| Popis: |
A valorização da biomassa de microalgas verdes foi avaliada e melhorada, utilizando como modelo a microalga verde não-axénica Chlorella sorokiniana para a caracterização do perfil de pigmentos e ácidos gordos presentes. Foi efetuada a avaliação de diferentes solventes para a extração de pigmentos, incluindo solventes verdes, ou seja, menos prejudiciais para o ambiente, tal como a extração sequencial de ácidos gordos através de uma segunda etapa de extração. Um segundo ciclo de extração à mesma biomassa foi efetuado para avaliar a necessidade deste para a extração de pigmentos com solvente fresco. Este estudo foi efetuado para tanto biomassa fresca como liofilizada. Utilizando os resultados dos ensaios realizados foi feito um estudo preliminar da sustentabilidade económica de um processo industrial com base na extração sequencial de ambos metabolitos. Ultimamente, a utilização de microalgas para a extração e criação de produtos de elevado valor tem sido estudada e atualmente já é implementada em alguns setores. Devido à versatilidade destes microrganismos, podem ser utilizados para a produção de uma variedade de bens, como biocombustíveis e bioplásticos. As principais vantagens das microalgas são o seu baixo custo de manutenção e não competirem por terreno com atividades agrícolas. As microalgas também possuem o potencial de ser cultivadas em águas residuais como forma de tratamento destas, utilizando os nutrientes presentes nestas para crescer. A eficiência de extração dos solventes utilizados foi comparada pela adição de solvente à biomassa e homogeneização por vortex. A extração foi auxiliada por uma hora de banho de ultrassons. As fases sólidas e líquidas foram separadas por centrifugação e a presença de pigmentos foi analisada por espectrofotometria e cromatografia líquida. A mesma biomassa foi utilizada para avaliar a eficiência de um segundo ciclo de extração. A luteína, clorofila a, clorofila b, juntamente com algumas clorofilas não identificadas foram considerados os pigmentos principais da C. sorokiniana. Outros pigmentos como neoxantina, betacaroteno, feoforbide a e feofitina a foram encontrados em menores quantidades. Relativamente à extração de pigmentos, a extração de pigmentos de biomassa fresca obteve rendimentos de extração mais elevados que a biomassa liofilizada para todos os solventes. O solvente com a taxa de extração mais elevada para os pigmentos quantificados foi o metanol para ambas biomassa fresca e liofilizada, atingindo para a biomassa fresca rendimentos de extração de 13.83 ± 0.70 mg/g biomassa para luteína, 18.61 ± 2.91 mg/g para clorofila a, 29.93 ± 1.87 mg/g para clorofila b, e 3.15 ± 0.40 mg/g para betacaroteno. A mistura de clorofórmio-metanol, tal como o acetato de metilo, demonstraram ser bastante eficientes na extração de pigmentos. O isopropanol e o éter etílico apresentaram os rendimentos de extração de pigmentos mais baixos. O segundo ciclo de extração de pigmentos utilizando solvente novo para a mesma biomassa provou não ser muito eficiente, especialmente para os solventes com rendimentos de extração mais elevados. Os resultados obtidos na quantificação de pigmentos por espectrofotometria e ultra high-performance liquid chromatography (UHPLC) demonstraram bastante variação, sendo que a clorofila a demonstrou valores superiores na quantificação por espectrofotometria enquanto a clorofila b demonstrou valores mais elevados na quantificação por UHPLC. Os carotenoides totais demonstraram valores bastante aproximados no entanto foram ligeiramente superiores na quantificação por UHPLC. A extração sequencial de ácidos gordos e pigmentos a partir da mesma biomassa foi avaliada por uma extração inicial de pigmentos da biomassa com os solventes que apresentaram melhor extração, seguida de uma extração de ácidos gordos pelo método de Bligh & Dyer (1959). Os resultados obtidos foram comparados com o valor de ácidos gordos totais obtidos para biomassa sem extração de pigmentos prévia. A quantificação dos ácidos gordos foi feita através da transesterificação destes e análise por cromatografia de gás. A caracterização de ácidos gordos revelou o ácido palmítico como o presente em maior quantidade na biomassa de C. sorokiniana, correspondendo a 40.5% do total de ácidos gordos. O ácido palmitoleico corresponde a 8.1% do total, o ácido oleico a 10.7% do total de ácidos gordos e o ácido linolénico a 15.5% do total de ácidos gordos. Os restantes ácidos gordos apresentaram frações menores. De forma semelhante ao que se sucedeu na extração de pigmentos, a extração de ácidos gordos demonstrou