KR20140020285A - 2 용매법에 의한 극성 지질의 추출 - Google Patents

2 용매법에 의한 극성 지질의 추출 Download PDF

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Abstract

양친매성 용매 세트 및 소수성 용매 세트를 사용하는, 극성 지질을 식물 재료, 특히, 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법. 일부 구현예는 탈수 온전한 조류 세포를 탈수시키고 그 다음 극성 지질을 조류 세포로부터 추출하는 것을 포함한다. 상기 방법은 추출 혼합물의 에멀젼화를 피하면서 습성 조류 바이오매스로부터 조류 극성 지질의 효율적인 분리를 허용하는 단일 및 다단계 추출 공정을 제공한다. 이들 극성 지질은 표면활성제, 세제, 및 식품 부가물로서 사용될 수 있는 고가 생성물이다. 극성 지질의 추출 후 조류 바이오매스에 남아 있는 중성 지질은 재생가능 연료를 산출하기 위해 사용될 수 있다.

Description

2 용매법에 의한 극성 지질의 추출 {EXTRACTION OF POLAR LIPIDS BY A TWO SOLVENT METHOD}
관련 출원들의 교차참조
본원은 미국 가출원 번호 61/321,290 (2010년 4월 6일 출원, 명칭 Extraction with Fractionation of Oil and Proteinaceous Material from Oleaginous Material), 및 미국 가출원 번호 61/321,286 (2010년 4월 6일 출원, 명칭 Extraction With Fractionation of Oil and Co-Products from Oleaginous Material)의 이점을 주장하는 미국 특허 출원 번호 13/081,197 (2011년 4월 6일 출원, 명칭 Extraction with Fractionation of Oil and Proteinaceous Material from Oleaginous Material)의 일부계속인 미국 특허 출원 번호 13/286,889 (2011년 11월 1일 출원, 명칭 Extraction of Polar Lipids by a Two Solvent Method)에 대해 우선권을 주장하고, 이들 전체의 내용은 참고로 본원에 포함되어 있다.
발명의 분야
본 발명은 오일 및 단백질을 비제한적으로 포함하는 조류 생성물을 추출 및 분별하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템은 극성 지질의 분리에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법은 습성 조류 바이오매스를 처리하기 위해 양친매성 및 소수성 용매에 의한 단계 추출 및 분획화를 이용한다.
발명의 배경
석유는 탄화수소로 주로 구성된 천연 자원이다. 석유계 오일을 지구로부터 추출하는 것은 비싸고 위험하며 종종 환경을 희생한다. 또한, 오일의 전 세계적인 저장기는 빠르게 줄어들고 있다. 비용은 석유계 오일을 사용가능한 연료 예컨대 가솔린 및 제트 연료로 전환하는데 필요한 수송 및 처리로 인해 또한 누적된다.
조류는 지속가능한 바이오연료를 생산하는데 사용될 수 있는 지질을 생산하기 위해 최근에 주어진 그의 능력에서 유의미한 중요성을 얻었다. 이러한 능력은 재생가능 연료를 생산하고, 세계적인 기후 변화를 감소시키며 폐수를 처리하기 위해 착취될 수 있다. 바이오연료 공급원료로서 조류의 우월성은 다양한 인자로부부터 생기고, 이 인자는, 전형적인 육생 오일 농작물과 비교하여 높은 에이커당 생산성, 비-음식 기반 공급원료 자원, 달리 비-생산적인, 비-경작지의 사용, 다양한 물 공급원 (새로운, 염분있는, 식염수, 및 폐수)의 이용, 바이오연료 및 귀중한 부산물 예컨대 카로테노이드 및 클로로필 모두의 생산을 포함한다.
수천 종의 조류는 과거 수십 년에 걸쳐 전세계적인 지질 생산에 대해 스크리닝 및 연구되었다. 이들 중에서, 지질 생산이 풍부한 약 300종이 확인되었다. 지질 조성물 및 함량은 상이한 단계의 수명 주기에서 변하고 환경 및 배양 조건에 의해 영향을 받는다. 추출을 위한 전략 및 접근법이 이용된 별개의 조류 종/균주에 따라 오히려 상이한 것은, 생화학적 조성물에서의 상당한 가변성 및 조류 세포벽의 물리적 특성 때문이다. 종래의 신체적 추출 공정, 예컨대 압출은 세포벽의 두께 및 작은 크기 (약 2 내지 약 20nm)의 조류 세포를 고려하면 조류와 잘 결합되지 않는다. 또한, 조류 오일 중 다량의 극성 지질은, 씨앗으로부터 회수된 전형적인 오일과 비교하여, 정제 사안이 남는다.
수확 시, 배양물 중 전형적인 조류 농도는 그 범위가 약 0.1-1.0 % (w/v)이다. 이것은, 1000 배 양의 물 / 조류의 단위 중량이 오일 추출을 시도하기 전에 제거되어야 한다는 것을 의미한다. 현재, 지질생산성 물질에 대한 현존하는 오일 추출 방법은 추출된 오일의 수율 및 질을 개선하기 위해 거의 완전한 건조 공급물을 엄격히 필요로 한다. 충분히 건조하기 위해 조류 덩어리를 가열하는데 필요한 에너지의 양으로 인해, 바이오연료 공정에 대한 조류 공급물은 비경제적인 것으로 만든다. 전형적으로, 공급물은 추출을 향상시키기 위해 고온에서 압출되거나 벗겨진다. 이들 단계는 조류의 단일 세포 측미법 본성으로 인해 현존하는 장비와 잘 결합되지 않을 수 있다. 또한, 조류 오일은 이중 결합 장쇄 지방산의 존재로 인해 아주 불안정하다. 종래의 추출 방법에서 사용된 고온은 오일의 분해를 야기하고, 이로써 그와 같은 방법의 비용이 증가하게 된다.
용매로서 헥산을 사용하여 건조된 조류 덩어리로부터 오일을 추출하는 것은 당해기술에 공지되어 있다. 이러한 공정은 에너지 집약적이다. 건조하기 위해 열 및 추출하기 위해 헥산의 사용은, 이러한 유형의 처리가 지질 및 단백질 분해를 야기하는 바와 같이 더 낮은 질의 생성물을 생산한다.
조류 오일 추출은 2개의 유형: 분열성 또는 비-분열성 방법으로 분류될 수 있다.
분열성 방법은 기계적, 열, 효소 또는 화학 방법에 의한 세포 용해를 수반한다. 대부분의 분열성 방법으로 에멀젼이 생기는데, 이는 비싼 세정 공정을 필요로 한다. 조류 오일은 중성 지질의 에멀젼화를 향상시키는 큰 백분율의 극성 지질 및 단백질을 함유한다. 에멀젼화는 용액에 남아 있는 영양소 및 염 성분에 의해 추가로 안정된다. 에멀젼은, 대규모 정제가 바이오연료로 전환되는 공급물인 중성 지질을 단리하기 위해 처리하는 중성 지질, 극성 지질, 단백질, 및 다른 조류 생성물을 함유하는 복합 혼합물이다.
비-분열성 방법은 낮은 수율을 제공한다. 밀킹(milking)은 성장하는 조류 배양물로부터 지질을 추출하기 위해 용매 또는 화합물질의 사용이다. 조류 생성물을 추출하기 위해 때때로 사용되지만, 밀킹은 용매 독성 및 세포벽 붕괴로 인해 조류의 일부 종과 결합될 수 있다. 이러한 문제는 포괄적인 공정의 개발을 어렵게 만든다. 또한, 필요한 용매의 용적은 배지에서 용매의 최대 달성가능한 농도로 인해 천문학적이다.
따라서, 이들 약점을 극복하기 위해, 조류 생성물, 특히 조류 오일, 조류 단백질, 및 조류 카로테노이드를 추출 및 분별하기 위한 개선된 방법 및 시스템에 대해 당해기술에서 필요가 있다. 이러한 공정은 매우 비-극성 용매를 추출 시스템에 도입하여 추가로 개선될 수 있고, 이로써 추출에 사용된 모든 용매를 증발시키고 재순환시키는 비용을 피한다.
발명의 간단한 요약
본 명세서에 기재된 구현예는, 일반적으로 예를 들면, 조류 바이오매스를 포함하는 지질생산성 물질로부터 가변 극성의 지질을 추출하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 기재된 구현예는 가변 극성의 용매 및/또는 일련의 막 필터를 사용하여 조류 바이오매스로부터 가변 극성의 지질을 추출하는 것에 관한 것이다. 일부 구현예에서, 필터는 마이크로필터이다.
본 발명의 일부 구현예에서, 단일 용매 및 물은 지질생산성 물질에 존재하는 성분을 추출 및 분별하기 위해 사용된다. 다른 구현예에서, 이들 성분은 비제한적으로 하기를 포함한다: 단백질, 극성 지질, 및 중성 지질. 또 다른 구현예에서, 하나 초과의 용매가 사용된다. 또 다른 구현예에서, 용매의 혼합물이 사용된다. 개시된 방법은 습성 조류 바이오매스의 성분의 분리 및 분획화를 허용한다. 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법의 또 하나의 측면은 예비 정제를 달성하기 위한 능력인데, 그 이유는, 시스템 중 소수성 용매가 선택적으로 생성물을 지질 및 비-지질 성분으로 추가로 분리하기 때문이다. 사용된 양친매성 용매의 양은 시스템에서 물의 양에 의존할 것이다. 소수성 용매의 양은 용매를 제거하기 위해 후 처리를 감소시키기 위해 최소화된다.
일부 구현예에서, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 지질생산성 물질로부터 지질의 부산물을 추출하는데 유용하다. 그와 같은 부산물의 예는 단백질성 물질, 클로로필, 및 카로테노이드를 비제한적으로 포함한다. 본 발명의 구현예는 연료 및 영양 생성물 모두의 생산을 허용하는 방식으로 조류 바이오매스로부터 조류 생성물의 동시 추출 및 분획화를 허용한다.
본 발명의 일 구현예 하에서, 지질생산성 물질로부터 지질생산성 및 단백질성 물질의 분획화에 의항 추출 방법이 제공된다.
또 하나의 구현예 하에서, 실질적으로 온전한 조류 세포를 포함하는 조류 바이오매스로부터 생성물을 선택적으로 제거하는 방법은 하기를 포함한다: 조류 바이오매스 및 제1 용매 세트를 결합하여 제1 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제1 추출 혼합물은 제1 실질적 고체상 및 제1 액체상을 포함하는 단계; 상기 제1 추출 혼합물의 제1 액체상의 적어도 일부를 제1 실질적 고체상으로부터 분리하는 단계; 제1 추출 실질적 고체상 및 제2 용매 세트를 결합하여 제2 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제2 추출 혼합물은 제2 실질적 고체상 및 제2 액체상을 포함하고, 상기 제2 추출 혼합물은 상기 제1 추출 혼합물보다 극성이 적은 단계; 상기 제2 추출 혼합물의 제2 액체상의 적어도 일부를 제2 실질적 고체상으로붙 분리하는 단계; 제2 추출 실질적 고체상 및 제3 용매 세트를 결합하여 제3 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제3 추출 혼합물은 제3 실질적 고체상 및 제3 액체상을 포함하고, 상기 제3 추출 혼합물은 상기 제2 추출 혼합물보다 극성이 적은 단계; 및 상기 제3 추출 혼합물의 제3 액체상의 적어도 일부를 제3 실질적 고체상으로부터 분리하는 단계.
본 발명의 일부 측면에서, 본 방법은 제1 용매 세트의 적어도 일부를 제1 액체상의 분리된 부분으로부터 제거하여 제1 추출 생성물을 얻는 단계를 추가로 포함한다. 다른 측면에서, 본 방법은 제2 용매 세트의 적어도 일부를 제2 액체상의 분리된 부분으로부터 제거하여 제2 추출 생성물을 얻는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 측면에서, 본 방법은 제3 용매 세트의 적어도 일부를 제3 액체상의 분리된 부분으로부터 제거하여 제3 추출 생성물을 얻는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 측면에서, 용매 세트는 수혼화성 또는 수불혼화성 용매를 포함한다. 일부 측면에서, 용매 세트는 2개의 수혼화성 또는 2개의 수불혼화성 용매를 포함한다. 다른 측면에서, 용매 세트는 1 이상의 수혼화성 용매 및 1 이상의 수불혼화성 용매를 포함한다. 또 다른 측면에서, 제1, 제2 및/또는 제3 추출 혼합물은 그의 비점 미만의 온도로 가열된다. 추가 측면에서, 추출 혼합물은 대기압 초과의 압력 하에 있다. 일부 측면에서, 제1, 제2, 및 제3 용매 세트 중 적어도 하나는 1 이상의 양친매성 용매를 포함한다. 더욱 추가의 측면에서, 1 이상의 수혼화성 용매 중 적어도 하나는 하기로 이루어진 그룹으로부터 선택된다: 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 아세토니트릴. 다른 측면에서, 제1, 제2, 및 제3 용매 세트 중 적어도 하나는 에탄올을 포함한다. 또 다른 측면에서, 용매 세트는 1:1 중량/중량비로 바이오매스에 부가된다.
다른 측면에서, 조류 바이오매스를 포함하는 세포는 건조 또는 파열되지 않는다. 또 하나의 측면에서, 조류 바이오매스는 냉동되지 않는다. 본 발명의 또 하나의 측면에서, 본 방법은 제1, 제2, 및 제3 추출 혼합물의 적어도 하나의 pH를 조정하여 단백질 추출을 최적화하는 것을 추가로 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에서, 조류 바이오매스는 동시에 적어도 부분적으로 탈수되고, 한편 생성물은 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출된다. 본 발명의 또 다른 측면에서, 제1, 제2, 및 제3 추출 실질적 고체상은 실질적으로 온전한 조류 세포를 포함한다.
본 발명의 구현예는 극성 지질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 하기를 포함한다: 극성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계, 세포외 물의 제거로 상기 습성 조류 바이오매스를 탈수하여 습성 조류 바이오매스의 고형물 함량을 약 5% w/w 내지 약 50% w/w로 증가시키고 이로써분적으로 탈수된 습성 조류 바이오매스를 얻는 단계, 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 양친매성 용매 세트 및 소수성 용매 세트와 혼합하여 더 무거운 상 및 더 가벼운 상을 포함하는 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 더 무거운 상은 양친매성 용매 세트 및 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 더 가벼운 상은 소수성 용매 세트 및 극성 지질을 포함하는 단계, 상기 더 무거운 상의 추출 혼합물을 상기 더 가벼운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계, 및 상기 극성 지질을 더 가벼운 상으로부터 분리하여 극성 지질 분획을 산출하는 단계.
본 발명의 일부 구현예는 단백질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 하기를 포함한다: 물, 조류 단백질 및 극성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계, 세포외 물의 제거로 상기 습성 조류 바이오매스를 탈수하여 습성 조류 바이오매스의 고형물 함량을 5% 내지 50%로 증가시키고 이로써 부분 탈수된 조류 바이오매스를 얻는 단계, 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 양친매성 용매 세트 및 소수성 용매 세트와 혼합하여 더 무거운 상 및 더 가벼운 상을 포함하는 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 여기서 상기 더 무거운 상은 물, 양친매성 용매 세트, 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스, 및 조류 단백질을 포함하고, 더 가벼운 상은 소수성 용매 세트 및 극성 지질을 포함하며, 상기 더 무거운 상의 추출 혼합물을 상기 더 가벼운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계, 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 상기 더 무거운 상의 추출 혼합물로부터 분리하여 단백질, 물 및 양친매성 용매 세트를 포함하는 단백질 혼합물, 및 단백질을 단백질 혼합물로부터 분리하여 단백질 분획을 산출하는 단계.
또 다른 구현예는 단백질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 하기를 포함한다: 물, 조류 단백질 및 극성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계, 습성 조류 바이오매스를 양친매성 용매 세트 및 소수성 용매 세트와 혼합하여 더 무거운 상 및 더 가벼운 상을 포함하는 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 여기서 상기 더 무거운 상은 물, 양친매성 용매 세트, 습성 조류 바이오매스, 및 조류 단백질을 포함하고, 더 가벼운 상은 소수성 용매 세트 및 극성 지질, 상기 더 무거운 상의 추출 혼합물을 상기 더 가벼운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계, 습성 조류 바이오매스를 상기 더 무거운 상의 추출 혼합물로부터 분리하여 단백질, 물 및 양친매성 용매 세트를 포함하는 단백질 혼합물을 산출하는 단계, 및 단백질을 단백질 혼합물로부터 분리하여 단백질 분획을 산출하는 단계.
본 발명의 추가 구현예는 중성 지질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 하기를 포함한다: 단백질, 극성 지질 및 중성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계, 상기 습성 조류 바이오매스를 제1 양친매성 용매 세트 및 제1 소수성 용매 세트와 혼합하여 제1 더 무거운 상 및 제1 더 가벼운 상을 포함하는 제1 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제1 더 무거운 상은 제1 양친매성 용매 세트, 중성 지질, 단백질, 및 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 제1 더 가벼운 상은 제1 소수성 용매 세트 및 극성 지질을 포함하는 단계, 제1 더 가벼운 상의 추출 혼합물을 상기 제1 더 무거운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계, 습성 조류 바이오매스를 제1 더 무거운 상의 추출 혼합물로부터 분리하여 중성 지질을 포함하는 분리된 습성 조류 바이오매스; 및 단백질, 물 및 제1 양친매성 용매 세트를 포함하는 단백질 혼합물을 산출하는 단계, 상기 분리된 조류 바이오매스를 제2 양친매성 용매 세트 및 제2 소수성 용매 세트와 혼합하여 제2 더 무거운 상 및 제2 더 가벼운 상을 포함하는 제2 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제2 더 무거운 상은 제2 양친매성 용매 세트 및 분리된 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 제2 더 가벼운 상은 제2 소수성 용매 세트 및 중성 지질을 포함하는 단계, 제2 더 무거운 상을 제2 더 가벼운 상으로부터 분리하는 단계, 및 상기 중성 지질을 상기 제2 더 가벼운 상으로부터 분리하여 중성 지질 분획을 산출하는 단계.
일부 구현예는 원심분리, 여과, 침강 또는 부유 분획화에 의해 수행되는 탈수를 추가로 포함한다. 또 다른 구현예는 소수성 용매 세트의 부가 전에 추출 혼합물의 극성도를 약 6.5 내지 6.7로 조정하는 양으로 양친매성 용매 세트를 무가하는 것을 포함한다. 또 다른 구현예는 양친매성 용매 세트의 부가 후에 추출 혼합물의 극성도를 약 5.7 내지 5.9로 조정하는 양으로 소수성 용매 세트를 부가하는 것을 포함한다. 또 추가의 구현예에서, 양친매성 용매 세트는 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부타논, 디메틸 에테르, 및 프로피온알데하이드. 2-프로판올, 아세토니트릴, t-부틸 알코올, 1-프로판올, 물, 무거운 (D2O), 에틸렌 글라이콜, 글리세린, 또는 이들의 조합이다. 또 다른 구현예에서, 소수성 용매 세트는 프로판, 부탄, 펜탄, 부텐, 프로펜, 나프타, 알칸, 헥산, 펜탄, 헵탄, 옥탄, 에스테르, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트), 케톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 방향족, 톨루엔, 벤젠, 사이클로헥산, 테트라하이드로푸란, 할로알칸, 클로로포름, 트리클로로에틸렌, 에테르, 디에틸 에테르, 디젤, 제트 연료, 가솔린, 또는 이들의 조합이다.
