КОМПОЗИЦИЯ, НАБОР И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕЛЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ БИОМАССЫ
COMPOSITION, KIT AND METHOD OF EXTRACTING DESIRED COMPOUNDS FROM BIOMASS

Родственные патентные заявки
[001] По данной заявке PCT испрашивается приоритет согласно предварительной заявке США № 61/443336, поданной 16 февраля 2011, которая включена в настоящее описание во всей своей полноте посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[002] В вариантах осуществления настоящего изобретения, в общем, раскрыты способы и композиции для улучшенного выщелачивания биомассы, полученной из бактериальных культур. В некоторых вариантах осуществления композиции и способы относятся к агломерации по существу полностью высушенной биомассы из суспензии микроорганизмов при использовании способов и устройств по настоящему изобретению. Другие варианты осуществления относятся к способам агломерации собранных и по существу сухих микроорганизмов в препарате для обработки или экстракции целевых соединений, продуцируемых этими микроорганизмами. Другие варианты осуществления относятся к системам и способам выщелачивания или экстракции агломерированных культур для увеличенного извлечения биомассы или целевых соединений из микроорганизмов.
Уровень техники
[003] Микроорганизмы можно использовать для продуцирования большого количества побочных продуктов и продуктов, которые можно использовать, но без ограничения, в качестве топлива, биотоплива, фармацевтических агентов, нутрицевтиков, малых молекул, химических соединений, пищевых добавок, кормов, исходного сырья и продуктов питания. Для получения и выделения этих продуктов культуры можно концентрировать для получения увеличенной плотности клеток перед их обработкой, предназначенной для извлечения требуемых соединений. Помимо этого, для выделения или концентрирования этих продуктов могут быть использованы способы экстракции.
[004] Эффективное использование микроорганизмов для получения продуктов может оказаться непростой задачей. Например, что касается производства биотоплива из водорослей, имеется несколько экономически эффективных и рентабельных технологий разделения, подходящих для извлечения соединений из водорослей. Имеется несколько факторов, препятствующих появлению эффективных технологий разделения. Например, обработка сухих или полусухих твердых материалов, включая измельченные водоросли, может приводить к сегрегации, которую можно наблюдать при ссыпании материала в кучу; более крупные частицы материала скатываются вниз кучи, в то время как материал более мелкого размера остается ближе к вершине. Кроме того, наличие неуплотненного тонкоизмельченного материала и крупнозернистого материала может привести к сегрегации частиц при пневматической или механической обработке. При смачивании тонкоизмельченные частицы, находящиеся среди неуплотненных частиц, могут мигрировать и сегрегироваться внутри этой массы, приводя к проблемам перколяции. Наличие мелких частиц может привести к образованию локализованного преимущественного потока (каналообразованию), засорению областей протекания текучей среды (засорению или закупорке) и накоплению жидкости (захлебыванию). Такая сегрегация частиц может приводить к возникновению проблем во время экстракции и/или обработки.
Краткое описание изобретения
[005] Варианты осуществления настоящего изобретения, в общем, относятся к способам и композициям биомассы, полученной из суспензионных культур. В некоторых вариантах осуществления композиции и способы относятся к улучшенным способам выщелачивания. Другие варианты осуществления относятся к композициям, способам и применению для экстрагирования продуктов и/или биомассы из микроорганизмов. Некоторые варианты осуществления относятся к суспензионным композициям, содержащим, но без ограничения, микроорганизмы, такие как водоросли, бактерии, дрожжи, грибы и твердую взвесь в воде, и твердые частицы в сточных водах. Другие варианты осуществления могут относиться к системам и способам для эффективного отделения биомассы от жидкости или выделения целевых соединений из биомассы (например, водорослей) методом агломерации.
[006] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к экстракции целевых соединений, таких как биотопливо из биомассы, например, бактериальной биомассы. Согласно этим вариантам осуществления суспендированные культуры (например, водоросли) сушат и измельчают, с получением тонкодисперсных фракций и других мелких частиц. Агломерированную частицу формируют с использованием этих мелких частиц. В некоторых вариантах осуществления у мелких частиц сохраняется большая часть площади их поверхности. Затем целевые соединения экстрагируют из агломерированных частиц методами выщелачивания.
[007] В других вариантах осуществления сухую и измельченную биомассу из суспензионной культуры агломерируют путем вращения по меньшей мере частично высушенных суспензионных культур в устройстве с жидкостью, при этом необязательно жидкость добавляют в культуру по каплям, формируя сгусток или комок из частиц биомассы и, таким образом, агломерируя биомассу. По меньшей мере частично высушенные суспензионные культуры могут быть нагреты воздухом, светом, микроволновой печью, видимым светом, инфракрасным излучением, другим электромагнитным излучением или источником другой энергии для дополнительной дегидратации биомассы или суспензионной культуры.
[008] В некоторых вариантах осуществления для ускорения дегидратации биомассы в процессе сушки после агломерации регулируют давление окружающей среды.
[009] Другие варианты осуществления относятся к культурам, которые используют для обработки, и таким культурам, которые улучшают проницаемость при воздействии реакционного или нереакционного агента по сравнению с неагломерированными культурами.
[0010] Другие варианты осуществления относятся к культурам, которые подвергают воздействию газа, где газ необязательно представляет собой негорючий газ, и где агломерированные культуры образуют негорючую смесь с газом.
[0011] В некоторых, приведенных в качестве примера способах агломерированные культуры дополнительно подвергают воздействию растворителя, и продукты агломерированных культур экстрагируют. В этих вариантах осуществления степень экстракции продуктов агломерированных культур улучшена по сравнению с экстракцией продуктов из неагломерированных культур.
[0012] В некоторых вариантах осуществления температура сушки после агломерации при атмосферном давлении находится в пределах от 32 градусов по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию) до 150 градусов по Фаренгейту, при этом выбранная температура ниже температуры, при которой происходит деградация целевых экстрагируемых соединений. В случае атмосферного давления, температура может находиться в пределах от 70 градусов по Фаренгейту или выше, но ниже 150 градусов по Фаренгейту.
[0013] В некоторых вариантах осуществления для уменьшения вероятности деградации целевых продуктов, полученных из культур, используют давление ниже атмосферного, и температуру ниже температуры, используемой при атмосферном давлении.
[0014] В других вариантах осуществления культуры сушат методом распылительной сушки.
[0015] В других вариантах осуществления суспензионные композиции включают, но без ограничения, водоросли, бактерии, дрожжи, грибы и твердую взвесь в воде, или твердые частицы в сточных водах.
[0016] В некоторых вариантах осуществления при агломерации частиц используют связующий агент. Связующий агент может включать кукурузный крахмал, альгинаты, глюкозу, сахарозу, фруктозу или другие сахара, лигнины, полимерные связующие агенты или углеводы. В некоторых вариантах осуществления используют нерастворимые связующие агенты. В других вариантах осуществления при агломерации частиц может быть использована вода или водные суспензии культур.
[0017] В некоторых примерах соотношение жидкости к культуре может быть заданным соотношением.
[0018] Описанные в данном описании агломерированные культуры могут включать частицы, которые составляют 50% или 60%, или 70%, или 80%, или 90%, или более, диаметр которых превышает 300 микрон (мкм).
[0019] В некоторых вариантах осуществления условия агломерации выбирают, исходя из прочности и стабильности агломерированных частиц.
[0020] Другие варианты осуществления включают способ экстракции одного или более целевых соединений из биомассы суспензионной культуры, включающий внесение агломерированной суспензионной культуры в разделительное устройство и экстракцию целевого соединения из агломерированной суспензионной культуры. Разделительное устройство может представлять собой колонну с высоким аспектным отношением, в частности, с отношением высоты к ширине больше 1, при этом эффективность растворитель-растворенное вещество возрастает с увеличением отношения.
[0021] В некоторых вариантах осуществления используют устройство для агломерации суспензионной культуры, включающее емкость, выполненную с возможностью приема воды или другого агента, емкость, выполненную с возможностью перемещения по меньшей мере в одном направлении, и подложку, прикрепленную к емкости, выполненной с возможностью перемещения из одного места в другое.
[0022] Некоторые варианты осуществления включают устройство для оценки сопротивления сжатию гранул водорослей, содержащее устройство для тестирования агломератов, например, как изображено на фиг.6A-6E, имеющее по меньшей мере один слой удерживающего экрана и слив, где устройство выполнено с возможностью оценки сопротивления сжатию гранул водорослей. Кроме того, рассматриваемые в данном описании тесты можно проводить в присутствии одного или более растворителей для экстракции одной или более целевых молекул из материала водорослей.
[0023] В других вариантах осуществления целевое соединение можно экстрагировать из биомассы. Биомасса может быть высушена и затем измельчена для получения мелкодисперсных частиц. Мелкодисперсные частицы могут быть агломерированы для получения агломерированных частиц. Затем через агломерированные частицы может быть пропущен растворитель для экстрагирования одного или более целевых соединений.
[0024] В некоторых вариантах осуществления используют экстракцию методом противоточного выщелачивания.
[0025] В некоторых вариантах осуществления биомасса может быть высушена при температуре от 95°C до 120°C.
[0026] В других вариантах осуществления для ускорения дегидратации биомассы при агломерации мелкодисперсных частиц регулируют давление окружающей среды.
[0027] В некоторых вариантах осуществления агломерированные частицы подвергают воздействию температуры в пределах от 85 градусов по Фаренгейту до 150 градусов по Фаренгейту.
[0028] В некоторых вариантах осуществления первый растворитель используют для экстракции первого целевого соединения, и второй растворитель используют для экстракции второго целевого соединения.
[0029] В других вариантах осуществления агломерация мелкодисперсных фракций для получения агломерированных частиц может включать вращение мелкодисперсных фракций одновременно с введением смачивающего раствора (или нерастворимого связующего агента).
[0030] В других вариантах осуществления растворитель можно вводить в агломерированные частицы при температуре примерно от 35°C до точно 35°C.
[0031] В некоторых вариантах осуществления агломерированные частицы прикреплены к нейтральному носителю. Примеры нейтрального носителя могут включать, но без ограничения, частицы пластмассы, камня, металла или другого подходящего материала.
[0032] В некоторых вариантах осуществления частицы после измельчения, но перед агломерацией, могут составлять в диаметре 1500 микрон или менее, или 850 микрон или менее, или 300 микрон или менее.
[0033] В некоторых вариантах осуществления мелкодисперсные фракции менее 300 микрон перед агломерацией могут быть удалены. В других вариантах осуществления агломерированные частицы размером 300 микрон или менее могут быть подвергнуты дополнительной обработке для экстракции целевого продукта.
[0034] Другие описанные в данном описании варианты осуществления включают агломерированные культуры, в которых 50%, или 60%, или 70%, или 80%, или 90%, или более превышают в диаметре 300 микрон.
[0035] В некоторых вариантах осуществления агломерация частиц может быть осуществлена при давлении ниже атмосферного.
Краткое описание чертежей
[0036] На фиг.1 представлен график временной зависимости степени извлечения липидов выщелачиванием из водорослей, высушенных в условиях сушки при разных температурах и размерах измельченных частиц.
[0037] На фиг.2 представлен график зависимости степени извлечения методом выщелачивания гексаном из сухих водорослей от размера частиц.
[0038] На фиг.3 показан иллюстративный пример устройства для агломерации.
[0039] На фиг.4A и 4B показаны другие иллюстративные примеры устройств для агломерации.
[0040] На фиг.5 показаны агломераты, образованные после увеличения количества добавляемой жидкости, выраженного в виде отношения массы жидкости к сухой массе водорослей.
[0041] На фиг.6A-6E показаны иллюстративные примеры устройств некоторых описанных в данном описании вариантов осуществления.
[0042] На фиг.7 показано изображение агломерированных водорослей, смоченных растворителем в стеклянной колонне.
[0043] На фиг.8 приведен иллюстративный график выхода липидов по массе в результате выщелачивания гексаном в колонне агломерированных частиц с различной высотой слоя при разных скоростях введения выщелачивающего агента.
[0044] На фиг.9 представлены иллюстративные результаты анализа методом газовой хроматографии жирных кислот из экстракта, полученного выщелачиванием сухих и агломерированных водорослей растворителем в различных условиях.
[0045] На фиг.10 показана экстракция методом выщелачивания в высокой колонне с высокой скоростью введения растворителя в течение короткого промежутка времени, с последующей низкой скоростью введения.
[0046] На фиг.11 показаны данные, приведенные на фиг.10, во временном промежутке от начала элюирования до 4,5 часов.
[0047] На фиг.12 представлены результаты анализа методом газовой хроматографии экстракта, полученного выщелачиванием гексаном, в виде функции от времени.
[0048] На фиг.13 показана экстракция выщелачиванием в тестах с использованием высокой колонны с разной продолжительностью введения с высокой скоростью.
[0049] На фиг.14 показаны данные, приведенные на фиг.13, где более подробно показаны первые 12 часов экстракции выщелачиванием в тестах с использованием высоких колонн, демонстрирующие влияние уменьшения скорости введения растворителя на гравиметрический выход.