ser mais eficiente para biomassa fresca, extraindo 118.1 mg/g biomassa, em comparação à liofilizada onde foi extraído apenas 57.9 mg/g biomassa. Apesar de o metanol apresentar a melhor taxa de extração de pigmentos demonstrou remover a totalidade de ácidos gordos da biomassa fresca durante a extração de pigmentos. Os solventes utilizados que apresentaram menor extração de ácidos gordos durante a extração de pigmentos foram o acetato isopropílico e o acetato etílico, no entanto estes solventes apresentaram apenas valores medíocres na extração de pigmentos. Devido a esta fraca extração de ácidos gordos por parte do acetato etílico durante a extração de pigmentos foi possível extrair aproximadamente 77% do total de ácidos gordos presentes na biomassa durante a fase de extração de ácidos gordos. A avaliação preliminar do processo de extração sequencial de ambos pigmentos e ácidos gordos da biomassa de C. sorokiniana a uma escala industrial foi efetuada através de uma simulação utilizando o software SuperPro Designer. O processo industrial foi projetado com base nos resultados obtidos no trabalho prático mantendo as proporções de matérias usadas e produtos obtidos. O acetato etílico foi escolhido como solvente para a simulação devido a possuir uma extração sequencial mais equilibrada entre pigmentos e ácidos gordos. Os resultados obtidos indicam a sustentabilidade económica do processo se os produtos forem comercializados a valores elevados. Os preços dos produtos seriam, 10 000 euros/kg para os pigmentos e 15 euros/kg para os ácidos gordos. Apesar de os valores serem elevados, é possível que se enquadrem no mercado real devido à especificidade e pureza do produto. Futuramente, deveria ser feita uma avaliação mais profunda à extração sequencial de pigmentos e ácidos gordos, possivelmente incluindo a co-extração de mais metabolitos de elevado valor da mesma biomassa. A valorização de microalgas seria uma contribuição no avanço de para uma maior sustentabilidade ambiental. The valorisation of microalgae biomass was assessed and enhanced by the characterization of pigment and fatty acid profiles using the microalga Chlorella sorokiniana as a model, increasing pigment extractability by comparison of multiple extraction solvents including green solvents and sequential extractability of fatty acids from the same biomass after pigment extraction, including both fresh and freeze-dried biomass. A preliminary assessment of the sequential extractability of both pigments and fatty acids process at industrial scale was simulated to assess its viability. Lutein, chlorophyll a, chlorophyll b and unidentified chlorophylls were the most abundant pigments present in C. sorokiniana. For both fresh and freeze-dried biomass, the solvent with the highest extraction yields for the quantified pigments was methanol. For fresh biomass, methanol achieved extraction yields of 13.83 ± 0.70 mg/g biomass for lutein, 18.61 ± 2.91 mg/g for chlorophyll a, 29.93 ± 1.87 mg/g for chlorophyll b, and 3.15 ± 0.40 mg/g for beta-carotene (b-carotene). A second pigment extraction cycle from the same biomass was shown to be inefficient, especially for the most efficient solvents. The fatty acids (FA) present in the highest concentrations in C. sorokiniana were palmitic acid (40.5% of total fatty acids), palmitoleic acid (8.1% of total FA), oleic acid (10.7% of total FA) and linoleic acid (15.5% of total FA). The sequential extraction of fatty acids in different stages from the same biomass was not efficient using methanol, however isopropyl acetate and ethyl acetate were able to extract pigments from the biomass without removing a large portion of fatty acids. For both metabolites and all solvents, fresh biomass was shown to achieve higher extraction yields. This benefits the processing operations for this biomass by removing freeze-drying costs. An industrial scale process for the sequential extraction of both metabolites, using ethyl acetate for its average pigments extractability and poor fatty acid removal, from the same biomass was found to be profitable by selling the pigments at 10,000 euros/kg and the fatty acids at 15 euros/kg, which might be suitable for the purity of the obtained products. This study was performed in the Laboratório de Engenharia e Biotecnologia Ambiental (LEBA), integrated in the Centro de Investigação Marinha e Ambiental (CIMA). This study had the support of national funds through Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), under the project LA/P/0069/2020 granted to the Associate Laboratory ARNET and UID/00350/2020 CIMA. |