일부 구현예에서, 상기 더 무거운 상으로부터 더 가벼운 상을 분리하는 것은 데칸트, 막 여과 또는 원심분리를 포함한다. 다른 구현예에서, 극성 지질을 더 가벼운 상으로부터 분리하는 것은 증발 또는 증류를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 소수성 용매 세트는 회수된다. 또 다른 구현예에서, 소수성 용매 세트는 응축되고 회수된다. 또 다른 것에 대해, 양친매성 용매 세트는 회수된다. 여전히 다른 것에서, 양친매성 용매 세트는 응축되고 회수된다.
또 다른 구현예에서, 추출 혼합물은 가열된. 추가 구현예에서, 추출 혼합물은 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일 또는 전기에 의해 가열된다. 일부 구현예에서, 추출 혼합물은 대기압에서 가열된다. 또 추가의 구현예에서, 추출 혼합물은 가압 반응기에서 가열된다. 더욱 추가 구현예에서, 가압 반응기은 배치 또는 연속 반응기이다.
추가 구현예는 중성 지질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 단백질, 극성 지질 및 중성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계, 세포외 물의 제거로 상기 습성 조류 바이오매스를 탈수하여 습성 조류 바이오매스의 고형물 함량을 5% 내지 50%로 증가시켜서 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 산출하는 단계, 상기 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 제1 양친매성 용매 세트 및 제1 소수성 용매 세트와 혼합하여 제1 더 무거운 상 및 제1 더 가벼운 상을 포함하는 제1 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제1 더 무거운 상은 제1 양친매성 용매 세트, 중성 지질, 단백질, 및 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 제1 더 가벼운 상은 제1 소수성 용매 세트 및 극성 지질을 포함하는 단계, 제1 더 가벼운 상의 추출 혼합물을 상기 제1 더 무거운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계, 제1 더 무거운 상의 추출 혼합물에서 상기 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 제1 양친매성 용매 세트로부터 분리하여 중성 지질, 및 단백질, 물 및 제1 양친매성 용매 세트를 포함하는 단백질 혼합물 를 포함하는 분리된 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 산출하는 단계, 상기 분리된 부분 탈수된 조류 바이오매스를 제2 양친매성 용매 세트 및 제2 소수성 용매 세트와 혼합하여 제2 더 무거운 상 및 제2 더 가벼운 상을 포함하는 제2 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 상기 제2 더 무거운 상은 제2 양친매성 용매 세트 및 분리된 부분 탈수된 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 제2 더 가벼운 상은 제2 소수성 용매 세트 및 중성 지질을 포함하는 단계, 제2 더 무거운 상을 제2 더 가벼운 상으로부터 분리하는 단계, 및 상기 중성 지질을 상기 제2 더 가벼운 상으로부터 분리하는 단계.
일부 구현예에서, 제2 더 가벼운 상은 상기 중성 지질을 상기 제2 더 가벼운 상으로부터 분리하기 전에 가열된다. 일부 구현예에서, 제2 소수성 용매 세트는 증발 또는 증류에 의해 제2 더 가벼운 상으로부터 제거되고, 이로써 중성 지질 분획을 산출한다. 다른 구현예에서, 제1 및 제2 양친매성 용매 세트 중 적어도 하나는 증발된다. 또 다른 구현예에서, 제1 및 제2 소수성 용매 세트 중 적어도 하나는 회수된다. 또 다른 구현예에서, 제1 및 제2 소수성 용매 세트 중 적어도 하나는 냉각되고 회수된다. 또 추가의 구현예에서, 제1 및 제2 양친매성 용매 세트 중 적어도 하나는 냉각되고 회수된다. 추가 구현예에서, 제1 및 제2 양친매성 용매 세트 중 적어도 하나는 회수된다. 또 추가의 구현예에서, 제1 및 제2 추출 혼합물 중 적어도 하나는 가열된다. 또 다른 구현예에서, 제1 및 제2 추출 혼합물 중 적어도 하나는 마이크로웨이브, 물, 증기, 또는 핫 오일 또는 전기에 의해 가열된다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 추출 혼합물 중 적어도 하나는 대기압에서 가열된다. 여전히 다른 것에서, 제1 및 제2 추출 혼합물 중 적어도 하나는 가압 반응기에서 가열된다. 일부 구현예에서, 가압 반응기는 배치 또는 연속 반응기이다.
도 1a는 본 개시내용의 예시적인 구현예에 따르는 방법에 관여된 단계의 순서도이다.
도 1b는 본 개시내용에 따르는 탈수 공정의 예시적인 구현예의 모식도이다.
도 2는 본 개시내용에 따르는 추출 시스템의 예시적인 구현예의 모식도이다.
도 3은 최대 비-붕괴성 조류 오일 추출 효율, 및 극성 및 비-극성 지질 추출에 대한 극성의 효과를 보여주는, 완전한 극성 범위를 포함하는 다수의 용매를 사용하여 동결 건조된 조류 바이오매스의 속슬레 추출을 보여주는 비교 그래프이다.
도 4 a 및 b는 3 상이한 온도에서 메탄올 및 석유 에테르를 사용한 2 단계 용매 추출 공정에서 중성 지질 (A) 순도 및 (B) 회수를 보여주는 그래픽 표현이다.
도 5 a 및 b는 3 상이한 온도에서 수성 메탄올 및 석유 에테르를 사용한 2 단계 용매 추출 공정에서 중성 지질 (A) 순도 및 (B) 회수를 보여주는 그래픽 표현이다.
도 6은 3 상이한 온도에서 수성 메탄올 및 석유 에테르를 사용한 2 단계 용매 추출 공정에서 지질 회수를 보여주는 그래프이다.
도 7은 지질 회수에 대한 용매 대 고체 바이오매스 비의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 건식 바이오매스에 대한 수성 메탄올의 단일 단계 추출 회수에서 상이한 수성 추출 용액의 효능을 보여주는 그래프이다.
도 9는 누적 총 지질 수율 및 중성 지질 순도에 대한 다중 단계 메탄올 추출의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 습성 바이오매스 및 에탄올을 사용하여 지질의 누적 회수율을 보여주는 그래프이다.
도 11은 마이크로웨이브 보조된 추출 및 종래의 추출 시스템의 추출 시간의 비교를 보여주는 그래프이다.
도 12a는 단백질 추출 단계를 포함하는, 본 개시내용의 예시적인 구현예에 따르는 방법에 관여된 단계의 순서도이다. 도 12a에서 모든 단위는 파운드이다.
도 12b는 본 개시내용에 따르는 예시적인 추출 공정에 관여된 단계의 순서도이다.
도 13은 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도 및 질량 밸런스 도표이며, 여기서 1000 lb의 조류 바이오매스는 조류 바이오매스로부터 중성 지질, 극성 지질, 및 단백질을 분리하기 위해 추출 및 분획화를 통해 처리되었다.
도 14는 조류 매스(mass)가 다양한 생성물을 형성하도록 처리될 수 있는, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 15는 조류 중성 지질이 다양한 생성물을 형성하기 위해 처리되는, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 16은 조류 중성 지질이 연료 생성물을 형성하도록 처리되는, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 17은 조류 단백질이 담수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출된, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 18은 조류 단백질이 염수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출된, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 19는 선택된 조류 단백질이 염수 또는 담수 조류 바이오매스로부터 추출된, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 20은 선택된 조류 단백질이 염수 또는 담수 조류 바이오매스로부터 추출된, 본 발명의 구현예들 중의 하나를 기재하는 순서도이다.
도 21은 본원에 기재된 방법을 사용한 추출 전후 세네데스세무스 에스피 . (Scenedescemus sp.) 세포를 보여주는 사진이다. 세포는 추출 전후에 실질적으로 온전하다.
도 22는 단일 용매 (양친매성) 시스템에 의한 단백질 추출에 대한 예시적인 추출 도식의 도식도이다.
도 23은 2-용매 (양친매성/소수성) 시스템에 의한 극성 지질 및 단백질의 추출에 대한 예시적인 추출 도식의 도식도이다.
도 24는 2-용매 (양친매성/소수성) 시스템에 의한 중성 지질 및 단백질의 추출에 대한 예시적인 추출 도식의 도식도이다.
도 25는 2-용매 (양친매성/소수성) 시스템에 의한 중성 지질, 극성 지질, 및 단백질의 추출에 대한 예시적인 추출 도식의 도식도이다.
도 26은 에탄올 추출 개념을 실증하는 도식도이다.
정의
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "도관" 또는 그의 임의의 변형은 유체가 운반될 수 있는 임의의 구조를 포함한다. 도관의 비제한적 예는 파이프, 튜우빙, 채널, 또는 다른 둘러싸인 구조를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "저장기" 또는 그의 임의의 변형은 유체가 보유될 수 있는 임의의 바디 구조를 포함한다. 저장기의 비제한적 예는 연못, 탱크, 호수, 통, 또는 다른 유사한 구조를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "약" 또는 "대략"은 당해분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 근접하게 정의되고, 하나의 비제한적인 구현예에서 상기 용어들은 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 더 바람직하게는 1% 이내, 및 가장 바람직하게는 0.5% 이내인 것으로 정의된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어들 "억제하는" 또는 "감소시키는" 또는 이들 용어들의 임의의 변형은 원하는 결과를 달성하기 위한 임의의 측정가능한 감소 또는 완전한 억제를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "효과적인"은 원하는, 예상된, 또는 의도된 결과를 달성하기에 적절함을 의미한다.
단수형 (a" 또는 "an")의 사용은, 본원의 용어 "포함하는"과 함께 사용될 때, "하나"를 의미할 수 있으나, 그것은 또한 "1 이상의," "적어도 하나," 및 "1 또는 하나 초과의"의 의미와도 일치된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은, 본 개시내용이 대안만을 나타내는 정의 및 "및/또는"을 제공하더라도, 대안만을 나타내거나 대안이 상호 배타적인 것으로 명백하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "습성"의 사용은 약 50% 내지 약 99.9% 수분 함량을 함유함을 의미하는데 사용된다. 수분 함량은 세포내 또는 세포외에 위치될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "용매 세트"의 사용은 1 이상의 용매를 포함하는 조성을 의미하는데 사용된다. 이들 용매는 양친매성 (또한, 양친매성 또는 약간 비극성으로서 공지됨), 친수성, 또는 소수성 (또한 친지질성으로 공지됨)일 수 있다. 일부 구현예에서, 이들 용매는 수혼화성이고 다른 구현예에서, 이들은 물에 불혼화성이다. 본 발명의 방법을 실시하는데 사용될 수 있는 용매의 비제한적 예는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 아세토니트릴, 알칸 (헥산, 펜탄, 헵탄, 옥탄), 에스테르 (에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트), 케톤 (메틸 에틸 케톤 (MEK), 메틸 이소부틸 케톤 (MIBK)), 방향족 화합물 (톨루엔, 벤젠, 사이클로헥산, 테트라하이드로푸란), 할로알칸 (클로로포름, 트리클로로에틸렌), 에테르 (디에틸 에테르), 및 혼합물 (디젤, 제트 연료, 가솔린)을 포함한다.
양친매성 용매의 비제한적 예는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 아세토니트릴, 및 이들의 조합을 포함한다. 식품용 에탄올이 또한 개시된 방법에 사용하기에 바람직하다.
소수성 용매의 비제한적 예는 알칸 (헥산, 펜탄, 헵탄, 옥탄), 에스테르 (에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트), 케톤 (메틸 에틸 케톤 (MEK), 메틸 이소부틸 케톤 (MIBK)), 방향족 화합물 (톨루엔, 벤젠, 사이클로헥산, 테트라하이드로푸란), 할로알칸 (클로로포름, 트리클로로에틸렌), 에테르 (디에틸 에테르), 혼합물 (디젤, 제트 연료, 가솔린), 및 이들의 조합을 포함한다.
용매 회수 방법의 비제한적 예는 증발, 투석증발, 용매 성분의 선택적 흡착, 스팀 스트립핑, 및 이들의 조합을 포함한다. 투석증발은 투과물 측에 진공을 생성하면서 폴리머 막을 통해 용매 성분의 증기를 선택적으로 제거하는 공정이다. 선택적 흡착은 제올라이트를 사용하여 수성 에탄올로부터 적은 양의 물을 제거하기 위한 에탄올 산업에 사용된다. 스팀 스트립핑은 비-온도 민감성 조작에 사용될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "계면 층"은 용매 세트의 극성도가 용매 세트에 인접한 또 하나의 극성도와 유의미하게 상이한 상 경계를 포함하고 상 경계에 인접한 영역을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "극성도"는 Snyder, L.R. "통상적 액체의 용매 특성의 분류" Journal of Chromatography, 92(2): 223-230 (May 1974)에 의해 기재된 바와 같이 무차원(dimensionless) Snyner 극성도를 나타낸다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "오일" 중성 지질 및 극성 지질을 함유하는 조성을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이 용어들 "조류 오일(algae oil)" 및 "조류 오일(algal oil)"은 상호교환적으로 사용된다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "확산체" 또는 투과물"은, 비제한적으로, 필터 또는 막을 포함하는 분리 디바이스를 통과하는 물질을 나타낼 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "보전물"은 확산체가 분리 디바이스를 통과한 후에 남아있는 물질을 나타낼 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 단어 "포함하는 (comprising)" (및 임의 형태의 포함하는, 예컨대 "포함하다 (comprise 및 comprises)", "갖는 (및 임의 형태의 갖는, 예컨대 "갖다 (have 및 has)", "포함하는 (including)" (및 임의 형태의 포함하는, 예컨대 "포함하다 (includes 및 include)", 또는 "함유하는" (및 임의 형태의 함유하는, 예컨대 "함유하다 (contains 및 contain)은 포괄적이거나 제약을 두지 않고, 부가적, 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계들을 제외하지 않는다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "극성 지질" 또는 그의 임의 변형은, 비제한적으로, 인지질 및 당지질을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "중성 지질" 또는 그의 임의 변형은 비제한적으로, 트리글라이세라이드, 디글라이세라이드, 모노글라세라이드, 카로테노이드, 왁스, 스테롤을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "고체상"은 일반적으로 매우 고형물이고, 상의 모든 물질이 고형물임을 의미하는 것으로 의도되지 않는 물질의 무리를 나타낸다. 따라서, 실질적인 양의 고형물을 갖는 상은, 일부 액체를 보유하더라도, 본 용어의 의미 내에 포함된다. 한편, 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "액체상"은 일반적으로 매우 액체인 물질의 무리를 나타내고, 그와 같은 무리는 고형 물질을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이 용어 "바이오디젤"은 조류로부터 유도된 지방산의 메틸 또는 에틸 에스테르를 나타낸다.
용어 "기능식품"은 본원에 사용된 바와 같이 건강 및/또는 의료 이점을 제공하는 식품을 의미한다. 그 비제한 예는 카로테노이드, 카로텐, 크산토필 예컨대 제아잔틴, 아스타크산틴, 및 루테인을 포함한다.
용어 "바이오연료"는 본원에 사용된 바와 같이 생물학적 공급원로부터 유래된 연료를 의미한다. 그 비제한 예는 바이오디젤, 제트 연료, 디젤, 제트 연료 블렌드 스톡 및 디젤 블렌드 스톡을 포함한다.
용어 "불순물"은, 극성 지질과 관련하여 사용될 때, 본원에서 사용된 바와 같이, 공추출되거나 관심 생성물과 동일한 특성을 갖는 관심 생성물 이외의 모든 성분을 의미한다.
용어 "윤활유"는, 극성 지질과 관련하여 사용될 때, 본원에 사용된 바와 같이 수첨처리된 조류 지질 예컨대 C16-C20 알칸을 의미한다.
용어 "세제"는, 극성 지질과 관련하여 사용될 때, 본원에 사용된 바와 같이 당지질, 인지질 및 그의 유도체를 의미한다.
용어 "식품 부가물"은, 극성 지질과 관련하여 사용될 때, 본원에 사용된 바와 같이 소이 레시틴 대체물 또는 조류로부터 유래된 인지질을 의미한다.
용어 "비-글리세린 물질"은 본원에 사용된 바와 같이 글리세린 분획과 함께 분리되는 임의의 불순물을 의미한다. 추가 세척 단계는 약품 등급 글리세린을 생산하기 위해 현존하는 대부분의 것을 제거할 것이다.
용어 "불포화된 지방산"은 본원에 사용된 바와 같이 적어도 하나의 이중 탄소 결합을 갖는 지방산을 의미한다. 불포화된 지방산의 비제한 예는 팔미트올레산, 마르가르산, 스테아르산, 올레산, 옥타데세노산, 리놀레산, 감마-리놀레산, 알파 리놀레산, 아라키드산, 에이코세노산, 호모감마 리놀레산, 아라키돈산, 에이코사페네노산, 베헨산, 도코사디에노산, 헤네이코사펜타에노산, 도코사테트라에노산을 포함한다. 뼈대 중 20개 이상의 탄소 원자를 갖는 지방산은 일반적으로 통칭 "장쇄 지방산"이다. 뼈대 중 19개 이하의 탄소 탄소 원자를 갖는 지방산은 일반적으로 통칭 "단쇄 지방산"이다.
불포화된 장쇄 지방산은 비제한적으로 하기를 포함한다: 오메가-3 지방산, 오메가-6 지방산, 및 오메가-9 지방산. 용어 "오메가-3 지방산"은 본원에 사용된 바와 같이 표 1에서 열거된 지방산을 비제한적으로 의미한다.
표 1
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용어 "제트 연료 블렌드 스톡"은 본원에 사용된 바와 같이 제트 연료로서 사용하기에 적절한 탄소 사슬 길이를 갖는 알칸을 의미한다.
용어 "디젤 블렌드 스톡"은 본원에 사용된 바와 같이 디젤로서 사용하기에 적절한 탄소 사슬 길이를 갖는 알칸을 의미한다.
용어 "동물 사료"는 본원에 사용된 바와 같이 동물에 대한 영양 지지체를 제공하기 위해 소비되고 사용될 수 있는 조류-유래 물질을 의미한다.
용어 "인간 식품"은 본원에 사용된 바와 같이 사람에 대한 영양 지지체를 제공하기 위해 소비될 수 있는 조류-유래 물질을 의미한다. 조류-유래 인간 식품은 필수 영양소, 예컨대 탄수화물, 지방, 단백질, 비타민, 또는 미네랄을 함유할 수 있다.
용어 "생물적 환경 정화"는 본원에 사용된 바와 같이 산업 폐수 또는 도시 폐수로부터 오염물질, 예컨대, 비제한적으로, 니트레이트, 포스페이트, 및 중금속을 제거하기 위한 조류 성장의 사용을 의미한다.
용어 "폐수"는 본원에 사용된 바와 같이 니트레이트, 포스페이트, 및 중금속을 비제한적으로 포함하는 다양한 오염물질 또는 오염원을 함유하는 산업 폐수 또는 도시 폐수를 의미한다.
용어 "풍부한"는, 본원에서 사용된 바와 같이, 약 50% 또는 그 초과 함량을 의미할 것이다.
용어 "실질적으로"는, 본원에서 사용된 바와 같이, 주로를 의미한 것이다.
용어 "글로불린 단백질"은 본원에 사용된 바와 같이 염 가용성 단백질을 의미한다.
용어 "알부민 단백질"은 본원에 사용된 바와 같이 수용성 단백질을 의미한다.
용어 "글루텔린 단백질"은 본원에 사용된 바와 같이 알칼리 가용성 단백질을 의미한다.
용어 "프롤라민 단백질"은 본원에 사용된 바와 같이 알코올 가용성 단백질을 의미한다. 프롤라민 단백질이 비제한 예는 글리아딘, 제인, 호르데인, 아베닌이다.
용어 "조류 배양물"은 본원에 사용된 바와 같이 배양 배지에서 조류 세포를 의미한다.
