MX2013011454A

MX2013011454A - Extraccion de lipidos polares por metodo de dos solventes.

Info

Publication number: MX2013011454A
Application number: MX2013011454A
Authority: MX
Inventors: Aniket Kale
Original assignee: Heliae Dev Llc
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-10-17
Also published as: SG193382A1; JP2014512815A; EP2673385A1; CA2828957A1; US20120053357A1; CN103582694A; AU2011364987A1; KR20140020285A; BR112013025806A2; WO2012138382A1; US8211308B2

Abstract

Se describe un método para separar lípidos polares de material vegetal, en particular, células de algas intactas, usando un conjunto de solventes anfipáticos y un conjunto de solventes hidrofóbicos. Algunas modalidades incluyen deshidratar células de algas intactas y luego extraer lípidos polares de las células de algas. Los métodos proporcionan procesos de extracción de paso único o múltiples pasos que permiten la separación eficaz de los lípidos polares de algas de una biomasa húmeda de algas a la vez que se evita la emulsificación de las mezclas de extracción. Estos lípidos polares son productos de gran valor que pueden ser utilizados como tensioactivos, detergentes, y aditivos de alimentos. Los lípidos neutros que permanecen en la biomasa de algas luego de la extracción de lípidos se pueden usar para generar combustibles renovables.

Description

EXTRACCION DE LIPIDOS POLARES POR METODO DE DOS SOLVENTES CAMPO DE LA INVENCION La invención se refiere a la extracción y fraccionamiento de productos de algas, incluyendo, de modo no taxativo, aceites y proteínas. En particular, los métodos y sistemas descritos en la presente se refieren a la separación de lípidos polares. Más específicamente, los sistemas y métodos descritos en la presente utilizan extracción y fraccionamiento de pasos con solventes anfipáticos e hidrofóbicos para procesar la biomasa húmeda de algas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION El petróleo es un recurso natural compuesto principalmente de hidrocarburos . Extraer petróleo de la tierra es caro, peligroso y con frecuencia a costa del ambiente. Además, los depósitos de aceite en todo el mundo están disminuyendo rápidamente. Los costos también se acumulan debido al transporte y procesamiento necesarios para convertir petróleo en combustibles utilizables tales como gasolina y combustible de reactor.

Las algas han adquirido una importancia significativa en años recientes debido a su capacidad de producir lípidos, que se puedan usar para producir biocombustible sostenible. Esta capacidad se puede explotar para producir combustibles renovables, reducir el cambio climático global y tratar las REF: 243498 aguas residuales. La superioridad de las algas como una materia prima de biocombustible surge de una variedad de factores, incluyendo, alta productividad por acre en comparación con plantas de cosecha de aceite terrestres típicas, recursos de materias primas no basadas en alimentos, uso de tierras que no son de otro modo productivas y no arables, utilización de una amplia variedad de fuentes de agua (dulce, salobre, solución salina y aguas residuales), producción tanto de biocombustibles como subproductos valiosos tales como carotenoides y clorofila.

En las últimas décadas se han tamizado y estudiado miles de especies de algas para determinar la producción de lipidos en todo el mundo. De estas, se han identificado alrededor de 300 especies ricas en producción de lipidos. La composición y el contenido de lipidos varían en diferentes etapas del ciclo de vida y se ven afectadas por condiciones ambientales y culturales. Las estrategias y los enfoques para la extracción son bastante diferentes dependiendo de las especies/variedades de algas individuales utilizadas debido a la considerable variabilidad en la composición bioquímica y las propiedades físicas de la pared celular de las algas. Los procesos de extracción física convencionales, tales como extrusión, no funcionan bien con las algas debido al espesor de la pared celular y el pequeño tamaño (alrededor de 2 a alrededor de 20 nm) de células de algas. Además, las grandes cantidades de lípidos polares en aceite de algas, en comparación con el aceite típico recuperado de las semillas, llevan a problemas en la refinación.

Tras la cosecha, las concentraciones típicas de algas en cultivos varían en el intervalo de alrededor de 0.1-1.0 % (p/v) . Esto significa que se debe retirar tanto como 1000 veces la cantidad de agua por peso unitario de alga antes de intentar la extracción de aceite. Actualmente, los métodos de extracción de aceite existentes para materiales oleaginosos estrictamente requieren una alimentación casi completamente seca para mejorar el rendimiento y calidad del aceite extraído. Debido a la cantidad de energía necesaria para calentar la masa de algas para secarla lo suficiente, la alimentación de algas para el proceso de biocombustible se considera poco económica. Típicamente, la alimentación se extruye o descama a altas temperaturas para mejorar la extracción. Estos pasos pueden no funcionar con el equipo existente debido a la naturaleza micrométrica de célula única de las algas. Además, el aceite de algas es muy inestable debido a la presencia de ácidos grasos de cadena larga de doble enlace. Las altas temperaturas usadas en los métodos de extracción convencionales provocan la degradación del aceite, aumentando así los costos de tales métodos.

En la técnica se sabe cómo extraer aceite de masa de algas seca usando hexano como solvente. Este proceso requiere gran consumo de energía. El uso de calor para secar y hexano para extraer produce un producto de menor calidad ya que este tipo de procesamiento provoca degradación de lípidos y proteínas .

La extracción de aceite de algas se puede clasificar en dos tipos: métodos perjudiciales o no perjudiciales.

Los métodos perjudiciales implican lisar células por métodos mecánicos, térmicos, enzimáticos o químicos. La mayoría de los métodos perjudiciales da como resultado emulsiones, que requieren un proceso de limpieza costoso. Los aceites de algas contienen un gran porcentaje de lípidos polares y proteínas que mejoran la emulsificación de los lípidos neutros. La emulsificación se estabiliza más por los componentes de sal y nutriente que quedan en la solución. La emulsión es una mezcla compleja, que contiene lípidos neutros, lípidos polares, proteínas y otros productos de algas, con procesos de refinación extensivos para aislar los lípidos neutros, que son la alimentación que se convierte en biocombustible .

Los métodos no . perjudiciales proporcionan bajos rendimientos . El ordeño es el uso de solventes o productos químicos para extraer lípidos de un cultivo de algas en pie. Si bien a veces se usa para extraer productos de algas, el ordeño puede no funcionar con algunas especies de algas debido a la toxicidad de solvente y alteración de la pared celular. Esta complicación dificulta el desarrollo de un proceso genérico. Además, los volúmenes de solventes necesarios serían astronómicos debido a la máxima concentración alcanzable del solvente en el medio.

Por consiguiente, para superar estas deficiencias, existe una necesidad en la técnica de métodos y sistemas mejorados para extracción y fraccionamiento de productos de algas, en particular aceite de algas, proteínas de algas y carotenoides de algas. Este proceso se puede mejorar más mediante la introducción de un solvente altamente no polar al sistema de extracción, evitando así el costo de evaporar y reciclar todo el solvente usado para la extracción.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Las modalidades descritas en la presente se refieren generalmente a sistemas y métodos para extraer lípidos de varias polaridades de un material oleaginoso, incluyendo por ejemplo, una biomasa de algas. En particular, las modalidades descritas en la presente se refieren a extraer lípidos de distintas polaridades de una biomasa de algas usando solventes de distintas polaridades y/o una serie de filtros de membrana. En algunas modalidades, el filtro es un microfiltro .

En algunas modalidades de la invención, se usa un único solvente y agua para extraer y fraccionar componentes presentes en un material oleaginoso. En otras modalidades, estos componentes incluyen, de modo no taxativo, proteínas, lípidos polares y lípidos neutros. En aun otra modalidad, se usa más de un solvente. En aun otras modalidades, se usa una mezcla de solventes. Los métodos descritos permiten la separación y fraccionamiento de los componentes de la biomasa húmeda de algas. Otro aspecto de los sistemas y métodos descritos en la presente es la capacidad de lograr refinación preliminar, debido a que el solvente hidrofóbico en el sistema separa selectivamente los productos adicionalmente en lípidos y componentes no lípidos. La cantidad de solvente anfipático usado dependerá de la cantidad de agua en el sistema. La cantidad de solvente hidrofóbico se minimiza para reducir el procesamiento posterior para retirar el solvente.

En algunas modalidades, los métodos y sistemas descritos en la presente son útiles para extraer subproductos de lípidos de material oleaginoso. Los ejemplos de tales subproductos incluyen, de modo no taxativo, material proteáceo, clorofila y carotenoides . Las modalidades de la presente invención permiten la extracción y fraccionamiento simultáneos de productos de algas a partir de biomasa de algas en una forma que permite la producción tanto de combustibles como de productos nutricionales .

Conforme a una modalidad de la invención, se proporciona un método para la extracción con fraccionamiento de aceite y material proteináceo a partir de material oleaginoso .

Conforme a otra modalidad, un método para retirar de manera selectiva productos de una biomasa de algas que comprende células de algas sustancialmente intactas incluye combinar una biomasa de algas y un primer conjunto de solventes, para generar una primera mezcla de extracción, la primera mezcla de extracción incluye una primera fase sustancialmente sólida y una primera fase líquida; separar al menos una parte de la primera fase líquida de la primera mezcla de extracción de la primera fase sustancialmente sólida; combinar la primera fase sustancialmente sólida de extracción y un segundo conjunto de solventes, para generar una segunda mezcla de extracción, la segunda mezcla de extracción incluye una segunda fase sustancialmente sólida y una segunda fase líquida, donde la segunda mezcla de extracción es menos polar que la primera mezcla de extracción; separar al menos una parte de la segunda fase líquida de la segunda mezcla de extracción de la segunda fase sustancialmente sólida; combinar la segunda fase sustancialmente sólida de extracción y un tercer conjunto de solventes, para generar una tercera mezcla de extracción, la tercera mezcla de extracción incluye una tercera fase sustancialmente sólida y una tercera fase líquida, donde la tercera mezcla de extracción es menos polar que la segunda mezcla de extracción y separar al menos una parte de la tercera fase líquida de la tercera mezcla de extracción de la tercera fase sustancialmente sólida.

En algunos aspectos de la invención, el método comprende además retirar al menos una parte del primer conjunto de solventes de la parte separada de la primera fase líquida para obtener un primer producto de extracción. En otros aspectos, el método comprende además retirar al menos una parte del segundo conjunto de solventes de la parte separada de la segunda fase líquida para obtener un segundo producto de extracción. En aun otros aspectos, el método comprende además retirar al menos una parte del tercer conjunto de solventes de la parte separada de la tercera fase líquida para obtener un tercer producto de extracción.

En aun otros aspectos, el conjunto de solventes comprende un solvente miscible en agua o solvente inmiscible en agua. En algunos aspectos, el conjunto de solventes comprende dos solventes miscibles en agua o dos solventes inmiscibles en agua. En otros aspectos, el conjunto de solventes comprende uno o más solventes miscibles en agua y uno o más solventes inmiscibles en agua. En aun otros aspectos, la primera, segunda y/o tercera mezcla de extracción se calienta a una temperatura por debajo de su punto de ebullición. En otros aspectos, la mezcla de extracción está a una presión mayor que presión atmosférica. En algunos aspectos, al menos uno del primer, segundo y tercer conjunto de solventes comprende uno o más solventes antipáticos. En aun otros aspectos, al menos uno de uno o más solventes miscibles en agua se selecciona del grupo que consiste en metanol, etanol, isopropanol, acetona, acetato de etilo y acetonitrilo . En otros aspectos, al menos uno del primer, segundo y tercer conjunto de solvente comprende etanol. En aun otros aspectos, el conjunto de solventes se agrega a la biomasa en una relación de peso/peso 1:1.

En otros aspectos, las células que comprenden la biomasa de algas no se secan o alteran. En aun otro aspecto, la biomasa de algas se descongela. En otro aspecto de la invención, el método comprende además ajustar el pH de al menos una de la primera, segunda y tercera mezcla de extracción para optimizar la extracción de proteína. En aun otros aspectos de la invención, la biomasa de algas está simultáneamente al menos parcialmente deshidratada mientras que los productos se extraen selectivamente de la biomasa de algas. En aun otros aspectos de la invención, la primera, segunda y tercera fase sustancialmente sólida de extracción comprende células de algas sustancialmente intactas.

Las modalidades de la presente invención incluyen un método para separar lípidos polares de células de algas intactas, que comprende proporcionar una biomasa húmeda de algas que comprende células de algas intactas que comprenden lípidos polares, deshidratar la biomasa húmeda de algas retirando agua extracelular para aumentar el contenido sólido de la biomasa húmeda de algas a entre alrededor de 5% p/p y alrededor de 50% p/p para dar como resultado una biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada, mezclar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada con un conjunto de solventes antipáticos y un conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una mezcla de extracción que comprende una fase más pesada y una fase más ligera, donde la fase más pesada comprende el conjunto de solventes antipáticos y biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada y la fase más ligera comprende el conjunto de solventes hidrofóbicos y lípidos polares, separar la fase más pesada de la mezcla de extracción de la fase más ligera de la mezcla de extracción y separar los lípidos polares de la fase más ligera para generar una fracción de lípidos polares.

Algunas modalidades de la invención incluyen un método para separar proteínas de células de algas intactas, que comprende proporcionar una biomasa húmeda de algas que comprende células de algas intactas que comprenden agua, proteínas de algas y lípidos polares, deshidratar la biomasa húmeda de algas retirando agua extracelular para aumentar el contenido sólido de la biomasa húmeda de algas a entre alrededor de 5% y alrededor de 50% para dar como resultado una biomasa de algas parcialmente deshidratada, mezclar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada con un conjunto de solventes antipáticos y un conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una mezcla de extracción que comprende una fase más pesada y una fase más ligera, donde la fase más pesada comprende el agua, conjunto de solventes antipáticos, biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada y proteínas de algas, y la fase más ligera comprende el conjunto de solventes hidrofóbicos y lípidos polares, separar la fase más pesada de la mezcla de extracción de la fase más ligera de la mezcla de extracción, separar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada de la fase más pesada de la mezcla de extracción para generar una mezcla de proteína que comprende proteínas, agua y conjunto de solventes anfipáticos y separar las proteínas de la mezcla de proteína para generar una fracción de proteínas.

Aun otras modalidades incluyen un método para separar proteínas de células de algas intactas, que comprende proporcionar una biomasa húmeda de algas que comprende células de algas intactas que comprenden agua, proteínas de algas y lípidos polares, mezclar la biomasa húmeda de algas con un conjunto de solventes anfipáticos y un conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una mezcla de extracción que comprende una fase más pesada y una fase más ligera, donde la fase más pesada comprende el agua, conjunto de solventes anfipáticos, biomasa húmeda de algas y proteínas de algas, y la fase más ligera comprende el conjunto de solventes hidrofóbicos y lípidos polares, separar la fase más pesada de la mezcla de extracción de la fase más ligera de la mezcla de extracción, separar la biomasa húmeda de algas de la fase más pesada de la mezcla de extracción para generar una mezcla de proteína que comprende proteínas, agua y conjunto de solventes antipáticos y separar las proteínas de la mezcla de proteína para generar una fracción de proteínas.

Modalidades adicionales de la invención incluyen un método para separar lípidos neutros de células de algas intactas, que comprende proporcionar una biomasa húmeda de algas que comprende células de algas intactas que comprenden proteínas, lípidos polares y lípidos neutros, mezclar la biomasa húmeda de algas con un primer conjunto de solventes antipáticos y un primer conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una primera mezcla de extracción que comprende una primera fase más pesada y una primera fase más ligera, donde la primera fase más pesada comprende el primer conjunto de solventes antipáticos, lípidos neutros, proteínas y biomasa húmeda de algas y la primera fase más ligera comprende el primer conjunto de solventes hidrofóbicos y los lípidos polares, separar la primera fase más ligera de la mezcla de extracción de la primera fase más pesada de la mezcla de extracción, separar la biomasa húmeda de algas de la primera fase más pesada de la mezcla de extracción para generar una biomasa húmeda de algas separada que comprende lípidos neutros; y una mezcla de proteínas que comprende proteínas, agua y el primer conjunto de solventes antipáticos, mezclar la biomasa de algas separada con un segundo conjunto de solventes antipáticos y un segundo conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una segunda mezcla de extracción que comprende una segunda fase más pesada y una segunda fase más ligera, donde la segunda fase más pesada comprende el segundo conjunto de solventes antipáticos y biomasa húmeda de algas separada y la segunda fase más ligera comprende el segundo conjunto de solventes hidrofóbicos y los lípidos neutros, separar la segunda fase más pesada de la segunda fase más ligera y separar los lípidos neutros de la segunda fase más ligera para generar una fracción de lípidos neutros.

Algunas modalidades también comprenden deshidratación que se realiza mediante centrifugación, filtrado, sedimentación o fraccionamiento de flotador. Aun otras modalidades comprenden agregar el conjunto de solventes antipáticos en una cantidad para ajustar el índice de polaridad de la mezcla de extracción entre alrededor de 6.5 y 6.7 antes de la adición del conjunto de solventes hidrofóbicos. Aun otras modalidades comprenden agregar el conjunto de solventes hidrofóbicos en una cantidad para ajustar el índice de polaridad de la mezcla de extracción entre alrededor de 5.7 y 5.9 antes de la adición del conjunto de solventes antipáticos. En aun otras modalidades, el conjunto de solventes antipáticos es acetona, metanol, etanol, isopropanol, butanona, dimetiléter y propionaldehído. 2-propanol, acetonitrilo, alcohol t-butílico, 1-propanol, agua, (D20) pesado, etilenglicol , glicerina o una combinación de estos. En aun otras modalidades, el conjunto de solventes hidrofóbicos es propano, butano, pentano, buteno, propeno, nafta, un alcano, hexano, pentano, heptano, octano, un éster, acetato de etilo, acetato de butilo) , una cetona, metil etil cetona, metil isobutil cetona, un tolueno aromático, tolueno, benceno, ciclohexano, tetrahidrofurano, un haloalcano, cloroformo, tricloroetileno, un éter, dietiléter, diesel, combustible de reactor, gasolina o una combinación de estos.

