Avaliação de um sistema de ultrassons para rutura celular de microalgas

Abstract

As microalgas são microrganismos fotossintéticos simples que apresentam grande valor comercial devido à sua capacidade de produzirem e acumularem inúmeros compostos de interesse para várias indústrias e aplicações biotecnológicas. A rutura das células e extração destes compostos é geralmente difícil e acarreta custos, implicando muitas vezes o recurso a solventes ou substâncias nefastas para o ambiente. O presente trabalho foi desenvolvido no Centro para a Valorização de Resíduos (CVR), em colaboração com o Centro de Engenharia Biológica (CEB), tendo como principal objetivo avaliar a eficiência de um sistema de ultrassons, sem recurso à utilização de solventes, para a rutura celular e libertação de compostos em culturas de Chlorella vulgaris. Esta microalga foi selecionada para o estudo pela sua elevada taxa de crescimento, resistência a condições adversas e capacidade de acumular diversos compostos de interesse. As culturas de C. vulgaris foram crescidas em condições fototróficas, sendo depois submetidas aos ultrassons. O sistema de ultrassons foi operado a frequência constante (19.8 kHz) e testaram-se diferentes parâmetros, nomeadamente (i) 400 W ou 800 W de potência, (ii) operação intermitente ou pulsada, (iii) durante 20 min (1 ciclo) ou 60 min (3 ciclos), (iv) com ou sem pré-tratamento (por congelação) das culturas de microalgas. A rutura celular foi avaliada com base em contagens celulares realizadas ao microscópio em câmara de Neubauer, tendo-se depois avaliado a libertação de clorofila, amido, açúcares solúveis e proteína nas diferentes situações testadas. Os resultados obtidos mostraram que o sistema deve ser operado em modo pulsado, uma vez que no modo não pulsado o sistema entrava frequentemente em overload. Relativamente à percentagem de rutura celular, foram obtidos melhores resultados a 400 W, tendo-se obtido um valor máximo de 52 % para o tratamento em modo pulsado a 400 W com 3 ciclos de funcionamento (60 min). Em operação equivalente a 800 W a eficiência de rutura alcançada foi de 32 %. A maior libertação de clorofilas e de proteína foi também verificada no tratamento pulsado a 400 W durante 3 ciclos, embora a libertação de açúcares solúveis tenha sido mais importante nos tratamentos a 800 W. Tendo em vista a otimização desta metodologia seria agora interessante testar a operação do sistema com potências mais baixas, bem como promover previamente a acumulação de compostos de interesse (através de diferentes condições de cultivo), para posterior rutura e extração desses mesmos compostos.

Microalgae are simple photosynthetic microorganisms that have high commercial value due to their ability to produce and accumulate numerous compounds with various industrial and biotechnological applications. Cell disruption and extraction of these compounds is generally difficult and costly, often involving the use of solvents or harmful substances to the environment. This work was developed in a waste recovery center – Centro para a Valorização de Resíduos (CVR), in collaboration with the Centre of Biological Engineering (CEB), with the main objective of evaluating the efficiency of a solvent-free ultrasound system for cell disruption and release of compounds in pure cultures of Chlorella vulgaris. This microalgae was selected for the study due to its high growth rate, resistance to adverse conditions and ability to accumulate various compounds of interest. Cultures of Chlorella vulgaris were grown in phototrophic conditions and after underwent ultrasound treatment. The ultrasound system was operated at constant frequency (19.8 kHz) and several parameters were tested namely (i) 400 W or 800 W of power; (ii) intermittent or pulsed mode; (iii) for 20 min (1 cycle) or 60 min (3 cycles); (iv) with or without pretreatment (freezing) of microalgae cultures. Cell disruption was evaluated from cell counts performed under a microscope in a Neubauer chamber. The release of chlorophyll, starch, soluble sugars and proteins was also evaluated in the different situations tested. The results obtained show that the system should be operated in pulsed mode, since in the intermittent mode the system often suffered from overload. Regarding the percentage of cell disruption, better results were obtained with the pulsed treatment at 400 W during 3 cycles (60 min), reaching a maximum value of 52 %. In the equivalent operation at 800 W, the cell disruption efficiency achieved 32 %. The highest release of chlorophylls and protein was also observed with the pulsed treatment at 400 W during 3 cycles, although the release of soluble sugars was more important in the 800 W treatments. In order to optimize this methodology, it would be interesting to test the operation of the system with lower power values. Moreover, previously accumulation of added value compounds (through different cultivation conditions), for later cell disruption and extraction of these compounds, could also be an interesting strategy to test.