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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Cubana Quím.
Vol. 29, no.
3, sept-dic, 2017, págs. 341-361, e-ISSN: 2224-5421
Procesos tecnológicos para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir
de
Dunaliella sp.
en la Salina “Las Cumaraguas”
Technological processes for obtaining β-carotene and glycerol from
Dunaliella sp. at “Las Cumaraguas” Saltworks
MSc. Noel José Acacio-Chirino
I
; Dra.C. Lourdes Margarita
Zumalacárregui-de Cárdenas
II
noel_acacio@hotmail.com o lourdes@quimica.cujae.edu.cu
I
Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda U.N.E.F.M., Venezuela.
II
Universidad Tecnológica de La Habana José Antonio Echeverría, CUJAE, Cuba.
Recibido: 24 de julio de 2016
Aprobado: 17 de febrero de 2017
Resumen
Se desarrollaron los procesos tecnológicos para la extracción de β-caroteno y glicerol a partir de
Dunaliella sp. en la Salina “Las Cumaraguas”. Se caracterizó fisicoquímicamente esta
microalga. Se estableció el flujo tecnológico del proceso partiendo de datos de laboratorio. Se
realizó el balance de materiales y los cálculos energéticos necesarios. Para poder dimensionar
los equipos donde se lleva a cabo la separación a escala piloto que permita la producción de una
tonelada de β-caroteno. Se evaluaron dos alternativas: extracción con solventes orgánicos y
extracción con fluido supercrítico. El procedimiento permitió establecer que es posible la
extracción de β-caroteno y glicerol mediante los esquemas tecnológicos presentados con un
rendimiento de β-caroteno de biomasa: 15, 4 % y rendimiento de glicerol de la biomasa: 5 %
para la extracción convencional y un rendimiento de β-caroteno de los pigmentos: 70 % y
rendimiento de glicerol de la biomasa: 5 % para fluido supercrítico.
Palabras clave
: extracción, β-caroteno, glicerol, Dunaliella sp.
Abstract
Technological processes were developed for β-carotene and glycerol extraction from
Dunaliella
sp.
at “Las Cumaraguas” Saltworks.
Dunaliella sp
. microalgae was characterize. It was
established the technological flow of the process from laboratory data; energy balances and
necessary energetic calculations were done, in order to select and size the required equipment
for a pilot plant scale to produce one ton of β-carotene. Two possibilities were evaluated:
extraction with organic solvents and extraction with supercritical fluids. The procedure showed
that β-carotene and glycerol extractions are possible by means of the presented technological
diagram, with 15, 4 % of biomass β -carotene yield and 5 % of biomass glycerol yield, for a
conventional extraction and a yield of 70 % for β-carotene from pigments and 5 % of biomass
glycerol yield, for extraction with supercritical fluid.
Keywords:
extraction, β-carotene, glycerol, Dunaliella sp.
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Introducción
Se han ensayado diversas estrategias de cultivo de
Dunaliella salina
para maximizar la
producción de β-caroteno, no se han logrado éxitos debido a que las altas tasas de
crecimiento no se corresponden con una mayor acumulación intracelular de β-caroteno.
Sin embargo, se ha observado que una mayor producción de biomasa incrementa el
contenido de β-caroteno por volumen de cultivo [1].
Actualmente se considera que existen diferentes alternativas, ya sea partiendo de fuentes
de origen natural vía fermentación, o productos naturales unidos a procesos de
extracción con el empleo de solventes y condiciones de reacción menos complejas, que
de cierta forma pudieran ser factibles. Está demostrado que los carotenoides y demás
componentes derivados, específicamente el β-caroteno, pueden obtenerse a partir de
diferentes
fuentes
naturales,
vegetales,
algas,
hongos,
entre
otros,
buscando
precisamente métodos de extracción seguros y eficientes de los que se obtengan
carotenoides con la necesaria pureza [2].
Por otra parte, se han incorporado en los estudios de extracción nuevos métodos
como: la extracción asistida con ultrasonido, la extracción asistida con microondas,
la
extracción con
solvente
acelerado
y la
extracción
con fluidos
supercríticos.
Estos procesos acortan el tiempo de extracción, disminuyen el consumo de solvente,
aumentan el rendimiento de la extracción y en general, mejoran la calidad del
extracto [3].
