ACCIÓN 2.3: Extracción fraccionada de compuestos
mediante vía húmeda
Arkaute, 27/03/14
1. Objetivos generales
2. Descripción de las tareas realizadas
1. Obtener lípidos a partir de microalgas mediante la tecnología de fluidos subcríticos.
2. Desarrollar procesos de extracción verdes basados en el empleo de
la tecnología de fluidos subcríticos
3. Comparar la tecnología de extracción de fluidos subcríticos con la
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2.- Revisión de los trabajos realizados
Establecimiento de especificaciones iniciales, finales y cepas a estudiar para
la extracción de ácidos grasos.
Seleccionadas dos cepas Chlorella y Scenedesmus para los ensayos
.
Obtención de Biomasa para la puesta a punto del sistema.Ensayos de Extracción Subcrítica (SWE) realizados en planta experimental diseñada por Tecnalia
Establecimiento y puesta a punto de las metodologías de análisis
.
Muestra algal Extracción SWE (T, tR) Extracción SWE (T, tR) Separación S/L Separación S/L Lípidos en fase líquida (mg) Extracción manual L/L Extracción manual L/L Extracción Soxtec S/L Extracción Soxtec S/L Lípidos en fase sólida (mg) L íp id o s to ta le s (% )
Muestra algal Extracción SWE (T, tR) Extracción SWE (T, tR) Separación S/L Separación S/L Lípidos en fase líquida (mg) Extracción manual L/L Extracción manual L/L Extracción Soxtec S/L Extracción Soxtec S/L Lípidos en fase sólida (mg) L íp id o s to ta le s (% )
PRINCIPIO DE LA EXTRACCIÓN SWE
En esta técnica se utiliza agua a temperaturas entre 100 y 374 ºC y presiones entre 10 y 60 bares , para mantenerla en estado líquido. En estas condiciones, la constante dieléctrica del agua disminuye considerablemente, comparándola con la misma a temperatura ambiente y se acerca a la constante dieléctrica del etanol (solvente orgánico tradicional en extracción). Este método de extracción ha sido muy utilizado en microalgas por Herrero et al quienes obtuvieron compuestos antioxidantes de la microalga Spirulina platensis.
Herrero , M., Cifuentes A., Ibáñez, E. (2006). Sub- and supercritical fluid extraction of functional ingredients from different natural sources: plants, food-by-products, algae and microalgae: A review. Food Chemistry, 98, 1, 136-148.
Herrero , M., Ibáñez, E., Señoráns F.J, & Cifuentes A., (2003). Accelerated solvent extracts from Spirulina platensis microalgae:
determination of their antioxidant activity and analysis by Micellar Elektrokinetic Chromatography. Journal of Chromatography, 1047, 195-203.
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3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
FACTORES NIVELES - UNIDADES
Temperatura 175 – 225 ºC
Tiempo 60 – 120 min
Parámetros fijos Niveles de trabajo Especie de la microalga Chlorella
Presión en el reactor Autógena Biomasa alimentada 2% en base seca
RESPUESTAS UNIDADES
Rendimiento de extracción de
lípidos totales %
Rendimiento de extracción de
FAMEs %
PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL–MATRIZ DE EXPERIMENTOS Y RESULTADOS Ref. ensayo Variables diseño T (ºC) Tiempo (min) N1 175 60 N2 225 120 N3 200 90 N4 225 60 N5 175 120 N6 200 90 N7 200 90
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PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL: DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO.
Para la realización de los ensayos del diseño de experimentos se ha optado por
utilizar la configuración por lotes, que permite un mayor control de las variables del
proceso, como la temperatura, presión, cantidad de material procesado y velocidad
de agitación.
Los ensayos en batch se realizan con 200ml de solución algal al 2%, es decir, cuatro
gramos de alga en base seca en 200ml de agua. Para su preparación, se ha partido de
la muestra original enviado por CENER el 18/01/2013.
3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
Una vez que el reactor se encuentra cargado con la solución de algas y cerrado, se
inyecta una corriente de gas argón para eliminar la presencia de oxígeno y así evitar
la posible oxidación de lípidos durante el ensayo de extracción. A continuación se
ajusta la velocidad del motor de agitación a 1500rpm y se fija la temperatura a la que
se va a realizar el ensayo, siempre en función a lo dictado por el diseño de
experimentos. Finalizado el ajuste de parámetros, es posible comenzar el ensayo.
Transcurrido el tiempo fijado por el diseño de experimentos, se interrumpe el calentamiento y se procede a la refrigeración externa del reactor con una corriente controlada de aire. Una vez el reactor se encuentra a temperatura ambiente, se despresuriza y se abre. La solución pasa a un vaso de precipitados, donde se realiza una primera inspección visual.
