Produse cu valoare adăugată din biomasă microalgala aplicând concepte de biorefinare

  • Despre
  • Rezumat
  • Obiective
  • Etape
  • Rezultate
  • Diseminare
  • Contact
Despre

Finanțare: Buget de stat

Program: Program 1 – Dezvoltarea sistemului național de cercetare-dezvoltare

Subprogram: Subprogram 1.1 – Resurse Umane

Tip proiect: Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente (TE)

Titlul proiectului: Produse cu valoare adăugată din biomasă microalgala aplicând concepte de biorefinare

Acronim: AlgaeBioref

Contract de finanțare: TE181/2020

Valoarea proiectului: 431.900 Ron

Perioada de derulare a proiectului: 02.11.2020 – 01.11.2022

Rezumat

Prezenta propunere de cercetare are ca obiectiv obtinerea de produsi cu valoare ridicata (antioxidanti, lipide si carbohidrati) din biomasa microalgala utilizand conceptul de biorafinare. O prima etapa a acestui proiect consta in optimizarea conditiilor de crestere a doua tulpini microalgale (Porphyridium purpureum si Dunaliella salina), in vederea maximizarii continutului de antioxidanti, lipide, carbohidrati, utilizand metode statistice de programare a experimentelor. A doua etapa se refera la compararea eficientei metodelor de extractie conventionale si neconventionale (extractia cu dioxid de carbon supercritic, extractia asistata de ultrasunete si extractia clasica cu solvent) in recuperarea din biomasa algala umeda a antioxidantilor si fractiei lipidice cu un continut ridicat de acizi grasi polinesaturati (compusi cu utilizare in industria farmaceutica). Intr-o a treia etapa, fractiile de lipide bogate in acizi grasi polinesaturati si de carbohidrati din biomasa algala va fi transformate in esteri etilici ai acizilor grasi nesaturati si respectiv acid levulinic. Pentru realizarea acestei transformari se are in vedere dezvoltarea unui catalizator acid ferromagnetic heterogen care sa asigure desfasurarea acestor procese cu randamente ridicate.

Prin adoptarea conceptului ” zero deseuri, proiectul isi propune conversia biomasei epuizate de principii active in biocarbine cu proprietati adsorbante, ce va fi testat in vederea retinerii de compusi anorganici. Continutul proiectului include activitati inovative multidisciplinare de optimizare a conditiilor de crestere a microalgelor, respectiv de extractie a compusilor de interes, si de transformare eficienta a acestora in compusi cu valoare adaugata mare utilizand sisteme catalitice dezvoltate in cadrul proiectului.

Obiective

Obiectivul general al proiectului este extragerea produselor cu valoare adăugată din biomasa microalgala aplicând conceptul de biorefinare.

Obiectivele specifice sunt:

O1. Compararea a două tulpini de microalge și selectarea celei care furnizează cea mai mare cantitate de antioxidanți, lipide și carbohidrați în condiții optime de creștere.

O2. Prelucrarea biomasei microalgale prin metode de extracție convenționale și neconvenționale.

O3. Prelucrarea compușilor de interes extrasi din biomasa microalgala pentru a sintetiza substanțe chimice cu valoare adăugată cu diverse aplicații.

Etape

Etape proiect:

Etapa 1. Cultivarea, modelarea și optimizarea creșterii algelor și procesarea biomasei utilzand metode de extracție convenționale și neconvenționale-partial.

Etapa 2. Procesarea biomasei microalgale prin metode de extracție convenționale și neconvenționale.

Etapa 3. Procesarea compușilor de interes extrasi din biomasa microalgala pentru a sintetiza produsi cu valoarea adăugată

Rezultate

Rezultate etapa 1.

În cadrul primei etape s-a realizat un model experimental de cultivare a unei tulpini algale (Dunaliella Salina) în vederea selectării unor microalge cu continut ridicat în ulei şi carotenoizi. La sfârşitul perioadei de creştere exponenţială biomasa algală a fost centrifugată și liofilizată. Biomasa algală separată din mediul de cultură a fost procesesată mai departe pentru obţinerea fracției lipidice şi a conţinutului de carotenoizi.

Rezultate etapa 2.

În cadrul acestei etape s-au realizat modele experimentale de cultivare a 3 tulpini algale, în vederea selectării unor microalge cu continut ridicat în ulei şi carotenoid. La sfârşitul perioadei de creştere exponenţială biomasa algală a fost centrifugată și liofilizată.