[0050] На фиг.15 показаны результаты иллюстративного анализа методом газовой хроматографии суммарного экстракта, полученного выщелачиванием гексаном, в тесте на выщелачивание в колонне.
[0051] На фиг.16 приведен иллюстративный график первичного и вторичного выщелачивания высушенных и агломерированных водорослей в колоннах разной высоты и с разными скоростями орошения.
[0052] На фиг.17 приведена фотография пластины тонкослойной хроматографии (ТСХ) для экстрактов водорослей, полученных выщелачиванием полярным и неполярным растворителями.
[0053] На фиг.18 продемонстрированы примеры влияния соотношения жидкости к твердому веществу на выщелачивание с перемешиванием сухих водорослей с использованием растворителя (например, гексана).
[0054] На фиг.19 показан гравиметрический выход при вторичном выщелачивании сухих водорослей при разной высоте слоя и различной скорости введения полярных растворителей.
Подробное описание изобретения
[0055] В приведенных ниже разделах описаны различные примеры композиций и способов с более подробным изложением различных вариантов осуществления. Специалисту в данной области будет очевидно, что практическая реализация различных вариантов осуществления не требует применения всех или даже некоторых конкретных деталей, изложенных в настоящем описании, напротив, концентрации, временные параметры и другие конкретные детали могут быть модифицированы по результатам проведения обычных экспериментов. В отдельных случаях в настоящем описании хорошо известные способы не раскрыты.
[0056] В настоящем описании термин "суспензионные культуры" может относиться к культурам до момента получения готового продукта.
[0057] Используемый в данном описании термин "биомасса" относится к суспензионным культурам, из которых по существу полностью удалена среда (например, высушенные культуры). Биомассу можно хранить любым способом в течение любого времени или использовать сразу, например, для экстракции целевых соединений.
[0058] Используемый в данном описании термин "текучая среда" может означать жидкость или газ. Например, текучие среды растворителей могут представлять собой жидкость, и используемая для сушки текучая среда может представлять собой газ.
[0059] Используемый в данном описании термин "агломерация" может означать образование скоплений высушенной и измельченной биомассы из суспензионной культуры способами, описанными в некоторых вариантах осуществления, представленных в настоящем описании. Кроме того, используемая в данном описании "агломерация" может относиться к объединению мелких частиц высушенной и измельченной биомассы из суспензионной культуры в более крупные частицы с образованием более крупных частиц из более мелких, или прикреплению частиц к другим веществам, таким как нейтральный носитель.
[0060] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения относятся к экстракции целевых соединений из биомассы методами агломерации и/или выщелачивания, которые увеличивают поток используемого для экстракции растворителя через биомассу, собранную из культуры клеток. Согласно этим вариантам осуществления, агломерированную биомассу можно использовать во встряхиваемых, заполненных текучими средами устройствах для выщелачивания или устройствах для выщелачивания с уплотненным слоем для улучшенной экстракции целевых соединений при одновременном уменьшении расходов и увеличении производства. Целевые соединения могут включать, но без ограничения, продукт, химическое соединение, биотопливо, малые молекулы, пищевые добавки и исходное сырье. Иллюстративные материалы биомассы могут включать, но без ограничения, водоросли, бактерии, дрожжи, грибы, твердую взвесь в воде и твердые частицы в сточных водах. Несмотря на то, что в некоторых вариантах осуществления используется биомасса, полученная из суспензионных культур, также могут быть использованы другие источники биомассы, например, собранная биомасса, выращенная в виде мата или уплотненной массы.
[0061] В некоторых вариантах осуществления суспензионная культура может представлять собой культуры водорослей. Водоросли, используемые в данных вариантах осуществления, могут включать неподвижные виды, суспендированные, подвижные виды или их комбинацию. Примеры видов водорослей могут включать, но без ограничения, Nannochloropsis spp., при этом, другие виды включают, но без ограничения, бурые водоросли, например, Saccharina spp. В настоящем описании рассматривается любая микробная культура. Например, водоросли могут продуцировать множество различных соединений, включая липидные соединения, используемые в некоторых областях промышленности. Липиды могут продуцироваться на различных стадиях жизненного цикла водорослей. Различные виды водорослей выращивали и собирали с целью получения содержащихся в них липидов, которые продуцируются клетками и преимущественно локализованы в клеточных стенках и внутри клетки, среди прочего, как продукты хранения. Культивированные водоросли, содержащие представляющие интерес продукты, могут быть собраны и концентрированы, или "обезвожены", до извлечения целевых соединений.
[0062] Целевые соединения могут быть экстрагированы из культивированных организмов (например, водорослей, бактерий и т.д.) экстракционным выщелачиванием. При экстракционном выщелачивании для высвобождения целевых молекул из организмов можно использовать растворители. Неполярные компоненты, собранные из культуры водорослей, например, могут включать, но без ограничения, триглицериды, диглицериды, моноглицериды, полиненасыщенные жирные кислоты (PUFA) и свободные жирные кислоты (FFA) и другие известные в данной области молекулы. Полярные компоненты, которые могут быть собраны, например, из культур водорослей, могут включать, но без ограничения, фосфолипиды, эйкозапентаеновую кислоту (EPA), докозатетраеновую кислоту (адреновую кислоту), докозагексаеновую кислоту (DHA), докозапентаеновую кислоту (DPA), а также эйкозатетраеновую кислоту (арахидоновую кислоту или ARA) и другие полярные молекулы, продуцируемые водорослями, известные в данной области. Альтернативно или наряду с этими экстракциями, некоторые варианты осуществления выполняют в отсутствие одного или более полярных или неполярных целевых молекул (например, PUFA). Согласно данным вариантам осуществления, способами, описанными в данном описании, можно продуцировать и выделять целевые насыщенные жирные кислоты с длиной цепи C16 и C18 в среде с низким или произвольным количеством PUFA (например, С20:4, С20:5).
[0063] В некоторых вариантах осуществления водоросли могут быть обработаны в водном растворе или высушены для обработки частично или по существу полностью в обезвоженном виде. Было продемонстрировано, что сушка водорослей для извлечения липидов может быть улучшена при некоторых температурах для улучшенного извлечения липидных компонентов. Согласно данным вариантам осуществления, водоросли можно сушить при температуре от 85°C до 100°C или даже при температуре выше 100°C (например, примерно 112°C). В одном из примеров водоросли сушили при температуре, поддерживаемой в отдельных испытаниях при 65, 75, 85 и 100 градусах Цельсия (°C), и затем затвердевшую массу дробили и измельчали. Фракции выбранных размеров (такие, которые прошли через сито размером 1 мм, но не прошли через сито размером 850 микрон, т.е. -1 мм +850 микрон), затем были подвергнуты выщелачиванию гексаном с перемешиванием, для сравнения с культурами, которые не выдерживались при указанных температурах в процессе сушки, а также проводили сравнение между выбранными температурами. Также был включен один образец водорослей, высушенный при 100°C, но имеющий распределение частиц, размер которых не превышал 300 микрон. См., например, фиг.1.
[0064] В некоторых вариантах осуществления сушка может сопровождаться воздействием света или другой энергии (например, микроволн), тепла, или пропусканием воздуха окружающей среды или нагретого воздуха через или над агломерированным материалом. Сушка может быть использована для увеличения степени последующей экстракции выщелачиванием. Это может сопровождаться удалением жидкости из клеточных мембран для уменьшения разбавления и увеличения проникновения растворителей, увеличивая доступ растворителя к представляющим интерес соединениям, тем самым повышая степень экстракции выщелачиванием при использовании растворителей. Конкретные температуры в процессе сушки, поддерживаемые на пиковом уровне или достигающие этого уровня, могут быть оптимизированы для улучшенной экстракции соединений выщелачиванием. Было обнаружено, что водоросли, высушенные при температуре выше 85°C, особенно в пределах от 100°C до 112°C, обеспечивали улучшенную экстракцию липидов, например, из Nannochloropsis spp., при последующем выщелачивании. См., например, фиг.1. Температуры в процессе сушки, превышающие температуру, при которой содержащиеся в биомассе компоненты начинают разрушаться, не являются оптимальными, например, Nannochloropsis spp., высушенная при температуре около 148°C, чернеет, имеет запах гари, и экстракт, полученный в результате выщелачивания гексаном, имеет по существу черный цвет (данные не показаны).
[0065] Согласно некоторым вариантам осуществления, лепешку биомассы с содержанием сухого вещества в пределах примерно от 1%-99% сушат до тех пор, пока содержание сухого вещества в лепешке не достигнет примерно 90%-100%. Согласно некоторым вариантам осуществления, биомассу можно сушить при температуре примерно 85°C или выше, или при температуре примерно 100°C или выше. Согласно данным вариантам осуществления, биомассу можно сушить при температуре, превышающей температуру пастеризации, благодаря чему биомасса может быть обработана без пастеризации. Согласно некоторым вариантам осуществления, для обработки биомассы может потребоваться разрушение клеток и/или клеточная проницаемость. В таких вариантах осуществления клеточная проницаемость может обеспечиваться сушкой, в результате которой мембраны сжимаются, теряя олеофобные характеристики и обеспечивая возможность для проникновения неполярных растворителей. Кроме того, в процессе сушки (и/или начального процесса обработки) могут быть получены очень мелкие частицы (например, "мелкие фракции"), которые могут облегчить проведение последующих процессов измельчения, описанных ниже.
[0066] Согласно некоторым вариантам осуществления культуры (например, водоросли) обрабатывают определенным способом для получения эффективной экстракции представляющих интерес соединений. Например, высушенные микроорганизмы (например, водоросли) измельчают для получения частиц меньшего размера, что улучшает контакт текучей среды с используемыми позже растворителями (например, выщелачивающими агентами). Кроме того, если биомасса сильно высушена, мелкие частицы (например, пыль, хлопья или мелкие фракции) могут облегчить измельчение биомассы, поскольку они уже являются достаточно мелкими и имеют требуемый размер. Эти более мелкие частицы могут затем образовывать композитные (например, агломерированные) частицы, описанные более подробно ниже. В то же время, даже при агломерации более мелких частиц в более крупные частицы эти более мелкие частицы могут оставаться все еще легко различимыми (например, визуально идентифицируемыми) внутри агломерированных частиц, что свидетельствует о возможности использования площади поверхности более мелких частиц для лучшего контакта с растворителем. См., например, фиг.20. Таким образом, агломерированная частица, которая составлена из более мелких частиц, имеет большую площадь поверхности, чем, например, цилиндрическая частица, образованная, например, в процессе экструзии.
[0067] Одним из аспектов данной обработки является соединение фракций мелкодисперсных частиц, также известных как "мелкие фракции", в более крупные частицы в процессе, называемом агломерацией. Образованные таким образом частицы известны как "агломераты" или "гранулы". Агломераты представляют собой конгломераты частиц, в которых мелкие частицы связаны к крупным частицам и/или друг к другу. Такое связывание может представлять собой полупостоянное прикрепление и отличается от флокуляции или скопления клеток водорослей в водных суспензионных культурах под воздействием слабых сил притяжения. Эти флокулянты ("хлопья") или большие скопления клеток образуются в водной суспензии и малопригодны для сухой обработки водорослей, так как слабые силы притяжения не сохраняются при удалении воды. Аналогично, несмотря на то, что сухие мелкие частицы могут приобретать электростатический заряд и временно притягиваться друг к другу, этот эффект не сохраняется при смачивании растворителями, используемыми для экстракции. Подходящее для экстракционной обработки водорослей прикрепление частица-частица должно оставаться преобладающим и эффективным и не допускать отделения и подвижности мелких частиц.
[0068] В некоторых вариантах осуществления агломерация микроорганизмов может включать использование высушенной и раздробленной или измельченной биомассы, взбалтываемой вращением в емкости. Используемые в данном описании емкости могут включать, но без ограничения, трубку, цилиндр, барабан или вращающийся диск. В некоторых вариантах осуществления к суспензионным культурам может добавляться жидкость по каплям или другим способом. В некоторых вариантах осуществления используют дискретные капли жидкости для локализованного смачивания частиц, которые затем образуют ядро для прикрепления других частиц.
[0069] В некоторых вариантах осуществления агломерация может выполняться за счет естественных или эндогенных компонентов водорослей, которые при объединении с водой способны прикреплять и связывать частицы. Таким образом, в данных вариантах осуществления при создании агломерированных частиц к водорослям добавляют только воду. В других вариантах осуществления в качестве такой жидкости может быть добавлена суспензионная культура клеток в воде, чтобы вызвать агломерацию другой высушенной биомассы, что исключает необходимость отделения суспендированных клеток от воды. При добавлении жидкости к высушенной и измельченной биомассе влага добавленной воды обеспечивает прикрепление мелких частиц, и эта дополнительная влага может быть удалена сушкой перед выщелачиванием. В других вариантах осуществления используют связующие агенты, которые могут быть добавлены в материал, предназначенный для экстракции в уплотненном слое для образования агломератов, при этом связующий агент вызывает агломерацию или увеличивает скорость агломерации или тому подобное. Некоторые используемые в данном описании связующие агенты включают, но без ограничения, сахара, крахмалы, кукурузный крахмал, мелассу, альгинаты, глюкозу, сахарозу, фруктозу или другие сахара, лигнины, полимерные связующие агенты и т.п., или другие известные связующие агенты. Согласно этим вариантам осуществления, в зависимости от условий и получаемых целевых соединений связующий агент должен быть нерастворимым в выщелачивающем агенте для достижения агломерации или растворимым.
