Exploitation of bioactive molecules in the processing of microalgal biomass into biodiesel

Dissertação de mestrado, Biologia Molecular e Microbiana, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017Microalgae have been purported as a promising feedstock for the production of biodiesel, presenting a potential solution to overcome the high demand for transportation fuels. Although the production of biodiesel from microalgal biomass is feasible, the costs of production are not competitive when compared to those of fossil fuels. The biorefinery concept is a promising route to lower the costs of production of microalgal-based biofuels and enhance the final value of microalgal biomass. In this work, the potential of Tetraselmis sp. CTP4 for a biorefinery approach was evaluated, through a screening for bioactive compounds and biodiesel production. Crude (CB) and purified (PB) biodiesel were synthesized from wet microalgal biomass, and their properties were estimated based on the fatty acid methyl ester (FAME) profile obtained. Only the FAME, linoleic acid and PUFA (≥4 double bonds) contents, met the EN 14214 specifications in both. CB also met the iodine value defined in this regulation and the cetane number (CN) set in ASTM D6751 specification. Viscosity, density and cold filter plugging point (CFPP) were improved by the purification process. Concerning the biorefinery concept, three different types of activities were studied: Antioxidant, metal chelating and neuroprotection. Five different solvents were used on 2 different sources to produce the extracts: crude and spent biomass (after lipid extraction). The colloidal (CP) and water phases (WL) obtained in the crude lipid extract fractionation were also screened. The ethyl acetate, acetone and ethanol extracts from both crude and spent biomass, as well as the CP extract showed the highest antioxidant and metal chelating activities. As for the neuroprotection activity, the best results were obtained with the spent biomass extracts, using the same solvents mentioned above.As microalgas são um grupo polifilético de organismos eucariotas unicelulares fotossintéticos. Estes organismos têm vindo a ser considerados como uma matéria prima promissora para a produção de biodiesel, apresentando, assim, uma possível solução para a crise energética que se tem observado, principalmente no que diz respeito a combustíveis líquidos para utilização em transportes motorizados. Apesar do processo de conversão da biomassa microalgal em biodiesel já ser possível, os custos associados ao mesmo não são competitivos quando comparados com combustíveis fósseis. A utilização de um conceito de biorrefinaria tem sido sugerido como uma possível solução para este problema. Este conceito depreende a exploração de todos os componentes bioquímicos da biomassa durante o processamento da mesma. O interesse comercial destes compostos pode incluir várias indústrias, como por exemplo, a indústria farmacêutica, cosmética ou alimentar. Neste trabalho foi avaliado o potencial da microalga Tetraselmis sp. CTP4 para implementação de um processo de biorrefinaria, através da exploração das propriedades do biodiesel obtido através da sua biomassa, bem como a presença de compostos bioactivos com capacidade de ação em diferentes campos. Para a obtenção do biodiesel foi realizada uma extracção lipídica, utilizando a biomassa húmida previamente cultivada, bem como uma separação do extrato obtido em três fracções distintas: a fase de hexano, posteriormente transesterificada para obter o biodiesel; a fase coloidal e a fase aquosa, sendo que as duas últimas foram utilizadas para avaliação de bioatividades. Foram depois determinadas as propriedades do biodiesel cru (CB) e purificado (PB) com base no perfil de ácidos gordos dos mesmos. Foi realizada uma comparação entre os valores obtidos para cada uma das amostras de biodiesel, e com os valores definidos nas normativas europeia (EN 14214) e americana (ATSM D6751). Apenas algumas das propriedades estudadas respeitaram, igualmente entre as duas amostras, os valores delineados nas normativas. Estas propriedades foram: a quantidade mínima de FAME (CB = 98.9%; PB = 98.7%) e a quantidade de ácido linoleico (CB = 3.73%; PB = 3.61%) presentes no