Способ извлечения липидов из биомассы
Владельцы патента RU 2388812:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН) (RU)
Изобретение относится к области биотехнологии. Способ заключается в извлечении из биомассы микроводоросли Chlorella липидной фракции. Осуществляют разрушение клеточных оболочек микроводоросли Chlorella в аппарате, создающем вихревое электромагнитное поле с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье. Подвергают полученную суспензию биомассы экстракции органическим растворителем с наложением импульсно-кавитационного воздействия в роторном импульсно-кавитационном аппарате. Способ позволяет получить липидную фракцию из биомассы микроводоросли с более высоким выходом 90% и использовать ее в дальнейшем в качестве сырья для биодизельного топлива. 4 табл.
Изобретение относится к расширению сырьевой базы альтернативных топлив, а также к переработке биомассы, содержащей, наряду с другими биологически активными веществами, простые и сложные липиды, точнее к извлечению из биомассы микроводоросли Chlorella липидной фракции в качестве сырья для получения компонентов биодизельного топлива, являющегося альтернативной заменой товарному нефтяному дизельному топливу.
Известен способ извлечения липидной фракции (растительного масла) из растительной биомассы, заключающийся в прессовании семян масличных растений [Паронян В.Х. Технология жиров и жирозаменителей. - М.: ДеЛи принт, 2006. - 760 с.]. Однако использование растительных масел для технических целей является нецелесообразным, так как они являются ценными продуктами питания. Кроме того, урожайность масличных культур сравнительно невелика, с одного гектара подсолнечника можно получить до 925 л масла (сырья для производства биотоплива), рапс дает 1190 л масла. Количество масла, которое могут дать некоторые виды водорослей, в том числе микроводоросли рода Chlorella, достигает 95000 л. Известен способ извлечения биологически активных веществ, который заключается в последовательной обработке биомассы Chlorella, позволяющий выделить из нее продукты липидной и белковой природы [Патент RU 2044770 C1, C12N 1/12, C12P 21/00, A23J 3/20, A23K 1/00, 1992]. Указанный способ включает в себя предварительную обработку водоросли органическим растворителем (смесь этанола и экстракционного бензина для получения максимального выхода липидно-пигментного комплекса), отделение комплекса, проведение ферментативного гидролиза обезжиренного остатка с последующим кипячением для дезактивации ферментов, отделение водной фазы, содержащей белковый гидролизат, и негидролизуемого остатка биомассы. Недостатком данного способа является отсутствие какого-либо метода разрушения плотной клеточной оболочки, препятствующей более глубокому извлечению липидной фракции. К основным способам разрушения клеточных стенок относят воздействие ультразвуковых колебаний, низких и высоких температур, осмотический шок, а также механическое разрушение клеток (растирание, измельчение, раздавливание, гомогенизация и др.). Механические и физические способы требуют большого расхода энергии [Патент RU 2256700 С1, C12N 1/12, A23K 1/00, A23J 3/20, C12H 1/00 // (C12N 1/12, C12R 1:89), 2004]. Ни один из этих методов не обеспечивает разрушения оболочек всех клеток микроводорослей рода Chlorella, находящихся под воздействием, так как в отличие от других видов микроводорослей они обладают (при минимальных размерах) очень прочными клеточными оболочками.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения комплекса биологически активных веществ путем разрушения сырья (оболочек клетки) двукратным замораживанием [Патент RU 2256700 С1, C12N 1/12, A23K 1/00, A23J 3/20, C12H 1/00 // (C12N 1/12, C12R 1:89), 2004].
Основными недостатками известного способа являются большой расход электроэнергии и получение целого комплекса соединений, включающего кроме липидов (жиров) еще и белки, углеводы, аминокислоты и т.п, что не позволяет использовать его как сырье для получения биодизельного топлива. Кроме того, на стадии экстракции предусматривается простое отстаивание, что не позволяет достичь большой глубины экстрагирования биологически активных веществ, в том числе липидов.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа извлечения липидной фракции с более высоким выходом из биомассы микроводоросли рода Chlorella с целью использования в дальнейшем для получения биодизельного топлива.