Contenido en lípidos totales de la muestra inicial
Contenido en lípidos totales sobre materia seca según Bligh&Dyer
Fecha realización % Lípidos totales
21/01/13 13,0
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3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
Para una buena identificación de los ácidos orgánicos saponificables (FAMES) se procede a realizar la esterificación metílica del residuo, obteniéndose el siguiente perfil cromatográfico
Compuestos identificados Tiempos de
retención, min
Metil tetradecanoato C14:0 10,1
Metil éster ac. Hexadecanoico C16:0 11,4
Metil éster ac. Hexadecenoico C16:1 11,7
Metil éster ac. Hexadecadienoico C16:2 12,1
Metil éster ac. Hexadecatrienoico C16:3 12,7
Metil éster ac octadecanoico C18:0 12,9
Metil éster ac. Octadecenoico C18:1 13,2
Metil éster ac. Octadecadienoico C18:2 13,7
Metil éster ac. Octadecatrienoico C18:3 14,3
Metil éster ac. Eicosatetraenoico C20:4 19,9
Metil éster ac. Eicosapentaenoico C20:5 16,5
Compuestos identificados por GC/MS
ésteres totales (%) (referidos a alga seca)
BLIGH AND DYER 4,876
FAMES obtenidos del ensayo B&D
Referencia %Lípidos totales
Respuesta 1
Esteres totales (%) (referidos a biomasa seca) Respuesta 2 Rendimiento extracción lípidos totales (%) Rendimiento extracción FAMEs (%) N1 1,0 7,69 0,028 0,57 N2 6,5 50,00 0,038 0,78 N3 2,8 21,54 0,026 0,53 N4 6,7 51,54 0,060 1,23 N5 1,1 8,46 0,022 0,45 N6 4,1 31,54 0,032 0,66 N7 4,4 33,85 0,084 1,72
RESULTADOS ENSAYOS SWE
NOTA: Contenido lípidos potenciales = 13%; contenido FAMEs potenciales = 4.88%º
Condiciones
%Lípidos
Respuesta 1
Esteres totales Respuesta 2
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Respuesta 1
Rendimiento extracción lípidos totales = -58.24 + 0.002 • (Temperatura)2
Coeficiente de ajuste del 93.28%.
El máximo valor del rendimiento de extracción se consigue trabajando en el nivel más alto de
Temperatura dentro del intervalo estudiado, es decir a T= 225ºC y a cualquier tiempo de los estudiados
tiempo (min) Temperatura (ºC) R e n d im ie n to l ip id o s ( % )
Superficie de Respuesta Estimada
60 90 120 175 200 225 0 10 20 30 40 50 60 tiempo (min) T e m p e ra tu ra ( ºC )
Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada
60 90 120 175 200 225 Rendimiento lipidos 6,0 12,0 18,0 24,0 30,0 36,0 42,0 48,0 54,0
Superficies de respuesta estimada y curvas de nivel para el rendimiento de extracción en Chlorellapor SWE
PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL
Parámetros fijos Niveles de trabajo
Agitación del reactor Llenado del reactor
Cepa a tratar
Sí 40-60%
Scenedesmus
Estudio de la influencia de las diferentes variables de operación mediante la elaboración de un diseño de experimentos
Establecimiento de los factores experimentales, rangos de trabajo y parámetros fijos. Respuestas a modelizar en el estudio.
Temperatura (ºC)
150-300
Tiempo (min)
5-60
RESPUESTAS
Rendimiento extracción compuestos extraíbles (con respecto
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PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL–MATRIZ DE EXPERIMENTOS
3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
Ref. Ensayo Temperatura (ºC) Tiempo (min)
004412-SWE-Scen-01 300,0 60,0 004412-SWE-Scen-02 225,0 32,5 004412-SWE-Scen-03 225,0 32,5 004412-SWE-Scen-04 150,0 5,0 004412-SWE-Scen-05 150,0 60,0 004412-SWE-Scen-06 300,0 5,0 004412-SWE-Scen-07 225,0 32,5
Contenido en lípidos totales de la muestra inicial
Cepa % Lípidos totales referidos a
biomasa seca
Scenedesmus (13/06/2013) 17,0
Contenido en lípidos totales sobre materia seca según
Bligh&Dyer
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3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
Transcurrido el tiempo fijado por el diseño de experimentos, se interrumpe el calentamiento y se procede a la refrigeración externa del reactor con una corriente controlada de aire. Una vez el reactor se encuentra a temperatura ambiente, se despresuriza y se abre.
