Síntese, extração e caracterização de biopolímeros de origem microalgal para desenvolvimento de nanofibras

Abstract

Pesquisas com microalgas estão crescendo devido aos possíveis bioprodutos oriundos de sua biomassa, bem como as suas diferentes aplicabilidades. Microalgas podem ser cultivadas para a produção de biopolímeros com características de biocompatibilidade e biodegradabilidade. Nanofibras produzidas por electrospinning a partir de poli-β-hidroxibutirato (PHB) geram produtos com aplicabilidade na área de alimentos e médica. O objetivo deste trabalho foi selecionar microalgas com maior potencial para síntese de biopolímeros, em diferentes meios de cultivo, bem como purificar poli-β-hidroxibutirato e desenvolver nanofibras. Este trabalho foi dividido em cinco artigos: (1) Seleção de microalgas produtoras de biopolímeros; (2) Produção de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivo com diferentes fontes de carbono e redução de nitrogênio; (3) Síntese de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivos autotróficos e mixotróficos; (4) Purificação de poli-β- hidroxibutirato extraído da microalga Spirulina sp. LEB 18; e (5) Produção de nanofibras a partir de poli-β-hidroxibutirato de origem microalgal. Foram estudadas as microalgas Cyanobium sp., Nostoc ellipsosporum, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Os biopolímeros foram extraídos nos tempos de 5, 10, 15, 20 e 25 d de cultivo a partir de digestão diferencial. Para os experimentos com diferentes nutrientes, foi utilizado como fonte de carbono, bicarbonato de sódio, acetato de sódio, glicose e glicerina modificando-se as concentrações de nitrogênio e fósforo. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L. A concentração inicial de inóculo foi 0,15 g.L-1 e os ensaios foram mantidos em estufa termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m -2 .s -1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Para a purificação de PHB, foi utilizada a biomassa da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, cultivada em meio Zarrouk. Após a extração do biopolímero bruto, a amostra foi desengordurada com hexano e purificada com 1,2-carbonato de propileno. Foram determinadas as purezas e as propriedades térmicas no PHB purificado. O biopolímero utilizado para produzir as nanofibras apresentava 70 % de pureza. A técnica para produção de nanofibras foi o electrospinning. As microalgas que apresentaram máxima produtividade foram Nostoc ellipsosporum e Spirulina sp. LEB 18 com rendimento de biopolímero 19,27 e 20,62 % em 10 e 15 d, respectivamente, na fase de máximo crescimento celular. O maior rendimento de biopolímeros (54,48 %) foi obtido quando se utilizou 8,4 g.L-1 de NaHCO3, 0,05 g.L-1 de NaNO3 e 0,1 g.L-1 de K2HPO4. A condição que proporcionou maior pureza do PHB foi a 130 ºC e 5 min de contato entre o solvente (1,2-carbonato de propileno) e o PHB. As análises térmicas para todas as amostras foram semelhantes em relação ao PHB padrão (Sigma-Aldrich). A purificação com 1,2-carbonato de propileno foi eficiente para o PHB extraído de microalga, alcançando pureza acima de 90 %. A condição que apresentou menores diâmetros de nanofibras foi ao utilizar solução contendo 20 % de biopolímero solubilizado em clorofórmio. As condições do electrospinning que apresentou nanofibras com diâmetros de 470 e 537 nm foram, vazão 150 µL.h-1 , diâmetro do capilar 0,45 mm e voltagens entre 24,1 e 29,6 kV, respectivamente. A microalga Spirulina sp. LEB 18 produz PHB ao utilizar menores concentrações de nutrientes no meio de cultivo, que pode ser purificado com 1,2-carbonato de propileno. Este biopolímero possui aplicabilidade para produção de nanofibras.

Research with microalgae are increasing due to their byproducts and different applicability. Cyanobacteria can be cultivated for the production of biopolymers that are biocompatibile and biodegradable. Nanofibres produced by electrospinning from poly-β-hydroxybutyrate (PHB) generate fibers with applications in the areas of food and health. The aim of this study was to determine which microalgae and cultivation conditions attained the highest biopolymers concentrations, to purify the extracted biopolymer PHB and to develop PHB nanofibers. The work was shared in five articles: (1) selection of microalgae that produce biopolymers; (2) biopolymer production by Spirulina strain LEB 18 in culture with different sources of carbon and reduced nitrogen; (3) biopolymer synthesis by Spirulina strain LEB 18 in autotrophics and mixotrophics cultures; (4) purification of poly-β-hydroxybutyrate extracted from Spirulina strain LEB 18; and (5) production of nanofibers from purified poly-β- hydroxybutyrate from microalgae. The microalgae Cyanobium strain, Nostoc ellipsosporum, Spirulina strain LEB 18 and Synechococcus nidulans, were studied. The biopolymers were extracted at 5, 10, 15, 20 and 25 d of culture by differential digestion. For the experiments with different nutrients sodium bicarbonate, sodium acetate, glucose, and glycerin were used as carbon sources, and the concentrations of nitrogen and phosphorus were varied. The cultivation was carried out in 2 L closed photobioreactors. The initial inoculum concentration was 0.15 g L-1 and the tests were kept in a temperature controlled oven at 30 °C with illuminance of 41.6 μmolphotons m - 2 s - 1 and photoperiod of 12 h light/dark. To purify the PHB biomass from Spirulina strain LEB 18, cultured in Zarrouk medium, was used and the extraction was performed with sodium hypochlorite. The sample was defatted with hexane and purified with 1,2- propylene carbonate. For the purified PHB samples thermal properties and purity were determined. The biopolymer used to produce nanofibers was purified over 70 %. The technique for producing nanofibers was electrospinning, which involves using high voltage in the polymer solution. Microalgae that showed the maximum productivity were Nostoc ellipsosporum and Spirulina strain LEB 18 with biopolymer yield of 19.27 and 20.62 % at 10 and 15 d, respectively, in the phase of maximum cell growth. The highest yield of biopolymers (54.48 %) was obtained when using 8.4 g L-1 NaHCO3, 0.05 g L-1 NaNO3 and 0.1 g L-1 , K2HPO4. The thermal analysis for all samples were similar with respect to the standard PHB (Sigma-Aldrich).The highest purity of PHB was attained using 1,2-propylene carbonate at 130 °C and contact time with the solvent of 5 min. Purification with 1,2- propylene carbonate was effective for PHB, increasing purity above 90 %. The lowest fiber diameters were obtained using 20 % of biopolymer dissolved in chloroform, a flow of 150 μL h -1 , a capillary diameter of 0.45 mm and different voltages of 24.1 and 29.6 kV. These conditions produced fibers with diameters of 470 and 537 nm, respectively. The Spirulina sp. LEB 18 produces PHB to use lower concentrations of nutrients in the culture medium, which can be purified with 1,2-propylene carbonate. This biopolymer has applicability for the production of nanofibers.