En algunas modalidades, separar la fase más pesada de la fase más ligera incluye decantar, filtrado de membrana o centrifugación. En otras modalidades, separar los, lípidos polares de la fase más ligera incluye evaporación o destilación. En aun otras modalidades, se recupera el conjunto de solventes hidrofóbicos. En aun otras modalidades, se condensa y recupera el conjunto de solventes hidrofóbicos. En aun otras, se recupera el conjunto de solventes antipáticos. En aun otras, se condensa y recupera el conjunto de solventes antipáticos.

En aun otras modalidades, se calienta la mezcla de extracción. En modalidades adicionales, la mezcla de extracción se calienta con microondas, agua, vapor, aceite caliente o electricidad. En algunas modalidades, la mezcla de extracción se calienta a presión atmosférica. En aun otras modalidades, la mezcla de extracción se calienta en un reactor presurizado. En aun modalidades adicionales, el reactor presurizado es un reactor discontinuo o continuo.

Modalidades adicionales incluyen un método para separar lípidos neutros de células de algas intactas, que comprende proporcionar una biomasa húmeda de algas que comprende células de algas intactas que comprenden proteínas, lípidos polares y lípidos neutros, deshidratar la biomasa húmeda de algas retirando agua extracelular para aumentar el contenido de sólidos de la biomasa húmeda de algas a entre 5% y 50% para generar una biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada, mezclar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada con un primer conjunto de solventes antipáticos y un primer conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una primera mezcla de extracción que comprende una primera fase más pesada y una primera fase más ligera, donde la primera fase más pesada comprende el primer conjunto de solventes anfipáticos, lípidos neutros, proteínas y biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada y la primera fase más ligera comprende el primer conjunto de solventes hidrofóbicos y los lípidos polares, separar la primera fase más ligera de la mezcla de extracción de la primera fase más pesada de la mezcla de extracción, separar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada del primer conjunto de solventes antipáticos en la primera fase más pesada de la mezcla de extracción para generar una biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada separada que comprende lípidos neutros; y una mezcla de proteínas que comprende proteínas, agua y el primer conjunto de solventes antipáticos, mezclar la biomasa de algas parcialmente deshidratada separada con un segundo conjunto de solventes antipáticos y un segundo conjunto de solvente hidrofóbico para generar una segunda mezcla de extracción que comprende una segunda fase más pesada y una segunda fase más ligera, donde la segunda fase más pesada comprende el segundo conjunto de solventes antipáticos y biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada separada y la segunda fase más ligera comprende el segundo conjunto de solventes hidrofóbicos y los lípidos neutros, separar la segunda fase más pesada de la segunda fase más ligera y separar los lípidos neutros de la segunda fase más ligera.

En algunas modalidades, la segunda fase más ligera se calienta antes de separar los lípidos neutros de la segunda fase más ligera. En algunas modalidades, el segundo conjunto de solventes hidrofóbicos se retira de la segunda fase más ligera mediante evaporación o destilación, generando así una fracción de lípido neutro. En otras modalidades, se evapora al menos uno del primer y segundo conjunto de solventes anfipáticos. En aun otras modalidades, se recupera al menos uno del primer y segundo conjunto de solventes hidrofóbicos . En aun otras modalidades, se enfría y recupera al menos uno del primer y segundo conjunto de solventes hidrofóbicos . En aun otras modalidades, se enfría y recupera al menos uno del primer y segundo conjunto de solventes anfipáticos. En modalidades adicionales, se recupera al menos uno del primer y segundo conjunto de solventes anfipáticos. En aun otras modalidades, se calienta al menos una de la primera y segunda mezcla de extracción. En aun otras modalidades, al menos una de la primera y segunda mezcla de extracción se calienta con microondas, agua, vapor o aceite caliente o electricidad. En algunas modalidades, se calienta al menos una de la primera y segunda mezcla de extracción a presión atmosférica. En aun otras, se calienta al menos una de la primera y segunda mezcla de extracción en un reactor presurizado. En algunas modalidades, el reactor presurizado es un reactor discontinuo o uno continuo.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La FIG. 1A es un diagrama de flujo de pasos implicados en un método de acuerdo con un ejemplo de modalidad de la presente descripción.

La FIG. IB es un diagrama esquemático de un ejemplo de modalidad de un proceso de deshidratación de acuerdo con la presente descripción.

La FIG. 2 es un diagrama esquemático de un ejemplo de modalidad de un sistema de extracción de acuerdo con la presente descripción.

La FIG. 3 es una gráfica comparativa que muestra extracción de Sohxlet de biomasa de algas liofilizada usando un conjunto de solventes que abarcan el intervalo completo de polaridad que muestra una eficacia de extracción máxima de aceite de algas no perjudicial y el efecto de polaridad en la extracción de lípidos polares y no polares.

Las FIG. 4A y 4B son representaciones gráficas que muestran la FIG. 4A pureza y FIG. 4B recuperación de lípidos neutros en el proceso de extracción de solvente de dos pasos usando metanol y éter de petróleo a tres temperaturas diferentes.

Las FIG. 5A y 5B son gráficas que muestran la FIG. 5A pureza y FIG. 5B recuperación de lípidos neutros en el proceso de extracción de solvente de dos pasos usando metanol acuoso y éter de petróleo a tres temperaturas diferentes.

La FIG. 6 es una gráfica que muestra la recuperación de lípidos en el proceso de extracción de solvente de dos pasos usando metanol acuoso y éter de petróleo a tres temperaturas diferentes.

La FIG. 7 es una gráfica que muestra el efecto de la relación de solventes a biomasa sólida en la recuperación de lípidos .

La FIG. 8 es una gráfica que muestra la eficacia de diferentes soluciones de extracción acuosa en una recuperación de extracción de único paso de metanol acuoso sobre biomasa seca.

La FIG. 9 es una gráfica que muestra el efecto de extracciones de metanol de múltiples pasos sobre el rendimiento cumulativo de lípidos totales y la pureza de lípidos neutros.

La FIG. 10 es una gráfica que muestra la recuperación cumulativa de lípidos usando biomasa húmeda y etanol.

La FIG. 11 es una gráfica que muestra una comparación de los tiempos de extracción de la extracción asistida por microondas y sistemas de extracción convencionales.

La FIG. 12A es un diagrama de flujo de pasos implicados en un método de acuerdo con un ejemplo de modalidad de la presente descripción que incorpora un paso de extracción de proteínas. Todas las unidades en la FIG. 12A están en libras (.45 kg) .

La FIG. 12B es un diagrama de flujo de pasos implicados en un ejemplo de proceso de extracción de acuerdo con la presente descripción.

La FIG. 13 es un diagrama de flujo y diagrama de balance de masa que describe una de las modalidades de la presente invención donde 1000 lbs . de biomasa de algas se procesó a través de extracción y fraccionamiento para separar los lípidos neutros, lípidos polares y proteínas de la biomasa de algas .

La FIG. 14 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde una masa de algas se puede procesar para formar varios productos.

La FIG. 15 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde los lípidos neutros de algas se procesan para formar varios productos.

La FIG. 16 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde lípidos neutros de algas se procesan para formar productos de combustible .

La FIG. 17 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde las proteínas de algas se extraen selectivamente de una biomasa de algas de agua dulce.

La FIG. 18 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde las proteínas de algas se extraen selectivamente de una biomasa de algas de agua salada.

La FIG. 19 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde una proteína de algas seleccionada se extrae de una biomasa de algas de agua salada o agua dulce.

La FIG. 20 es un diagrama de flujo que describe una de las modalidades de la presente invención donde una proteína de algas seleccionada se extrae de una biomasa de algas de agua salada o agua dulce.

La FIG. 21 es una fotografía que muestra células Scenedescemus sp . antes y después de la extracción usando los métodos descritos en la presente. Las células están sustancialmente intactas tanto antes como después de la extracción.

La FIG. 22 es un esquema de un ejemplo de esquema de extracción para la extracción de proteínas por un sistema de solvente único (anfipático) .

La FIG. 23 es un esquema de un ejemplo de esquema de extracción para la extracción de lípidos polares y proteínas por un sistema de dos solventes (anfipático/hidrofóbico) .

La FIG. 24 es un esquema de un ejemplo de esquema de extracción para la extracción de lípidos neutros y proteínas por un sistema de dos solventes (anfipático/hidrofóbico) .

La FIG. 25 es un esquema de un ejemplo de esquema de extracción para la extracción de lípidos neutros, lípidos polares y proteínas por un sistema de dos solventes (anfipático/hidrofóbico) .

La FIG. 26 es un esquema que demuestra el concepto de extracción de etanol .

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Definiciones El término "conducto" o cualquier variación de este, tal como se usa en la presente, incluye cualquier estructura a través de la cual se puede transportar un fluido. Los ejemplos no taxativos de conducto incluyen tubos, tuberías, canales u otras estructuras envueltas.

El término "depósito" o cualquier variación de este, tal como se usa en la presente, incluye cualquier estructura corporal capaz de retener fluido. Los ejemplos no taxativos de depósitos incluyen estanques, tanques, lagos, tinas u otras estructuras similares.

El término "alrededor de" o "aproximadamente", tal como se usa en la presente, se definen como cercanos según lo entenderá un experto en la técnica y en una modalidad no taxativa se define que los términos están dentro , de 10%, preferentemente dentro de 5%, más preferentemente dentro de 1% y aun más preferentemente dentro de 0.5%.

Los términos "que inhibe" o "que reduce" o cualquier variación de estos términos, tal como se usan en la presente, incluyen cualquier disminución mensurable o inhibición completa para lograr un resultado deseado.

El término "eficaz", tal como se usa en la presente, significa adecuado para lograr un resultado deseado, esperado o previsto.

El uso de la palabra "un" o "una" cuando se usa junto con el término "que comprende" en la presente puede significar "uno/a", pero también es coherente con el significado de "uno/a o más", "al menos uno/a" y "uno/a y más de uno/a" .

El término "o" tal como se usa en la presente, significa "y/o" a menos que se indique explícitamente que se refiere a alternativas solamente o las alternativas son mutuamente exclusivas, pese a que la descripción soporta una definición que se refiere solo a alternativas y "y/o".

El uso del término "húmedo" tal como se usa en la presente, es para referirse a que tiene un contenido de agua de alrededor de 50% a alrededor de 99.9%. El contenido de agua se puede ubicar ya sea intracelularmente o extracelularmente.

El uso del término "conjunto de solvente" tal, como se usa en la presente, es para referirse a una composición que comprende uno o más solventes. Estos solventes pueden ser antipáticos (también denominados antipáticos o levemente no polares) , hidrofílicos o hidrofóbicos (también denominados lipofílieos) . En algunas modalidades, estos solventes son miscibles en agua y en otras, son inmiscibles en agua. Los ejemplos no taxativos de solventes que se pueden usar para poner en práctica los métodos de la presente invención incluyen metanol, etanol, isopropanol, acetona, acetato de etilo y acetonitrilo, aléanos (hexano, pentano, heptano, octano) , ésteres (acetato de etilo, acetato de butilo) , cetonas (metil etil cetona (MEK) , metil isobutil cetona (MIBK) ) , aromáticos (tolueno, benceno, ciclohexano, tetrahidrofurano) , haloalcanos (cloroformo, tricloroetileno) , éteres (dietiléter) y mezclas (diesel, combustible de reactor, gasolina) .

Los ejemplos no taxativos de solventes antipáticos incluyen metanol, etanol, isopropanol, acetona, acetato de etilo, acetonitrilo y combinaciones de estos. Los etanoles de grado comestible también se desean para usarse en los métodos descritos .

Los ejemplos no taxativos de solventes hidrofóbicos incluyen alcanos (hexano, pentano, heptano, octano) , ésteres (acetato de etilo, acetato de butilo) , cetonas (metil etil cetona (MEK) , metil isobutil cetona (MIBK) ) , aromáticos (tolueno, benceno, ciclohexano, tetrahidrofurano) , haloalcanos (cloroformo, tricloroetileno) , éteres (dietiléter), mezclas (diesel, combustible de reactor, gasolina) y combinaciones de estos.

Los ejemplos no taxativos de métodos de recuperación de solvente incluyen evaporación, pervaporación, adsorción selectiva de los componentes de solvente, remoción de vapor y combinaciones de estos. La pervaporación es el proceso de retirar selectivamente los vapores de un componente de solvente a través de una membrana polimérica mediante la creación de vacío en el lado del fluido limpio. La adsorción selectiva se usa en la industria de etanol para retirar pequeñas cantidades de agua de etanol acuoso usando zeolita. Se puede usar remoción de vapor para operaciones no sensibles a la temperatura.

El término "capa interfacial" tal como se usa en la presente, significa la región que comprende y colindante al límite de fase dentro de la cual el índice de polaridad de un conjunto de solventes es significativamente diferente del índice de polaridad de otro conjunto de solventes colindante.

El término "índice de polaridad" tal como se usa en la presente se refiere al índice de polaridad de Snyder sin dimensión tal como lo describe Snyder, L.R. "Classification of the Solvent Properties of Common Liquids" Journal of Chromatography, 92(2): 223-230 (mayo de 1974).

El término "aceite" tal como se usa en la presente incluye composiciones que contienen lípidos neutros y lípidos polares. Los términos "aceite de algas" y "aceite algáceo" tal como se usan en la presente se usan de manera intercambiable .

El término "difundido" o "perneado" tal como se usa en la presente se pueden referir a un material que ha pasado a través de un dispositivo de separación incluyendo, de modo no taxativo, un filtro o membrana.

El término "retenido" tal como se usa en la presente se puede referir a un material que permanece luego de que el difusado ha pasado a través de un dispositivo de separación.

Tal como se usa en la presente, las palabras "que comprende" (y cualquier forma de que comprende, tal como "comprenden" y "comprende"), "que tiene" (y cualquier forma de que tiene, tal como "tienen" y "tiene"), "que incluye" (y cualquier forma de que incluye, tal como "incluyen" e "incluye") o "que contiene" (y cualquier forma de que contiene, tal como "contienen" y "contiene") son inclusivas y abiertas y no excluyen elementos o pasos de métodos adicionales no mencionados.

El término "lípidos polares" o cualquier variación de estos, tal como se usa en la presente, incluye, de modo no taxativo, fosfolípidos y glicolípidos .

El término "lípidos neutros" o cualquier variación de estos, tal como se usa en la presente, incluye, de modo no taxativo, triglicéridos , diglicéridos , monoglicéridos , carotenoides , ceras, esteróles.

El término "fase sólida" tal como se usa en la presente se refiere a una colección de material que es generalmente más sólida que no sólida, y no pretende significar que todo el material en la fase es sólido. Por lo tanto, una fase que tiene una cantidad sustancial de sólidos, mientas que retiene parte de los líquidos, está abarcada dentro del significado de ese término. Mientras tanto, el término "fase líquida", tal como se usa en la presente, se refiere a una colección de material que generalmente es más líquida que no líquida y tal colección puede incluir materiales sólidos.

El término "biocombustible " tal como se usa en la presente, se refiere a ésteres de metilo o etilo de ácidos grasos derivados de algas .

El término "nutracéutico" tal como se usa en la presente, se refiere a un producto alimenticio que proporciona beneficios a la salud y/o médicos. Los ejemplos no taxativos incluyen carotenoides , carotenos, xantofilas tales como zeaxantina, astaxantina y luteína.

El término "biocombustible" tal como se usa en la presente, se refiere a combustible derivado de fuente biológica. Los ejemplos no taxativos incluyen biodiesel, combustible de reactor, diesel, mezcla base de combustible de reactor y mezcla base de diesel.

El término "impurezas", cuando se usa junto con lípidos polares, tal como se usa en la presente, se refiere a todos los componentes que no sean los productos de interés que se coextraen o tienen las mismas propiedades que el producto de interés .

El término "lubricantes", cuando se usa junto con lípidos polares, tal como se usa en la presente se refiere a lípidos de algas reaccionadas con hidrógeno tales como alcanos C16-C20.

El término "detergentes", cuando se usa junto con lípidos polares, tal como se usa en la presente se refiere a glicolípidos , fosfolípidos y derivados de estos.

El término "aditivos de alimentos", cuando se usa junto con lípidos polares, tal como se usa en la presente se refiere a sustitutos de lecitina o fosfolípidos derivados de algas.

El término "materia que no es de glicerina" tal como se usa en la presente se refiere a cualquier impureza que se separa con la fracción de glicerina. Un paso de limpieza adicional retirará la mayoría de lo que está presente para producir glicerina de grado farmacéutico.

El término "ácidos grasos no saturados" tal como se usa en la presente se refiere a ácidos grasos con al menos un enlace doble de carbono. Los ejemplos no taxativos de ácidos grasos no saturados incluyen ácido palmitoleico, ácido margárico, ácido esteárico, ácido oleico, ácido octadecenoico, ácido linoleico, ácido gamma-linoleico, ácido alfa linoleico, ácido araquídico, ácido eicosenoico, ácido homogamma linoleico, ácido araquidónico, ácido eicosapenenoico, behénico, ácido docosadienoico, heneicosapentaenoico, ácido docosatetraenoico . Los ácidos grasos que tienen 20 o más átomos de carbono en la estructura se denominan generalmente "ácidos grasos de cadena larga". Los ácidos grasos que tienen 19 o menos átomos de carbono en la estructura se denominan generalmente "ácidos grasos de cadena corta" .

Los ácidos grasos de cadena larga no saturados incluyen, de modo no taxativo, ácidos grasos omega-3, ácidos grasos omega-6 y ácidos grasos omega-9. El término "ácidos grasos omega-3" tal como se usa en la presente se refiere, de modo no taxativo, a los ácidos grasos enumerados en la Tabla 1.

Tabla 1 El término "mezcla base de combustible de reactor" , tal como se usa en la presente se refiere a alcanos con las longitudes de cadena de carbono apropiadas para su uso como combustibles de reactor.

El término "mezcla base de diesel", tal como se usa en la presente se refiere a alcanos con las longitudes de cadena de carbono apropiadas para su uso como diesel.

El término "alimento para animales", tal como se usa en la presente, se refiere a sustancias derivadas de algas que se pueden consumir y utilizar para proporcionar aporte nutricional a un animal .