El objetivo de la presente investigación es desarrollar procesos tecnológicos para la
extracción de β-caroteno y glicerol a partir de
Dunaliella sp.
en la Salina “Las
Cumaraguas”, a partir de datos para la extracción de β-caroteno y glicerol a partir de
microalgas obtenidos en ensayos de laboratorio.
Fundamentación teórica
Las microalgas se consideran hoy en día como un gran recurso natural y se estudian
cada vez más para su explotación industrial con diversos fines [4, 5]. Una de las
características que hace tan atractivas a las microalgas es la rapidez con la que se
desarrollan, requiriendo esencialmente de la aportación de nutrientes y de la luz solar.
Una de las aplicaciones más interesantes de las microalgas es la relacionada con las
sustancias de interés químico-farmacéutico, debida a la utilidad práctica que estas
encuentran en biomedicina, farmacología, fitocosmética y en la industria alimentaria.
Procesos tecnológicos para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir de
Dunaliella sp
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A partir de diferentes especies de microalgas se extraen sustancias como vitaminas,
pigmentos, alcoholes, aminoácidos, polisacáridos sulfatados, glicerol, ácidos grasos
polinsaturados,
enzimas,
extractos
acuosos
reguladores
del
crecimiento,
ceras,
biosurfactantes,
fosfolípidos,
lecitinas,
betaínas
y
precursores
de
prostaglandinas,
dependiendo de las que sean capaces de sintetizar, así como sustancias con efectos
terapéuticos
como:
cicatrizantes,
inmunorreguladores,
anticancerígenos,
tensorreguladores, antinflamatorios, hipocolesterolémicos, entre otros.
Diversos carotenoides presentan propiedades beneficiosas para la salud humana, lo que
les sitúa como potenciales ingredientes alimentarios funcionales. Por ejemplo, se han
descrito propiedades preventivas de la luteína sobre el cáncer [6] así como sobre los
daños retinales relacionados con el envejecimiento [7, 8].
Diversos estudios epidemiológicos muestran evidencias de que la actividad antioxidante
asociada al β-caroteno puede prevenir el cáncer en diversos órganos como pulmones,
estómago, cérvix, páncreas, colon, recto, próstata y ovarios [9, 10].
En condiciones de crecimiento de alto estrés,
Dunaliella sp.
es capaz de almacenar gran
cantidad de carotenoides, principalmente β-caroteno, llegando a suponer hasta un 14 %
de su peso seco [11]. Esta microalga es una de las fuentes naturales más importantes de
este compuesto, incluyendo grandes cantidades del isómero 9-cis [12] de mayor
actividad antioxidante.
Una de las características de
Dunaliella sp
., que resulta ventajosa al extraer compuestos
de su citoplasma, es la ausencia de una pared celular rígida de polisacáridos como otras
muchas microalgas. La célula posee una membrana plasmática flexible cubierta por un
recubrimiento mucoso [11]. Esto permite que la célula se adapte a rápidos cambios en la
salinidad del medio, pudiendo variar su volumen en gran medida sin sufrir daños.
La ausencia de pared celular facilita el intercambio de masa durante los procesos de
extracción [12].
Nuevos procesos de extracción
Los métodos tradicionales de extracción sólido-líquido requieren altos tiempos de
residencia y grandes cantidades de solvente. Estos métodos se basan en la selección del
solvente apropiado para una separación, utilizando calor y agitación. El uso de los
solventes es un aspecto a investigar, entre otras razones por la toxicidad. La extracción
con disolventes siempre deja un residuo en el aceite, particularmente cuando la
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extracción se realiza con hexano, que es el disolvente más comúnmente usado, pero la
legislación internacional restringe la cantidad de hexano que deben contener los
productos extraídos y cada vez será más restrictiva, previéndose que en un futuro se
limite su uso y se sustituya por otros disolventes [3].
Actualmente se han desarrollado otros métodos de extracción como: la extracción
asistida con ultrasonido, la extracción asistida con microondas, la extracción con
solvente acelerado y la extracción con fluidos supercríticos. Estos procesos acortan el
tiempo de extracción, disminuyen el consumo de solvente, aumentan el rendimiento de
la extracción y, en general, mejoran la calidad del extracto.
Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier substancia a una temperatura y presión por
encima de su punto crítico termodinámico. Tiene la propiedad de difundirse a través de
los sólidos como un gas y de disolver los materiales como un líquido. Adicionalmente,
puede cambiar rápidamente la densidad con pequeños cambios en la temperatura o
presión. Estas propiedades lo hacen conveniente como un sustituto de los solventes
orgánicos en los procesos de extracción.
