных потребностей в питании и может помочь снять жесткую потребность в рыбе, например, если его шире использовать в рыбной муке. Аналогичным образом, растущий спрос на надежные, устойчивые и недорогие источники энергии и биоразлагаемые пластики является основным фактором, который, как ожидается, будет стимулировать рост в этом интересном секторе.
Нежнее, еще нежнее: Приостановить срез водорослей для увеличения их выживаемости
Современные методы обработки водорослей требуют центробежной технологии для концентрирования, извлечения и промывки собранных суспензий водорослей. Из-за биологической структуры водорослей центрифуги часто являются единственным экономичным средством эффективной обработки микроводорослей не только потому, что они потребляют меньше энергии, чем того требует керамическая мембранная фильтрация, но также и потому, что из-за размера клеток традиционные вращающиеся вакуумные фильтры забиваются и закупориваются.
Тем не менее, центрифуга означает использование центробежной силы, и поддерживать целостность клеток водорослей, пока они подвергаются воздействию центробежных сил до 15000 g, может быть непросто. Во время этого процесса необходимо выполнить два важных шага: поместить клетки в центробежное поле и извлечь их оттуда снова. Компания GEA решила проблему подачи чувствительных клеток во вращающуюся систему несколько лет назад с помощью своей запатентованной системы гидрогерметичной подачи. Система состоит из диска на конце питающей трубки, который подает клетки ниже уровня жидкости в предварительно заполненную чашу — аналогично эффекту, достигаемому при заполнении ведра водой, когда емкость наполняют с помощью шланга, погруженного в воду, таким образом избегая разбрызгивания.
Совсем недавно компания GEA разработала столь необходимое решение для выгрузки чрезвычайно чувствительных к сдвигу клеток, таких как диатомовые водоросли и гаптофиты, из вращающейся системы без повреждения или разрушения, учитывая, что смертность среди клеток может достигать более 90 процентов даже при пониженных скоростях. Большинство обработанных продуктов выдерживают грубую обработку без какого-либо отрицательного эффекта, и во время нормального выброса чаша открывается при работе на полной или пониженной скорости, и собранные твердые частицы просто выбрасываются в уловитель.
В случае обработки водорослей центрифуга концентрирует клетки и собирает их во время работы в пространстве для хранения твердых частиц на периферии чаши — в определенном месте в центрифуге, где центробежные силы наиболее высоки. Ключом к решению GEA был поиск способа замедления движения твердых частиц во время разгрузки, чтобы тем самым уменьшить скорость, с которой клетки сталкиваются со стенкой уловителя. Это привело к разработке системы выброса с применением гидравлического тормоза GEA. Система помощи при торможении действует как завеса из жидкости, через которую выбрасываются твердые частицы. Система создана путем установки ряда распылительных форсунок на уловителе, и как только поршень активируется, система управления запускает форсунки, и в уловитель распыляется завеса жидкости, существенно замедляя или тормозя скорость выброса твердых частиц. Жидкость для завесы обычно вода, однако можно также использовать отделенную прозрачную фазу. Поскольку форсунки распыляют жидкость лишь кратковременно, когда второй поршень активирован, проблема повторного разбавления концентрированных водорослей может быть минимизирована.
Вид в разрезе сепаратора GEA, показывающий схему потока жидкости, включая систему нагнетания.
Новая функция позволяет снизить потерю продукта с 95 до 2 процентов
В 2018 году фабрика OP Bio в Японии, которая занимается исследованиями и разработкой натуральных продуктов из морских ресурсов для использования в качестве потенциальных лекарств и функциональных веществ, начала использовать новый гидравлический тормоз GEA. При использовании обычной системы выброса 95 процентов клеток водорослей клиента были разрушены во время выгрузки. С помощью новой вспомогательной функции потери клеток водорослей были сокращены до 2 процентов, что означает значительное снижение затрат и повышение эффективности. Так что теперь фабрика OP Bio может успешно обрабатывать даже самые чувствительные клетки водорослей с помощью центрифуг.
Создание партнерства для удовлетворения растущего мирового спроса на продукты из водорослей
Для стартапов и предприятий в отрасли переработки водорослей, финансирование является ключом к переходу от лаборатории к пилотной фазе. Инвесторам, как правило, нужны доказательства, демонстрирующие, что данная технология работает в небольшом масштабе или может быть расширена для производства нескольких тонн биомассы водорослей или галлонов масла из водорослей перед выделением средств. Ключевыми факторами успешного расширения производства и переработки водорослей являются снижение энергопотребления и эксплуатационных расходов.