El término "alimento para humanos", tal como se usa en la presente, se refiere a sustancias derivadas de algas que se pueden consumir para proporcionar aporte nutricional a individuos. Los productos alimenticios para humanos derivados de algas pueden contener nutrientes esenciales, tales como, carbohidratos, grasas, proteínas, vitaminas o minerales.

El término "biorremediación" , tal como se usa en la presente, se refiere al uso de crecimiento de algas para retirar contaminantes, tales como, de modo no taxativo, nitratos, fosfatos y metales pesados, de aguas residuales industriales o aguas residuales municipales.

El término "aguas residuales", tal como se usa en la presente, se refiere a aguas residuales industriales o aguas residuales municipales que contienen una variedad de contaminantes que incluyen, de modo no taxativo, nitratos, fosfatos y metales pesados.

El término "enriquecido", tal como se usa en la presente, se referirá a alrededor del 50% o más del contenido.

El término "sustancialmente" , tal como se usa en la presente, se referirá a en su mayor parte.

El término "proteínas de globulina", tal como se usa en la presente, se refiere a proteínas solubles en sal.

El término "proteínas de albúmina" , tal como se usa en la presente, se refiere a proteínas solubles en agua.

El término "proteínas de glutelina" , tal como se usa en la presente, se refiere a proteínas solubles alcalinas.

El término "proteínas de prolamina", tal como se usa en la presente, se refiere a proteínas solubles en alcohol. Los ejemplos no taxativos de proteínas de prolamina son gliadina, zeína, hordeína, avenina.

El término "cultivo de algas", tal como se usa en la presente, se refiere a células de algas en medio de cultivo.

El término "biomasa de algas", tal como se usa en la presente, se refiere a un cultivo de algas al menos parcialmente deshidratado.

El término "deshidratado" , tal como se usa en la presente, se refiere a la remoción de al menos algo de agua.

El término "pasta de algas", tal como se usa en la presente, se refiere a un cultivo de algas parcialmente deshidratado con propiedades fluidas que permiten que fluya. En general, una pasta de algas tiene un contenido de agua de alrededor de 90%.

El término "torta de algas", tal como se usa en la presente, se refiere a un cultivo de algas parcialmente deshidratado que carece de las propiedades de fluido de una pasta de algas y tiende a aglomerarse. En general, una torta de algas tiene un contenido de agua de alrededor de 60% o menos.

Las células de algas de agua salada incluyen, de modo no taxativo, especies de algas marinas y de agua salobre. Las células de algas de agua salada se encuentran naturalmente en cuerpos de agua tales como, de modo no taxativo, mares, océanos y estuarios. Los ejemplos no taxativos de especies de algas de agua salada incluyen Nannochloropsis sp. , Dunaliella sp.

Las células de algas de agua dulce se encuentran naturalmente en cuerpos de agua tales como, de modo no taxativo, lagos y estanques. Los ejemplos no taxativos de especies de algas de agua dulce incluyen Scendescemus sp., Haemotococcus sp .

Los ejemplos no taxativos de microalgas que se pueden usar con los métodos de la invención son miembros de una de las siguientes divisiones: Chlorophyta, Cyanophyta (Cyanobacteria) y Heterokontophyta . En determinadas modalidades, las microalgas que se usan con los métodos de la invención son miembros de una de las siguientes clases: Bacillariophyceae, Eustigmatophyceae y Chrysophyceae . En determinadas modalidades, las microalgas que se usan con los métodos de la invención son miembros de uno de los siguientes géneros: Nannochloropsis, Chlorella, Dunaliella, Scenedesmus, Selenastrum, Oscillatoria, Phormidium, Spirulina, Amphora y Ochro onas .

Los ejemplos no taxativos de especies de microalgas que se pueden usar con los métodos de la presente invención incluyen: Achnanthes orientalis, Agmenellum spp . , Amphiprora hyaline, Amphora coffeiformis, Amphora coffeiformis var. linea, Amphora coffeiformis var. punctata, Amphora coffeiformis var. taylori, Amphora coffeiformis var. tennis, Amphora delicatissima, Amphora delicatissima var. capitata, Amphora sp . , Anabaena, Ankistrodesmus, Ankistrodesmus falcatus, Boekelovia hooglandii, Borodinella sp., Botryococcus braunii, Botryococcus sudeticus, Bracteococcus minor, Bracteococcus medionucleatus, Cartería, Chaetoceros gracilis, Chaetoceros muelleri , Chaetoceros muelleri var. subsalsum, Chaetoceros sp. , Chlamydomas perigran lata, Chlorella anitrata, Chlorella antárctica, Chlorella aureoviridis, Chlorella Candida, Chlorella capsúlate, Chlorella desiccate, Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii , Chlorella fusca, Chlorella fusca var. vacuolata, Chlorella glucotropha, Chlorella infusionum, Chlorella infusionu var. actophila, Chlorella infusionum var. auxenophila, Chlorella kessleri, Chlorella lobophora, Chlorella luteoviridis, Chlorella luteoviridis var. aureoviridis, Chlorella luteoviridis var. lutescens, Chlorella miniata, Chlorella minutissima, Chlorella mutabilis, Chlorella nocturna, Chlorella ovalis, Chlorella parva, Chlorella photophila, Chlorella pringsheimii, Chlorella protothecoides, Chlorella protothecoides var. acidicola, Chlorella regularis , Chlorella regularis var. mínima, Chlorella regularis var. umbricata, Chlorella reisiglii , Chlorella saccharophila, Chlorella saccharophila var. ellipsoidea, Chlorella salina, Chlorella simplex, Chlorella sorokiniana, Chlorella sp . , Chlorella sphaerica, Chlorella stigmatophora, Chlorella vanniellii , Chlorella vulgaris, Chlorella vulgaris fo. tertia, Chlorella vulgaris var. autotrophica , Chlorella vulgaris var. viridis, Chlorella vulgaris var. vulgaris, Chlorella vulgaris var. vulgaris fo. tertia, Chlorella vulgaris var. vulgaris fo. viridis, Chlorella xanthella , Chlorella zofingiensis, Chlorella trebouxioides, Chlorella vulgaris, Chlorococcum infusionum, Chlorococcum s . , Chlorogonium, Chroomonas sp., Chrysosphaera sp., Cricosphaera sp., Crypthecodinium cohnii, Cryptomonas sp. , Cyclotella cryptica, Cyclotella meneghiniana, Cyclotella sp. , Dunaliella sp., Dunaliella bardawil, Dunaliella bioculata, Dunaliella granúlate, Dunaliella maritime, Dunaliella minuta, Dunaliella parva, Dunaliella peircei, Dunaliella primolecta, Dunaliella salina, Dunaliella terrícola, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella viridis, Dunaliella tertiolecta, Eremosphaera viridis, Eremosphaera sp., Ellipsoidon sp., Euglena spp . , Franceia sp., Fragilaria crotonensis, Fragilaria sp., Gleocapsa sp., Gloeothamnion sp. , Haematococcus pluvialis, Hymenomonas sp. , lsochrysis aff. galbana, lsochrysis galbana, Lepocinclis, Micractinium, Micractinium, Monoraphidium minutum, Monoraphidium sp . , Nannochloris sp . , Nannochloropsis salina, Nannochloropsis sp., Navícula acceptata, Navícula biskanterae, Navícula pseudotenelloides, Navícula pelliculosa, Navícula saprophila, Navícula sp . , Nephrochloris sp . , Nephroselmis sp. , Nitschia communis, Nitzschia alexandrina, Nitzschia closterium, Nitzschia communis, Nitzschia. dissipata, Nitzschia frustulum, Nitzschia hantzschiana, Nitzschia inconspicua, Nitzschia intermedia, Nitzschia microcephala, Nitzschia pusilla, Nitzschia pusilla elliptica, Nitzschia pusilla monoensis, Nitzschia quadrangular, Nitzschia sp., Ochromonas sp . , Oocystis parva, Oocystis pusilla, Oocystis sp., Oscillatoria limnetica, Oscillatoria sp., Oscillatoria subbrevis, Parachlorella kessleri, Pascheria acidophila, Pavlova sp . , Phaeodactylum tricomutum, Phagus, Phormidium, Platymonas sp . , Pleurochrysis carterae, Pleurochrysis dentate, Pleurochrysis sp., Prototheca wickerhamii, Prototheca stagnora, Prototheca portoricensis, Prototheca moriformis, Prototheca zopfii, Pseudochlorella aquatica, Pyramimonas sp., Pyrobotrys, Rhodococcus opacus, Sarcinoid chrysophyte, Scenedesmus armatus, Schizochytrium, Spirogyra, Spirulina platensis, Stichococcus sp. , Synechococcus sp. , Synechocystisf, Tagetes erecta, Tagetes patula, Tetraedron, Tetraselmis sp., Tetraselmis suecica, Thalassiosira weissflogii y Viridiella fridericiana .

En otras modalidades, la biomasa puede ser material vegetal, incluyendo de modo no taxativo, soja, maíz, palma, camelina, jatropha, colza, coco, maní, cártamo, semilla de algodón, semilla de lino, girasol, salvado y oliva.

Se describen sistemas y métodos para extraer lípidos y subproductos (por ejemplo, proteínas) de diversa polaridad de un material oleaginoso húmedo, incluyendo por ejemplo, una biomasa de algas. En particular, los métodos y sistemas descritos en la presente se refieren a la capacidad de extraer y fraccionar los componentes de algas realizando extracciones secuenciales con una mezcla de solvente anfipático/hidrofóbico y agua que se vuelve progresivamente menos polar (es decir, la relación de agua en solvente/agua se reduce progresivamente ya que uno avanza de un paso de extracción al otro) . En otros términos, el agua intersticial inicialmente presente en las algas (aproximadamente 75% de su peso) se reemplaza gradualmente por el solvente anfipático/hidrofóbico al azeótropo del solvente anfipático/hidrofóbico . Esto da como resultado la extracción de los componentes solubles a la polaridad desarrollada en cada paso, provocando así el fraccionamiento simultáneo de los componentes extraídos.

Este proceso genera una mezcla que contiene dos fases, una más ligera y una más pesada. Las fases más ligeras comprenden el solvente hidrofóbico y los lípidos polares. Los lípidos no polares también están presentes en esta fase. La fase más pesada comprende el solvente antipático, agua y la biomasa de algas remanente. La presencia del solvente hidrofóbico permite la extracción selectiva de los componentes lipidíeos de los otros componentes de algas presentes en el extracto total . Esto da como resultado un producto lipídico más puro prácticamente sin contenido de producto de algas solubles en proteína o agua.

En algunas modalidades de la invención, se usa un único solvente y agua para extraer y fraccionar componentes presentes en un material oleaginoso. En otras modalidades, se usa un conjunto de solventes y agua para extraer y fraccionar los componentes presentes en un material oleaginoso. En algunas modalidades, el material oleaginoso está húmedo. En otras modalidades, el material oleaginoso es algas.

La recuperación de lípidos polares depende principalmente de su carga iónica, solubilidad de agua y ubicación (intracelular, extracelular o unidos a la membrana) . Los ejemplos de lípidos polares incluyen, de modo no taxativo, fosfolípidos y glicolípidos . Las estrategias que se pueden usar para separar y purificar lípidos polares se pueden dividir en términos generales en modos discontinuos o continuos. Los ejemplos de modos discontinuos incluyen precipitación (pH, solvente orgánico) , extracción de solvente y cristalización. Los ejemplos de modos continuos incluyen centrifugar, adsorber, separar y precipitar la espuma y tecnologías de membrana (filtración del flujo de la membrana, diafiltración y precipitación, ultra filtración) .

Otros objetos, características y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada. Sin embargo, se debería entender que la descripción detallada y los ejemplos, en tanto1 indican modalidades específicas de la invención, se proporcionan únicamente a modo de ejemplo. De manera adicional, se contempla que los cambios y modificaciones dentro del espíritu y alcance de la invención serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de esta descripción detallada .

Sorprendentemente, el proceso de extracción no perjudicial propuesto da como resultado más de 90% de recuperación. La pequeña cantidad de lípidos polares en la biomasa remanente mejora su valor cuando la biomasa remanente se usa como alimento. Esto se debe, al menos parcialmente, al alto contenido de ácidos grasos insaturados de cadena larga de la biomasa. Además, los extractos de etanol también se pueden transesterificar directamente. Asimismo, a diferencia de los métodos convencionales existentes, los métodos y sistemas descritos en la presente son genéricos para cualquier alga, y permiten la recuperación de una parte significativa de los componentes valiosos, incluyendo los lípidos polares, de las algas mediante el uso de un gradiente de solvente orgánico miscible en agua.

La fracción lipídica neutra obtenida mediante el uso de la presente invención posee un bajo contenido metálico, mejorando así la estabilidad de la fracción lipídica, y reduciendo los pasos de procesamiento posteriores. Los metales tienden a volver inestables los lípidos neutros debido a su capacidad de catalizar la oxidación. Además, los metales inhiben los catalizadores que se pueden hacer reaccionar con hidrógeno, lo que requiere su remoción antes de poder refinar la mezcla lipídica neutra. Los sistemas y métodos descritos en la presente permiten la extracción de metales en las fracciones de proteína y/o lipídicas polares. Esto es ventajoso dado que las proteínas y los lípidos polares no se ven muy afectados por la exposición al metal, y en algunos casos son realmente estabilizados por metales.

Los sistemas y métodos descritos en la presentes pueden comenzar con biomasa húmeda, reduciendo los costos de secado y deshidratación. En comparación con los procesos de extracción convencionales, los procesos de extracción y fraccionamiento descritos deberían tener costos operativos relativamente bajos debido a las condiciones de temperatura y presión moderadas, junto con el reciclado de solvente. Además, los procesos de extracción convencionales son muy costosos y no satisfacen la demanda del mercado.

Otro aspecto de los sistemas y métodos descritos en la presente es la capacidad de cumplir con el refinado preliminar, que es la separación de lípidos polares de lípidos neutros durante el proceso de extracción. Las diferencias entre el aceite de algas utilizado en los ejemplos de modalidades y los aceites vegetales utilizados en las modalidades anteriores incluyen el porcentaje de clases individuales de lípidos. Un ejemplo de composición de aceite bruto de algas se compara con el aceite vegetal que se muestra en la Tabla 2 a continuación: Tabla 2 El desgomado (físico y/o químico) de aceite vegetal se realiza para retirar los lípidos polares (por ejemplo, glicolípidos y fosfolípidos) . El aceite vegetal que se ha desgomado químicamente retiene una cantidad considerable de lípido neutro. Esta fracción lipídica neutra se retira adicionalmente del material desgomado usando extracción de solvente o extracción de fluido supercrítico/subcrít ico o tecnología de membrana. Por el contrario, la separación de los lípidos neutros de una biomasa de algas oleginosa es mucho más difícil que de un suministro de aceite vegetal debido a la presencia de grandes cantidades de lípidos polares que se encuentran en general en el aceite de algas (ver Tabla 2) . Esto se debe a que el porcentaje más grande de lípidos polares presentes en el aceite de algas mejora la emulsificación de los lípidos neutros. La emulsif icación se estabiliza más por los componentes de sal y nutriente que quedan en la solución. La presencia de lípidos polares, junto con metales, da como resultado dificultades de procesamiento para la separación y utilización de lípidos neutros. Sin embargo, dado que los lípidos polares tienen un mercado existente, su recuperación añadiría un valor considerable al uso del aceite de algas para generar combustibles.

Los lípidos polares son tensioactivos por naturaleza debido a su estructura molecular y tienen un gran mercado existente. Muchas de las tecnologías existentes para producir lípidos polares requieren mucha materia prima o tienen costos elevados. Los suministros alternativos para glicolxpidos y fosfolípidos son principalmente aceite de algas, aceite de avena, aceite de germen de trigo y aceite vegetal. El aceite de algas en general contiene alrededor de 30-85 % (p/p) de lípidos polares dependiendo de la especie, el estado fisiológico de la célula, condiciones del cultivo, tiempo de cosecha y el solvente utilizado para la extracción. Además, la estructura del glicerol de cada lípido polar tiene dos grupos de ácidos grasos unidos en lugar de tres en el triacilglicerol lipídico neutro. La transesterificación de los lípidos polares puede proporcionar solamente dos tercios del producto final, es decir, ácidos grasos esterificados , en comparación con la de los lípidos neutros, en base a la masa. Por lo tanto, la remoción y recuperación de los lípidos polares no solo sería altamente beneficiosa para producir biocombustibles de alta calidad o triglicéridos de algas, pero también generaría glicolípidos y fosfolípidos subproductos con valor agregado, que a su vez pueden contrarrestar el costo asociado a la producción de biocombustible basado en algas. La capacidad de recuperar y fraccionar fácilmente los varios aceites y subproductos producidos por algas es ventajosa para el éxito económico del proceso del aceite de algas.

Un aspecto adicional de los métodos y sistemas descritos en la presente es la capacidad de extraer proteínas a partir de un material oleaginoso, tal como biomasa de algas. Los métodos descritos en la presente de extracción de material proteináceo a partir de biomasa de algas comprenden un proceso de extracción y fraccionamiento flexible y altamente adaptable. Por ejemplo, en algunas modalidades, la extracción y el fraccionamiento ocurren en un solo paso, proporcionando así un proceso altamente eficaz. Las proteínas generadas a partir de la biomasa son útiles como alimentos para animales, ingredientes alimenticios y productos industriales. Por ejemplo, las proteínas son útiles en aplicaciones como fibras, adhesivos, recubrimientos, cerámicas, tintas, cosméticos, textiles, goma de mascar y plásticos biodegradables .

