来自藻类的无毒的蛋白质和ω-3及其制备方法与流程

来自藻类的无毒的蛋白质和
ω-3及其制备方法
发明领域
1.本发明总体上涉及从藻类产生蛋白质和ω-3的方法。更具体地，本发明涉及从藻类产生低灰分且不含有毒溶剂的蛋白质和ω-3的方法。
2.发明背景
3.已知微藻是诸如蛋白质和ω-3的营养成分的良好来源。一些藻类，如微绿球藻(nannochloropsis)，具有与高生物利用度相关的极性脂质(糖脂和磷脂)ω-3结构。然而，目前的提取方法涉及使用干的(》35干重％(dw％)固体)微藻并且使用有毒溶剂提取营养成分。商业上干燥的微藻只包含残留的细胞外水分(extracellular water)，并且因此表现得像固体物质。大多数通常允许和使用的溶剂(例如己烷、异丙醇(isopropyl alcohol)(异丙醇(isopropanol))、丙酮及类似溶剂)是潜在地有毒的，并且应当从最终产品中去除至低于最大残留水平。由于这些溶剂中的许多溶剂通过热条件从提取物中去除，这给富含ω-3的提取物带来了挑战，因为ω-3是热敏性的。因此，在富含ω-3的藻类提取的情况下，在最终产品中存在残留有毒溶剂的潜在风险。这些残留的有毒溶剂可以使用标准方法，诸如顶空气相色谱法(headspace gas chromatography)(hs-gc)检测。只有少数溶剂被认为是无毒的，因此不具有任何最大残留水平，例如水、乙醇和超临界co2。水不从藻类中提取ω-3营养成分，并且超临界co2不提取极性脂质。
4.微绿球藻是一种具有独特的双壁细胞结构的微藻类型，该双壁细胞结构使得在没有昂贵的细胞破碎的情况下采用大多数溶剂进行的提取是效率低的。微绿球藻具有非常高的营养价值，因为它包含诸如极性ω-3和蛋白质的成分。当提取固体(》35％干重(dw％))物质的微绿球藻时，藻类-溶剂接触面积是有限的，结果是效率低的提取。为了增强溶剂进入双壁细胞结构的渗透性，向微绿球藻中加入另外的溶剂渗透增强剂，诸如硅藻土。加入溶剂渗透增强剂导致在从微藻混合物中分离富含ω-3的液体之后剩下的残留的富含蛋白质的油水混合物(miscella)中很高水平(例如，高于50dw％)的灰分，这使其不可用于大多数饲料和食品应用。诸如任何类型的藻类的天然生物质具有高达15dw％的灰分。具有大于15dw％的灰分水平的生物质产品不可用于大多数饲料和食品应用。
5.因此，对一种用于从微藻产生无毒的营养成分的方法存在需求，所述方法也适用于诸如微绿球藻的微藻，在一方面可以保持微藻的ω-3的极性脂质结构，并且在另一方面不产生高灰分的油水混合物。
6.概述
7.本发明的一些方面可以涉及一种从藻类产生无毒的蛋白质和ω-3的方法。在一些实施方案中，该方法可以包括获得包含至少65％的水的含水微藻浆料；将含水微藻浆料与乙醇混合持续预定的持续时间；将含水微藻浆料-乙醇混合物分离成液体和油水混合物；以及从液体中蒸发水和乙醇以接收液体提取物。在一些实施方案中，油水混合物包含有机材料和以低于15干重％的量的灰分。
8.在一些实施方案中，液体提取物可以包含ω-3。在一些实施方案中，液体提取物可以包含大于20wt.％的ω-3。在一些实施方案中，包含在含水微藻浆料中的微藻可以包含小
于6wt.％的ω-3，并且该方法的实施方案还可以包括用溶剂纯化液体提取物以获得包含大于20wt.％的ω-3的液体提取物。
9.在一些实施方案中，油水混合物可以包含至少50wt.％的蛋白质。在一些实施方案中，乙醇和微藻浆料之间的体积比可以是至少5:1。在一些实施方案中，蒸发水和乙醇可以包括在真空气氛下提供热量以首先蒸发乙醇和水。在一些实施方案中，热量由热废物流(thermal waste stream)提供。在一些实施方案中，在55℃-65℃的温度范围提供热量。在一些实施方案中，以75毫巴-125毫巴提供真空。
10.本发明的一些另外的方面可以涉及无毒的油水混合物，其包含有机材料，在该油水混合物中：至少50wt.％是蛋白质。在一些实施方案中，无毒的油水混合物还可以包含纤维素和小于15干重％的灰分。