Algunas ventajas de los FSC son: poseen alto coeficiente de difusión y viscosidad más
baja que los líquidos; despreciable tensión superficial, lo cual facilita la operación de
extracción dada la rápida penetración al interior de los poros de la matriz heterogénea;
la selectividad durante la extracción puede ser manipulada con la variación de las
condiciones de operación temperatura y presión afectando la solubilidad de varios
componentes en el fluido supercrítico; no deja residuos químicos; la extracción con CO
2
supercrítico permite su fácil recuperación por procesos de reciclaje.
El CO
2
es el fluido supercrítico más utilizado debido a que es no tóxico, no inflamable,
no corrosivo, incoloro, no es costoso, se elimina fácilmente, no deja residuos, sus
condiciones críticas son relativamente fáciles de alcanzar y se consigue con diferentes
grados de pureza; se puede trabajar a baja temperatura y por tanto, se pueden separar
compuestos termolábiles; se puede obtener a partir de procesos de fermentación
alcohólica y ayuda a prevenir la degradación térmica de ciertos componentes químicos
del alimento cuando son extraídos[13-15]. Sus aplicaciones han estado dirigidas a la
obtención de aceites vegetales a partir de oleaginosas, desacidificación de aceites con
alto contenido de ácidos grasos, eliminación de colesterol, aprovechamiento de residuos
de la refinación y obtención de compuestos minoritarios de alto valor agregado como
son el escualeno, los tocoferoles y los fitosteroles [14].
Procesos tecnológicos para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir de
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Se han realizado estudios para extraer antioxidantes con la tecnología de FSC como los
reportados para la cáscara de pistacho (
Pistachia vera
) a 35–60 ºC y 10,1-35,5 MPa [16]; el
romero (
Rosmarinus officinalis L.)
40–60 ºC y 10–40 MPa [17]; semillas de cilantro
(
Coriander sativum
) 58–85 ºC y 11,6–2,8 MPa [18] y la yerba buena (
Hierochloe
odorata
) 40 ºC y 25–35 MPa [19].
Otro estudio muestra la obtención de oleorresina de páprika por FSC utilizando dióxido
de carbono en condiciones supercríticas, y compara los resultados con la obtención por
extracción con hexano, solvente orgánico más empleado en la industria alimentaria y
para el que no se permiten cantidades residuales de más de 25 mg/kg de producto. Se
señala que por el carácter lipofílico de los carotenoides presentes en la páprika, estos
se solubilizan fácilmente en el CO
2
supercrítico, permitiendo su extracción a bajas
temperaturas y evitando la pérdida de compuestos termolábiles causada por degradación
térmica. Otra de las ventajas es que el CO
2
, después de la etapa de despresurización
y aislamiento de la oleorresina, puede ser recogido y reciclado. La extracción se realizó
a 70 ºC y 35 MPa [20].
Mendiola [21] llevó a cabo estudios para la obtención de extractos de
Spirulina
platensis
empleando fluidos sub y supercríticos. Los mejores resultados, en términos de
rendimiento de los extractos, los obtuvo con CO
2
y etanol a 7,8 MPa y 55 ºC,
alcanzando 8 % de rendimiento. Cuando se empleó únicamente CO
2
puro, los
rendimientos alcanzados fueron inferiores.
Finalmente se tiene que entre los factores de estrés ambiental para inducir la producción
de β-caroteno se tienen: salinidad alta, temperatura elevada, calidad e intensidad de luz
y baja concentración de nutrientes. Entre los compuestos de gran interés comercial a
partir de
Dunaliella sp.
los carotenoides sobresalen precisamente y de estos es el
β-caroteno, el que en mayor cantidad se presenta en las cepas de
Dunaliella sp.
[22].
Materiales y métodos
Caracterización fisicoquímica de la microalga Dunaliella sp.
Los métodos para la realización de las determinaciones están dispuestos por la
American Public Health Asociation (APHA) [23] y se resumen en la tabla 1.