Решение поставленной задачи достигается тем, что биомассу микроводоросли Chlorella подвергают физическому воздействию в аппарате вихревого слоя АВС-100 с доработками, создающем вращающееся электромагнитное поле с хаотически движущимися ферромагнитными частицами, воздействующими на сырье, в результате чего происходит разрушение клеточных оболочек, при этом степень дробления клеточных оболочек достигает 99,8%. Используется индуктор с тремя обмотками (имеющими одинаковое число витков), оси которых взаимно сдвинуты на угол 120°. По обмоткам пропускают равные по значениям амплитуд, но сдвинутые на четверть периода (90°) синусоидальные токи, которые возбуждают в обмотках переменное электромагнитное поле. За время одного периода электромагнитное поле индуктора поворачивается на 360°: происходит непрерывное и равномерное изменение направления магнитного поля во времени. Скорость вращения магнитного поля во времени составляет 30 с-1 величина магнитной индукции 0,13 тесла. В качестве ферромагнитных частиц используются стальные цилиндры диаметром 1 мм и длиной 13 мм. Соотношение между ферромагнитными частицами и загружаемым материалом 3:5. Ферромагнитные частицы заключены в реакционной камере, ограниченной сетками, препятствующими их выходу при сливе суспензии биомассы. Полученная суспензия биомассы далее подвергается экстракции органическим растворителем (нефрас-С 2-70/85, хлороформ, четыреххлористый углерод) с наложением импульсно-кавитационного воздействия в роторном импульсно-кавитационном аппарате, принцип работы которого основан на нестационарности потоков вещества, энергии и импульса [Патент RU 2317142 C1, B01F 7/28, 2006]. Обрабатываемая жидкость при движении через аппарат подвергается многофакторному воздействию, заключающемуся в пульсациях давления и скорости ее потока, развитой турбулентности, интенсивной кавитации, пульсациях давления в локальных ее объемах. При прохождении суспензии сырья через каналы ротора и статора и рабочую камеру происходит эффективная экстракция липидной фракции.
Способ получения сырья осуществляется следующим образом. В качестве сырья используют биомассу микроводоросли рода Chlorella, полученную путем культивирования в питательной среде, обедненной азотом (содержание азота до 0,001 моль/л). Наиболее предпочтительными являются беспиреноидные виды Chlorella protothecoides и Chlorella minutissima, основным запасным продуктом которых являются липиды, содержание которых может достигать 68% (мас.) в клетке. Химический анализ липидных продуктов показал содержание следующих веществ: углеводороды - 0,04%, гликолипиды - 0,9%, свободные жирные кислоты - 1,06%. Основная составная часть липидной фракции (до 98%) представляет собой смесь триацилглицеринов высших алифатических кислот и фосфатов диацилглицеринов высших алифатических кислот, являющихся сырьем при производстве биодизельного топлива. Кислоты, входящие в состав три- и диацилглицеринов, были переведены в форму, удобную для хроматографирования. Хроматографический анализ позволил определить жирнокислотный состав липидной фракции. В соответствии с данными анализа глицерин этерифицирован, в основном, олеиновой, линолевой и стеариновой кислотами (табл.1).
| Таблица 1 | |
| Содержание кислот в липидно-пигментном комплексе | |
| Название кислоты | Содержание, % |
| Олеиновая кислота | 68,3 |
| Стеариновая кислота | 3,2 |
| Линолевая кислота | 25,1 |
| Линоленовая кислота | 1,3 |
| Арахидоновая кислота | 1,8 |
| Прочие кислоты | 0,3 |
При достижении плотности клеток 60-65 млн клеток в 1 мл Chlorella отделяют от жидкой фазы и направляют в аппарат для дробления. После дробления клеточных оболочек сырье подвергают экстракции в роторном импульсно-кавитационном аппарате. В качестве экстрагента используют органические растворители (нефрас-С 2-70/85, хлороформ, четыреххлористый углерод). Экстрагирующая способность перечисленных растворителей для исследуемой биомассы неодинакова.
Пример 1.
| Название | Масса, г | Выход, % |
| Биомасса | 100 | - |
| Нефрас-С 2-70/85 | 260 | - |
| Липидная фракция | - | 92 |
Пример 2.
| Название | Масса, г | Выход, % |
| Биомасса | 100 | - |
| Хлороформ | 260 | - |
| Липидная фракция | - | 87 |
Пример 3.
| Название | Масса, г | Выход, % |
| Биомасса | 100 | - |
| Четыреххлористый углерод | 260 | - |
| Липидная фракция | - | 85 |
При этом происходит экстрагирование, наряду с целевым продуктом (липидная фракция), незначительных количеств следующих соединений липидного характера: гликолипидов, углеводов и каротиноидов. В экстракт переходит 92% липидов, содержащихся в клетке. После окончания экстрагирования разделяют экстракт и обезжиренную биомассу, например, путем центрифугирования. Отделенный экстракт представляет собой раствор три- и диацилглицеринов в органическом растворителе, который после отгонки органического растворителя поступает в реактор, где осуществляется химический процесс синтеза компонентов биодизельного топлива. Выход липидов после отделения органического растворителя составляет 90%. Обезжиренная биомасса содержит смесь остатков оболочек и клеточного белка в легкоусваиваемой форме, которую можно использовать в качестве белковой кормовой добавки.
Предлагаемый способ получения сырья для биодизельного топлива позволяет максимально извлечь липидную фракцию из биомассы микроводорослей, что позволит получать альтернативное топливо из непищевого сырья.
Способ извлечения липидов из биомассы, предусматривающий разрушение клеточных оболочек микроводорослей рода Chlorella с последующей экстракцией липидной фракции, отличающийся тем, что разрушение клеточных оболочек осуществляют в вихревом электромагнитном поле ферромагнитными частицами, а экстрагирование липидной фракции проводят органическим растворителем с наложением импульсно-кавитационного воздействия.
