ACCIÓN 2.3: Extracción fraccionada de compuestos...

ACCIN 2.3: Extraccin fraccionada de compuestos mediante va hmeda

Participante:

JORNADA FINAL DE PRESENTACIN DE RESULTADOS DEL PROYECTO ENERGREEN.

NEIKER, ARKAUTE, 27 DE MARZO DE 2014

Accin 2.3: Extraccin por va hmeda

Arkaute, 27/03/14

1. Objetivos generales

2. Descripcin de las tareas realizadas

3. Resultados y Conclusiones del apartado 2.3


Arkaute, 27/03/14

1. Obtener lpidos a partir de microalgas mediante la tecnol oga defluidos subcrticos.

2. Desarrollar procesos de extraccin verdes basados en el e mpleo dela tecnologa de fluidos subcrticos

3. Comparar la tecnologa de extraccin de fluidos subcrti cos con laextraccin convencional.

1.- OBJETIVOS GENERALES


Arkaute, 27/03/14

2.- Revisin de los trabajos realizados

Establecimiento de especificaciones iniciales, finales ycepas a estudiar parala extraccin de cidos grasos.

Seleccionadas dos cepasChlorella y Scenedesmuspara los ensayos.Obtencin de Biomasa para la puesta a punto del sistema.

Ensayos de Extraccin Subcrtica (SWE) realizados en plantaexperimental diseada por Tecnalia

Establecimiento y puesta a punto de las metodologas de anlisis.

Muestra algal Extraccin SWE

(T, tR)

Extraccin SWE

(T, tR)Separacin

S/L

Separacin S/L

Lpidos en fase lquida (mg)

Extraccin manual L/L


Extraccin Soxtec S/L


Lpidos en fase slida (mg)

Lpidos totales

(%)

Muestra algal Extraccin SWE

(T, tR)

Extraccin SWE

(T, tR)Separacin

S/L

Separacin S/L

Lpidos en fase lquida (mg)





Lpidos en fase slida (mg)

Lpidos totales

(%)


Arkaute, 27/03/14

3.- Descripcin de las tareas realizadas en el periodo.

PRINCIPIO DE LA EXTRACCIN SWE

En esta tcnica se utiliza agua a temperaturas entre 100 y 374 C y presionesentre 10 y60 bares , para mantenerla en estado lquido. En estas condiciones, la constantedielctrica del agua disminuye considerablemente, comparndola con la misma atemperatura ambiente y se acerca a la constante dielctrica del etanol (solvente orgnicotradicional en extraccin). Este mtodo de extraccin ha sido muy utilizado enmicroalgas por Herrero et al quienes obtuvieron compuestos antioxidantes de lamicroalga Spirulina platensis.Herrero , M., Cifuentes A., Ibez, E. (2006). Sub- and supercritical fluidextraction of functional ingredients from different natural

sources: plants, food-by-products, algae and microalgae: A review. Food Chemistry, 98, 1, 136-148.

Herrero , M., Ibez, E., Seorns F.J, & Cifuentes A., (2003). Accelerated solvent extracts from Spirulina platensis microalgae:determination of their antioxidant activity and analysis by Micellar Elektrokinetic Chromatography. Journal of Chromatography,1047, 195-203.


Arkaute, 27/03/14


FACTORES NIVELES - UNIDADES

Temperatura 175 225 C

Tiempo 60 120 min

Parmetros fijos Niveles de trabajo

Especie de la microalga Chlorella

Presin en el reactor Autgena

Biomasa alimentada 2% en base seca

RESPUESTAS UNIDADES

Rendimiento de extraccin de

lpidos totales%

Rendimiento de extraccin de

FAMEs%

PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL Chorella


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PLANTEAMIENTO EXPERIMENTALMATRIZ DE EXPERIMENTOS Y RESULTADOS


Ref. ensayoVariables diseo

T (C) Tiempo (min)

N1 175 60

N2 225 120

N3 200 90

N4 225 60

N5 175 120

N6 200 90

N7 200 90


Arkaute, 27/03/14

PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL: DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO.

