Morphologycal response and multiparameter comparison of microalgae oil extraction alternatives for obtaining biodiesel and co-products

La biomasa de microalgas se perfila como un cultivo energético de gran interés a nivel mundial por su potencial para la obtención de biocombustibles y otros productos de valor agregado y para el desarrollo de procesos de biorefinería debido a su variada composición y sus altas productividades por unidad de área. Varias alternativas de extracción y transformación de metabolitos de microalgas están siendo estudiadas para el desarrollo de nuevas tecnologías de aprovechamiento de esta materia prima. Entre estas, la extracción del aceite de microalgas es particularmente importante ya que es una etapa clave en cadenas de producción de biodiesel a partir de microalgas y su eficiencia contribuye en gran medida con la eficiencia global del proceso. En este estudio se realiza una comparación en términos de eficiencia, costos de extracción, requerimientos energéticos y toxicidad de cinco métodos de extracción de aceite de microalgas a escala laboratorio utilizando cinco cepas de microalgas de bioprospección nacional. Los métodos evaluados fueron Extracción con solvente asistida por homogenización a alta velocidad (SHE), Extracción con solvente de reflujo continuo (SCE), Extracción con hexano (HBE) y ciclohexano (CBE), y Extracción de aceite utilizando la mezcla etanol-hexano (EHE), mientras que las cepas de microalgas utilizadas fueron Closterium sp., Amphiprora sp., Navicula sp., Nannochloropsis sp. y Guinardia sp., asimismo, se estudió la respuesta morfológica de las cepas mencionadas a los distintos métodos de extracción por medio de microscopía óptica. Los resultados muestran que aunque no hay un método que tenga el mejor desempeño desde todos los puntos de vista evaluados, en términos de eficiencia los métodos SCE, SHE y HBE son los más promisorios, mientras que el método HBE se muestra como el más conveniente para utilizar a escala laboratorio de manera global y como una tecnología emergente para la extracción de aceite de microalgas a gran escala.Abstract: Microalgae biomass emerges as an energy crop of great interest worldwide owing to its potential for obtaining biofuels and high value products and for the development of biorefinery processes owing to their varied composition and high biomass productivities per area unit. Several alternatives of microalgal metabolites extraction and transformation are being studied for the development of novel technologies for biomass using. Microalgae oil extraction is particularly important because is a key stage in microalgal biodiesel production chains and their efficiency contributes significantly to global process efficiency. In this study, a comparison of five oil extraction methods in lab-scale, taking into account extraction efficiency, energy consumption, costs of extraction and toxicity was made using five national bioprospecting microalgae strains. Methods evaluated were Solvent extraction with high speed homogenization (SHE), Continuous efflux solvent extraction (SCE), Hexane based extraction (HBE), Cyclohexane based extraction (CBE) and Ethanol-hexane extraction (EHE), microalgae strains used were Closterium sp., Amphiprora sp., Navicula sp., Nannochloropsis sp., and Guinardia sp., morphologycal response of strains to oil extraction methods was also evaluated using optic microscopy. Results shows that although there is not an unique oil extraction method with the best performance in all evaluated criteria, SCE, SHE and HBE methods presents high oil yields, while HBE method is the more convenient in global terms for use in lab scale and appears as an emerging technology for microalgae oil extraction in large scal

Microalgae based biorefinery: evaluation of oil extraction methods in terms of efficiency, costs, toxicity and energy in lab-scale

