MATHEMATICAL MODEL OF HIGH PURITY C-PHYCOCYANIN EXTRACTION FROM SPIRULINA PLATENSIS

Abstract

C-Phycocyanin (CPC) is a high-value bioproduct created by blue-green algae Spirulina platensis. It is widely used in various industries, such as, in food pharmaceutical and cosmetics industries. This study aimed to develop a high purity C-phycocyanin extraction process from the upstream (farming) to the middle stream (processing), of spirulina chain production to produce high purity CPC extracts to develop into further products.

The fed-batch cultivation was applied as a strategy to enhance growth and CPC accumulation. In this study, Spirulina platensis was cultured in the batch and fed-batch to investigate CPC production. On batch cultivation, it was found that increasing nitrogen source concentration led to an increase in CPC accumulation. The maximum CPC concentration (2.258 g/L) occurred when NaNO3 was 3.5 g/L. The results indicate that the maximum CPC production (4.354 g/L) and productivity (97.53 mg/L·d) were obtained when using fed-batch with the NH4HCO3 2.0 mM. Kinetic model to describe the Spirulina platensis culture system, including cell growth, CPC formation, as well as nitrogen consumption, was proposed and found in good agreement with the experimental results. It can be employed to predict the production of biomass, CPC, and the consumption of nitrogen in culture.

For extraction, The Aqueous Two-Phase Extraction (ATPE) is to purify of CPC extract was studied. The polyethylene glycol and potassium phosphate were used to purify CPC. Also, the effect of temperature differences with the ATPE process was applied to improve the efficiency of purification. The influence of various temperature gradient (TG) of process on purity (EP) partitioning and diffusion coefficient were evaluated. The optimal conditions for CPC purification was found at TG25. The CPC purity increased to 2.337 from an initial purity of 1.106. The concentration and recovery yield reached highest value with TG25 (13.932 g/L and 91.18, respectively), which were significantly higher than those of the conventional process. The TG necessarily affected the fluid viscosity variable, possibly due to a decrease in viscosity of the mixture, and increases in the solvent solubility and diffusion capacity. The isothermal diffusion coefficient (Di) significantly increases with TG. The Soret effect (ST) and thermal diffusion coefficient (DT) was obtained at the high TG, but it should be less than 25.

A mathematical model of CPC purification using ATPE method at constant temperature conditions. (Conventional method) and ATPE on the temperature gradient process was studied to explain the behavior of the phase separation of the process. The chemical potential was an indicator of a system, when the system reaches equilibrium. The chemical potential in both the upper and lower phases have the same. The mathematical model can predict the partition coefficient and purity of the extract with the error less than 10%.

Finally, ATPE on the temperature gradient prototype concept design was proposed The investment of ATPE extractor was approximately 1,200,000 Bahts. To produce the pure CPC as powder with capacity of 1,200 g/days. The result found that the simple payback period for the extractor was about 2 year.

ซี-ไฟโคไซยานิน (CPC) เป็นสารสีธรรมชาติที่สามารถสร้างได้จากสาหร่ายสไปรูลินา ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายทั้งในอุตสาหกรรมอาหาร ยา และเครื่องสำอาง ในการศึกษานี้จึงมุ่งเน้นที่จะศึกษาและพัฒนากระบวนการผลิตสารสกัดซี-ไฟโคไซยานินที่มีความบริสุทธิ์สูงตั้งแต่ต้นน้ำ (การเลี้ยง) ไปจนถึงกลางน้ำ (กระบวนการผลิต) ของห่วงโซ่การผลิตสาหร่ายสไปรูลินา เพื่อให้ได้สารสกัดซี-ไฟโคไซยานินความบริสุทธิ์สูงที่จะสามารถนำไปพัฒนาต่อยอดเป็นผลิตภัณฑ์ต่อไปได้

