Aplicação de tecnologias de extração de clorofilas e carotenoides de microalgas e uso da biomassa microalgal na adsorção de metais pesados

Abstract

A sustentabilidade é um fator chave no desenvolvimento de soluções para os desafios globais de hoje em dia e requer a aplicação de tecnologias ambientalmente benéficas. Nesse contexto, é crescente o interesse em explorar o potencial das microalgas como valiosas matérias-primas para diferentes aplicações, tornando a biorrefinaria multiproduto uma abordagem que deve reduzir o alto custo da tecnologia microalgal, levando a aplicações em larga escala em um futuro próximo. Heterochlorella luteoviridis e Chlorella sorokiniana são espécies de microalgas consideradas importantes fontes de pigmentos como clorofila a e b, luteína e β-caroteno. No entanto, os pigmentos produzidos por microalgas são retidos nas organelas dentro das células ou no citoplasma, e a parede celular atua como uma barreira dificultando a extração desses compostos. A extração eficiente e econômica é considerada fundamental para viabilizar a produção biológica de pigmentos em larga escala. Considerando o número escasso de estudos experimentais avaliando solventes orgânicos comumente usados, permitidos pela legislação ambiental para extrair compostos de microalgas, este trabalho teve como objetivo a extração da clorofila a, clorofila b e dos carotenoides encontrados em Heterochlorella luteoviridis e Chlorella sorokiniana. Os solventes etanol, acetona, acetato de etila e hexano foram utilizados para a extração em batelada, e os rendimentos de extração e perfis de carotenoides dos extratos foram determinados para avaliar a aplicabilidade desses solventes. Três razões de solvente para biomassa foram testadas (100:1, 200:1 e 1000:1), entretanto esta variável não afetou os resultados na maioria dos casos. O etanol apresentou a maior eficiência na recuperação de clorofilas de microalgas, apresentando altos rendimentos e sendo, portanto, recomendado nesta aplicação. Quanto à recuperação de carotenoides, a acetona figurou entre os solventes mais eficientes na extração de violaxantina, luteína, zeaxantina e caroteno de ambas as biomassas de microalgas, demonstrando ser um solvente orgânico geralmente adequado nesta aplicação. O modelo COSMO-SAC corroborou os resultados de extração, provando ser uma importante ferramenta na triagem de solventes para processos de extração. Em uma segunda abordagem, um planejamento composto central foi empregado para avaliar o uso de misturas sub e supercríticas de CO2+etanol para extrair clorofilas e carotenoides da microalga Chlorella sorokiniana. Os perfis de carotenoides dos extratos foram totalmente avaliados, e as condições ótimas para a extração de clorofila a, clorofila b, carotenos, luteína, zeaxantina e violaxantina foram diferenciadas. A temperatura de extração, a pressão e a composição da mistura de solventes mostraram-se fatores relevantes, pois as condições experimentais proporcionaram resultados de extração fundamentalmente diferentes. A presença de etanol mostrou-se essencial para a extração eficiente de clorofilas e para melhorar substancialmente a recuperação de carotenoides. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada para avaliar a integridade celular e indicou que o aumento da pressão pode ter afetado positivamente a extração dos compostos ao causar rompimento das partículas. Além disso, o COSMO-SAC foi usado para calcular os coeficientes de atividade de diluição infinita (CADIs) de carotenoides na mistura solvente. Esta abordagem teórica foi capaz de corroborar os resultados experimentais ao prever com precisão a composição ideal do solvente para extrair compostos, mais uma vez provando que o modelo COSMO-SAC é uma ferramenta importante para a otimização de processos de extração de biomoléculas. Em uma abordagem sobre o potencial de utilização da biomassa microalgal, este trabalho ainda avaliou a capacidade das biomassas de C. sorokiniana e H. luteoviridis em absorver metais pesados comumente encontrados em efluentes industriais de curtumes e da indústria de galvanoplastia. As remoções de metais pesados foram de 61,4 % Cu2+, 90,2 % Cr3+, 6,9 % Cr6+, 93,7 % Fe2+, 90,6% Fe3+ e 70,3 % Zn2+ para H. luteoviridis, e 65,6 % Cu2+, 75,7 % Cr3+, 5,4 % Cr6+, 86,0 % Fe2+, 63,5 % Fe3+ e 62,7 % Zn2+ para C. sorokiniana. A análise de regressão mostrou que a capacidade de sorção era dependente da microalga, da concentração de metal pesado em solução e do número atômico do adsorvato. Esses resultados indicaram que o uso de microalgas como biossorventes é uma alternativa tecnológica promissora, e a remoção eficiente de ferro foi destacada.

