Development of downstream processes for pigment valorization: a step towards blue biorefinery

Abstract

The guidelines of The 2030 Agenda for Sustainable Development were very clear. New strategies need to be found to ensure a sustainable future. In this way, marine resources emerge as natural and renewable feedstocks to integrate a blue biorefinery framework and a circular economy approach. Through biomass conversion an integrated production of biofuels and value-added compounds can be designed, allowing the recovery of multiple compounds with lower environmental impacts and a sustainable economic growth. Pigments are natural compounds used in high-end applications due to their colour and high biological interest that can be found in several marine resources. However, the conventional techniques to recover them require the use of complex and time-consuming methodologies that may lead to the degradation and/or loss of stability of the compounds, high energy consumption, and low yields of extraction. Alternative solvents such as aqueous solutions of surfactants and ionic liquids (ILs) appear as more sustainable options that can improve thermal and chemical stability of pigments, obtain higher extraction yields, while minimizing the environmental impacts of the process. In this work, two procedures were developed to recover different pigments using alternative solvents, to overcome the bottlenecks found in the conventional methodologies. In the first work, a solid-phase extraction technique was used to fragmentate chlorophylls from xanthophyll. Then, to elute chlorophylls from AmberLite™ HPR900 OH resin, aqueous solutions of ILs revealed to be efficient solvents to valorize simultaneously xanthophyll and chlorophylls while reusing the resin in several new cycles of purification. The second work focused on the extraction of bacterioruberin pigment from Haloferax mediterranei with aqueous solutions of surfactants, being the non-ionic class the one that showed higher extraction yields. Moreover, the purification of bacterioruberin was also addressed by inducing a simple precipitation with ethanol as anti-solvent to recover proteins as a second added-value compound. In both works easy to implement and environmentally friendly procedures using water-based solvents were successfully proposed, being the operational conditions optimized to reduce both economic and environmental impacts, and to reach higher yields.

As diretrizes da Agenda 2030 para o Desenvolvimento Sustentável foram muito claras. Novas estratégias precisam de ser encontradas para garantir um futuro sustentável. Desta forma, os recursos marinhos surgem como matérias-primas naturais e renováveis para integrar uma estrutura de biorefinaria marinha e uma abordagem de economia circular. Através da conversão de biomassa, uma produção integrada de biocombustíveis e compostos de valor acrescentado pode ser projetada, permitindo a recuperação de vários compostos com impactos ambientais mínimos e um crescimento económico sustentável. Pigmentos são compostos naturais utilizados em aplicações de elevado padrão devido à sua cor e ao seu alto interesse biológico, podendo ser encontrados em diversos recursos marinhos. No entanto, as técnicas convencionais para recuperá-los requerem o uso de metodologias complexas e demoradas que podem levar à degradação e/ou perda de estabilidade dos compostos, alto consumo de energia e baixos rendimentos de extração. Solventes alternativos, como soluções aquosas de líquidos iónicos e surfactantes, aparecem como opções mais sustentáveis que podem melhorar a estabilidade térmica e química dos pigmentos, obter rendimentos de extração mais altos, enquanto minimizam os impactos ambientais do processo. Neste trabalho, foram desenvolvidos dois procedimentos para recuperar diferentes pigmentos utilizando solventes alternativos, a fim de superar as dificuldades encontradas nos métodos convencionais. No primeiro trabalho, uma técnica de extração em fase sólida foi usada para fracionar clorofilas e xantofilas. A seguir, para eluir as clorofilas da resina AmberLite™ HPR900 OH, as soluções aquosas de líquidos iónicos revelaram-se solventes eficientes para valorizar simultaneamente xantofilas e clorofilas, e reaproveitar a resina em vários novos ciclos de purificação. O segundo trabalho teve como foco a extração do pigmento bacterioruberina com soluções aquosas de surfactantes a partir da Haloferax mediterranei, sendo a classe dos não iónicos a que apresentou maiores rendimentos de extração. Além disso, a purificação da bacterioruberina também foi abordada através de uma simples precipitação induzida com etanol como anti-solvente para recuperar proteínas como um segundo composto de elevado valor comercial. Em ambos os trabalhos foram desenvolvidos com sucesso procedimentos de fácil implementação e ambientalmente sustentáveis recorrendo ao uso de solventes aquosos, sendo as condições operacionais otimizadas para reduzir os impactos económicos e ambientais, e permitir alcançar rendimentos mais elevados.