藻类富含多不饱和脂肪酸、蛋白质、酶、维生素、矿物质和微量元素,毋庸置疑,它已成为制药、化学和食品领域众多产品的抢手原材料。50多年来,GEA一直为初创企业和藻类生产商提供研发支持以及符合严格行业标准的高质量和工艺技术。

1公斤藻类生物质是地球上最重要的二氧化碳消耗者,能够存储2公斤左右的二氧化碳,同时释放1.6公斤的氧气。除了这项非常重要的工作之外,藻类也广泛用于各种应用范围,包括在废水处理中的所有用途,例如牙膏、鞋油、面霜、动物饲料、食品和食品补充剂、天然食用色素、生物肥料、土壤改良剂,以及作为重金属的粘合剂。而且这个清单还在不断增长中。

藻类以海洋或淡水形式存在,根据大小(大型或微藻类)和颜色(蓝色、绿色、棕色或红色)进一步分类。大型藻类包括较大的水生植物,例如海带和海藻品种,它们可以长到50米长。微藻的例子包括小球藻螺旋藻

  • 通常是需用显微镜观察的单细胞生物(平均细胞大小在2-10微米之间)。
  • 没有根、茎或叶。
  • 可在光生物反应器(PBR)或露天池塘中种植,并以废水(包括污水)为食,或通过异养发酵培养,利用此方法的藻类将以糖而不是阳光为食。
  • 可以在不适合粮食作物的土地上种植,因此不会出现与粮食生产竞争的情况。

要使藻类生物质与其生长的水分离,就必须进行加工或收取 - GEA自1960年代以来就一直积极在该领域中大刀阔斧研发各种技术,包括浓缩、萃取和清洗藻类以及干燥。

从营养的角度来看,藻类是所向无敌的。鱼类,例如鲑鱼,含有有益的omega-3鱼油,但不是天然产生而是通过食用微藻而产生的。这意味着藻油具有更多潜力来满足全球营养需求,并且可以减轻全球鱼类供应的压力,例如,如果将其更广泛地用于鱼粉。同样的,对可靠、可持续发展和低成本能源以及可生物降解塑料的需求不断增长,也是推动这一令人振奋的行业增长的主要因素。

轻轻、轻轻地:抑制切断来提高藻类成活率

微藻详图

现代藻类加工需要离心技术来浓缩、萃取和清洗收获的藻类悬浮液。由于藻类的生物组成,离心机通常是有效处理微藻的唯一经济方法,这不仅是因为它们的能耗比陶瓷膜过滤低,而且还因为细胞大小会导致传统旋转真空过滤器中的结合或阻塞。

尽管如此,离心机意味着离心力,而使藻类细胞在承受高达15,000 g的力时仍保持存活是相当棘手的。在此工艺中,有两个关键步骤:将细胞带入离心场并再次将其带出。GEA几年前通过其专利的水密性进料系统,解决了将敏感细胞进料到旋转系统中的难题。该系统由位于进料管末端的圆盘组成,该圆盘将预灌装的转鼓中液面以下的细胞进料 - 类似于进一步向桶中注水时所达到的效果,并且软管采用从水面以下灌装容器的方式来避免飞溅。

GEA分离机的剖视图,显示了液体流动模式,包括排放系统。
GEA分离机的剖视图,显示了液体流动模式,包括排放系统。

最近,GEA开发了一种迫切需要的解决方案,用于从旋转系统中排放出对于切断极端敏感的细胞(如硅藻和七叶树),而不会损坏或破坏它们,因为即使在降低速度的情况下,死亡率也可以达到90%以上。大多数加工产物可以进行粗略处理而不会出现任何负面影响,在正常喷出过程中,以全速或降低的速度打开转鼓,然后只需将收集的固体射入捕集器中即可。

就藻类而言,离心机会将细胞浓缩并在运行过程中将其收集到转鼓外围的固体容纳空间中 - 离心机中离心力最高的确切位置。GEA解决方案的关键是找到一种在排放过程中减缓固体排出的方法,从而降低细胞与捕集器壁碰撞的速度。这促进了GEA液压抑制辅助喷出系统的开发。抑制辅助装置起到流体幕帘的作用,让固体通过该幕帘喷射。此流程通过将一系列喷嘴安装在捕集器上,控制系统会在活塞被激活后立即触发喷嘴,并向捕集器内喷射流体幕帘,从而大大减慢或抑制固体的喷射速度。所使用的流体通常是水,但是也可以使用分离的纯化水。由于当第二个活塞被激活时,喷嘴仅会短暂喷射,因此可以减轻对已浓缩藻类的再稀释。