용어 "조류 바이오매스"는 본원에 사용된 바와 같이 적어도 부분 탈수된 조류 배양물을 의미한다.
용어 "탈수된"은 본원에 사용된 바와 같이 적어도 일부 물의 제거를 의미한다.
용어 "조류 페이스트"는 본원에 사용된 바와 같이 유동을 허용하는 유체 특성을 갖는 부분 탈수된 조류 배양물을 의미한다. 일반적으로 조류 페이스트는 약 90%의 수분 함량을 갖는다.
용어 "조류 케이크"는 본원에 사용된 바와 같이 조류 페이스트의 유체 특성이 부족하고 무리를 짖는 경향이 있는 부분 탈수된 조류 배양물을 의미한다. 일반적으로 조류 케이크는 약 60% 또는 그 미만의 수분 함량을 갖는다.
염수 조류 세포는 해양 및 염분있는 조류 종을 비제한적으로 포함한다. 염수 조류 세포는 물의 덩어리 예컨대, 비제한적으로, 바다, 대양, 및 강 어귀에서 사실상 발견된다. 염수 조류 종의 비제한 예는 난노클로롭시스 에스피 ., 두날리엘라 에스피를 포함한다.
담수 조류 세포는 물의 덩어리 예컨대, 비제한적으로, 호수 및 연못에서 사실상 발견된다. 담수 조류 종 비제한 예는 스센데스세무스 에스피 ., 하에모토코쿠스 에스피 를 포함한다.
본 발명의 방법과 함께 사용될 수 있는 미세조류의 비제한 예는 하기 분과의 하나의 멤버이다: 클로로파이타 , 시아노파이타 (시아노박테리아), 및 헤테로콘토파이타. 어떤 구현예에서, 본 발명의 방법과 함께 사용되는 미세조류는 하기 강의 하나의 멤버이다: 바실라리오파이세아에, 유스티그마토파이세아테, 및 크리소파이세아에. 어떤 구현예에서, 본 발명의 방법과 함께 사용되는 미세조류는 하기 속의의 하나의 멤버이다: 난노클로롭시스 , 클로렐라, 두날리엘라 , 스케네데스무스 , 셀레나스트럼 , 오실라토리아 , 포르미디엄 , 스피룰리나 , 암포라 , 및 오크로모나스 .
본 발명의 방법과 함께 사용될 수 있는 미세조류의 비제한 예는 하기를 포함한다: 아크난테스 오리엔탈리스 , 아그메넬럼 에스피피 ., 암피프로라 하이알린 , 암 포라 코페이포르미스 , 암포라 코페이포르미스 바르 . 리네아 , 암포라 코페이포르미스 바르 . 펀크타타 , 암포라 코페이포르미스 바르 . 타일로리 , 암포라 코페이포르미스 바르 . 네누이스 , 암포라 델리카티스시마 , 암포라 델리카티스시마 바르 . 캐피타타 , 암포라 에스피 ., 아나바에나 , 안키스트로데스무스, 안키스트로데스무스 팔카투스 , 보에켈로비아 후글란디이 , 보로디넬라 에스피 ., 보트라이오코쿠스 브라우니이 , 보트라이오코쿠스 수데티쿠스 , 브락테오코쿠스 마이너, 브락테오코쿠스 메디오누클레아투스 , 카르테리아 , 차에토세로스 그라실리스 , 차에토세로스 무엘레리 , 차에토세로스 무엘레리 바르 . 서브살섬 , 차에토세로스 에스피 ., 클라마이도마스 페리그라눌라타 , 클로렐라 아니트라타 , 클로렐라 안타륵티카 , 클로렐라 아우레오바이리디스 , 클로렐라 칸디다, 클로렐라 캡설레이트 , 클로렐라 데식케이트 , 클로렐라 엘립소이드카 , 클로렐라 에메르소니이 , 클로렐라 푸스카 , 클로렐라 푸스카 바르. 바쿠올레이타 , 클로렐라 글루코트로파 , 클로렐라 인푸시오넘 , 클로렐라 인푸시오넘 바르. 악토필라 , 클로렐라 인푸시오넘 바르 . 아욱세노필라 , 클로렐라 케스슬레리 , 클로렐라 로보포라 , 클로렐라 루테오비리디스 , 클로렐라 루테오비리디스 바르 . 아우레오바이리디스 , 클로렐라 루테오비리디스 바르 . 루테스센스 , 클로렐라 미니아타 , 클로렐라 미누티스시마 , 클로렐라 무타빌리스 , 클로렐라 녹투르나 , 클로렐라 오발리스 , 클로렐라 파르바 , 클로렐라 포토필라 , 클로렐라 프링쉐이미이 , 클로렐라 포토테코이데스 , 클로렐라 포토테코이데스 바르 . 악시디콜라 , 클로렐라 레굴라리스 , 클로렐라 레굴라리스 바르 . 미니마 , 클로렐라 레굴라리스 바르 . 움브리카타 , 클로렐라 레이시글리이 , 클로렐라 사카로필라 , 클로렐라 사카로필라 바르 . 엘립소이드카 , 클로렐라 살리나, 클로렐라 심플렉스 , 클로렐라 소로키니아나, 클로렐라 에스피 ., 클로렐라 스파에리카 , 클로렐라 스티그마토포라 , 클로렐라 반니엘리이 , 클로렐라 불가리스 , 클로렐라 불가리스 포. 테르티아 , 클로렐라 불가리스 바르 . 오토트로피카 , 클로렐라 불가리스 바르 . 비리디스 , 클로렐라 불가리스 바르 . 불가리스 , 클로렐라 불가리스 바르 . 불가리스 포. 테르티아 , 클로렐라 불가리스 바르 . 불가리스 포. 비리디스 , 클로렐라 크산텔라 , 클로렐라 조핀기엔시스 , 클로렐라 트레보욱시오이데스, 클로렐라 불가리스 , 클로로코쿰 인푸시오넘 , 클로로코쿰 에스피 ., 클로로고니움, 크루모나스 에스피 ., 크라이소스파에라 에스피 ., 크리코스파에라 에스피 ., 크립테코디니움 코니이 , 크립토모나스 에스피 ., 사이클로텔라 크립티카 , 사이클로텔라 메네그히니아나 , 사이클로텔라 에스피 ., 두날리엘라 에스피 ., 두날리엘라 바르다윌 , 두날리엘라 바이오쿨라타 , 두날리엘라 과립, 두날리엘라 마리티메 , 두날리엘라 미누타 , 두날리엘라 파르바 , 두날리엘라 페이르세이 , 두날리엘라 프리몰렉타 , 두날리엘라 살리나, 두날리엘라 테리콜라 , 두날리엘라 테르티올렉타 , 두날리엘라 비리디스 , 두날리엘라 테르티올렉타 , 에레모스파에라 비리디스 , 에레모스파에라 에스피 ., 엘립소이돈 에스피 ., 유글레나 에스피피., 프란케이아 에스피 ., 프라길라리아 크로토넨시스 , 프라길라리아 에스피 ., 글레오캅사 에스피 ., 글로에오탐니온 에스피 ., 하에마토코쿠스 플루비알리스 , 하이메노모나스 에스피., 이소크리시스 에이에프에프 . 갈바나 , 이소크리시스 갈바나 , 레포신클리스 , 마이크락티늄 , 마이크락티늄 , 모노라피디엄 미누툼 , 모노라피디엄 에스피 ., 난노클로리스 에스피 ., 난노클로롭시스 살리나, 난노클로롭시스 에스피 ., 나비쿨라 악셉타타 , 나비쿨라 비스칸테라에 , 나비쿨라 슈도테넬로이데스 , 나비쿨라 펠리쿨로사 , 나비쿨라 사프로필라 , 나비쿨라 에스피 ., 네프로클로리스 에스피 ., 네프로셀미스 에스피 ., 니츠치아 콤무니스 , 니츠쉬아 알렉산드리나 , 니츠쉬아 클로스테리움 , 니츠쉬아 콤무니스 , 니츠쉬아 디스시파타 , 니츠쉬아 프루스툴럼 , 니츠쉬아 한츠쉬아나 , 니츠쉬아 인콘스피쿠아 , 니츠쉬아 인테르메디아 , 니츠쉬아 마이크로세팔라 , 니츠쉬아 푸스실라 , 니츠쉬아 푸스실라 엘립티카 , 니츠쉬아 푸스실라 모노엔시스 , 니츠쉬아 쿠아드란굴라 , 니츠쉬아 에스피 ., 오크로모나스 에스피 ., 우사이스티스 파르바 , 우사이스티스 푸스실라 , 우사이스티스 에스피 ., 오실라토리아 림네티카 , 오실라토리아 에스피 ., 오실라토리아 서브브레비스 , 파라클로렐라 케스슬레리 , 파스케리아 아시도필라 , 파블로바 에스피 ., 파에오닥틸럼 트라이코무툼 , 파거스 , 포르미디엄 , 플라타이모나스 에스피 ., 플레우로크라이시스 카르테라에 , 플레우로크라이시스 덴테이트, 플레우로크라이시스 에스피 ., 프로토테카 윅케르하미이 , 프로토테카 스타그노라 , 프로토테카 포르토리센시스 , 프로토테카 모리포르미스 , 프로토테카 조프피이 , 슈도클로렐라 아쿠아티카 , 파이라미모나스 에스피 ., 파이로보트라이스 , 로도코쿠스 오파쿠스 , 사르시노이드 크라이소파이테 , 스케네데스무스 아르마투스 , 쉬조차이트리엄 , 스피로자이라 , 스피룰리나 플레이텐시스 , 스티초코쿠스 에스피 ., 사이네초코쿠스 에스피 ., 시네코시스티스프 , 타게테스 에렉타 , 타게테스 파툴라, 테트라에드론 , 테트라셀미스 에스피 ., 테트라셀미스 수에시카 , 탈라스시오시라 웨이스플로지이 , 및 바이리디엘라 프리데리시아나.
다른 구현예에서, 바이오매스는 콩, 옥수수, 야자나무, 카멜리나, 자트로파, 카놀라, 코코넛, 땅콩, 잇꽃, 목화씨, 아마인, 해바라기, 쌀겨, 및 올리브를 비제한적으로 포함하는 식물 재료이다.
가변 극성의 지질 및 부산물 (예를 들면, 단백질)을, 예를 들면, 조류 바이오매스를 포함하는 습성 지질생산성 물질로부터 추출하는 시스템 및 방법이 개시된다. 특히, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은, 점차 극성이 덜한(즉, 용매 중 물/물 비는 하나의 추출 단계로부터 그 다음 단계로 진행함에 따라 점차 감소된다) 양친매성/소수성 용매 및 물 혼합물에 의한 순차적 추출을 행하여 조류 성분을 추출 및 분별 모두를 하는 능력에 관한 것이다. 환언하면, 조류에 초기에 존재하는 간격수 (그의 중량의 대략 75%)는 양친매성/소수성 용매에 의해 양친매성/소수성 용매의 공비혼합물로 점차 대체된다. 이것으로 각 단계에서 발단된 극성에서 가용성인 성분이 추출되고, 이로써 추출된 성분이 동시 분획화된다.
이러한 공정으로 2개의 상, 즉 하나는 더 가볍은 상 그리고 하나는 더 무거운 상을 함유하는 혼합물이 생긴다. 더 가벼운 상은 소수성 용매 및 극성 지질을 포함한다. 무극성 지질은 이러한 상에서 또한 존재한다. 더 무거운 상은 양친매성 용매, 물, 및 잔여 조류 바이오매스를 포함한다. 소수성 용매의 존재는 총 추출물에 존재하는 다른 조류 성분으로부터 지질 성분의 선택적 추출을 허용한다. 이것으로 단백질 또는 수용성 조류 생성물 함량을 거의 갖지 않는 더 순수한 지질이 생긴다.
본 발명의 일부 구현예에서, 단일 용매 및 물은 지질생산성 물질에 존재하는 성분를 추출 및 분별하기 위해 사용된다. 다른 구현예에서, 용매 세트 및 물은 지질생산성 물질에 존재하는 성분을 추출 및 분별하기 위해 사용된다. 일부 구현예에서 지질생산성 물질은 습성이다. 다른 구현예에서, 지질생산성 물질은 조류이다.
극성 지질 회수는 그의 이온성 변화, 물 용해도, 및 위치 (세포내, 세포외 또는 결합된 막)에 주로 의존한다. 극성 지질의 예는 비제한적으로 인지질 및 당지질을 포함한다. 극성 지질을 분리 및 정제하기 위해 사용될 수 있는 전략은 대략 배치 또는 연속적 방시으로 나누어질 수 있다. 배치식의 예는 침전 (pH, 유기 용매), 용매 추출 및 결정화를 포함한다. 연속식의 예는 원심분리, 흡착, 폼 분리 및 침전, 및 막 기술 (접촉 유동 여과, 정용여과 및 침전, 한외여과)을 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 하기 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 실시예는, 발명의 명확한 구현예를 나타내지만, 단지 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 부가적으로, 발명의 정신 및 범위 내의 변화 및 변형은 이러한 상세한 설명으로부터 당해분야의 숙련가에게 분명해질 것이라는 것이 고려된다.
놀랍게도, 제안된 비-분열성 추출 공정으로 90% 초과 회수된다. 잔여 바이오매스 중 소량의 극성 지질은, 잔여 바이오매스가 공급물을 위해 사용될 때 그의 가치를 향상시킨다. 이것은, 적어도 부분적으로, 바이오매스의 높은 장쇄 불포화 지방산 함량 때문이다. 또한, 에탄올 추출물은 추가로 직접적으로 에스테르교환반응될 수 있다. 또한, 현존하는 종래의 방법과는 다르게, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 임의의 조류에 대해 포괄적이고, 이 성분은, 수혼화성 유기 용매 구배의 사용에 의해 조류에서 극성 지질을 포함하는 유의미한 부분의 귀중한 성분을 회수할 수 있다.
본 발명의 사용으로 얻은 중성 지질 분획은 낮은 금속 함량을 가지며, 이로써 지질 분획의 안정성을 향상시키고, 차후 처리 단계를 감소시킨다. 금속은, 산화를 촉진하는 그의 능력으로 인해 중성 지질을 불안정하게 하는 경향이 있다. 또한, 금속은 수첨처리 촉매를 억제하고, 이는 그의 제거를 필요로 하고 그 후 중성 지질 혼합물이 정제될 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 단백질 및/또는 극성 지질 분획에서 금속의 추출을 허용한다. 이것이 유리한 것은, 단백질 및 극성 지질이 금속 노출에 의해 그렇게 영향을 받지 않고, 일부 경우에서 금속에 의해 실제로 안정되기 때문이다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 습성 바이오매스과 함께 시작할 수 있는데, 이는 건조 및 탈수 비용을 감소시킨다. 종래의 추출 공정과 비교하여, 개시된 추출 및 분획화 공정은 용매 재순환과 함께 적정 온도 및 압력 조건으로 인해 비교적 낮은 작동 비용을 가져야 한다. 또한, 종래의 추출 공정은 엄두도 못 낼 정도로 비싸고 시장의 요구에 부합할 수 없다.
본 명세서에 기재된 시스템 및 방법의 또 하나의 측면은 예비 정제를 수행하는 능력이고, 이 정제는 추출 공정 동안 중성 지질로부터 극성 지질의 분리이다. 예시적인 구현예에서 사용된 조류 오일과 이전의 구현예에서 사용된 식물성 오일 사이의 차이는 별개의 클래스의 지질의 백분율을 포함한다. 예시적인 조류 원유 조성물은 하기의 표 2에서 보여진 식물성 오일과 비교된다:
표 2
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물성 오일의 정련 (물리적 및/또는 화학적)은 극성 지질 (예를 들면, 당지질 및 인지질)을 제거하기 위해 행해진다. 화학적으로 고무제거된 식물성 오일은 유의미한 양의 중성 지질을 보유한다. 이러한 중성 지질 분획은 용매 추출 또는 초임계/아임계 유체 추출 또는 막 기술을 사용하여 고무제거된 물질로부터 추가로 제거된다. 반대로, 유성 조류 바이오매스로부터 중성 지질의 분리는 조류 오일에서 전형적으로 발견된 다량의 극성 지질의 존재로 인해 식물성 오일 공급원료보다 훨씬 더 어렵다 (참고 표 2). 이것은, 조류 오일에 존재하는 더 큰 백분율의 극성 지질이 중성 지질의 에멀젼화를 향상시키기 때문이다. 에멀젼화는 용액에 남아 있는 영양소 및 염 성분에 의해 추가로 안정된다. 극성 지질의 존재는, 금속과 함께, 중성 지질의 분리 및 이용에 대한 처리를 어렵게 한다. 그러나, 극성 지질이 현존하는 시장을 갖고 있기 때문에, 그의 회수는 연료를 산출하기 위해 조류 오일의 사용에 대해 유의미한 가치를 부가한다.
극성 지질은 그의 분자 구조로 인해 본성에 의한 표면활성제이고 거대한 현존하는 시장을 가지고 있다. 극성 지질을 생산하기 위한 많은 현존하는 기술은 원료 또는 엄두도 못 낼 정도로 비싸다. 당지질 및 인지질에 대한 대안적인 공급원료는 주로 조류 오일, 귀리 오일, 밀 배아 오일 및 식물성 오일이다. 조류 오일은 종, 세포의 생리적 상태, 배양 조건, 수확 시간, 및 추출에 이용된 용매에 따라 약 30-85 % (w/w) 극성 지질을 전형적으로 함유한다. 더욱이, 각 극성 지질의 글리세롤 뼈대는 중성 지질 트리아실글리세롤 중 3개 대신에 부착된 2개의 지방산 그룹을 갖는다. 극성 지질의 에스테르교환반응은 질량 기준에 대해 중성 지질과 비교하여 최종 생성물, 즉, 에스테르화된 지방산이 3분의 2만을 얻을 수 있다. 그러므로, 극성 지질의 제거 및 회수는 조류로부터 높은 질의 바이오연료 또는 트리글라이세라이드를 생산하는데 매우 유익할 뿐만 아니라, 조류-기반 바이오연료 생산과 연관된 비용을 차례차례 상쇄할 수 있는 부가가치 부산물 당지질 및 인지질을 산출한다. 조류에 의해 생산된 다양한 오일 및 부산물을 회수 및 분별을 용이하게 하는 능력은 조류 오일 공정의 경제적 성공에 대해 유리하다.
본 명세서에 기재된 방법 및 시스템의 추가 측면은 단백질을 지질생산성 물질, 예컨대 조류 바이오매스로부터 추출하기 위한 능력이다. 조류 바이오매스로부터 단백질성 물질의 추출의 본 명세서에 기재된 방법은 추출 및 분획화의 신축성 및 매우 주문에 따른 공정을 포함한다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 추출 및 분획화는 단일 단계에서 일어나고, 이로써 매우 효율적인 공정을 제공한다. 그와 같은 바이오매스로부터 공급된 단백질 공급원은 동물 사료, 식품 성분 및 공산품에 대해 유용하다. 예를 들면, 그와 같은 단백질은 적용 예컨대 섬유, 접착제, 코팅물, 세라믹, 잉크, 화장품, 직물, 씹는 검, 및 생분해성 플라스틱에서 유용하다.
