ES1322181U - Biorrefinería para la extracción en cascada de componentes fraccionarios de algas - Google Patents

Abstract

Una biorrefinería (100) configurada para la extracción en cascada de componentes fraccionados de algas (110), comprendiendo la biorrefinería (100): un homogeneizador de alta presión (130); una centrifugadora trifásica (140); un purificador (150); un conjunto de microfiltros (160), una pluralidad de tanques de mezcla (170A, 170B, 170C, 170D, 170E); y, al menos un secador por pulverización (180A, 180B), donde el homogeneizador de alta presión (130) está conectado con la centrifugadora trifásica (140) que a su vez está configurada para procesar una masa celular de algas (110) procedente del homogeneizador de alta presión (130) en una fracción oleosa, una fracción sólida y una fracción acuosa; estando la centrifugadora trifásica (140) conectada con: el purificador (150) que está configurado para procesar la fracción oleosa procedente de dicha centrifugadora trifásica (140), y el conjunto de microfiltros (160) que incluye una secuencia de membranas de 4, 10 y 20 kilodaltons que procesan la fracción acuosa obtenida en la centrifugadora trifásica (140) y mediante un secador por pulverización (180A) produce una proteína de salida (125), una serie de tanques de mezcla (170B, 170C, 170D, 170E) configurados para procesar en secuencia la fracción sólida producida por la centrifugadora trifásica (140).

Description

DESCRIPCIÓN

BIORREFINERÍA PARA LA EXTRACCIÓN EN CASCADA DE COMPONENTES

FRACCIONADOS A PARTIR DE ALGAS

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo del procesamiento de microalgas y más particularmente a la extracción de componentes fraccionados de microalgas.

Descripción de la técnica relacionada

Las algas han formado parte de la dieta humana desde hace miles de años. En la forma de macroalga, los datos recientes sugieren que la cosecha mundial de algas se ha vuelto significativa. Además de las macroalgas, algunas microalgas se han cultivado para alimentos y aditivos alimentarios. Es decir, aunque el ser humano ha consumido una enorme cantidad de algas marinas en forma de algas kelp o nori/laver, en los últimos años también se ha consumido una cantidad cada vez mayor de microalgas, tanto como fuente de proteínas en forma de espirulina y chlorella, como también como espesantes en forma de agar, alginatos y carragenanos. Aunque el consumo humano de alimentos a base de algas varía según el lugar, en su conjunto, la tendencia al aumento de la demanda nutricional de productos a base de algas a escala mundial se deriva de una mayor atención a la salud y de un uso más amplio de los aditivos alimentarios.

Las microalgas ofrecen importantes ventajas medioambientales en comparación con las fuentes tradicionales de proteínas. Las microalgas requieren menos de 2,5 metros cuadrados de tierra por kilogramo de proteína producida, mientras que la carne de vacuno utiliza casi ciento cincuenta mil metros cuadrados por kilogramo de proteína. Las microalgas también pueden cultivarse en terrenos no cultivables y utilizan cantidades mínimas de agua dulce. Desafortunadamente, la tecnología de procesamiento de microalgas está muy poco desarrollada, lo que encarece las microalgas, particularmente en lo que se refiere a la recolección y deshidratación y fraccionamiento.

De hecho, los mecanismos convencionales de fraccionamiento de microalgas se centran en la obtención de un único ingrediente para una aplicación industrial cada vez. Por tanto, el fraccionamiento convencional de las microalgas tiene un coste elevado, y produce bajos rendimientos. Para que las microalgas se conviertan en una fuente de ingredientes ampliamente utilizada, es necesario llevar a cabo importantes investigaciones y mejoras tecnológicas. Se requiere un enfoque integrado que permita la extracción de, no sólo proteínas, sino también otros componentes valiosos, tales como aceites y polisacáridos, para maximizar el valor global derivado de las microalgas.

Breve sumario de la invención

Las realizaciones de la presente invención abordan deficiencias de la técnica con respecto a la producción de microalgas y proporcionan una biorrefinería novedosa y no obvia adaptada para extraer en cascada múltiples componentes fraccionados diferentes de una biomasa de algas con un valor que supera con creces el coste de la biorrefinería. En una realización de la invención, una biorrefinería adaptada para la extracción en cascada de componentes fraccionados de algas incluye un homogeneizador de alta presión, una centrifugadora trifásica, un purificador, un conjunto de microfiltros, múltiples tanques de mezcla y al menos un secador por pulverización. La centrifugadora trifásica recibe una masa celular de algas desintegrada desde el homogeneizador de alta presión y separa la masa celular de algas desintegrada en cada una de una fracción oleosa, una fracción acuosa y una fracción sólida. El purificador, a su vez, purifica la fracción oleosa en un aceite de algas. El conjunto de microfiltros junto con al menos un secador por pulverización microfiltra y seca la fracción acuosa en una proteína. Finalmente, los tanques de mezcla, respectivamente digieren enzimáticamente, maceran, precipitan y, a continuación, secan la fracción sólida en un quitosano.

