Produção de biomassa de microalgas para aplicação biotecnológica

Abstract

Resumo: O desenvolvimento tecnológico associado ao crescimento populacional aprimoraram o estudo de novas metodologias na área da biotecnologia. Nesse contexto, o cultivo de microalgas para aplicações industriais apresenta diversas potencialidades de grande interesse ao setor. Com base nesse potencial, o presente estudo teve como objetivo avaliar de diversas formas o cultivo de microalgas para produção de biomassa e metabólitos de interesse industrial. A metodologia experimental consistiu primeiramente da influência de diversos meios de cultivo no crescimento de Haematococcus pluvialis e Dunaliella salina. Além da diferença significativa na produção de proteínas, carboidratos totais e lipídeos, os meios de cultivo apresentaram variação de custo de US$2,61-18,36 cada 10³L para o cultivo de H. pluvialis. Ainda, os resultados mostraram que os custos para produzir 1 kg de biomassa seca de H. pluvialis foram de US$6,20 (meio WC), 21,73 (meio CHU) e 40,36 (meio BG-11). Além disso, vários fatores podem influenciar ainda mais o custo de produção e são encontrados em processos de upstream e downstream (carotenogênese e métodos de extração de biomoléculas, dentre vários outros). Os resultados referentes ao uso de meios de cultivo para cultivar D. salina apresentaram diferenças significativas no acúmulo de pigmentos e no custo de produção. A biomassa obtida através do emprego do meio Johnson apresentou 0,855 mg g-¹ de violaxantina e 14,255 mg g-¹ de clorofila a, enquanto 43% de teor de lipídeo foi encontrado na biomassa proveniente do meio Conway. Em geral, os custos da biomassa seca apresentaram variação de US$4,64-301,61 por kg. Levando em consideração as características biológicas das microalgas, foi desenvolvido um bioprocesso para tratamento da vinhaça de arroz utilizando a cianobactéria Synechococcus pevalekii encapsulada em esferas de alginato. Logo após o tratamento biológico, a vinhaça tratada ainda foi utilizada para cultivo da microalga D. salina. Após o bioprocesso, foi observado a redução de nitrato (91%), sólidos totais (29%) e ions no sobrenadante, além da produção de clorofilaa (0,68 x 10-³ mg por esfera) e carotenóides totais (0,64 x 10 -³ mg por esfera). O uso da vinhaça tratada no cultivo de D. salina aumentou a replicação celular em 175% apresentando viabilidade para estudo de aumento de escala. Além dos dados obtidos para produção de biomassa microalgal e tratamento biológico, foi realizado um estudo para avaliar pigmentos microalgais pouco convencionais explorados na literatura. A revisão apresentou pigmentos como echinenona, myxoxantofila, adonixantina, botrioxantina, entre outros associados com as principais espécies produtoras e propriedades biológicas. Além disso, o estudo apresenta alguns parâmetros de produção e métodos analíticos. Por último, foi avaliado e revisado moléculas alternativas aos pigmentos visando o processo de biorefinaria. A revisão de literatura avaliou diferentes tipos de polissacarídeos encontrados na parede celular de microalgas bem como a estrutura química e propriedades biológicas dos mesmos. Vale ressaltar que as tecnologias aplicadas ao cultivo de microalgas são fundamentais para a viabilidade econômica do processo e podem alavancar a produtividade. Estudos baseados em análises econômicas, projeções e busca por novos metabólitos podem eliminar os gargalos encontrados no cultivo de microalgas e possibilitar a inserção de novas empresas no ramo.

Abstract: Technological development associated with population growth has improved the study of new methodologies in the area of biotechnology. In this context, the microalgae cultivation for industrial applications presents several potentials of great interest to the sector. Based on this potential, this study aimed to evaluate in different ways the cultivation of microalgae for the production of biomass and high value-added metabolites. The methodology consisted primarily of the influence of different culture media on the growth of Haematococcus pluvialis and Dunaliella salina. In addition to the significant difference in proteins, total carbohydrates and lipids content, the media showed a cost variation of US$2.61-18.36 each 10³ L for the cultivation of H. pluvialis. Furthermore, the results showed that the costs to produce 1 kg of dry biomass of H. pluvialis were US$6.20 (WC medium), 21.73 (CHU medium) and 40.36 (BG-11 medium). Moreover, several factors can further influence the production cost and are found mainly in upstream and downstream processes (carotenogenesis and biomolecule extraction methods, among several others). The results regarding the use of culture media to cultivate D. salina showed significant differences in pigment accumulation and production cost. The biomass obtained through the use of Johnson medium presented 0.855 mg g-¹ of violaxanthin and 14.255 mg g-¹ of chlorophyll a, while 43% of lipid content was found in the biomass obtained from Conway medium. In general, dry biomass costs ranged from US$4.64-301.61 per kg. Taking the biological characteristics of microalgae into account, a bioprocess was developed for the treatment of rice vinasse using the cyanobacterium Synechococcus pevalekii encapsulated in alginate beads. Soon after the biological treatment, the treated vinasse was used to cultivate the microalga D. salina. After the bioprocess, it was observed a reduction of nitrate (91%), total solids (29%) and ions in the supernatant, in addition to the production of chlorophylla (0.68 x 10-³ mg per bead) and total carotenoids (0.64 x 10-³ mg per bead). The use of treated vinasse in the cultivation of D. salina increased cell replication by 175%, presenting feasibility for scale-up studies. In addition to the data obtained for the production of microalgal biomass and biological treatment, a study was carried out to evaluate lesser-known microalgal pigments explored in the literature. The review presented pigments such as echinenone, myxoxanthophyll, adonixanthin, botrioxanthin, among others associated with the main producing species and biological properties. In addition, the study presents some production parameters and analytical methods. Finally, alternative molecules to pigments were evaluated and reviewed for biorefinery process. The literature review evaluated different types of polysaccharides found in the cell wall of microalgae as well as their chemical structure and biological properties. It is noteworthy that the technologies applied to the cultivation of microalgae are fundamental for the economic viability of the process and can boost productivity. Studies based on economic analysis, projections and the search for new metabolites can eliminate the bottlenecks found in microalgae cultivation and enable the insertion of new companies in the field.