Fractionation of marine algae to its constituents towards valuable chemicals and energy products

Abstract

There is an urgency for finding renewable resources for the replacement of fossil resources aiming at more environmentally friendly processing. The old concept of processing forestry biomass for pulp and paper that dominated the industry for centuries has evolved to the development of biorefineries, which convert most of the biomass into products and energy. One of the most valorized fractions of terrestrial plants is cellulose, which is utilized to produce pulp, paper and recently specialty cellulose. Regarding algae, while the cellulose content is rather low depending on the species, the presence of sulfate and uronic-acid-rich polysaccharides provides a new set of molecules with industrial potential. Consequently, the aim of this work is to demonstrate the efficient processing of seaweeds in line with a biorefinery concept.

In this thesis, brown and green algae were processed for the extraction of their main constituents using water and ionic liquids, following the principle of green chemistry. Subsequently, the work focused on the depolymerization of marine polysaccharides utilizing biotechnological and chemical catalysis. Additionally, the kinetics of these reactions was thoroughly studied using mathematical modeling. Several different analytical techniques were used for characterizing the products, such as high-performance liquid and sizeexclusion chromatography, gas chromatography as well as ion chromatography, Fourier transform infrared spectrometry, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, among others.

The results showed that it is feasible to extract molecules possessing antioxidant activities, such as phlorotannins, as well as polysaccharides such as the sulfated rhamnoglucuronan ulvan. By means of water processing of the brown alga Macrocystis pyrifera (giant kelp), two phlorotannins were identified: phloroeckol and a tetramer of phloroglucinol isomer. The treatment of the green alga Ulva rigida (sea lettuce) with the distillable ionic liquid 1,1,3,3-tetramethylguanidine propionate at 120°C allowed for the dissolving of 69 wt.% of the total carbohydrate content, while the extraction of ulvan with water at temperatures below 130°C resulted in yields of up to 99 wt.%. Further depolymerization of the polysaccharides contained in brown and green algae via enzymatic and chemical catalytic processing allowed for the obtaining of monomer yields up to 86 wt.% of D-mannuronic and L-guluronic acids and 82 wt.% L-rhamnose, respectively. The activation energy for the kinetics of the extraction of ulvan, to be estimated through mathematical modeling of the experimental data, was calculated to be 54 kJ mol-1. Regarding the hydrolysis of ulvan, an activation energy in the range 134–175 kJ mol-1 was estimated. These results suggested that the absence of lignin in U. rigida facilitated the extraction of sulfated polysaccharides. Admittedly, the presence of uronic acids represented challenges for the efficient processing of the biomass, since the conditions for depolymerization and stability of the molecules are different from those of neutral sugars.

The present work provides evidence that it is possible to obtain a highyield of products from algal biomass using processing based on the concept of green chemistry. Still, many challenges remain open for research to optimize not only the processing parameters of the biomass, but also to optimize cultivation of the seaweeds and to explore fine chemical or nutraceutical applications for their constituents.

Det är mycket aktuellt att upptäcka förnybara källor som ersätter fossila råmaterial och att utveckla miljövänliga processer. Den konventionella industriella metoden för förädling av skogens biomassa för massa och papper har lett till utveckling av bioraffinaderier i vilka biomassan omvandlas till produkter och energi. En av det mest utnyttjade fraktionerna är växtcellulosa, som används för framställning av massa, papper och under senaste tider också cellulosa. Alger innehåller ganska låga cellulosahalter beroende på algarten, och å andra sidan närvaro av sulfonerade och uronsyrarika polysackarider utgör en ny typ av industriellt värdefulla molekyler. Målsättningen med detta arbete är att utveckla effektiva processer för sjögräs med hjälp av bioraffinaderikonceptet.

I detta arbete har bruna och gröna alger extraherats med vatten och joniska vätskor för att utvinna algkomponenter i andan av grön kemi. Sålunda arbetet har fokuserats på nedbrytning av polymerer i havets polysackarider med hjälp av bioteknologisk och kemisk katalys. Ytterligare, matematisk modellering har använts som verktyg för att kunna utföra en djupgående undersökning av reaktionskinetik. Många olika analysmetoder har använts vid karakterisering av produkter, ss. vätskekromatografi, storleksuteslutningskromatografi, gaskromatografi, jonkromatografi, Fourier transformering infraröd spektroskopi, termogravimetrisk analys, svepelektronmikroskopi, transmissionselektronmikroskopi, osv.