En un aspecto de la realización, se proporciona una centrifugadora precursora. La centrifugadora precursora centrifuga las microalgas hasta obtener una masa celular de algas de densidad común. Por consiguiente, a continuación, al menos uno de los tanques de mezcla proporciona la disolución básica de la masa de algas de acuerdo con un tampón básico de pH entre ocho y doce, de modo que el homogeneizador de alta presión somete a disrupción celular la masa de algas disuelta.

En otro aspecto de la realización, la disrupción de la masa de algas consiste en una homogeneización a alta presión de la masa de algas posterior a una centrifugación de la masa de algas a temperatura ambiente seguida de una disolución de la masa de algas centrifugada en un tampón básico a temperatura ambiente.

En un aspecto adicional de la realización, la centrifugadora trifásica está configurada para realizar una centrifugación a una fuerza centrífuga relativa de 2.000 a 10.000 durante entre cinco y veinte minutos a menos de cincuenta grados centígrados.

En otro aspecto más de la realización, el conjunto de microfiltros incluye una secuencia de membranas de filtración de los respectivos tamaños de poro de cuatro kilodaltons, diez kilodaltons y veinte kilodaltons.

En incluso otro aspecto de la realización, uno de los tanques de mezcla que realiza la maceración está configurado para realizar una hidrólisis química seguida de una maceración ácida durante doce a setenta horas.

Incluso en otro aspecto de la realización, una centrifugadora adicional está configurada para realizar la centrifugación de la fracción sólida posterior a la maceración a una fuerza centrífuga relativa de 2.000 a 10.000 de fuerza centrífuga relativa durante entre cinco y veinte minutos.

De esta manera, al ensamblar los diferentes componentes de la biorrefinería adaptada para extraer en cascada los diferentes componentes fraccionados de la masa de algas desintegrada, existe poco o ningún desperdicio del subproducto del fraccionamiento de la masa de algas. Así pues, la rentabilidad de la producción de microalgas como fuente de proteínas puede mejorarse drásticamente hasta convertirse en una fuente de proteínas sustitutiva rentable de la ganadería tradicional.

Los aspectos adicionales de la invención se expondrán, en parte, en la siguiente descripción y, en parte, resultarán evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los aspectos de la invención se realizarán y alcanzarán mediante los elementos y las combinaciones específicamente en las reivindicaciones adjuntas. Se ha de entender que tanto la anterior descripción general como la siguiente descripción detallada son únicamente de ejemplo y explicativas y no son restrictivas de la invención, tal como se reivindica.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos

Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen parte de esta memoria descriptiva, ilustran realizaciones de la invención y junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. Las realizaciones ilustradas en el presente documento son las preferidas en la actualidad, entendiéndose, sin embargo, que la invención no está limitada a las disposiciones precisas e instrumentalizaciones mostradas, en donde:

La figura 1 es una ilustración esquemática de una biorrefinería adaptada para fraccionar en cascada los componentes de una microalga; y,

La figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso para la extracción en cascada de componentes fraccionados de microalgas mediante la biorrefinería de la Figura 1.

Descripción detallada de la invención

Las realizaciones de la invención proporcionan una biorrefinería adaptada para extraer en cascada componentes fraccionados de una microalga. De acuerdo con una realización de la invención, una biorrefinería incluye en su núcleo, una centrifugadora trifásica que recibe una masa de algas desintegrada celularmente, de modo que la centrifugadora trifásica puede separar la masa de algas desintegrada en cada una de una fracción oleosa, una fracción acuosa y una fracción sólida. Un purificador depura la fracción oleosa en aceite de microalgas, mientras que un conjunto de microfiltración en línea con un secador por pulverización filtra la fracción acuosa en proteínas/pequeños péptidos/aminoácidos. Finalmente, una serie de tanques de mezcla que realizan cada una de digestión enzimática, hidrólisis química, maceración ácida y precipitación, actúan sobre la fracción sólida para extraer los quitosanos, mientras que una porción acuosa de la fracción sólida macerada se puede alimentar en cascada al secador por pulverización de la fracción acuosa. De esta manera, la producción de proteínas a partir de la fracción acuosa de las microalgas puede optimizarse mediante la recolección de las demás fracciones de las microalgas.