[0070] В некоторых вариантах осуществления частицы после измельчения, но до агломерации, могут составлять в диаметре 4000 микрон или менее, или 850 микрон или менее, или 300 микрон или менее, и т.д. После агломерации частицы могут составлять в диаметре 300 микрон или более, или 500 микрон или более, или от 2000 до 5000 микрон или более. Другие варианты осуществления включают агломерированные культуры, в которых 50 процентов или 60 процентов, или 70 процентов, или 80 процентов, или 90 процентов или более частиц превышает 300 микрон. Таким образом, микроорганизмы могут быть измельченными, хлопьевидными, истолченными и т.д., до малых размеров, что обеспечивает больший контакт с растворителями.
[0071] В некоторых вариантах осуществления агломерированную культуру подвергают дополнительной обработке. Например, агломерированная культура может быть высушена (или дополнительно высушена) путем нагревания или обдувания агломерированной культуры воздухом (или обоими способами), что может улучшить устойчивость агломерированных частиц (агломератов) при физическом и химическом контакте и улучшить последующее извлечение целевых соединений выщелачиванием. Температура в процессе сушки после агломерации может быть такой же, как и при первоначальной сушке биомассы: при атмосферном давлении температура может находиться в пределах от 32 градусов по Фаренгейту (0°C) до температуры, при которой требуемые соединения, содержащиеся в водорослях, разрушаются. Согласно этим вариантам осуществления, в случае сушки некоторых видов водорослей при атмосферном давлении температура в процессе сушки может превышать 85 градусов по Фаренгейту, но быть ниже 150 градусов по Фаренгейту. С уменьшением атмосферного давления используемая в процессе сушки температура может быть ниже. Этот факт при необходимости можно использовать для получения от по существу сухих до совершенно сухих агломератов без разрушения легко разлагаемых соединений.
[0072] Некоторые варианты осуществления относятся к распылительной сушке содержащего водоросли раствора для получения частиц преимущественно сухих водорослей для подготовки их к выщелачиванию в оптимизированном неподвижном слое, согласно приведенному описанию. Подготовка агломератов распылительной сушкой уменьшает необходимость в предварительной сушке и измельчении водорослей. Для последовательной агломерации высушенных распылением частиц, для получения частиц требуемого размера и наряду с этим большие размеры пор, при создании уплотненного слоя может потребоваться дополнительная распылительная сушка или другая обработка, приводящая к агломерации, например, обжатие при прокатке. В других вариантах осуществления агломерация водорослей может быть достигнута распылительной сушкой раствора водорослей наряду с агломерацией культуры в процессе удаления воды для последующего выщелачивания в оптимизированном уплотненном слое. Метод распылительной сушки, используемый в данных вариантах осуществления, включает сушку с контролируемой температурой в потоке воздуха, образуемого в процессе распылительной сушки, или вне этого потока. В других вариантах осуществления возможно изменение температуры, применяемой к сухим водорослям, для оптимизации последующей экстракции выщелачиванием. Вода, используемая в процессе агломерации, может быть удалена, например, последующей сушкой после достижения требуемого прикрепления мелких фракций.
[0073] Таким образом, в некоторых вариантах осуществления влажные концентрированные клетки могут быть высушены при заданной температуре, подходящей для представляющей интерес суспензионной культуры, описанным выше способом. После сушки культуры могут быть измельчены до получения частиц с заданным распределением по размеру и агломерированы, описанным в данном описании способом. Необязательно, некоторые варианты осуществления предусматривают, при необходимости, повторную сушку после агломерации при аналогичном диапазоне температуре, как определено выше. Предполагается, что для получения по существу сухих агломератов, подходящих для экстрагирования целевых соединений в суспензионной культуре, может быть использован одна или более стадий сушки.
[0074] В некоторых вариантах осуществления агломерированные частицы укладывают в слой, подвергаемый выщелачиванию восходящим или нисходящим потоком растворителя. Прикрепление мелких частиц к другим мелким частицам, а также более крупным частицам для увеличения эффективного среднего размера частиц может привести к увеличению устойчивости мелкозернистого материала к вымыванию из слоя потоком текучей среды в процессе выщелачивания. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления применяют способы агломерации, которые обеспечивают полупостоянную агрегацию и агломерацию частиц для образования более крупных частиц и предотвращения мобильности и перемещения мелких частиц в уплотненном слое, достаточных для сохранения потока текучей среды через уплотненный слой. Таким образом, данные варианты осуществления обеспечивают сохранение более равномерного и проницаемого слоя частиц и исключают сегрегацию и миграцию указанных частиц в процессе выщелачивания, которая может привести к преимущественному потоку растворителя в некоторых областях (т.е. "канализации") и уменьшению потока в других областях (например, "закупорке"). Кроме того, при сохранении относительно открытых промежуточных пространств между частицами (называемых "порами") по всему слою материала (также называемому "уплотненный слой", "неподвижный слой" или просто "слой") растворитель может распределяться равномерно по всему уплотненному слою, что может увеличить извлечение экстрагируемых соединений. В некоторых вариантах осуществления частицы биомассы (например, мелкие фракции) могут быть агломерированы при помощи нереакционноспособного твердого вещества, такого как нейтральный носитель. Нереакционноспособное твердое вещество действует в качестве каркаса для сохранения структуры уплотненного слоя в процессе последующего выщелачивания.
[0075] Некоторые варианты осуществления относятся к применению выщелачивания в неподвижном слое. Использование варианта выщелачивания в неподвижном слое дает возможность получения хорошо дифференцируемого последовательного выщелачивания. После экстракции первым растворителем для извлечения соединения колонна может быть высушена при желании потоком газа, и затем может быть использован второй растворитель, который преимущественно извлекает соединения, отличающиеся от соединений, экстрагированных первым растворителем. Эти процессы могут предотвратить загрязнение одного выщелачивающего агента другим или смешивание выщелачивающих агентов, которое может оказывать влияние на обработку целевых соединений. В некоторых вариантах осуществления агломерированные водоросли при выщелачивании в неподвижном слое обеспечивают возможность легкого перехода с одного растворителя на другой. Согласно данным вариантам осуществления, после гексана может следовать этанол (могут быть использованы неполярные или полярные растворители), облегчающий сегрегацию соединений. Такое разделение растворителей позволяет избежать использования дорогостоящего разделения после иного рода обработки смешанных растворителей и извлеченных соединений. В некоторых вариантах осуществления множество растворителей выбирают таким образом, чтобы их можно было смешивать вместе и применять одновременно.
[0076] После применения последнего второго (или третьего, четвертого и т.д.) растворителя слой может быть очищен от растворителя и необязательно снова высушен перед выгрузкой. Предполагается, что растворители могут быть смешаны, например, могут быть смешаны два или более растворителей и использованы в любом описанном в данном описании процессе экстракции (например, гексан и этанол, метанол, хлороформ и т.д.). Таким образом, при обработке в проницаемом уплотненном слое различные растворители предпочтительной химической природы, например, полярные и неполярные, могут быть использованы последовательно для экстракции различных представляющих интерес соединений из массы образца, также известной как "навеска". Это последовательное применение типов растворителей позволяет получать раздельное извлечение и сегрегацию экстрагируемых продуктов. Такая сегрегация может быть желательной для дальнейшего снижения стоимости очистки и отделения одного соединения от другого. Последовательное выщелачивание также может обеспечивать возможность получения более чистого экстракта продукта, целевого соединения или биотоплива. В некоторых вариантах осуществления нежелательные соединения могут быть элюированы или удалены из агломерированной культуры перед выщелачиванием целевого соединения.
[0077] В некоторых вариантах осуществления растворитель используют в перколяционной системе, в которой растворитель просачивается через агрегированные частицы, а не в системе, в которой растворитель используется для покрытия частиц биомассы. Использование перколяционной системы позволяет растворителю растворять растворяемые вещества при его прохождении через агрегированные частицы (например, вокруг белее мелких частиц, которые составляют агрегированные частицы). Агрегированная частица может быть ориентирована в вертикальном положении по отношению к растворителю, вводимому в верхней части агрегированной частицы таким образом, что под действием силы тяжести растворитель может проходить через агрегированную частицу и выходить через ее основание (например, снизу). В этих вариантах осуществления растворитель может быть использован только один раз (например, без необходимости рециркуляции), что уменьшает количество времени и необходимого растворителя. В других вариантах осуществления растворитель может циркулировать через слой для увеличения концентрации экстрагируемых соединений, например, для достижения требуемой концентрации растворенного вещества или уменьшения количества растворителя и растворенного вещества, которые подвергаются процессу разделения. В некоторых вариантах осуществления время выщелачивания может составлять примерно 24 часа или менее.
[0078] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления агломерация может улучшить поток текучей среды, как растворителей, так и других текучих сред, через уплотненный слой. Улучшенный поток текучей среды в слое агломерированных частиц может улучшить экстракцию растворителем (извлечение выщелачиванием), повысить выход и повысить эффективность извлечения требуемых компонентов из материала в уплотненном слое. Улучшенный поток текучей среды через уплотненный слой агломерированных частиц может повысить степень и скорость экстракции в процессе выщелачивания. Агломерация улучшает перколяцию, и пористость слоя может повысить безопасность при выщелачивании и другой обработке потенциально огнеопасных растворителей, например, при продувке или сушке образца после выщелачивания. Кроме того, заполнение пор неподвижного слоя газами, которые образуют негорючую смесь с горючими растворителями, также способствует повышению уровня безопасности. Используемые в данном описании негорючие текучие среды включают, но без ограничения, азот или оксид углерода. Используемые в данном описании горючие растворители включают, но без ограничения, гексан и этанол.
[0079] Использование агломерированных частиц водорослей в варианте выщелачивания с перемешиванием может улучшить фильтруемость частиц после выщелачивания. Благодаря улучшению фильтруемости может быть извлечено большее количество выщелачивающего агента и целевых соединений. Кроме того, в результате улучшения характеристик перколяции и дренажа агломерация способствует уменьшению количества выщелачивающего агента и/или используемых для промывки агентов, оставшихся в твердых веществах либо отфильтрованного материала, либо уплотненных слоев. Кроме того, водоросли могут быть обработаны как до, так и во время экстракции выщелачиванием для улучшения указанного извлечения целевых соединений. Эти методы обработки включают поддержание температуры во время сушки водорослей, поддержание размера частиц твердых веществ водорослей, предназначенных для обработки выщелачиванием, поддержание массового отношения жидкость-твердое вещество ("L/S") во время выщелачивания, а также поддержание температуры растворителя или "выщелачивающего агента". Некоторые из этих методов обработки описаны ниже более подробно.
[0080] Другие варианты осуществления относятся к изменению отношений растворителя к твердой массе с целью оптимизации экстракции продуктов из биомассы. В некоторых вариантах осуществления оптимальная комбинация или интервал отношений жидкость-твердое вещество (L/S) может быть определен путем тестирования выщелачивания при различных отношениях L/S. Использование оптимального отношения L/S может минимизировать энергоемкую перегонку избытка растворителя из экстрагируемых соединений в вытяжке, гарантируя при этом присутствие растворителя для достижения адекватного извлечения требуемых соединений во время выщелачивания в любом уплотненном слое или варианте выщелачивания с перемешиванием.
[0081] Некоторые приведенные в данном описании варианты осуществления относятся к варианту выщелачивания в неподвижном слое с использованием высоких значений отношения длины к диаметру. Высокое аспектное отношение может быть больше 1 или 5, или 10, или больше. Этот параметр может оптимизировать выщелачивание за счет минимизации количества выщелачивающего агента, оптимизируя при этом количество растворенного вещества в выходящей вытяжке, благодаря противоточному контакту, который минимизирует сопротивление экстракции растворенного вещества из равновесных концентраций растворенного вещества в растворителе и носителе. В других вариантах осуществления описанное в данном описании выщелачивание может осуществляться в емкости с высоким аспектным отношением и потенциально включает выщелачивание с использованием первых и вторых выщелачивающих агентов, т.е. экстрагирование требуемых соединений одним выщелачивающим агентом с последующей экстракцией вторым выщелачивающим агентом. Первые и вторые выщелачивающие агенты могут быть различными, согласно общей классификации химических веществ, например, полярные и неполярные растворители, или по специфичности или силе, например, этанол и хлороформ.
[0082] Некоторые варианты осуществления относятся к изменению температуры в процессе выщелачивания с целью улучшения экстракции требуемых соединений. Повышенная температура относительно комнатной температуры, температуры окружающей среды или температуры воздуха (например, при работе на улице или на неотапливаемой площади) может улучшать текучесть растворителей и экстрагируемых соединений, а также увеличивать химическую активность растворителей при растворении растворимых веществ и может быть использована для улучшения выщелачивания соединений из биомассы. В некоторых вариантах осуществления температура, используемая в процессе выщелачивания (и в других процессах), может быть равна примерно 35°C или может быть ниже 35°C. Эта температура может быть постоянной или может меняться. В некоторых вариантах осуществления нужная температура может поддерживаться во время выщелачивания для подавления или уменьшения степени экстракции определенных менее желательных компонентов, которые являются более растворимыми при других температурах. В других вариантах осуществления один диапазон температур может поддерживаться в течение одной части цикла выщелачивания и изменяться на другой диапазон температур для другой части цикла выщелачивания.