Resultaten visar att det är möjligt att extrahera molekyler som har antioxidativa aktiviteter, ss. plorotanniner, och polysackarider, samt t.ex. sulfonerade ramnoglukuronan ulvan. Genom vattenbehandling av den bruna algen Macrocystis pyrifera (jätte kelp), två olika plorotanniner identifierades: ploroeckol och en tetramer av ploroglucinolisomen. Vid behandling av den gröna algen Ulva rigida (havsallat) med den destilerbara joniska vätskan, 1,1,3,3-tetrametylguanidin propionat vid 120°C kunde 69 vikts% av de totala kolhydrater upplösas, medan extraktion av ulvan med vatten vid en temperatur under 130°C gav 99 vikts% utbyte. Nedbrytning av polysackarider bruna och gröna alger utfördes med hjälp av enzymer och kemiska katalysatorer och resulterade i monomerutbyten för D-mannouronsyra och L-guluronsyra 86 vikts% samt L-ramnos 82 vikts%, Aktiveringsenergin för ulvan extraktion uppskattades med hjälp av matematisk modelling av det experimentella data och den fick ett värde på 54 kJ mol-1. För ulvan hydrolys uppskattades aktiveringsenergi bli 134–175 kJ mol-1. Dessa resultat visade att frånvaron av lignin i U. rigida möjliggjorde extraktion av sulfonerade polysackarider. Närvaro av uronsyran förorsakade utmaningar för effektiv behandling av biomassan därför att nedbrytningsförhållandena samt stabiliteten av dessa molekyler är annorlunda jämfört med neutrala sockrar.

Detta arbete visar att det är möjligt att utvinna höga utbyten av algbiomassabaserade produkter enligt gröna kemins koncept. Det finns ytterligare många utmaningar för att lösa, t.ex. att optimera processparametrar för biomassa omvandling, för odling av sjögräs samt för att hitta applikationsområden för dessa sockrar.

Existe urgencia por encontrar recursos renovables que reemplacen a los recursos fósiles, con el propósito de llevar a cabo una producción industrial más amigable con el medio ambiente. El antiguo concepto de procesamiento de la biomasa forestal para la producción de pulpa y papel dominó la industria por décadas. En la actualidad, la industria forestal ha evolucionado al desarrollo de biorefinerías, en donde gran parte de la biomasa es transformada en productos y energía. Una de las fracciones de la biomasa forestal más valorizada es la celulosa, la cual es utilizada para la producción de pulpa, papel y recientemente celulosa especial. Con respecto a las algas, si bien el contenido de celulosa es relativamente bajo dependiendo de la especie, la presencia de polisacáridos ricos en sulfatos y ácidos urónicos provee un nuevo grupo de moléculas para el beneficio de la industria. Por consiguiente, este trabajo tiene por objetivo demostrar el procesamiento eficiente de las algas siguiendo el concepto de biorefinería.

En esta tesis, algas pardas y verdes fueron procesadas para la extracción de sus constituyentes más importantes usando agua o líquidos iónicos, siguiendo el concepto de química verde. En una segunda etapa, el trabajo se enfocó en la despolimerización de polisacáridos marinos utilizando catálisis biotecnológica y química. Adicionalmente, se utilizó modelamiento matemático como una herramienta para realizar un estudio más profundo de la cinética de estas reacciones. Distintas técnicas analíticas fueron utilizadas para caracterizar los productos, tales como cromatografías líquidas de alto rendimiento y de exclusión de tamaño, cromatografía gaseosa, cromatografía de iones, espectrometría de infrarrojos por transformada de Fourier, análisis termo gravimétricos, microscopía de escaneo de electrones, microscopía de transmisión de electrones, entre otros.

Los resultados mostraron una eficiente extracción de moléculas que poseen actividades antioxidantes como los florotaninos, y de polisacáridos como el ramnoglucurano sulfatado ulvano. A través del procesamiento con agua del alga parda Macrocystis pyrifera (huiro), dos florotaninos fueron identificados: floroeckol y un isómero de un tetrámero de floroglucinol. El procesamiento del alga verde Ulva rigida (lechuga de mar) con el líquido iónico destilable propionato de 1,1,3,3-tetrametilguanidina a 120°C permitió disolver un 69 wt.% del contenido total de carbohidratos, mientras que el procesamiento con agua a temperaturas inferiores a 130°C resultó en rendimientos de extracción de ulvanos de hasta un 99 wt.%. La despolimerización de los polisacáridos contenidos en algas pardas y verdes, vía procesamiento enzimático y de catálisis química, resultó en rendimientos de monómeros de un 86 wt.% de ácidos D-manurónico y L-gulurónico, y de un 82 wt.% de L-ramnosa, respectivamente. La energía de activación para la cinética de extracción de ulvanos, calculada mediante el modelamiento matemático de los datos experimentales, fue estimada en 54 kJ mol-1. Respecto a la hidrólisis de ulvanos, se estimó una energía de activación dentro del rango entre 134 y 175 kJ mol-1. Estos resultados evidenciaron que la ausencia de lignina en U. rigida facilitó la extracción de polisacáridos sulfatados. Es importante destacar que la presencia de ácidos urónicos representó desafíos para el procesamiento eficiente de la biomasa, debido a que las condiciones para llevar a cabo la despolimerización de estos polisacáridos, y la estabilidad de los ácidos hexurónicos difieren de las condiciones requeridas para polisacáridos constituidos exclusivamente por azúcares neutros.

El presente trabajo provee evidencia de que es posible obtener rendimientos elevados de productos a partir de biomasa de algas, a través de procesamiento basados en el concepto de química verde. No obstante, muchos desafíos están aún abiertos para optimizar no sólo el procesamiento de la biomasa, sino que también para la optimización de los cultivos de algas y encontrar aplicaciones valiosas para cada uno de sus constituyentes.