Otro aspecto de los métodos y sistemas descritos en la presente implica variar la relación de biomasa de algas y solvente en función de los componentes que se deben extraer. En una modalidad, una biomasa de algas se mezcla con un peso equivalente de solvente. En otra modalidad, una biomasa de algas se mezcla con un peso menor de solvente. En aun otra modalidad, una biomasa de algas se mezcla con un peso mayor de solvente. En algunas modalidades, la cantidad de solvente mezclado con una biomasa de algas se calcula en función del solvente que se debe usar y la polaridad deseada de la mezcla de biomasa de algas/solvente. En aun otras modalidades, la masa de algas se extrae en varios pasos. En un ejemplo de modalidad, una biomasa de algas se extrae secuencialmente , primero con alrededor de 50-60% de su peso con un solvente miscible en agua ligeramente no polar. En segundo lugar, los sólidos de algas remanentes se extraen usando alrededor de 70% del peso de los sólidos en solvente. Luego, se realiza una tercera extracción usando alrededor de 90% del peso de los sólidos en solvente. Habiéndonos informado sobre estos aspectos de la invención, un experto en la técnica podría utilizar distintos solventes de distintas polaridades ajustando las relaciones de biomasa de algas y/o residuos sólidos a la polaridad deseada para extraer selectivamente los productos de algas .

Por ejemplo, en una modalidad preferida, el solvente utilizado es etanol. Los componentes se pueden aislar selectivamente variando la relación de solvente. Las proteínas se pueden extraer de una biomasa de algas con alrededor de 50% de etanol, lípidos polares con alrededor de 80% de etanol y lípidos neutros con alrededor de 95% o más de etanol. Si se usara metanol, la concentración de solvente para extraer proteínas de una bioraasa de algas sería de alrededor de 70%. Los lípidos polares requerirían alrededor de 90% de metanol, y los lípidos neutros requerirían alrededor de 100% de metanol.

Las modalidades de los sistemas y métodos descritos en la presente exhiben resultados sorprendentes e inesperados. En primer lugar, el proceso de recuperación/extracción se puede realizar en una biomasa húmeda. Esta es una gran ventaja económica, ya que los ejemplos de modalidades evitan el uso de grandes cantidades de energía que se requiere para secar y alterar las células. La extracción de los lípidos neutros a partir de una biomasa de algas seca es mucho más eficaz usando los sistemas y métodos de la presente invención. Los rendimientos obtenidos a partir de los procesos descritos son significativamente más altos y puros que los obtenidos mediante extracciones convencionales. Esto es porque la extracción convencional frecuentemente da como resultado emulsiones, haciendo la separación de los componentes extremadamente difícil.

Los ejemplos de modalidades se pueden aplicar a cualquier material oleaginoso de algas o no de algas . Los ejemplos de modalidades pueden usar cualquier solvente ligeramente no polar miscible en agua incluyendo, de modo no taxativo, metanol, etanol, isopropanol, acetona, acetato de etilo y acetonitrilo . Las modalidades específicas pueden usar un solvente ecológico renovable, tal como etanol . Los solventes de alcohol analizados dieron como resultado mayor rendimiento y pureza de lípidos neutros aislados. Etanol es relativamente económico de comprar en comparación con otros solventes descritos en la presente. En algunos ejemplos de modalidades, la extracción y el fraccionamiento se pueden realizar en un paso seguido de la purificación basada en la membrana, si fuera necesario. La biomasa resultante prácticamente carece de agua y se puede secar por completo con menor energía que una suspensión de algas acuosas.

En algunos ejemplos de modalidades, el solvente utilizado para extraer es etanol. Otras modalidades incluyen, de modo no taxativo, ciclohexano, éter de petróleo, pentano, hexano, heptano, dietiléter, tolueno, acetato de etilo, cloroformo, diclorometano, acetona, acetonitrilo, isopropanol y metanol . En algunas modalidades, se usa el mismo solvente en los pasos de extracción secuenciales . En otras modalidades, se usan distintos solventes en cada paso de extracción. En aun otras modalidades, se mezclan y usan dos o más solventes en uno o más pasos de extracción.

En algunas modalidades de los métodos descritos en la presente, una mezcla de dos o más solventes usada en cualquiera de los pasos de extracción incluye al menos un solvente hidrofílico y al menos un solvente hidrofóbico. Cuando se usa la mezcla, el solvente hidrofílico extrae el material de la biomasa mediante difusión. Mientras tanto, se usa una cantidad relativamente pequeña de solvente hidrofóbico combinada y está implicada en una separación líquido-líquido, de modo que el material de interés esté concentrado en la pequeña cantidad de solvente hidrofóbico. Luego, los dos solventes distintos forman un sistema de dos capas, que se pueden separar usando métodos conocidos en la técnica. En la puesta en práctica, el solvente hidrofóbico puede ser uno o más de un alcano, un éster, una cetona, un aromático, un haloalcano, un éter, o una mezcla comercial (por ejemplo, diesel, combustible de reactor, gasolina).

En algunas modalidades, los procesos de extracción descritos en la presente incorporan variación del pH en uno o más pasos. La variación del pH es útil para aislar el material proteináceo. En algunas modalidades, el pH del proceso de extracción es ácido (por ejemplo, inferior a alrededor de 5) . En algunas modalidades, el pH del proceso de extracción es alcalino (por ejemplo, superior a alrededor de 10) .

El uso de hexano en procedimientos de extracción convencionales contamina la biomasa de algas de modo que los subproductos no se usen en productos alimenticios. Las modalidades de la presente invención son superiores a las conocidas en la técnica ya que requieren el uso de mucha menos energía y vuelven los productos adecuados para su uso como combustibles, así como productos comestibles y complementos nutricionales .

Se contempla que cualquier modalidad descrita en la presente descripción se puede poner en práctica con respecto a cualquier método o sistema de la invención, y viceversa. Además, los sistemas de la invención se pueden usar para lograr los métodos de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS EJEMPLOS DE MODALIDADES Para la extracción de solvente de aceite de algas, en el mejor de los casos el solvente extrae selectivamente triacilgliceroles (TAG) y deja todos los lípidos polares y los lípidos neutros no TAG, tales como ceras, esteróles en la célula de algas con alta recuperación. La segunda opción sería extraer selectivamente lípidos polares y luego extraer lípidos neutros más puros carentes de lípidos polares, dando como resultado recuperación alta. La última opción sería extraer todos los lípidos y alcanzar una recuperación muy alta en uno o dos pasos.

Con respecto a la FIG. 1A, un diagrama de flujo 100 proporciona un resumen de los pasos involucrados en ejemplos de modalidades de métodos utilizados en el fraccionamiento y la purificación de lípidos de una biomasa que contiene algas. En un primer paso 110, las células de algas se cosechan. En un paso posterior 120, se retira agua de células de algas para proporcionar 10-25% de biomasa sólida. En el paso 130, se realiza una extracción basada en solvente en la biomasa y las fracciones se recogen. En algunas modalidades, el paso 130 también incorporará extracción basada en pH y recolección de fracciones. Por último, se puede realizar una separación de fase sólida/líquida, incluyendo, de modo no taxativo, técnicas como filtración, decantación y centrifugación, en un paso 140 para separar menores componentes lipidíeos.

La biomasa de algas cuando se cosecha en el paso 110 en general consiste en alrededor de 1-5 g/L de los sólidos totales. La biomasa se puede deshidratar parcialmente en el paso 120 usando técnicas que incluyen, de modo no taxativo, flotación de aire disuelto, filtración de membrana, floculación, sedimentación, filtro-prensado, decantación o centrif gación. La deshidratación es la remoción de algo, la mayor parte o todo del agua de una sustancia sólida o semisólida. Las modalidades de la presente invención utilizan técnicas de deshidratación para retirar agua de una biomasa de algas cosechadas. La deshidratación se puede llevar a cabo usando cualquiera o una combinación de cualquiera de los métodos descritos en la presente, así como mediante cualquier otro método conocido por el experto en la técnica.

La biomasa de algas deshidratadas que resulta del paso 120 en general consiste en alrededor de 10-30% de sólidos. Luego, esta biomasa se puede extraer con solventes ligeramente no polares miscibles en agua (por ejemplo, alcoholes) en un proceso de extracción de solventes contracorriente de múltiples etapas que segrega las fracciones en cada etapa. Este tipo de proceso puede reducir tanto los gastos de capital como los operativos. En algunas modalidades, la biomasa también se somete a extracción ácida y/o alcalina para fraccionar el material de proteína.

En algunas modalidades, la deshidratación de una biomasa de algas se puede llevar a cabo tratando la biomasa de algas cosechadas con un solvente tal como etanol . Luego, la biomasa de algas se deja reposar fuera de la solución y luego los líquidos se pueden retirar mediante métodos tales como, de modo no taxativo, sifonaje. Este método novedoso de deshidratación tiene menores costos de capital y operativos que los métodos conocidos, permite el reciclaje de solventes, reduce el costo de secado de la biomasa, y tiene el beneficio agregado de disminución de la polaridad de la biomasa de algas antes de comenzar la extracción y/o separación de los componentes de algas. De hecho, se teoriza que los procesos de sedimentación basados en solventes descritos en la presente son eficaces, en parte, debido al hecho de que los solventes orgánicos reducen o neutralizan la carga negativa en la superficie de las algas. En algunas modalidades de la invención, los métodos de deshidratación se combinan para retirar incluso más agua. En algunas modalidades, la adición de solvente durante el proceso de deshidratación inicia el proceso de extracción.

La FIG. IB muestra una implementación ilustrativa de un proceso de deshidratación 300. Un cultivo de algas 310 con un peso seco final de alrededor de 1 g/L a alrededor de 10 g/L (es decir, 0.1-1% p/p) se somete a un proceso de separación de agua 320. El proceso 320 puede incluir centrifugación, decantación, sedimentación o filtración. En una modalidad, se usa un filtro de tubo de metal sinterizado para separar la biomasa de algas del agua del cultivo. Cuando se usa el filtro, el agua recuperada 330 se recicla y dirige a otros cultivos de algas. Mientras tanto, la biomasa de algas recuperada se concentró hasta una "pasta de algas" con una densidad de algas de como máximo alrededor de 200 g/L (es decir, 10-20% p/p) . Luego, esta pasta de algas concentradas se trata con un solvente 340 en un proceso de sedimentación basado en solventes 350.

El proceso de sedimentación 350 implica agregar solvente 340 a la pasta de algas para lograr una mezcla con una relación de solvente a biomasa peso/peso de entre alrededor de 1:1 y alrededor de 1:10. Las algas se dejan reposar en un recipiente de sedimentación, y se retira una mezcla de solvente/agua 360 mediante, por ejemplo, sifonaje y/o decantación. El solvente se puede recuperar y reutilizar mediante técnicas bien conocidas, tales como destilación y/o pervaporación . Se espera que la biomasa fresca remanente 370 tenga un contenido de sólidos de alrededor de 30% a alrededor de 60% p/p en una solución de alcohol y agua.

Los solventes ideales para la deshidratación son solventes solubles en agua industrialmente comunes con densidades superiores a 1.1 g/mL o inferiores a 0.9 g/mL. Los ejemplos incluyen isopropanol, acetona, acetonitrilo, alcohol t-butílico, etanol, metanol, 1-propanol, agua pesada (D20) , etilenglicol y/o glicerina. Si la densidad del solvente es superior a 1.1 g/mL, la biomasa de algas flotaría en vez de generar un sedimento en el fondo del recipiente de sedimentación .

La FIG. 2 es un diagrama esquemático de un ejemplo de modalidad de un sistema de extracción 200. La biomasa húmeda de algas o seca se transporta usando métodos conocidos en la técnica, incluyendo de modo no taxativo, una banda móvil, un transportador helicoidal o a través de cámaras de extracción. El solvente para extracción se hace recircular desde un tanque de almacenamiento a cada posición de ranura de biomasa. La mezcla de extracción se filtra, devolviendo los sólidos de la biomasa a la ranura y el extracto al tanque de almacenamiento. Los sólidos en la banda se mueven periódicamente en función del requisito de tiempo de residencia para la extracción. Los extractos en cada tanque de almacenamiento se pueden reforzar cuando se saturan o se pueden reemplazar continuamente por solvente nuevo. Esto también reduciría drásticamente el tiempo y costo de procesamiento corriente abajo. Esta modalidad comprende un depósito principal 210, un mecanismo de transporte 220, varios dispositivos de separación 241-248 (por ejemplo, dispositivos de filtración de membrana) , varios depósitos de extracción 261-268, y varias bombas de reciclado 281-287. En esta modalidad, el depósito principal 210 se divide en varios depósitos de entrada 211-218.

Durante el funcionamiento, la biomasa de algas 201 se coloca en un primer depósito de entrada 211 cerca de un primer extremo 221 del mecanismo de transporte 220. Además, el solvente 205 se coloca en un depósito de entrada 218 cerca de un segundo extremo 222 del mecanismo de transporte 220. El mecanismo de transporte 220 dirige la biomasa de algas a lo largo del mecanismo de transporte 220 desde un primer extremo 221 hacia un segundo extremo 222. A medida que la biomasa de algas se transporta, pasa a través de varios dispositivos de separación 241-248 y se separa en fracciones de diversa polaridad. Las partes difundidas que pasan a través de los dispositivos de separación 241-248 se dirigen a los depósitos 261-268.

Por ejemplo, la parte difundida de la biomasa de algas que pasa a través del primer dispositivo de separación 241 (por ejemplo, la parte que contiene líquido y partículas lo suficientemente pequeñas como para pasar a través del dispositivo de separación 241) se dirige al primer depósito 261. Desde el primer depósito 261, la parte difundida se puede reciclar al primer depósito de entrada 201. La parte retenida de la biomasa de algas que no pasa a través del primer dispositivo de separación 241 se puede dirigir mediante un mecanismo de transporte 220 hacia el segundo depósito de entrada 212 y al segundo dispositivo de separación 242, que puede comprender un medio de separación o filtración más fino que el primer dispositivo de separación 241.

El segmento de la parte difundida que pasa a través del segundo dispositivo de separación 242 se puede dirigir al segundo depósito 262, y luego se puede reciclar al segundo depósito de entrada 212 mediante una bomba de reciclado 282. La parte retenida o extraída de la biomasa de algas que no pasa a través del segundo dispositivo de separación 242 se puede dirigir mediante un mecanismo de transporte 220 hacia un tercer depósito de entrada 213. Este proceso se puede repetir para los depósitos de entrada 213-218, . y los dispositivos de separación 243-248 de modo que las partes retenidas en cada etapa se dirigen a los depósitos de entrada posteriores, mientras que las partes difundidas se dirigen a los depósitos de reciclado y se vuelven a reciclar al depósito de entrada actual .

En ejemplos de modalidades, la primera fracción se extraerá con la relación más alta de agua a solvente ligeramente no polar, es decir, la mezcla más polar, mientras que la última fracción se extraerá con el solvente ligeramente no polar más puro, es decir, la mezcla menos polar. Por lo tanto, el proceso extrae componentes según el orden de disminución de la polaridad con la fracción. La función de la primera fracción es retirar el agua residual y facilitar el proceso de extracción de solventes. Las fracciones que siguen son ricas en lípidos polares, mientras que las fracciones finales son ricas en lípidos neutros.

La fracción de aceite se puede esterificar para liberar los ácidos grasos insaturados de cadena larga. Los carotenoides y los ácidos grasos insaturados de cadena larga se pueden separar del aceite usando procesos como destilación molecular junto con destilación no molecular. Todos los ácidos grasos se pueden separar de los carotenoides usando la destilación molecular. Los destilados se pueden fraccionar usando una columna de destilación simple para separar los ácidos grasos de cadena inferior para refinado. Los ácidos grasos insaturados de cadena larga permanecen como residuo de alta ebullición en la columna.

En algunas modalidades no taxativas, el sistema de extracción y los métodos descritos en la presente incorporan uno o más pasos para aislar material de proteína del material oleaginoso (por ejemplo, biomasa de algas) . Los pasos de extracción de proteína emplean ajuste (s) de pH para lograr el aislamiento y extracción de proteína. Por ejemplo, en una modalidad no taxativa, el pH del solvente en el primer dispositivo de separación se optimiza para la extracción de proteína, dando como resultado una primera fracción que es rica en material de proteína. El pH del paso de extracción de proteína se ajusta dependiendo del pKa de las proteínas de interés. El pKa de una proteína de interés se puede determinar usando métodos conocidos por el experto en la técnica, incluyendo, de modo no taxativo, usando la ecuación Poisson-Boltzmann, métodos empíricos, métodos basados en dinámica molecular o mediante el uso de curvas de titulación.

En algunas modalidades, el pH del solvente es alcalino. Por ejemplo, en algunas modalidades, el pH del solvente es superior a alrededor de 10. En otras modalidades, el pH del solvente oscila entre alrededor de 10 y alrededor de 12. En modalidades adicionales, el pH del solvente es de entre alrededor de 10, alrededor de 11 o alrededor de 12. En otras modalidades, el pH del solvente es ácido. Por ejemplo, en algunas modalidades, el pH del solvente es inferior a alrededor de 5. En otras modalidades, el pH del solvente oscila entre alrededor de 2 y alrededor de 5. En modalidades adicionales, el pH del solvente es de alrededor de 2, alrededor de 3, alrededor de 4, alrededor de 4.5 o alrededor de 5. Luego, la parte extraída del primer dispositivo de separación se dirige a depósitos de entrada posteriores para lograr la extracción y el fraccionamiento en función de la polaridad. En otra modalidad no taxativa, el material de proteína se separa en el dispositivo de separación final mediante un medio similar (es decir, ajuste del pH del solvente) .

El ajuste del pH del solvente se logra de acuerdo con métodos conocidos por los expertos en la técnica. Por ejemplo, el pH ácido se logra mediante la mezcla de un ácido apropiado en la corriente de solvente. Los ejemplos de ácidos útiles para la extracción de proteínas incluyen, de modo no taxativo, ácido fosfórico, ácido sulfúrico y ácido clorhídrico. De manera similar, el pH alcalino se logra mediante la adición y mezcla de una base apropiada en la corriente de solvente. Los ejemplos de bases útiles para la extracción de proteínas incluyen, de modo no taxativo, hidróxido de potasio e hidróxido de sodio.

En algunas modalidades, la extracción de proteína se realiza en un sistema separado del sistema de extracción y fraccionamiento descrito anteriormente. Por ejemplo, en algunas modalidades, una biomasa de algas se empapa en una mezcla de solvente con pH ajustado, seguido de aislamiento mediante una técnica de separación apropiada (por ejemplo, centrif gación o filtración) . Luego, el sólido remanente se introduce en un sistema de extracción y fraccionamiento en función de la polaridad, como se describe en la presente. De manera similar, en algunas modalidades, el extracto remanente de un proceso de extracción y fraccionamiento en función de la polaridad se expone a una mezcla de solvente con pH ajustado para aislar el material de proteína al final del proceso de extracción.