Para la realizacin de los ensayos del diseo de experimentos se ha optado por utilizar la configuracin por lotes, que permite un mayor control de las variables del proceso, como la temperatura, presin, cantidad de material procesado y velocidad de agitacin.Los ensayos en batch se realizan con 200ml de solucin algal al 2%, es decir, cuatro gramos de alga en base seca en 200ml de agua. Para su preparacin, se ha partido de la muestra original enviado por CENER el 18/01/2013.


Una vez que el reactor se encuentra cargado con la solucin dealgas y cerrado, seinyecta una corriente de gas argn para eliminar la presencia de oxgeno y as evitarla posible oxidacin de lpidos durante el ensayo de extraccin. A continuacin seajusta la velocidad del motor de agitacin a 1500rpm y se fijala temperatura a la quese va a realizar el ensayo, siempre en funcin a lo dictado porel diseo deexperimentos. Finalizado el ajuste de parmetros, es posible comenzar el ensayo.


Arkaute, 27/03/14


Transcurrido el tiempo fijado por el diseo de experimentos, se interrumpe el calentamientoy se procede a la refrigeracin externa del reactor con una corriente controlada de aire. Unavez el reactor se encuentra a temperatura ambiente, se despresuriza y se abre. La solucinpasa a un vaso de precipitados, donde se realiza una primera inspeccin visual.



Arkaute, 27/03/14


Arkaute, 27/03/14


Contenido en lpidos totales de la muestra inicial

Contenido en lpidos totales sobre materia seca segn Bligh&Dyer

Fecha realizacin % Lpidos totales

21/01/13 13,0

El residuo obtenido se redisuelve en cloroformo y se analiza por Cromatografa de Gases


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Para una buena identificacin de los cidos orgnicos saponificables (FAMES) se procede a realizar la esterificacin metlica del residuo, obtenindose el siguiente perfil cromatogrfico

Compuestos identificadosTiempos de

retencin, min

Metil tetradecanoato C14:0 10,1

Metil ster ac. Hexadecanoico C16:0 11,4

Metil ster ac. Hexadecenoico C16:1 11,7

Metil ster ac. Hexadecadienoico C16:2 12,1

Metil ster ac. Hexadecatrienoico C16:3 12,7

Metil ster ac octadecanoico C18:0 12,9

Metil ster ac. Octadecenoico C18:1 13,2

Metil ster ac. Octadecadienoico C18:2 13,7

Metil ster ac. Octadecatrienoico C18:3 14,3

Metil ster ac. Eicosatetraenoico C20:4 19,9

Metil ster ac. Eicosapentaenoico C20:5 16,5

Compuestos identificados por GC/MS

steres totales (%)

(referidos a alga seca)

BLIGH AND DYER 4,876

FAMES obtenidos del ensayo B&D


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Referencia%Lpidos

totales

Respuesta 1Esteres totales (%) (referidos

a biomasa seca)

Respuesta 2

Rendimiento extraccin

lpidos totales (%)

Rendimiento extraccin

FAMEs (%)

N1 1,0 7,69 0,028 0,57

N2 6,5 50,00 0,038 0,78

N3 2,8 21,54 0,026 0,53

N4 6,7 51,54 0,060 1,23

N5 1,1 8,46 0,022 0,45

N6 4,1 31,54 0,032 0,66

N7 4,4 33,85 0,084 1,72


RESULTADOS ENSAYOS SWE

NOTA: Contenido lpidos potenciales = 13%; contenido FAMEs potenciales = 4.88%

Referencia

Condiciones

de ensayo

SWE

%Lpidos

totales

Respuesta 1

Esteres totales

(%) (referidos a

biomasa seca)

Respuesta 2

Rendimiento

extraccin

lpidos totales

(%)

Rendimiento

extraccin FAMEs

(%)

N8225C

90min6,5 50,00 0,089 1,83

N9200C

60min2,5 19,23 0,055 1,13


Arkaute, 27/03/14

Respuesta 1

Rendimiento extraccin lpidos totales = -58.24 + 0.002 (Temperatura)2

Coeficiente de ajuste del 93.28%.

