Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЛИПИДОВ ИЗ БИОМАССЫ

Изобретение относится к способу переработки биомассы, точнее к извлечению из биомассы микроводоросли Clorella липидной фракции, которая может быть использована в нефтехимической и топливной промышленности для получения компонентов жидкого 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 рапс можно получить, до 1190 л масла (сырья для производства биотоплива). Количество липидной фракции, 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, С12Р 21/00, A23J 3/20, A23K 1/00, 1992]. Указанный способ включает в себя предварительную обработку водоросли органическим растворителем, 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, составляет не более 60%.

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 C1, C12N 1/12, A23K 1/00, A23J 3/20, С12Н 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 извлечения липидов из биомассы. Разрушение клеточных оболочек осуществляют в вихревом электромагнитном поле ферромагнитными частицами, а экстрагирование липидной фракции проводят органическим растворителем с наложением импульсно-кавитационного воздействия [Патент RU 2388812 C1, C12N 1/12, С12Р 7/64, 22.09.2008].

Недостатками этого способа являются время воздействия в роторном импульсно-кавитационном аппарате является незначительным и составляет сотые доли секунды; происходит дополнительное разрушение клетки с образованием мелких частиц биомассы, что затрудняет дальнейшую фильтрацию (с образованием микроволокон, которые забивают поры ультрафильтра).

Задачей предлагаемого способа является разработка способа извлечения липидной фракции с более высоким выходом из биомассы микроводоросли Clorella, с целью использования ее в качестве компонента для получения биодизельного топлива.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе извлечения липидов из биомассы, предусматривающем разрушение клеточных оболочек микроводорослей Clorella в вихревом электромагнитном поле ферромагнитными частицами с последующей экстракцией липидной фракции, согласно изобретению, экстрагирование липидной фракции осуществляют в многоступенчатом экстракционном аппарате с закрученным потоком инертных тел, с использованием органического растворителя.

Биомассу микроводоросли Clorella 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% [Патент RU 2317142 C1, B01F 7/28, 2006]. В дальнейшем биомасса с раздробленными клеточными оболочками подвергается многократной экстракции органическим растворителем (нефрас-С 2-70/85, хлороформ, четыреххлорстый углерод) в аппаратах с закрученным потоком инертных тел. Жидкостной поток по входным тангенциальным патрубкам вводится в нижнюю часть аппарата (Патент SU 1586771 А1, B01J 19/18, 1988), где закручивается и подается в коническую часть аппарата, в котором находится закрученный слой инертных частиц. При вращении потока инерт образует плотный закрученный слой, в котором частицы инерта интенсивно механически взаимодействуют между собой и со стенками аппарата. Жидкостной поток с биомассой проходит через вращающийся слой инерта, в котором биомасса подвергается интенсивному многократному механическому воздействию, что способствует значительному увеличению коэффициента массоотдачи в жидкой фазе; постоянной деформации частицы биомассы, что приводит к дополнительной замене экстрагента у поверхности частиц, а также в «разломах» частицы; разделению экстрагированной липидной фракции от обезжиренной биомассы.

Способ получения сырья осуществляется следующим образом. В качестве сырья используют биомассу микроводоросли рода Clorella. Химический состав липидной фракции показал содержание следующих веществ: 50,02-56,20 мас. гликолипидов и фосфолипидов, 31,4-39,8 мас. диацилглицеролов, 1,7-6,4 мас. триацилглицеролов, 2,1-5,7 мас. свободных жирных кислот, 0,4-2,2 мас. углеводов и каротиноидов, остальное - неидентифицированные соединения. Кислоты, входящие в состав три- и диацилглицеролов, были переведены в форму, удобную для хроматографии. В соответствии с данными хроматографического анализа жирокислотный состав липидной фракции представлен, в основном, олеиновой, линоленовой, стеориновой и арахидоновой кислотами (табл. 1).

При достижении концентрации микроорганизмов 60-65 млн клеток в 1 мл, их отделяют от жидкой фазы и направляют в аппарат для дробления. После дробления клеточных оболочек сырье подвергается экстракции в трехступенчатом экстракторе. В качестве экстрагента используют органический растворитель (нефрас-С 2-70/85, хлороформ, четыреххлорстый углерод). Экстрагирующая способность применяемых органических растворителей разнообразна.

Использование многоступенчатого экстракционного аппарата с закрученным потоком инертных тел исследовано на примере трехступенчатой схемы, которая позволяет проводить непрерывный процесс с временем пребывания в экстракционных аппаратах биомассы не более 2 минут, активность экстрагирования увеличивается в сотни раз, что позволяет довести степень излечения до 98% (табл.2).

После окончания экстрагирования разделяют экстракт и обезжиренную массу путем центрифугирования. Экстракт представляет собой смесь три- и диацилглицеролов в органическом растворителе. После отгонки органического растворителя липидная фракция поступает в реактор для проведения химического процесса получения компонентов биодизельного топлива. Обезжиренная биомасса содержит смесь остатков оболочек, клеточного белка и минеральных веществ, которые можно использовать в качестве белковой кормовой добавки.

Предлагаемый способ позволяет сократить время экстракции и увеличить выход липидной фракции из биомассы микроводорослей, что позволит получить сырье для альтернативного топлива из непищевого сырья.