Loading...
Publication
Valorization of microalgal biomass in a biorefinery perspective
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.31 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
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.
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.
Description
Keywords
Microalgas Biorefinaria Biomassa Pigmentos Ácidos gordos Sustentabilidade