El mximo valor del rendimiento de extraccin se consigue trabajando en el nivel ms alto de

Temperatura dentro del intervalo estudiado, es decir a T= 225C y a cualquier tiempo de los estudiados

tiempo (min)

Temperatura (C)

Ren

dim

ient

o lip

idos

(%

)

Superficie de Respuesta Estimada

6090

120 175

200

2250

10

20

30

40

50

60

tiempo (min)

Tem

pera

tura

(C

)Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

60 90 120175

200

225 Rendimiento lipidos6,012,018,024,030,036,042,048,054,0

Superficies de respuesta estimada y curvas de nivel para el

rendimiento de extraccin en Chlorella por SWE


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PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL

Parmetros fijos Niveles de trabajo

Agitacin del reactor

Llenado del reactor

Cepa a tratar

S

40-60%

Scenedesmus

Estudio de la influencia de las diferentes variables de operacinmediante la elaboracin de un diseo de experimentos

Establecimiento de los factores experimentales, rangos de trabajo yparmetros fijos. Respuestas a modelizar en el estudio.

Temperatura (C)150-300

Tiempo (min)5-60

RESPUESTAS

Rendimiento extraccin compuestos extrables (con respecto

B&D)

FAMEs respecto a biomasa seca (%)

Scenedesmus


Arkaute, 27/03/14

PLANTEAMIENTO EXPERIMENTALMATRIZ DE EXPERIMENTOS


Ref. Ensayo Temperatura (C) Tiempo (min)

004412-SWE-Scen-01 300,0 60,0

004412-SWE-Scen-02 225,0 32,5

004412-SWE-Scen-03 225,0 32,5

004412-SWE-Scen-04 150,0 5,0

004412-SWE-Scen-05 150,0 60,0

004412-SWE-Scen-06 300,0 5,0

004412-SWE-Scen-07 225,0 32,5


Arkaute, 27/03/14


Contenido en lpidos totales de la muestra inicial

Cepa% Lpidos totales referidos a

biomasa seca

Scenedesmus (13/06/2013) 17,0

Contenido en lpidos totales sobre materia seca segn Bligh&Dyer

Valor de referencia del contenido mximo de lpidos en la cepa estudiada


Arkaute, 27/03/14


Transcurrido el tiempo fijado por el diseo de experimentos, se interrumpe el calentamientoy se procede a la refrigeracin externa del reactor con una corriente controlada de aire. Unavez el reactor se encuentra a temperatura ambiente, se despresuriza y se abre.



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Cuantificacin de compuestos extrables tras la SWE



CentrifugacinExtraccin L/L con triclorometano

Evaporacin del disolvente


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Caracterizacin de las muestras ensayadas previa esterificacinde las mismas y anlisis por Cromatografa de Gases conDetector Masas (GC/MS)Columna: BPX70 SGE (30 m x 0,250 mm x 0,25m)

Secuenciacin del programa:50(1)-15-180C(1)-7C/min-230(1)-30C/min-

250(10)

Compuestos identificados

Metil tetradecanoato C14:0

Metil ster ac. Hexadecanoico C16:0

Metil ster ac. Hexadecenoico C16:1

Metil ster ac. Hexadecadienoico C16:2

Metil ster ac. Hexadecatrienoico C16:3

Metil ster ac octadecanoico C18:0

Metil ster ac. Octadecenoico C18:1

Metil ster ac. Octadecadienoico C18:2

Metil ster ac. Octadecatrienoico C18:3

Metil ster ac. Docosanoico C22:0

Metil ster ac. Tetracosanoico C24:0


Arkaute, 27/03/14


300C, 60 min225C, 32,5 min

150C, 60 min


Arkaute, 27/03/14


RESULTADOS ENSAYOS SWE

Ref. EnsayoCondiciones de

Ensayo (T, tiempo)

Respuesta 1 Respuesta 2

Rendimiento extraccin compuestos extrables (**)

Total FAMEs (%) (*)

