Гомогенизация и сепарация клеток микроводорослей: технологии для эффективной переработки

Предварительное культивирование микроводорослей

Цель гомогенизации микроводорослей

Плунжерный гомогенизатор позволяет механически разрушить клеточные стенки под воздействие высокого давления и высвободить внутриклеточное содержимое. Это особенно важно для таких водорослей, как хлорелла, сценедесмус и гематококкус, чьи оболочки устойчивы к ферментам и кислотам. В результате гомогенизации:

• повышается усвояемость продукта (биодоступность может возрастать с 15–20% до 80–90%);
• обеспечивается однородная консистенция суспензии;
• улучшается эффективность последующей сушки, экстракции или капсулирования;
• снижается микробная нагрузка.

Рекомендуемые температуры обработки по штаммам и особенности водорослей:

Сепарация после или вместо гомогенизации: декантеры и сепараторы-очистители

После гомогенизации суспензия содержит разрушенные оболочки, нерастворимые остатки и растворённые нутриенты. Для их разделения мы применяем:

1. Декантерные центрифуги

• Используются для выделения концентрированной пасты из суспензии;
• Отделяют твёрдую фазу (разрушенные клетки) от жидкой (вода с растворёнными веществами);
• Могут использоваться как на этапе после гомогенизации, так и для предварительной концентрации биомассы.
• Более дорогой метод по сравнению с сепарацией, так как выше стоимость самого оборудования.

2. Сепараторы-очистители

• Удаляют мелкие механические примеси, остатки оболочек, песок и тяжёлые включения;
• Повышают прозрачность жидкой фазы перед сушкой или фильтрацией;
• Могут применяться вместо гомогенизации, если требуется просто разделить целые клетки от среды — например, для повторного культивирования или щадящего извлечения метаболитов.
• Эффективно отделяют частицы и клетки размером от 0,5 до 10 мкм, включая хлореллу, сценедесмус и наннохлоропсис, при скорости вращения от 8000 до 9500 об/мин;
• Более доступны по цене: например, сепаратор-очиститель молока Ж5-ПЛАВА-ОСК-1 стоит от 365 700 ₽, тогда как промышленные декантеры значительно дороже в эксплуатации.

Дополнение: В ряде случаев возможна комбинация методов: предварительная концентрация биомассы с помощью декантера, последующая гомогенизация, а затем очистка жидкой фазы сепаратором-очистителем. Такой подход повышает выход целевых компонентов и позволяет более точно контролировать параметры продукта. При выборе технологии важно учитывать не только стоимость оборудования, но и структуру клеток, чувствительность действующих веществ к температуре и механическим воздействиям, а также требуемую степень очистки конечного продукта.

Когда нужна гомогенизация?

• Если необходимо разрушить клеточные стенки и извлечь нутриенты;
• При производстве концентратов, пюре, напитков, содержащих растворённые пигменты, белки и антиоксиданты;
• При работе с хлореллой, сценедесмусом, гематококкусом.

Когда достаточно только сепарации?

• Если требуется отделить клетки от культуральной среды (например, для повторного культивирования или мягкого сбора метаболитов);
• Когда важна сохранность целостных клеток (в косметике или пробиотических продуктах);
• Если структура водорослей мягкая (например, спирулина);

Технологическая схема и оборудование

Для реализации процессов переработки микроводорослей на предприятии могут использоваться:

• Пищевые насосы ОНЦ — для подачи суспензии из ёмкостей или реакторов в гомогенизаторы и сепараторы;
• Диспергаторы РПА — для предварительного измельчения биомассы и снижения последующей нагрузки на гомогенизатор;
• Плунжерные гомогенизаторы — основное оборудование для разрушения клеток при высоком давлении;
• Сепараторы-очистители — для отделения оболочек, клеточных остатков, песка после гомогенизатора;
• Фильтры 0.5–1 мкм — для тонкой очистки жидкости перед сушкой, капсулированием или экстракцией.

Типовые схемы с участием бактерий и микроводорослей

• Биоферментация: культивация бактерий/водорослей → отделение культуры от среды (сепаратором) → фильтрация или гомогенизация → экстракция активных веществ.
• Производство кормов: микроводоросли концентрируются сепаратором → при необходимости гомогенизируются → сушатся или диспергируются → добавляются в состав кормов.
• Получение биомассы для косметики: щадящая сепарация без разрушения клеток → концентрат → пастеризация → упаковка.

Типовые сферы применения переработанных бактерий и микроводорослей

• Биодобавки и витаминные комплексы;
• Компоненты спортивного и детского питания;
• Косметические препараты (экстракты, пигменты);
• Функциональные продукты питания (йогурты, напитки, батончики);
• Биотопливо и корма для аквакультуры.

Кейс: производство напитка из хлореллы для продажи на маркетплейсах

Задача: Организовать непрерывный процесс производства бионапитка из хлореллы объёмом 1000 л/ч, с максимальным извлечением питательных веществ, сохранением пигментов и удалением клеточных остатков. Требуется добиться высокой степени однородности и безопасности продукта без применения химических реагентов.

Исходные условия:

• Объём обработки: 1000 л/ч
• Штамм: Chlorella vulgaris
• Температура суспензии на подаче: +20 °C
• Концентрация биомассы: 3–5 %
• Целевые компоненты: белки, хлорофилл, витамины группы B

Оборудование:

• Пищевой насос для подачи суспензии
• Плунжерный гомогенизатор 1250 л/ч, 110 МПа (2 цикла)
• Теплообменник проточный (охлаждение до 25 °C после гомогенизации)
• Сепаратор-очиститель Ж5-ПЛАВА-ОСК-1 (1000 л/ч)
• Фильтр глубокой очистки (0,5 мкм)

Технологическая последовательность:

1. Подача суспензии из биореактора насосом в гомогенизатор
2. Двухступенчатая гомогенизация: повышение температуры продукта с 20 °C до ~46 °C
3. Мгновенное охлаждение до 25 °C в теплообменнике (не более 3–5 минут на 1000 л)
4. Сепарация на ОСК-1: удаление остатков оболочек и механических частиц
5. Фильтрация: доочистка раствора от мелкодисперсных фрагментов клеток
6. Резервуар / пастеризация / розлив

Результат:

• Разрушение более 90 % клеток (по микроскопии)
• Увеличение выхода водорастворимой фракции в 3,2 раза по сравнению с необработанной суспензией
• Прозрачность напитка улучшена на 70 % (визуально и по показателю мутности)
• Температурный контроль позволил сохранить до 80 % хлорофилла и до 95 % витаминов группы B
• Стоимость 1 л готового напитка снижена на 20 % по сравнению с декантерной схемой

Преимущества применённой схемы:

• Сепаратор Ж5-ПЛАВА-ОСК-1 в 3–4 раза дешевле декантера и не требует высокой энергонагрузки
• Возможность работать без гомогенизации — для мягкой очистки от среды культивирования
• Гибкость: схема адаптируется под другие водоросли и бактериальные культуры

Часто задаваемые вопросы по переработке микроводорослей

Заключение