AbstractSeveral alternatives of microalgal metabolites extraction and transformation are being studied for achieving the total utilization of this energy crop of great interest worldwide. Microalgae oil extraction is a key stage in microalgal biodiesel production chains and their effciency affects signifcantly the global process  effciency.  In  this  study,  a  comparison  of  fve  oil  extraction methods  in  lab-scale was made taking as additional parameters, besides extraction effciency,  the costs of method performing, energy requirements, and toxicity of solvents used, in order to elucidate the convenience of their incorporation to a microalgae-based topology of biorefnery. Methods analyzed were Solvent extraction assisted with high speed homogenization (SHE), Continuous refux solvent extraction (CSE), Hexane based extraction (HBE), Cyclohexane based extraction (CBE) and Ethanol-hexane extraction (EHE), for this evaluation were used the microalgae strains Nannochloropsis sp.,  Guinardia sp.,  Closterium sp.,  Amphiprora  sp. and Navicula  sp., obtained from a Colombian microalgae bioprospecting. In addition, morphological response of strains to oil extraction methods was also evaluated by optic microscopy. Results shows that although there is not a unique oil extraction method which excels in all parameters evaluated, CSE, SHE and HBE appears as promising alternatives, while HBE method is shown as the more convenient for using in lab-scale and potentially scalable for implementation in a microalgae based biorefnery.Keywords: biorefnery, microalgae, oil extraction, sustainability.   Biorefinería basada en microalgas: evaluación de métodos de extracción de aceite en términos de eficiencia, costos, toxicidad y energía a escala laboratorioResumenDistintas alternativas de extracción y transformación de metabolitos de biomasa de microalgas están siendo estudiadas para lograr el aprovechamiento total de este cultivo energético. La extracción del aceite de microalgas es una etapa clave en cadenas de producción de biodiesel a partir de ellas y su  efciencia  afecta  signifcativamente  la  efciencia  global  del  proceso. En  este  estudio  se  realiza  la comparación de cinco métodos de extracción de aceite de microalgas a escala laboratorio, tomando como  criterios  adicionales  a  la  efciencia  de  extracción,  los  costos  de  ejecución  de  cada  método, requerimientos energéticos y toxicidad de los solventes utilizados, con el fn de defnir la conveniencia de su incorporación en una topología de biorefnería a partir de microalgas. Los métodos analizados fueron extracción con solvente asistida con homogenización (SHE), extracción con refujo continuo de solvente (CSE), extracción con hexano (HBE) y ciclohexano (CBE), y extracción de aceite utilizando la mezcla etanol-hexano (EHE). Se emplearon las microalgas de bioprospección nacionalNannochloropsis sp., Guinardia sp., Closterium sp., Amphiprora sp. y Navicula sp. Adicionalmente, se estudió la respuesta morfológica de las cepas mencionadas a los distintos métodos de extracción por medio de microscopía óptica. Los resultados muestran que aunque no hay un método que sobresalga en todos los parámetros evaluados, los métodos CSE, SHE y HBE se perflan como promisorios, mientras que el método HBE se muestra como el más conveniente para utilizar a escala laboratorio en términos generales y potencialmente escalable para su implementación en una biorefnería basada en microalgas.Palabras clave: biorefnería, microalgas, extracción de aceite, sostenibilidad

Experimental adjustment and economic evaluation of HBE microalgae oil extraction for biofuels and bioproducts /

El aumento constante en los precios de los combustibles fósiles y el impacto ambiental que estos producen ha despertado el interés en nuevas fuentes de energía renovables como el biodiésel a partir de microalgas. Este cultivo energético puede potencialmente competir con los combustibles fósiles, debido al alto contenido lipídico de algunas cepas. El presente trabajo muestra la inluencia de las variables temperatura, tiempo y relación biomasa/solvente sobre el proceso de extracción de lípidos de microalgas HBE a escala laboratorio y presenta un análisis preliminar de costos de una planta de producción a escala piloto. Se encontró que las mejores condiciones de operación para la obtención de aceite son un tiempo de extracción de 8 horas, una relación biomasa/solvente de 1/40 y una temperatura de 40°C, un análisis estadístico de los resultados muestra que la única variable estadísticamente signiicativa es la relación biomasa/solvente. Por su parte, el análisis preliminar de costos a escala piloto muestra que el precio del aceite para que el proceso sea rentable debe ser aproximadamente 30,5 USD/kg; un valor alto en comparación con los aceites usados convencionalmente en el proceso de producción de biodiésel.ABSTRACT: The continual increase of fossil fuel prices, and the environmental impact caused by them, has generated the requirement for new renewable environmental-friendly sources. No wonder why, nowadays microalgae biofuels has aroused a particular interest, due to the small farming areas they need, they can grow in several kinds of water and they ensure a large biodiesel production because their high lipid content. This work shows the inluence of temperature, time and relationship between biomass/solvent variables in the lipid microalgae extraction at laboratory scale and a preliminary cost analysis for a pilot-scale production plant is exposed. The best work conditions were found and there are an eight-hour extraction spam, a relevance biomass/solvent of 1/40 and 40°C. However, the statistical analysis showed that there is just one signiicant inluence variable on the process and it is the relevance biomass/solvent. In the preliminary cost analysis, it was found that the oil price to become the process a rental one should approximately be 30.5 USD/kg, this is a higher value compared with conventionally biodiesel production used oils