11.本发明的一些另外的方面可以涉及无毒的富含ω-3的提取物，该提取物可以包含：至少20wt.％的ω-3；并且无残留的有毒溶剂。在一些实施方案中，ω-3是极性ω-3。
12.附图简述
13.被视为本发明的主题在说明书的结束部分被特别指出并被清楚地要求保护。然而，本发明关于操作的组织和方法以及其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参照以下详细描述可以被最好地理解，在附图中：
14.图1是根据本发明的一些实施方案的用于从藻类产生营养成分的系统的框图；和
15.图2是根据本发明的一些实施方案的从藻类产生无毒的蛋白质和ω-3的方法的流程图。
16.将认识到，为了图示的简单和清楚，在图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，在认为适当的情况下，参考标记可以在附图中重复以指示对应的元件或类似的元件。
17.发明的实施方案的详细描述
18.在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况中，没有详细地描述熟知的方法、程序以及部件、模块、单元和/或电路，以便不使本发明模糊。关于一种实施方案描述的一些特征或要素可以与关于其他实施方案描述的特征或要素组合。为了清楚起见，可以不重复相同或相似的特征或要素的讨论。
19.本发明的方面可以涉及从微藻中提取的无毒的营养成分及产生无毒的营养成分的方法。在一些实施方案中，这样的方法可以包括使用含水微藻浆料(例如，具有高于65wt.％的水)作为原材料，这消除了以下需要：首先干燥浆料(如在其他提取方法中那样)，加入渗透增强剂以及将其与乙醇混合。在一些实施方案中，当浆料包含至少65wt.％的水时，乙醇可能能够扩散到甚至最厚的微藻细胞的细胞结构(例如，微绿球藻的双壁细胞结构)中，并且从细胞中提取出ω-3。在一些实施方案中，在将液体与固体分离之后，包含很高量的蛋白质(例如，高于50wt.％)的固体油水混合物可能被剩下。这种油水混合物也是无毒的，因此可以用作蛋白质来源或直接用于动物饲养。
20.在一些实施方案中，在将含水微藻浆料和乙醇混合持续预定量的时间之后，可以将含水混合物(例如，使用离心机)分离成液体和固体(例如，油水混合物)。可以使用热分离方法，在低于ω-3有害温度的温度，将液体进一步分离成富含ω-3的提取物、水和乙醇。水
和乙醇可以再循环。在一些实施方案中，富含ω-3的提取物可以是无毒的，并且可以包含至少20wt.％的ω-3。如本文使用的，术语无毒涉及不可以包含任何潜在的有毒溶剂(甚至在可允许的水平)的产品。无毒的产品可以仅包含无毒的成分。在一些实施方案中，在工艺中产生的油水混合物也可以是无毒的，因为它可以不包含任何残留的有毒溶剂或溶剂渗透增强剂。因此，根据本发明的实施方案的油水混合物可以包含小于15dw％的灰分。
21.现在参照图1，图1是根据本发明的一些实施方案的用于从藻类产生营养成分的系统的框图。系统100可以包括容器110，容器110可以包括搅拌器115，用于混合和搅拌具有至少65wt.％的水的含水微藻浆料和乙醇。搅拌器115可以是本领域已知的任何搅拌器，例如机械搅拌器、超声波搅拌器及类似的搅拌器。系统100还可以包括用于将含水混合物分离成液体和油水混合物的相分离器120。在一些实施方案中，在容器110中预定的搅拌持续时间(例如，2小时)之后，含水混合物可以被装载到相分离器120中。相分离器120可以是例如离心机(例如防爆型离心机(explosion proof centrifuge))。
22.在一些实施方案中，系统100还可以包括热分离器130。热分离器130可以被配置成通过蒸发将液体分离成液体提取物(例如，富含ω-3的提取物)、水和乙醇。水和乙醇可以被再循环用于进一步使用。液体提取物可以被收集，并且还可以按原样被用作营养添加剂。在一些实施方案中，液体提取物可以是无毒的富含ω-3的提取物。在一些实施方案中，液体提取物中的ω-3可以是极性ω-3，例如糖脂类、磷脂类及类似物。
