Mikroaļģes Chlorella sp. ekstraktvielu sastāva analīze un mērķsavienojumu izdalīšanas metodoloģijas izstrāde

Projekta Nr.: 25-00-U2021401-000001

Projekta nosaukums: “Mikroaļģes Chlorella sp. ekstraktvielu sastāva analīze un mērķsavienojumu izdalīšanas metodoloģijas izstrāde”

Projekta partneri:

• AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”
• Latvijas Valsts Koksnes Ķīmijas institūts

Pārskata periods: 01.12.2025. g. – 31.03.2026. g.

Pārskata periodā veiktās darbības un rezultāti:

Pārskata periodā tika strādāts pie sekojošu darbību ieviešanas:

• Darbība: “Mikroaļģu Chlorella sp. biomasas priekšapstrāde un pavairošana”
• Darbība: “Mikroaļģu Chlorella sp. biomasas sastāva raksturošana, izmantojot analītiskās pirolīzes metodi”

Darbība “Mikroaļģu Chlorella sp. biomasas priekšapstrāde un pavairošana”

Pārskata periodā veikta mikroaļģes Chlorellas sp. pavairošana un mērogošana. Sākotnēji mikroaļģu pavairošanas plauktā tika saaudzēts 1 L, no kura tālāk tika iegūti 5 L (1. attēls).

Kad Chlorella sp. sasniedza nepieciešamo koncentrāciju 5 L, tā tika inokulēta 3 x 50 L burbuļu-kolonnu fotobioreaktorā (PBR3C) (2. attēls).

Lai veiktu regulāru biomasas ievākšanu un apstrādi, no PBR3C Chlorella sp. tika inokulēta tubulārajā fotobioreaktorā (PBRTB) (3.attēls).

Mikroaļģes tika novāktas trīs reizes nedēļā 30% no tilpuma optimālā 1 – 1,5 g/L koncentrācijā, atjaunojot audzēšanas barotni. Novāktā raža tika koncentrēta izmantojot centrifūgas seperātoru attiecībā 1:50. Lai uzglabātu biomasas koncentrātu, tas tika saldēts un uzglabāts -20 0C pirms aukstuma kaltēšanas.

Iegūtais mikroaļģu biomasas apjoms: 7920 kg
Iegūtais mikroaļģu koncentrāta apjoms: 152 kg
Iegūtā sausā (liofilizēta) biomasa: 6,6 kg

Darbība “Mikroaļģu Chlorella sp. biomasas sastāva raksturošana, izmantojot analītiskās pirolīzes metodi”

Lai sagatavotu pirmo iegūto aļģu biomasu ekstrakcijai, no AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS” saņemto aļģu biomasas koncentrātu – sauso liofilizēto biomasu, 5 kg daudzumā, sākumā sasmalcināja, un tad pievienoja destilēto ūdeni aprēķinātā daudzumā tā, lai sasniegtu 11% mitrumu.

Ar skaidām sasildīja pilotmēroga granulatoru KAHL 14-175 (Vācija), kas ir industriālā KAHL iekārtu maza izmēra analogs, līdz 40℃ temperatūrai, un granulēja pirmo aļģu biomasas partiju ap 1 kg, lai izspiestu no granulatora matricas koksnes skaidas. Šo pirmo daudzumu atmeta, un tad granulēja  atlikušo daļu, kā rezultātā ieguva jau tīras aļģu biomasas granulas.

Mikroaļģu priekšapstrāde tika veikta Chlorella mikroaļģu šūnu apvalku sagraušanai, lai atvieglotu šķīdinātāja pieeju mikroaļģu esošām bioaktīvām vielām, kā arī lai samazinātu putekļveida frakcijas saturu biomasā, kas piesārņo superkritiskās CO2 ekstrakcijas aparātu.  Granulēšana tika pārbaudīta dažādos režīmos, lai atrastu optimālo matricas kanālu garumu, un darbības ātrumu (apgrozījumu skaitu minūte).

Pēc granulēšanas granulas tika vienmērīgi uzklātas uz virsmas, 3 dienas tos apmaisot. Tad granulas tika sasmalcinātas ar smalcināšanas pilotiekārtu  tā, lai daļiņu izmērs sasniegtu ≤2 mm.