본 명세서에 기재된 방법 및 시스템의 또 하나의 측면은 추출될 성분을 기준으로 한 조류 바이오매스 대 용매의 비를 변화시키는 것을 수반한다. 일 구현예에서, 조류 바이오매스는 동등 중량의 용매와 혼합된다. 또 하나의 구현예에서, 조류 바이오매스는 더 적은 중량의 용매와 혼합된다. 또 하나의 구현예에서, 조류 바이오매스는 더 큰 중량의 용매와 혼합된다. 일부 구현예에서, 조류 바이오매스와 혼합된 용매의 양은 사용될 용매 및 조류 바이오매스/용매 혼합물의 원하는 극성을 기준으로 계산된다. 또 다른 구현예에서, 조류 덩어리는 몇 개의 단계로 추출된다. 예시적인 구현예에서, 조류 바이오매스는, 먼저 그의 중량의 약 50-60%로 약간 무극성, 수혼화성 용매로 순차적으로 추출된다. 두 번째로, 잔여 조류 고형물은 용매 중 고형물 중량의 약 70%를 사용하여 추출된다. 그 다음 제3 추출은 용매 중 고형물 중량의 약 90%를 사용하여 수행된다. 본 발명의 이들 측면을 잘 알고 있기 때문?, 당해분야의 숙련가는 조류 생성물을 선택적으로 추출하기 위해 조류 바이오매스 및/또는 고형물 잔여 대 원하는 극성의 비를 조정하여 상이한 극성의 상이한 용매를 사용할 수 있다.
예를 들면, 바람직한 구현예에서, 사용된 용매는 에탄올이다. 성분은 용매의 비를 변화시키서 선택적으로 단리될 수 있다. 단백질은 약 50% 에탄올로 조류 바이오매스로부터, 약 80% 에탄올로 극성 지질로부터, 그리고 약 95% 또는 그 초과 에탄올로 중성 지질로부터 추출될 수 있다. 메탄올이 사용될 수 있었다면, 조류 바이오매스로부터 단백질을 추출하기 위한 용매 농도는 약 70%이다. 극성 지질은 약 90% 메탄올을 필요로 하고, 중성 지질은 약 100% 메탄올을 필요로 한다.
본 명세서에 기재된 시스템 및 방법의 구현예은 놀라운 및 뜻밖의 결과를 나타낸다. 무엇보다도, 회수/추출 공정은 습성 바이오매스 상에서 행해질 수 있다. 이것은, 세포를 건조시키고 분열시키는데 필요한 다량의 에너지의 사용을 피하는 것과 같이 주요 경제적 이점이다. 건조 조류 바이오매스로부터의 중성 지질의 추출은 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하여 훨씬 더 효과적이다. 개시된 공정으로부터 얻은 수율은 종래의 추출에 의해 얻은 것보다 유의미하게 더 높고 더 순수하다. 이것은 종래의 추출로 빈번히 에멀젼이 되고, 성분 분리가 극도로 어렵기 때문이다.
예시적인 구현예는 임의의 조류 또는 비-조류 지질생산성 물질에 적용될 수 있다. 예시적인 구현예는 임의의 물-혼화성 약간 무극성 용매를 사용할 수 있고, 이 용매는, 비제한적으로, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 아세토니트릴을 포함한다. 명확한 구현예는 신재생 용매, 예컨대 에탄올을 사용할 수 있다. 시험된 알코올 용매로 단리된 중성 지질의 수율 및 순도가 더 높게 된다. 에탄올은 본 명세서에 개시된 다른 용매에 비해서 구매하는데 비교적 경제적이다. 일부 예시적인 구현예에서, 추출 및 분획화는 1단계로 수행될 수 있고, 그 다음 필요하다면 막-기반 정제가 수행될 수 있다. 수득한 바이오매스는 거의 물이 거의 없고 수성 조류 슬러리보다 더 적은 에너지로 완전히 건조될 수 있다.
일부 예시적인 구현예에서, 추출에 사용되는 용매은 에탄올이다. 다른 구현예는 비제한적으로 하기를 포함한다: 사이클로헥산, 석유 에테르, 펜탄, 헥산, 헵탄, 디에틸 에테르, 톨루엔, 에틸 아세테이트, 클로로포름, 디클로로메탄, 아세톤, 아세토니트릴, 이소프로판올, 및 메탄올. 일부 구현예에서, 동일한 용매는 순차적 추출 단계에서 사용된다. 다른 구현예에서, 상이한 용매는 각 추출 단계에서 사용된다. 또 다른 구현예에서, 2개 이상 용매는 혼합되고 1 이상의 추출 단계에서 사용된다.
본 명세서에 기재된 방법의 일부 구현예에서, 임의의 추출 단계에서 사용된 2개 이상 용매의 혼합물은 적어도 하나의 친수성 용매 및 적어도 하나의 소수성 용매를 포함한다. 그와 같은 혼합물을 사용할 때, 친수성 용매는 물질을 바이오매스로부터 확산을 통해 추출한다. 그 동안에, 비교적 작은 소수성 용매의 양은 조합하여 사용되고 액체-액체 분리에 관여되고 이로써 관심 물질은 소량의 소수성 용매에서 농축된다. 그 다음 2개의 상이한 용매는 2-층 시스템을 형성하고, 이는 당해기술에 공지된 기숭을 사용하여 분리될 수 있다. 그와 같은 실행에서, 소수성 용매는 알칸, 에스테르, 케톤, 방향족, 할로알칸, 에테르, 또는 상업적 혼합물 (예를 들면, 디젤, 제트 연료, 가솔린) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
일부 구현예에서, 본 명세서에 기재된 추출 공정은 1 이상의 단계로 pH 편위를 통합한다. 그와 같은 pH 편위는 단백질성 물질을 단리하는데 유용하다. 일부 구현예에서, 추출 공정의 pH는 산성이다 (예를 들면, 약 5 미만). 일부 구현예에서, 추출 공정의 pH는 알칼리성이다 (예를 들면, 약 10 초과).
종래의 추출 절차의 헥산의 사용은 조류 바이오매스를 오염시키고 이로써 부산물은 식품에서 사용될 수 있다. 본 발명의 구현예은 에너지가 적은 사용을 필요로 하고 연료 뿐만 아니라 식품 및 영양소 보충물로서 사용하기에 적당한 생성물을 제공하는 바와 같이 당해기술에서 공지된 것에 비해 우수하다.
본 명세서에 논의된 임의의 구현예는 본 발명의 임의의 방법 또는 시스템, 및 그 반대에 대해 시행될 수 있다는 것이 고려된다. 또한, 본 발명의 시스템은 본 발명의 방법을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 구현예의 설명
조류로부터 오일의 용매 추출을 위해, 최고의 시나리오는, 높은 회수율로, 트리아실글리세롤 (TAG)을 선택적으로 추출하고 조류 세포에서 모든 극성 지질 및 비-TAG 중성 지질 예컨대 왁스, 스테롤을 제거하는 용매이다. 제2 대안은 극성 지질을 선택적으로 추출하고, 그 다음 극성 지질이 없는 더 순수한 중성 지질을 추출하여 높은 회수율을 초래할 수 있을 것이다. 마지막 대안은 모든 지질을 추출하고 1 또는 2 단계로 매우 높은 회수율을 달성하는 것일 것이다.
도 1a를 참조하여, 순서도 (100)는 조류-함유 바이오매스로부터 지질의 분획화 및 정제에 사용된 방법의 예시적인 구현예에 관여된 단계들의 개관을 제공한다. 제1 단계 (110)에서, 조류 세포를 수확한다. 차후 단계 (120)에서, 물을 조류 세포로부터 제거하여 10-25% 고형물 바이오매스를 산출한다. 단계 (130)에서, 용매-기반 추출을 바이오매스에서 수행하고 분획을 수집한다. 일부 구현예에서, 단계 (130)는 또한 pH-기반 추출 및 분획 수집을 포함할 것이다. 마지막으로, 비제한적으로, 여과, 기울여 따르기 (decanting), 및 원심분리와 같은 기술을 포함하는 고체상/액체상 분리는 더 작은 지질 성분를 분리하기 위해 단계 (140)에서 수행될 수 있다.
단계 (110)에서 수확될 때 조류 바이오매스는 전형적으로 약 1-5 g/L의 총 고형물로 이루어진다. 바이오매스는, 비제한적으로, 용존 공기 부상법, 막 여과, 응집, 침강, 압축 여과, 기울여 따르기 또는 원심분리를 포함하는 기술을 사용하여 단계 (120)에서 부분적으로 탈수될 수 있다. 탈수는 고형 또는 반고형 물질로부터 일부, 대부분, 또는 모든 물의 제거이다. 본 발명의 구현예는 수확된 조류 바이오매스로부터 물을 제거하는 탈수 기술을 이용한다. 탈수는 본원에 기재된 임의의 방법들 중의 어느 하나 또는 조합의 사용, 뿐만 아니라 당해분야의 숙련가에게 공지된 임의의 다른 방법에 의해 수행될 수 있다.
단계 (120)으로부터 초래된 탈수된 조류 바이오매스는 전형적으로 약 10-30% 고형물로 이루어진다. 그 다음, 이 바이오매스는, 각 단계에서 분획을 격리시키는, 다단 역류 용매 추출 공정에서 수혼화성 약간 무극성 용매 (예를 들면, 알코올)로 추출될 수 있다. 이러한 유형의 공정은 자본 비용 및 조작 비용 둘 모두를 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오매스는 또한 단백질 물질을 분획화하기 위해 산 및/또는 알칼리성 추출을 진행한다.
일부 구현예에서, 조류 바이오매스의 탈수를 수확된 조류 바이오매스를 용매 예컨대 에탄올로 처리함으로써 수행할 수 있다. 그 다음, 조류 바이오매스를 용액 중에 정착시키고, 그 다음 액체를, 비제한적으로, 사이포닝 (siphoning)과 같은 방법으로 제거할 수 있다. 이러한 신규한 탈수 방법은 공지된 방법들 보다 더 낮은 자본 비용 및 조작 비용이 들고, 용매 재순환을 가능하게 하고, 바이오매스의 건조 비용을 감소시키고, 조류 성분의 추출 및/또는 분리 개시 전에 조류 바이오매스의 극성을 감소시키는 부가된 이점을 갖는다. 사실상, 본원에 기재된 용매-기반 침강 공정은, 유기 용매가 조류 표면 위의 음성 전하를 감소시키거나 중성화시킨다는 사실로 인해, 부분적으로 효과적임을 이론화한다. 본 발명의 일부 구현예에서, 탈수 방법은 더욱 더 많은 물을 제거하기 위해 조합된다. 일부 구현예에서, 탈수 공정 동안 용매의 부가는 추출 공정을 일으킨다.
도 1b는 탈수 공정 (300)의 설명적인 실행을 보여준다. 약 1 g/L 내지 약 10 g/L (즉, 0.1-1% w/w)의 최종 건조 중량을 갖는 조류 배양물 (310)을 물 분리 공정 (320)에 적용한다. 공정 (320)은 원심분리, 기울여 따르기, 침강, 또는 여과를 포함한다. 일 구현예에서, 소결된 금속 튜브 필터를 사용하여 배양물의 물로부터 조류 바이오매스를 분리한다. 그와 같은 필터를 사용했을 때, 회수된 물 (330)은 다른 조류 배양물로 인도되어 재순환된다. 한편, 회수된 조류 바이오매스를 약 200 g/L (즉, 10-20% w/w)만큼 높은 조류 밀도를 갖는 "조류 페이스트"로 농축시켰다. 그 다음, 이 농축된 조류 페이스트를 용매-기반 침강 공정 (350)에서 용매 (340)로 처리한다.
침강 공정 (350)은 조류 페이스트에 용매 (340)를 부가하여 약 1:1 내지 약 1:10의 중량/중량 용매 대 바이오매스 비를 갖는 혼합물을 달성함을 포함한다. 조류를 침강 용기에 침강시키고, 용매/물 혼합물 (360)을, 예를 들면, 사이포닝 및/또는 기울여 따르기에 의해 제거한다. 용매를 익히-공지된 기술, 예컨대 증류 및/또는 투석증발로 회수하고 재사용할 수 있다. 잔여 습성 바이오매스 (370)는 알코올 및 수용액 중에서 약 30% 내지 약 60% w/w 고형물 함량을 갖는 것으로 예상된다.
탈수에 이상적인 용매는 1.1 g/mL 초과 또는 0.9 g/mL 미만의 밀도를 갖는 산업적으로 통상적인 수용성 용매이다. 예는 이소프로판올, 아세톤, 아세토니트릴, t-부틸 알코올, 에탄올, 메탄올, 1-프로판올, 중수 (D2O), 에틸렌 글라이콜, 및/또는 글리세린을 포함한다. 용매 밀도가 1.1 g/mL를 초과하는 경우, 조류 바이오매스는 침강 용기의 바닥에 침강물을 생성하기보다 부유할 것이다.
도 2는 추출 시스템 (200)의 예시적인 구현예의 모식도이다. 습성 또는 건식 조류 바이오매스는, 비제한적으로, 이송 벨트, 스크류 컨베이어, 또는 관통 추출 챔버를 포함하는 당해분야에서 공지된 방법을 사용하여 수송된다. 추출용 용매를 각 바이오매스 구멍 위치에 할당된 저장 탱크로부터 재순환시킨다. 추출 혼합물을 여과하고, 바이오매스 고형물을 상기 구멍으로, 추출물을 저장 탱크로 복귀시킨다. 벨트 위의 고형물을 추출을 위한 체류 시간 요건을 기반으로 주기적으로 이동시킨다. 각 저장 탱크 중의 추출물은 포화되게 보충되거나 새로운 용매로 지속적으로 대체될 수 있다. 이것은 또한 다운스트림 처리 시간 및 비용을 매우 감소시킬 것이다. 이 구현예는 제1 저장기 (210), 수송 메카니즘 (220), 복수의 분리 디바이스 (241-248) (예를 들면, 막 여과 디바이스), 복수의 추출 저장기 (261-268), 및 복수의 재순환 펌프 (281-287)를 포함한다. 이 구현예에서, 제1 저장기 (210)는 복수의 유입 저장기 (211-218) 내로 분배된다.
조작 동안, 조류 바이오매스 (201)를 수송 메카니즘 (220)의 제1 말단 (221) 근처 제1 유입 저장기 (211) 내에 넣는다. 또한, 용매 (205)를 수송 메카니즘 (220)의 제2 말단 (222) 근처 유입 저장기 (218) 내에 넣는다. 수송 메카니즘 (220)은 수송 메카니즘 (220)을 따라 조류 바이오매스를 제1 말단 (221)에서 제2 말단 (222) 쪽으로 유도한다. 조류 바이오매스가 수송됨으로써, 조류 바이오매스는 복수의 분리 디바이스 (241-248)를 통과하고 다양한 극성의 분획으로 분리된다. 분리 디바이스 (241-248)를 통과하는 확산체 부분은 저장기 (261-268)로 유도된다.
예를 들면, 제1 분리 디바이스 (241)를 통과하는 조류 바이오매스의 확산체 부분 (예를 들면, 분리 디바이스 (241)를 통과하기에 충분히 작은 액체 및 입자를 함유하는 부분)을 제1 저장기 (261)로 유도한다. 제1 저장기 (261)로부터, 확산체 부분을 다시 제1 유입 저장기 (201)에서 재순환시킬 수 있다. 그 다음, 제1 분리 디바이스 (241)를 통과하지 않은 조류 바이오매스의 보전물 부분을 수송 메카니즘 (220)에 의해, 제1 분리 디바이스 (241)보다 더 미세한 분리 또는 여과 매체를 포함할 수 있는 제2 유입 저장기 (212) 및 제2 분리 디바이스 (242)로 유도할 수 있다.
제2 분리 디바이스 (242)를 통과하는 확산체 부분의 분절을 제2 저장기 (262)로 유도할 수 있고, 그 다음 재순환 펌프 (282)를 통해 다시 제2 유입 저장기 (212)에서 재순환시킬 수 있다. 제2 분리 디바이스 (242)를 통과하지 않은 조류 바이오매스의 보전물 또는 추출된 부분을 수송 메카니즘 (220)에 의해 제3 유입 저장기 (213)로 유도할 수 있다. 이 공정은 유입 저장기 (213-218) 및 분리 디바이스 (243-248)에 대해 반복할 수 있어서, 각 단계에서 보전물 부분은 차후 유입 저장기로 유도되는 한편, 확산체 부분은 재순환 저장기로 유도되고 다시 현재 유입 저장기에서 재순환된다.
예시적인 구현예에서, 제1 분획은 최고 물 대 약간 무극성 용매 비, 즉, 최고의 극성 혼합물로 추출될 것인 반면, 마지막 분획은 가장 순수한 약간 무극성 용매, 즉 최저의 극성 혼합물로 추출될 것이다. 따라서, 상기 공정은 분획으로 극성을 감소시키는 순서로 성분를 추출한다. 제1 분획의 기능은 잔여 물을 제거하고 용매 추출 공정을 용이하게 하는 것이다. 뒤따르는 분획은 극성 지질이 풍부한 반면, 최종 분획은 중성 지질이 풍부하다.
오일 분획을 에스테르화시켜 장쇄 불포화된 지방산을 유리시킬 수 있다. 카로테노이드 및 장쇄 불포화된 지방산을 비-분자 증류와 함께 분자 증류와 같은 공정을 사용하여 오일로부터 분리할 수 있다. 모든 지방산을 분자 증류를 사용하여 카로테노이드로부터 분리할 수 있다. 증류액을 단일 증류 칼럼을 사용하여 분획화하여 정련을 위한 저급 사슬 지방산을 분리할 수 있다. 장쇄 불포화된 지방산은 칼럼에서 고비점 잔여물로서 남는다.
일부 비제한 구현예에서, 본원에 기재된 추출 시스템 및 방법은 유성 물질 (예를 들면, 조류 바이오매스)로부터 단백질 물질을 단리하기 위해 1 이상의 단계를 포함한다. 그와 같은 단백질 추출 단계는 단백질의 단리 및 추출을 달성하기 위해 pH 조정(들)을 이용한다. 예를 들면, 하나의 비제한적인 구현예에서, 제1 분리 디바이스에서 용매의 pH는 단백질 추출을 위해 최적화되어, 단백질 물질이 풍부한 제1 분획을 초래한다. 단백질 추출 단계의 pH는 흥미로운 단백질의 pKa에 따라 조정된다. 흥미로운 단백질의 pKa는, 비제한적으로, 푸와송-볼츠만 방정식, 경험적 방법, 분자 동력학 기반 방법, 또는 적정 곡선 사용을 사용함을 포함하는 당해분야의 숙련가에게 공지된 방법을 사용하여 확인될 수 있다.
일부 구현예에서, 용매 pH는 알칼리성이다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 용매 pH는 약 10보다 더 크다. 다른 구현예에서, 용매 pH는 약 10 내지 약 12의 범위이다. 추가 구현예에서, 용매 pH는 약 10, 약 11, 또는 약 12이다. 다른 구현예에서, 용매 pH는 산성이다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 용매 pH는 약 5 미만이다. 다른 구현예에서, 용매 pH는 약 2 내지 약 5의 범위이다. 추가 구현예에서, 용매 pH는 약 2, 약 3, 약 4, 약 4.5, 또는 약 5이다. 그 다음, 제1 분리 디바이스의 추출된 부분은, 극성을 기반으로 한 추출 및 분획화를 달성하기 위해 차후 유입 저장기로 유도된다. 또 하나의 비제한적인 구현예에서, 단백질 물질을 유사한 수단 (즉, 용매 pH 조정)에 의해 최종 분리 디바이스로 분리한다.
용매 pH의 조정을 당해분야의 숙련가에게 공지된 방법에 따라 수행한다. 예를 들면, 산성 pH는 용매 스트림 내에 적절한 산을 혼합하여 달성된다. 단백질 추출에 유용한 예시적인 산은, 비제한적으로, 인산, 황산, 및 염산을 포함한다. 마찬가지로, 알칼리성 pH는 용매 스트림 내에 적절한 염기의 부가 및 혼합에 의해 달성된다. 단백질 추출에 유용한 예시적인 염기는, 비제한적으로, 칼륨 하이드록사이드, 및 나트륨 하이드록사이드를 포함한다.