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TABLA 1. TÉCNICAS DE ANÁLISIS QUÍMICO EMPLEADAS
EN EL LABORATORIO
Determinación
Símbolo
Método utilizado
pH
pH
Método electrométrico (N° 4 500-H+B, APHA,
AWWA, WPCF)
Oxígeno disuelto
mg/L
OD
Método Winkler Modificado (N° 4 500-0 APHA,
WPCF, AWWA)
Fósforo total
ppm
PT
Método del cloruro estañoso (N° 4 500-P B y 4 500-
P E, APHA, WPCF, AWWA)
Salinidad
μS/cm
Método
electrométrico
(N°2
520
A,
APHA,
AWWA, WPCF)
Turbidez
UNT
Método nefelométrico (N° 2 130 B, APHA, WEF,
AWWA)
Humedad
H
Método gravimétrico (N° 2 540 B, APHA, WEF,
AWWA)
Procedimiento para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir de la microalga
Dunaliella sp. a escala de laboratorio
Araujo
et al.
, propusieron el procedimiento para la obtención de β-caroteno a escala de
laboratorio [24]. Es válido aclarar que como es un procedimiento establecido, no se
aplica diseño de experimentos. Además, se determina la concentración de carotenos
totales y las fracciones de β-caroteno [25].
A partir de los índices de extracción obtenidos a escala de laboratorio se realizó el
balance de materiales y los cálculos energéticos necesarios, para poder dimensionar los
equipos para llevar a cabo la separación a escala piloto que permita la producción de
una tonelada de β-caroteno.
Metodología para estimar la cantidad de glicerol a escala de laboratorio
De acuerdo a lo reportado por Hernández [26] la biomasa resultante del cultivo de
Dunaliella salina
se debe acondicionar en condiciones de agitación, se filtra al vacío, se
extrae
el
β-caroteno
para
finalmente
extraer
el
glicerol
con
isopropanol.
Este
procedimiento es relativamente sencillo, no necesita reactivos ni equipos especiales y
garantizó un rendimiento del 4 al 5 %.
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Resultados y discusión
Condiciones fisicoquímicas de desarrollo de la microalga Dunaliella sp.
Una vez realizado el muestreo de cinco puntos (estaciones experimentales) en la salina
“Las
Cumaraguas”,
se
realizaron
los
análisis
de
laboratorio
de
los
siguientes
parámetros: pH, turbidez, salinidad, oxígeno disuelto y fósforo total (ver tabla 2).
TABLA 2. PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS OBTENIDOS
DE
Dunaliella sp
., EN LA SALINA “LAS CUMARAGUAS”
Parámetro
pH
Turbidez
(UNT)
Salinidad
(μS/cm)
Oxígeno
disuelto
(OD) (mg/L)
Fósforo
total
(ppm)
Estación 1
8,68
36
253 746
0,06
Cantidad
menor
al
valor
mínimo
indicado
por
el
método
Estación 2
8,67
44
234 950
0,06
Estación 3
8,65
40
253 746
0,06
Estación 4
8,62
40
234 950
0,06
Estación 5
8,62
40
244 348
0,06
Valor promedio
8,65
40
242 348
Desv. Estándar
0,03
2,83
10 407,8
Coef. Variación (%)
0,32
7,07
4,29
Sesgo estandarizado
-0,008
0,000
0,553
Curtosis
estandarizada
-1,234
0,913
-1,519
Al realizar el análisis estadístico se evidencia que las muestras cumplen con una
distribución normal de acuerdo a los valores de sesgo y curtosis estandarizadas y que los
coeficientes de variación alrededor del valor medio son pequeños.
El pH obtenido es cercano a los reportados en la bibliografía consultada. Se han
reportado valores de pH superiores a 8,3 [27]. Se plantea que el pH óptimo para el
crecimiento de
Dunaliella sp.,
se encuentra entre 7 y 9 en medios de cultivo [28]. Por lo
anterior, se trabajará al pH medio obtenido.
El valor de OD encontrado en este estudio permite clasificar el tipo de ambiente
analizado en un medio hipóxico (OD 1-5 mg.L
-1
) propicio para la generación de un
estrés ambiental, el cual caracteriza la formación de una forma evolutiva de cisto por
parte de la microalga
Dunaliella sp.
A este bajo nivel de oxígeno se hace casi exclusivo
el crecimiento de esta microalga ya que, en este ambiente, las especies piscícolas, e
incluso gran parte de muchas microalgas del plancton marino no sobreviven, lo que
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hace a
Dunaliella sp.
un microorganismo “extremo”
por su capacidad para desarrollarse
en ambientes con poco oxígeno [29].