No sagatavota pulvera dažādām vietām, rūpīgi samaisot, bija paņemti reprezentatīvie paraugi analītiskās pirolīzes analīzēm. Pārejais mikroaļģu pulveris, daudzumā ap 3,5 kg, tika piegādāts partnerim ekstrakcijai.

Reprezentatīviem paraugiem tika uzsākta analītiskas pirolīzes analīze komponentu relatīvā satura noteikšanai (%), sagatavojot iesvarus, katrs ap 2 mg daudzumā, četros atkārtojumos, un tika uzsāktas analītiskās pirolīzes analīzes 500℃ temperatūrā, uzsildīšanas temperatūra  600 °C s-1. Analītiskās pirolīzes rezultāti tiks interpretēti nākamajā projekta posmā.

Pārskata periods: 01.04.2026. g. – 30.09.2026. g.

Pārskata periodā veiktās darbības un rezultāti:

Pārskata periodā tika strādāts pie sekojošu darbību ieviešanas:

• Darbība: “Ekstrakcijas protokola izstrāde”

Iesaistītie partneri: AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”; Latvijas Valsts Koksnes Ķīmijas institūts

Darbības mērķis: Izstrādāt secīgas ekstrakcijas protokolu nepolāru un polāro savienojumu izdalīšanai, veicot secīgu ekstrakciju ar superkritisko CO2 (SC-CO2) ekstrakciju un/vai sekundāro šķīdinātāju (etanolu), kā arī ultraskaņas ekstrakciju ar videi draudzīgiem polāriem šķīdinātājiem pieaugošā polaritātes secībā.

Pārskata periodā tika turpināta aktīva mikroaļģes Chlorellas sp. pavairošana un priekšapstrāde (1. attēls).

Iegūtais mikroaļģu biomasas apjoms: 8156 kg
Iegūtais mikroaļģu koncentrāta apjoms: 155 kg
Iegūtā sausā (liofilizēta) biomasa: 6,8 kg

Ekstrakcijas izejvielas sagatavošana

Ekstrakcijas eksperimentiem tika izmantota LVKĶI iepriekšējā pārskata periodā sagatavotā biomasa – liofilizētas Chlorella sp. mikroaļģes, kas granulētas pilotmēroga granulatorā KAHL 14-175 pie 11 % mitruma un pēc žāvēšanas samaltas līdz daļiņu izmēram ≤ 2 mm (aptuveni 3,5 kg). Granulēšana nodrošina daļēju mikroaļģu šūnu apvalku sagraušanu, atvieglojot šķīdinātāja piekļuvi intracelulārajiem savienojumiem, un būtiski samazina putekļveida frakciju, kas citādi piesārņo SC-CO2 ekstrakcijas iekārtu. Pirms katras ekstrakcijas tika noteikts izejvielas mitruma saturs.

1. posms – nepolāro savienojumu ekstrakcija ar superkritisko CO2

Secīgās ekstrakcijas pirmajā posmā nepolārās ekstraktvielas – neitrālie lipīdi, taukos šķīstošie pigmenti un vitamīni – tika ekstrahētas ar tīru superkritisko CO2 AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS” SC-CO2 ekstrakcijas iekārtā. Ekstrakcijas tvertnē tika ievietoti vidēji 2,5 kg sagatavotās biomasas. Lai noteiktu procesa parametru ietekmi uz ekstrakcijas iznākumu, tika pārbaudīti  režīmi spiediena diapazonā 200 – 350 bar un temperatūrā 40 – 60 °C, pie CO2 plūsmas 70 kg/h un ekstrakcijas ilguma 210 kg CO2. Ekstrakts tika savākts separatorā pie 60 bar un +60 °C. Ekstrakcijas iznākums noteikts gravimetriski kā iegūtā ekstrakta masas attiecība pret ievietotās sausās biomasas masu.
Augstākais nepolāro ekstraktvielu iznākums  no sausās biomasas – tika sasniegts pie  250 bar un 60°C.
Biomasas atlikums pēc SC-CO2 ekstrakcijas  tika izmantots nākamajā ekstrakcijas posmā.