일부 구현예에서, 단백질 추출은 본원에 기재된 추출 및 분획화 시스템과 별개의 시스템에서 수행된다. 예를 들면, 일부 구현예에서, 조류 바이오매스를 pH-조정된 용매 혼합물에 담그고, 그 다음 적절한 분리 기술 (예를 들면, 원심분리, 또는 여과)을 통해 단리시킨다. 그 다음, 잔여 고형물을, 본원에 기재된 바와 같이, 극성을 기반으로 한 추출 및 분획화 시스템 내로 도입한다. 마찬가지로, 일부 구현예에서, 극성을 기반으로 한 추출 및 분획화 공정으로부터의 잔여 추출물을 pH-조정된 용매 혼합물에 노출시켜 추출 공정의 말기에 단백질 물질을 단리시킨다.
도 3에서 보여주는 바와 같이, 용매 선택 및 극성을 기반으로 한 분획화 이론은, 고형 물질로부터 지질의 분리를 가능하게 하는 속슬레 추출 공정을 사용하여 추출에 대한 효과 및 용매의 광범위한 분석에 의해 발전되었다. 속슬레 추출 시스템은 지질 클래스 선택성 및 회수를 위한 용매를 신속히 스크리닝하는데 이용되었다. 광범위한 극성을 포함하는 다양한 화학 클래스로부터의 용매 예컨대 알칸, 사이클로알칸, 알킬 할라이드, 에스테르, 케톤을 시험했다. 추출 전에, 추출될 바이오매스의 지질 함량 및 조성을 조류 오일 평가를 위한 표준 방법 예컨대 블라이-다이어 (Bligh-Dyer) 지질 추출 방법을 사용하여 3회 시험했다. 바이오매스는 22.16% 총 지질을 함유했고, 이중 49.52%가 중성 지질이었다.
도 3은 속슬레 추출 공정과 조합된 다양한 극성 및 무극성 용매를 사용한 건식 조류 매스의 추출에 의해 모여진 데이타를 나타낸다. 알칸 용매의 사슬 길이에 따라, 60-70% 순도의 중성 지질 및 15-45%의 총 지질 회수가 붕괴 및 용매 추출 없이 달성될 수 있다. 시험된 가장 긴 사슬 알칸 용매인 헵탄은 60%의 중성 지질 및 42%의 총 지질을 회수했다. 도 3에서 보여주는 바와 같이, 용매 및 종래의 추출 방법 예컨대 헥산을 사용한 건식 조류 매스의 추출의 결과는 비효율적이고 비싸며, 불량한 수율을 초래한다. 본원에 개시된 시스템 및 방법은, 이들 비효율을, 성분의 최소 손실과 함께 상이한 극성의 성분를 분리하기 위해 약간 무극성 용매 대 물의 비율을 조절함으로써 다뤄진다.
저급 탄소 알코올 용매는 극성 지질에 대해 더 선택적이었다. 중성 지질 순도는 메탄올의 경우 22%였고 에탄올의 경우 45%였다. 이소프로필 알코올은, 52% 순수한 중성 지질 생성물을 초래하면서, 극성 및 비극성 지질 사이의 어떠한 선택성도 보여주지 않았다. 메탄올은 67%의 총 지질 및 90% 초과의 극성 지질을 회수했다. 따라서, 메탄올은 본 발명의 구현예를 위한 탁월한 후보이며, 여기서 메탄올은 헵탄 또는 헥산을 사용한 중성 지질의 추출 전에 유성 물질로부터 극성 지질을 선택적으로 추출하는데 사용될 수 있다. 시험된 다른 용매 클래스는, 중성 지질 순도가, 최초 바이오매스에 존재하는 지질 조성과 유사한 49%에 근접했기 때문에, 지질 클래스에 대한 어떠한 선택성도 보여주지 않았다. 또한, 이들 용매로 달성된 총 지질 회수율은 약 15-35% 범위였고, 이는 이들 용매가 특정 지질 클래스의 선택적 추출 또는 총 지질 추출에 부적당하게 한다.
속슬레 분석으로부터의 결과는 하기 실시예 1에 기재된 표준 벤치 규모 배치 용매 추출 장치를 사용하여 확인되었다. 선택된 용매는 제1 단계에 대해 극성 지질을 회수하기 위해 메탄올이었고, 제2 단계에서는 중성 지질의 회수를 위해 석유 에테르였다. 모든 추출을 1:10 고형물:용매 비로 수행했다. 이 실험에서 각 추출 단계는 1시간 길이였다. 수행된 다른 실험 (데이타 도시되지 않음)은 약 45분 또는 더 긴 시간이 성공적인 추출을 위해 충분한 길이임을 나타낸다. 이 체류 시간은 가열 및 시스템의 매스 수송에 의존적이다.
메탄올 추출은 최적의 온도를 결정하기 위해 상이한 온도, 40℃, 50℃, 및 65℃에서 수행했다. 석유 에테르 추출을 용매의 비점에 가까운 35℃에서 수행했다. 석유 에테르는 그것의 중성 지질에 대한 높은 선택성, 저비점, 및 추출후 관찰된 생성물 품질 때문에 선택되었다.
도 4a는, 65℃에서의 메탄올 추출 단계 후에 수행된 석유 에테르 추출에서 중성 지질 순도가 80%를 초과함을 보여주며, 이는 이들 2 추출 단계의 조합이 최종 원유 생성물 중의 중성 지질 함량을 증대시켰음을 실증한다. 도 4b는 총 중성 지질 회수율이 낮았고 제1 단계에서 유의미한 양의 중성 지질 손실이 존재했음을 보여준다.
메탄올 추출 단계에서 중성 지질의 손실을 최소화하기 위해, 용매의 극성을, 용매에 물을 부가함으로써 증가시킬 수 있다. 도 5a 및 5b는, 상기 언급된 바이오매스를 70% v/v 수성 메탄올로 추출하고, 그 다음 석유 에테르로 추출한 결과를 보여준다. 도 5a는 석유 에테르 추출에서의 중성 지질 순도가 순수한 메탄올을 사용하여 달성되었던 것보다 훨씬 더 높았음을 보여준다. 또한, 중성 지질의 손실은 제1 추출 단계에서 수성 메탄올을 사용함으로써 매우 감소했다. 도 5b에서 보여주는 바와 같이, 더 높은 온도에서의 메탄올 추출은 중성 지질 순도를 개선시켰지만, 차후 단계에서 총 지질 회수율을 약간 감소시켰다.
일부 예시적인 구현예에서, 추출 공정의 온도는 조류 바이오매스에 존재하는 조류 성분의 최적의 안정성을 보증하기 위해 조절된다. 조류 단백질, 카로테노이드, 및 클로로필은 온도 민감도를 나타내는 조류 성분의 예이다. 다른 구현예에서, 온도는 온도 민감성 조류 성분가 조류 바이오매스로부터 추출된 후에 증가된다.
또 다른 예시적인 구현예에서, 추출 공정의 온도는 원하는 생성물의 수율을 최적화하기 위해 조정된다. 추출은 주위 온도에서 최대, 그러나 추출 혼합물의 비점 미만으로 수행될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 추출 공정의 온도는 원하는 생성물의 용해도에 따라 변한다. 또 다른 구현예에서, 추출 온도는 추출될 바이오매스의 조류 균주에 따라 최적화된다. 상승된 추출 온도는 추출 회수율을 증대시키면서 원하는 화합물의 용해도를 증가시키고 추출 혼합물의 점도를 감소시킨다.
일부 구현예에서, 추출은 추출 혼합물의 비점을 상승시키는 압력 하에 수행된다. 이들 실행에서, 압력은 비등을 방지하는데 필요한 정도로 증가시키는 반면, 원하는 생성물들 중의 어느 것이 퇴화, 변성, 분해, 또는 파괴되기 시작하는 온도 미만으로 추출 혼합물의 온도를 유지시킨다.
일부 예시적인 구현예에서, 추출을 추출이 수행되는 조건 (예를 들면, 대기압 또는 상승된 압력)하에 사용된 용매의 비점 근처에서 수행한다. 다른 구현예에서, 추출을 다시 다른 추출 조건을 고려하여 추출 혼합물의 비점 근처에서 수행한다. 그와 같은 온도에서, 조류 세포 내로의 용매의 증기상 침투는 더 낮은 매스 수송 저항으로 인해 더 빠르다. 추출 온도가 용매의 비점을 상당히 초과하는 것이 가능한 경우, 용매-물 시스템은 공비혼합물을 형성할 수 있다. 따라서, 용매의 비점에서 또는 용매의 비점 근처에서 시스템을 유지시키는 것은 추출을 증대시키기에 충분한 증기를 발생시킬 것이고, 한편 비용을 감소시킬 것이다. 또한, 오일의 용해도는 더 높은 온도에서 증가되고, 이는 추가로 용매 비점 근처의 온도에서 추출의 효율성을 증가시킬 수 있다. 도 6은 수성 메탄올-석유 에테르 추출 도식에서 총 지질 회수율을 보여준다. 비등 온도 근처에서 메탄올 추출을 수행하는 것이 도 5b에서 관찰되는 바와 같이 중성 지질 회수를 약간 감소시키더라도, 그것은 총 지질 회수를 증대시킨다.
다른 구현예에서, 추출을 주위 밝은 조건하에 수행한다. 다른 구현예에서, 추출은, 광 민감성 조류 성분를 분해로부터 방지하게 위해 불투명한 용기 예컨대, 비제한적으로, 강철 튜브 또는 케이싱에서 수행된다. 카로테노이드는 광 민감성 조류 성분이다.
다른 예시적인 구현예에서, 추출은 표준 대기 조건 하에서 일어나다. 또 다른 구현예에서, 추출은 산화되기 쉬운 조류 성분를 보호하기 위해 질소 분위기 하에서 일어난다. 또 다른 구현예에서, 추출은 산화되기 쉬운 조류 성분를 보호하기 위해 불활성 가스의 분위기 하에 일어난다. 산화되기 쉬울 수 있는 조류 성분는 카로테노이드, 클로로필, 및 지질을 포함한다.
예시적인 구현예에서, 추출을 위한 용매-대-고형물 비는 바이오매스에서 고형물의 건조 중량을 기준으로 하여 3 내지 5이다. 잔여 조류 바이오매스는 탄수화물 (예를 들면, 전분)이 풍부하고, 추출에 사용된 용매를 생성하는데 공급 원료로서 사용될 수 있다.
도 7은 총 지질 회수율에 대한 용매 대 고형물 비의 효과를 보여준다. 용매 대 고형물 비가 증가되었을 때, 총 지질 회수율에서 상응하는 및 폭발적인 증가가 있었다. 이것은 다른 통상적으로 사용되는 오일 추출 용매 예컨대 헥산과 비교하여 메탄올에서 지질의 용해도가 더 낮기 때문인 것으로 여겨진다.
성분의 용해도는 추출 공정에 사용되는 용매의 극성에 의해 영향을 받는다. 원하는 생성물의 용해도 특성은 원하는 생성물을 선택적으로 추출하기 위해 습성 바이오매스 대 용매의 적절한 비를 결정하는데 사용될 수 있다. 본 2 용매 추출 시스템에서, 소수성 용매 양은 소수성 용매 중의 양친매성 용매 및 지질의 용해도를 기반으로 계산된다.
약 6.5 내지 6.7의 극성도는 단백질 및 다른 알코올 가용성 물질 그와 같은 당류 및 염을 추출한다. 그와 같은 추출 혼합물로부터 알코올 및 단백질을 제거한 후, 잔여 물질은 탁월한 발효 매질임을 발견하였다. 극성 지질 및 중성 지질의 추출을 위한 혼합물의 극성도는 각각 약 5.6 내지 5.9 및 5.3 내지 5.5인 것으로 계산된다. 원하는 성분를 추출하기 위한 수단은, 항상 습성 조류 바이오매스에 존재하는 물을 고려하여, 소수성 및 양친매성 용매의 양을 변화시킴으로써 추출 혼합물의 극성을 조정하는 것이다. 용매의 공지된 극성도를 사용하여, 용매의 양을 원하는 추출 혼합물 극성을 달성하도록 조정할 수 있다.
예를 들면, 40% w/w 습성 바이오매스는 습성 바이오매스 각 100 g에 대해 40 g 바이오매스 및 60 g 물을 갖는다. 100 g의 에탄올이 이 혼합물에 부가되는 경우, 에탄올 대 습성 바이오매스의 비는 1부 습성 바이오매스 대 1부 에탄올이고, 혼합물 중의 에탄올의 농도는 100/(100+60)이고, 이는 액체상 중에서 약 62% w/w의 에탄올과 동등하다. 에탄올 물 혼합물 중의 62% w/w의 에탄올은, 중량에 의해 계산되고 성분의 극성을 평균하여, 6.6의 극성도에 상응한다. 62% 에탄올 및 38% 물을 함유하는 혼합물 중에서 5.2의 극성도를 갖는 에탄올, 9의 극성도를 갖는 물은 (0.62*5.2+.38*9) 약 6.6의 극성도를 초래한다. 극성 지질 및 중성 지질의 추출을 위한 혼합물의 극성도는 각각 약 5.8 및 5.4로 계산된다.
예를 들면, 40% w/w 습성 바이오매스는 습성 바이오매스 각 100 g에 대해 40 g 바이오매스 및 60 g 물을 갖는다. 100 g의 에탄올이 이 혼합물에 부가되는 경우, 에탄올 대 습성 바이오매스의 비는 1부 습성 바이오매스 대 1부 에탄올이고, 혼합물 중의 에탄올의 농도는 100/(100+60)이고, 이는 액체상 중에서 약 62% w/w의 에탄올과 동등하다. 에탄올 물 혼합물 중의 62% w/w의 에탄올은, 중량에 의해 계산되고 성분의 극성을 평균하여, 6.6의 극성도에 상응한다. 62% 에탄올 및 38% 물을 함유하는 혼합물 중에서 5.2의 극성도를 갖는 에탄올, 9의 극성도를 갖는 물은 (0.62*5.2+.38*9) 약 6.6의 극성도를 초래한다. 극성 지질 및 중성 지질의 추출을 위한 혼합물의 극성도는 각각 약 5.8 및 5.4인 것으로 계산된다. 아세토니트릴이 소수성 용매로서 사용되는 경우, 아세토니트릴의 양은 에탄올 양의 약 2% 내지 4%일 것이고, 이는 계면 층 용적이, 약 2%인, 에탄올/아세토니트릴/물 공비혼합물 중의 물의 양의 거의 2배일 것이기 때문이다.
또 하나의 예에서, 40% w/w 습성 바이오매스는 습성 바이오매스 각 100 g에 대해 40 g 바이오매스 및 60 g 물을 갖는다. 100 g의 에탄올이 이 혼합물에 부가되는 경우, 에탄올 대 습성 바이오매스의 비는 1부 습성 바이오매스 대 1부 에탄올이고, 혼합물 중의 에탄올의 농도는 100/(100+60)이고, 이는 액체상 중에서 약 62% w/w의 에탄올과 동등하다. 에탄올 물 혼합물 중의 62% w/w의 에탄올은, 중량에 의해 계산되고 성분의 극성을 평균하여, 6.6의 극성도에 상응한다. 62% 에탄올 및 38% 물을 함유하는 혼합물 중에서 5.2의 극성도를 갖는 에탄올, 9의 극성도를 갖는 물은 (0.62*5.2+.38*9) 약 6.6의 극성도를 초래한다. 극성 지질 및 중성 지질의 추출을 위한 혼합물의 극성도는 각각 약 5.8 및 5.4인 것으로 계산된다. 헥산이 소수성 용매로서 사용되는 경우, 헥산의 양은 에탄올 양의 약 6% 내지 12%일 것이고, 이는 계면 층 용적이, 약 6%인, 에탄올/헥산/물 공비혼합물 중의 물의 양의 거의 2배일 것이기 때문이다. 이것은 계면 층의 크기가 시스템에 사용된 2 용매의 혼화성과 관련되고, 추가로 추출 혼합물에 존재하는 단백질 및 다양한 지질의 세제-유사 효과에 의해 영향을 받기 때문이다. 계면 층의 크기는 또한 혼합물의 온도와 관련된다. 온도를 증가시키면, 2 용매는 더 혼화성이 되고, 이로써 계면 층의 크기를 증가시킨다.
또 하나의 예에서, 추출 용매가 이소프로필 알코올 및 에탄올의 1:1 혼합물인 경우, 이 용매의 극성은 ((3.9+5.4)/2), 즉, 약 4.65이다. 용매 대 습성 바이오매스의 비는 극성을 맞추기 위해 계산될 것이다. 6.6 극성도를 얻기 위해, 하기 대수 방정식을 품으로써 계산될 때 55% w/w의 IPA-물 혼합물을 제조하는 것이 필요할 것이다:
Figure pct00003
따라서, 40% w/w 습성 바이오매스를 위해, 습성 바이오매스 대 IPA 비는 (1-0.55)/0.6 ~ 0.75이다.
40% w/w 습성 바이오매스의 경우, 이것은 100부 습성 바이오매스 대 75부 용매 혼합물의 비에 상응할 것이다. 40% w/w 습성 바이오매스는 습성 바이오매스 각 100 g에 대해 40 g 바이오매스 및 60 g 물을 갖는다. 75 g의 용매 혼합물이 이 혼합물에 부가되는 경우, 혼합물 중의 용매의 농도는 (75/(75+60))이고, 이는 용매 혼합물-수용액 중에서 약 55% w/w의 용매 혼합물과 동등하다. 이들 계산은 각 생성물에 대해 각 추출 단계에서 용매 바이오매스 비를 얻는데 사용될 수 있다. 용매 세트의 몇몇 비제한적 예가 표 3A 및 3B에 나타나 있다.
표 3A
Figure pct00004
표 3B
Figure pct00005
모든 실시예에 기재된 추출 혼합물은 실질적인 고체상 및 실질적인 액체상으로 구성된다. 그 다음, 이들 상들을 추출 후 분리한다. 그 다음, 이것은, 추출 생성물을 산출하는, 액체상으로부터 액체 용매의 제거가 뒤따를 수 있다. 일부 구현예에서, 용매를 증발시켰다. 그와 같은 실행에서, 액체-액체 추출 기술을 증발되는 것이 필요한 용매의 양을 감소시키는데 사용할 수 있다. 사용된 임의의 용매를 조건이 허락하는 경우 재순환시킬 수 있다.
추출 전에 조류 바이오매스의 처리는 지질 추출의 생산성 및 효율을 증대시킬 것이라고 이론화했다. 이 방향으로, 표면 특성을 변화시키고 추출을 증대시키기 위해 조류 바이오매스에 염기 또는 또 하나의 유기 용매를 첨가하는 효과를 비교하는 실험을 수행했다. 수성 메탄올, 수성 나트륨 하이드록사이드, 및 수성 DMSO를 포함하는 다양한 처리를 시도했다. 도 8에서 실증된 바와 같이, 5% DMSO의 부가는 지질 회수율을 3배 증가시킨다. 이들 추출 단계들은 메탄올 추출 단계들을 극적으로 감소시키는데 활용될 수 있다. 그러나, 상기 실험에 사용된 용액은, 높은 비용, 점도, 및 DMSO를 회수하고 재순환시키는 능력으로 인해, 큰 규모에서 사용하기에 이상적이지 않을 수 있다.