Una vez establecidos los parámetros fisicoquímicos donde se desarrolla la microalga, se
tiene que el tiempo de crecimiento en la fase exponencial son 21 días, con lo cual
se logra una densidad celular de 10
30
cel/L.
Se debe determinar el contenido de humedad de la biomasa producida según el método
gravimétrico a fin de conocer la cantidad de biomasa húmeda que entra realmente al
proceso de obtención (ver tabla 3).
TABLA 3. CONTENIDO DE HUMEDAD EN LA BIOMASA
Biomasa
% Humedad
Valor
promedio
81 %
Desviación
estándar
2,49 %
Coeficiente de
Variación
3 %
% H
1
=83,72 %
% H
2
=80,44 %
% H
3
=78,84 %
Descripción del proceso tecnológico para la obtención de β-caroteno y glicerol
La demanda mundial de β-caroteno está alrededor de las 500 toneladas [30]. Por otra
parte, en la dieta diaria se recomienda la ingestión de aproximadamente 100 mg de β-
caroteno sin efectos secundarios tóxicos. De los 28 946 101 habitantes que tiene
Venezuela, el 9 % son adultos mayores, 40,9 % son menores de 15 años y el 50,7 %
restante está entre 16 y 60 años, de donde, para cubrir la ingesta diaria de β-caroteno
para cada uno de los grupos que lo requieren para potenciar el sistema inmunológico y
demás beneficios, se requerirían las cantidades que se reportan en la tabla 4.
TABLA 4. REQUERIMIENTOS DE β-CAROTENO POR
GRUPOS DE EDADES
Número
T/año de β-caroteno
Adultos mayores
2 605 149
95,1
Menores de 15 años
11 838 855
432,1
Entre 16 y 60 años
14 501 997
529,3
Total
28 946 101
1 056,5
De este cálculo queda demostrada la demanda del producto en Venezuela, aunque se
limitara su uso a los adultos mayores. Como quiera que el estudio solamente se ha
realizado a escala de laboratorio, se seleccionó una base de cálculo de producción de
una tonelada de β-caroteno al año para dimensionar una planta que pudiera considerarse
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piloto y que, de la experiencia en ella, se pudiera extraer la información para realizar el
escalado, de resultar ventajosa la propuesta.
Se establecieron 270 días de producción al año, y dado que se conoce que el crecimiento
máximo del cultivo se logra a los 21 días, sería posible realizar 13 ciclos de producción
en el año.
Por otra parte, se conoce que se obtienen 8 toneladas/ha/año de biomasa seca [30] y si
se realizan 13 ciclos, se producirán 0,62 toneladas/ha/ciclo de biomasa seca.
Si se desea obtener 1 tonelada de β-caroteno/año, y se produce en 13 ciclos, se
requerirán 77,78 kg de β-caroteno /ciclo.
Teniendo en cuenta el volumen de los tanques de crecimiento, seleccionados como de
100 m
2
con 1 cm de profundidad, y el área que se necesita por ciclo, se tienen 81
estanques de 100 m
2
de área destinados al crecimiento de la biomasa, que se ubicarían
en el área de la Salina “Las Cumaraguas”. Esta localización puede ser efectuada ya que
se dispone de 0,96 km
2
de salina.
A partir de los resultados de la revisión bibliográfica y del esquema del flujo del
proceso a escala de laboratorio se procedió a proponer un esquema tecnológico para
procesar 2 695 kg de biomasa algal por ciclo, manteniendo los rendimientos obtenidos a
escala de laboratorio. Con esta información se realizaron los balances de materiales en
hojas de cálculo de
Microsoft Excel
y se obtuvieron los flujos másicos de cada una de
las corrientes. La secuencia de etapas del proceso se describe a continuación.
Cultivo de la microalga
Dunaliella sp
.
El cultivo de la microalga es la primera etapa del proceso de obtención de compuestos a
partir de estas. El cultivo se puede realizar en fotobiorreactores, estanques abiertos o en
sistemas cerrados diseñados y ubicados de forma tal que la luz solar incida de forma
directa sobre la superficie del agua para que sea absorbida completamente y así lograr la
mayor concentración de biomasa. Se seleccionó el estanque abierto por la facilidad de
su operación, la absorción de luz solar necesaria para el crecimiento sin tener que
suministrar luz artificialmente, la facilidad del mantenimiento y el ser mucho más
económico que los fotobiorreactores. Sin embargo, se debe prestar atención a las
posibles contaminaciones del medio de cultivo, aunque en las condiciones que se
desarrolla
Dunaliella sp.
es difícil el crecimiento de microorganismos que puedan
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alterar las condiciones de crecimiento. Se diseñan como estanques rectangulares al aire
libre, con una paleta que permite la circulación de las algas [31].