Sustainability is a key factor in developing solutions to today’s global challenges, and it requires the application of environmentally beneficial technologies. It encapsulates the development and exploitation of renewable sources of energy, food and bio-based products. In this context, there is a growing interest in exploiting the potential of microalgae as valuable raw materials for the production of biofuels. Nevertheless, several components of microalgal biomass present enormous potential for different applications, rendering the multi-product biorefinery an approach expected to reduce the high cost of microalgal technology, leading to large-scale applications in the near future. Heterochlorella luteoviridis and Chlorella sorokiniana are microalgal species considered important sources of pigments such as chlorophyll a and b, lutein and β-carotene. However, microalgae-produced pigments are retained in organelles within cells or in the cytoplasm, and the cell wall acts as a barrier making it difficult to extract these compounds. Efficient and cost-effective extraction is considered fundamental to make the largescale biological production of pigments feasible. Considering the scarce number of experimental studies evaluating commonly used organic solvents permitted by legislation to extract microalgal compounds, this work aimed at the extraction of chlorophyll a, chlorophyll b and the carotenoids found in Heterochlorella luteoviridis and Chlorella sorokiniana. Ethanol, acetone, ethyl acetate and hexane were evaluated for the batch extraction of chlorophyll a, chlorophyll b and total carotenoids. Extraction yields and the carotenoid profiles of extracts were evaluated to assess the applicability of these solvents. Three solvent to biomass ratios were tested (100:1, 200:1 and 1000:1), however this variable did not affect the results in most cases. Ethanol showed the highest efficiency in the recovery of chlorophylls from microalgae, presenting high yields and therefore being recommended in this application. As for the recovery of carotenoids, acetone figured among the solvents found to be the most efficient in the extraction of violaxanthin, lutein, zeaxanthin and carotene from both microalgal biomasses, proving to be a generally suitable organic solvent in this application. COSMO-SAC corroborated extraction results, proving to be an important tool in the screening of solvents for extraction processes. In a second approach, a central composite design was employed to evaluate the use of sub- and supercritical mixtures of CO2+ethanol to extract chlorophylls and carotenoids from the microalga Chlorella sorokiniana. The carotenoid profiles of extracts were fully evaluated, and the optimal conditions for the extraction of chlorophyll a, chlorophyll b, carotenes, lutein, zeaxanthin and violaxanthin were differentiated. Extraction temperature, pressure and the composition of the solvent mixture proved to be relevant factors, as the experimental conditions rendered fundamentally different extraction results. The presence of ethanol proved to be essential for the efficient extraction of chlorophylls and to substantially improve the recovery of carotenoids. Scanning electron microscopy (SEM) was used to evaluate cell integrity, and indicated that the increase of pressure may have positively affected the extraction of compounds by causing disruption of the particles. In addition, COSMO-SAC was used to calculate infinite dilution activity coefficients (IDACs) of carotenoids in solvent mixtures. This theoretical approach was able to corroborate experimental results by accurately predicting the optimal solvent composition to extract compounds, again proving that COSMOSAC is an important tool for the optimization of extraction processes to recover biomolecules. Finally, to approach the applicability of the microalgal biomass, this work further evaluated the capacity of C. sorokiniana and H. luteoviridis biomasses to adsorb heavy metals commonly found in these industrial wastewaters. The heavy metal uptakes were 61.4 % Cu2+, 90.2 % Cr3+, 6.9 % Cr6+, 93.7 % Fe2+, 90.6 %, Fe3+ and 70.3 % Zn2+ for H. luteoviridis, and 65.6 % Cu2+, 75.7 % Cr3+, 5.4 % Cr6+, 86.0 % Fe2+, 63.5 %, Fe3+ and 62.7 % Zn2+ for C. sorokiniana. Regression analysis showed that sorption capacity was dependent on the microalga, the heavy metal concentration in solution and the atomic number of the adsorbate. These results indicated that the use of microalgae as biosorbents is a promising alternative technology, and the efficient removal of iron has been highlighted.