Cuantificación de compuestos extraíbles tras la SWE
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3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
Caracterización de las muestras ensayadas previa esterificación
de las mismas y análisis por Cromatografía de Gases con
Detector Masas (GC/MS)
Columna: BPX70 SGE (30 m x 0,250 mm x 0,25µm)
Secuenciación del programa:
50(1)-15-180ºC(1)-7ºC/min-230(1)-30ºC/min-250(10)
Compuestos identificados
Metil tetradecanoato C14:0 Metil éster ac. Hexadecanoico C16:0 Metil éster ac. Hexadecenoico C16:1 Metil éster ac. Hexadecadienoico C16:2 Metil éster ac. Hexadecatrienoico C16:3
Metil éster ac octadecanoico C18:0 Metil éster ac. Octadecenoico C18:1 Metil éster ac. Octadecadienoico C18:2 Metil éster ac. Octadecatrienoico C18:3
Metil éster ac. Docosanoico C22:0 Metil éster ac. Tetracosanoico C24:0
300ºC, 60 min 225ºC, 32,5 min
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3.- Descripción de las tareas realizadas en el periodo.
RESULTADOS ENSAYOS SWE
Ref. Ensayo Condiciones de Ensayo (Tª, tiempo) Respuesta 1 Respuesta 2 Rendimiento extracción compuestos extraíbles (**) Total FAMEs (%) (*) 004412-SWE-Scen-01 300ºC, 60min 2,53 1,46 004412-SWE-Scen-02 225ºC, 32,5min 1,48 4,61 004412-SWE-Scen-03 225ºC, 32,5min 1,27 4,55 004412-SWE-Scen-04 150ºC, 5min 0,03 0,27 004412-SWE-Scen-05 150ºC, 60min 0,05 0,53 004412-SWE-Scen-06 300ºC, 5min 2,31 6,56 004412-SWE-Scen-07 225ºC, 32,5min 1,54 5,83
Análisis estadístico de los resultados en base al rendimiento de extracción de compuestos extraibles
Rendimiento de extracción de compuestos extraíbles = -0.62 + 0.000035 (Temperatura)2
Coeficiente de ajuste del 94.93%
El máximo valor de extracción se consigue trabajando en el nivel más alto de Temperatura
Ref. Ensayo Condiciones de Ensayo (temperatura, tiempo) Respuesta 1 Rendimiento extracción comp. extraibles 004412-SWE-Scen-08 150ºC, 32,5min 0,02 004412-SWE-Scen-10 225ºC, 5min 0,25
Ensayos adicionales
Respuesta 1
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Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada
150 180 210 240 270 300 Temperatura 0 10 20 30 40 50 60 ti e m p o
Rendim iento lipidos totales 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7
Superficies de respuesta estimada y curvas de nivel para
el rendimiento de extracción en Scenedesmus por SWE
Análisis estadístico de los resultados en base al rendimiento de extracción de compuestos extraibles
Superficie de Respuesta Estimada
150 225 300 Temperatura 5 32,5 60 tiempo 0 0,5 1 1,5 2 2,5 R e n d im ie n to l ip id o s t o ta le s R e n d im ie n to e x tr a cc ió n C o m p u e st o s e x tr a ib le s
Análisis estadístico de los resultados en base al porcentaje de FAME´s
Respuesta 2
FAMEs totales (%)= --5.76 + 0.0438 Temperatura
Coeficiente de ajuste del 87.98%
El máximo valor de extracción se consigue
trabajando en el nivel más alto de Temperatura dentro del intervalo estudiado, es decir a T= 300ºC
Superficie de Respuesta Estimada
150 225 300 Temperatura 5 32,5 60 tiempo 0 1 2 3 4 5 6 F A M E S t o ta le s
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4.- Aprovisionamiento al consorcio
Realización de los ensayos de SWE en condiciones óptimas
Ref. Ensayo Temperatura (ºC) Tiempo (min)
004412-SWE-Scen 300,0 5,0
Aprovisionamiento, de la cantidad suficiente, de la fracción de
compuestos extraíbles ( a UPV y CENER) y del residuo sólido obtenido, a los diferentes socios participantes del proyecto ( a CATAR y APESA)
1.- El proceso de extracción en Scenedesmus mediante SWE conlleva el arrastre de
compuestos diversos (lípidos, pigmentos, restos de pared celular,…). No parece ser
selectivo hacia la fracción lipídica.
2.- En cuanto a la cantidad de compuestos esterificables extraídos se han alcanzado cantidades
en torno a un 5-6% de FAMEs respecto a la biomasa seca tratada.
3.-La máxima cantidad extraída se corresponde a los ensayos realizados a mayor temperatura.
4.- La caracterización de todos los ensayos realizados permite la identificación de un perfil cromatográfico similar en todos ellos.
5.- En general el proceso SWE presenta unos rendimientos de extracción demasiado bajos comparados con los métodos de extracción por disolventes convencionales como para que pueda constituir un método industrializable para la obtención de lipidos para la fabricación de biodiesel.