Los cultivos iniciales se siembran en estanques de fibra sintética de 3 m
2
de forma
alargada dotados de un sistema de agitación mecánica por paletas. Las condiciones de
operación son: profundidad de cultivo de 10 cm, densidad inicial del cultivo 10
18
cel.L
-1
.
Cada tres semanas se efectúa la siembra de los 21 estanques de 3 m
2
a partir de los
cultivos de inóculo con una densidad inicial de inoculación de 10
18
cél.L
-1
. Esto se
realiza con la finalidad de generar la biomasa necesaria para inocular los sistemas de
cultivo masivo y la adaptación progresiva de las algas a las condiciones finales
de
producción.
Los
tanques
permanecen
en
régimen
estanco,
asegurando
los
requerimientos
nutritivos
y
de
salinidad
que
permitan
una
producción
máxima.
Es importante resaltar que la concentración de sal se establece de 10 % a 35 % en p/v
para que ocurra aumento de la biomasa.
Para llevar a cabo los cultivos en tanques de 100 m
2
se utiliza como inóculo el cultivo
procedente de la cosecha final al cabo de los 21 días producido en los tanques de 3 m
2
,
con una densidad celular de 10
30
cél.L
-1
. Estos cultivos de gran volumen se desarrollan
en régimen estanco.
La producción de pigmentos es de 34,0 % y el rendimiento de β-caroteno es 45,18 %
bajo las condiciones controladas [24].
En la figura 1 se muestra un esquema típico de un estanque para el cultivo de
microalgas. Se conoce que la microalga
Dunaliella sp.
no requiere de la adición de CO
2
señalada en la figura ya que se logran mayores crecimientos sin la adición de CO
2
[32].
En la figura 2 se presenta una vista de estanques para el cultivo de microalgas.
Fig. 1. Esquema de un estanque de cultivo de microalgas
Procesos tecnológicos para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir de
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Fig. 2. Cultivo de microalgas en estanques
Medio de cultivo y factores que influyen en el crecimiento
Para el cultivo de microalgas es necesario tener grandes cantidades de agua, para el
crecimiento y la producción de pigmentos. Las fuentes de agua son aguas salinas
provenientes del mar. El medio de cultivo utilizado es medio Miguel compuesto por
una
solución A (KNO
3
al 20,2 % p/v, H
2
O), una solución B (4 gramos de NaHPO
4
12H
2
O, 4
gramos de CaCl
2
6H
2
O, HCl (98 %) y FeCl
3
3 mol/L. Se toman 2 mL de la solución A y
se mezclan con 1 mL de la solución B, se agregan a 1 litro de agua de mar y se calienta
a 70 °C por 20 min.
Obtención de β-caroteno
Filtración
La biomasa húmeda se debe adecuar a las condiciones que permitan realizar la
extracción de los pigmentos en la etapa posterior, por lo que se debe realizar una
filtración a fin de reducir el contenido de agua. Para ello es necesario un filtro tipo
Nutsche, un tipo simple de filtro “batch” que consiste en un tanque con una base
perforada, que soporta el medio filtrante; de este modo queda retenida la biomasa en el
medio filtrante.
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Centrifugación
La biomasa se necesita separarla del medio de cultivo mediante la centrifugación. En
esta etapa se rompen las membranas plasmáticas de las microalgas y se liberan las
clorofilas, carotenos y glicerol presentes. El equipo utilizado es un hidrociclón para
realizar la separación por filtración tangencial. Este es un equipo centrífugo con una
pared estática, donde la fuerza centrífuga se genera por el movimiento del líquido. Para
separaciones de biomasa, es el conveniente ya que se usa para tamaños de partículas
desde 4 hasta 500 μm, por lo que la separación se da de forma eficiente y sin necesidad
de añadir compuestos químicos. Para procesar la alimentación de biomasa algal, se debe
disponer de un hidrociclón de 30 cm de sección cilíndrica, operando con un 90 % de
eficiencia [33].