Biomasa algală separată din mediul de cultură a fost procesesată mai departe pentru obţinerea fracției lipidice şi a conţinutului de carotenoid. Ca urmare a rezultatelor foarte bune obţinute, s-au selectat pentru continuarea experimentelor următoarele două tulpini algale: Porphyridium Purpureum şi Chlorella Vulgaris. Mai departe biomasa algala a fost procesată prin metode de extracție convenționale și neconvenționale în vederea extragerii fracției lipidice și a pigmenților (carotenoizi). În acest sens s-au realizat modele experimentale privind testarea tehnicilor conventionale și neconventionale de extracție a lipidelor și pigmenților din biomasa algală. Rezultatele preliminare au indicat faptul ca extracția cu Soxhlet presupune consum de energie, timp mare de reacție si temperaturi ridicate ce pot conduce la deteriorarea termică a compușilor de interes. Din acest motiv experimentele s-au concentrat pe determinarea parametrilor optimi de extracție aplicând extracția asistată de ultrasunete (UAE), într-o singură etapă atât a fracției lipidice cît și a pigmenților utilizând solvenți uzuali în industria alimentară (etanol, apă și hexan). Pentru a obține randamente mari de extracție în carotenoide și lipide, s-a utilizat metoda UAE. Pentru optimizarea parametrilor de extracție diferite valori ale intensității (de la 60 la 100 %), ale concentrației de etanol (25 și 70 %), ale compoziției solventului ( raport concentrație etanol și hexan la rapoarte de volum de 1:2; 2:1 și 1,25 la 1)) și

raportul biomasa: solvent (g/v (1:4 – 1:8)) au fost testate. Rezultatele obținute pot fi utilitate pentru acumularea și extracția selectivă a acizilor

grași saturați și polinesaturați folosind solvenți de calitate alimentară. Aceste produse pot fi utilizate în multe aplicații, cum ar fi în industria

alimentară și ca supliment de lipide. S-a studiat acitivatea antioxidantă a 3 probe: biomasa algală de Chlorella vulgaris și Porphyridium purpureum și

exopolizaharide. Toate cele 3 probe au prezentat o dependență a activității oxidante cu concentrația, valoarea cea mai mare înregistrandu-se la

concentrația cea mai mare de 100 μg/ml. Așa cum se poate observa activitatea oxidanta cea mai mare a prezentat-o exopolizaharidele (73,94%), în comparație cu biomasa microalgală Chlorella vulgaris (64,52 %) și Porphyridium purpureum (58,89%).

Rezultate etapa 3.

În ultima etapă s-a urmărit obtinerea esterilor etilici ai acizilor grași polinesaturați (PUFAE) și a acidului levulinic din fracțiunea de carbohidrați urmata de conversia termică a biomasei în biochar. Un pas preliminar pentru obținerea PUFAE a fost esterificarea acizilor grași liberi din uleiul de microalge cu etanol în prezența unor noi catalizatori acizi solizi. Optimizarea parametrilor (raportul molar ulei:alcool, timpul de reacție, masa catalizatorului) au fost obținuti folosind proiectarea experimentală. Noii catalizatori solid-acizi eficienți obtinuti au fost caracterizați folosind tehnici adecvate. Etapa de transesterificare a uleiului de alge pretratat cu etanol a fost realizată folosind un catalizator heterogen cu structură de hidrotalcit. Distribuția PUFAE și randamentul reacției au fost măsurate utilizând GC-MS/MS TRIPLE QUAD (Agilent 7890 A).

Acidul levulinic (LA) a fost obținut din fracția de exocarbohidrați din biomasa de alge, folosind o autoclavă din oțel inoxidabil achiziționată în etapa anterioară. Pentru sinteza LA a fost testat același catalizator de acid feromagnetic sulfatat preparat anterior.

Conversia termică a biomasei în biochar a fost realizata efectuată în reactorul tubular cu flux continuu. Activitatea majoră a fost optimizarea parametrilor (temperatură, concentrație de oxigen și timp) în vederea obținerii unui biochar cu proprietăți de adsorbție (caracteristici ca porozitate, suprafață specifică mare, capacitate de schimb cationic). Porozitatea, precum și aria specifică a porilor vor fi determinate cu dispozitivul

Nova surface area si pore size. Capacitatea de adsorbție a biocharului pentru compușii anorganici (de exemplu Ca, Na, N și P) va fi evaluată prin aplicarea izotermei Freundlich.