การเพาะเลี้ยงแบบเป็นรอบที่มีการเติมสารอาหาร (Fed-batch cultivation) คือการเพาะเลี้ยงที่มีการเติมสารอาหารเพิ่มระหว่างการเลี้ยงซึ่งเป็นกลยุทธ์ที่ถูกใช้เพื่อช่วยเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตและการสะสมสารซี-ไฟโคไซยานินภายในเซลล์ของสาหร่าย โดยในการศึกษานี้ได้ศึกษาการเลี้ยงแบบเป็นรอบ (Batch cultivation) เทียบกับการเลี้ยงแบบเป็นรอบที่มีการเติมสารอาหาร พบว่า ในการเลี้ยงแบบเป็นรอบเมื่อเพิ่มปริมาณไนโตรเจน สามารถช่วยเพิ่มการสะสมสารซี-ไฟโคไซยานินได้และค่าสูงสุดคือ 2.258 g/L เมื่อเลี้ยงด้วยโซเดียมไนเตรตความเข้มข้น 3.5 g/L สำหรับการเลี้ยงแบบเป็นรอบที่มีการเติมสารอาหาร จะได้ปริมาณสารซี-ไฟโคไซยานินสูงสุดและค่าผลิตภาพ (Productivity) คือ 4.354 g/L และ 97.53 mg/L.d ตามลำดับ เมื่อเติมด้วยแอมโมเนียมไบคาร์บอเนตความเข้มข้น 3.0 mM โดยแบบจำลองจลนศาสตร์สามารถอธิบายอัตราการเจริญเติบโตและการสะสมสารซี-ไฟโคไซยานินที่สัมพันธ์กับปริมาณไนโตรเจนที่เหลืออยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การสกัดด้วยสารละลายน้ำสองสถานะ (Aqueous Two Phase Extraction: ATPE) เป็นกระบวนการทำบริสุทธิ์ที่มีประสิทธิภาพสูง เมื่อใช้สารละลายโพลีเอทิลีนไกลคอลร่วมกับสารละลายโพแทสเซียมฟอตเฟส นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้วิธี ATPE ร่วมกับการลาดชันของอุณหภูมิ (Temperature gradient: TG) เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดให้มากยิ่งขึ้น โดยศึกษาผลของการลาดชันของอุณหภูมิ (TG) ที่มีต่อค่าความบริสุทธิ์ (Extract purity: EP) การแยกเฟส และสัมประสิทธิ์การแพร่มวลสาร ซึ่งพบว่า สภาวะที่ดีที่สุดของการทำบริสุทธิ์คือการใช้ TG25 โดยค่าความบริสุทธิ์ของสารสกัดซี-ไฟโคไซยานินเพิ่มขึ้นจาก 1.106 เป็น 2.337 ความเข้มข้นและผลผลิต (Recovery yield) เป็น 13.932 g/L และ 91.18% ตามลำดับ ซึ่งมากกว่าวิธีการแบบทั่วไป (ไม่มีผลของ TG) อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ เนื่องจาก TG ส่งผลต่อค่าความหนืดของระบบ โดยเมื่อค่าความหนืดของสารค่าลดลงจะทำให้ความสามารถในการละลายเพิ่มมากขึ้นและนอกจากนั้นยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแพร่ของสารมากขึ้นอีกด้วย โดยงานวิจัยนี้ยังได้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงสัมประสิทธิ์การแพร่ (Diffusion coefficient) เมื่อ TG เปลี่ยนแปลงไป โดยพบว่า ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ที่อุณหภูมิคงที่ (Isothermal diffusion coefficient: Di) ค่า Soret effect (ST) และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ความร้อน (Thermal diffusion coefficient: DT) มีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อค่า TG สูงขึ้นแต่ไม่ควรเกิน 25 นั้นแสดงให้เห็นว่าทำไมการใช้การลาดชันของอุณหภูมิจึงสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการทำบริสุทธิ์ได้

แบบจำลองการทางคณิตศาสตร์ของการทำบริสุทธิ์สารสกัดซี-ไฟโคไซยานินด้วยการใช้วิธี ATPE ที่สภาวะอุณหภูมิคงที่ (วิธีการแบบดั้งเดิม) และวิธีการ ATPE ร่วมกับ TG สามารถอธิบายได้โดยพฤติกรรมของการแยกเฟสของสารผสมเมื่อกระบวนการเข้าสู่สมดุลทางเคมี โดยศักย์ทางเคมีเป็นตัวบ่งชี้ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระบบ ระบบจะเข้าสู่สมดุลก็ต่อเมื่อทั้งเฟสบนและเฟสล่างมีศักย์ทางเคมีที่เท่ากัน และสามารถทำนายสัมประสิทธิ์ของการแยกและความบริสุทธิ์ของสารสกัดได้อย่างแม่นยำโดยมีค่าความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 10%

ท้ายที่สุด การออกแบบเชิงแนวคิดของต้นแบบเครื่องทำบริสุทธิ์สารสกัดไฟโคไซยานินด้วยวิธีการ ATPE ร่วมกับ TG โดยสามารถวิเคราะห์ต้นทุนของเครื่องต้นแบบราคาประมาณ 1,200,000 บาท และการวิเคราะห์เศรษฐศาสตร์วิศวกรรมสำหรับผลิตภัณฑ์สารสกัดซี-ไฟโคไซยานินผงบริสุทธิ์ที่กำลังการผลิต 1,200 กรัมต่อวัน จะได้ระยะเวลาคืนทุนอยู่ที่ประมาณ 2 ปี ซึ่งสามารถนำไปใช้ประกอบการตัดสินใจลงทุนของผู้ประกอบการได้