Separación (extracción de carotenoides)
Las etapas de separación y extracción de los compuestos de interés son de vital
importancia. Para ello, las microalgas deben separarse primero del medio de cultivo en
el
que
se
encuentran
diluidas
y
después
extraerse
los componentes
buscados
(carotenoides) de las células. Una vez que se haya separado la biomasa del medio de
cultivo, se necesita extraer todo el contenido de pigmentos presentes en la fase orgánica.
Para ello se debe adicionar algún solvente y así disolver todo el contenido de lípido en
el mismo. En esta etapa se realiza una primera extracción, agregando como agentes
extractores para la obtención de los carotenoides totales, acetona
y hexano en
proporciones 1:1 para la acetona y 3:1 para el hexano. Esto se realiza en un tanque con
agitador de paletas de 1 m
3
, equipo usado para la mezcla de fluidos con viscosidades del
orden de 50 Pa.s, [33].
Es importante destacar que se requiere que los solventes se recuperen para reducir
costos de operación y proteger el medio ambiente. De acuerdo a la bibliografía, esta
sección estará integrada por una unidad de destilación atmosférica, con enfriadores
después de los condensadores para evitar las pérdidas de solvente.
Extracción de β-caroteno
Para la extracción de β-caroteno, la masa de carotenoides separada se trata con hexano
como agente extractor líquido. Se seleccionó el hexano por ser el solvente de uso
alimentario comúnmente utilizado con el cual se obtienen mejores rendimientos, sin
embargo, se debe poner atención desde el punto de vista toxicológico y ecológico
.
Esto
ocurre en el mismo tanque agitador. Hay unidades de recuperación de solventes
recomendadas para separar hexano, acetona e isopropanol del agua [34].
Procesos tecnológicos para la obtención de β-caroteno y glicerol a partir de
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Evaporación
Una vez separado el β-caroteno del resto de los pigmentos, se realiza una evaporación
para extraer el agua de la fase acuosa y obtener solamente el pigmento seco. Para esto es
necesario un evaporador tipo marmita (“kettle”), con tiempo de retención de 6,48 h, de
capacidad de evaporación de 0,15 a 1,0 kg/h.m
2
de área de calor transferido, por lo que
se requiere una unidad de 111 m
2
área de transferencia [35].
Obtención de glicerol
Para la extracción de glicerol a partir de la microalga, la corriente proveniente del
separador de las líneas principales debe ser sometida a un acondicionamiento para
obtener el producto deseado.
Acondicionamiento de la mezcla
Para la obtención de glicerol, la fase resultante de la extracción de carotenoides pasa hacia
un tanque de chaqueta con agitadores de paleta; la capacidad del tanque es de 10 m
3
. Para
acondicionar la mezcla se agrega hidróxido de calcio (0,3 kg/kg de biomasa). La mezcla
se enfría desde 100 °C a 50 °C, utilizando agua como medio de enfriamiento.
Filtración
La mezcla acondicionada pasa a un filtro tipo Nutsche de modo que las impurezas
queden en el medio filtrante y el líquido viscoso pasa a la neutralización.
Neutralización
La mezcla resultante pasa al tanque de chaqueta con agitadores de paleta, de 1 m
3
para
ajustar el pH de 6-7 con una solución de H
2
SO
4
al 50 % (1,5 L/kg de Ca(OH)
2
).
Evaporación al vacío
La disolución obtenida pasa a una unidad de evaporación para concentrar la mezcla
a extraer. En esta etapa se utiliza un evaporador tipo cazoleta, con una capacidad de
1,5–15
kg/h.m
2
de
área
de
calor
transferido,
tiempo
de
retención
de
3
h y
de
transferencia
de
25,06
m
2
[33].
Esta
operación
se
realiza
a
una
presión
de 97 kPa, o sea, ligeramente menor que la atmosférica.
Extracción
La mezcla resultante de la evaporación pasa a la unidad de extracción, añadiendo
isopropanol (relación molar isopropanol/mezcla 3:1) y se espera 3 h. En esta etapa, se
reporta un rendimiento del 5 % de glicerol en relación con la biomasa húmeda.
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Evaporación final
El glicerol cantidad técnica obtenido pasa a un evaporador tipo marmita (“kettle”), con
tiempo de retención de 6,48 h, de capacidad de evaporación de 0,15 a 1,0 kg/h.m
2
de
área de calor transferido, por lo que se requiere un área de transferencia de 66,33 m
2
área de transferencia [33], obteniéndose un rendimiento de 95 % [35].