[0083] Другие варианты осуществления относятся к выщелачиванию агломерированных частиц, выполняемому в вариантах осуществления с перемешиваемым слоем, перколяции через слой и затопленного слоя. Согласно данным вариантам осуществления, выщелачивание за счет перколяции может обеспечить среду для условия противоточного выщелачивания без энергозатрат на механическое суспендирование биомассы в растворителе. Выщелачивание с перемешиванием обеспечивает возможность для экстракции легко и быстро экстрагируемых соединений за короткий промежуток времени. Выщелачивание затоплением не требует постоянного притока энергии в систему выщелачивания, но для достижения противоточного контакта может потребоваться множество стадий. Таким образом, различные ограничения, связанные с местом сайта или процессом, могут приводить к предпочтительному применению одного из этих вариантов выщелачивания или их комбинации относительно других вариантов осуществления, но в разных условиях любой из этих методов выщелачивания, в котором используется агломерированная биомасса, на практике может оказаться более подходящим.
[0084] Некоторые варианты осуществления относятся к определению относительной прочности и стабильности агломератов для оптимизации условий агломерации. Тест погружением гранул в соответствующем растворителе способен продемонстрировать прочность агломератов при насыщении растворителем. Испытание на прочность высушенных агломератов, помещенных в компрессионное устройство в присутствии или в отсутствие растворителя, может быть использовано для демонстрации механической целостности и прочности в процессе обработки и выщелачивания. Например, на фиг.3 показано иллюстративное устройство для оценки сопротивления сжатию и других параметров гранул (например, гранул водорослей) или для имитации массы агломератов в колонне. Используемую для прессования массу помещают на прижимную пластину, которая служит для прессования агломератов внутри цилиндрических стенок тестовой колонны. Массовое значение используемой для прессования иллюстративной массы может быть выбрано таким, чтобы оно представляло собой конкретную репрезентативную массу суспензионной культуры (например, водорослей) и/или других компонентов, что обычно приводит к увеличению давления на дно колонны или другой емкости под действием силы тяжести. Вместо создания более высокой колонны для тестирования давления и других характеристик на дне колонны может быть использована более короткая тестовая колонна с используемой для прессования массой для удвоения силы сжатия в направлении дна колонны, которая обычно возникает с увеличением глубины более высокой колонны. Различные значения используемой для прессования массы могут быть использованы для удвоения колонн разной глубины или высоты. Кроме того, эти устройства могут быть оборудованы сливным отверстием, как показано, и могут быть адаптированы для использования растворителя. Некоторые устройства содержат многослойные удерживающие экраны (например, алюминиевые) для поддержки агломератов. Используя это устройство можно тестировать устойчивость агломератов.
[0085] В некоторых вариантах осуществления представлены наборы. Например, набор может включать, но без ограничения, композиции гранул, помещенные в контейнер для использования в дальнейшей экстракции целевых продуктов. Гранулы в наборе могут содержать агломерированные частицы, где большинство, более 50% гранул, включает агломерированные частицы от 300 микрон и более. В других вариантах осуществления наборы могут храниться при различных температурах для оптимизации срока хранения гранул в зависимости от используемой микробной биомассы. В некоторых вариантах осуществления набор можно хранить при комнатной температуре. В других вариантах осуществления набор может храниться в холодильнике или морозильнике, или даже в жидком азоте.
[0086] Предоставляются контейнеры для применения для оптимального размещения компонентов набора.
ПРИМЕРЫ
[0087] Ниже приведены примеры, иллюстрирующие различные варианты осуществления и комбинации описанных в данном описании вариантов осуществления. Специалисту в данной области будет очевидно, что некоторые параметры являются иллюстративными, и эти параметры могут изменяться в зависимости от условий и других факторов.
Пример 1
[0088] На фиг. 1 показано извлечение липидов выщелачиванием из высушенных водорослей как функция от температуры, используемой для сушки, и размера частиц. Как показано на фиг.1, при выщелачивании с перемешиванием в сравнимых условиях, образец фракции с размером частиц от -1 мм до +850 микрон, высушенный при 100°C, обеспечивал более высокую степень экстракции липидов по массе, по сравнению с другими фракциями такого же размера, и самая высокая экстракция была получена для образца с размером частиц 300 микрон, исключительно мелкие частицы. Было показано, что повышенные температуры могут в какой-то момент приводить к деградации липидных компонентов водорослей, однако уровень, при котором это происходит, при сушке не был окончательно установлен. При этом была определена температура, при которой липидный состав водорослей может изменяться, и эта температура, как было показано, превышает 112°C. Поскольку масса водорослей, например, твердые вещества, полученные в результате фильтрации или центрифугирования, или "лепешка", по существу полностью и достаточно быстро высыхает при 100°C, что обеспечивает параметр, при котором экстракция может осуществляться без риска изменения липидов водорослей. Последующее испытание с использованием водорослей Nannochloropsis salina, высушенных при равновесной температуре 112°C с последующим выщелачиванием в тесте с использованием встряхиваемой вращающейся бутылки или колонны, было показано, что сушка при температуре до 112°C не уменьшала степень извлечения и не приводила к повреждению содержащихся липидов.
2
[0089] При полном высыхании обезвоженных водорослей, например, фильтрационной лепешки культуры водорослей или твердого вещества, собранного центрифугированием, клетки размером 2-10 микрон, содержащие основное вещество водорослей, формировали затвердевшую массу, которая легко крошилась. Выщелачивание высушенных водорослей в виде уплотненной массы может привести к низкой степени извлечения представляющих интерес экстрагируемых соединений, в частности, из-за удлинения путей диффузионных потоков растворителя до достижения клеточных компартментов, и диффундирования представляющих интерес экстрагируемых соединений для из уплотненной массы и далее из массы водорослей в объем растворителя. Кроме того, площадь поверхности уплотненной массы на единицу измерения, например см/г, является очень низкой. Для минимизации времени экстракции и улучшения извлечения выщелачиванием размер частиц высушенных водорослей можно уменьшить разрушением, дроблением и измельчением. Было показано, что последующее извлечение выщелачиванием может быть улучшено при определенном размере частиц водорослей. Например, более мелкие частицы высушенных водорослей обычно обеспечивают более быстрое выщелачивание по сравнению с более крупными.
Пример 2
[0090] В одном из иллюстративных примеров способа культуры водорослей сушили при 100 градусах по Цельсию, и уплотненную массу дробили на мелкие фракции. Затем образец сортировали или "просеивали" для разделения частиц водорослей по размеру на несколько классов. Затем образцы с размером частиц каждого диапазона подвергали выщелачиванию гексаном при взбалтывании в параллельных тестах для определения скорости и степени извлечения путем выщелачивания из расчета по массе. Один образец, подвергнутый выщелачиванию параллельно с образцами с узким диапазоном размера частиц, состоял из мелко раздробленного непросеянного материала, представляющего собой "измельченную смесь". Условия для выщелачивания в данном примере были следующими: отношение L/S по массе составляло 5:1 при комнатной температуре. Некоторые результаты тестов на выщелачивание представлены на фиг.2.
[0091] На фиг.2 представлен график зависимости степени извлечения выщелачиванием гексаном из сухих водорослей как функция размера частиц. Было показано, что частицы, присутствующие во фракциях более крупного размера (например, -1 мм +850 микрон), оказались менее подходящими для экстракции липидов гексаном, по сравнению с фракциями меньшего размера (например, -300 +147 микрон). Кроме того, извлечение выщелачиванием в данных тестах улучшалось незначительно для фракций следующего размера, раздробленных мельче, чем -300 +147 микрон. Таким образом, было показано, что выщелачивание из более мелких частиц сухих водорослей является более эффективным по сравнению с более крупными частицами при выщелачивании в аналогичных условиях, при этом достигается более высокая степень извлечения требуемых соединений. В некоторых вариантах осуществления, выполняемых путем взбалтывания среды, мелкие фракции доставляют минимальные неудобства в процессе выщелачивания, при этом отделение жидкости от твердого вещества после выщелачивания становится более проблематичным с уменьшением размера частиц.
2
2
[0092] В других иллюстративных способах было показано, что при попытке прохождения текучих сред через уложенные или уплотненные слои мелко раздробленного материала часто возникают проблемы. В данных способах присутствие мелких фракций может приводить к миграции мелких фракций или минимизации пор, представляющих каналы для потока текучей среды для осуществления экстракции в уплотненном слое. Мелкие фракции оказывают негативное влияние на поток текучей среды. Мелкие фракции могут существенно уменьшать размер каналов и уменьшать степень извлечения представляющих интерес соединений. Миграция мелких фракций или уменьшенные размеры пор в уплотненном слое могут привести к образованию преимущественных потоков растворителя в некоторых областях, "каналообразованию", а также ослаблению потоков в других направлениях, "засорению" или блокаде по существу всего потока, "закупорке". Эти связанные с потоком проблемы ограничивают контакт жидкость-твердое вещество и могут уменьшить или даже предотвратить экстрагирование компонентов, промывку слоя или сушку, когда растворитель может захватываться и удерживаться в областях уплотненного слоя. В одном из примеров выщелачивания неагломерированных высушенных твердых веществ (см. пример 1) навеску дробленых и измельченных водорослей, в которой примерно 20% частиц по массе было менее 300 микрон, помещали в том виде, как они были получены, в колонну диаметром 3 дюйма (76 мм) и высотой 20 дюймов (510 мм). После введения растворителя в колонну сверху слой в колонне вскоре перестал пропускать нужное количество растворителя, и колонна по существу закупорилась. Даже последующая продувка газообразным азотом под избыточным давлением 10 фунт/дюйм (абсолютное давление 22 фунт/дюйм или 152 кПа) через верх колонны не смогла продавить нужное количество растворителя через уплотненный слой, и испытание было прекращено. Последующая сортировка навески раздробленных и измельченных водорослей для удаления по существу всех частиц размером менее 300 микрон позволила получить проницаемый неподвижный слой для экстракции липидов гексаном, но с дополнительными затратами на обработку и одновременной потерей из процесса примерно 20% образца по массе.
[0093] В некоторых иллюстративных способах показана возможность получения более крупных частиц и, следовательно, уменьшения или устранения фракций менее 300 микрон для создания и сохранения пустот (пор) между частицами в слое с целью уменьшения или устранения негативно влияющих на поток эффектов, создаваемых мелкими частицами и мелкими фракциями. В некоторых способах можно использовать агломерацию, при которой более мелкие частицы прикрепляются к более крупным частицам или к чему-нибудь иному с получением более крупных частиц соединения. При прикреплении мелкие фракции больше не способны к перемещению или миграции, эффективный средний размер частиц увеличивается, и размер пор в уплотненном слое также увеличивается. Более крупные поры и увеличенное количество пор позволяет уменьшить сопротивление потоку текучей среды. При выщелачивании из агломерированного материала растворитель может распределяться более равномерно по всему слою с более высокой скоростью потока, обеспечивая более быстрое и более полное извлечение экстрагируемых соединений.
[0094] В некоторых способах агломерация может достигаться за счет взаимодействия между частицами в присутствии, например, дополнительного соединения, называемого “связующим”, вызывающим слипание частиц друг к другу. Связующим может быть либо добавка, либо компонент навески. Часто связующее активируют добавлением жидкости, хотя могут быть использованы другие реакционноспособные вещества. В некоторых вариантах осуществления при агломерации создают вихревое вращение частиц, контактирующих друг с другом. В одном из примеров агломерацию суспензионных культур выполняют в емкости, содержащей высушенные и раздробленные культуры, путем вращения сосуда, создавая внутри сосуда каскад вращающихся частиц, катящихся одна за другой. Некоторые способы могут включать связующий агент, способствующий агломерации более мелких частиц с более крупными частицами и друг с другом. В некоторых способах может быть добавлена жидкость в виде крупных или больших капель, отличных от частиц тумана. Крупные капли могут формировать ядра с влажной поверхностью, способствуя агломерации частиц. Жидкость может добавляться периодически или непрерывно, пока не будет достигнута достаточная степень прикрепления частиц. Было показано, что в некоторых высушенных суспензионных культурах содержится достаточное количество природного материала, обеспечивающее эффективную агломерацию при добавлении воды без добавления экзогенных связующих. Это позволяет сократить расходы при одновременном увеличении количества продукта, получаемого из этих культур. Так, например, вызывая самоагломерацию (например, в определенных видах водорослей), используя только крупные капли воды, можно значительно сократить расходы и дополнительно повысить чистоту получаемого продукта. В этих иллюстративных способах отсутствует необходимость в удалении и добавлении связующего агента к соединению или продукту, собранному из суспензионной культуры.