2. posms – vidēji polāro savienojumu ekstrakcija ar etanolu

Otrajā posmā biomasa tika ekstrahēta, izmantojot etanolu kā kosolventu SC-CO2 sistēmā etanola izmantošana palielina ekstrakcijas vides polaritāti un ļauj izdalīt savienojumus, kas ar tīru SC-CO2 ekstrahējas nepilnīgi, – polāros lipīdus (glikolipīdus, fosfolipīdus), hlorofilu un ksantofilus (luteīnu, zeaksantīnu). Pēc šķīdinātāja atdalīšanas ar rotācijas ietvaicētāju pazeminātā spiedienā ekstrakta iznākums sastādīja vidēji 8,4 % no sākotnējās sausās biomasas.

LV KĶI pārskata periodā veikta iepriekš sagatavotas Chlorella ģints aļģu biomasas analītiskā pirolīze un iegūto datu analīze. Šī analīze balstas uz ātrās pirolīzes procesu, kurā aļģu biomasas paraugs tiek uzkarsēts ar ātrumu 600°C/sec. Analītiskā pirolīze veikta izmantojot Fonttier Lab Micro Doble shot Pirolīzes ierīci (Py- 2020iD, Japana). Iegūtie analītiskās pirolīzes rezultāti ļauj raksturot šīs biomasas komplekso sastāvu un identificēt nozīmīgas savienojumu grupas, tostarp  ogļhidrātus, fenolus un aromātiskos savienojumus, aminoskābju atvasinājumus.

Oglhidrātu pirolīzes produktu grupā visizteiktākā ir cukuriem atbilstoša frakcija, kam seko furāni, aldehīdi un ketoni, kā arī skābes un esteri. Mazākā daudzumā konstatēti spirti, pirāni un ciklopentāna atvasinājumi.

Analīze konstatēta arī fenolisko un aromātisko savienojumu klātbūtne. Starp identificētajiem savienojumiem dominē alkilbenzolu un fenolu atvasinājumi, tostarp metil- un etilbenzoli, kā arī metilfenoli. Atsevišķiem šīs grupas savienojumiem literatūrā aprakstīta antioksidatīva un antimikrobiāla aktivitāte, tādēļ šī frakcija var būt nozīmīga arī no biomasas potenciālās bioloģiskās aktivitātes viedokļa.

Slāpekli saturošie savienojumi rodas no olbaltumvielu (proteīnu) un aminoskābju pirolīzes. Pie alifātiskiem un cikliskiem monomēriem ir pieskaitāmi ketoni, aldehīdi, alkāni, alkēni u.c., kas veidojas galvenokārt no lipīdu, vaska, un taukskābju degradācijas.  Šo savienojumu saturs liecina par lipidu frakciju (piemēram par polinepiesātinātajām taukskābēm) klātbūtni.

Papildus ogļhidrātu un slāpekli saturošajiem savienojumiem identificēti alifātiskie un cikliskie savienojumi, tostarp ketoni, aldehīdi, alkāni un citi savienojumi. Tie galvenokārt veidojas lipīdu, vasku un taukskābju termiskās degradācijas rezultātā. Šo savienojumu klātbūtne liecina par nozīmīgu lipīdu frakciju Chlorella biomasā.
Iegūtie dati liecina, ka Chlorella ģints biomasa ir nozīmīgs bioloģiski aktīvo vielu avots, tostarp vitamīniem un to prekursoriem.
Tika iesākta Chlorella biomasas secīga ekstrakcija, mainot šķīdinātājus pieaugoša polaritātes secībā, un izpētot ultraskaņas ietekmi. Nākamajā pārskata periodā tiks turpināta Chlorella biomasas ekstrakcija, iegūstot dažādas frakcijas to ķīmiskai raksturošanai.

Rezultāts: Gravimetriski noteikts nepolāro un polāro ekstraktvielu iznākums (8,4 % no alģu biomasas), veicot aļģu secīgo ekstrakciju ar superkritisko CO2 un sekundāro šķīdinātāju (etanolu); identificētas savienojumu grupas; iesākta biomasas secīga ekstrakcija, mainot šķīdinātājus pieaugoša polaritātes secībā, izpētot arī ultraskaņas ietekmi.

Atbalsta Zemkopības ministrija un Lauku atbalsta dienests