Para una ilustración adicional, la Figura 1 muestra esquemáticamente una biorrefinería adaptada para extraer en cascada componentes fraccionados de microalgas. Como se muestra en la Figura 1, una biorrefinería 100 incluye cada uno de una centrifugadora preliminar 120, un homogeneizador de alta presión 130, una centrifugadora trifásica 140, un purificador, un conjunto de microfiltros 160, varios tanques de mezcla 170A, 170B, 170C, 170D, 170E, cada uno de los cuales realiza una tarea de mezcla diferente, tal como la disolución, digestión enzimática, hidrólisis química, maceración ácida y precipitación, y uno o más secadores por pulverización 180A, 180B. La centrifugadora preliminar 120 separa inicialmente porciones de una biomasa de microalgas/chlorella 110 en partículas celulares de densidad homogénea. A continuación, el tanque de mezcla para la disolución 170A y el homogeneizador de alta presión 130 pueden colocarse para participar en la disrupción celular de las partículas celulares de la biomasa de microalgas/chlorella 110 en una base de hidróxido de sodio.

La centrifugadora trifásica 140 procesa la suspensión desintegrada celularmente en cada una de una fracción oleosa, una fracción acuosa y una fracción sólida. El purificador 150 procesa la fracción oleosa para purificar y estabilizar los aceites de algas 115. El conjunto de microfiltros, a su vez, que incluye una secuencia de membranas de 4, 10 y 20 kilodaltons, procesa la fracción acuosa que, en sintonía con un secador por pulverización 180A, produce una proteína de salida 125 que incluye tanto pequeños péptidos como aminoácidos como filtrado de la microfiltración, y también proteínas como retenido de la microfiltración.

Finalmente, una serie de tanques de mezcla 170B, 170C, 170D, 170E procesan en secuencia la fracción sólida producida por la centrifugadora trifásica 140. En particular, un primer tanque de mezcla 170B realiza la digestión enzimática de la fracción sólida con proteasas. El segundo tanque de mezcla 170C realiza una maceración básica de la salida del primer tanque de mezcla 170B (preferentemente dos ciclos) en hidróxido de sodio al dos por ciento durante uno a cinco días. El tercer tanque de mezcla 170D realiza la maceración ácida de la salida del segundo tanque de mezcla 170C en una solución de pH 2 a pH 6 durante doce a setenta y dos horas. Finalmente, un cuarto tanque de mezcla 170E precipita la salida del tercer tanque de mezcla 170D en una solución de pH 7 a pH 11 que cuando va seguida de lavado y centrifugación, produce quitosanos 135.

Para una ilustración adicional, la Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso para la extracción en cascada de componentes fraccionados de algas. A partir del bloque 205, una biomasa de microalgas es sometida a disrupción mediante centrifugación hasta alcanzar entre un diez y un veinte por ciento de materia seca a temperatura ambiente, se disuelve en un tampón básico de pH ocho (8) a doce (12) a temperatura ambiente y, a continuación, se homogeneiza a alta presión de mil quinientos (1.500) a dos mil quinientos (2.500) bares desde una vez hasta más de seis ciclos a menos de cincuenta grados centígrados.

En el bloque 210, la masa de microalgas desintegrada celularmente resultante se centrifuga en tres fases desde dos mil (2.000) de fuerza centrífuga relativa hasta diez mil (10.000) de fuerza centrífuga relativa durante entre cinco y veinte minutos a menos de cincuenta grados centígrados. El resultado es cada una de una fracción oleosa, una fracción acuosa y una fracción sólida. En cuanto a la fracción oleosa, en el bloque 215 la fracción oleosa se purifica para producir un extracto en el bloque 220 de aceite. En cuanto a la fracción acuosa, en el bloque 225, la fracción acuosa se microfiltra con al menos tres membranas de cuatro, diez y veinte kilodaltons. A continuación, el resultado se seca por pulverización para producir un extracto en el bloque 230 de proteínas como retenido y péptidos como filtrado.

En cuanto a la fracción sólida, en el bloque 235, la fracción sólida se somete a digestión enzimática en un tanque de mezcla, y el sólido resultante experimenta hidrólisis química en el bloque 240. A continuación, el resultado sólido se centrifuga en el bloque 245 a una fuerza centrífuga relativa de dos mil (2.000) a diez mil (10.000) durante entre cinco y veinte minutos a menos de cincuenta grados Celsius y produce como resultado una fracción peptídica y gránulos.

