СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЛИПИДОВ ИЗ БИОМАССЫ
METHOD FOR EXTRACTION OF LIPIDS FROM BIOMASS

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