Ступінь готовності: TRL-4
Експериментальна установка призначена для ультразвукової деструкції/дезінтеграції клітин мікроводоростей Chlorella з метою виділення ліпідів. Руйнування клітин(деструкція/дезінтеграція) мікроводоростей є необхідним етапом у виробництві біопалива, оскільки основна частина ліпідів, з яких у подальшому отримують біодизель, знаходиться всередині клітин Chlorella. Клітинна оболонка мікроводоростей має високу міцність і перешкоджає природному виходу цільових метаболітів, тому без попередньої деструкції ефективність вилучення метаболітів значно ускладняється. Нами пропонується використання ультразвукової установки в якій реалізуються кавітаційні ефекти, як основний чинник руйнування клітин мікроводоростей. Основним елементом системи є каскадний ультразвуковий випромінювач УЗД-700-35, який створює високочастотні ультразвукові коливання та формує кавітаційні явища у рідкому середовищі.
Ультразвуковий випромінювач розміщений у герметичному поліпропіленовому патрубку, заповненому суспензією живої хлорели. Корпус виготовлений із поліпропілену через його хімічну інертність, стійкість до ультразвукових навантажень та механічну міцність. Випромінювач закріплюється у патрубку за допомогою фланців, а керування частотою та потужністю здійснюється через пульт управління.
Система працює за принципом замкненого циркуляційного контуру. Перистальтичний насос подає суспензію із зразкової балії через нижній штуцер у патрубок із випромінювачем. Після проходження зони ультразвукового впливу рідина самопливом через верхній штуцер повертається назад у балію. Така схема забезпечує безперервну циркуляцію середовища та рівномірну обробку всього об’єму суспензії.
Під час роботи установки на суспензію діють не лише кавітаційні явища, а й інші механічні фактори: акустичні мікропотоки, локальні перепади тиску, турбулізація потоку та зсувні напруження. Проте основним механізмом руйнування клітин є саме кавітація. У зоні дії ультразвуку утворюються кавітаційні бульбашки, які при схлопуванні створюють локальні високі тиски, ударні хвилі та мікрострумені. Саме ці процеси призводять до пошкодження клітинних оболонок Chlorella та вивільнення внутрішньоклітинних ліпідів.
1 – випромінювач (УЗД-700-35), 2 – резонатор (УЗД-700-35), 3 – фланці з’єднувальні, 4 – патрубок герметичний, в якому проходить процес руйнування мікроводоростей, 5 – зразкова балія, 6 – кришка зразкової балії, 7 – штуцери, 8 – 36 насос перистальтичний, 9 – силіконові труби, 10 – пульт керування, 11 – дроти від пульту керування.
a – 3D модель; b – схема доменів із зазначеними розмірами.
1 – структурний домен; 2 – акустичний домен (в рідині)
Ринкова та економічна привабливість
Розробка має високу ринкову привабливість завдяки зростанню попиту на біопаливо та технології переробки мікроводоростей. Використання ультразвукової деструкції дозволяє підвищити вихід ліпідів, зменшити тривалість обробки та енергетичні витрати порівняно з традиційними методами. Технологія може застосовуватись у біотехнології, енергетиці та екологічних проєктах, а також має потенціал для масштабування у промислових умовах.
Основні переваги (сильні сторони) розробки
- Переваги: рівномірна циркуляція суспензії через герметичний патрубок, менші енерговтрати, відсутність застійних зон, стабільне руйнування клітин і придатність до масштабування.
- Аналоги: Ultrasonication to improve algae cell disruption and extraction. https://www.hielscher.com/ultrasonication-to-improve-algae-cell-disruption-and-extraction.htm; Qsonica. (n.d.). Qsonica sonicators. Retrieved from https://www.qsonica.com/
Основні характеристики
| Ультразвуковий випромінювач: | |
| Частота | 20-40 кГц, |
| Потужність | 100-300 Вт |
Стан готовності
- Лабораторний зразок випробуваний
- Режими дослідного виробництва реалізований
- Оцінка доступності матеріалів і процесів виконана
- Схеми базових бізнес-процесів визначені
- Переваги продукту уточнені
- Оцінка корисності проведена
- Переваги: замкнений контур із герметичним патрубком і перистальтичним насосом забезпечує рівномірний вплив ультразвуку, зменшує застійні зони та підвищує ефективність руйнування клітин і виділення ліпідів.
- Ризики: нерівномірне акустичне поле, теплові втрати, перегрів і деградація ліпідів при надмірній потужності, а також знос зонда й складність масштабування.
Інформація про розробників
Наукова група ФБТ-БТІ.
Що потрібно для просування розробки
Патентування, інвестиції, промислові партнери та масштабування експериментальної установки.