도 9는 누적 총 지질 수율 및 추출된 중성 지질의 순도에 대한 8 단계 메탄올 추출의 효과를 보여주는 차트이다. 이 구현예에서, 112 그램의 습성 바이오매스 (25.6% 건조 중량)를 350 mL 순수한 메탄올로 추출하고, 각 단계에서 160 W 방사 전력으로 10분 동안 가열했다. 이것은 추출 혼합물의 비점 근처인 약 75℃의 추출 온도를 초래했다. 이 공정을 사용하여, 대다수의 극성 지질이 추출되자마자 조류 오일로부터 매우 순수한 중성 지질을 얻는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 도 9는 극성 지질이 모두 추출되자마자 고순도 중성 지질을 단리하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 이 경우에, 5% 수율의 총 바이오매스는 메탄올 추출 단계 5 내지 8에서 90% 초과의 중성 지질 순도로 달성되었다. 또한, 추출 혼합물의 비점으로 인해, 바이오매스 중의 대부분의 물은 탄수화물, 단백질 및 금속과 함께 제1 추출 단계에서 완전히 추출된다.
도 10은 습성 바이오매스로부터 지질 및 단백질을 추출하기 위해 에탄올을 사용함으로써 더 효율적으로 제조될 수 있음을 보여준다. 에탄올을 사용함으로써, 80% 총 지질 회수는, 메탄올을 사용함으로써 일반적으로 필요한 9 단계가 아니라 약 4 단계로 달성될 수 있다. 이러한 회수율의 증가는 메탄올과 비교할 때 에탄올에서의 더 큰 지질 용해도에 기인할 수 있다. 또한, 수성 에탄올의 비점은 수성 메탄올보다 더 높고, 이는 지질의 추가 회수를 용이하게 한다. 이것은 더 높은 온도가 오일을 덜 점성이게 하고, 이로써 분산력을 향상시키기 때문이다. 이 공정의 또 하나의 뚜렷한 이점은 에스테르교환반응을 위해 오일 분획에 잔여 에탄올을 사용하는 것뿐만 아니라 바이오매스 건조 조작에서 열 부하를 저하시킨다는 것이다.
더욱이, 도 10은, 초기 분획이 단백질 및 다른 고극성 분자를 함유하는 비-지질이 풍부하고, 그 다음은 극성 지질이 풍부한 분획이고 마지막으로는 중성 지질 분획임을 실증한다. 따라서, 적절한 디자인의 추출 장치를 사용하여, 단일 추출 및 분획화 공정으로 모든 3 생성물을 회수할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 구현예는 추출을 보조하는데 마이크로웨이브를 이용하는 것이다. 본원에 개시된 이전에 수집된 데이타를 기반으로, 메탄올이 조류로부터 모든 지질의 추출을 위한 최고의 단일 용매인 것으로 나타났다. 그러므로, 본원의 실시예 1에 기재된 바와 같이, 단일 용매 다중 단계 추출을 1 용매 마이크로웨이브 추출 시스템의 효능에 대한 데이타를 모으기 위해 수행했다.
도 11은 종래의 추출 및 마이크로웨이브-보조된 추출의 추출 시간 및 총 지질 회수율을 비교하는 대수 플롯이다. 곡선의 기울기를 기반으로, 마이크로웨이브 시스템이 추출 시간을 약 5배 또는 그 초과로 감소시킬 수 있음을 계산했다. 종래의 방법이 더 높은 순 지질 회수율을 갖는데, 이것은 극성 지질의 더 높은 회수율에 기인한다. 이들 결과를 기반으로, 마이크로웨이브 보조의 존재 및 부재하에 용매를 사용한 건식 조류 바이오매스의 추출 조건을 최적화했다. 본 발명의 일부 구현예는 물 분자를 여기시키는 파장을 방출하는 전통적 마이크로웨이브 장치를 사용한다. 본 발명의 추가 구현예는 상이한 용매를 여기시킬 수 있는 맞춤형 마이크로웨이브 장치를 이용한다. 본 발명의 또 다른 구현예는 조류 바이오매스에 존재하는 지질을 여기시킬 수 있는 통상적 마이크로웨이브 장치를 이용한다. 일부 구현예에서, 조류 바이오매스에 존재하는 지질은 마이크로웨이브를 사용하여 여기되고, 이로써 조류 바이오매스로부터 지질 성분의 분리 및 추출을 증대시킨다.
수분 함량은 오일 추출의 효율에 영향을 줄 것인 바이오매스의 또 하나의 파라미터이다. 본 발명의 일부 구현예에서, 건식 조류 매스를 추출하고 분획화한다. 다른 구현예에서, 조류 매스는 습성이다. 10%, 25%, 및 33%의 조류 매스 함량을 갖는 바이오매스 샘플을 추출 성능에 대한 수분의 영향을 조사하기 위해 사용했다.
도 12a는 조류 바이오매스로부터 생성물의 단계적 추출을 위한 설명적인 공정 (400)을 보여준다. 도 12a에서 모든 단위는 파운드 단위이다. 도 12a는 공정 (400)의 질량 밸런스를 보여주는 반면, 공정을 수행하기 위한 장비 및/또는 시스템의 상세한 설명은 본원의 다른 곳에 기재되어 있다. 5 파운드의 조류를 함유하는 바이오매스는 약 0.63 파운드의 극성 지질, 1.87 파운드 중성 지질, 1 파운드 단백질, 및 1.5 파운드 탄수화물을 갖는다. 바이오매스 및 1000 파운드의 물은 탈수 단계 (405)에서 처리되고, 여기서, 혼합물로부터 950 파운드의 물이 분리되고 45 파운드의 물 중의 5 파운드의 조류를 제1 추출 단계 (410)로 보낸다. 본원에 개시된 탈수 기술들 중의 어느 것을 탈수 단계 (405)에 사용할 수 있다. 제1 추출 단계 (410)에서, 238 파운드의 에탄올 및 12 파운드의 물을 이전 단계로부터의 조류 및 물과 조합한다. 제1 추출 단계 (410)는 약 80.9% w/w 에탄올의 액체상을 갖는다. 231 파운드의 에탄올, 53 파운드의 물, 및 0.5 파운드의 조류 단백질을 포함하는 제1 액체상을 회수하고, 이로부터 물 및 에탄올을, 예를 들면, 증발에 의해 제거하고, 단백질-풍부 생성물 (415)을 남겨둔다. 증발로부터 회수된 용매를 제1 추출 단계 (410)로 재순환시킬 수 있다.
제1 추출 단계 (410)로부터의 제1 고체상을 제2 추출 단계 (420)로 보내고; 이 제1 고체상은 4.5 파운드의 조류, 2.6 파운드의 물, 및 10.9 파운드의 에탄올을 포함한다. 86 파운드의 에탄올 및 4 파운드의 물을 이전 단계로부터의 제1 고체상에 부가한다. 제2 추출 단계 (420)는 약 93.6% w/w 에탄올의 액체상을 갖는다. 85.9 파운드 에탄올, 5.9 파운드 물, 및 0.6 파운드 극성 지질을 포함하는 제2 액체상을 회수하고, 이로부터 물 및 에탄올을, 예를 들면, 증발에 의해 제거하고 극성 지질-풍부 생성물 (425)을 남겨둔다. 증발로부터 회수된 용매를 제2 추출 단계 (420)로 재순환시킬 수 있다.
제2 추출 단계 (420)로부터의 제2 고체상을 제3 추출 단계 (430)로 보내고; 이 제1 고체상은 3.9 파운드의 조류, 0.7 파운드의 물, 및 11 파운드의 에탄올을 포함한다. 70.5 파운드의 에탄올 및 3.5 파운드의 물을 이전 단계로부터의 제2 고체상에 부가한다. 제3 추출 단계 (430)는 약 95.4% w/w 에탄올의 액체상을 갖는다. 78.9 파운드 에탄올, 3.9 파운드 물, 및 1.6 파운드 중성 지질을 포함하는 제3 액체상을 회수하고, 이로부터 물 및 에탄올을, 예를 들면, 증발에 의해 제거하고 중성 지질-풍부 생성물 (435)를 남겨둔다. 증발로부터 회수된 용매를 제2 추출 단계 (430)로 재순환시킬 수 있다. 2.3 파운드 조류, 0.3 파운드 물, 및 6.6 파운드 에탄올을 포함하는 고체상이 남아있다.
도 12a에서 실증된 바와 같이, 각 순차적 에탄올 추출 단계로 수득한 지질 프로파일은 개시 조류에서의 수분 함량에 의해 크게 영향을 받았다. 공정 (400)의 모델은 각각 상이한 초기 수분 함량을 갖는 3 상이한 바이오매스 수집물에서 수행되었다. 초기 수분 함량이 감소됨으로써, 최대 지질 회수 단계는 제3 추출 단계에서 제4 추출 단계로 변경되었다 (도시되지 않음). 그러나, 이들 3 바이오매스 샘플들로부터의 전체 지질 회수율은, 모두 조류 바이오매스 중의 95%의 총 지질 함량으로 상당히 유사했다.
더 높은 수분 함량을 갖는 조류 매스가 사용될 때, 수성 에탄올 혼합물 중의 에탄올 농도는 훨씬 더 낮았으며, 결과적으로 조 추출물 중의 중성 지질 백분율 또한 더 낮았다. 90% 물을 포함한 조류 페이스트의 탈수는 매우 에너지 집약적인 공정인 것으로 보고되었다. 본원에 기재된 방법은 뜻밖에 주로 물을 함유하는 조류 매스를 성공적으로 추출하고 분획화하는데 사용될 수 있다. 전체 지질 회수율이 90% 물 (10% 조류 고형물)을 함유하는 조류 페이스트로부터의 개시에 의해 유의미하게 영향을 받지 않음으로써, 종래의 추출 방법과 달리, 본원에 개시된 방법은 에너지 집약적인 건조 단계의 사용을 필요로 하지 않는다.
도 12b는 공정 (400)의 추출 단계들 중 하나의 설명적인 실행 (500)을 보여준다. 조류 바이오매스 및 용매 혼합물 (505)을 추출 용기 (510)에 제공한다. (본원의 다른 곳에 기재된 바와 같이) 조류를 추출한 후, 혼합물을 거친 여과 시스템 (515), 예컨대 소결된 금속 튜브 필터에 제공하고, 이것은 혼합물을 액체상 및 고체상으로 분리한다. 고체상을 다운스트림 추출 단계로 보낸다. 액체상을, 액체상 중의 용매 (예를 들면, 에탄올) 함량을 감소시키기 위해 용매 제거 시스템 (520), 예를 들면, 증발기로 보낸다. 용매 제거 후에 남아있는 액체상은, 임의로 원심분리기 (525)로 보낸다. 용매 제거 시스템에 남아있는 임의의 고형물은 재순환시키거나 또는 버렸다. 원심분리기 (525)는 액체상 중의 임의의 남아있는 물 및/또는 고형물로부터 원하는 조류 생성물 (예를 들면, 단백질 또는 지질)을 분리하는 것을 돕는다.
도 14는, 조류 매스가 처리되어 1 이상의 조류 생성물을 형성하거나 회수할 수 있는 공정 (600)의 예를 보여준다. 이 예에서, 조류 바이오매스를 본원에 개시된 방법을 사용하여 전위 공정 (605)에서 단계적 방식으로 추출한다. 추출 및 분리 단계 이후, 추가로 성분 및 생성물을 분리하기 위해 에스테르화 공정 (610), 가수분해 공정 (615), 수첨처리 공정 (620), 및/또는 증류 공정 (625)을 수행한다. 성분 및 생성물은 조류 지질, 조류 단백질, 글리세린, 카로테노이드, 기능식품(nutraceutical) (예를 들면, 장쇄 불포화된 오일 및/또는 에스테르), 연료 에스테르 (일반적으로, C20 또는 더 짧은 사슬 길이를 갖는 에스테르), 연료, 연료 첨가물, 나프타, 및/또는 액체 석유 대체물을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 연료 에스테르는 C16 사슬 길이이다. 다른 구현예에서, 연료 에스테르는 C18 사슬 길이이다. 또 다른 구현예에서, 연료 에스테르는 C20 또는 더 짧은 사슬 길이의 혼합물이다.
에스테르화 공정 (610), 가수분해 공정 (615), 수첨처리 공정 (620), 및 증류 공정 (625)은 선택적이며, 다양한 순서로 사용될 수 있다. 굵은 점선 (dashed) 화살표 및 점선 (dotted) 화살표는, 가수분해, 수첨처리, 및/또는 증류 공정이 지질 분획의 처리에 수행될 때, 일부의, 그러나 전부가 아닌, 선택을 표시한다. 예를 들면, 본 발명의 일부 구현예에서, 추출 및/또는 분리가 수행된 후, 중성 지질 분획을 연료 생성물 및/또는 첨가물을 제조하기 위해 직접적으로 수첨처리할 수 있다. 대안적으로, 다른 구현예에서, 중성 지질 분획은 에스테르화 공정 (610)으로 보내질 수 있다.
에스테르화 공정 (610)은 당해분야에 공지된 기술, 예컨대 산/염기 촉매작용을 포함할 수 있고, 에스테르교환반응을 포함할 수 있다. 염기 촉매작용이 일부 생성물을 생산하는데 배제되지 않더라도, 산 촉매작용은, 다운스트림 처리가 복잡할 수 있는, 염기 촉매작용 동안 형성되는 비누를 피하는 기술로서 바람직하다. 효소 에스테르화 기술을 또한 사용할 수 있다. 에스테르화는 실질적으로 순수한 지질 물질 (본원에 사용된 바와 같이, 75% 초과 지질)을 처리할 수 있다. 에스테르화 후, 글리세린 부산물을 제거할 수 있다. 그 다음, 에스테르화된 지질은, 상이한 사슬 길이의 에스테르화된 지질 뿐만 아니라 지질 분획에 존재하는 카로테노이드를 분리하기 위해 분자 및/또는 비분자 증류 (공정 (625))를 겪을 수 있다. 그 다음, 에스테르화된 지질을 제트 연료, 바이오디젤, 및 다른 연료 생성물을 생성하기 위해 수첨처리 공정 (620)으로 보낼 수 있다. 당해분야에 공지된 임의의 수첨처리 공정을 사용할 수 있고; 그와 같은 공정은 지질 분자에 수소를 부가하고 산소 분자를 제거한다. 수첨처리를 위한 예시적인 조건은 트리글라이세라이드, 지방산, 지방산 에스테르를 600 psi 범위의 높은 압력 및 600℉ 범위의 온도하에 수소와 반응시킴을 포함한다. 통상적으로 사용되는 촉매는 NiMo 또는 CoMo이다.
원료 지질보다는 연료 에스테르를 수첨처리하는 것은 몇 개의 이점을 갖는다. 먼저, 에스테르화 공정 (610)은 조류 오일에 존재하는 어떤 인 및 금속 화합물의 수준을 감소시킨다. 이들 물질은 수첨처리 공정에 전형적으로 사용되는 촉매에 유해하다. 따라서, 수첨처리 전에 에스테르화는 수첨처리 촉매의 수명을 연장시킨다. 또한, 에스테르화는 수첨처리될 화합물의 분자량을 감소시키고, 이로써 수첨처리 공정 (620)의 성능을 향상시킨다. 더 추가로, 수첨처리되는 증류 공정 (625)으로부터의 연료 에스테르를 수증기 같은 형태로 유지함으로써, 수첨처리에 필요한 에너지를 감소시키는데 유리하다.
본 발명의 일부 구현예에서, 중성 조류 지질은 지질을 연료 생성물 및 첨가물로 전환시키기 위해 직접적으로 수첨처리된다. 다른 실행에서, 중성 지질을 에스테르화시키고 증류 공정 (625)을 통해 카로테노이드, 장쇄 불포화된 에스테르, 에이코사펜타에노산 (EPA) 에스테르, 및/또는 연료 에스테르로 분리한다. 증류 공정 (625)은 분자 증류 뿐만 아니라 당해분야에 공지된 증류 기술들 중의 어느 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 증류액을 단일 증류 칼럼을 사용하여 분획화시켜 정련을 위한 저급 사슬 지방산을 분리할 수 있다. 장쇄 불포화된 지방산은 칼럼에 고비점 잔여물로서 남아있다. 일부 구현예에서, 그 다음, 잔여 증기를 수첨처리 공정에 보낼 수 있다. 본 발명의 이점 중 2가지는, 그것이, 상기에서 기재된 바와 같이, 에너지 집약적인 수첨처리 반응에 유리한, 순수한 공급물 뿐만 아니라 증기 생성물을 산출한다는 것이다.
본 발명의 일부 구현예에서, 극성 지질 (및, 임의로, 중성 지질)을 에스테르화 공정에 보내기 전에 가수분해 공정 (615)에서 가수분해시킨다. 이렇게 함으로써, 조류 지질의 지방산과 결합하지 않고, 더 큰 양의 조류 지질이 유용한 생성물로 형성되게 한다.
도 15는 중성 지질로부터 기능식품 생성물을 생성하기 위한 공정 (700)을 보여주는 순서도이다. 하나의 공정 (700)의 실행에서, 중성 지질을, EPA-풍부 오일로부터 카로테노이드를 분리하는 흡착 공정 (705)으로 공급한다. 중성 지질은 조류 공급원으로부터 본원에 개시된 선택적 추출 기술들 중의 어느 것에 의해 생성될 수 있다. 그러나, 중성 지질은 다른 공급원, 예컨대 식물 공급원으로부터의 것일 수 있다.
흡착 공정 (705)은 중성 지질을 흡착제와 접촉시켜 카로테노이드, 예컨대 베타 카로텐 및 크산토필을 흡착함을 포함한다. 하나의 실행에서, 흡착제는 디아이온 (Diaion) HP20SS (ITOCHU 케미칼즈 아메리카, 인코포레이티드 (ITOCHU Chemicals America, Inc.)로부터 상업적으로 이용가능함)이다. 중성 지질은 배치-유형 공정에서 흡착제와 접촉할 수 있고, 여기서 상기 중성 지질 및 흡착제는 선택된 시간의 양 동안 용기 내에 유지된다. 접촉 시간 후, 흡수제 및 액체를 당해분야의 공지된 기술을 사용하여 분리한다. 다른 실행에서, 흡착제는 흡착제 층에 유지되고, 중성 지질은 흡착제 층을 통과한다. 흡착제 층을 통과할 때, 중성 지질의 카로테노이드 함량이 감소되고, 이로써 EPA가 풍부한 오일을 생성한다.
카로테노이드는 흡착제를, 비제한적으로, 알코올 예컨대 에탄올, 이소프로필 알코올, 부탄올, 에스테르 예컨대 에틸 아세테이트 또는 부틸 아세테이트, 알칸 예컨대 헥산, 및 펜탄을 포함하는 적절한 용매로 처리함으로써 흡착제 물질로부터 회수될 수 있다.
도 16은 중성 지질 (805)로부터 연료 생성물 (830)을 생성하기 위한 공정 (800)을 보여주는 순서도이다. 중성 지질은 본원에 개시된 선택적 추출 기술들 중의 어느 것에 의해 조류 공급원으로부터 생성될 수 있다. 그러나, 중성 지질은 다른 공급원, 예컨대 식물 공급원으로부터의 것일 수 있다. 중성 지질은 정련 공정 (810)에서 처리되고, 여기서 상기 지질은 산 세척되어 금속 및 중성 지질 중의 인지질의 수준을 감소시킨다. 일부 실행에서, 비교적 희석된 인산 용액을 중성 지질에 부가하고, 혼합물을 가열하고 진탕시킨다. 그 다음, 침전된 인지질 및 금속을 잔여 오일로부터, 예를 들면, 원심분리에 의해 분리한다.