Evaluation of the effect of flocculation on harvesting of microalgae Nannochloropsis sp

Microalgae have recently emerged as an attractive source of products for the food, energy and pharmaceutical industries due to their high biomass productivity, metabolic versatility and environmental sustainability. This work focuses on the effect of flocculation on the harvesting of microalgae Nannochloropsissp. Through a three-factor experimental design. The most suitable conditions for flocculation were determined based on flocculant (AlCl3) dosage, pH and culture time. In addition, flocculant adding-pH adjustment methods were studied and harvesting was performed according to the method that provided the best results. The pH adjustment after flocculant addition showed higher flocculation efficiency (above 90%) compared to the reverse process. It was also found that the microalgae cells exhibited spontaneous sedimentation, suggesting that the use of flocculant is not required for biomass collection

Biorrefinación sostenible del camarón: desarrollos desde la Ingeniería de Procesos Asistida por Computador.

Este libro presenta el diseño, simulación y evaluación sostenible de una biorrefinería integral de camarón para la producción de quitina, quitosano y astaxantina, con una capacidad de procesamiento de 4.110 t/año de camarones. Se registran las mayores eficiencias técnicas en la sección (iv) (91,92 %). Se obtuvo un VPN de 3,76 MM USD y una TIR de 23,6 %. Los componentes volátiles contribuyen a los impactos atmosféricos en la evaluación ambiental. La biorrefinería tuvo una eficiencia exergética de 25,61 % y las mayores pérdidas exergéticas en la etapa lavado de camarón; se obtuvo un ISI de 21 asociado a la desacetilación y al uso de acetona. El SASWROIM fue positivo alcanzando un puntaje de desempeño de 0,49, cercano al umbral deseable de 0,5.This book presents the design, simulation, and sustainable evaluation of an integral shrimp biorefinery for the production of chitin, chitosan, and astaxanthin, with a processing capacity of 4,110 t/year of shrimp. The highest technical efficiencies recorded in section (iv) (91.92%). A NPV of 3.76 MM USD and an IRR of 23.6% were obtain. Volatile components contribute to atmospheric impacts in the environmental assessment. The biorefinery had an exergetic efficiency of 25.61% and the highest exergetic losses in the shrimp washing stage; an ISI of 21 associated with deacetylation and the use of acetone was obtaining. The SASWROIM was positive, reaching a performance score of 0.49, close to the desired threshold of 0.5

Produção de biomassa e proteínas de Chlorella vulgaris Beyerinck (Chlorellales : Chlorellaceae) por meio de desenhos de meios de cultura seletivos

