Extração de óleo de Chlorella pyrenoidosa assistida em ultrassom

Abstract

Resumo: Microalgas têm se destacado no cenário mundial como potencial fonte para a produção de biodiesel por apresentarem altas taxas de rendimento lipídico, cultivo intensificado e altas taxas de crescimento. A extração do óleo de microalgas é atualmente um dos principais gargalos no desenvolvimento e implantação de processos para extração e produção de biodiesel a partir desta matéria-prima. A aplicação de novas tecnologias em detrimento das já conhecidas técnicas de extração, tais como extração por prensagem ou por solventes orgânicos, é fundamental para a viabilidade técnica e econômica deste tipo de processo. Neste contexto, o objetivo geral do presente trabalho foi estudar a extração por solvente orgânico do óleo de microalga Chlorella pyrenoidosa assistida em ultrassom. As extrações com solvente acelerados por ultrassom foram conduzidos em um banho de ultrassom ECO-SONICS Q 59/31A, com potência máxima de 165 W. Foram estudadas as variáveis temperatura, razão entre massa de microalga e volume de solvente (hexano ou etanol) (RMV) e potência (Pb) por meio de um planejamento fatorial 2³ com ponto central. Para o planejamento experimental o tempo de extração foi fixado em 60 min. Ainda, no presente estudo foram realizadas medidas das cinéticas de extração para as diferentes condições experimentais, as quais foram correlacionadas a modelos cinéticos de extração de primeira e segunda ordem. Para comparação do rendimento lipídico, foram realizadas extrações em Sohxlet com tempo de extração de 12 horas e em triplicata. A escolha dos solventes foi em função do hexano ser utilizado como padrão para determinação de extraíveis e o etanol devido ao interesse na produção de biodiesel. A condição de máximo rendimento de extração, em termos de massa de extrato em relação à massa de microalga seca, foi de 14,65% (m/m) na condição de 100% da potência do banho, na temperatura de 30 °C e RMV de 75 mg/mL para o etanol como solvente. Para o hexano como solvente o máximo rendimento de extração foi de 2,41%, nas condições experimentais de 20% da potência do banho, temperatura de 60°C e RMV de 150 mg/mL. Para as extrações em Sohxlet com etanol e hexano os resultados dos rendimentos de extração foram de 13,08% e 1,71%, respectivamente. O etanol foi o melhor solvente considerado para operação em que a variável potência do ultrassom foi identificada como a mais significativa no processo. Para este solvente, o processo de obtenção da porção lipídica e conversão a ésteres metílicos (biodiesel) foi realizada utilizando a metodologia de Hartman & Lago modificado, sendo o melhor resultado 8,32 % (8,32 g de ésteres metílicos para cada 100 g de microalga), nas condições experimentais com Pb de 100%, Tb igual à 60°C e RVM de 150 mg/mL. O modelo de segunda ordem apresentou uma boa capacidade de correlação dos dados experimentais das cinéticas de extração, o que permitiu avaliar o comportamento do período inicial da extração, bem como a possibilidade da utilização dos dados para projeto, modelagem e simulação de novos processos baseados nestas condições operacionais.

Abstract: Microalgae have been pointed as a promising source for biodiesel-convertible lipid production due to their high lipid content, high productive and intensified crops. The extraction step is currently one of the main bottlenecks regarding the process development and implementation for biodiesel production from this feedstock. Development of new technologies to the detriment of already known extraction techniques, such as mechanical press or extraction with organic solvents, is the central issue to the technical and economic viability of this process. In this context, the main goal of this work was to study the oil extraction from microalgae Chlorella pyrenoidosa using an organic solvent in ultrasound-assisted process. The ultrasound-assisted extractions were performed using an ultrasound bath (ECO-Q Sonics 59 / 31A), with maximum power of 165 W. The variables studied were temperature, microalgae to solvent volume mass ratio (hexane and/or ethanol) (RMV) and power of the ultrasound bath (Pb) through a 2³ factorial design with center point. In the experimental design, the extraction time was 60 min. Furthermore, kinetic of oil extraction at different experimental conditions were measured and correlated using a first and second-order model. In order to compare the lipids yield, microalgae extractions were also performed in a Sohxlet system with an extraction time of 12 h and in triplicate. Hexane is been used as the standard solvent for lipids extraction and ethanol is related to the biodiesel production processes. The highest yield extraction, in terms of mass of extract to dried microalgae mass, was 14.65% (m/m) using the ethanol as the solvent at conditions of 100% of ultrasound power, 30 °C and RMV of 75 mg/mL. Regarding the hexane, the maximum yield was 2.41%, at conditions of 20% of ultrasound power, 60 °C and RMV of 150 mg/ml. From the Sohxlet extractions with ethanol and hexane the extraction yields were 13.08% and 1.71%, respectively. The ethanol was considered the better solvent for the operating conditions studied in this work and the power ultrasound (%P) was identified as the most significant variable in this process. For this solvente, the extract to methyl ester (biodiesel) conversion process were realized by modify Hartman & Lago methodology, being the best result 8.32% (8.32 g of methyl ester by each 100 g microalgae), at experimental condition with Pb 100%, Tb equal to 60°C and RVM of 150 mg/mL. The second-order kinetic extraction model showed a good capability in correlate the experimental data, which can be used to assess the behavior of the initial period of extraction as well as the possibility of using these informations for design, modeling and simulation of new processes based on such operating conditions. Keywords: Extraction, ultrasound, microalgae, esterification, biodiesel, ethanol.