Como se muestra en la FIG. 3, la selección de solvente y la teoría de fraccionamiento en función de la polaridad se desarrollaron mediante análisis extensivo de solventes y el efecto sobre la extracción usando el proceso de extracción Sohxlet, que permite la separación de lípidos de un material sólido. El sistema de extracción Sohxlet se utilizó para analizar rápidamente los solventes para selectividad y recuperación de clases de lípidos. Se analizaron los solventes de varias clases de químicos que comprenden una gran variedad de polaridades, tales como alcanos, cicloalcano, haluros de alquilo, esteres, cetonas . Antes de la extracción, se analizó el contenido de los lípidos y la composición de la biomasa que se deben extraer por triplicado usando los métodos estándar para el cálculo de aceite de algas, tal como el método de extracción de lípidos Bligh-Dyer. La biomasa contenía 22.16% de lípidos totales, de los cuales 49.52% era lípido neutro.

La FIG. 3 presenta los datos recogidos por extracción de una masa de algas seca usando varios solventes polares y no polares combinados con un proceso de extracción Sohxlet. Dependiendo de la longitud de cadena del solvente de alcano, se puede lograr 60-70% de pureza de los lípidos neutros y 15-45% de recuperación de lípidos totales sin alteración y sin extracción de solventes. El solvente de alcano de cadena más larga analizado, heptano, recuperó 60% de los lípidos neutros y 42% de los lípidos totales. Como muestra la FIG. 3, los resultados de extracción de masa de algas seca usando solventes y métodos de extracción convencionales, tal como hexano, son ineficaces, costosos y dan como resultado rendimientos escasos. Los sistemas y métodos descritos en la presente abordan estas ineficiencias controlando la proporción de solvente ligeramente no polar y agua para separar los componentes de diversas polaridades con mínima pérdida de componentes.

Los solventes de alcohol de carbono inferior fueron más selectivos para los lípidos polares. La pureza del lípido neutro fue de 22% para metanol y 45% para etanol . El alcohol isopropílico no mostró ninguna selectividad entre los lípidos polares y no polares, dando como resultado un 52% de producto lipídico neutro puro. El metanol recuperó el 67% de los lípidos totales y más del 90% de los lípidos polares. Por lo tanto, metanol es una excelente opción para una modalidad de la presente invención donde se puede usar para metanol para extraer selectivamente los lípidos polares de un material oleaginoso antes de extraer los lípidos neutros usando heptano o hexano. Las otras clases de solventes analizadas no mostraron selectividad alguna hacia la clase de lípidos dado que la pureza de lípidos neutros era de casi 49%, similar a la composición lipídica presente en la biomasa original. Además, la recuperación de lípidos totales lograda con estos solventes osciló entre alrededor de 15-35%, volviendo estos solventes inadecuados para la extracción selectiva de clases de lípidos particulares o la extracción de lípidos totales.

Los resultados del análisis Sohxlet se confirmaron usando el aparato de extracción de solventes de lote a escala de banco estándar que se describe a continuación en el Ejemplo 1. Los solventes seleccionados fueron metanol para el primer paso para recuperar lípidos polares, y éter de petróleo en el segundo paso para la recuperación de lípidos neutros. Todas las extracciones se realizaron con una relación 1:10 de sólido : solvente . Cada paso de extracción en este experimento fue de 1 hora de duración. Otros experimentos realizados (no se muestran los datos) indican que alrededor de 45 minutos o más de duración es lo suficientemente prolongado para que la extracción sea satisfactoria. Este tiempo de retención depende de la transferencia de calor y masa del sistema.

Las extracciones de metanol se realizaron a distintas temperaturas, 40 °C, 50 °C y 65 °C, para determinar cuál fue la ideal. La extracción de éter de petróleo se realizó a 35 °C, cerca del punto de ebullición del solvente. Se eligió éter de petróleo debido a su alta selectividad de lípidos neutros, bajo punto de ebullición y calidad del producto observada luego de la extracción.

La FIG. 4A muestra que la pureza de lípidos neutros en una extracción de éter de petróleo realizada luego de un paso de extracción de metanol a 65 °C es de más de 80%, lo que demuestra que la combinación de estos dos pasos de extracción mejoró el contenido de lípidos neutros del producto de aceite bruto final. La FIG. 4B muestra . que la recuperación total de lípidos neutros fue baja y que hubo una cantidad significativa de pérdida de lípidos neutros en el primer paso .

Para minimizar la pérdida de lípidos neutros en el paso de extracción de metanol, la polaridad del solvente se puede aumentar agregando agua al solvente. Las FIG. 5A y 5B muestran los resultados de la extracción de la biomasa antes mencionada con 70% v/v de metanol acuoso seguido de la extracción con éter de petróleo. La FIG. 5A muestra que la pureza de lípidos neutros fue mucho mayor en la extracción de éter de petróleo que la que se logró con el uso de metanol puro. Además, la pérdida de lípidos neutros se redujo en gran medida con el uso de metanol acuoso en el primer paso de extracción. Como se muestra en la FIG. 5B, la extracción de metanol a mayores temperaturas mejoró la pureza de lípidos neutros pero disminuyó levemente la recuperación de lípidos totales en el siguiente paso.

En algunos ejemplos de modalidades, se controla la temperatura del proceso de extracción para asegurar la estabilidad óptima de componentes de algas presentes en la biomasa de algas. Las proteínas de algas, carotenoides y clorofila son ejemplos de componentes de algas que presentan sensibilidad a la temperatura. En otras modalidades, la temperatura aumenta luego de que los componentes de algas sensibles a la temperatura se extraen de la biomasa de algas.

En aun otros ejemplos de modalidades, la temperatura del proceso de extracción se ajusta para optimizar el rendimiento del producto deseado. Las extracciones se pueden ejecutar desde temperatura ambiente hasta, pero por debajo de, el punto de ebullición de la mezcla de extracción. En aun otras modalidades, la temperatura del proceso de extracción cambia dependiendo de la solubilidad del producto deseado. En aun otras modalidades, la temperatura de extracción se optimiza dependiendo de la variedad de alga de la biomasa a ser extraída. Las elevadas temperaturas de extracción aumentan la solubilidad de los compuestos deseados y reducen la viscosidad de la mezcla de extracción mejorando la recuperación de extracción.

En algunas modalidades, la extracción se ejecuta bajo presión para elevar el punto de ebullición de la mezcla de extracción. En estas implementaciones, la presión aumenta al grado necesario para evitar la ebullición, mientras que se mantiene la temperatura de la mezcla de extracción por debajo de una temperatura a la que cualquiera de los productos deseados comenzaría a degradarse, desnaturalizarse, descomponerse o destruirse.

En algunos ejemplos de modalidades, la extracción se realiza cerca del punto de ebullición del solvente usado, en las condiciones bajo las cuales se realiza la extracción (por ejemplo, presiones atmosféricas o elevadas). En otras modalidades, la extracción se realiza cerca del punto de ebullición de la mezcla de extracción, lo que nuevamente da cuenta de otras condiciones de extracción. A tales temperaturas, la penetración de la fase de vapor del solvente en las células de algas es más rápida debido a una menor resistencia de transferencia de masa. Si la temperatura de extracción se deja exceder significativamente el punto de ebullición del solvente, el sistema solvente-agua puede formar un azeótropo. Por lo tanto, mantener el sistema en el punto de ebullición del solvente, o cerca de este, generaría suficientes vapores para mejorar la extracción, mientras que se reduce el gasto. Además, la solubilidad de aceite aumenta a mayores temperaturas, lo que puede aumentar más la eficacia de extracción a temperaturas cercanas al punto de ebullición del solvente. La FIG. 6 muestra la recuperación de lípidos totales en el esquema de extracción de metanol acuoso-éter de petróleo. Pese a que realizar la extracción de metanol cerca de su temperatura de ebullición disminuye levemente la recuperación de lípidos neutros tal como se observa en la FIG. 5B, mejora la recuperación de lípidos totales.

En otras modalidades, la extracción se realiza en condiciones de luz ambiente. En otras modalidades, la extracción se realiza en un recipiente opaco tal como, de modo no taxativo, un tubo o recubrimiento de acero, para proteger los componentes de algas sensibles a la luz de la degradación. Los carotenoides son componentes de algas sensibles a la luz.

En otros ejemplos de modalidades, la extracción tiene lugar en condiciones atmosféricas normales. En aun otras modalidades, la extracción tiene lugar en una atmósfera de nitrógeno para proteger componentes de algas propensos a oxidación. En aun otras modalidades, la extracción tiene lugar en una atmósfera de gas inerte para proteger componentes de algas propensos a oxidación. Los componentes de algas que pueden ser propensos a oxidación incluyen carotenoides, clorofila y lípidos.

En ejemplos de modalidades, la relación de solvente a sólido para la extracción es entre 3-5 en función del peso seco de los sólidos en la biomasa. La biomasa de algas residual es rica en carbohidratos (por ejemplo, almidón) y se puede usar como una materia prima para producir el solvente usado para extracción.

La FIG. 7 muestra el efecto de la relación de solvente a sólido en la recuperación de lípidos totales. Como la relación de solvente a sólido aumentó, hubo un aumento correspondiente y drástico en la recuperación de lípidos totales. Se cree que esto se debió a la menor solubilidad de lípidos en metanol en comparación con otros solventes de extracción de aceite usados comúnmente tales como hexano .

La solubilidad de los componentes se ve afectada por la polaridad del solvente usado en el proceso de extracción. Las propiedades de solubilidad de un producto deseado se pueden usar para determinar la relación apropiada de biomasa húmeda a solvente para extraer selectivamente el producto deseado. En el presente sistema de extracción de dos solventes, la cantidad de solvente hidrofóbico se calcula en función de la solubilidad del solvente antipático y los lípidos en el solvente hidrofóbico.

Un índice de polaridad entre alrededor de 6.5 y 6.7 extrae proteínas y otros materiales solubles en alcohol tales como azúcares y sales. Se ha descubierto que luego de la remoción de alcohol y proteínas de tales mezclas de extracción, el material restante es un excelente medio de fermentación. Se calcula que el índice de polaridad de la mezcla para la extracción de lípidos polares y lípidos neutros se encuentra entre alrededor de 5.6 y 5.9 y 5.3 y 5.5 respectivamente. La clave para extraer los componentes deseados es manipular la polaridad de la mezcla de extracción variando las cantidades de solventes hidrofóbicos y antipáticos, siempre dando cuenta del agua presente en la biomasa húmeda de algas. Al usar el índice de polaridad conocido de un solvente, la cantidad de solventes se puede ajustar para lograr la polaridad de mezcla de extracción deseada.

Por ejemplo, una biomasa húmeda de 40% p/p tiene 40 g de biomasa y 60 g de agua por cada 100 g de biomasa húmeda. Si a esta mezcla se agregan 100 g de etanol, la relación de etanol a biomasa húmeda es 1 parte de biomasa húmeda a 1 parte de etanol y la concentración de etanol en la mezcla es de 100/(100+60) que es igual a alrededor de 62% p/p de etanol en la fase líquida. 62% p/p de etanol en una mezcla de etanol y agua corresponde a un índice de polaridad de 6.6, calculado en peso y promediando las polaridades de los componentes. Etanol con un índice de polaridad de 5.2 y agua, con un índice de polaridad de 9, en una mezcla que contiene 62% de etanol y 38% de agua da como resultado un índice de polaridad de (0.62*5.2+ .38*9) alrededor de 6.6. Se calcula que el índice de polaridad de la mezcla para la extracción de lípidos polares y lípidos neutros se encuentra entre alrededor de 5.8 y 5.4 respectivamente.

Por ejemplo, una biomasa húmeda de 40% p/p tiene 40 g de biomasa y 60 g de agua por cada 100 g de biomasa húmeda. Si a esta mezcla se agregan 100 g de etanol, la relación de etanol a biomasa húmeda es 1 parte de biomasa húmeda a 1 parte de etanol y la concentración de etanol en la mezcla es de 100/(100+60) que es igual a alrededor de 62% p/p de etanol en la fase líquida. 62% p/p de etanol en una mezcla de etanol y agua corresponde a un índice de polaridad de 6.6, calculado en peso y promediando las polaridades de los componentes. Etanol con un índice de polaridad de 5.2 y agua, con un índice de polaridad de 9, en una mezcla que contiene 62% de etanol y 38% de agua da como resultado un índice de polaridad de (0.62*5.2+ .38*9) alrededor de 6.6. Se calcula que el índice de polaridad de la mezcla para la extracción de lípidos polares y lípidos neutros se encuentra entre alrededor de 5.8 y 5.4 respectivamente . Si se usa acetonitrilo como el solvente hidrofóbico, la cantidad de acetonitrilo sería entre alrededor de 2% y 4% de la cantidad de etanol, debido a que habría un volumen de capa interfacial de casi el doble de la cantidad de agua en el azeótropo de etanol/acetonitrilo/agua, que es de alrededor de 2%.

En otro ejemplo, una biomasa húmeda de 40% p/p tiene 40 g de biomasa y 60 g de agua por cada 100 g de biomasa húmeda. Si a esta mezcla se agregan 100 g de etanol, la relación de etanol a biomasa húmeda es 1 parte de biomasa húmeda a 1 parte de etanol y la concentración de etanol en la mezcla es de 100/ (100+60) que es igual a alrededor de 62% p/p de etanol en la fase líquida. 62% p/p de etanol en una mezcla de etanol y agua corresponde a un índice de polaridad de 6.6, calculado en peso y promediando las polaridades de los componentes. Etanol con un índice de polaridad de 5.2 y agua, con un índice de polaridad de 9, en una mezcla que contiene 62% de etanol y 38% de agua da como resultado un índice de polaridad de (0.62*5.2+ .38*9) alrededor de 6.6. Se calcula que el índice de polaridad de la mezcla para la extracción de lípidos polares y lípidos neutros se encuentra entre alrededor de 5.8 y 5.4 respectivamente. Si se usa hexano como el solvente hidrofóbico, la cantidad de hexano sería entre alrededor de 6% y 12% de la cantidad de etanol, debido a que habría un volumen de capa interfacial de casi el doble de la cantidad de agua en el azeótropo de etanol/hexano/agua, que es de alrededor de 6%. Esto se debe a que el tamaño de la capa interfacial se relaciona con la miscibilidad de los dos solventes usados en el sistema y se ve afectada además por los efectos tipo detergente de las proteínas y varios lípidos presentes en la mezcla de extracción. El tamaño de, la capa interfacial también se relaciona con la temperatura de la mezcla. A medida que la temperatura aumenta, los dos solventes se vuelven más miscibles, aumentando así el tamaño de la capa interfacial .

En otro ejemplo, si el solvente de extracción es vina mezcla 1:1 de alcohol isopropílico y etanol, la polaridad de este solvente es ( (3.9+5.4) /2) que es de alrededor de 4.65. La relación de solvente a biomasa húmeda se calcularía para igualarse a las polaridades . Para obtener un índice de polaridad de 6.6, necesitaríamos hacer una mezcla de IPA-agua de 55% p/p calculada solucionando la siguiente ecuación algebraica: x*4.65+ (1-x) *9=6.6 i x = (9-6.6)^(9-4.65) = 0.55 55% p/p de mezcla de solvente en mezcla de solvente y agua .

Por lo tanto, para una biomasa húmeda de 40% p/p, la relación de biomasa húmeda a IPA es de (1-0.55) /O.6 ~ 0.75.

Con una biomasa húmeda de 40% p/p esto correspondería a una relación de 100 partes de biomasa húmeda a 75 partes de mezcla de solvente. Una biomasa húmeda de 40% p/p tiene 40 g de biomasa y 60 g de agua por cada 100 g de biomasa húmeda. Si a esta mezcla se agregan 75 g de una mezcla de solvente, la concentración de solvente en la mezcla es (75/(75+60)) es de alrededor de 55% p/p de mezcla de solvente en la solución de mezcla de solvente-agua. Estos cálculos se pueden usar para obtener la relación de biomasa de solvente en cada etapa de extracción y para cada producto. Unos pocos ejemplos no taxativos de conjuntos de solventes aparecen en la Tabla 3A y 3B.

Tabla 3A TABLA 3B La mezcla de extracción descrita en todos los ejemplos, está hecha de una fase sustancialmente sólida y una fase sustancialmente líquida. Estas fases se separan luego de la extracción. Esto puede ser seguido luego por remoción del solvente líquido de la fase líquida, proporcionando un producto de extracción. En algunas modalidades, el solvente se evapora. En tal implementación, se puede usar una técnica de extracción líquido-líquido para reducir la cantidad de solvente que necesita evaporase. Cualquiera de los solventes usados se puede reciclar si las condiciones lo permiten.

Se teorizó que el tratamiento de la biomasa de algas antes de la extracción mejoraría la productividad y eficacia de la extracción de lípidos. En este sentido se realizó un experimento que compara el efecto de agregar una base u otro solvente orgánico a una biomasa de algas para cambiar las propiedades de superficie y mejorar la extracción. Se intentó una variedad de tratamientos incluyendo metanol acuoso, hidróxido de sodio acuoso y DMSO acuoso. Como muestra la FIG. 8, la adición de DMSO al 5% aumenta la recuperación de lípidos 3 veces. Estos pasos de extracción se pueden explotar para reducir drásticamente los pasos de extracción de metanol. Sin embargo, las soluciones usadas en los experimentos que anteceden pueden no ser ideales para usarse a mayores escalas debido al alto costo, viscosidad y capacidad de recuperar y reciclar DMSO.