   In recent years, it has become more frequent the use of alternative culture media that use phosphorus and nitrogen sources as well as microelements, instead of using the more traditional ones. Therefore, in this study two mixotrophic culture media were designed with different sodium nitrate, potassium phosphate and sodium acetate/ammonium carbonate concentrations as carbon source, to evaluate the biomass and protein production of the microalgae Chlorella vulgaris Beyerinck. A Pareto diagram and a response surface plot were generated in order to know the significant influence that the study variables have on protein production. The results showed that higher biomass production (3.72 g/L for the culture with acetate and 2.17 g/L for the one with carbonate) are directly related to sodium nitrate (1.96 mM) and potassium phosphate (2.11 mM). In addition, the maximum protein values obtained were 60% and 34% for acetate and carbonate cultures, respectively, both with 2.94 mM of sodium nitrate. Finally, the Pareto diagram showed that for the culture based on acetate there was no significant variables that influenced protein production; whereas the culture with carbonate, sodium nitrate and potassium phosphate influenced significantly the production of this metabolite.      En los últimos años se ha vuelto cada vez más frecuente el uso de medios de cultivo basados en fuentes de fósforo, nitrógeno y microelementos como alternativa a los medios tradicionales. Por lo tanto, en este trabajo se diseñaron dos medios de cultivo mixotróficos con diferentes concentraciones de nitrato de sodio, fosfato de potasio, acetato de sodio y carbonato de amonio (estos últimos como fuente de carbono), a fin de evaluar la producción de biomasa y proteínas a partir de la microalga Chlorella vulgaris. Se realizaron diagramas de Pareto y superficies de respuesta a fin de conocer la influencia de las variables de estudio sobre la producción de proteínas. Los resultados mostraron que las mayores producciones de biomasa (3,72 para el cultivo con acetato y 2,17 g/L para el cultivo con carbonato) están directamente relacionadas con el nitrato de sodio (1,96 mM) y el fosfato de potasio (2,11 mM). Además, los máximos porcentajes de proteínas obtenidos fueron 60 % y 34 % para los cultivos con acetato y carbonato, respectivamente, ambos con 2,94 mM de nitrato de sodio. Finalmente, con base en el diagrama de Pareto obtenido, se encontró que para el medio de cultivo con acetato no existieron variables significativas que influyeran sobre la producción de proteínas, mientras que, en el medio de cultivo con carbonato, el nitrato de sodio y el fosfato de potasio influyeron significativamente en la producción de este metabolito.Nos últimos anos, tem se tornado cada vez mais frequente o uso de meios de cultura baseados em fontes de fósforo, nitrogênio e microelementos como alternativa para os meios tradicionais. Portanto, neste trabalho, foram desenhados dois meios de cultura mixotróficos para diferentes concentrações de nitrato de sódio, fosfato de potássio, acetato de sódio e carbonato de amônio (estes dois últimos como fonte de carbono), a fim de avaliar a produção de biomassa e de proteínas a partir da microalga Chlorella vulgaris. Foram realizados gráficos de barras (ou diagramas de Pareto) e superfícies de resposta para conhecer a influência das variáveis de estudo sobre a produção de proteínas. Os resultados mostraram que as maiores produções de biomassa (3,72 para a cultura com acetato e 2,17 g/L para a cultura com carbonato) estão diretamente relacionadas com o nitrato de sódio (1,96 mM) e o fosfato de potássio (2,11 mM). Além disso, as máximas porcentagens de proteínas obtidas foram 60 % e 34 % para as culturas com acetato e carbonato, respectivamente, ambos com 2,94 mM de nitrato de sódio. Finalmente, com base no diagrama de Pareto obtido, constatou-se que, para o meio de cultura com acetato, não existiram variáveis signifi-cativas que influenciassem a produção de proteínas, enquanto, no meio de cultura com carbonato, o nitrato de sódio e o fosfato de potássio influenciaram significativamente a produção desse metabólito

Evaluación de rutas de obtención de lípidos y monosacáridos de biomasa de microalgas bajo el concepto de biorefinería