그 다음, 처리된 오일을 클로로필 및 기타 색 화합물을 제거하기 위해 표백 공정 (815)에 보낸다. 일부 실행에서, 표백 공정 (815)은 오일을, 오일 중의 클로로필 및 기타 색 화합물의 수준을 감소시키는 점토 및 또는 다른 흡착제 물질 예컨대 표백 점토 (즉 벤토나이트 또는 백토)와 접촉함을 포함한다. 그 다음, 처리된 오일을, 연료 생성물, 예를 들면, 제트 연료 혼합물, 디젤 연료 첨가물, 및 프로판을 형성하기 위해 오일의 성분를 수소화하고 탈산소화하는 수첨처리 공정 (820)으로 보낸다. 또한, 수첨처리 공정 (820)은 또한 일부 크래킹 및 더 작은 사슬 화합물, 예컨대 LPG 및 나프타의 형성을 유발한다. 본원에 기재된 수첨처리 공정들 중 어느 것을 수첨처리 공정 (820)을 위해 사용할 수 있다.
수첨처리 공정 (820)에서 형성된 화합물들의 혼합물을 다양한 연료 생성물 (830)로 분리하기 위해 증류 공정 (825)으로 보낸다. 증류 공정 (825)은 연료 화합물의 분리를 위해 본원에 기재되거나 당해기술에서 공지된 분자 및 비-분자 증류 기술들 중의 어느 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 단백질을 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출할 수 있다. 개시된 방법을 사용한 단백질의 추출은 많은 이점을 제공한다. 특히, 조류 세포는 원하는 단백질을 추출하기 전에 용해시킬 필요가 없다. 이것은 간소화되고 추출 비용을 감소시킨다. 본 발명의 방법은 조류 배양물, 바이오매스, 페이스트, 또는 케이크로부터 상이한 클래스의 단백질을 선택적으로 추출하고 분획화하기 위해 상이한 클래스의 단백질의 용해도 프로파일을 이용한다.
예를 들면, 조류 바이오매스를 물, 및 알부민 및 글로불린으로 통칭되는 염 가용성 단백질을 추출하기 위해 가열하고 혼합할 수 있다. 그 다음, 이 혼합물은 글루텔린으로 통칭되는 알칼리 가용성 단백질을 회수하기 위해 pH를 변화시킬 수 있다. 그 다음, 이 단계는 프롤라민으로 통칭되는 알코올 가용성 단백질의 용매-기반 분리가 뒤따를 수 있다. 잔여 바이오매스는 탄수화물 및 지질이 풍부할 것이다.
도 17 및 18에 보여주는 바와 같이, 단백질을 염수 및 담수 조류 세포 둘 모두로부터 추출할 수 있다. 염수 조류 배양물 또는 바이오매스 중의 염의 존재는 상이한 클래스의 단백질의 추출에 영향을 주지만, 본원에 개시된 방법은 담수 또는 염수 조류로부터 단백질을 선택적으로 추출할 수 있게 한다.
일부 구현예에서, 담수 조류 세포로부터의 단백질의 추출은 도 17에 보여주는 신규 공정에 의해 달성된다. 담수 조류 세포 또는 담수 조류 바이오매스를 가열하고 혼합한다. 혼합은 당해분야에서 공지된 다양한 방법 예컨대, 비제한적으로, 교반, 진탕, 및 흔들기에 의해 달성될 수 있다. 이 공정은, 제1 실질적인 액체상 및 제1 실질적인 고체상으로 구성된, 제1 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 분리는, 비제한적으로, 원심분리, 기울여 따르기, 부유, 침강, 및 여과를 포함하는 당해분야에 공지된 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. 이 제1 실질적인 액체상은 알부민 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제1 실질적인 고체상을 염수와 혼합하고, 가열하여, 제2 실질적인 액체상 및 제2 실질적인 고체상으로 구성된, 제2 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 염수는 천연 바닷물일 수 있거나 염 수용액일 수 있다. 그와 같은 용액의 예는 주로 NaCl로 구성되면서 전형적으로 약 35 g/L를 포함할 것이다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 이 제2 실질적인 액체상은 글로불린 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제2 실질적인 고체상을 물과 혼합하고 가열하여, 제3 실질적인 액체상 및 제3 실질적인 고체상으로 구성된, 제3 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 그 다음, 이 제3 추출 혼합물 또는 슬러리의 pH를 약 9 또는 그 초과로 상승시키고, 이는 글루텔린 단백질을 포함하는 제3 실질적인 액체상을 풍부하게 한다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리하고, 제3 실질적인 액체상은 글루텔린 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제3 실질적인 고체상을 용매 세트와 혼합하고 가열하여, 제4 실질적인 액체상 및 제4 실질적인 고체상으로 구성된, 제4 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 하나의 바람직한 구현예에서, 용매 세트는 에탄올을 포함한다. 다른 비제한 구현예에서, 용매 세트는 1 이상의 하기 용매를 포함한다: 메탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 아세토니트릴. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 이 제4 실질적인 액체상은 프롤라민 단백질이 풍부하다. 잔여 제4 실질적인 고체상은 개시 조류 바이오매스의 조성에 따라 지질이 풍부할 수 있다.
일부 구현예에서, 염수 조류 세포로부터의 단백질의 추출은 도 18에 보여주는 신규 공정에 의해 달성된다. 염수 조류 세포 또는 염수 조류 바이오매스를 가열하고 혼합한다. 혼합은, 당해분야에서 공지된 다양한 방법 예컨대, 비제한적으로, 교반, 진탕, 및 흔들기에 의해 달성될 수 있다. 이 공정은, 제1 실질적인 액체상 및 제1 실질적인 고체상으로 구성된, 제1 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 분리는, 비제한적으로, 원심분리, 기울여 따르기, 부유, 침강, 및 여과를 포함하는 당해분야에서 공지된 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. 이 제1 실질적인 액체상은 글로불린 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제1 실질적인 고체상을 물과 혼합하고 가열하여, 제2 실질적인 액체상 및 제2 실질적인 고체상으로 구성된, 제2 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 이 제2 실질적인 액체상은 알부민 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제2 실질적인 고체상을 물과 혼합하고 가열하여, 제3 실질적인 액체상 및 제3 실질적인 고체상으로 구성된, 제3 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 그 다음, 이 제3 추출 혼합물 또는 슬러리의 pH를 pH 9 또는 그 초과로 상승시키고, 이는 글루텔린 단백질을 포함하는 제3 실질적인 액체상을 풍부하게 한다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리하고, 제3 실질적인 액체상은 글루텔린 단백질이 풍부하다.
그 다음, 제3 실질적인 고체상을 용매 세트와 혼합하고 가열하여, 제4 실질적인 액체상 및 제4 실질적인 고체상으로 구성된, 제4 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성한다. 하나의 바람직한 구현예에서, 용매 세트는 에탄올을 포함한다. 다른 비제한 구현예에서, 용매 세트는 1 이상의 하기 용매를 포함한다: 메탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 아세토니트릴. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리한다. 제4 실질적인 액체상은 프롤라민 단백질이 풍부하다. 잔여 제4 실질적인 고체상은 개시 조류 바이오매스의 조성에 따라 지질이 풍부할 수 있다.
개시된 방법은 또한, 도 17-20에서 보여주는 바와 같이, 상이한 유형의 단백질의 선택적 추출을 위해 제공된다. 상기 언급된 추출 공정의 단계들 중 어느 단계를 단일 단백질 생성물을 선택적으로 추출하기 위해 나머지 단계들과 별도로 수행할 수 있다. 추출 단계 1a 주위에 굵은 점선 박스에 의해 실증된 바와 같이, 이것의 2가지 예를 도 17 및 18에서 보여준다.
비제한 예에서, 글로불린 단백질은, 상기 바이오매스를 염수와 혼합하고 가열하여, 실질적인 액체상 및 실질적인 고체상으로 구성된, 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성함으로써 담수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출될 수 있다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리할 수 있다. 액체상은 글로불린 단백질이 풍부하다. 도 17, 추출 단계 1a를 참고한다.
또 하나의 비제한적인 예에서, 알부민 단백질은, 상기 바이오매스를 물과 혼합하고 가열하여, 실질적인 액체상 및 실질적인 고체상으로 구성된, 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성함으로써 염수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출될 수 있다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리할 수 있다. 액체상은 글로불린 단백질이 풍부하다. 도 18, 추출 단계 1a를 참고한다.
추가 비제한 예에서, 프롤라민 단백질을, 도 19에서 보여주는 바와 같이 담수 또는 염수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출할 수 있다. 선택적 추출은, 조류 바이오매스를 용매 세트와 혼합하고 가열하여, 실질적인 액체상 및 실질적인 고체상으로 구성된, 가열된 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성함으로써 달성된다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리할 수 있다. 액체상은 프롤라민 단백질이 풍부하다.
또 하나의 비제한 예에서, 단백질 분획을 도 20에서 보여주는 바와 같이 담수 또는 염수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출할 수 있다. 선택적 추출은, 조류 바이오매스를 용매 세트와 혼합하여 추출 혼합물 또는 슬러리를 생성하고 혼합물의 pH를 변화시킴으로써 달성된다. 혼합물은 실질적인 액체상 및 실질적인 고체상으로 구성된다. 그 다음, 고체상 및 액체상을 분리할 수 있다. 액체상은 단백질이 풍부하다.
도 22는 단일 용매 (양친매성) 시스템에 의한 단백질의 추출에 대한 예시적인 추출 시스템의 도식도이다. 예시적인 시스템은, 저장 탱크, 원심분리기 (2202), 추출기 (2203), 고형물 분리 필터 (2204), 가열기 (2205), 용매 회수 시스템 (2206), 및 냉각기 (2207)에 직접적으로 펌프될(pumped) 수 있거나 또는 저장 탱크, 원심분리기 (2202), 추출기 (2203), 고형물 분리 필터 (2204), 가열기 (2205), 용매 회수 시스템 (2206), 및 냉각기 (2207)에 저장될 수 있는, 조류 배양물 (2201)을 포함한다. 펌프 (2213)는 각 단계의 생성물을 다음 단계로 이동시키는 것을 돕는다.
도 23은 하나의 예시적인 구현예에 따라서, 습성 조류 바이오매스로부터 단백질 및 극성 지질을 추출하기 위한 예시적인 시스템을 보여준다. 예시적인 시스템은, 저장 탱크 (2301), 원심분리기 (2302), 추출기 (2303), 데칸터 (2304), 가열기 (2305), 용매 회수 시스템 (2306), 냉각기 (2307), 저장 탱크 (2308), 고형물 분리기 (2309), 제2 가열기 (2310), 제2 용매 회수 시스템 (2311) 및 제2 냉각기 (2312)로 직접적으로 펌프될 수 있거나 또는 저장 탱크 (2301), 원심분리기 (2302), 추출기 (2303), 데칸터 (2304), 가열기 (2305), 용매 회수 시스템 (2306), 냉각기 (2307), 저장 탱크 (2308), 고형물 분리기 (2309), 제2 가열기 (2310), 제2 용매 회수 시스템 (2311) 및 제2 냉각기 (2312)에 저장될 수 있는, 조류 배양물을 포함한다. 펌프 (2313)는 각 단계의 생성물을 다음 단계로 이동시키는 것을 돕는다.
저장 탱크 (2301)에 직접적으로 펌프될 수 있거나 저장 탱크 (2301)에 저장될 수 있는 조류 배양물을 원심분리 (2302)하여 추출기 (2303)로 펌프되는 농축된 페이스트를 얻는다. 원심분리 유닛 (2302)은 고형물 분리기 예컨대 막 시스템 또는 용존 공기 부상법 유닛 또는 응집 침강 유닛, 등에 의해 대체될 수 있다. 양친매성 및 소수성 용매의 혼합물을 추출기에 부가한다. 추출기는 용액을 혼합하고 용매 혼합물의 비점 미만에서 고정된 시간 동안 가열한다. 가열은, 다양한 방법 예컨대 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일, 또는 전기로의 가열로 달성될 수 있다. 추출은 추출의 효율성을 증대시키기 위해 대기압에서 또는 가압 조건하에서 수행될 수 있다.
그 다음, 추출물은 더 가벼운 상과 더 무거운 상을 분리하기 위해 데칸터 내로 펌프된다. 이 단계를 또한 막 여과를 사용하거나 원심분리에 의해 수행할 수 있다. 더 가벼운 상은 소수성 용매 및 극성 지질을 포함한다. 더 무거운 상은 양친매성 용매, 물 및 조류로 이루어진다. 소수성 층은 가열기 (2305)를 통해 용매 회수 시스템 (2306) 내로 펌프된다. 증기는 냉각기 (2307)를 통과시키고 재순환을 위해 회수된다. 잔여물은 주로 극성 지질을 포함하는 농축물이다. 더 무거운 상은 저장 탱크 (2308)에서 수집되고 고체 액체 분리기 (2309)를 통해 펌프된다. 고형물은 추가로 추출되거나 건조될 수 있는 추출된 조류 바이오매스를 포함한다. 액체 부분을 제2 가열기 (2310)를 통해 제2 용매 회수 시스템 (2311) 내로 보낸다. 이 시스템으로부터의 증기를 제2 냉각기 (2312)를 통과시켜 양친매성 용매를 회수하고 재순환시킨다. 물 및 단백질은 용매 회수 유닛 중의 잔여물을 형성한다.
도 24는 2-용매 (양친매성/소수성) 시스템에 의한 중성 지질 및 단백질의 추출에 대한 예시적인 추출 도식의 도식도이다. 예시적인 시스템은 저장 탱크, 원심분리기 (2402), 추출기 (2403), 데칸터 (2404), 가열기 (2405), 용매 회수 시스템 (2406), 냉각기 (2407), 저장 탱크 (2408), 고체 액체 분리기 (2409), 제2 가열기 (2410), 제2 용매 회수 시스템 (2411) 및 제2 냉각기 (2412)로 직접적으로 펌프될 수 있거나 또는 저장 탱크, 원심분리기 (2402), 추출기 (2403), 데칸터 (2404), 가열기 (2405), 용매 회수 시스템 (2406), 냉각기 (2407), 저장 탱크 (2408), 고체 액체 분리기 (2409), 제2 가열기 (2410), 제2 용매 회수 시스템 (2411) 및 제2 냉각기 (2412)에 저장될 수 있는 조류 배양물 (2401)을 포함한다. 펌프 (2413)는 각 단계의 생성물을 다음 단계로 이동시키는 것을 돕는다.
도 25는 예시적인 구현예에 따라서 습성 조류 바이오매스로부터 단백질, 극성 지질 및 중성 지질을 추출하기 위한 예시적인 시스템의 도식도이다. 예시적인 시스템은 저장 탱크, 원심분리기 (2502), 추출기 (2503), 데칸터 (2504), 가열기 (2505), 용매 회수 시스템 (2506), 냉각기 (2507), 저장 탱크 (2508), 고체 액체 분리기 (2509), 제2 가열기 (2510), 제2 용매 회수 시스템 (2511) 및 제2 냉각기 (2512)로 직접적으로 펌프될 수 있거나 또는 저장 탱크, 원심분리기 (2502), 추출기 (2503), 데칸터 (2504), 가열기 (2505), 용매 회수 시스템 (2506), 냉각기 (2507), 저장 탱크 (2508), 고체 액체 분리기 (2509), 제2 가열기 (2510), 제2 용매 회수 시스템 (2511) 및 제2 냉각기 (2512)에 저장될 수 있는 조류 배양물 (2501)을 포함한다.
조류 배양물 (2501)을 원심분리 (2502)하여 추출기 (2503)로 펌프되는 농축된 페이스트를 얻는다. 원심분리 유닛 (2502)은 고형물 분리기 예컨대 막 시스템 또는 용존 공기 부상법 유닛 또는 응집 침강 유닛, 등에 의해 대체될 수 있다. 양친매성 및 소수성 용매의 혼합물을 추출기에 부가한다. 추출기는 용액을 혼합하고 용매 혼합물의 비점 미만에서 고정된 시간 동안 가열한다. 가열은, 다양한 방법 예컨대 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일, 또는 전기로의 가열로 달성될 수 있다. 추출은 추출의 효율성을 증대시키기 위해 대기압에서 또는 가압 조건하에서 수행될 수 있다. 그 다음, 추출물은 더 가벼운 상 및 더 무거운 상을 분리하기 위해 데칸터 내로 펌프된다. 이 단계를 또한 막 여과를 사용하거나 원심분리에 의해 수행할 수 있다.
더 가벼운 상은 소수성 용매 및 극성 지질로 구성된다. 더 무거운 상은 양친매성 용매, 물 및 조류로 이루어진다. 소수성 층은 가열기 (2505)를 통해 용매 회수 시스템 (2506) 내로 펌프된다. 증기를 냉각기 (2507)를 통과시키고 재순환을 위해 회수한다. 잔여물은 주로 극성 지질로 구성된 농축물이다. 더 무거운 상은 저장 탱크 (2508)에서 수집되고 고체 액체 분리기 (2509)를 통해 펌프된다. 고형물은 추가로 추출되거나 건조될 수 있는 추출된 조류 바이오매스로 구성된다. 액체 부분을 제2 가열기 (2510)를 통해 제2 용매 회수 시스템 (2511) 내로 보낸다. 이 유닛으로부터의 증기는 제2 냉각기 (2512)를 통과시켜 양친매성 용매를 회수하고 재순환시킨다. 물 및 단백질은 용매 회수 유닛에서 잔여물을 형성한다. 고체 액체 분리기 (2509)로부터 추출된 고형물을 제2 추출기 (2518)에서 상기 시스템에서의 양친매성 용매 대 물의 비로 다시 추가로 추출한다. 양친매성 및 소수성 용매의 제2 혼합물을 제2 추출기에 부가한다. 제2 추출기는 용액을 혼합하고 제2 용매 혼합물의 비점 미만에서 고정된 시간 동안 가열한다. 그 다음, 제2 추출물은 더 가벼운 상 및 더 무거운 상을 분리하기 위해 제2 데칸터 (2519) 내로 펌프된다. 더 가벼운 상은 소수성 용매 및 중성 지질로 구성된다. 더 무거운 상은 양친매성 용매, 물 및 조류로 이루어진다. 소수성 층은 가열기 (2520)를 통해 용매 회수 시스템 (2521) 내로 펌프된다. 증기를 냉각기 (2522)를 통과시키고 재순환을 위해 회수한다. 잔여물은 중성 지질로 주로 구성된 농축물이다. 더 무거운 상을 추출기 (2518)로 재순환시키거나 또는 건조시킨다. 펌프 (2513)는 각 단계의 생성물을 다음 단계로 이동시키는 것을 돕는다.
도 26은 에탄올 추출 개념을 실증하는 도식도이다. 에탄올의 양이 시스템에서 물 및 소수성 용매의 양에 비례하여 변화되기 때문에, 상이한 성분를 선택적으로 추출할 수 있다.
본 발명의 이들 측면이 잘 알려졌기 때문에, 당해분야의 숙련가는 단일 단계 추출 공정, 또는 다단계 추출 공정에 의해 원하는 극성 지질 또는 단백질을 담수 또는 염수 조류 바이오매스로부터 선택적으로 추출할 수 있다. 본 개시내용에 비추어, 당해분야의 숙련가는 상기 개시된 다단계 추출 도식의 순서를 교체할 수 있고, 단, 상기 조류 덩어리의 단백질 함량 및 관심 단백질의 용해도 특성이 고려된다. 개시된 방법의 다른 구현예는 각 추출 단계 사이에 세척 단계를 포함시킬 수 있다.