Пример 3
[0095] В одном из способов 1 л банку снабжали прокладкой (вкладышем) для подъема с одного конца для загрузки высушенных и измельченных водорослей, при этом банку располагали в горизонтальном положении на небольшом устройстве полировки камней барабанного типа. При вращении емкости добавляли воду аэрозольным распылителем по мере загрузки водорослей в каскадном режиме. На фиг.3 показаны водоросли, агломерированные на данной установке. На фиг.3 показана агломерация высушенных и измельченных водорослей в 1-литровой емкости методом, в котором используется устройство полировки камней барабанного типа.
3
[0096] Для агломерации образцов большого объема, 1,25 фут (42 л), использовали электрическую бетономешалку. На фиг.4 и 4B показана установка, используемая для больших объемов. На фиг.4A и 4B показаны более крупные мешалки (например, для цемента), используемые для агломерации культур водорослей в более крупных масштабах. На фиг.4a показана электрическая мешалка, и на фиг.4B показаны водоросли в более крупной мешалке, где частицы водорослей были загружены в каскадном режиме. Кроме того, для образцов большего объема можно использовать другие мешалки (например, половина кубического ярда, данные не показаны).
Пример 4
[0097] В некоторых способах, где используют экзогенные жидкости, может потребоваться дополнительная сушка для достижения целевой агломерации культуры. Повторная сушка культуры может улучшить процесс выщелачивания из культуры. После образования агломератов сушка с помощью тепла, воздуха, химических веществ или их комбинации может улучшить прочность или устойчивость агломерированных частиц (агломератов) к физическим и химическим взаимодействиям. Повторная сушка также может уменьшить устойчивость содержащих образец клеток биологической массы к растворителю при его взаимодействии с компонентами в клетках. Например, агломерированный материал может быть помещен на некоторое время в сушильный шкаф для уменьшения или удаления текучей среды из агломератов. Проведенные тесты на сушку и выщелачивание продемонстрировали, что эффективность выщелачивания улучшается с последовательным увеличением температуры в предпочтительном интервале тестирования, однако следует избегать температур, выше которых начинается разрушение соединений биомассы. В этой связи, повторную сушку навески агломерированных частиц проводили при той же оптимальной температуре, которая была использована во время начальной сушки образца, который еще не был подвергнут процессу агломерации. На фиг.5 показаны агломераты, образованные из высушенных и измельченных водорослей, с использованием при агломерации различных количеств воды, где количество добавленной воды указано в процентах по отношению к сухой массе водорослей (например, 100 г воды, добавленной к 400 г сухих водорослей = 25%). Также следует отметить, что размер агломерированных частиц увеличивается с увеличением количества воды, добавляемой во время процесса агломерации. На фиг.5 показан результат увеличения количества воды, добавляемой во время описанного процесса агломерации.
[0098] Стабильность и прочность агломератов биомассы может быть протестирована после повторной сушки в выбранном растворителе методом погружения. После повторной сушки из навески агломерированных частиц тестируемого материала можно выбрать несколько гранул таким образом, чтобы они являлись репрезентативными для большинства агломератов, и не относились к крайним значениям, например, не были слишком большими или слишком мелкими. Выбранные гранулы можно поместить в герметичную емкость, содержащую растворитель в количестве, достаточном для покрытия гранул, и поддерживаемую в статичных условиях в течение времени, необходимого для механического разрушения или разделения на мелкие фракции. В некоторых вариантах осуществления гранулы способны сохраняться в состоянии погружения в течение нескольких дней без существенного ухудшения. В иллюстративном тесте агломерированные частицы водорослей сохранялись в агломерированном виде после семи дней погружения.
[0099] Используемое для тестирования устройство может быть выполнено с возможностью приложения на размещенный в нем образец агломератов силы на единицу площади известной величины для определения устойчивости агломератов по отношению к прилагаемому давлению. Данный тест может быть использован для оценки эффективности гранул, а также для гарантии того, что существует малая вероятность того, что правильно сформированные гранулы разрушатся (если они вообще разрушатся) под воздействием условий, создаваемых при экстракции при выщелачивании. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения было изготовлено устройство, содержащее кусок стальной вентиляционной трубы диаметром 6 дюймов (150 мм) и высотой 6 дюймов (150 мм), предназначенной для загрузки представляющего интерес образца, оборудованной герметично приваренным дном в виде перегородки, образуя цилиндр, закрытый с одного конца и открытый с другого. Перегородка является слегка вогнутой для облегчения слива и в центре имеет просверленное отверстие, оснащенное краном, и оборудована шаровым вентилем для регулирования слива. Добавлена стойка, достаточная, чтобы разместить стакан под сливным клапаном. См., например, фиг.6D
[00100] В верхней части перегородки натянута сетка, предназначенная для дренажа и служащая в качестве опоры для задерживающего сита, на котором находится навеска агломерированных частиц. Задерживающее сито выполнено из четырех слоев алюминиевой оконной сетки. В данном примере был выбран алюминий, но может быть использован любой материал, совместимый с гексаном или другими известными специалисту в данной области техники растворителями целевых липидов водорослей. См. фиг.6E. Верхняя прижимная пластина изготовлена из стального листа и обрезана до диаметра, обеспечивающего зазор 1/8 дюйма (3 мм) со всех сторон относительно внутреннего диаметра цилиндрической секции. На прижимной пластине могут быть размещен груз для приложения силы к агломератам, содержащимся в тестовом устройстве. В зависимости от физических пропорций тестового устройства и массы используемого образца к прижимной пластине могут быть добавлены дополнительно разделитель или вертикальная труба. Разделитель может быть расположен между добавляемыми грузами и прижимной пластиной, например, для того, чтобы груз не лежал непосредственно на цилиндре, в котором находится образец, и, согласно конструкции, давили на прижимную пластину. Например, на верхней пластине может находиться секция легких стальных труб, например, диаметром 4 дюйма (100 мм) и длиной 4 дюйма (100 мм), концентрически приваренных к прижимной пластине и служащих в качестве разделителя и опоры для грузов. Для изготовления любого компонента описанного устройства может быть использован любой известный в данной области химически совместимый материал, в зависимости от потребностей и используемого растворителя/экстракционной среды. На фиг.6A представлена схема описанного блока в конфигурации, в которой не требуется разделитель для груза. Опорные стойки данного блока не показаны для упрощения чертежа. На фиг.6A показано устройство для тестирования прочности агломератов на раздавливание.
[00101] При работе описанного выше устройства навеску гранул агломератов загружали в цилиндрическую секцию тестового устройства. В некоторых способах навеска должна заполнять блок до уровня, достаточного для того, чтобы груз, лежащий на секции разделителя, не соприкасался с верхней частью цилиндрической секции, например, в каждом тесте агломерированных водорослей в устройстве описанной выше конструкции количество образца превышало 400 г. Навеску выравнивали и сверху клали верхнюю перегородку. На боковой стороне разделителя отмечали местоположение верхней части нижней цилиндрической секции устройства, используя, по желанию, непосредственно край для более точного местоположения отметки. Затем на разделитель помещали груз, имитируя условия, воздействующие на слой в процессе выщелачивания. Например, в качестве граничных условий можно выбрать давление, оказываемое на гранулы, расположенный на самом дне, без учета сил трения на боковые стороны цилиндрической емкости, используемой для выщелачивания, например для имитации слоя высотой 10 футов (3 м) необходимо добавить примерно 62 фунта (28 кг) агломерированных водорослей с объемной плотностью 0,5 кг/л. В реальных условиях, боковые стороны используемой для выщелачивания цилиндрической емкости служат в качестве опоры столба навески, но в качестве экстремального условия можно рассматривать сценарий "без трения боковых сторон”, как пример наихудшего граничного условия. После добавления груза на разделитель, лежащий на навеске сухого материала, добавляют вторую отметку на разделителе для регистрации уровня сжатия сухого вещества. См. фиг.6B. Затем груз удаляют, и добавляют отметку "возврата" для демонстрации устойчивости гранул. См. фиг.6C. Груз и прижимную пластину временно удаляют, и навеску сверху можно заливать растворителем липидов водорослей, например, гексаном, до тех пор, пока вся поверхность навески не покроется жидкостью. В данном примере объем жидкости, добавляемой в этот момент, составляет общее количество гексана, поглощаемое частицами водорослей, плюс объем пор тестируемой навески после ее сжатия в сухом виде. На навеску снова помещают прижимную пластину/разделитель, и на разделитель снова помещают груз. Затем на боковой стене разделителя отмечают уровень "мокрого" сжатия на уровне верха цилиндрической секции. Устройство может быть оставлено в таком состоянии на необходимое время для имитации условий, которые, возможно, воздействуют на агломераты, например, в колонне. В одном из тестов, проводимых с использованием описанного устройства, в уровне сжатия не наблюдалось каких-либо изменений, спустя один час после смачивания гексаном. По истечении заданного периода времени груз может быть удален. Сливной клапан открывают для удаления из слоя растворителя. При желании, уровень растворителе может быть уменьшен до обнажения верхней части сжатого слоя, емкость, в которую сливают растворитель, опустошат, и затем сливают остатки растворителя и записывают их количество. В данном случае, второй объем полного дренажа представляет объем пор сжатого слоя. В одном из тестов агломерированных водорослей измеренный объем пор составил 51% в расчете на сжатый объем слоя (условие, при котором первоначально был добавлен гексан).
Примеры экстракции
[00102] После агломерации и повторной сушки навеска готова для загрузки в устройство для экстракции и засыпается в контейнер для формирования неподвижного слоя. Форма такого контейнера может влиять на степень экстракции в процессе выщелачивания. Если в контейнер с навеской водорослей выщелачивающий агент добавляется до того, как растворитель покроет слой, образуя статический раствор, выщелачивание растворенного вещества будет проходить до установления равновесия между концентрацией растворенного вещества в частицах и концентрацией растворенного вещества в растворе. Затем растворитель с компонентами, вымытыми из навески, совокупность которых получила название "вытяжки" (фильтрата), можно выводить из слоя и заменять свежим растворителем также до достижения равновесной концентрации растворенного вещества, и процесс повторяют. При таком сценарии процесса форма контейнера для навески не влияет на степень выщелачивания. Однако, если контейнер, используемый для выщелачивания из навески, вытянут в вертикальном направлении, и растворитель наливают сверху для прохождения через слой и свободного выхода из навески, эффект заключается в увеличении концентрации растворенного вещества в вытяжке по мере его прохождения через навеску. Например, свежий выщелачивающий агент, наносимый на навеску сверху, имеет максимальный перепад концентрации по сравнению с концентрацией растворенного вещества в навеске, и экстракция осуществляется. По мере прохождения выщелачивающего агента по длинному пути потока через навеску водорослей концентрация растворенного вещества в выщелачивающем агенте постепенно увеличивается и может достичь равновесия с концентрацией в навеске до выхода из колонны. Это означает максимальное использование каждого добавляемого количества вводимого выщелачивающего агента. Такая схема процесса, при которой растворитель с наименьшей концентрацией растворимого вещества контактирует с твердым веществом с наименьшей концентрацией растворимого вещества, и растворитель с более высокой концентрацией растворимого вещества контактирует с твердым веществом с более высокой концентрацией растворимого вещества, известен как противоточный контакт. Противоточный контакт дает в результате более высокую концентрацию экстракта и более высокое извлечение растворимых компонентов из твердых частиц. В этих условиях для улучшения процесса выщелачивания за счет создания условий для противоточного выщелачивания следует рассмотреть более высокое аспектное отношение, например, высокое отношение длины к диаметру. Таким образом, цилиндрический контейнер для суспензионной культуры, например, для экстракции водорослей выщелачиванием может оказаться высокоэффективной конфигурацией с уплотненным слоем.
[00103] В другом способе после загрузки в контейнер навески, предназначенной для выщелачивания культуры, контейнер может быть подвергнут вибрации при помощи механического приспособления или может встряхиваться вручную для обеспечения усадки загруженного материала. Хотя такая усадка может быть нежелательной в случае отсутствия агломерации по причине сужения пор и, следовательно, путей для прохождения потоков через слой, ее можно использовать при загрузке агломерированных частиц для образования однородно уплотненного слоя для выщелачивания. После загрузки в емкость для выщелачивания, объем и масса навески могут быть зарегистрированы для вычисления объемной плотности осевшего материала, например, в фунтах на кубический фут или килограммах на кубический метр. При желании, усадку навески аналогичным способом можно выполнять во время загрузки при получении однородной объемной плотности для обеспечения однородного слоя, особенно полезного при разработке способа. После загрузки навески культуры в емкость для выщелачивания, навеску заливают растворителем, подходящим для экстракции целевых соединений, например, полярным растворителем для извлечения полярных соединений, содержащихся в навеске, или неполярным растворителем для извлечения из навески преимущественно неполярных соединений. В некоторых способах выщелачивающий агент необходимо вводить в определенном диапазоне скоростей с тем, чтобы не превысить способность навески принимать и пропускать раствор, явление известное как "захлебывание", или избежать излишне низкой скорости введения раствора, при которой достигается равновесное состояние с навеской вскоре после введения раствора, обеспечивая только относительно низкую скорость извлечения растворенного вещества выщелачиванием и затягивание процесса выщелачивания. На фиг.7 показаны агломерированные водоросли, загруженные в стеклянную колонну и находящиеся в процессе выщелачивания растворителем. На фиг.7 представлены агломерированные водоросли, смоченные растворителем в стеклянной колонне диаметром 2 дюйма (50 мм).