С 2015 года GEA поддерживает запуск французской биотехнологии, начиная с испытаний разделения на месте. Работая вместе, компания GEA помогла заказчику разработать индивидуальный процесс сбора водорослей, благодаря которому можно производить высококачественные микроводоросли из биомассы в промышленных масштабах для использования в кормах для животных, пищевых продуктах и косметике. Например, форсуночный сепаратор GEA viscon® используется для разделения гетеротрофных микроводорослей, в результате чего получается гомогенный концентрат водорослей с максимальным содержанием сухого вещества на машине с безразборной мойкой, что обеспечивает высокую эффективность разделения.
Голландская компания Duplaco также использует ноу-хау GEA для обработки микроводорослей хлорелла, выращенных путем гетеротрофной ферментации, которые можно использовать для производства полезных продуктов, таких как смузи, бургеры из водорослей или макароны, в пищевых добавках или кормах для животных. Решения GEA помогают обеспечить высокое качество и отличную консистенцию порошка и пищевых добавок из водорослей производства Duplaco, одновременно сводя к минимуму затраты производителя на электроэнергию и производственную нагрузку.
Возможность наладить партнерские отношения с клиентами на раннем этапе имеет решающее значение, когда речь идет о разработке процессов сбора водорослей, особенно с учетом требований по сокращению производства и затрат на единицу продукции »,— Александр Пик, менеджер по применению — Разделение, Водоросли, GEA Renewables
— Александр Пик, менеджер по применению — Разделение, Водоросли, GEA Renewables
Растущее внимание к переработке водорослей для поддержки устойчивого производства продуктов питания привлекло GEA и нескольких партнеров из научного и делового сообщества ЕС к формированию проекта SABANA (Экологичная биоочистка водорослей для сельского хозяйства и аквакультуры) в 2016 году. Инициатива Horizon 2020, финансируемая ЕС, позволила разработать крупномасштабный интегрированный биоочиститель на основе микроводорослей для производства кормов и кормовых добавок, включая биостимуляторы, биоудобрения и биопестициды, продемонстрировав техническую, экологическую и социальную выполнимость производства ценных побочных продуктов водорослей с использованием только морской воды и сточных вод в качестве источника питательных веществ.*
В процессе разработки биопестицидов команда занимается выращиванием, тестированием и переработкой штаммов водорослей, содержащих антимикробные агенты, которые борются с различными патогенами растений. Для обработки чувствительной биомассы компания GEA предоставила экспертные знания и оборудование, включая центрифуги для сбора и концентрирования микроводорослей; гомогенизаторы для разрушения клеток и распылительная сушилка для сушки биомассы, чтобы затем можно было протестировать активные вещества, результаты испытания оборудования будут доступны в конце 2021 года.
Трубчатые фотобиореакторы производят микроводоросли на демонстрационном заводе SABANA НИОКР, исследовательский центр Андалузского института исследований в области сельского хозяйства и рыболовства (IFAPA), Альмерия, Испания. С любезного согласия: SABANA
У GEA есть подходящий инструмент для работы
Для процесса концентрации GEA предлагает на выбор несколько сепараторов и декантеров , каждый с индивидуальными преимуществами и рассчитанный на определенный тип водорослей и условия выращивания. Выбор сепаратора также зависит от необходимого уровня производительности, вязкости продукта, содержания твердых веществ, значения pH в ферментационном бульоне и структуры клеток. Для дальнейшей концентрации и обезвоживания биомассы или классификации микроводорослей на следующих этапах обработки используется декантер GEA.
Когда дело доходит до переработки красных и зеленых микроводорослей, гомогенизаторы GEA просто идеальны, поскольку они производят исключительно высококачественное сырье, необходимое для пищевых и витаминных добавок, а также для биоматериалов или биопластиков. Эта технология обеспечивает производство надежных и долговечных компоненты, отвечающих требованиям асептики, и продуктов, которые полностью соответствуют всем нормативным требованиям. Гомогенизация — это механический процесс, который разрушает внешнюю клеточную стенку при давлении до 1500 бар и освобождает внутриклеточную жидкость. Такой способ дает преимущества с точки зрения надежности и окупаемости общих затрат на владение, учитывая:
- Процесс быстрый и непрерывный
- Результаты, полученные в лаборатории, воспроизводимы на 100% в промышленном масштабе.
- Давление можно варьировать, чтобы найти правильную степень разрыва клетки
- Отсутствует вероятность загрязнения продукта другими веществами
Хотя центрифуги могут удалять большую часть свободной воды из суспензий водорослей, в некоторых случаях необходим порошок из водорослей, что требует сублимирования. Сухой порошок из водорослей является высококачественным белком и может использоваться, например, в качестве добавки в корм для животных.
* Этот проект получил финансирование от Программы исследований и инноваций Horizon 2020 Европейского Союза в рамках соглашения о субсидировании № 727874.