En la figura 3 se presenta el esquema del flujo tecnológico propuesto.
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Dunaliella sp
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Fig. 3. Proceso de extracción de β-caroteno y glicerol utilizando solventes orgánicos
Un resumen de los resultados principales del balance de materiales se muestra en la
tabla 5.
Nutrientes
Radiación
NaCl
Estanque de microalgas
crecimiento (células/mL)
Filtración
Acetona/hexano
Neutralización
Evaporación al
vacío
Extracción
Evaporación
final
Isopropanol
Glicerol
purificado
H
2
SO
4
50%
H
2
O
Impurezas
H
2
O
microalgas
Agitación
Filtración
Ca(OH)
2
Pigmentos
Separación
Centrifugación
Agua
H
2
O
β-caroteno
Evaporación
Separación
β-caroteno
Resto de
carotenos
Hexano
Recuperación de
Recuperación
Impurezas
Dunaliella sp.
Tanques de inóculo
Impurezas
disueltas y
agua
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TABLA 5. RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIALES PARA LA
OBTENCIÓN DE β-CAROTENO Y GLICEROL PARA
UN CICLO DE OPERACIÓN
Biomasa húmeda que entra (kg)
2 694,74
Pigmentos totales (kg)
183,24
β -caroteno obtenido (kg)
77,80
Alimentación a la línea de glicerol (kg)
355,71
Glicerol obtenido (kg)
25,60
Solventes a recuperar (kg)
Mezcla acetona-hexano-agua
Mezcla isopropanol-agua
634,71
404,21
Esquema para la extracción de β-caroteno por fluido supercrítico
Otra alternativa de extracción de β-caroteno es modificar el esquema propuesto
sustituyendo las etapas de extracción y evaporación por la unidad de fluido supercrítico
(FSC). Con ello se eliminan los consumos de los solventes hexano y acetona. La unidad
de FSC consta de un tanque de CO
2
(1), un extractor gas sólido (5), un separador para la
recuperación del CO
2
(8), intercambiadores de calor (2, 4, 7 y 9), una bomba (3) y una
válvula reguladora (6). En la figura 4 se presenta el esquema de una unidad FSC [36].
La unidad trabaja a condiciones máximas de 50 MPa y 100 ºC en el extractor.
Fig. 4. Esquema de una unidad de extracción con fluido supercrítico
En la figura 5 se presenta el esquema del flujo tecnológico para la extracción de β-
caroteno y glicerol utilizando una unidad de fluido supercrítico.
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Fig. 5. Proceso de extracción de β-caroteno y glicerol utilizando CO
2
supercrítico
Conclusiones
1. Las condiciones fisicoquímicas para Dunaliella sp. (pH 8,65; oxígeno disuelto
0,06 mg/L; salinidad 242,348 μS/cm; turbidez 40 UNT; fósforo total cantidad mínima
detectable), son favorables para la acumulación de β-caroteno y glicerol, lo que
confiere a esta microalga una fuente importante de compuestos de alto valor para la
industria cosmética, alimenticia y farmacéutica.
Dunaliella sp.
Tanques de inóculo
Nutrientes
Radiación
NaCl
Neutralización
Evaporación al
vacío
Separación
Agitación
Evaporación
final
Isopropanol
Glicerol
purificado
H
2
O
H
2
O
Recuperación
impurezas
Impurezas
CO
2
FSC
Estanque de microalgas
crecimiento (células/mL)
microalgas
Extracción
Separación
Separación
Filtración
Centrifugación
β-caroteno
H
2
SO
4
50%
Ca(OH)
2
Impurezas
y agua
Agua
H
2
O
Agitación
Filtración
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2. Los resultados de productividad en biomasa como los de carotenos permiten
concluir que el cultivo masivo de Dunaliella sp. en tanques abiertos, agitados por
paletas permite obtener 15,4 % de β-caroteno respecto a la biomasa.
3. El desarrollo del procedimiento permitió dimensionar la extracción de β-caroteno y
glicerol
mediante
los
esquemas
tecnológicos
presentados
con un
rendimiento
de β-caroteno de biomasa: 15,4 % y rendimiento de glicerol de la biomasa: 5 % para
la extracción convencional y un rendimiento de β-caroteno de los pigmentos: 70 % y
rendimiento de glicerol de la biomasa: 5 % para fluido supercrítico.
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