Propuesta del proceso de lisis celular de microalgas a escala piloto para la extracción de lípidos

Abstract

Las microalgas han emergido como una de las alternativas más prometedoras para la producción de biocombustibles gracias a su capacidad para producir grandes cantidades de lípidos de manera eficaz y sostenible. Además, han sido ampliamente reconocidas como la materia prima de la tercera generación de biocombustibles. (Mata et. al, 2010). Sin embargo, la propuesta de escalamiento de estos cultivos a un proceso industrial que pueda cubrir demandas comerciales de lípidos sigue siendo limitada. Los desafíos en la escalabilidad industrial de estos procesos representan una brecha significativa entre la investigación a nivel experimental y la implementación de soluciones a mayor escala que puedan tener un impacto real en la sociedad y el medio ambiente (Chen et al., 2011). Entonces, el presente trabajo se enfocó en desarrollar una propuesta del proceso de lisis celular a mayor escala para la extracción de lípidos a través de su distribución de operación de equipos, la determinación de las condiciones de operación y la provisión de modelos de dimensionamiento para las operaciones unitarias del proceso. Para una escala de producción de 148 kg de lípidos por hora, se destacó el dimensionamiento de un fotobiorreactor tubular vertical continuo con sistema de circulación de volumen efectivo de 114 m³, diámetro de 3.31 m, altura de 13.2 m, con un total de 3,613 tubos de 0.10 m de diámetro, tiempo de residencia de 1.07 días y sistema de aireación de 0.967 m³/s. Además, un evaporador de película descendente de múltiple efecto con área total de 149.7 m²: 31.9 m² en el primer efecto, 45.7 m² en el segundo, y 72.2 m² en el tercero, garantizando una evaporación completa del solvente a través de una distribución de las cargas térmicas sin degradación de los lípidos. De esta manera, se desarrolló un proceso a escala piloto compuesto de 10 equipos principales para el proceso, así como el flujo de operación en las 37 canalidades distintas que lo completan. Por esto, se concluye la comprobación del escalamiento industrial de este proceso a partir de la experimentación previa a menor escala.

Microalgae have emerged as one of the most promising alternatives for biofuel production due to their ability to produce large amounts of lipids efficiently and sustainably. Moreover, they have been widely recognized as the raw material for the third generation of biofuels (Mata et at., 2010). However, the proposed scaling of these cultures to an industrial process capable of meeting commercial lipid demands remains limited. The challenges in the industrial scalability of these processes represent a significant gap between experimental-level research and the implementation of large-scale solutions that can have a real impact on society and the environment (Chen et al., 2011). Therefore, the present work focused on developing a proposal for a large-scale cell lysis process for lipid extraction through the distribution of equipment operation, the determination of operating conditions, and the provision of sizing models for the process's unit operations. For a production scale of 1 barrel of lipids per hour, the design highlighted a continuous vertical tubular photobioreactor with a circulation system and an effective volume of 114 m³, a diameter of 3.31 m, a height of 13.2 m, with a total of 3,613 tubes of 0.10 m in diameter, a residence time of 1.07 days, and an aeration system of 0.967 m³/s. Additionally, a multiple-effect falling film evaporator with a total area of 149.7 m²: 31.9 m² in the first effect, 45.7 m² in the second, and 72.2 m² in the third, ensuring complete evaporation of the solvent through the distribution of thermal loads without degradation of the lipids. In this way, a pilot-scale process was developed, comprising 10 main pieces of equipment for the process, as well as the operational flow in the 37 distinct channels that complete it. Thus, the industrial scaling of this process, based on prior experimentation on a smaller scale, was verified.