En el bloque 250, a continuación, los gránulos se maceran de manera ácida en una solución de pH dos (2) a pH seis (6), y el sólido resultante se precipita en el bloque 255 de acuerdo con una solución base de hidróxido sódico y bicarbonato sódico. Finalmente, en el bloque 260 el sólido resultante de la precipitación se lava con agua y, a continuación, se centrifuga a una fuerza centrífuga relativa de dos mil (2.000) a diez mil (10.000) durante entre cinco y veinte minutos a menos de cincuenta grados centígrados para producir un quitosano.

La terminología usada en el presente documento tiene el fin de describir solo realizaciones concretas y no pretende ser limitante de la invención. Como se usa en el presente documento, las formas en singular "un", "uno(a)", "el" y "la" pretenden incluir las formas en plural también, salvo que el contexto indique claramente otra cosa. Se entenderá además que los términos y expresiones "incluir", "incluye(n)", y/o "que incluye(n)", cuando se usan en la presente memoria descriptiva, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes indicados, pero no excluyen la presencia ni la adición de una o más de otras características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos.

Las correspondientes estructuras, materiales, actos y equivalentes de todos los medios o elementos de paso más función en las reivindicaciones, a continuación, pretenden incluir cualquier estructura, material o acto para realizar la función junto con otros elementos reivindicados como se reivindica específicamente. La descripción de la presente invención se ha presentado a título ilustrativo y descriptivo, pero no pretende ser exhaustiva o limitarse a la invención en la forma divulgada. Muchas modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la materia sin desviarse del alcance y espíritu de la invención. La realización se eligió y se describió para explicar mejor los principios de la invención y su aplicación práctica para permitir así que otros expertos en la materia utilicen mejor la invención en diversas realizaciones y con diversas modificaciones que se adapten al uso particular contemplado.

Al haber descrito así la invención de la presente solicitud en detalle y por referencia a realizaciones de la misma, será evidente que son posibles modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención definida en las reivindicaciones adjuntas como sigue.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Una biorrefinería (100) configurada para la extracción en cascada de componentes fraccionados de algas (110), comprendiendo la biorrefinería (100):

un homogeneizador de alta presión (130);

una centrifugadora trifásica (140);

un purificador (150);

un conjunto de microfiltros (160),

una pluralidad de tanques de mezcla (170A, 170B, 170C, 170D, 170E); y, al menos un secador por pulverización (180A, 180B),

donde el homogeneizador de alta presión (130) está conectado con la centrifugadora trifásica (140) que a su vez está configurada para procesar una masa celular de algas (110) procedente del homogeneizador de alta presión (130) en una fracción oleosa, una fracción sólida y una fracción acuosa;

estando la centrifugadora trifásica (140) conectada con:

el purificador (150) que está configurado para procesar la fracción oleosa procedente de dicha centrifugadora trifásica (140), y

el conjunto de microfiltros (160) que incluye una secuencia de membranas de 4, 10 y 20 kilodaltons que procesan la fracción acuosa obtenida en la centrifugadora trifásica (140) y mediante un secador por pulverización (180A) produce una proteína de salida (125),

una serie de tanques de mezcla (170B, 170C, 170D, 170E) configurados para procesar en secuencia la fracción sólida producida por la centrifugadora trifásica (140).

2. La biorrefinería (100) de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende una centrifugadora preliminar (120) cuya entrada recibe una biomasa de algas (110) y cuya salida está conectada con el homogeneizador de alta presión (130) a través de un tanque de mezclado (170A).

3. La biorrefinería (100) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2 donde

un primer tanque de mezcla (170B) está configurado para realizar la digestión enzimática de la fracción sólida obtenida en la centrifugadora trifásica (140);

una entrada de un segundo tanque de mezcla (170C) está conectada con la salida del primer tanque de mezcla (170B), donde dicho segundo tanque está configurado para realiza una maceración básica de la salida del primer tanque de mezcla (170B);

una entrada de un tercer tanque de mezcla (170D) está conectada con una salida de un segundo tanque de mezcla (170C), donde dicho tercer tanque está configurado para realizar la maceración ácida de la salida del segundo tanque de mezcla (170C); y

una entrada de un cuarto tanque de mezcla (170E) está conectado con una salida del tercer tanque de mezcla (170D), y cuya salida está conectada con el secador por pulverización (180B) para la producción de quitosanos (135).