Diseminare

Articole ISI publicate

  • Vintila Alin Cristian Nicolae, Vlaicu Alexandru, Radu Elena, Ciltea-Udrescu Mihaela, Enascuta Cristina Emanuela, Banu Ionut, Oprescu Elena-Emilia. Evaluation of ultrasound assisted extraction of bioactive compounds from microalgae, send for publication to Journal of Food Measurement and Characterization. 16, 2518–2526 (2022) https://doi.org/10.1007/s11694-022-01347-9.
  • Oprescu Elena-Emilia, Enascuta Cristina-Emanuela, Radu Elena, Ciltea-Udrescu Mihaela, Lavric Vasile. Does the US improve the extraction productivity ompared to classical methods – maceration and reflux distillation? Chemical Ingineering and Processing: Process Intensification. 179 (2022) 109082. https://doi.org/10.1016/j.cep.2022.109082.
  • Oprescu Elena-Emilia, Enascuta Cristina-Emanuela, Vasilievici Gabriel, Banu Ionut. Preparation of magnetic biochar for nitrate removal from aqueous solutions. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2022, 135(5), 2629–2642. https://doi.org/10.1007/s11144-022-02263-1.
  • Enascuta Cristina-Emanuela, Oprescu Elena-Emilia, Radu Elena, Somoghi Raluca, Lavric Vasile. Microencapsulated polyunsaturated fatty acids used as nutraceuticals. Proceedings: 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022.
  • Enascuta Cristina-Emanuela, Oprescu Elena-Emilia, Calin Catalina, Vasilievici Gabriel, Popa Cristina. Adsorbtion of nitrate of magnetic microalgal biochar. Proceedings: 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022.
  • Paulenco Anca, Vintila Alin Cristian Nicolae, Galan Ana-Maria, Vlaicu Alexandru, Ionut Banu. Effects of stress factors in the growth medium on bio-compounds production by porphyridium purpureum, 19th International Scientific GeoConference SGEM 2019 XXIth International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying, Geology and Mining, Ecology and Management – SGEM 2021.
  • Vlaicu Alexandru, Vintila Alin Cristian Nicolae, Radu Adrian, Enascuta Cristina Emanuela, Oprescu Elena-Emilia. “Screening of antioxidant and PUFA production in Dunaliella Salina by altering growth nutritional factors”, Proceedings: 21st International Multidisciplinary Scientific Geo Conference SGEM 2021.

Participări conferinte internationale/nationale/indexate ISI/Scopus

  • Enascuta Cristina Emanuela, Oprescu Elena-Emilia, Radu Elena, Somoghi Raluca, Lavric Vasile. Microencapsulated polyunsaturated fatty acids used as nutraceuticals. Proceedings: 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022. 07-10 July, Albena, Bulgaria.
  • Enascuta Cristina Emanuela, Oprescu Elena-Emilia, Calin Catalina, Vasilievici Gabriel, Popa Cristina. Adsorbtion of nitrate of magnetic microalgal biochar. Proceedings: 22nd International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2022. 07-10 July, Albena, Bulgaria.
  • Oprescu Elena-Emilia, Enascuta Cristina Emanuela, Ciltea-Udrescu Mihaela, Lavric Vasile. “Extraction process optimization for vegetable oils rich in bioactive compounds”. Internațional Symposium “CURRENT TRENDS IN NATURAL SCIENCES International Symposium” May 28 – 30, 2021. Pitesti, Romania.
  • Vlaicu Alexandru, Vintila Alin Cristian Nicolae, Radu Adrian, Enascuta Cristina Emanuela, Oprescu Elena-Emilia. “Screening of antioxidant and PUFA production in Dunaliella Salina by altering growth nutritional factors”. 21st International Multidisciplinary Scientific Geo Conference SGEM 2021. 14-22 August, 2021. Albena, Bulgaria.
  • Paulenco Anca, Vintila Alin Cristian Nicolae, Galan Ana-Maria, Vlaicu Alexandru, Ionut Banu. Effects of stress factors in the growth medium on bio-compounds production by porphyridium purpureum, 19th International Scientific GeoConference SGEM 2019 XXIth International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying, Geology and Mining, Ecology and Management – SGEM 2021.
  • Enascuta Cristina Emanuela, Oprescu Elena-Emilia, Radu Adrian, Colie (Stanca) Maria, Lavric Vasile. “Comparative study on unsaturated fatty acid extraction using green extraction methods”. International Symposium “Priorities of Chemistry for a Sustainable Development” PRIOCHEM – XVI-th edition, 28.10.2020-30.11.2020 Bucuresti, Romania.
Contact

Contact director proiect: Dr. chim. Elena-Emilia OPRESCU

Email:

Telefon: 0213163086