RESUMENAl igual que una refinería de petróleo, una biorefinería utiliza todos los componentes de la biomasa para obtener productos aprovechables. Además de los lípidos, la biomasa de microalgas contiene cantidades importantes de proteínas, carbohidratos y otros productos metabólicos. En el presente estudio los autores definieron y evaluaron las rutas de obtención de lípidos y monosacáridos de biomasa de las microalgas Amphiprora sp. y Navicula sp., por medio de la implementación de procedimientos como disrupción celular ácida, extracción Soxhlet, Organosolv, transesterificación in situ y el método del ácido dinitrosalicílico (DNS). Las rutas fueron definidas y comparadas con base en las eficiencias de extracción de lípidos y porcentajes de azucares reductores obtenidos. Para la ruta de hidrólisis ácida – extracción Soxhlet se evaluaron diferentes tiempos, los mejores resultados se obtuvieron mediante los tiempos de 120 y 960 min, respectivamente. Mediante la ruta Organosolv – extracción Soxhlet la mayor eficiencia lipídica obtenida fue 48% y en transesterificación in situ el mayor porcentaje de azúcares reductores totales fue 1,67%p. Además, se determinaron los parámetros cinéticos relacionados con el sistema de lisis celular y transesterificación in situ para Navicula sp., obteniendo constantes de K=0,0003 min-1 para azúcares reductores y K=0,02 min-1 para productos de degradación. Por medio de espectroscopía infrarroja se comparó el pico de absorción del grupo carbonilo característico del biodiésel a través del tiempo. Entre las rutas evaluadas, Organosolv – extracción Soxhlet y transesterificación in situ presentaron mayor obtención de lípidos y monosacáridos, respectivamente.Palabras clave: pretratamiento, extracción, integración de procesos, azúcares reductores. ABSTRACT  As an oil refinery, a biorefinery uses all biomass components for obtaining high value usable products. Besides lipids, microalgae biomass contains significant amounts of proteins, carbohydrates and other metabolic products. In the present study, the authors defines routes to obtain monosaccharides and lipids from microalgae biomass of Amphiprora sp. and Navicula sp., through the implementation of acidic cellular disruption procedures, Soxhlet extraction, Organosolv pretreatment, in situ transesterification and the dinitrosalicylic acid method (DNS). The routes were defined and compared based on the percentage of lipids and monosaccharides obtained. For acid hydrolysis – Soxhlet extraction route several times of acid hydrolysis and extraction were evaluated, the best results for this route were obtained using times of 120 and 960 min, respectively. By Organosolv - extraction Soxhlet route, the best lipid efficiency obtained was 48% and in situ transesterification the highest percentage of total reducing sugars was 1.67%wt. Furthermore, kinetic parameters were determined related to the system of cell lysis and in situ transesterification for Navicula sp., getting constants K=0.0003 min-1 for reducing sugars and K=0.02 min-1 for degradation products. Using infrared spectroscopy compared the absorption peak of carbonyl group characteristic of biodiesel over time. Among Organosolv - Soxhlet extraction routes and in situ transesterification - Soxhlet extraction showed higher production of lipids and monosaccharides, respectively.Keywords: pretreatment, extraction, process integration, reducing sugars

Evaluación de rutas de obtención de lípidos y monosacáridos de biomasa de microalgas bajo el concepto de biorefinería