[00104] Если для выщелачивания в колонне используется свежая навеска образца, избыток растворимого вещества может превышать количество, которое может быть растворено и извлечено растворителем. На данной стадии процесса экстракции может быть использована относительно высокая скорость введения в навеску для достижения высокой скорости экстракции растворенного вещества. Выделение растворенных компонентов из растворителя, например, перегонкой, является энергоемким процессом, и поэтому желательно минимизировать ненужное разбавление растворимых компонентов чрезмерным количеством растворителя. Позже в процессе выщелачивания, например, когда вытяжка, выходящая из колонны для выщелачивания содержит растворенное вещество в количестве, меньшем, чем равновесная концентрация, скорость введения раствора может быть уменьшена, чтобы избежать превышения необходимого количества вводимого в колонну свежего или повторно используемого гексана. Соответственно, скорость введения выщелачивающего агента может быть оптимизирована для конкретной стадии выщелачивания или по другим параметрам, например, по определенной рассчитанной концентрации растворенного вещества в вытяжке.
Пример 5
[00105] При выщелачивании липидов водорослей из высушенных водорослей было обнаружено, что небольшое количество растворителя, смачивающее водоросли, сначала выщелачивает из массы липиды с концентрацией, при которой они могут становиться очень вязкими. Тесты по выщелачиванию, проведенные при различных скоростях потока и длине пути выщелачивания, подтвердили возможность изоляции определенной доли частиц от растворителя, уменьшая тем самым степень извлечения при выщелачивании. Этот эффект авторы назвали "осмолением". Следующий тест демонстрирует действие этого эффекта.
[00106] Для проведения тестов по выщелачиванию было использовано шесть стеклянных колонн. Все колонны составляли в диаметре 2 дюйма (50 мм) и имели высоту 22 дюйма (550 мм). Две колонны были расположены таким образом, что выходящий поток из одной колонны капал непосредственно в другую колонну, образуя эквивалент неподвижного слоя высотой 44 дюйма (1,1 метра). Эта конструкция была названа колонной 1. Колонны 2-5 были "единичными" по высоте колоннами, работающими независимо друг от друга. Все колонны были загружены водорослями, представляющими собой части композитного образца, который был высушен, мелко измельчен и агломерирован, как описано выше, и в случае 60% добавленной влаги был повторно высушен при температуре первоначальной сушки. В приведенной ниже таблице 1 представлены различные условия испытаний этих колонн.
Таблица 1Условия испытаний колонн для выщелачивания диаметром 2 дюйма (50 мм)
№ теста
1
2
3
4
5
Режим заливки
высокий
высокий
средний
низкий
высокий
Высота слоя, режим
высокий
низкий
низкий
низкий
низкий
Высота слоя, м
1,12
0,56
0,56
0,56
0,56
Абсолютная объемная плотность, кг/м<sup>3</sup>
472
511
459
505
482
Режим выщелачивания
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Эт-Гекс
Скорость заливки, мл/мин
2,1
2,1
0,93
0,38
2,2
Скорость заливки, л/ч
0,1
0,1
0,06
0,0228
0,132
Выходящий поток, длина/диаметр
3,0
3,0
1,3
0,55
3,2
[00107] Как показано в таблице 1, режим выщелачивания обозначен как Гекс-Эт или Эт-Гекс, указывая на порядок, в котором добавляли выщелачивающие агенты в тестовые колонны, например, Гекс-Эт указывает на то, что для экстракционного выщелачивания использовали гексан с последующей сушкой, и затем в качестве второго выщелачивающего агента для экстракционного выщелачивания из навески в колонне использовали этанол. Как видно из таблицы 1, поток растворителя в колонне 4 был относительно низким по сравнению с другими. Растворитель вводили с определенной постоянной скоростью в каждую колонну в течение всего теста. Первый поток, вытекающий из колонны 4, был очень вязким, для полного растекания капель после падения в стеклянный приемный сосуд требовалось несколько секунд. Для сравнения, поток, вытекающий из колонны 2, был заметно менее вязким. Даже в колонне 1, высота которой в два раза превышала высоту остальных колонн, вытекающий поток имел более низкую вязкость по сравнению с потоком, вытекающим из колонны 4. На фиг.8 показан гравиметрический выход из колонн, представленных в таблице 1. В колонне 4 совокупное гравиметрическое извлечение сначала увеличивалось как функция от времени, о чем свидетельствуют данные, приведенные на фиг.8. Тем не менее, на графике для колонный 4 также видно, что через определенный промежуток времени скорость гравиметрического извлечения уменьшается, и в итоге величина общего извлечения оказывается более низкой, по сравнению с величиной в других тестовых колоннах. Отрицательный результат при непрерывном введении растворителя, например через 80 часов, в плане извлечения оставшихся соединений из колонны 4, свидетельствует о том, что низкая скорость введения растворителя способна в итоге ограничить гравиметрическое извлечение. Это указывает на то, что осмоление может приводить к прекращению экстракционного извлечения через по меньшей мере короткий промежуток времени, например, за время тестирования. На фиг.8 показана экстракция сухих водорослей гексаном в сравниваемых тестовых колоннах. В обсуждаемых ниже примерах, а также на фиг. 11, 13 и 14, показаны результаты эффекта "осмоления".
[00108] Помимо гравиметрического выхода из образцов интерес также представляет химическая структура извлеченных соединений и их относительные соотношения в экстрактах, полученных при различных скоростях введения выщелачивающего агента. Соответственно, образцы экстрактов из тестовых колонн диаметром 2 дюйма (50 мм), полученные при изменяющихся в широких пределах скоростях введения, были подвергнуты переэтерификации и анализу методом газовой хроматографии (ГХ). На фиг.9 показаны результаты ГХ анализа для колонн, указанных в таблице 1. Эти эксперименты не показали каких-либо существенных различий между композициями, экстрагированными гексаном из колонн для выщелачивания, включая экстракт из колонны 4, который, как было указано при обсуждении фиг.8, продемонстрировал эффект осмоления. На фиг.9 представлены результаты анализа методом газовой хроматографии экстракта гексаном из четырех тестовых колонн, описанных в таблице 1.
Пример 6
2
2
2
2
[00109] Следующее тестирование в колонне проводили с использованием стальной трубы диаметром 1 дюйм (25 мм) и высотой 10 футов (3 м). Данная колонна была загружена высушенными, измельченными и агломерированными водорослями таким же образом, как колонны высотой 22 дюйма (550 мм). Конечная навеска весила 998 г и имела высоту 9,79 футов (2,98 м). В этой более высокой колонне выщелачивание проводили с высокой скоростью потока начального растворителя 20 мл/мин, что эквивалентно 2150 л/м/ч (35,8 л/м/мин) и 1,2 л/кг/ч, для насыщения слоя высушенных водорослей и уменьшения или предотвращения эффекта осмоления, наблюдаемого при низких скоростях потока в колонке диаметром 2 дюйма (50 мм). Появление первого выходящего потока, известное как “прорыв”, произошло через 16 минут после начала введения растворителя. Через 30 минут после прорыва скорость вводимого растворителя была снижена до 1,8 мл/мин, удельная скорость введения 194 л/м/ч (3,2 л/м/мин) и 0,11 л/кг/час. График гравиметрического выхода, который используется в качестве меры экстракции растворимых веществ из массы водорослей, показал, что при замедлении скорости введения растворителя скорость извлечения выщелачиванием существенно замедлялась, о чем свидетельствует резкое уменьшение наклона графика зависимости гравиметрического выхода от времени. Фактически, скорость выщелачивания в данной колонне так и не возвратилась к прежнему значению скорости экстракции, и гравиметрический выход, полученный в данной колонне, был ниже, чем в предыдущих тестах по выщелачиванию с использованием образца того же исходного композитного материала. См. фиг.10 и 11. На основании данного теста, было принято решение, что более длительное применение относительно высокой скорости потока растворителя может быть необходимым в случае варианта выщелачивания с использованием высокого неподвижного слоя для предупреждения, например, эффекта осмоления. В частности, за счет дополнительного вклада последовательных слоев агломератов в высокой емкости для выщелачивания в достижение равновесной концентрации растворенного вещества в просачивающемся выщелачивающем агенте, являющимся растворителем, для более высокой колонны может потребоваться более высокая начальная скорость введения растворителя или более длительное применение высокой исходной скорости по сравнению с более короткой колонной. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что определение подходящей начальной высокой скорости введения, а также продолжительность введения с такой скоростью может потребовать проведения тестов и наблюдений.
[00110] На фиг.10 показана экстракция выщелачиванием в высокой колонне с высокой скоростью введения в течение короткого промежутка времени. На фиг.11 представлены данные, приведенные на фиг.10, соответствующие временному интервалу от начала элюирования до 4,5 часов.
[00111] В другом способе методом ГХ анализировали образцы вытяжки, собранные в процессе выщелачивания из колонны диаметром 1 дюйм (25 мм), описанной в примере 6. Исследование проводили с целью определения, изменяется ли с течением времени экстрагируемая композиция, анализируя длину цепи FAME (метилового эфира жирных кислот). Предпочтительное выщелачивание соединений с течением времени может обеспечить возможность для предпочтительного выделения соединений, но при этом могут понадобиться дополнительные меры для поддержания, при необходимости, постоянной композиции вытяжки. Как показано на фиг.12, анализ композиции по длине цепи FAME и местоположения связи показал, что продолжительность выщелачивания не приводит к каким-либо существенным изменениям. На фиг.12 показан анализ методом газовой хроматографии экстрактов, полученных выщелачиванием гексаном при разной продолжительности выщелачивания.
Пример 7
2
2
[00112] В другом примере вторая высокая колонна диаметром ¾ дюйма (20 мм) и высотой 10 футов (3 метра) была загружена таким же исходным композитным образцом высушенных и агломерированных водорослей. Загруженная навеска весила 531 г и имела высоту 8,54 футов (2,60 м). В данном тесте введение с высокой начальной скоростью 12,4 мл/мин, что эквивалентно 2160 л/м/ч и 1,4 л/кг/ч, продолжалось в течение 4 часов с тем, чтобы избежать появления эффекта осмоления, который наблюдали в тесте примера 6 в колонне диаметром 1 дюйм (50 мм). В случае использования высокой начальной скорости введения в течение более длинного промежутка времени выходящий поток оставался очень текучим в течение всего этого периода. При введении с высокой скоростью цвет выходящего потока изменялся от непрозрачного до темно-зеленого, и в конце 4 часа было отмечено, что вытяжка в приемном контейнере способна пропускать луч яркого света. Исходя из такого изменения в светонепроницаемости и, следовательно, по всей вероятности, в концентрации, вводимый поток был замедлен через 4 часа до 1,1 мл/мин, что эквивалентно 191 л/м/ч и 0,124 л/кг/ч. Данные гравиметрического выхода, приведенные на фиг.13 и 14, показывают, что в начальный период высокая скорость потока приводила к более быстрой экстракции соединений, и что график зависимости экстракции от времени демонстрирует исключительно минимальное изменение скорости экстракции с уменьшением потока. На графике также видно, что конечное достигаемое извлечение выше в колонне диаметром 1 дюйм (25 мм), что также служит подтверждением предположения, что относительно более низкая скорость введения приводит к подавлению выщелачивания в колонне диаметром 1 дюйм (25 мм), и что постоянная более высокая скорость введения обеспечила более высокое конечное извлечение в колонне диаметром ¾ дюйма (20 мм). Кроме того, более быстрое извлечение в колонне с постоянной более высокой скоростью введения само по себе является полезным тем, что позволяет минимизировать стоимость затрат на проведение коммерческих операций за счет более быстрого извлечения требуемых компонентов. На фиг.13 показана экстракция выщелачиванием в двух тестах с использованием высоких колонн как функция от времени для высокой скорости введения. На фиг.14 показаны данные для первых 12 часов экстракции выщелачиванием, полученные в тестах с использованием высоких колонн. Вытяжка, полученная извлечением гексаном, собранная в тесте из колонны диаметром ¾ дюйма (20 мм), после измерений и отбора образцов была объединена и подвергнута перегонке для удаления более летучего гексана из соединений водорослей в экстракте. Образец конечного экстракта проанализировали, и результаты показаны на фиг.15. На фиг.15 показана гистограмма, полученная в результате анализа экстракта, собранного в процессе выщелачивания из колонны диаметром ¾ дюйма (20 мм) методом газовой хроматографии.
[00113] В тестах по выщелачиванию из высушенных и агломерированных водорослей, проводимых в колоннах, начальная высокая скорость извлечения компонентов из навески сопровождается постепенным увеличивающимся замедлением скорости по мере уменьшения скорости извлечения до конечного уровня. Время эффективного завершения выщелачивания растворенного вещества из навески можно определить по относительному уменьшению извлечения растворенного вещества из навески или из минимальной концентрации растворенного вещества в вытяжке.
