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El propósito principal de este proyecto de I+D es contribuir al estado del arte sobre extracción y purificación de compuestos de alto valor agregado como carotenoides (e.g., astaxantina, -caroteno) y ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga (Ácido EicosaPentaenoico, AEP, 20:5 -3, y Ácido DocosaHexaenoico, ADH, 22:6 -3) a partir de microalgas usando tecnologías de separación con dioxido de carbono (CO2) SuperCrítico (CO2-SC). El norte de Chile tiene grandes extensiones subutilizadas de suelo desértico con altas tasas de irradiación solar que disponen de aguas no contaminadas y son ideales para el cultivo de microalgas, lo que ha resultado en varias empresas en la I y IV Región que producen o están prontas de producir comercialmente Haematococcus pluviales, Spirulina maxima, y otras microalgas. Este proyecto estará a cargo de un grupo bien cohesionado de investigación a cargo de los profesores José M. del Valle de la Pontificia Universidad Católica (UC) de Chile (Santiago) y Juan C. de la Fuente de la Universidad Técnica Federico Santa María (USM) (Valparaíso, Chile), especializados respectivamente en tecnologías de separación con CO2-SC y equilibrio entre fases a alta presión.
La primera parte del proyecto, dedicada a la Extracción SuperCrítica (ESC) de sustratos sólidos, se va a enfocar en la optimización de pretratamientos de sustratos, y de las condiciones de extracción y separación, y en el escalamiento y costeo del proceso. En base a nuestra experiencia previa con sustratos vegetales, vamos a combinar molienda coloidal y peletización para, por un lado, romper las células y liberar los solutos, y por el otro, formar una matriz sólida de alta densidad con una red de poros interconectados conteniendo soluto condensado y adsorbido, por el otro. La destrucción de barreras internas a la transferencia de masa y la gran densidad a granel resultante del pretratamiento óptimo maximizará la productividad volumétrica (rendimiento de extracto por unidad de volumen del extractor y por unidad de tiempo). Vamos a seleccionar las condiciones de extracción y separación basados en estudios cinéticos desarrollados en el equipo de screening de un paso de la UC. Vamos a medir el equilibrio de fases con sistemas CO2 + extractos complejos para apoyar la selección de condiciones de proceso y para estimar las pérdidas de CO2 con los extractos. Finalmente, mediremos la partición del soluto entre la matriz sólida y el CO2-SC en función de las condiciones de extracción de modo de limitar el uso de de los modelos matemáticos a estimar parámetros de transferencia de masa interna en las matrices sólidas pretratadas. Ensayaremos la robustez de los modelos matemáticos en plantas piloto de ESC con reciclo de solvente utilizando hasta tres escalas: la planta de 1 dm3 de la UC, la planta de 4 dm3 de la Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH, Alemania), y la planta de 12 dm3 de Thar Process (Pittsburgh, PA). Los modelos matemáticos robustos simularán las condiciones dinámicas en una planta industrial de ESC con tres o más extractores operando bajo condiciones de flujo a contracorriente para estimar la productividad de la planta en función del volumen total y del número de extractores, y las condiciones de operación (i.e., las temperaturas y presiones de extracción y separación, el flujo másico del CO2, etc.) de la planta, entre otros factores. Esta primera parte se va a enfocar principalmente a la extracción de astaxantina de H. pluviales producida comercialmente por Atacama BioNatural Products, pero además podrá incluir la validación de los pretramientos con S. maxima y/u otras microalgas, así como la determinación del costo de extractos para varios extractos vegetales con los cuales tenemos vasta experiencia como aceites especiales de semillas, aceites esenciales y antioxidantes naturales de hierbas secas de la familia Lamiaceae, y otros productos con Granasur, Lo Vicuña, y eventualmente otras empresas.
La segunda parte del proyecto va a orientarse a la separación contracorriente de líquidos en una columna empacada usando CO2-SC como agente de separación, específicamente para el aislamiento y concentración de los etil ésteres de AEP y ADH de aceite de microalgas y aplicaciones relacionadas. Sin embargo, dada la necesidad de resolver el problema de extraer los aceites de las microalgas primero, vamos a enfocar el segunda parte a validar las metodologías en una nueva celda de 30 cm3 para medir el equilibrio de fases en la USM y una nueva columna empacada piloto de 4 m de alto en la UC para el problema bien conocido del aislamiento y concentración de etil ésteres de AEP y ADH de aceite de pescado. El trabajo experimental incluirá mediciones del equilibrio de fases en sistemas CO2 + aceite de pescado / microalgas complejos, y mediciones de los factores de separación en la columna de contacto a contracorriente con relleno estructurado en función de la temperatura y presión del sistema, la razón de CO2-SC a alimentación, y las velocidades superficiales de las dos corrientes en la columna. Integraremos esa información para estimar la altura equivalente de un plato teórico en la columna de 4 m de la UC y una columna de 6 m en la TUHH. Finalmente vamos a dimensionar y costear sistemas comerciales para lograr ciertos objetivos de procesos (cantidad total y composición de extractos). Golden Omega será el principal socio en esta segunda parte.
Al final del proyecto el grupo UC-USM tendrá mayor infraestructura y el know-how para contribuir al estado del arte en procesos de separación con CO2-SC, y varias empresa chilenas contaran con una base tecnológica para decidir la instalación de una planta multipropósito para producir extractos de alto valor agregado a partir de sustratos biológicos producidos comercialmente en Chile. Estos resultados son especialmente relevantes considerando que servicios especializados en procesos de separación con CO2-SC (e.g., pretratamiento de sustratos sólidos previo a la extracción, extracción directa de líquidos) constituyen una necesidad de I+D urgente para desarrollar un industria biotecnológica potente en Chile, y que la producción productos de alto valor agregado de sustratos del agro y la pesca contribuirá a nuestro anhelo sintetizado en el slogan “Chile Potencia Alimentaria”.
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