La FIG. 9 es una gráfica que muestra el efecto de una extracción de metanol de ocho pasos sobre el rendimiento cumulativo de lípidos totales y la pureza del lípido neutro extraído. En esta modalidad, 112 gramos de biomasa húmeda (25.6% de peso seco) se extrajeron con 350 mL de metanol puro y se calentó durante 10 minutos a una potencia de irradiancia de 160 W en cada paso. Esto dio como resultado una temperatura de extracción de alrededor de 75 °C, que fue casi el punto de ebullición de la mezcla de extracción. Usando este proceso, se determinó que es posible obtener lípidos neutros altamente puros de aceite de algas una vez que se extrajo la mayoría de los lípidos polares. La FIG. 9 muestra que es posible aislar lípido neutro de alta pureza una vez que se extraen todos los lípidos polares. En este caso se logró un rendimiento de 5% de biomasa total con más de 90% de pureza de lípidos neutros en los pasos de extracción de metanol de 5 a 8. Además, debido al punto de ebullición de la mezcla de extracción, la mayoría del agua en la biomasa se extrae completamente en el primer paso de extracción, junto con carbohidratos, proteínas y metales.

La FIG. 10 muestra que la recuperación de lípidos se puede hacer más eficaz mediante el uso de etanol para extraer lípidos y proteínas de biomasa húmeda. Al usar etanol, se puede lograr una recuperación del 80% de lípidos totales en alrededor de 4 pasos en vez que los 9 generalmente necesarios al usar metanol . Este aumento en la recuperación se puede atribuir a una mayor solubilidad de lípidos en etariol en comparación con metanol. Además, el punto de ebullición de etanol acuoso es mayor que metanol acuoso, facilitando más la recuperación de lípidos. Esto se debe a que la mayor temperatura hace que el aceite sea menos viscoso, mejorando así la difusibilidad. Otra ventaja marcada de este proceso es usar el etanol residual en la fracción de aceite para transesterificación así como disminuir la carga de calor de la operación de secado de biomasa.

Además, la FIG. 10 demuestra que las fracciones iniciales no son ricas en lípidos, contienen proteínas y otras moléculas altamente polares, seguido de las fracciones ricas en lípidos polares y finalmente las fracciones de lípidos neutros. Por lo tanto, con un diseño adecuado de aparato de extracción, se pueden recuperar los tres productos en un único proceso de extracción y fraccionamiento.

Otra modalidad de la presente invención utiliza microondas para ayudar a la extracción. En función de datos previamente recogidos descritos en la presente solicitud, se muestra que el metanol es el mejor solvente simple para la extracción de todos los lípidos de las algas. Por lo tanto, se realizó una extracción de múltiples pasos de solvente único, tal como se describe en el Ejemplo 1 de la presente solicitud, para recoger datos sobre la eficacia de un sistema de extracción de microondas de un solvente.

La FIG. 11 es una gráfica logarítmica que compara el tiempo de extracción y la recuperación de lípidos totales de extracción convencional y extracción asistida por microondas. En función de la pendiente de la curva, se calculó que el sistema de microondas reduce el tiempo de extracción en alrededor de cinco veces o más. Si bien los métodos convencionales tienen una mayor recuperación de lipidos netos, esto se debe a mayores recuperaciones de lipidos polares. En función de estos resultados, se han optimizado las condiciones para la extracción de biomasa de algas seca usando solventes con y sin asistencia de microondas . Algunas modalidades de la invención usan aparatos de microondas tradicionales, que emiten longitudes de onda que excitan las moléculas de agua. Otras modalidades de la invención utilizan aparatos de microondas personalizados capaces de excitar diferentes solventes. Aun otras modalidades de la invención utilizan aparatos de microondas personalizados capaces de excitar los lipidos presentes en la biomasa de algas. En algunas modalidades, los lipidos presentes en la biomasa de algas se excitan usando microondas, mejorando así la separación y extracción de los componentes lipidos de la biomasa de algas.

El contenido de humedad es otro parámetro de biomasa que influirá en la eficacia de extracción de aceite. En algunas modalidades de la presente invención, la masa de algas seca se extrae y fracciona. En otras modalidades, la masa de algas está húmeda. Se usaron muestras de biomasa con contenidos de masa de algas de 10%, 25% y 33% para investigar la influencia de la humedad sobre el desempeño de la extracción .

La FIG. 12A muestra un proceso ilustrativo 400 para una extracción por pasos de productos de una biomasa de algas. Todas las unidades en la FIG. 12A están en libras (.45 kg) . La FIG. 12A muestra un balance de masa del proceso 400, mientras que los detalles del equipo y/o sistemas para desempeñar el proceso se describen en otras partes de la presente. Una biomasa que contiene 5 libras (2 kg) de algas tiene alrededor de 0,63 libras (0.28 kg) de lípidos polares, 1.87 libras (0.85 kg) de lípidos neutros, 1 libra (0.45 kg) de proteína y 1.5 libras (0.68 kg) de carbohidratos. La biomasa y 1000 libras de agua se procesan en un paso de deshidratación 405, que separa 950 libras (430 kg) de agua de la mezcla y pasa 5 libras (2 kg) de algas en 45 libras (20 kg) de agua a un primer paso de extracción 410. Cualquiera de las técnicas de deshidratación descritas en la presente se puede usar en el paso de deshidratación 405. En el primer paso de extracción 410, se combinan 238 libras (107 kg) de etanol y 12 libras (5 kg) de agua con las algas y el agua del paso anterior. El primer paso de extracción 410 tiene una fase líquida de alrededor de 80.9% p/p de etanol. Se recupera una primera fase líquida de 231 libras (103.95 kg) de etanol, 53 libras (24 kg) de agua y 0.5 libras (0.23 kg) de proteínas de algas, de la cual se retira agua y etanol mediante, por ejemplo, evaporación, dejando un producto rico en proteínas 415. El solvente recuperado de la evaporación se puede reciclar al primer paso de extracción 410.

Una primera fase sólida del primer paso de extracción 410 se pasa a un segundo paso de extracción 420; esta primera fase sólida incluye 4.5 libras (2.04 kg) de algas, 2.6 libras (1.18 kg) de agua y 10.9 libras (4.94 kg) de etanol . Se agregaron ochenta y seis libras (39 kg) de etanol y 4 libras (1.81 kg) de agua a la primera fase sólida del paso anterior. El segundo paso de extracción 420 tiene una fase líquida de alrededor de 93.6% p/p de etanol. Se recupera una segunda fase líquida de 85.9 libras (38.96 kg) de etanol, 5.9 libras (2.67 kg) de agua y 0.6 libras (0.27 kg) de lípidos polares, de la cual se retira agua y etanol mediante, por ejemplo, evaporación, dejando un producto rico en lípidos polares 425. El solvente recuperado de la evaporación se puede reciclar al segundo paso de extracción 420.

Una segunda fase sólida del segundo paso de extracción 420 se pasa a un tercer paso de extracción 430; esta primera fase sólida incluye 3.9 libras (1.77 kg) de algas, 0.7 libras (0.32 kg) de agua y 11 libras (4.99 kg) de etanol. Se agregaron setenta encontrados y media libra (0.225 kg) de etanol y 3.5 libras (1.59 kg) de agua a la segunda fase sólida del paso anterior. El tercer paso de extracción 430 tiene una fase líquida de alrededor de 95.4% p/p de etanol. Se recupera una tercera fase líquida de 78.9 libras (35.79 kg) de etanol, 3.9 libras (1.77 kg) de agua y 1.6 libras (0.72 kg) de lípidos neutros, de la cual se retira agua y etanol mediante, por ejemplo, evaporación, dejando un producto rico en lípidos neutros 435. Los solventes recuperados de la evaporación se pueden reciclar al segundo paso de extracción 430. Permanece una fase sólida de 2.3 libras (1.04 kg) de algas, 0.3 libras (0.14 kg) de agua y 6.6 libras (2.99 kg) de etanol.

Tal como se muestra en la FIG. 12A, el perfil de lípidos resultantes con cada paso de extracción de etanol posterior se vio influenciado en gran medida por el contenido de humedad en las algas de partida. Se ejecutaron modelos del proceso 400 en tres colecciones de biomasa diferentes, teniendo cada una un contenido de agua inicial diferente. Como el contenido inicial de agua disminuyó, el paso de recuperación máxima de lípidos cambió del tercer paso de extracción a un cuarto (no se muestra) . Sin embargo, la recuperación global de lípidos de estas tres muestras de biomasa fueron bastante similares, todas por encima de 95% del contenido de lípidos totales de la biomasa de algas.

Cuando se usó una masa de algas con un mayor contenido de humedad, la concentración de etanol en la mezcla de etanol acuoso fue mucho menor y por consiguiente el porcentaje de lípidos neutros en el extracto bruto también fue menor. Se informó que la deshidratación de pasta de algas con 90% de agua es un proceso de gran consumo de energía. Los métodos descritos en la presente se pueden usar inesperadamente para extraer y fraccionar exitosamente una masa de algas que contiene principalmente agua. Debido a que la recuperación global de lípidos no se vio significativamente influenciada por comenzar con una pasta de algas que contiene 90% de agua (10% de sólidos de algas) , a diferencia de los métodos de extracción convencionales, los métodos descritos en la presente no requieren el uso de un paso de secado de gran consumo de energía .

La FIG. 12B muestra una implementación ilustrativa 500 de uno de los pasos de extracción del proceso 400. Una mezcla de solvente y biomasa de algas 505 se proporciona a un recipiente de extracción 510. Luego de que se extraen las algas (como se describe en otra parte en la presente) , la mezcla se proporciona a un sistema de filtración gruesa 515, tal como un filtro de tubo de metal sinterizado, que separa la mezcla en una fase líquida y una fase sólida. La fase sólida se pasa a un paso de extracción corriente abajo. La fase líquida se pasa a un sistema de remoción de solvente 520, por ejemplo, un evaporador, para reducir el contenido de solvente (por ejemplo, etanol) en la fase líquida. La fase líquida que permanece después de la remoción de solvente se pasa, opcionalmente , a una centrífuga 525. Cualquier sólido que permanezca en el sistema de remoción de solvente se recicla o descarta. La centrífuga 525 ayuda a la separación del producto de algas deseado (por ejemplo, proteínas o lípidos) de cualquier agua y/o sólido restante en la fase líquida .

La FIG. 14 muestra un ejemplo de un proceso 600 por el cual una masa de algas se puede procesar para formar o recuperar uno o más productos de algas. En este ejemplo, se extrae una biomasa de algas en pasos en un proceso delantero 605 usando los métodos descritos en la presente. Los pasos de extracción y separación son seguidos por un proceso de esterificación 610, un proceso de hidrólisis 615, un proceso de reacción con hidrógeno 620 y/o un proceso de destilación 625 para aislar más los componentes y productos. Los componentes y productos incluyen lípidos de algas, proteínas de algas, glicerina, carotenoides , nutracéuticos (por ejemplo, aceites y/o ésteres no saturados de cadena larga), ésteres de combustible (generalmente, los ésteres que tienen longitudes de cadena de C20 o más cortas) , combustibles, aditivos de combustible, nafta y/o sustitutos de petróleo líquido. En modalidades preferidas, los ésteres de combustible son longitudes de cadena de C16. En otras, los ésteres de combustible son longitudes de cadena de C18. En aun otras modalidades, los ésteres de combustible son una mezcla de longitudes de cadena, de C20 o más cortas.

El proceso de esterificación 610, proceso de hidrólisis 615, proceso de reacción con hidrógeno 620 y proceso de destilación 625 son opcionales y se pueden usar en cualquier orden. Las flechas con guiones y flechas con puntos indican algunas, pero no todas, las opciones para los casos en que se pueden realizar los procesos de hidrólisis, reacción con hidrógeno y/o destilación en el procesamiento de las fracciones de lípidos. Por ejemplo, en algunas modalidades de la invención, luego de que se realiza la extracción y/o separación, la fracción de lípidos neutros se puede hacer reaccionar con hidrógeno directamente para hacer productos y/o aditivos de combustible. De manera alternativa, en otras modalidades, la fracción de lípidos neutros se puede pasar al proceso de esterificacion 610.

El proceso de esterificación 610 puede incluir métodos conocidos en la técnica, tales como catálisis de ácido/base y puede incluir transesterificación . Pese a que la catálisis base no se excluye para producir algunos productos, se prefiere la catálisis acida ya que esas técnicas evitan los jabones que se forman durante la catálisis base, que pueden complicar el procesamiento corriente abajo. También se pueden usar las técnicas de esterificación enzimáticas. La esterificación puede procesar material lípido sustancialmente puro (más de 75% de lípidos, tal como se usa en la presente) . Luego de la esterificación, se puede retirar el derivado de glicerina. Los lípidos esterificados pueden someterse luego a destilación molecular y/o no molecular (proceso 625) para separar los lípidos esterificados de diferentes longitudes de cadena, así como carotenoides presentes en la fracción de lipidos. Los lipidos esterificados se pueden pasar luego a proceso de reacción con hidrógeno 620 para generar combustible de reactor, biodiesel y otros productos de combustible. Se puede usar cualquier proceso de reacción con hidrógeno conocido en la técnica; tal proceso agrega hidrógeno a las moléculas de lipidos y retira moléculas de oxígeno. Los ejemplos de condiciones para hacer reaccionar con hidrógeno comprenden reaccionar los triglicéridos , ácidos grasos, ésteres de ácidos grasos con hidrógeno a alta presión en el intervalo de 600 psi (42.18 kg/cm2) y temperatura en el intervalo de 600 °F (315°C) . Los catalizadores usados comúnmente son NiMo o CoMo.

La reacción con hidrógeno de los ésteres de combustible en vez de los lipidos brutos tiene varias ventajas. Primero, el proceso de esterificación 610 reduce los niveles de ciertos compuestos de fósforo y metales presentes en aceites de algas. Estos materiales son venenos para los catalizadores típicamente usados en procesos de reacción con hidrógeno. Por lo tanto, la esterificación antes de la reacción con hidrógeno prolonga la vida del catalizador de reacción con hidrógeno. Además, la esterificación reduce el peso molecular de los compuestos que se están haciendo reaccionar con hidrógeno, mejorando así el rendimiento del proceso de reacción con hidrógeno 620. Aun más, es ventajoso retener los ésteres de combustible del proceso de destilación 625 para hacerlos reaccionar con hidrógeno en una forma vaporosa, ya que hacer esto reduce la energía necesaria para la reacción con hidrógeno.

En algunas modalidades de la invención, los lípidos de algas neutros se hacen reaccionar con hidrógeno directamente para convertir los lípidos en productos y aditivos de combustible. Sin embargo, en otras implementaciones los lípidos neutros se esterifican y separan en carotenoides, ésteres no saturados de cadena larga, ésteres de ácido eicosapentenoico (EPA) y/o ésteres de combustible mediante un proceso de destilación 625. El proceso de destilación 625 puede incluir destilación molecular así como cualquiera de las técnicas de destilación conocidas en la técnica. Por ejemplo, los destilados se pueden fraccionar usando una columna de destilación simple para separar los ácidos grasos de cadena inferior para refinado. Los ácidos grasos insaturados de cadena larga permanecen como residuo de alta ebullición en la columna. En algunas modalidades, el vapor restante se puede enviar al proceso de reacción con hidrógeno. Dos de las ventajas de la presente invención son que proporciona alimentación pura así como un producto de vapor, que favorece la reacción con hidrógeno de gran consumo de energía, como se describe anteriormente.

En algunas modalidades de la invención, los lípidos polares (y, opcionalmente, los lípidos neutros) se hidrolizan en un proceso de hidrólisis 615 antes de pasarlos al proceso de esterificación . Hacer esto separa los ácidos grasos de los lípidos de algas y permite que una mayor cantidad de los lípidos de algas se formen en productos útiles.

La FIG. 15 es un diagrama de flujo que muestra un proceso 700 para producir productos nutracéuticos a partir de lípidos neutros. En una implementación del proceso 700, los lípidos neutros se alimentan a un proceso de adsorción 705 que separa los carotenoides del aceite rico en EPA. Los lípidos neutros pueden ser de una fuente de algas generada por cualquiera de las técnicas de extracción selectiva descritas en la presente. Sin embargo, los lípidos neutros pueden ser de otras fuentes, tales como fuentes vegetales.

El proceso de adsorción 705 incluye poner en contacto los lípidos neutros con un adsorbente para adsorber los carotenoides, tales como beta caroteno y xantofilas. En una implementación, el adsorbente es Diaion HP20SS (comercialmente disponible en ITOCHU Chemicals America, Inc.). Los lípidos neutros pueden entrar en contacto con el adsorbente en un proceso tipo lote, donde el lípido neutro y el adsorbente se mantienen en un recipiente durante un período de tiempo seleccionado. Luego del tiempo de contacto, el absorbente y líquido se separan usando técnicas conocidas en la técnica. En otras implementaciones , el adsorbente se mantiene en un lecho adsorbente y los lípidos neutros se pasan a través del lecho adsorbente. Al pasar a través del lecho adsorbente, el contenido de carotenoides de los lípidos neutros se reduce, produciendo así un aceite rico en EPA.

Los carotenoides se pueden recuperar del material adsorbente tratando el adsorbente con un solvente apropiado, incluyendo, de modo no taxativo, alcoholes tales como etanol, alcohol isopropílico, butanol, ásteres tales como acetato de etilo o acetato de butilo, alcanos tales como hexano y pentano.

La FIG. 16 es un diagrama de flujo que muestra un proceso 800 para producir productos de combustible 830 a partir de lípidos neutros 805. Los lípidos neutros pueden ser de una fuente de algas generada por cualquiera de las técnicas de extracción selectiva descritas en la presente. Sin embargo, los lípidos neutros pueden ser de otras fuentes, tales como fuentes vegetales. Los lípidos neutros se tratan en un proceso de desgomado 810, donde los lípidos se lavan con ácido para reducir los niveles de metales y fosfolípidos en los lípidos neutros. En algunas implementaciones , una solución relativamente diluida de ácido fosfórico se agrega a los lípidos neutros y la mezcla se calienta y agita. Los fosfolípidos y metales precipitados se separan luego del aceite restante, por ejemplo, por centri ugación.