[00114] После эффективного завершения выщелачивания навески в колонне может быть обработан "толчком" совместимой текучей среды для окончательного слива вытяжки из колоны. Например, в качестве проталкивающей текучей среды, используемой для слива вытяжки из колонны, можно использовать газ, который при объединении с парами растворителя является негорючим или нереакционноспособным, например, азот или диоксид углерода для горючих растворителей. Эта проталкивающая текучая среда обеспечивает окончательное извлечение и удаление растворителя из слоя и потенциально оставшихся представляющих интерес соединений. Проталкивающую текучая среда, как правило, газ и пары растворителя направляют в соответствующую систему извлечения и/или сброса. Такая система может состоять из конденсатора для извлечения растворителя, или, по меньшей мере, вентиляционной системы, препятствующей выходу вредных для здоровья и опасных паров растворителя из устройства выщелачивания.
[00115] После завершения извлечения жидкого растворителя приемник для исходной вытяжки может быть отсоединен от контейнера для выщелачивания навески. После применения проталкивающей текучей среды в колонну может быть дополнительно введен инертный газ для просушки навески. Данная стадия может быть пропущена в случае использования следующего выщелачивающего агента, который, как предполагается, является совместимым с начальным выщелачивающим агентом, и смешивание двух выщелачивающих агентов не приведет к нежелательным последствиям, например, сложному разделению. Поскольку проталкивающая текучая среда выводит растворитель из навески, находящейся в колонне, может оказаться целесообразным направить используемую для сушки текучую среду через конденсатор для извлечения растворителя, а также во избежание его попадания в окружающую среду. Предварительное нагревание проталкивающей текучей среды и используемой для сушки текучей среды, а также нагревание колонны и самой навески, находящейся в колонне, может сократить время сушки и улучшить степень высушивания.
[00116] При необходимости, например, для извлечения соединения, отличающегося от извлеченного в процессе первого выщелачивания, последующую стадию выщелачивания можно проводить при помощи другого растворителя. В этом случае, для начального извлечения выщелачиванием преимущественно неполярных липидов из водорослей может быть использован неполярный растворитель, такой как гексан, с последующим использованием полярного растворителя для извлечения полярных соединений, или наоборот. Эта схема экстракции упрощается при использовании описанного в данном описании процесса выщелачивания в неподвижном слое, который обеспечивает высокую скорость перколяции через агломерированную навеску, эффективное противоточное выщелачивание из навески, эффективный дренаж содержащегося выщелачивающего агента, а также возможность применения относительно высокой скорости потока проталкивающей текучей среды при низком перепаде давления после первоначального выщелачивания. Как и в случае начального выщелачивающего агента, при заливке последующего растворителя можно использовать изменяющиеся скорости введения для оптимизации количества вводимого раствора, скорости экстракции растворенного вещества и концентрации вытяжки. Вариант уплотненного слоя, в частности, с высоким аспектным отношением, обеспечивающим соответственно длинный путь потока, обеспечивает более практичное и легко осуществимое вторичное выщелачивание. Такой упрощенный процесс можно сравнить с применением вторичного выщелачивания в процессе выщелачивания с перемешиванием, в котором твердые частицы удаляются из смесителя, отфильтровываются с сушкой или без нее, и затем добавляются снова в смеситель для повторного ресуспендирования со вторым выщелачивающим агентом. При завершении вторичного выщелачивания, или практическом применении, твердые вещества снова удаляют из смесителя для выщелачивания и фильтруют с последующей сушкой или без нее. Как очевидно специалистам в данной области техники, дополнительные стадии в данном способе, оборудование, обработка и комплексность, необходимые для вторичного выщелачивания с перемешиванием увеличивают трудозатраты и стоимость по сравнению с вариантом уплотненного слоя.
Пример 8
[00117] В одном из примеров после выщелачивания гексаном в тесте, описанном в таблице 1, с использованием колонны диаметром 2 дюйма (50 мм), проводили выщелачивание этанолом. На фиг.16 приведен график вторичного выщелачивания высушенных и агломерированных водорослей этанолом. На фиг.16 показано гравиметрическое извлечение в колоннах, где гексан был первым выщелачивающим агентом, и этанол был вторым выщелачивающим агентом в трех колоннах, в то время как в другой (четвертой) колонне этанол был первым выщелачивающим агентом, и гексан был вторым выщелачивающим агентом. Во время первичного выщелачивания в колонне, используемой в тесте единичный/высокий поток/этанол выщелачивание этанолом вскоре прекратилось, после чего был применен “толчок” инертным газом и сушка, и запущено вторичное выщелачивание гексаном.
[00118] При проведении теста на выщелачивание с использованием растворителей для первичного и вторичного выщелачивания было обнаружено, что скорости экстракции могут различаться в зависимости от порядка введения растворителей, используемых для экстракции. Для анализа общей природы извлекаемых соединений, полученные после выщелачивания растворы подвергали тонкослойной хроматографии (ТСХ), при этом было обнаружено, что составы этих растворов отличаются. На фиг.17 показана фотография пластины ТСХ для растворов, полученных после выщелачивания водорослей. На пластине слева показаны соединения, экстрагированные гексаном, неполярным растворителем, и в средней части - этанолом, полярным растворителем, которые были использованы в указанном порядке в качестве растворителей в процессе первичного и вторичного выщелачивания из одного и того же загруженного в колонну образца водорослей. Два раствора, полученные после выщелачивания, сравнивали со стандартным раствором, показанным на пластине справа. Для каждого экстракта оценивали три полосы, обозначенные 1-3, с увеличением количества вытяжки пятно наносили на пластину с большим номером полосы, например, полоса 3 вытяжки, полученной выщелачиванием гексаном, была добавлена в значительно большем количестве, чем полоса 2 вытяжки, полученной выщелачиванием гексаном, и т.д. Хотя, теоретически, полярный растворитель не должен обеспечивать экстракцию неполярных соединений, выше средней линии пластины ТСХ в экстрактах, полученных выщелачиванием этанолом, действительно видны некоторые неполярные соединения. В экстрактах неполярным растворителем на левой стороне фотографии, напротив, можно найти очень незначительное количество полярных соединений. На фиг.17 показаны результаты тонкослойной хроматографии растворов, полученных при последовательном выщелачивании полярным и неполярным растворителями.
[00119] После извлечения второго растворенного вещества или растворенных веществ, для обеспечения окончательного извлечения вытяжки и дренажа колонны в навеску вводили проталкивающую текучую среду аналогичную, но необязательно идентичную первой проталкивающей текучей среде. После обработки проталкивающей средой, приемник для второго растворителя удаляли перед введением текучей среды для сушки. Затем текучую среду для сушки вводили до тех пор, пока не была достигнута желаемая степень просушки. После сушки навеску извлекали из колонны. Это можно осуществлять путем открытия нижней части колонны, например, используя прикрепленный болтами фланец или концевую откидную крышку или отводной желоб, обеспечивая выпадение навески из колонны под действием силы тяжести в принимающий сосуд, который может представлять собой передвижную переносную емкость или конечный контейнер, например, контейнер на колесах или бочку. В зависимости от природы обрабатываемой биомассы и последнего используемого растворителя, могут быть предприняты меры по удалению или минимизации статического заряда во время выгрузки в емкость в целях безопасности. В качестве защитной среды также можно использовать инертный газ для снижения вероятности возгорания под действием статического разряда остаточных паров растворителя, наличие которых потенциально возможно. Таким образом, остаток вещества после выщелачивания, также известный как экстрагированный носитель, может быть упакован для последующего извлечения других требуемых соединений или для хранения, последующей обработки или утилизации. Извлеченная вытяжка содержит введенный растворитель или растворители в комбинации с требуемыми компонентами, например, липидами водорослей, которые были экстрагированы из навески. Первичную и вторичную вытяжки лучше обрабатывать отдельно для удаления растворителей из требуемых соединений. Одним из таких способов извлечения является перегонка в вакууме, например, перегонка на роторном испарителе, или перегонка, проводимая не в вакууме. После удаления растворителя, оставшаяся жидкость или полутвердый материал представлял собой остаток экстракта, также известный как экстракт или биологическое сырье. Остаток экстракта может включать, но без ограничения, содержащиеся в водорослях масла, EPA, DHA и т.п. Остатки от перегонки вытяжек, полученных извлечением неполярными и полярными растворителями, могут быть объединены при желании или могут храниться отдельно в зависимости от присутствующих липидных соединений, и, наконец, использования этих соединений.
Пример 9
2
2
[00120] В другом иллюстративном способе из нержавеющей стали были изготовлены две колонны диаметром 12 дюймов и высотой×11′-4 дюйма. Колонны представляли собой трубу, обогреваемую электрическими элементами покрытыми изоляцией, и вводимый в каждую из этих колонн раствор пропускали через трубопровод, проходящий через нагретые на бане пары гликоля, обеспечивая, таким образом, регулируемую температуру в колонне для выщелачивания. Водоросли для выщелачивания в первой колонне сушили при 100°C. Водоросли измельчали в молотковой мельнице, используя выходное сито с отверстиями диаметром 2 мм. Водоросли агломерировали партиями по 18 кг в большой облицованной стеклопластиком бетономешалке размером 1/3 кубических ярдов (0,25 кубометра) при 44%-48% добавленной влагой по массе (только вода). Агломерированные водоросли сушили в течение примерно 48 часов. Колонну загружали 144 кг повторно высушенных водорослей. Скорость введения растворителя на единицу площади поперечного сечения колонны диаметром от 1 дюйма до ¾ дюйма и высотой 10 футов составляла либо 3,3 л/мин, либо 2528 л/м/ч в первые 3 часа введения потока с высокой скоростью, и затем 290 мл/мин или 224 л/м/ч до конца цикла выщелачивания. Следует отметить, что температура окружающей среды во время процесса была не ниже -19°F (-28°C), не влияя на процесс экстракции. Общее количество конечного извлеченного экстракта составило 36,8 л или 33,3 кг, что соответствует 23,1% по массе. В результате выщелачивания, проведенного в этом же месяце позже, величина извлеченного экстракта составила 31,2% по массе.
Пример 10
[00121] Альтернативный способ обработки неподвижного слоя, в котором материал содержал мелкие фракции, предназначен для отделения мелких фракций от более крупных частиц и раздельной обработки этих двух классифицированных по размеру групп частиц. Примером может служить сортировка материала навески на два класса частиц, мелкие и крупные, и выщелачивание крупных частиц в неподвижном слое, при одновременном либо удалении мелких фракций, либо их выщелачивании с перемешиванием.
[00122] Один из альтернативных вариантов способа прикрепления мелких фракций может осуществляться во время сушки. Данный способ включает распылительную сушку бульона водорослей. Распылительная сушка может привести к образованию пористых агломерированных частиц одновременно с удалением влаги, но также может вводить компоненты питательной среды в высушенную биомассу, например, соли и/или металлы, например, в случае культур морских водорослей. В некоторых случаях, дополнительная сушка может оказаться необходимой для полной экстракции выщелачиванием. Кроме того, агломерацию и повторную сушку после первоначальной распылительной сушки можно использовать для достижения более оптимального состояния, например, для создания более крупных частиц, одновременно получая более крупные поры, которые будут пропускать растворитель через неподвижный слой. Посредством прикрепления мелких фракций при агломерации может сохраняться значительное количество мелких фракций вплоть до 70, 80, 90 или даже 100 процентов от момента возбуждения уплотненного слоя до завершения выщелачивания. Таким образом, агломерация обеспечивает возможность разделения жидкости от твердого вещества во время процесса выщелачивания, а не посредством дополнительной обработки, например, фильтрации после выщелачивания с перемешиванием. Выщелачивание с одновременным удержанием мелких фракций может снизить затраты на обработку, как капитальные, так и эксплуатационные. Продемонстрированная способность агломерированных частиц в неподвижном слое обеспечивать возможность проведения последовательного и раздельного выщелачивания разными растворителями позволяет повысить эффективность процесса и увеличить степень экстракции требуемых компонентов из исходного материала.
Пример А способа - Выщелачивание из мелко измельченных водорослей в неподвижном слое без агломерации
2
[00123] В данном иллюстративном способе анализировали влияние размера частиц на перколяцию и способность обеспечивать выщелачивание растворителем из сухих водорослей. Раздробленные и измельченные водоросли загружали в стеклянную колонну диаметром 3 дюйма (76 мм). Растворитель гексан наливали сверху на навеску водорослей. Вскоре после насыщения слоя растворителем, процесс перколяции по существу полностью прекращался. Через верхнюю часть колонны при абсолютном давлении 10 фунт/дюйм (69 кПа) пропускали азот, однако не смогли протолкнуть полезное количество растворителя через уплотненный слой, и испытание было прекращено.