RESUMENAl igual que una refinería de petróleo, una biorefinería utiliza todos los componentes de la biomasa para obtener productos aprovechables. Además de los lípidos, la biomasa de microalgas contiene cantidades importantes de proteínas, carbohidratos y otros productos metabólicos. En el presente estudio los autores definieron y evaluaron las rutas de obtención de lípidos y monosacáridos de biomasa de las microalgas Amphiprora sp. y Navicula sp., por medio de la implementación de procedimientos como disrupción celular ácida, extracción Soxhlet, Organosolv, transesterificación in situ y el método del ácido dinitrosalicílico (DNS). Las rutas fueron definidas y comparadas con base en las eficiencias de extracción de lípidos y porcentajes de azucares reductores obtenidos. Para la ruta de hidrólisis ácida – extracción Soxhlet se evaluaron diferentes tiempos, los mejores resultados se obtuvieron mediante los tiempos de 120 y 960 min, respectivamente. Mediante la ruta Organosolv – extracción Soxhlet la mayor eficiencia lipídica obtenida fue 48% y en transesterificación in situ el mayor porcentaje de azúcares reductores totales fue 1,67%p. Además, se determinaron los parámetros cinéticos relacionados con el sistema de lisis celular y transesterificación in situ para Navicula sp., obteniendo constantes de K=0,0003 min-1 para azúcares reductores y K=0,02 min-1 para productos de degradación. Por medio de espectroscopía infrarroja se comparó el pico de absorción del grupo carbonilo característico del biodiésel a través del tiempo. Entre las rutas evaluadas, Organosolv – extracción Soxhlet y transesterificación in situ presentaron mayor obtención de lípidos y monosacáridos, respectivamente.Palabras clave: pretratamiento, extracción, integración de procesos, azúcares reductores. ABSTRACT  As an oil refinery, a biorefinery uses all biomass components for obtaining high value usable products. Besides lipids, microalgae biomass contains significant amounts of proteins, carbohydrates and other metabolic products. In the present study, the authors defines routes to obtain monosaccharides and lipids from microalgae biomass of Amphiprora sp. and Navicula sp., through the implementation of acidic cellular disruption procedures, Soxhlet extraction, Organosolv pretreatment, in situ transesterification and the dinitrosalicylic acid method (DNS). The routes were defined and compared based on the percentage of lipids and monosaccharides obtained. For acid hydrolysis – Soxhlet extraction route several times of acid hydrolysis and extraction were evaluated, the best results for this route were obtained using times of 120 and 960 min, respectively. By Organosolv - extraction Soxhlet route, the best lipid efficiency obtained was 48% and in situ transesterification the highest percentage of total reducing sugars was 1.67%wt. Furthermore, kinetic parameters were determined related to the system of cell lysis and in situ transesterification for Navicula sp., getting constants K=0.0003 min-1 for reducing sugars and K=0.02 min-1 for degradation products. Using infrared spectroscopy compared the absorption peak of carbonyl group characteristic of biodiesel over time. Among Organosolv - Soxhlet extraction routes and in situ transesterification - Soxhlet extraction showed higher production of lipids and monosaccharides, respectively.Keywords: pretreatment, extraction, process integration, reducing sugars

Gestión del conocimiento. Perspectiva multidisciplinaria. Volumen 17

El libro “Gestión del Conocimiento. Perspectiva Multidisciplinaria”, Volumen 17 de la Colección Unión Global, es resultado de investigaciones. Los capítulos del libro, son resultados de investigaciones desarrolladas por sus autores. El libro es una publicación internacional, seriada, continua, arbitrada, de acceso abierto a todas las áreas del conocimiento, orientada a contribuir con procesos de gestión del conocimiento científico, tecnológico y humanístico. Con esta colección, se aspira contribuir con el cultivo, la comprensión, la recopilación y la apropiación social del conocimiento en cuanto a patrimonio intangible de la humanidad, con el propósito de hacer aportes con la transformación de las relaciones socioculturales que sustentan la construcción social de los saberes y su reconocimiento como bien público

A Technoeconomic Resilience and Exergy Analysis Approach for the Evaluation of a Vaccine Production Plant in North-East Colombia

Influenza is an acute infection that can cause diabetes and heart and lung disease disorders. This illness affects more than 9 million people around the world. The best way to control the transmission of the virus is vaccination. Studies, performed in Santander, Colombia, have found the existence of this disease. Despite the above, there are no companies dedicated to producing influenza vaccines in Colombia. For the first time, exergetic analysis and technical-economic resilience are being performed as combined decision-making tools for the evaluation of an influenza vaccine production plant. The results of exergetic analysis showed that the global exergy efficiency of the process was estimated at 93%. The exergy of waste that resulted was 61.70 MJ/h. The most critical stage of the process is milling, representing 83% of the total destroyed exergy. On the other hand, the results of technoeconomic resilience showed that the break-even point capacity of the process is 2503.15 t/y, representing only 24% of the installed capacity of the plant. The analysis of the effect of raw materials cost on profits showed that the process only resists a rise of 4% in the cost of raw materials, and higher values show economic losses. A value of 215,500 USD/t establishes a critical point for the normalized variable operating costs because higher values do not provide a return on investment