biodiesel, bem como a presença de ácidos gordos polinsaturados (PUFA) com ≥ 4 ligações duplas (0% em ambos os casos). O valor de iodo do CB (114 g I/100 g) também esteve dentro dos valores definidos em EN 14214 e o número de cetano (49.3) dentro dos valores definidos em ASTM D6751. Nenhuma das amostras cumpriu com os valores definidos para a densidade (CB = 822; PB = 851 kg.m-3), e a viscosidade apenas foi cumprida dentro dos valores definidos em ASTM D6751 pelo PB (2.65 cSt). Também foi avaliado o “cold filter plugging point” (CFPP), que representa a temperatura a que o biodiesel entope filtros com poros de 0.45 μm. No entanto os valores padrão desta propriedade variam consoante o país e a estação do ano, o que torna difícil a sua comparação. De um modo geral as propriedades que foram melhoradas pela purificação do biodiesel foram a viscosidade, a densidade e o CFPP. No entanto, para propriedades como o número de cetano e o valor de iodo, observaram-se valores piores que os obtidos para CB. Como foi mencionado anteriormente, as fases coloidal e aquosa foram utilizadas para determinação das bioatividades, juntamente com extratos preparados a partir da biomassa crua e da biomassa residual, sendo que por esta última se entende a biomassa recolhida após a extração lipídica. Cinco solventes com diferentes polaridades foram utilizados no processo de extração, sendo eles o hexano, acetato de etilo, acetona, etanol e água destilada. Três tipos de atividades foram selecionados: antioxidante, quelante de metais e neuroprotectora. Várias doenças têm sido associadas com a ocorrência de stress oxidativo, nomeadamente doenças neurodegenerativas. O stress oxidativo ocorre quando se verifica um desequilíbrio entre as espécies reativas de oxigénio (ROS) e os antioxidantes presentes numa determinada célula, e dá-se a oxidação de biomoléculas constituintes da mesma. O cérebro é um órgão particularmente vulnerável a danos oxidativos, devido à escassez de antioxidantes, e altas concentrações de metais de transição (Fe3+ e Cu2+) que podem participar na formação de ROS. Apesar de existirem já vários compostos antioxidantes sintéticos em comercialização, foi recentemente demonstrado que os mesmos podem ter atividade carcinogénica. Torna-se então necessária a procura de compostos de origem natural capazes de combater este processo, sejam eles antioxidantes ou quelantes de metais. Para a atividade antioxidante determinou-se a capacidade de cada extrato para sequestrar os radicais (RSA) DPPH e ABTS. Verificou-se que os extratos com melhores RSAs foram os obtidos com acetato de etilo, acetona e etanol, tanto na biomassa crua como na residual, bem como o extrato da fase coloidal. Para as atividades quelantes de metais determinou-se a capacidade de cada extrato para quelar Fe e Cu. Os extratos que demonstraram melhor atividade foram, novamente, os descritos na atividade antioxidante. Para determinar a atividade neuroprotectora dos extratos, foi avaliada a capacidade de inibição de duas enzimas, acetilcolinesterase (AChE) e butirilcolinesterase (BChE). Estudos demonstraram que ambas as enzimas tomam parte no desenvolvimento da doença de Alzheimer (AD). Foi já aprovada a administração de inibidores destas enzimas em pacientes com Alzheimer. No entanto, estes inibidores podem provocar vários efeitos secundários bem como, em determinados casos, apresentar toxicidade, pelo que se torna importante a descoberta de novos compostos que, tendo o mesmo efeito terapêutico, reduzam ou eliminem os efeitos adversos. Os extratos que demonstraram maior capacidade inibitória foram os obtidos da biomassa residual com acetona e etanol, bem como a fase aquosa no caso da AChE e a fase coloidal no caso da BChE. Apesar dos extratos da biomassa crua terem demonstrado potencial bioactivo, para a implementação de uma biorrefinaria é necessário que os compostos bioactivos possam ser extraídos durante o processo de obtenção do biodiesel ou da biomassa residual. Uma vez que foi detetada a presença de compostos bioactivos na biomassa residual, bem como na fase coloidal recomenda-se que estes sejam fracionados, numa tentativa de obter compostos puros, dado que o facto dos extratos serem uma mistura de compostos pode alterar de alguma forma a sua atividade