As microalgas são estudadas devido ao seu potencial biotecnológico. O cultivo de microalgas visa a obtenção de compostos naturais como biopolímeros, vitaminas, proteínas, entre outros. Devido à grande quantidade de lixo polimérico acumulado, uma das soluções é a utilização de polímeros biodegradáveis que podem ser produzidos a partir de cianobactérias. O objetivo deste trabalho foi selecionar microalgas produtoras de biopolímeros, assim como estudar a fase de crescimento celular em que ocorre máxima produção. Foram estudadas as microalgas Cyanobium sp., Nostoc ellipsosporum, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L, mantidos em câmara termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m-2 .s-1 e fotoperíodo de 12 h claro/escuro. Os biopolímeros foram extraídos nos tempos de 5, 10, 15, 20 e 25 d de cultivo, a partir de digestão diferencial. As microalgas que apresentaram maior produtividade foram Nostoc ellipsosporum e Spirulina sp. LEB 18 com rendimento de biopolímeros bruto de 19,27 e 20,62 % em 10 e 15 d, respectivamente, na fase de máximo crescimento celular.

Microalgae are studied because of their biotechnological potential. The cultivation of microalgae aims to obtain natural compounds such as biopolymers, vitamins, proteins, among others. Due to the large amount of plastic waste accumulated, one solution is to use biodegradable plastics that can be produced from cyanobacteria. The aim of this work was to select microalgae for biopolymers production, and also study the phase of cell growth that occur the maximum production. The microalgae Cyanobium strain, Nostoc ellipsosporum, Spirulina strain LEB 18 and Synechococcus nidulans, were studied. The cultivation was carried out in 2 L closed photobioreactors, thermostatically maintained at 30°C with illuminance of 41.6 μmolphotons m - 2 s -1 and a photoperiod of 12 h light/dark. The biopolymers were extracted at 5, 10, 15, 20 and 25 d of culture by differential digestion. Microalgae that showed the maximum productivity were Nostoc ellipsosporum and Spirulina strain LEB 18 with biopolymer yield of 19.27 and 20.62 % at 10 and 15 d, respectively, in the phase of maximum cell growth.

Os problemas ambientais relacionados aos resíduos poliméricos estão se tornando mais visíveis com o passar do tempo. Uma alternativa para diminuir os problemas causados por estes descartes é a utilização de biopolímeros, que possam ser sintetizados por microalgas. O objetivo deste trabalho foi estimular a síntese de biopolímeros a partir da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, cultivada com diferentes fontes de carbono e redução de nitrogênio. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L. A concentração inicial de inóculo foi 0,15 g.L-1 e os ensaios foram mantidos em estufa termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m-2 .s-1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Foram estudados cultivos autotróficos e mixotróficos, utilizando glicose, acetato de sódio e bicarbonato de sódio como fonte de carbono. Os maiores rendimentos de biopolímeros bruto (44,19 %) foram obtidos quando se utilizou cultivo autotrófico, com 8,4 g.L-1 de bicarbonato de sódio e redução de 90 % da fonte de nitrogênio, representando aumento de 3,9 vezes o rendimento dos biopolímeros bruto em relação ao experimento sem a redução de nitrogênio.

Environmental problems related to polimeric waste are becoming more visible over time. An alternative to reduce the problems caused by these discharges is the use of biopolymers, which can be synthesized by microalgae . The aim of this work was to stimulate the synthesis of biopolymers from the cyanobacterium Spirulina strain LEB 18, growning in different sources of carbon and reduced nitrogen. The cultures was carried out in 2 L closed photobioreactors. The initial inoculum concentration was 0.15 g L-1 and the tests were kept in a controlled oven at 30°C with illuminance of 41.6 μmol m- 2 s - 1 and photoperiod of 12 h light/dark. Mixotrophic and autotrophic cultures were studied using glucose, sodium acetate and sodium bicarbonate as a carbon source. The highest yields of crude biopolymers (44.19 %) were obtained when using autotrophic cultures, with 8.4 g L -1 sodium bicarbonate and 90 % of nitrogen reduction. This condition increase 3.9 times the yield of crude biopolymers compared to the experiment without the reduction of nitrogen.