利用新功能将产物损失从95%降低到2%

2018年,日本OP Bio Factory开始使用新型GEA液压制动器,研究和开发海洋资源的天然产物,用于潜在的药物和功能物质。使用传统的喷射系统,客户的藻类细胞中有95%在排放过程中被破坏了。借助新的辅助功能,他们的藻类细胞损失已减少到仅2%,这代表了成本和效率的大幅提高。因此,OP Bio Factory现在甚至可以使用离心机成功处理最敏感的藻类细胞。

合作以满足全球对藻类产品不断增长的需求

对于藻类行业的初创企业和企业来说,资金是从实验室进入试验阶段的关键。投资者通常希望获得一些证据,证明在投入资金之前所指定的技术可以小规模运作或可以扩大规模以生产数吨的藻类生物质或数加仑的藻油。成功扩大藻类生产和加工规模的关键因素是减少能耗和运营成本。

螺旋藻粥

自2015年以来,GEA一直支持一家法国生物技术初创公司,并从现场分离试验开始。双方携手合作,GEA帮助客户开发了定制的藻类收取工艺,该工艺以工业规模生产用于动物营养、食品和化妆品的高质量生物质微藻。例如,GEA viscon®喷嘴分离机可用于异养微藻分离,使用可完全CIP的机器来实现具有最大干物质的均质藻类浓缩物,从而达到高效率的分离。  

荷兰公司Duplaco还充分利用GEA分离技术来处理通过异养发酵生长的小球藻微藻,将其用于食品、动物饲料等健康食品的生产,如冰沙、藻类汉堡或面食。GEA解决方案有助于确保Duplaco的藻粉和食品补充剂具有最高一致性的高质量,同时最大程度地降低了生产商的能源成本和生产足迹。

在开发藻类收取工艺时,特别是考虑到降低产量和降低单位成本的需求,尽早与客户合作至关重要。”- GEA可再生能源,藻类分离应用经理Alexander Piek

管式光生物反应器在西班牙阿尔梅里亚IFAPA研究中心的SABANA R&D示范工厂生产微藻。资料提供:SABANA
管式光生物反应器在西班牙阿尔梅里亚IFAPA研究中心的SABANA R&D示范工厂生产微藻。资料提供:SABANA

精炼藻类越来越受到关注以支持可持续发展的食品生产,吸引了GEA和欧盟科学与商界的一些合作伙伴在2016年组建了农业和水产养殖的可持续发展藻类生物精炼厂(SABANA)项目。该团队是由欧盟资助的Horizon 2020计划,通过展示仅使用海水和废水作为营养物来源的副产物,生产有价值的藻类的技术、环境和社会可行性,开发了大规模的基于微藻类的综合性生物精炼厂,用于生产饲料和饲料添加剂,包括生物刺激素、生物肥料和生物农药。*

在生物农药工作流程中,该团队种植、测试和加工藻类菌株,这些菌株具有抵抗多种植物病原体的抗微生物剂。为了处理敏感的生物质,GEA提供了专业知识和设备,包括用于收取和浓缩微藻的离心机、用于细胞破裂的均质机和用于生物质干燥的喷雾干燥器,以便可以测试活性剂,其结果将于2021年底提供。

GEA为该作业提供了合适的工具

在浓缩过程中,GEA提供了几种分离机卧式离心机供您选择,每种分离机都有各自的优势,并可根据藻类类型和养殖条件而定。选择分离机还取决于要处理的产能、产物粘性、固体含量,发酵液中的pH值和细胞结构。为了进一步浓缩和脱水生物质或对微藻进行分类,GEA卧式离心机是加工的下一步。

当加工红色和绿色微藻时,GEA均质机是理想的选择,因为它们可提供食品和维生素补充剂以及生物材料或生物塑料所需的极高质量原材料。这项技术确保了可满足无菌要求的可靠耐用的组件以及完全符合所有法规的产品。均质化是一个机械过程,它以高达1500 bar的压力破坏细胞外壁,释放出细胞内的液体。它通过以下方式,提供了可靠性和收回总拥有成本方面的优势:

  • 这是一个快速的连续加工 
  • 在实验室中获得的结果可在工业规模下100%重现 
  • 可以改变压力以找出正确的细胞破壁程度 
  • 产物不会被其他物质污染

虽然离心机可以从藻类悬浮液中去除大部分游离水,但某些应用需要进行喷雾干燥的藻粉。干藻粉是一种优质蛋白质,可以用作例如动物饲料的添加剂。


*该项目已获得欧盟Horizon 2020研究与创新计划的资助,资助计划编号为727874。

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