Extração integrada de carboidratos e lipídeos para a produção de bioetanol e biodiesel a partir da microalga Chlorella sp

Abstract

Estima-se que a população mundial irá exceder 9 bilhões em 2050, aumentando a demanda por energia e contribuindo para a escassez de terras aráveis. A produção em larga escala de combustíveis renováveis é uma alternativa promissora para mitigar a dependência de combustíveis fósseis. Microalgas são capazes de acumular lipídeos e carboidratos, que podem ser convertidos em biodiesel e bioetanol, sendo potenciais candidatas a processos de biorrefinaria. O presente estudo teve por objetivo a extração integrada de carboidratos e lipídeos da microalga Chlorella sp. em um conceito de biorrefinaria, em que as rotas de extração de lipídeos-extração de carboidratos (Rota 1) e extração de carboidratos-extração de lipídeos (Rota 2) foram estudadas. A extração de lipídeos com os solventes etanol e hexano foi otimizada quanto à proporção de solventes e o número de estágios necessários para se obter um rendimento eficiente de lipídeos. A extração de carboidratos foi realizada por meio de um delineamento composto central em que os parâmetros temperatura, tempo, concentração de ácido sulfúrico e concentração de biomassa foram otimizados. A extração de lipídeos na proporção 1:2 de etanol e hexano e 4 estágios de extração resultou em 93 % de rendimento. A hidrólise ácida com solução a 5 % (v v -1 ) de H 2 SO 4 , 120 °C, 10 minutos e 10 g L -1 de sólidos totais, resultou em um rendimento de 89 % de carboidratos neutros totais. Ambas as condições foram empregadas nas Rotas 1 e 2 e observou-se que o tratamento ácido anterior à extração de lipídeos resultou em um aumento de 49,9 % (Rota 1) para 96,3 % (Rota 2) de lipídeos extraídos e uma maior conversão em FAMEs. A extração de lipídeos anterior a hidrólise (Rota 1) não degradou os polissacarídeos de reserva e estruturais, porém não contribuiu significativamente para o aumento do rendimento de carboidratos. Portanto, a hidrólise ácida é um fator crucial para o aumento do rendimento de lipídeos e a Rota 2 é uma alternativa promissora para a valorização de lipídeos e carboidratos, para posterior produção de biodiesel e fermentação a bioetanol, respectivamente, em uma biorrefinaria.

It is estimated that the world's population will exceed 9 billion by 2050, increasing the demand for energy and contributing to the scarcity of arable land. Large scale production of renewable fuels is a promising alternative to mitigate dependence on fossil fuels. Microalgae are able to accumulate lipids and carbohydrates, which can be converted into biodiesel and bioethanol, being potential candidates for a biorefinery processes. The objective of the present study was the integrated extraction of carbohydrates and lipids from the microalgae Chlorella sp. in a biorefinery concept, in which the routes lipid extraction-carbohydrate extraction (Route 1) and carbohydrate extraction-lipid extraction (Route 2) were studied. The extraction of lipids, with the solvents ethanol and hexane, was optimized according to the solvent ratio and the number of stages required to obtain an efficient lipid yield. The extraction of carbohydrates was investigated in a central composite design in which the parameters temperature, time, sulfuric acid concentration and biomass concentration were optimized. Extraction of lipids in the ratio ethanol: hexane (1: 2) and 4 extraction stages resulted in a yield of 93 %. Acid hydrolysis with 5 % (v v -1 ) H 2 SO 4 , 120 °C, 10 minutes and a solid load of 10 g L -1 resulted in a yield of 89 % of total neutral carbohydrates. Both conditions were used in the routes and it was observed that the acid treatment given prior to lipid extraction resulted in an increase from 49.9 % (Route 1) to 96.3 % (Route 2) of extracted lipids and a higher conversion in FAMEs. Extraction of lipids prior to hydrolysis (Route 1) did not degrade storage and structural polysaccharides, however did not contribute significantly to the increase in carbohydrate yield. Therefore, acid hydrolysis is a crucial factor for the increase of lipid yield and Route 2 is a promising alternative for the valorization of lipids and carbohydrates, for subsequent production of biodiesel and fermentation to bioethanol, respectively, in a biorefinery. .