004412-SWE-Scen-01 300C, 60min 2,53 1,46

004412-SWE-Scen-02 225C, 32,5min 1,48 4,61

004412-SWE-Scen-03 225C, 32,5min 1,27 4,55

004412-SWE-Scen-04 150C, 5min 0,03 0,27

004412-SWE-Scen-05 150C, 60min 0,05 0,53

004412-SWE-Scen-06 300C, 5min 2,31 6,56

004412-SWE-Scen-07 225C, 32,5min 1,54 5,83


Arkaute, 27/03/14

Anlisis estadstico de los resultados en base al rendimiento de extraccin de compuestos extraibles


Rendimiento de extraccin de compuestos extrables = -0.62 + 0.000035 (Temperatura)2

Coeficiente de ajuste del 94.93%

El mximo valor de extraccin se consigue trabajando en el nivel ms alto de Temperatura

dentro del intervalo estudiado, es decir a T= 300C y a cualquier tiempo de los estudiados

Ref. EnsayoCondiciones de Ensayo (temperatura, tiempo)

Respuesta 1

Rendimiento extraccin comp. extraibles

004412-SWE-Scen-08 150C, 32,5min 0,02

004412-SWE-Scen-10 225C, 5min 0,25

Ensayos adicionales

Respuesta 1


Arkaute, 27/03/14

Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

150 180 210 240 270 300Temperatura

0

10

20

30

40

50

60

tiem

po

Rendimiento lipidos totales0,00,30,60,91,21,51,82,12,42,7

Superficies de respuesta estimada y curvas de nivel para el rendimiento de extraccin en Scenedesmus por SWE

Anlisis estadstico de los resultados en base al rendimiento de extraccin de compuestos extraibles


150225

300Temperatura

5

32,5

60

tiempo

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Ren

dim

ient

o lip

idos

tota

les

Re

nd

imie

nto

ex

tra

cci

n C

om

pu

est

os

ex

tra

ible

s


Arkaute, 27/03/14

Anlisis estadstico de los resultados en base al porcentaje de FAMEsRespuesta 2

FAMEs totales (%)= --5.76 + 0.0438

Temperatura

Coeficiente de ajuste del 87.98%

El mximo valor de extraccin se consigue

trabajando en el nivel ms alto de

Temperatura dentro del intervalo

estudiado, es decir a T= 300C


150225

300Temperatura

5

32,5

60

tiempo

0

1

2

3

4

5

6

FA

ME

S to

tale

s

Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

150 180 210 240 270 300Temperatura

0

10

20

30

40

50

60tie

mpo

FAMES totales0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,4


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4.- Aprovisionamiento al consorcio

Realizacin de los ensayos de SWE en condiciones ptimas

Ref. Ensayo Temperatura (C) Tiempo (min)

004412-SWE-Scen 300,0 5,0

Aprovisionamiento, de la cantidad suficiente, de la fraccin decompuestos extrables ( a UPV y CENER) y del residuo slido obtenido, alos diferentes socios participantes del proyecto ( a CATAR y APESA)


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5.- Conclusiones del apartado 2.3

1.- El proceso de extraccin en Scenedesmus mediante SWE conlleva el arrastre decompuestos diversos (lpidos, pigmentos, restos de pared celular,). No parece serselectivo hacia la fraccin lipdica.

2.- En cuanto a la cantidad de compuestos esterificables extrados se han alcanzado cantidadesen torno a un 5-6% de FAMEs respecto a la biomasa seca tratada.

3.-La mxima cantidad extrada se corresponde a los ensayos realizados a mayor temperatura.

4.- La caracterizacin de todos los ensayos realizados permite la identificacin de un perfilcromatogrfico similar en todos ellos.

5.- En general el proceso SWE presenta unos rendimientos de extraccin demasiado bajoscomparados con los mtodos de extraccin por disolventes convencionales como para quepueda constituir un mtodo industrializable para la obtencin de lipidos para la fabricacin debiodiesel.

ACCIN 2.3: Extraccin fraccionada de compuestos mediante va hmeda

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