El aceite tratado se pasa luego a un proceso blanqueador 815 para retirar clorofila y otros compuestos de color. En algunas implementaciones , el proceso de blanqueo 815 incluye poner en contacto el aceite con arcilla y otro material adsorbente tal como arcilla de blanqueo (es decir, bentonita o tierra de batanero) , que reducen los niveles de clorofilas y otros compuestos de color en el aceite. El aceite tratado se pasa luego al proceso de reacción con hidrógeno 820, que hidrogena y desoxigena los componentes del aceite para formar productos de combustible, por ejemplo, mezclas de combustible de reactor, aditivo de combustible diesel y propano. Además, el proceso de reacción con hidrógeno 820 también provoca un poco de craqueo y la creación de compuestos de cadena más pequeña, tal como LPG y nafta. Cualquiera de los procesos de reacción con hidrógeno descritos en la presente se puede usar para el proceso de reacción con hidrógeno 820.

La mezcla de compuestos creados en el proceso de reacción con hidrógeno 820 se pasa a un proceso de destilación 825 para separarlos en varios productos de combustible 830. El proceso de destilación 825 puede incluir cualquiera de las técnicas de destilación molecular y no molecular descritas en la presente o conocidas en la técnica para la separación de compuestos de combustible.

En algunas modalidades de la presente invención, las proteínas se pueden extraer selectivamente de una biomasa de algas. La extracción de proteínas usando los métodos descritos ofrece muchas ventajas. En particular, las células de algas no necesitan lisarse antes de extraer las proteínas deseadas. Esto simplifica y reduce los costos de extracción. Los métodos de la presente invención explotan los perfiles de solubilidad de diferentes clases de proteínas para extraerlas y fraccionarlas selectivamente de un cultivo de algas, biomasa, pasta o torta.

Por ejemplo, una biomasa de algas se puede someter a calentamiento y mezcla para extraer proteínas solubles en agua y sal denominadas albúminas y globulinas. Esta mezcla se puede someter luego a un cambio en el pH para recuperar las proteínas alcalisolubles denominadas glutelinas. Este paso puede ser seguido luego por una separación basada en solvente de las proteínas solubles en alcohol denominadas prolaminas. La biomasa restante sería rica en carbohidratos y lípidos.

Las proteínas se pueden extraer de células de algas tanto de agua salada como de agua dulce, como se muestra en las FIG. 17 y 18. La presencia de sal en el cultivo de algas de agua salada o biomasa afecta la extracción de diferentes clases de proteínas, pero los métodos descritos en la presente permiten extraer selectivamente proteínas de algas ya sea de agua dulce como salada.

En algunas modalidades, la extracción de proteínas de células de algas de agua dulce se logra mediante un proceso novedoso que se muestra en la FIG. 17. Las células de algas de agua dulce o una biomasa de algas de agua dulce se calienta y mezcla. La mezcla se puede lograr mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, tales como, de modo no taxativo, mezclado, agitación y batido. Este proceso genera una primera mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una primera fase básicamente líquida y una primera fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se separan. La separación se puede lograr mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, incluyendo, de modo no taxativo, centrifugación, decantación, flotación, sedimentación y filtración. Esta primera fase básicamente líquida está enriquecida en proteínas de albúmina .

Luego, la primera fase básicamente sólida se mezcla con agua salada y se calienta para generar una segunda mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una segunda fase básicamente líquida y una segunda fase básicamente sólida. El agua salada puede ser agua de mar natural o puede ser una solución salada acuosa. En general, un ejemplo de la solución comprendería alrededor de 35 g/L, compuestos principalmente por NaCl . Luego, las fases sólidas y líquidas se separan. Esta segunda fase básicamente líquida está enriquecida en proteínas de globulina.

Luego, la segunda fase básicamente sólida se mezcla con agua y se calienta para generar una tercera mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una tercera fase básicamente líquida y una tercera fase básicamente sólida. Luego, el pH de esta tercera mezcla o suspensión de extracción se aumenta hasta alrededor de 9 o más, enriqueciendo la tercera fase básicamente líquida con proteínas de glutelina. Luego, las fases sólidas y líquidas se separan, la tercera fase básicamente líquida enriquecida en proteínas de glutelina.

Luego, la tercera fase básicamente sólida se mezcla con un conjunto de solventes y se calienta para generar una cuarta mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una cuarta fase básicamente líquida y una cuarta fase básicamente sólida. En una modalidad preferida, el conjunto de solventes comprende etanol . En otras modalidades no taxativas, el conjunto de solventes comprende uno o más de los siguientes solventes: metanol, isopropanol, acetona, acetato de etilo y acetonitrilo . Luego, las fases sólidas y líquidas se separan. Esta cuarta fase básicamente líquida está enriquecida en proteínas de prolamina. La cuarta fase básicamente sólida restante se puede enriquecer en lípidos, dependiendo de la composición de la biomasa de algas inicial.

En algunas modalidades, la extracción de proteínas de células de algas de agua salada se logra mediante el proceso novedoso que se muestra en la FIG. 18. Las células de algas de agua salada o una bioraasa de algas de agua salada se calientan y mezclan. La mezcla se puede lograr mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, tales como, de modo no taxativo, mezclado, agitación y batido. Este proceso genera una primera mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una primera fase básicamente líquida y una primera fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se separan. La separación se puede lograr mediante una variedad de métodos conocidos en la técnica, incluyendo, de modo no taxativo, centrifugación, decantación, flotación, sedimentación y filtración. Esta primera fase básicamente líquida está enriquecida en proteínas de globulina .

Luego, la primera fase básicamente sólida se mezcla con agua y se calienta para generar una segunda mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una segunda fase básicamente líquida y una segunda fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se separan. Esta segunda fase básicamente líquida está enriquecida en proteínas de albúmina.

Luego, la segunda fase básicamente sólida se mezcla con agua y se calienta para generar una tercera mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una tercera fase básicamente líquida y una tercera fase básicamente sólida. Luego, el pH de esta tercera mezcla o suspensión de extracción se aumenta hasta alrededor de pH 9 o más, enriqueciendo la tercera fase básicamente líquida con proteínas de glutelina. Luego, las fases sólidas y líquidas se separan, la tercera fase básicamente líquida enriquecida en proteínas de glutelina.

Los métodos descritos también proporcionan la extracción selectiva de distintos tipos de proteínas, como se muestra en las FIGS . 17-20. Cualquiera de los pasos del proceso de extracción mencionado anteriormente se puede realizar por separado del resto de los pasos para extraer selectivamente un único producto de proteína. Dos ejemplos de esto aparecen en las FIG. 17 y 18, como se demuestra en el cuadro punteado alrededor del paso de extracción la.

En un ejemplo no taxativo, las proteínas de globulina se pueden extraer selectivamente a partir de una biomasa de algas de agua dulce mezclando la biomasa con agua salada y calentándola para generar una mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una fase básicamente líquida y una fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se pueden separar. La fase líquida está enriquecida en proteínas de globulina. Ver FIG. 17, paso de extracción la.

En otro ejemplo no taxativo, las proteínas de albúmina se pueden extraer selectivamente a partir de una biomasa de algas de agua salada mezclando la biomasa con agua y calentándola para generar una mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una fase básicamente líquida y una fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se pueden separar. La fase líquida está enriquecida en proteínas de globulina. Ver FIG. 18, paso de extracción la.

En un ejemplo adicional no taxativo, las proteínas de prolamina se pueden extraer selectivamente de una biomasa de algas de agua dulce o agua salada, como se muestra en la FIG. 19. La extracción selectiva se logra mezclando la biomasa de algas con un conjunto de solventes y calentándola para generar una mezcla o suspensión de extracción calentada, compuesta por una fase básicamente líquida y una fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se pueden separar. La fase líquida está enriquecida en proteínas de prolamina.

En aun otro ejemplo no taxativo, una fracción de proteínas se puede extraer selectivamente de una biomasa de algas de agua dulce o agua salada, como se muestra en la FIG. 20. La extracción selectiva se logra mezclando la biomasa de algas con un conjunto de solventes para generar una mezcla o suspensión de extracción, y efectuando un cambio de pH de la mezcla. La mezcla está compuesta por una fase básicamente líquida y una fase básicamente sólida. Luego, las fases sólidas y líquidas se pueden separar. La fase líquida está enriquecida en proteínas.

La FIG. 22 es un esquema de un ejemplo de sistema de extracción para la extracción de proteínas por un sistema de solventes único (anfipático) . El ejemplo de sistema comprende un cultivo de algas (2201) , que se puede bombear directamente o almacenar en un tanque de retención, una centrífuga (2202) , un extractor (2203) , un filtro de separación de sólidos (2204) , un calentador (2205) , un sistema de recuperación de solventes (2206) y un enfriador (2207) . Las bombas (2213) ayudan a mover el producto de cada paso al siguiente paso.

La FIG. 23 muestra un ejemplo de sistema para extraer proteínas y lípidos polares de una biomasa húmeda de algas, de acuerdo con un ejemplo de modalidad. El ejemplo de sistema comprende un cultivo de algas, que se puede bombear directamente o almacenar en un tanque de retención (2301) , una centrífuga (2302), un extractor (2303), un decantador (2304) , un calentador (2305) , un sistema de recuperación de solventes (2306) , un enfriador (2307) , un tanque de retención (2308) , un separador de sólidos (2309) , un segundo calentador (2310) , un sistema de recuperación de solventes (2311) y un segundo enfriador (2312) . Las bombas (2313) ayudan a mover el producto de cada paso al siguiente paso.

El cultivo de algas, que se puede bombear directamente o almacenar en un tanque de retención (2301) se centrifuga (2302) para obtener una pasta concentrada que se bombea a un extractor (2303) . La unidad centrifugadora (2302) se puede reemplazar por un separador de sólidos, tal como un sistema de membrana o una unidad de flotación de aire disuelto o una unidad de sedimentación de floculación, o similares. Se agrega una mezcla de solventes antipáticos e hidrofóbicos al extractor. El extractor mezcla y calienta la solución durante un período establecido y por debajo del punto de ebullición de la mezcla de solventes. El calentamiento se puede lograr con varios métodos, tales como calentamiento con microondas, agua, vapor, aceite caliente o electricidad. La extracción se puede realizar a presión atmosférica o en condiciones presurizadas para mejorar la eficacia de la extracción .

Luego, el extracto se bombea en un decantador para separar las fases más livianas y más pesadas. Este paso también se puede realizar usando filtración de membrana o mediante centrifugación. Las fase más liviana comprende el solvente hidrofóbico y los lípidos polares. La fase más pesada comprende un solvente antipático, agua y algas. La capa hidrofóbica se bombea a través de un calentador (2305) y en un sistema de recuperación de solventes (2306) . Los vapores se pasan a través de un enfriador (2307) y se recuperan para reciclarse. El residuo es un concentrado que comprende en su mayoría lípidos polares. La fase más pesada se recoge en un tanque de retención (2308) y se bombea a través de un separador de líquidos y sólidos (2309) . Los sólidos comprenden la biomasa de algas extraídas que se pueden extraer o secar adicionalmente . La parte líquida se pasa a través de un segundo calentador (2310) y en un segundo sistema de recuperación de solventes (2311) . Los vapores de este sistema se pasan a través de un segundo enfriador (2312) para recuperar y reciclar el solvente anfipático. El agua y las proteínas forman el residuo en la unidad de recuperación de solventes .

La FIG. 24 es un esquema de un ejemplo de esquema de extracción para la extracción de lípidos neutros y proteínas por un sistema de dos solventes (anfipático/hidrofóbico) . El ejemplo de sistema comprende un cultivo de algas (2401) , que se puede bombear directamente o almacenar en un tanque de retención, una centrífuga (2402) , un extractor (2403) , un decantador (2404), un calentador (2405), un sistema de recuperación de solventes (2406) , un enfriador (2407) , un tanque de retención (2408) , un separador de líquidos y sólidos (2409) , un segundo calentador (2410) , un segundo sistema de recuperación de solventes (2411) y un segundo enfriador (2412) . Las bombas (2413) ayudan a mover el producto de cada paso al siguiente paso.

La FIG. 25 es un esquema de un ejemplo de sistema para extraer proteínas, lípidos polares y lípidos neutros de una biomasa húmeda de algas, de acuerdo con un ejemplo de modalidad. El ejemplo de sistema comprende un cultivo de algas (2501) , que se puede bombear directamente o almacenar en un tanque de retención, una centrífuga (2502) , un extractor (2503), un decantador (2504), un calentador (2505), un sistema de recuperación de solventes (2506) , un enfriador (2507) , un tanque de retención (2508) , un separador de líquidos y sólidos (2509) , un segundo calentador (2510) , un segundo sistema de recuperación de solventes (2511) y un segundo enfriador (2512) .

El cultivo de algas (2501) se centrifuga (2502) para obtener una pasta concentrada que se bombea a un extractor (2503) . La unidad centrifugadora (2502) se puede reemplazar por un separador de sólidos, tal como un sistema de membrana o una unidad de flotación de aire disuelto o una unidad de sedimentación de floculación, o similares. Se agrega una mezcla de solvente antipático e hidrofóbico al extractor. El extractor mezcla y calienta la solución durante un período establecido y por debajo del punto de ebullición de la mezcla de solventes . El calentamiento se puede lograr con varios métodos, tales como calentamiento con microondas, agua, vapor, aceite caliente o electricidad. La extracción se puede realizar a presión atmosférica o en condiciones presurizadas para mejorar la eficacia de la extracción. Luego, el extracto se bombea en un decantador para separar las fases más ligeras y más pesadas. Este paso también se puede realizar usando filtración de membrana o mediante centrifugación.

La fase más ligera comprende el solvente hidrofóbico y los lípidos polares. La fase más pesada comprende un solvente antipático, agua y algas. La capa hidrofóbica se bombea a través de un calentador (2505) y en un sistema de recuperación de solventes (2506) . Los vapores se pasan a través de un enfriador (2507) y se recuperan para reciclarse. El residuo es un concentrado que comprende la mayoría de los lípidos polares. La fase más pesada se recoge en un tanque de retención (2508) y se bombea a través de un separador de líquidos y sólidos (2509) . Los sólidos comprenden la biomasa de algas extraída que se puede extraer o secar adicionalmente . La parte líquida se pasa a través de un segundo calentador (2510) y en un segundo sistema de recuperación de solventes (2511) . Los vapores de esta unidad se pasan a través de un segundo enfriador (2512) para recuperar y reciclar el solvente antipático. El agua y las proteínas forman el residuo en la unidad de recuperación de solventes. Los sólidos extraídos del separador de sólidos y líquidos (2509) además se extraen nuevamente con una relación de solvente antipático a agua en el sistema en el segundo extractor (2518) . Se agrega una segunda mezcla de solventes antipáticos e hidrofóbicos al segundo extractor. El segundo extractor mezcla y calienta la solución durante un período establecido y por debajo del punto de ebullición de la segunda mezcla de solventes. Luego, el segundo extracto se bombea en un segundo decantador (2519) para separar las fases más ligeras y más pesadas. La fase más ligera comprende el solvente hidrofóbico y los lípidos neutros. La fase más pesada comprende un solvente antipático, agua y algas. La capa hidrofóbica se bombea a través de un calentador (2520) y en un sistema de recuperación de solventes (2521) . Los vapores se pasan a través de un enfriador (2522) y se recuperan para reciclarse. El residuo es un concentrado que comprende la mayoría de los lípidos neutros. La fase más pesada se recicla al extractor (2518) o se seca. Las bombas (2513) ayudan a mover el producto de cada paso al siguiente paso .

La FIG. 26 es un esquema que demuestra el concepto de extracción de etanol . Debido a que la cantidad de etanol cambia en proporción a la cantidad de agua y solvente hidrofóbico en el sistema, se pueden extraer selectivamente distintos componentes.

Habiéndose informado sobre estos aspectos de la invención, un experto en la técnica podría extraer selectivamente un lípido polar o proteína deseado/a de una biomasa de algas de agua dulce o agua salada mediante un proceso de extracción de un único paso, o un proceso de extracción de múltiples pasos. Con referencia a la presente descripción, un experto en la técnica podría intercambiar el orden de los esquemas de extracción de múltiples pasos descritos anteriormente, siempre que se tome en cuenta el contenido de proteínas de la masa de algas y las propiedades de solubilidad de las proteínas de interés. Otras modalidades de los métodos descritos pueden incorporar un paso de lavado entre cada paso de extracción.

Para cualquiera de los métodos de extracción de proteínas descritos, la mezcla/suspensión de extracción se puede mantener a una temperatura calentada durante un período de tiempo. En algunas modalidades, la mezcla de extracción se mantiene a una temperatura calentada de entre alrededor de 20 minutos y alrededor de 90 minutos. En algunos aspectos, la mezcla de extracción se mantiene a una temperatura calentada de entre alrededor de 20 minutos y alrededor de 60 minutos. En otros aspectos, la mezcla de extracción se mantiene a una temperatura calentada de entre alrededor de 45 minutos y alrededor de 90 minutos.

En algunas modalidades, la mezcla/suspensión de extracción se puede calentar a temperaturas inferiores a alrededor de 50 °C. En algunos aspectos, las proteínas de albúmina, globulina y glutelina se extraen a temperaturas inferiores a alrededor de 50 °C. En otras modalidades, la mezcla/suspensión de extracción se calienta a una temperatura cercana al punto de ebullición de la mezcla/suspensión de extracción. En algunos aspectos, las proteínas de prolamina se extraen a temperaturas cercanas al punto de ebullición de la mezcla/suspensión de extracción. En otras modalidades, la presión aumenta por encima de la presión atmosférica, hasta e incluyendo, 50 psi (3.51 kg/cm2) , durante los pasos de calentamiento y mezcla para mejorar la extracción.

La vida útil de una biomasa de algas puede aumentar mediante la remoción de agua intersticial y extracelula . Esto da como resultado menos crecimiento microbiano y contaminación de la biomasa durante un período de tiempo. Esto se puede lograr mezclando un solvente antipático con un cultivo o biomasa de algas en condiciones no calentadas. No se extraen productos mediante este proceso, pero el agua se retira de la biomasa o cultivo y se reemplaza con el solvente. En algunas modalidades, el solvente reemplaza el 50-90% del agua en el cultivo o biomasa de algas. En algunas modalidades, el solvente antipático es etanol, acetona, metanol, isopropanol, butanona, dimetiléter y propionaldehído . 2 -propanol, acetonitrilo, alcohol t-butílico, 1-propanol, agua, (D20) pesado, etilenglicol , glicerina o una combinación de estos. En algunas modalidades, el solvente antipático es etanol desnaturalizado con isopropanol. En otras modalidades, el solvente es isopropanol. En aun otras modalidades, el solvente es acuoso. En aun otras modalidades, la remoción de agua intersticial y extracelular se realiza en condiciones enfriadas. La reducción del contenido de agua en el material provoca una mejor vida útil.