Пример В способа - Отделение мелких фракций от более крупных частиц перед выщелачиванием
[00124] В данном иллюстративном способе были проанализированы альтернативные схемы, из которых мелкие фракции отделяли от более крупных частиц, например сортировкой материала для удаления по существу всех частиц размером менее 300 микрометров, обеспечивая выщелачивание из уплотненного слоя, состоящего из крупных частиц. В данном случае, требуется дополнительная обработка, при которой из процесса теряется примерно 20% массы образца. Мелкие фракции могут быть выведены из процесса или подвергнуты выщелачиванию с перемешиванием, однако при этом увеличиваются затраты, по сравнению с выщелачиванием в неподвижном слое за счет перемешивания и расходов на фильтрацию. Кроме того, для достижения противоточного контакта с целью получения эквивалентного выщелачивания в неподвижном слое, для такого подхода требуется дополнительное оборудование или противоточная фильтрация (или последовательные стадии фильтрации и репульпации (ресуспендирование) водорослей, что приводит к увеличению стоимости и трудозатрат, по сравнению с выщелачиванием из агломерированного неподвижного слоя.
Пример процесса C - Пример влияния соотношения жидкость-твердое вещество ("L/S соотношение") на степень извлечения экстрагируемых соединений выщелачиванием растворителем
[00125] На фиг.18 показано влияние L/S соотношения на гравиметрический выход из сухих водорослей в процессе выщелачивания гексаном с перемешиванием. Использование недостаточного количества растворителя во время выщелачивания может привести к раннему насыщению растворителя растворенным веществом и ингибировать извлечение растворенного вещества или увеличить время выщелачивания. Использование избытка растворителя, помимо прочего, влияет на экономические показатели способа, например, размеры оборудования, стоимость расходных материалов, хранение легковоспламеняющихся жидкостей, стоимость мощностей для дополнительной перегонки и стоимость самого процесса перегонки (потребление энергии). Данный тест показал наличие минимального, если таковой вообще присутствует, негативного эффекта при использовании L/S соотношения 5:1 по сравнению с L/S соотношениями 10:1 и 20:1.
Пример D способа - Тест на агломерацию с использованием высушенных и измельченных водорослей для обеспечения прикрепления мелких частиц
[00126] Навеску водоросли Nannochloropsi spp. сушили при 100 градусах по Цельсию и дробили для уменьшения размера частиц таким образом, чтобы 76% частиц по массе имели размер менее 20 меш/850 микрон, 23% - менее 48 меш/300 микрон). Данную навеску агломерировали путем последовательного добавления влаги в виде крупных капель, распыляемых на навеску водорослей в каскадном режиме во вращающемся контейнере. Влага, добавляемая во время агломерации, составляла 36% воды от сухой массы образца. После агломерации навеску сушили в конвекционной печи чуть больше 19 часов. Несколько отдельных агломератов, также известных как "гранулы", отбирали в качестве представителей агломерированных частиц среднего размера и загружали в контейнер с гексаном для тестирования гранул на стабильность. За гранулами наблюдали в течение нескольких часов, и затем дней, для определения того, насколько хорошо частицы держатся вместе в присутствии обычного растворителя. В результате данного теста на стабильность отделения мелких фракций от гранул не наблюдалось.
Пример E способа
[00127] Тест на выщелачивание в загруженной водорослями колонне, демонстрирующий преимущества агломерации в плане степени экстракции и перколяции через увеличенный объем пор.
2
[00128] Образец агломерированного материала из примера D загружали в колонну для выщелачивания. Колонна и навеска образовывали уплотненный слой диаметром ½ дюйма (12,7) мм и глубиной 12 дюймов (305 мм). Весящие 20,5 граммов уложенные агломераты имели объемную плотность 0,53 по отношению к плотности воды. В предыдущем тесте с колонной использовали навеску высушенных и измельченных водорослей одного и того же вида (например, навеску, которая была отсортирована для удаления частиц размером менее 48 меш (300 микрон)). Неагломерированный уплотненный слой имел объемную плотность 0,65, т.е. был заметно более плотным, свидетельствуя о том, что агломерированные частицы обладали более низкой объемной плотностью. Улучшенные характеристики текучести более низкой колонны, указывал на то, что агломерированный слой также имеет больший объем пор на единицу массы. Выщелачивание проводили в колонне, загруженной агломерированными частицами, гексаном, подаваемым по каплям из емкости, оборудованной клапаном, на тонкий слой стекловаты, помещенный в колонне сверху навески для распределения наносимого раствора. По существу на всем протяжении данного теста скорость потока растворителя поддерживали на уровне примерно 1 мл в минуту (мл/мин), эквивалентную 474 л/м/ч. Вытяжка выливалась из навески самотеком из нижней части колонны, которую собирали в контейнере-приемнике. После выщелачивания гексаном, через колонну пропускали газообразный азота в виде нисходящего потока, который обеспечивал окончательный выход выщелачивающего агента. Затем навеску в колонне сушили потоком азота, с получением через минуту осветленной колонны по всей длине. Поток азота продолжали пропускать еще в течение около 3 минут и затем прекращали.
[00129] Что касается остатков водорослей после выщелачивания гексаном, навеску извлекали из цилиндрического устройства для выщелачивания для взвешивания. Данная стадия может быть важным для масштабирования и т.д. Затем навеску повторно загружали в исходную колонну и уплотняли постукиванием. Была отмечена некоторая сегрегация, образовавшаяся в результате приведенной выше обработки и повторной загрузки, и скопление в середине одной трети колончатого слоя определенной области более мелкого, но все еще агломерированного материала. На навеску снова положили небольшой слой стекловаты. Затем таким же образом и с такой же первоначальной скоростью, как в случае с гексаном, вводили полярный растворитель, 100% этанол. Выщелачивание продолжали до тех пор, пока вытекающий из колонны поток не приобрел желтый цвет. Вводили окончательный проталкивающий объем, и затем колонну опустошали. Снова пропускали азот в виде нисходящего потока в качестве проталкивающей текучей среды и далее для просушки.
[00130] Дистилляцию растворов двух вытяжек проводили раздельно для удаления растворителей из экстрагированных компонентов. Остаток или экстракт показал, что в процессе выщелачивания гексаном из навески было извлечено 29,3% масс./масс., и 7,3% масс./масс. было извлечено в процессе выщелачивания этанолом, при этом общая величина экстракции составила 36,6% масс./масс. Такой уровень извлечения в отличие от теста на извлечение выщелачиванием с перемешиванием, который продемонстрировал, что измельчение до частиц, 100% которых будут иметь размер менее 48 меш (300 микрон), необходимо для достижения 31% экстракции при выщелачивании гексаном, примерно сравним со степенью извлечения при выщелачивании агломерированных частиц в неподвижном слое неполярным гексаном, при котором требуются гораздо большие усилия на измельчение с одновременным усложнением процесса и дополнительные затраты на выщелачивание с перемешиванием. В производственных масштабах уменьшение размера частиц может привести к увеличению расходов. Уменьшения размера и L/S разделения тонкоизмельченного и экстрагированного материала можно одновременно избежать выщелачиванием в агломерированном неподвижном слое.
Пример F способа
[00131] Водоросли в виде твердого вещества, предварительно концентрированные и замороженные, сушили при 112°C, и затем дробили и измельчали, используя лабораторную молотковую мельницу. Молотковая мельница имела выходное сито с круглыми отверстиями диаметром 0,079 дюйма (2 мм), которое обеспечивало распределение частиц по размерам такое, что 90% частиц по массе проходило через отверстия размером 16 меш (1,7 мм) и 17% проходило через отверстия размером 48 меш (300 микрон). Тонкоизмельченный материал тестировали на агломерацию, в результате чего было обнаружено, что вода, добавленная в количестве 60%, давала хорошие агломераты, о чем свидетельствовало полное прикрепление мелких фракций и образование агломератов среднего размера из хорошо уплотненных частиц с заметными зазорами между отдельными частицами. Затем агломерированный материал сушили при 112-113°C в конвекционной печи. Для выщелачивания использовали стеклянные колонны диаметром 2 дюйма (50 мм) и высотой 2 фута (0,6 м) (например, Reeves Glass Inc., Trenton, FL, модель RG3443-05). Каждая колонна была оборудована тефлоновым сливным краном. Для изучения развития процесса по параметрам выщелачивания колонны работали параллельно и включали две колонны, работающие последовательно. В таблице 2 приведены суммарные рабочие параметры, выбранные для каждого теста.
Таблица 2Рабочие параметры колонн, работающих параллельно и последовательно
№ теста
1
2
3
4
5
Высота слоя, режим
высокий
низкий
низкий
низкий
низкий
Высота слоя, м
1,2
0,6
0,6
0,6
0,6
Режим заливки
высокий
высокий
средний
медленный
высокий
Заливка, л/ч
0,21
0,21
0,072
0,03
0,21
Режим выщелачивания
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Гекс-Эт
Эт-Гекс
[00132] Обозначение “низкий” высоты слоя в таблице относится к одной колонне, примерно 2 фута (0,6 м), в то время как “высокий” относится к двум колоннам, установленным друг на друга, из которых происходит последовательное выщелачивание, причем вытекающий из верхней колонны поток подается в нижнюю колонну, обеспечивая полную эффективную высоту слоя, равную примерно 4 футам (1,2 м). Режим выщелачивания относится к порядку введения растворителей, Гекс-Эт указывает на то, что после гексана следует этанол, и Эт-Гекс говорит об обратном порядке. Скорость заливки при выщелачивании выбирали, исходя из рассчитанных соотношений L/S по массе для предполагаемой продолжительности, как показано в таблице 3.
Таблица 3Скорости заливки на высоту слоя, L/S соотношения и длительности выщелачивания в колоннах диаметром 2 дюйма/50 мм
Условия
л/ч
мл/мин
2 фута, 10 L/S, 2 дня
0,21
3,5
2 фута, 5 L/S, 3 дня
0,072
1,2
2 фута, 3 L/S, 4 дня
0,031
0,52
[00133] На фиг.19 показан гравиметрический выход, полученный в результате вторичного выщелачивания высушенных водорослей этанолом из колонны, описанной в примере F способа.
Пример G способа
2
2
[00134] Когда стадия тестирования процесса, описанного в примере F, был завершен после общего выщелачивания, колонну промывали для удаления всех ранее солюбилизированных соединений. Соответственно, в стеклянную колонну диаметром 2 дюйма (50) мм, содержащей слой агломерированных водорослей, выливали химический стакан гексана. Химический стакан содержал 300 мл гексана и его выливали на водоросли менее чем за 3 секунды, со скоростью введения 73 гал/фт/мин (2960 л/м/мин). При ближайшем рассмотрении, раствор не скапливался на поверхности, например, не было замечено захлебывания колонны. Напротив, растворитель сначала был виден в виде фронта смачивания, который проходил в неподвижном слое и быстро распространялся просачивающимся потоком через колонну.
Пример H способа
[00135] В некоторых иллюстративных способах для получения агломерированных культур можно использовать распылительное сушильное устройство с вертикальным потоком.
[00136] На фиг 10.13 справочника по промышленной сушке, по всей вероятности, показано, что при перепаде температур (воздуха в частицах) на 500°C, можно получать частицы диаметром до 1 мм.
Пример 11
На возможное увеличение окисления компонентов водорослей во время распылительной сушки (изучение бета-каротина в Spirulina, хлопья (примерно 20 меш+) сохранялось 52% от первоначального бета-каротина, в то время как в высушенном распылением порошке (100 меш-) сохранялось только 34% от исходного уровня. Это можно объяснить в терминах площади поверхности, доступной для активного взаимодействия, величина которой в порошке больше, чем в хлопьях. Это ставит под сомнение пригодность использования распылительной сушки для сушки Spirulina. Площадь поверхности, доступная для активного взаимодействия, в порошке выше, чем в хлопьях.
Пример 12
Пример водорослей, высушенных распылительной сушкой
[00137] Сушку водорослей распылением можно использовать, начиная с очень мелких частиц. Затем суспензию водорослей можно направлять по трубе в резервуар, например, 30 дюймовую башенную распылительную сушилку BOWEN TOWER SPRAY DRYER, S/S (нержавеющая сталь). Распылительная сушилка может быть предварительно нагрета до 106°F. Суспензию водорослей можно сушить в распылительной сушилке в течение 2 минут со скоростью примерно 1000 фунтов в час для получения порошкообразной композиции со средним содержанием влаги около 8%. Размер частиц порошкообразной композиции находился в интервале примерно от 80 микрон до 300 микрон.
[00138] Рассматриваемое в данном описании устройство может включать устройство, аналогичное бетономешалке, или другие аналогичные устройства, которые автоматизированы или частично автоматизированы или управляются человеком. Внутренняя часть устройства может иметь покрытие, уменьшающее адгезию микроорганизмов и растворителей к поверхности.
Все композиции и/или способы, и/или устройства, раскрытые и заявленные в данном описании, могут быть изготовлены и применены без дополнительных экспериментов в свете настоящего описания. Хотя композиции и способы по настоящему изобретению были описаны в терминах предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что композиции и/или способы, и/или устройства, а также стадии или последовательность стадий описанных в данном описании способов могут быть изменены без изменения концепции, сущности и объема настоящего изобретения. Более конкретно, очевидно, что некоторые химические и физиологические агенты могут быть использованы вместо описанных в данном описании агентов с достижением таких же или аналогичных результатов. Все такие аналогичные замены и модификации, очевидные специалистам в данной области, входят в объем настоящего изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.