Indicadores de rompimento mecânico de células visando a extração de biocompostos de Scenedesmus obliquus

Abstract

Estima-se que o planeta será habitado por 11,2 bilhões de pessoas até 2100, e espera-se que aumentem em 28% e 43% para energia e alimentos, respectivamente. As microalgas são um grupo diverso de microrganismos que apresentam alto potencial para atender a demanda global por alimentos e energia. As cepas de microalgas melhoradas acumulam altos níveis de lipídios, proteínas e carboidratos que podem ser usados para a produção de biodiesel, alimentos e bioetanol, respectivamente. No entanto, é necessário interromper as células microalgas para extrair os metabólitos bioquímicos mencionados acima, e o desafio atual nas culturas de microalgas é a avaliação em tempo real do grau de ruptura celular durante o processamento a jusante. Portanto, a presente dissertação descreve a avaliação de potenciais indicadores de ruptura celular de microalgas que permitem a avaliação em tempo real e a otimização de sistemas de ruptura celular e a otimização dos processos de extração de compostos bioquímicos presentes na biomassa úmida. Por essa razão, a promissora microalga Scenedesmus obliquus BR003 foi cultivada sob condições fotoautotróficas para produção de biomassa e melhoramento dos processos de extração de compostos bioquímicos. A extração de carboidratos foi otimizada utilizando diferentes concentrações de ácido, temperaturas e tempos de retenção. A extração dos lipídeos foi ajustada usando diferentes sistemas de agitação, concentrações de biomassa e tempos de retenção. A extração dos pigmentos fotossintéticos foi avaliada usando diferentes concentrações de etanol. A biomassa de S. obliquus BR003 foi moída e misturada com biomassa não moída para produzir amostras com diferentes proporções de células rompidas. Essas amostras foram formuladas para conter 0, 25, 50, 75 ou 100% de células rompidas, resultando em 5 níveis de ruptura, e usadas para avaliar os indicadores potenciais de rompimento de microalgas. Os indicadores avaliados foram carboidratos neutros, lipídios totais, carotenóides totais, clorofila a, clorofila b, clorofilas totais, proteínas hidrossolúveis totais, aminoácidos totais, compostos nitrogenados, peso seco e reologia. Os seguintes indicadores mostraram uma forte correlação com o grau de disrupção celular: lipídios totais, carotenóides, clorofila a, clorofila b, clorofilas totais, proteínas hidrossolúveis totais, compostos nitrogenados e parâmetros reológicos. Por outro lado, carboidratos neutros, aminoácidos totais, perda de massa apresentaram baixa correlação com o grau de ruptura celular e, portanto, não são indicados para avaliação em tempo real da ruptura de células em equipamentos industriais.

It is estimated that the planet will be inhabited by 11.2 billion people until 2100, and it has been expected an increasing demand of 28% and 43% for energy and food, respectively. Microalgae are a diverse group of microorganisms which show a high potential to fulfill the global demand for food and energy. Improved microalgae strains accumulate high levels of lipids, proteins, and carbohydrates that can be used for production for production of biodiesel, food and bioethanol, respectively. However, it is necessary to disrupt the microalgae cells to extract the biochemical metabolites mentioned above, and a current challenge in microalgae crops is the real-time evaluation of the degree of cell disruption during the downstream processing. Therefore, this present dissertation describes the evaluation of potential indicators of microalgae cell disruption that allow the real-time evaluation and optimization of cell rupture systems, and the optimization of extraction processes of biochemical compounds present in wet biomass. For that reason, the promising microalgae Scenedesmus obliquus BR003 was cultivated under photoautotrophic conditions for biomass production and improvement of the extraction processes of biochemical compounds. The extraction of carbohydrates was optimized using different concentrations of acid, temperatures and retention times. Extraction of lipids was adjusted using different agitation systems, biomass concentrations and retention times. Extraction of photosynthetic pigments was evaluated using different concentrations of ethanol. Biomass of S. obliquus BR003 was ball milled and blended with non-milled biomass to produce samples with different proportions of disrupted cells. These samples were formulated to contain 0, 25, 50, 75 or 100% of disrupted cells, resulting in 5 levels of rupture, and used to evaluate the potential indicators of microalgae cell disruption. Indicators evaluated were neutral carbohydrates, total lipids, total carotenoids, chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophylls, total hydrosoluble proteins, total amino acids, nitrogen compounds, dry weight, and rheology. The following indicators showed a strong correlation with the degree of cell disruption: total lipids, carotenoids, chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophylls, total hydrosoluble proteins, nitrogen compounds, and rheological parameters. On the other hand, neutral carbohydrates, total amino acids and mass loss showed a poor correlation with the degree of cell disruption, and therefore, they are not indicated for real-time evaluation of cell rupture in industrial equipment.