Ejemplo 1 Las microalgas verdes Scendesmus dimorphus (SO) se cultivaron en fotobiorreactores de panel exterior. Se cosecharon muestras de SD de diverso contenido lipídico. Luego de la remoción del agua a granel mediante centrifugación, las muestras de algas se almacenaron como tortas de algas de 3-5 cm a -80 °C hasta su uso. Se agregó una cantidad precalculada de biomasa húmeda de algas (15 gramos de peso de algas secas equivalente) y 90 mL de solvente de etanol en un matraz de tres cuellos equipado con un condensador, agitación mecánica y un termopar. En un experimento, la mezcla se sometió a reflujo durante 10 min con irradiación de microondas. En un segundo experimento, la mezcla se sometió a reflujo durante 1 hora con calentamiento electrónico. Luego, la mezcla se enfrió hasta la temperatura ambiente y se separó en una parte difundida y una retenida mediante filtración.

Los lípidos totales de muestras de algas se analizaron usando un sistema de cloroformo-metanol -agua de acuerdo con el método de extracción de lípidos de Bligh-Dyer. Este valor de lípidos totales se usó como referencia para el cálculo de recuperación de lípidos. Los lípidos totales se separaron adicionalmente en lípidos neutros y lípidos polares mediante un método de cromatografía en columna estándar usando un gel de sílice de 60-200 de malla (Merck Corp., Alemania) . Cada fracción lipídica se transfirió a un recipiente previamente pesado, se evaporó inicialmente a 30 °C usando un evaporador giratorio (Büchi, Suiza) y luego se secó a alto vacío. Las partes retenidas secas se colocaron en nitrógeno y luego se pesaron. El perfil de ácidos grasos de cada muestra se cuantificó mediante GC-MS luego de la derivatización en metil ásteres de ácidos grasos usando ácido heptadecanoico (C17:0) como el estándar interno.

Los resultados (no se muestran los datos) indicaron que la extracción asistida por microondas fue mejor para retirar los lípidos polares en el primer paso de extracción, y fue un poco menos eficaz para la separación de lípidos neutros. El calentamiento electrónico es más constante para la eficacia de la extracción. En rendimiento final se compara entre la extracción asistida por microondas y la extracción asistida por calentamiento electrónico, pero la extracción asistida por microondas es significativamente más rápida.

Ejemplo 2 Extracción de proteínas de la biomasa de algas (1) Lixiviación con ácido: La biomasa de algas se empapó en agua a pH 4.5 durante 1 hora. Luego, las muestras se centrifugan a 3000 rpm durante tres minutos, y el sobrenadante se retiró. Los sólidos restantes se lavaron 3 veces con ácido diluido (pH 4.5) y se liof ilizaron . (2) Extracción alcalina: La biomasa de algas se empapó en agua a pH 11 durante 1 hora luego de la adición de agua con pH ajustado. Luego, las muestras se centrifugan a 3000 rpm durante tres minutos, y el sobrenadante se retiró. El sobrenadante se neutralizó con ácido (pH 4.5) luego de la centrifugación. Los sólidos restantes se lavaron 3 veces con ácido diluido (pH 4.5) y se liof ilizaron.

Los resultados de lixiviación con ácido y extracción alcalina se muestran a continuación en la Tabla 4.

Tabla 4 Proceso Rendimiento de proteína Pureza de proteína (% peso) (% peso de Rendimiento de proteína) Extracción alcalina 16 45 Lixiviación con ácido 70 32.5 El rendimiento de proteína se calculó en base al peso, comparando el peso de los sólidos secos congelados con el peso de la biomasa de algas antes de empapar en agua con pH ajustado. La pureza de la proteína se determinó mediante el Official ethod of the American Oil Chemists 1 Society (Ba-2a-38) , midiendo la cantidad de nitrógeno en los sólidos liofilizados de cada proceso. Dado que las proteínas son un producto importante que aumenta el valor de extracción del producto de algas, esta información permite el uso de suministros con diversos niveles de proteína en los sistemas y métodos descritos en la presente.

E emplo 3 Extracción de proteínas de biomasa de algas de agua salada El cultivo de algas de agua salada inicialmente compuesto por alrededor de 1-10% p/p de sólidos en agua salada se calentó hasta 50 °C y se mantuvo a esta temperatura durante 1 hora. La suspensión resultante se centrifugó para separar la fase líquida de la fase sólida. Se determinó que el extracto líquido era rico en proteínas de globulina (alrededor de 10% de las proteínas totales presentes en la biomasa de algas originales) .

Luego, los sólidos se suspendieron en agua dulce y se calentaron a alrededor de 50 °C y se mantuvieron durante alrededor de 1 hora. La suspensión resultante se centrifugó nuevamente para separar la fase líquida de la fase sólida. Se determinó que la fase líquida era rica en proteínas de albúmina (alrededor de 10% de las proteínas totales presentes en la biomasa de algas originales) .

Luego, los sólidos se suspendieron en etanol para alcanzar una mezcla de 70% p/p. Esta mezcla se calentó a alrededor de 75 °C y se mantuvo a esta temperatura durante alrededor de 1 hora. La suspensión resultante se centrifugó para separar la fase líquida de la fase sólida. Se determinó que la fase líquida era rica en proteínas de albúmina (alrededor de 30% de las proteínas totales presentes en la biomasa original) .

Luego, los sólidos se suspendieron en solución alcalina (NaOH acuoso, pH 9) y se calentaron hasta alrededor de 50 °C y se mantuvieron a la temperatura durante alrededor de 1 hora. La suspensión resultante se centrifugó para separar la fase líquida de la fase sólida. Se determinó que la fase líquida era rica en proteínas de glutelina (alrededor de 50% de las proteínas totales presentes en la biomasa original) .

Ejemplo 4 Fraccionamiento y extracción por pasos de biomasa de algas mediante etanol Se cosecharon y deshidrataron mil libras de biomasa de Nannochloropsis (cultivada a partir de la cepa 202.0, obtenida de Arizona State University, Laboratory for Algae Research and Biotechnology, Número de Depósito de ATCC PTA-11048) , hasta que las algas comprendían alrededor de 35% p/p y finalmente se congelaron.

Los pasos de extracción se realizaron en una caldera revestida de 400 galones (1,514 litros) con tapas articuladas. Las tapas se ataron con correas y se sellaron con silicona. El sistema también contenía un mezclador con un motor a prueba de explosiones de 2 caballos de fuerza con un eje de dos paletas. El material de algas congeladas , se vació en el tanque y se bombeó un peso equivalente de etanol usando una bomba neumática de tambor. El material se agitó durante 15 minutos y el revestimiento se calentó con vapor para obtener la temperatura deseada en cada paso de extracción. La temperatura deseada es cercana, es decir, 3°C superior o inferior al punto de ebullición de la mezcla, pero no al punto de ebullición. La temperatura deseada es distinta en cada paso de extracción ya que el punto de ebullición de la mezcla cambia a medida que cambia la proporción de etanol.

Luego de alcanzar la temperatura deseada, el sistema se agitó y se mantuvo constantemente a la temperatura deseada durante 60 minutos para garantizar que los contenidos de la caldera se calentaron uniformemente.

Luego, los contenidos de la caldera se bombearon fuera del recipiente de extracción y en una centrífuga decantadora Sharples, usando una bomba de paletas Viking neumática a alrededor de 1 galón por minuto (227.12 litros por segundo). La velocidad del rotor de la centrífuga de decantación se ajustó a alrededor de 6000 rpm. Los sólidos se recogieron en un tambor plástico encerrado y consistían en alrededor de 50% p/p de sólidos a líquidos. Estos sólidos se devolvieron a la caldera, donde se repitieron los pasos de extracción mencionados anteriormente. La corriente de líquido del decantador se recogió en un tanque de suministro y luego se suministró al sistema de filtración de la membrana. La membrana utilizada fue una membrana de 0.375 pies cuadrados (348.39 cm2) SS fabricada por Graver Technologies. Las condiciones operativas fueron 60 °C ± 5 °C y con un gradiente de presión promedio de 40 psi (2.81 kg/cm2) . El sistema de membrana se retrolavó alrededor de cada 15 minutos con aire comprimido para mantener el flujo. El permeado recogido a partir del sistema de membrana no contenía ninguna materia particulada. La parte retenida se recogió y recicló al decantador.

Esta extracción y fraccionamiento se debe al cambio de la polaridad del solvente a través del proceso en cada extracción. En la extracción que se muestra en la FIG. 13, el proceso comenzó con alrededor de 1000 libras (453.59 kg) de biomasa húmeda de algas que contenía alrededor de 65% de agua pura (35% p/p de sólidos de algas) . Esto se mezcló con 860 libras (390.09 kg) de etanol desnaturalizado (95% de etanol y 5% de metanol) , dando como resultado una mezcla que contiene alrededor de 55% de etanol acuoso. Los sólidos y líquidos se separaron usando un decantador, como se describió anteriormente. La parte sólida húmeda pesó 525 libras (238.14 kg)y era una masa 40% seca. Un total de 525 libras (238.14 kg) de 95% de etanol desnaturalizado se agregaron a los sólidos, dando como resultado una mezcla compuesta por alrededor de 85% de etanol acuoso. Los sólidos y líquidos se separaron usando un decantador, como se describió anteriormente. La parte sólida pesaba 354.5 libras (160.80 kg) y era una masa 40% seca. A esta masa, se agregaron otras 700 libras (317.51 kg) de etanol desnaturalizado, dando como resultado una mezcla de alrededor de 95% de etanol acuoso. Los sólidos y líquidos se separaron usando un decantador, como se describió anteriormente. Los sólidos resultantes eran una masa alrededor de 40% seca. Esta biomasa requiere 60% menos energía para secar, calculado en función del calor latente de agua y etanol.

En algunos experimentos (no se muestran los datos) , se probaron otros tipos de etanol desnaturalizado. El etanol desnaturalizado que contenía 95% de etanol y 5% de alcohol isopropílico se usó en una extracción, pero se descubrió que no era tan eficaz como 95% de etanol y 5% de metanol . El uso de 100% de etanol es una modalidad preferida de la presente invención, pero en general no está disponible debido a las limitaciones de costos.

La corriente de permeado del sistema de membrana se evaporó usando un alambique por lote fabricado en el interior. Las condiciones operativas fueron de alrededor de 80 °C durante la destilación a vacío. Se evaporó todo el etanol en el permeado. Estos pasos de extracción se repitieron tres veces, dando como resultado cuatro conjuntos de producto, como se muestra en la FIG. 13. Esto se debe a que con cada paso de extracción, la polaridad cambió con la adición de agua a la mezcla, permitiendo la extracción de distintos componentes con cada paso. El Producto 1 contenía las proteínas de algas, · y como resultado, retuvo el exceso de agua en el sistema que no se pudo evaporar en las condiciones operativas. El Producto 2 contenía los lípidos polares. El Producto 3 contenía los lípidos neutros. Finalmente, el Producto 4 era la masa residual, que contenía los posibles subproductos, tales como carotenoides .

Ejemplo 5 Deshidratación y extracción de biomasa de algas mediante etanol Luego de la cosecha, la biomasa de algas en general contiene entre alrededor de 0.1 y 0.5 % (p/p) de sólidos. Esto se puede deshidratar usando cualquiera de los métodos conocidos en la industria de algas, incluyendo, de modo no taxativo, filtración de membrana, centrifugación, calentamiento, sedimentación o flotación. La floculación puede ayudar a la flotación o a la sedimentación. El resultado típico de los métodos es una suspensión de algas que contenía alrededor de 10% p/p de sólidos. Para deshidratarlo aun más, se puede usar otro método de deshidratación para retirar parte del agua libre restante para llevar la concentración de sólidos más cerca del 40% p/p. Sin embargo, el costo de la deshidratación aumenta de manera exponencial luego de realizar la primera deshidratación. Una ventaja de los sistemas y métodos descritos en la presente es que permite la extracción y fraccionamiento de una masa de algas que se ha sometido a una sola ronda de deshidratación.

Un ejemplo del proceso puede ser que en la primera ronda de extracción, siguiendo el protocolo descrito en el Ejemplo 3, 1000 libras (453.59 kg) de biomasa húmeda que contenían 90% de agua pura y se mezcla con 1000 libras de etanol desnaturalizado (95% de EtOH y 5% de MeOH) , dando como resultado una mezcla de solventes de alrededor de 50% de etanol acuoso. La biomasa resultante (350 libras (158.73 kg) ) es 40% seca. La composición de solventes de estos sólidos húmedos es 50% etanol acuoso. Con otras 350 libras (158.76 kg) de etanol desnaturalizado, la composición de la mezcla sería de alrededor de 81% de etanol acuoso. La biomasa resultante (235 libras (106.59 kg) ) es 40% seca. La composición de solventes de estos sólidos secos es 81% etanol acuoso. Con otras 470 libras (213.19 kg) de etanol desnaturalizado, la composición de la mezcla sería de alrededor de 95% de etanol acuoso. Los sólidos resultantes serían 40% secos con alrededor de 95% de etanol. Esta biomasa húmeda requiere 60% menos energía para secar, en función del calor latente de agua y etanol. En este caso, se podrían haber extraído 100 libras (45.36 kg) de algas usando 1820 libras (825.54 kg) de etanol. Cuando se compara con el Ejemplo 3, donde el material de partida era 40% de sólidos de algas, se extrajeron 350 libras (158.76 kg) de algas secas equivalentes con 2085 libras (945.74 kg) de etanol.

Referencias Las siguientes referencias se incorporan a la presente mediante esta referencia en su totalidad: Patente estadounidense 7,148,366 Rhodes, Science Progress, 92(l):39-90, 2009. Generic review on using algae to produce biodieselChisti, Y. (2007) . Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 25, 294-306. Generic review on using algae to produce biodiesel Amin, Energy Convers . Manage . , 50:1834-1840, 2009. Generic review on using algae to produce biofuel and gas Catchpole et ál . , J. of Supercritical Fluids, 47:591-597, 2009. SCF C02 based extraction of specialty lipids Bligh E G & Dyer J. "A rapid method of total lipid extraction and purification. " Can. J. Biochem. Physiol. 37: 911-917, 1959.

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Approved Methods of the AACC, 9th ed. , American Association of Cereal Chemists. St . Paul, MN, 1995 AACC Method 58-19.

Snyder, L.R. "Classification of the Solvent Properties of Common Liquids" Journal of Chromatography, 92(2) : 223-230 (mayo 1974) .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito al invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para separar lípidos polares de células de algas intactas, caracterizado porque comprende: proporcionar un cultivo de algas húmeda que comprende células de algas intactas que comprenden lípidos polares; deshidratar el cultivo de algas húmeda retirando el agua extracelular para aumentar el contenido de sólidos de cultivo de algas húmeda a entre alrededor de 5% p/p y alrededor de 50% p/p para que proporcione como resultado una biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada separada; mezclar la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada con un conjunto de solventes antipáticos, donde el peso del conjunto de solventes antipáticos es aproximadamente igual al peso de la biomasa de alga húmeda parcialmente deshidratada y un conjunto de solventes hidrofóbicos para generar una mezcla de extracción que comprende una fase más pesada y una fase más ligera, donde la fase más pesada comprende el conjunto de solventes antipáticos y la biomasa húmeda de algas parcialmente deshidratada que comprende células de algas intactas y la fase más ligera comprende el conjunto de solventes hidrofóbicos y los lipidos polares; separar la fase más pesada de la mezcla de extracción de la fase más ligera de la mezcla de extracción; y separar los lipidos polares de la fase más ligera para generar una fracción de lipidos polares.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la deshidratación se lleva a cabo por centrifugación, filtración, sedimentación o fraccionamiento de flotador.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de solventes alifáticos se agrega en una cantidad para ajustar el índice de polaridad de la mezcla de extracción entre alrededor de 6.5 y 6.7 antes de la adición del conjunto de solventes hidrofóbicos.

4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el conjunto de solventes hidrofóbicos se agrega en una cantidad para ajustar el índice de polaridad de la mezcla de extracción entre alrededor de 5.7 y 5.9 antes de la adición del conjunto de solventes antipáticos.

5. El método de conformidad con la reinvindicación 1, caracterizado porque el conjunto de solventes antipáticos es acetona, metanol, etanol, isopropanol, butanona, dimetiléter y propionaldehído . 2-propanol, acetonitrilo, alcohol t-butílico, 1-propanol, agua, (D20) pesado, etilenglicol , glicerina o una combinación de estos.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de solventes hidrofóbicos es propano, butano, pentano, buteno, propeno, nafta, un alcano, hexano, pentano, heptano, octano, un éster, acetato de etilo, acetato de butilo, una cetona, metil etil cetona, metil isobutil cetona, un aromático, tolueno, benceno, ciclohexano, tetrahidrofurano, un haloalcano, cloroformo, tricloroetileno, un éter, dietiléter, diesel, combustible de reactor, gasolina o una combinación de estos.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la separación de la fase más pesada de la fase más ligera incluye decantación, filtración de membrana o centrifugación.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la separación de los lípidos polares de la fase más ligera incluye la evaporación o la destilación.

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende la recuperación del conjunto de solvente hidrofóbico.

10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende adicionalmente la condensación y la recuperación del conjunto de solvente hidrofóbico.

11. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta.

12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta con microondas , agua, vapor, aceite caliente o electricidad.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta en un reactor presurizado.

14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el reactor presurizado es un reactor discontinuo o continuo.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta en microondas, agua, vapor, aceite caliente o electricidad.

16. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta a presión atmosférica.

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la mezcla de extracción se calienta en microondas, agua, vapor, aceite caliente o electricidad.