임의의 개시된 단백질 추출 방법에 대해, 추출 혼합물/슬러리는 일정 기간 동안 가여된 온도에서 유지될 수 있다. 일부 구현예에서, 추출 혼합물은 가열된 온도에서 약 20 분 내지 약 90 분 동안 유지된다. 일부 측면에서, 추출 혼합물은 가열된 온도에서 약 20 분 내지 약 60 분 동안 유지된다. 다른 측면에서, 추출 혼합물은 가열된 온도에서 약 45 분 내지 약 90 분 동안 유지된다.
일부 구현예에서, 추출 혼합물/슬러리는 약 50 ℃ 미만의 온도로 가열될 수 있다. 일부 측면에서, 알부민, 글로불린, 및 글루텔린 단백질은 약 50 ℃ 미만의 온도에서 추출된다. 다른 구현예에서 추출 혼합물/슬러리는 추출 혼합물/슬러리의 비점에 가까운 온도로 가열된다. 일부 측면에서, 프롤라민 단백질은 추출 혼합물/슬러리의 비점에 가까운 온도에서 추출된다. 다른 구현예에서, 압력은 추출을 향상시키기 위해 가열 및 혼합 단계 동안에 50psi를 포함하는 대기압 초과, 최대로 증가된다.
조류 바이오매스의 유통 기한은 간격 및 세포외 물의 제거에 의해 증가될 수 있다. 이로써 일정 기간에 걸쳐 바이오매스의 미생물 성장 및 오염이 적어진다. 이는 비가열된 조건 하에서 양친매성 용매를 조류 배양물 또는 바이오매스와 혼합하여 달성될 수 있다. 생성물은 이러한 공정에 의해 추출되지 않지만, 물은 바이오매스 또는 배양으로부터 제거되고 용매로 대체된다. 일부 구현예에서, 용매는 조류 배양물 또는 바이오매스에서 물의 50-90%를 대체한다. 일부 구현예에서 양친매성 용매는 에탄올, 아세톤, 메탄올, 이소프로판올, 부타논, 디메틸 에테르, 및 프로피온알데하이드. 2-프로판올, 아세토니트릴, t-부틸 알코올, 1-프로판올, 물, 무거운 (D2O), 에틸렌 글라이콜, 글리세린, 또는 이들의 조합이다. 일부 구현예에서 양친매성 용매는 이소프로판올로 변성된 에탄올이다. 다른 구현예에서, 용매는 이소프로판올이다. 또 다른 구현예에서, 용매는 수성이다. 또 추가의 구현예에서, 간격 및 세포외 물의 제거는 냉각된 조건 하에서 수행된다. 물질 중 수분 함량의 감소로 유통 기한이 증대된다.
실시예 1
녹색 미세조류 스센데스무스 디모르퍼스 (SD)을 야외 패널 광생물반응기에서 배양했다. 가변 지질 함량의 SD 샘플을 수확했다. 원심분리에 의한 벌크 물의 제거 후, 조류 샘플을 사용할 때까지 3-5 cm 조류 케이크로서-80 ℃에서 보관했다. 전-계산된 양의 습성 조류 바이오매스 (15 그램 건조 조류 중량 상당) 및 90 mL의 에탄올 용매를 콘덴서, 기계적 교반 및 열전쌍이 구비된 3목 플라스크에 부가했다. 일 실험에서, 혼합물을 10분 동안 마이크로웨이브 방사 하에서 환류시켰다. 두 번째로, 혼합물을 1 시간 동안 전기 가열과 함께 환류시켰다. 나중에, 혼합물을 실온으로 냉각시키고 확산체로 분리하고 여과로 보전했다.
조류 샘플의 총 지질을, 블라이 및 다이어의 지질 추출 방법에 따라 클로로포름메탄올물 시스템을 사용하여 분석했다. 이러한 총 지질 값을 지질 회수 계산을 위한 참조로서 사용했다. 총 지질을, 60-200 메쉬 실리카겔을 사용하는 표준 칼럼 크로마토그래피 방법으로 중성 지질 및 극성 지질로 추가 분리했다 (Merck Corp., Germany). 각 지질 분획을 미리 무게를 잰 바이알에 이동시키고, 30 ℃에서 회전식 증발기를 사용하여 처음에 증발시키고 (Buchi, Switzerland), 그 다음 고진공 하에서 건조했다. 건조 보전물을 질소 하에 두고 그 다음 무게를 재었다. 각 샘플의 지방산 프로파일을, 헵타데칸산 (C17:0)을 내부 표준으로서 사용하여 지방산 메틸 에스테르로 유도체화 후에 GC-MS로 정량화했다.
결과 (데이타 도시되지 않음)는, 마이크로웨이브 지원형 추출이 제1 추출 단계에서 극성 지질의 제거를 위해 최상히고, 중성 지질의 분리에 대해 어느정도 덜 효과적이었다는 것을 나타내었다. 전기 가열은 추출 효율성에서 더 일관적이다. 최종 수율은 마이크로웨이브 지원형 추출 및 전기 가열 지원형 추출 사이에 비교할만하지만, 마이크로웨이브 지원형 추출은 유의미하게 더 빠르다.
실시예 2
조류 바이오매스로부터 단백질 추출
(1) 산 침출: 조류 바이오매스를 pH 4.5에서 1시간 동안 물에 담그었다. 그 다음 샘플을 3000 rpm에서 3 분 동안 원심분리하고, 상청액을 제거했다. 잔여 고형물을 묽은 산 (pH 4.5)으로 3 시간 동안 세척하고 냉동 건조시켰다.
(2) 알칼린 추출: 조류 바이오매스를 pH 11에서 1시간 동안 물에 담그었다. 그 다음 pH-조정된 물을 부가했다. 그 다음 샘플을 3000 rpm에서 3 분 동안 원심분리하고, 상청액을 제거했다. 상청액을 산 (pH 4.5)으로 중화시키고 그 다음 원심분리했다. 잔여 고형물을 묽은 산 (pH 4.5)으로 3 시간 동안 세척하고 냉동 건조시켰다.
산 침출 및 알칼린 추출의 결과는 표 4에서 보여진다.
표 4
Figure pct00006
단백질 수율은 중량 기준으로 계산되었고, 냉동 건조된 고형물의 중량을 조류 바이오매스의 중량과 비교한 후 pH-조정된 물에 담그었다. 단백질 순도는 Official Method of American Oil Chemists' Society (Ba-2a-38)에 의해 측정되었고, 각 공정의 냉동 건조된 고형물에서 질소의 양을 측정햇다. 단백질은 제류 제품 추출의 가치에 부가되는 중요한 생성물이기 때문에, 이러한 정보는 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법에서 단백질의 가변 수준과 함께 공급원료의 사용을 허용한다.
실시예 3
염수 조류 바이오매스로부터의 단백질의 추출
염수 중 약 1-10% w/w 고형물로 처음에 구성된 염수 조류 배양물은 50 ℃로 가열되었고 이 온도에서 1시간 동안 유지되었다. 수득한 슬러리는 고체상으로부터 별개의 액체상으로 원심분리되었다. 액체 추출물은 글로불린 단백질에서 풍분한 것으로 측정되었다 (최초 조류 바이오매스에 존재하는 총 단백질의 약 10%).
그 다음 고형물은 신선한 물에서 현탁되었고 약 50 ℃로 가열되었고 약 1 시간 동안 유지되었다. 수득한 슬러리는 고체상으로부터 별개의 액체로 다시 원심분리되었다. 액체상은 알부민 단백질이 풍부한 것으로 측정되었다 (최초 조류 바이오매스에 존재하는 총 단백질의 약 10%).
그 다음 고형물은 70% w/w 혼합물을 달성하기 위해 에탄올에서 현탁되었다. 이러한 혼합물은 약 75 ℃로 가열되었고 그 온도에서 약 1 시간 동안 유지되었다. 수득한 슬러리는 고체상으로부터 별개의 액체로 원심분리되었다. 액체상은 알부민 단백질이 풍부한 것으로 측정되었다 (최초 바이오매스에 존재하는 총 단백질의 약 30%).
그 다음 고형물은 알칼리 용액 (수성 NaOH, pH 9)에서 현탁되었고 약 50 ℃로 가열되었고 그 온도에서 약 1 시간 동안 유지되었다. 수득한 슬러리는 고체상으로부터 별개의 액체로 원심분리되었다. 액체상은 글루텔린 단백질이 풍부한 것으로 측정되었다 (최초 바이오매스에 존재하는 총 단백질의 약 50%).
실시예 4
에탄올에 의한 조류 바이오매스의 단계 분획화 및 추출
1천 파운드의 난노클로롭시스 바이오매스 (Arizona State University, Laboratory for Algae Research and Biotechnology로부터 얻은 균주 202.0로부터 배양됨, ATCC 수탁 번호 PTA-11048)이 수확되었고, 조류가 약 35% w/w를 포함할 때까지 탈수되었고 그 다음 마지막으로 냉동되었다.
추출 단계는 경첩달린 두껑이 있는 400 갤런 재킷 달린 주전자에서 수행되었다. 두껑은 스트렙으로 매고 실리콘으로 밀봉했다. 시스템은 또한 2개의 회전날 샤프트가 있는 2 마력 방폭 모터를 갖는 혼합기를 포함했다. 냉동된 조류 물질을 탱크에 쏟고 동등 중량의 에탄올을 압축공기 드럼 펌프를 사용하여 펌핑했다. 물질을 15분 동안 교반하고 재킷을 증기로 가열하여 원하는 온도를 각 추출 단계에서 얻었다. 원하는 온도는 근사한데, 이는, 혼합물의 비점의 3 ℃ 내이지만 비등하지는 않는다는 것을 의미한다. 이러한 원하는 온도는, 에탄올의 부분이 변하는 것과 같이 혼합물의 비점이 변하기 때문에 각 추출 단계에서 상이하다. 원하는 온도에 도달할 때, 시스템은 교반된 지속적으로 교반되고 주전자의 내용물이 균일하게 가열되는 것을 보장하기 위해 원하는 온도로 60 분 동안 유지된다.
그 다음 주전자의 내용물은 약 1 갤런 / 분으로 압축공기 Viking 베인 펌프를 사용하여 추출 용기 밖으로 및 Sharples 데칸터 원심분리기 안으로 펌핑되었다. 데칸터 원심분리기 로터 속도는 약 6000 rpm으로 설정되었다. 고형물은 둘러싸인 플라스틱 드럼에서 수집되었고 액체에 대한 약 50% w/w 고형물로 구성되었다. 이들 고형물은 주전자로 되돌아가고, 여기서 상기 언급된 추출 단계는 반복되었다. 데칸터로부터의 액체 스트림은 공급물 탱크에 수집되었고 그 다음 막 여과 시스템에 공급되었다. 사용된 막은 0.375 ft2 SS 막 (Graver Technologies 제조)였다. 동작 조건은 60 ℃ ± 5 ℃였고 평균 압력 구배는 40 psi였다. 막 시스템은 압축된 공기로 약 매 15 분 역세정되어 유동을 유지했다. 막 시스템으로부터 수집된 침투물은 임의의 미립자 물질이 없다. 보전물은 수집되고 데칸터로 재순환되었다.
이러한 추출 및 분획화는 각 추출에서의 공정을 통한 용매의 극성의 변화 때문이다. 도 13에서 보여진 추출에서, 공정은 약 65% 순수한 물을 함유하는 습성 조류 바이오매스 (35% w/w 조류 고형물)의 약 1000 lb로 시작한다. 이것은 860 lb의 변성된 에탄올 (95% 에탄올 및 5% 메탄올)과 혼합되고, 약 55% 수성 에탄올을 함유하는 혼합물이 생겼다. 고형물 및 액체는 상기에서 기재된 바와 같이 데칸터를 사용하여 분리되었다. 습성 고형물 부분은 그 무게가 525 lb이고 40% 건조 질량였다. 총 525 lb의 95% 변성된 에탄올은 고형물에 부가되었고, 이로써 약 85% 수성 에탄올로 구성된 혼합물이 생겼다. 고형물 및 액체는 상기에서 기재된 바와 같이 데칸터를 사용하여 분리되었다. 고형부는 그 무게가 354.5 lb였고 40% 건조 질량였다. 이러한 질량에, 또 하나의 700 lb의 변성된 에탄올을 부가하고, 이로써 약 95% 수성 에탄올의 혼합물이 생겼다. 고형물 및 액체는 상기에서 기재된 바와 같이 데칸터를 사용하여 분리되었다. 수득한 고형물은 약 40% 건조 질량였다. 이러한 바이오매스는 건조하는데 60% 더 적은 에너지를 필요로 하고, 이는 물 및 에탄올의 잠열을 기준으로 계산되었다.
일부 실험 (데이타 도시되지 않음)에서 다른 유형의 변성된 에탄올이 시되었다. 95% 에탄올 및 5% 이소프로필 알코올 을 함유하는 변성된 에탄올이 추출에 사용되었지만 95% 에탄올 및 5% 메탄올 만큼 효과적이지는 않은 것으로 발견되었다. 100% 에탄올의 사용은 바람직한 본 발명의 구현예이지만, 비용 제약 때문에 일반적으로 이용가능하지 않다.
막 시스템으로부터 투과물 스트림은 인하우스 제작된 배치를 여전히 사용하여 증발되었다. 동작 조건은 진공 증류 동안 약 80 ℃였다. 투과물 중 모든 에탄올이 증발되었다. 이들 추출 단계은 3 시간 동안 반복되었고, 이로써 도 13에서 보여진 바와 같이 4개의 생성물 풀이 생겼다. 이것은, 각 추출 단계에 의해, 극성은 물의 혼합물에의 부가와 함께 변했고, 각 단계에 의해 상이한 성분의 추출을 허용하기 때문이다. 생성물 1은 조류 단백질을 함유했고, 및 그 결과, 동작 조건 하에서 증발될 수 없는 시스템에서 과잉의 물을 보유했다. 생성물 2은 극성 지질을 함유했다. 생성물 3은 중성 지질을 함유했다. 마지막으로, 생성물 4는 잔여 바이오매스이고, 이는 포텐셜 부산물 예컨대 카로테노이드를 함유했다.
실시예 5
에탄올에 의한 조류 바이오매스의 탈수 및 추출
수확 시, 조류 바이오매스는 전형적으로 약 0.1 내지 0.5 % (w/w) 고형물을 함유한다. 이것은 막 여과, 원심분리, 가열, 침강 또는 부유를 비제한적으로 포함하는 조류 산업에 공지된 임의의 방법을 사용하여 탈수될 수 있다. 응집은 부유 또는 침강에 도움이 될 수 있다. 그와 같은 방법의 전형적인 결과는 약 10% w/w 고형물을 함유하는 조류 슬러리이다. 더욱이 탈수하기 위해, 또 하나의 탈수 방법은 40% w/w에 가까운 고형물의 농도를 얻기 위해 잔여 유리 물의 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 탈수 비용은 제1 탈수가 수행된 후에 기하급수적으로 증가한다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 이점은, 탈수의 한 라운드만을 경험한 조류 덩어리의 추출 및 분획화를 허용하는 것이다.
그와 같은 공정의 일 예에서, 제1 추출 라운드에서, 실시예 3에서 기재된 프로토콜에 따라, 1000 lb의 습성 바이오매스가 90% 순수한 물을 함유하고 1000 lb의 변성된 에탄올 (95% EtOH 및 5% MeOH)과 혼합되고, 이로써 약 50% 수성 에탄올의 용매 혼합물이 생긴다. 수득한 바이오매스 (350 lb)는 40% 건조이다. 이들 습성 고형물의 용매 조성물은 50% 수성 에탄올이다. 또 하나의 350 lb의 변성된 에탄올과 함께, 혼합물의 조성물은 약 81% 수성 에탄올이다. 수득한 바이오매스 (235 lb)는 40% 건조이다. 이들 습성 고형물의 용매 조성물은 81% 수성 에탄올이다. 또 하나의 470 lb의 변성된 에탄올과 함께, 혼합물의 조성물은 약 95% 수성 에탄올이다. 수득한 고형물은 약 95% 에탄올과 함께 40% 건조이다. 이러한 습성 바이오매스는 물 및 에탄올의 잠열을 기준으로 건조시키기 위해 60% 더 적은 에너지를 필요로 한다. 이 경우에, 100 lb의 조류는 1820 lb 에탄올을 사용하여 추출되었다. 실시예 3과 비교할 때, 상기 개시 물질은 40% 조류 고형물이고, 350 lb의 건조 조류 동등물은 2085 lb 에탄올로 추출되었다.
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Claims (17)

  1. 하기 단계를 포함하는, 극성 지질을 온전한 조류 세포로부터 분리하는 방법:
    극성 지질을 포함하는 온전한 조류 세포를 포함하는 습성 조류 바이오매스를 제공하는 단계;
    세포외 물의 제거로 습성 조류 바이오매스를 탈수하여 상기 습성 조류 바이오매스의 고형물 함량을 약 5% w/w 내지 약 50% w/w로 증가시키고 이로써 부분적으로 탈수된 습성 조류 바이오매스가 생기는 단계;
    부분적으로 탈수된 습성 조류 바이오매스를 양친매성 용매 세트 및 소수성 용매 세트와 혼합하여 더 무거운 상 및 더 가벼운 상을 포함하는 추출 혼합물을 산출하는 단계로서, 여기서 상기 더 무거운 상은 양친매성 용매 세트 및 부분적으로 탈수된 습성 조류 바이오매스를 포함하고 상기 더 가벼운 상은 소수성 용매 세트 및 극성 지질을 포함하는 단계;
    상기 더 무거운 상의 추출 혼합물을 상기 더 가벼운 상의 추출 혼합물로부터 분리하는 단계; 및
    상기 극성 지질을 더 가벼운 상으로부터 분리하여 극성 지질 분획을 산출하는 단계.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 탈수는 원심분리, 여과, 침강 또는 부유 분획화에 의해 수행되는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 양친매성 용매 세트는 소수성 용매 세트의 부가 전에 추출 혼합물의 극성도를 약 6.5 내지 6.7로 조정하는 양으로 부가되는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 소수성 용매 세트는 양친매성 용매 세트의 부가 후에 추출 혼합물의 극성도를 약 5.7 내지 5.9로 조정하는 양으로 부가되는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 양친매성 용매 세트는 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부타논, 디메틸 에테르, 및 프로피온알데하이드. 2-프로판올, 아세토니트릴, t-부틸 알코올, 1-프로판올, 물, 중 (D2O), 에틸렌 글라이콜, 글리세린, 또는 이들의 조합인 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 소수성 용매 세트는 프로판, 부탄, 펜탄, 부텐, 프로펜, 나프타, 알칸, 헥산, 펜탄, 헵탄, 옥탄, 에스테르, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트), 케톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 방향족, 톨루엔, 벤젠, 사이클로헥산, 테트라하이드로푸란, 할로알칸, 클로로포름, 트리클로로에틸렌, 에테르, 디에틸 에테르, 디젤, 제트 연료, 가솔린, 또는 이들의 조합인 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 더 무거운 상으로부터 더 가벼운 상을 분리하는 것은 데칸트, 막 여과 또는 원심분리를 포함하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 극성 지질을 더 가벼운 상으로부터 분리하는 것은 증발 또는 증류를 포함하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 소수성 용매 세트를 회수하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 소수성 용매 세트를 농축 및 회수하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 추출 혼합물은 가열되는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 추출 혼합물은 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일 또는 전기로 가열되는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 추출 혼합물은 가압 반응기에서 가열되는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 가압 반응기는 배치 또는 연속 반응기인 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 추출 혼합물은 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일 또는 전기로 가열되는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 추출 혼합물은 대기압에서 가열되는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 추출 혼합물은 마이크로웨이브, 물, 증기, 핫 오일 또는 전기로 가열되는 방법.
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