Výzkumná skupina řasové a mikrobiální biotechnologie

Tento výzkum byl zaměřen na problematiku sklízení jednobuněčných řas, neboť tento krok je během produkce řasové biomasy pro potravinářské účely jeden z energeticky nejnáročnějších. Chlorella vulgaris, jako typický zástupce jednobuněčných řas hojně využívaný jako potravinový a krmivový doplněk, má buňky o průměru přibližně 10 μm. Díky této malé velikosti tvoří buňky stabilní suspenzi, sedimentují velice pomalu a jejich filtrace je velice obtížně proveditelná. V praxi je proto nejčastěji používanou metodou sklízení centrifugace na talířových odstředivkách, která má ovšem vysokou spotřebu elektrické energie. Výzkum pod vedením Dr. Brányikové nedávno publikovaný v prestižním biotechnologickém časopise Bioresource Technology byl zaměřen na studium využití elektrokoagulace jako alternativního způsobu sklízení řas, který by mohl vést k významnému snížení energetických nákladů procesu.

Elektrokoagulace je jev, kdy jsou do řasové suspenze vloženy kovové elektrody, anoda se díky přivedenému elektrickému proudu pomalu rozpouští, přičemž dochází k uvolňování kationtů kovu do roztoku. Vzhledem k tomu, že řasové buňky jsou negativně nabité, dochází k elektrostatické interakci s pozitivně nabitými ionty, což vede k agregaci buněk do shluků, které již mají dobré sedimentační vlastnosti. V práci byl studován vliv řady parametrů na účinnost tohoto procesu, jeho energetickou náročnost a míru “kontaminace“ sklizené biomasy elektrodovým materiálem (v tomto případě železem). Naprosto novým a dosud nikde nepublikovaným výsledkem je zjištění, že při aplikaci optimalizovaných podmínek procesu je možné udržet obsah železa v biomase na takové úrovni, že získaná biomasa vyhovuje legislativním požadavkům kladeným na potraviny. Unikátní je také zjištění, že zařazení elektrokoagulace jako předkoncentračního kroku před centrifugaci ušetří téměř 90% energetických nákladů na separaci biomasy.

• Lucáková S., Brányiková S., Kováčiková S., Pivokonský M., Filipenská M., Brányik T., Růžička M., Electrocoagulation reduces harvesting costs for microalgae. Bioresour. Technol. 323, 124606, 2021. DOI

Chlorella je rod jednobuněčných mikroskopických řas často využívaných v potravinářství a krmivářství, v dnešní době je běžně dostupná v maloobchodní síti ve formě sušeného prášku nebo tablet. Přestože produktivita  chlorelly je řádově vyšší než u zemědělských plodin, její biomasa je stále výrazně dražší než potraviny produkované tradičním zemědělstvím. Jedním z důvodů je nákladná separace biomasy od kultivačního média. Buňky chlorelly jsou kokální s průměrem kolem 10 µm, proto v kultivačním médiu vytvářejí stabilní koloidní suspenzi a na jejich separaci není možné efektivně využít nízkonákladové separační metody jako jsou sedimentace či filtrace. Nejčastěji je používána energeticky velmi náročná centrifugace. 

Nedávno publikovaný výzkum navazuje na článek z roku 2020 „Electrocoagulation reduces harvesting costs for microalgae“, ve kterém bylo prokázáno, že elektrokoagulace je využitelná jako vhodná předúprava před vlastní centrifugací a její použití vede k významnému snížení centrifugovaného objemu a tím energetických nákladů. V aktuálním navazujícím článku bylo popsáno konstrukční řešení a testování inovativní průtočné elektrokoagulační jednotky s pracovním objemem 160 litrů; jejíž návrh vycházel z poznatků získaných během předchozí parametrické studie procesu v laboratorním měřítku. Zkonstruovaný průtočný reaktor se skládá ze tří funkčních částí – (i) elektrolyzér, (ii) agregační kanál, (iii) lamelový usazovák – ve kterých dochází k (i) elektrolytickému rozpouštění železné anody (dávkování koagulačního činidla), (ii) vzniku agregátů buněk při toku buněčné suspenze aerovaným kanálem s vertikálními perforovanými přepážkami a (iii) sedimentaci agregátů v lamelovaném usazováku. Bylo ověřeno, že v tomto zařízení je možné dosáhnout vysoké účinnosti separace (>85 %), nízké kontaminace sklizené biomasy železem (<4 mg/g suché biomasy – sklizená biomasa tedy vyhovuje legislativním požadavkům na potraviny) a zároveň úspor energie vyšších než 80 % v porovnání se sklízením pouze pomocí centrifugace.

• Lucáková S., Brányiková I., Kováčiková S., Masojídek J., Ranglová K., Brányik T., Růžička M.C., Continuous electrocoagulation of Chlorella vulgaris in a novel channel-flow reactor: A pilot-scale harvesting study. Bioresour. Technol. 351, 126996, 2022. DOI

• Lucáková S., Brányiková I., Hayes M., Microalgal proteins and bioactives for food, feed, and other applications, Appl. Sci. 12, 4402, 2022. DOI
• Lucáková S., Brányiková I., Brányik T., Matoulková D., Krausová G., Wastewater from demineralization of cheese whey for cost-efficient cultivation of spirulina, J. Appl. Phycol. 34, 89, 2021. DOI
• Brányiková I., Lucáková S., Kuncová G., Trögl J., Synek V., Rohovec J., Navrátil T., Estimation of Hg(II) in soil samples by bioluminescent bacterial bioreporter E. coli ARL1, and the effect of humic acids and metal ions on the biosensor performance, Sensors 20, 3138, 2020. DOI
• Potočár T., Pereira J. A. V., Brányiková I., Barešová I., Pivokonský M., Brányik T., Alkaline flocculation of Microcystis aeruginosa induced by calcium and magnesium precipitates, J. Appl. Phycol. 32, 1-4, 2020. DOI
• Brányiková I., Lucáková S., Technical and physiological aspects of microalgae cultivation and productivity—spirulina as a promising and feasible choice, Org. Agric. 11, 269–276, 2021. DOI
• De Souza L., Daniel L. A., Pivokonský M., Novotná K., Brányiková I., Brányik T., Interference of model wastewater components with flocculation of Chlorella sorokiniana induced by calcium phosphate precipitates, Bioresour. Technol. 286, 121352, 2019. DOI
• Brányiková I., Procházková G., Potočár T., Ježková Z., Brányik T., Harvesting of microalgae by flocculation. Fermentation 4, 93, 2018. DOI
• Brányiková I., Filipenská M., Urbanová K., Růžička M., Pivokonský M., Brányik T., Physicochemical approach to alkaline flocculation of Chlorella vulgaris induced by calcium phosphate precipitates. Colloids Surf. B 166, 54-60, 2018. DOI