Diseño y simulación de extracción de lípidos de microalgas mediante solventes sustentables con el método COSMO-RS y ASPENPLUS.

Abstract

Las microalgas pueden ser usadas en tratamientos de aguas residuales o mitigación de CO2. Poseen componentes valorizables como lo son lípidos, proteínas, celulosa sin lignina y pigmentos como la clorofila. La extracción de lípidos se ha llevado a cabo con interés de producir biodiesel, esto mediante solventes contaminantes y peligrosos como hexano o cloroformo, que además muestran disolver la clorofila contaminando el producto. La investigación de nuevos solventes sustentables es un amplio tema de estudio y experimentación, con el fin de obtener una guía y predicción para la experimentación se diseña y simula un proceso de extracción con reciclo de solvente para los componentes de las microalgas, centrado en los lípidos, utilizando el método COSMO y programas como Turbomole, COSMOtherm y Aspen Plus, integrado a un análisis económico y de salud, seguridad y medioambiente. El modelo creado de la molécula neutra de clorofila a muestra una distribución de densidad de carga polar centrado mayormente en la región apolar y afinidad con los solventes apolares usados para la extracción de lípidos, una solución para esto podría ser una extracción ácido-base luego de la columna de extracción. Casi en su totalidad, los solventes logran una extracción total de lípidos con purezas superiores al 70 %. Un análisis termodinámico muestra que los puntos azeotrópicos de algunos solventes con agua logran disminuir el consumo energético del rehervidor de la columna de stripping, por ende, el costo económico y emisiones de kg de CO2 equivalentes. Entre ellos, los solventes con mejores resultados son o-xyleno y α-pineno, que junto ciclohexano, etil ciclopentano, heptano y metil ciclohexano son los solventes más sustentables según las consideraciones de esta investigación.

Microalgae can be use for wastewater treatmeants or CO2 mitigation. They have valuable components as lipids, proteins, celulouse without lignin and pigments like chlorophyll. Extraction of lipids has been carried out mainly aimed on biodiesel production, this through polluting and hazardous solvents like hexane or chloroform, which also show to dissolve chlorophyll contamining the product. The research of new sustentable solventes it’s a broad subject of study and experimentation, in order to obtain a guide and prediction for the experimentation, an extraction process with solvent recycling for the components of the microalgae is designed and simulated, focused on the lipids, using the COSMO method and and programs such as Turbomole, COSMOtherm and Aspen Plus, integrated to an economic and health, safety and environmental analysis. The created model of the neutral chlorophyll a molecule shows a polar charge density distribution centered mainly on the nonpolar region and affinity with the nonpolar solvents used for lipid extraction, a solution to this could be an acid-base extraction after the extraction column. Almost in their entirety, the solvents achieve a total extraction of lipids with purities greater than 70 %. A thermodynamic analysis shows that the azeotropic points of some solvents manage to reduce the energy consumption of the reboiler of the stripping column, therefore the economic cost and emissions of kg of CO2 equivalents. Among them, the solvents with the best results are o-xylene and α-pinene, which together with cyclohexane, ethyl cyclopentane, heptane and methyl cyclohexane are the most sustainable solvents according to the considerations of this research.