23.在一些实施方案中，热分离器130可以由来自地热发电厂或来自任何其他加热源的余热被加热。在一些实施方案中，分离器130还可以包括用于泵送蒸发的水和乙醇的真空泵。
24.在一些实施方案中，分离的油水混合物可以包含残留的乙醇。因此，分离的油水混合物可以被引入另一个热分离器140中，用于蒸发残留的乙醇。在一些实施方案中，所得到的油水混合物可以是无毒的油水混合物，其仅包含有机材料，例如至少50wt.％的蛋白质、纤维素和小于15dw％的灰分。在一些实施方案中，油水混合物中的灰分可以仅来源于微藻(例如，以包含在任何干生物质中的量)。
25.现在参照图2，图2是根据本发明的一些实施方案的从藻类产生低灰分且无毒的蛋白质和ω-3的方法的流程图。在步骤210中，可以获得含水微藻浆料。含水微藻浆料可以包含至少65％的水。例如，可以直接从微藻的孵育容器(incubating container)向系统100的容器110提供含水微藻浆料，使得不需要另外的干燥或保存过程。
26.在步骤220中，可以将含水微藻浆料与乙醇混合持续预定的持续时间，例如使用搅拌器115。在一些实施方案中，乙醇和微藻浆料之间的体积比是至少5:1，例如，对于每升微藻浆料可以加入至少5升的乙醇。在一些实施方案中，乙醇和含水微藻浆料可以被一起搅拌持续在0.5小时-4小时的范围内(例如，2小时)的预定的持续时间。在一些实施方案中，预定的持续时间可以基于以下中的至少一种被确定：微藻的类型、容器110的尺寸和形状、浆料-乙醇混合物的量、混合物的温度、混合速率及类似因素。在一些实施方案中，在混合期间，可以经由细胞膜提取微藻细胞的包含ω-3和其他营养元素的提取物，并且该提取物可以被溶解在容器110中的水和乙醇中。在一些实施方案中，由于微藻浆料中至少65wt.％的水的存在，在乙醇的存在下，甚至双壁细胞结构也可以被渗透。
27.在步骤230中，可以将含水微藻浆料-乙醇混合物分离成液体和油水混合物。例如，
含水微藻浆料-乙醇混合物可以被引入相分离器120，以被离心分离成主要的固体油水混合物和液体。在一些实施方案中，主要的固体油水混合物可以包含残留的乙醇。可以使用另外的分离步骤从油水混合物中蒸发残留的乙醇，以接收仅包含有机材料的无毒的油水混合物。无毒的油水混合物可以包含有机材料，在该油水混合物中，至少50wt.％是蛋白质。在一些实施方案中，无毒的油水混合物还可以包含纤维素和小于15dw％的灰分。因此，根据本发明的实施方案的油水混合物可以用作用于人类消耗的蛋白质的来源或者用作动物的食物。
28.在步骤240中，可以从液体中蒸发水和乙醇以接收液体提取物。例如，液体可以被引入热分离器130，以允许首先蒸发乙醇并且然后蒸发水。蒸发可以通过在真空气氛下提供热量来辅助，以首先蒸发乙醇，随后蒸发水。在一些实施方案中，可以在55℃-65℃的温度范围提供热量。在一些实施方案中，可以以75毫巴-125毫巴提供真空。
29.在一些实施方案中，蒸发的乙醇和蒸发的水中的每一种都可以被收集和再循环。在一些实施方案中，最终的液体提取物可以是无毒的。在一些实施方案中，液体提取物可以是富含ω-3的提取物，其包含至少20wt.％的ω-3并且没有有毒溶剂。在一些实施方案中，ω-3可以是极性ω-3，例如糖脂类、磷脂类及类似物。在一些实施方案中，诸如水和乙醇的极性溶剂对于提取诸如极性ω-3的极性元素可以是有利的。
30.在一些实施方案中，包含在含水微藻浆料中的微藻包含小于6dw％的ω-3，并且方法还可以包括用溶剂纯化液体提取物以获得包含大于20wt.％的ω-3的液体提取物。在一些实施方案中，残留的有毒溶剂，诸如己烷，可以被加入到提取和蒸馏过程中。
31.虽然本发明的某些特征已经在本文中被图示和描述，但是许多修改、替换、变化和等效物可以被本领域技术人员想到。因此，应当理解，所附的权利要求意图涵盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。
32.已经呈现了多种实施方案。当然，这些实施方案中的每一种可以包括来自所呈现的其他实施方案的特征，并且未具体描述的实施方案可以包括本文描述的多种特征。