O objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de poliol de óleo de andiroba (POA) e utilizá-lo como matéria prima para a produção de poliuretanos (PUs). A síntese do poliol foi realizada por catálise enzimática com a lipase comercial Novozym 435. A reação foi feita em reator de leito fixo, empregando óleo de andiroba e glicerol (GLI) como substrato, em proporção molar 2:1, e t-butanol (TB) como solvente. Foram avaliadas as relações solvente:substrato de 50, 100 e 150 % e temperaturas de 40, 50 e 60 °C. Os produtos da reação, monoglicerídeos (MAGs), diglicerídeos (DAGs) e triglicerídeos (TAGs), foram quantificados através de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), índice de acidez (IA) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). O poliol obtido na condição 50°C e 150 % solvente foi escolhido para a produção dos PUs, devido à sua maior quantidade de MAG (66 %) e menor de DAG (28 %) e TAG (5 %). Os PUs foram produzidos empregando-se poliol, biureto de hexametileno de diisocianato (BHD), dibutil dilaurato de estanho como catalisador e, apenas para produção de espumas, água destilada como agente expansor. Utilizaram-se razões NCO/OH de 0,8 e 1 para os filmes e NCO/OH=1 para as espumas. Na produção das espumas o POA foi combinado com GLI nas proporções de 25 e 50 %. A formação de PU a partir do poliol de andiroba foi confirmada por FTIR e análise termogravimétrica. Os filmes de PU obtidos apresentaram caráter hidrofílico e defeitos de superfície devido à formação de bolhas durante o processo de formação. A resistência à tração dos filmes mostrou-se dependente da quantidade de poliol, não tendo sido possível a obtenção de espumas sem a adição de glicerol. A resistência mecânica das espumas produzidas foi baixa, devido à baixa funcionalidade do POA e a presença de DAG e TAG, porém similar àquela reportada na literatura para alguns outros tipos de espumas de PU. Assim, este trabalho demonstrou a possibilidade da utilização do óleo de andiroba para a produção de PUs e, com base nas propriedades mecânicas dos materiais produzidos e nas características intrínsecas da andiroba, abre novas possibilidades de desenvolvimento de materiais com potencial para aplicações medicinais. / The goal of this work was to study the synthesis of andiroba oil polyol (AOP) and use it as raw material for the preparation of polyurethanes (PUs). The AOP synthesis was performed by enzymatic catalysis employing the commercial lipase Novozym 435. The reaction was carried out in a fixed bed reactor using andiroba oil and glycerol (GLI) at 1:2 molar ratio as substrate, and t-butanol (TB) as solvent. Solvent:substrate ratios of 50, 100 and 150 % and temperatures of 40, 50 and 60 °C were evaluated. The reaction products, monoglycerides (MAGs), diglycerides (DAGs) and triglycerides (TAGs), were quantified through high performance liquid chromatography (HPLC), acidity index (IA), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The polyol obtained at 50 °C and 150% solvent was chosen for PU production, due to its higher content of MAG (66 %) and lower content of DAG (28 %) and TAG (5 %). PUs were prepared from AOP, hexamethylene diisocyanate biuret (BHD), dibutyl-tin dilaurate as catalyst, and, for the foams, distilled water as blowing agent. NCO/OH ratios of 0.8 and 1 were used for the films. For the foams, NCO/OH = 1 and AOP/GLI blends with 25 and 50 % of glycerol were employed. The formation of PU from the AOP was confirmed by FTIR and thermogravimetric analysis. The obtained PU films presented hydrophilicity and surface defects due to the formation of bubbles during the formation process. The tensile strength of the films was shown to be dependent on the amount of polyol, and it was not possible to obtain foams without the addition of glycerol. The mechanical strength of the foams produced was low, due to the low functionality of the POA and the presence of DAG and TAG, but similar to that reported in the literature for some other types of PU foams. Thus, this work demonstrated the possibility of using andiroba oil for the production of PUs. Besides, based on the mechanical properties of the materials produced and the intrinsic characteristics of andiroba, it opens new possibilities for the development of materials with potential for medicinal applications.

O objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de poliol de óleo de andiroba (POA) e utilizá-lo como matéria prima para a produção de poliuretanos (PUs). A síntese do poliol foi realizada por catálise enzimática com a lipase comercial Novozym 435. A reação foi feita em reator de leito fixo, empregando óleo de andiroba e glicerol (GLI) como substrato, em proporção molar 2:1, e t-butanol (TB) como solvente. Foram avaliadas as relações solvente:substrato de 50, 100 e 150 % e temperaturas de 40, 50 e 60 °C. Os produtos da reação, monoglicerídeos (MAGs), diglicerídeos (DAGs) e triglicerídeos (TAGs), foram quantificados através de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), índice de acidez (IA) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). O poliol obtido na condição 50°C e 150 % solvente foi escolhido para a produção dos PUs, devido à sua maior quantidade de MAG (66 %) e menor de DAG (28 %) e TAG (5 %). Os PUs foram produzidos empregando-se poliol, biureto de hexametileno de diisocianato (BHD), dibutil dilaurato de estanho como catalisador e, apenas para produção de espumas, água destilada como agente expansor. Utilizaram-se razões NCO/OH de 0,8 e 1 para os filmes e NCO/OH=1 para as espumas. Na produção das espumas o POA foi combinado com GLI nas proporções de 25 e 50 %. A formação de PU a partir do poliol de andiroba foi confirmada por FTIR e análise termogravimétrica. Os filmes de PU obtidos apresentaram caráter hidrofílico e defeitos de superfície devido à formação de bolhas durante o processo de formação. A resistência à tração dos filmes mostrou-se dependente da quantidade de poliol, não tendo sido possível a obtenção de espumas sem a adição de glicerol. A resistência mecânica das espumas produzidas foi baixa, devido à baixa funcionalidade do POA e a presença de DAG e TAG, porém similar àquela reportada na literatura para alguns outros tipos de espumas de PU. Assim, este trabalho demonstrou a possibilidade da utilização do óleo de andiroba para a produção de PUs e, com base nas propriedades mecânicas dos materiais produzidos e nas características intrínsecas da andiroba, abre novas possibilidades de desenvolvimento de materiais com potencial para aplicações medicinais. / The goal of this work was to study the synthesis of andiroba oil polyol (AOP) and use it as raw material for the preparation of polyurethanes (PUs). The AOP synthesis was performed by enzymatic catalysis employing the commercial lipase Novozym 435. The reaction was carried out in a fixed bed reactor using andiroba oil and glycerol (GLI) at 1:2 molar ratio as substrate, and t-butanol (TB) as solvent. Solvent:substrate ratios of 50, 100 and 150 % and temperatures of 40, 50 and 60 °C were evaluated. The reaction products, monoglycerides (MAGs), diglycerides (DAGs) and triglycerides (TAGs), were quantified through high performance liquid chromatography (HPLC), acidity index (IA), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The polyol obtained at 50 °C and 150% solvent was chosen for PU production, due to its higher content of MAG (66 %) and lower content of DAG (28 %) and TAG (5 %). PUs were prepared from AOP, hexamethylene diisocyanate biuret (BHD), dibutyl-tin dilaurate as catalyst, and, for the foams, distilled water as blowing agent. NCO/OH ratios of 0.8 and 1 were used for the films. For the foams, NCO/OH = 1 and AOP/GLI blends with 25 and 50 % of glycerol were employed. The formation of PU from the AOP was confirmed by FTIR and thermogravimetric analysis. The obtained PU films presented hydrophilicity and surface defects due to the formation of bubbles during the formation process. The tensile strength of the films was shown to be dependent on the amount of polyol, and it was not possible to obtain foams without the addition of glycerol. The mechanical strength of the foams produced was low, due to the low functionality of the POA and the presence of DAG and TAG, but similar to that reported in the literature for some other types of PU foams. Thus, this work demonstrated the possibility of using andiroba oil for the production of PUs. Besides, based on the mechanical properties of the materials produced and the intrinsic characteristics of andiroba, it opens new possibilities for the development of materials with potential for medicinal applications.

O objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de poliol de óleo de andiroba (POA) e utilizá-lo como matéria prima para a produção de poliuretanos (PUs). A síntese do poliol foi realizada por catálise enzimática com a lipase comercial Novozym 435. A reação foi feita em reator de leito fixo, empregando óleo de andiroba e glicerol (GLI) como substrato, em proporção molar 2:1, e t-butanol (TB) como solvente. Foram avaliadas as relações solvente:substrato de 50, 100 e 150 % e temperaturas de 40, 50 e 60 °C. Os produtos da reação, monoglicerídeos (MAGs), diglicerídeos (DAGs) e triglicerídeos (TAGs), foram quantificados através de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), índice de acidez (IA) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). O poliol obtido na condição 50°C e 150 % solvente foi escolhido para a produção dos PUs, devido à sua maior quantidade de MAG (66 %) e menor de DAG (28 %) e TAG (5 %). Os PUs foram produzidos empregando-se poliol, biureto de hexametileno de diisocianato (BHD), dibutil dilaurato de estanho como catalisador e, apenas para produção de espumas, água destilada como agente expansor. Utilizaram-se razões NCO/OH de 0,8 e 1 para os filmes e NCO/OH=1 para as espumas. Na produção das espumas o POA foi combinado com GLI nas proporções de 25 e 50 %. A formação de PU a partir do poliol de andiroba foi confirmada por FTIR e análise termogravimétrica. Os filmes de PU obtidos apresentaram caráter hidrofílico e defeitos de superfície devido à formação de bolhas durante o processo de formação. A resistência à tração dos filmes mostrou-se dependente da quantidade de poliol, não tendo sido possível a obtenção de espumas sem a adição de glicerol. A resistência mecânica das espumas produzidas foi baixa, devido à baixa funcionalidade do POA e a presença de DAG e TAG, porém similar àquela reportada na literatura para alguns outros tipos de espumas de PU. Assim, este trabalho demonstrou a possibilidade da utilização do óleo de andiroba para a produção de PUs e, com base nas propriedades mecânicas dos materiais produzidos e nas características intrínsecas da andiroba, abre novas possibilidades de desenvolvimento de materiais com potencial para aplicações medicinais. / The goal of this work was to study the synthesis of andiroba oil polyol (AOP) and use it as raw material for the preparation of polyurethanes (PUs). The AOP synthesis was performed by enzymatic catalysis employing the commercial lipase Novozym 435. The reaction was carried out in a fixed bed reactor using andiroba oil and glycerol (GLI) at 1:2 molar ratio as substrate, and t-butanol (TB) as solvent. Solvent:substrate ratios of 50, 100 and 150 % and temperatures of 40, 50 and 60 °C were evaluated. The reaction products, monoglycerides (MAGs), diglycerides (DAGs) and triglycerides (TAGs), were quantified through high performance liquid chromatography (HPLC), acidity index (IA), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The polyol obtained at 50 °C and 150% solvent was chosen for PU production, due to its higher content of MAG (66 %) and lower content of DAG (28 %) and TAG (5 %). PUs were prepared from AOP, hexamethylene diisocyanate biuret (BHD), dibutyl-tin dilaurate as catalyst, and, for the foams, distilled water as blowing agent. NCO/OH ratios of 0.8 and 1 were used for the films. For the foams, NCO/OH = 1 and AOP/GLI blends with 25 and 50 % of glycerol were employed. The formation of PU from the AOP was confirmed by FTIR and thermogravimetric analysis. The obtained PU films presented hydrophilicity and surface defects due to the formation of bubbles during the formation process. The tensile strength of the films was shown to be dependent on the amount of polyol, and it was not possible to obtain foams without the addition of glycerol. The mechanical strength of the foams produced was low, due to the low functionality of the POA and the presence of DAG and TAG, but similar to that reported in the literature for some other types of PU foams. Thus, this work demonstrated the possibility of using andiroba oil for the production of PUs. Besides, based on the mechanical properties of the materials produced and the intrinsic characteristics of andiroba, it opens new possibilities for the development of materials with potential for medicinal applications.

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo da utilização de enzimas na síntese de poliésteres, através do uso de catálise enzimática na transesterificação de diácidos carboxílicos com polióis. O objetivo principal foi estudar a viabilidade na síntese de poliésteres a partir de diácidos carboxílicos como o ácido adípico e o Pripol® e polióis como: glicerol, trimetilolpropano, pentaeritritol, 1,10-decanodiol e poliol vegetal (este oriundo da reação de alcoólise entre óleo de soja e glicerol). A enzima utilizada para o processo foi a Novozym 435, obtida comercialmente. Esta se enquadra na classificação como uma hidrolase do tipo EC 3.1.1.3, mais comumente chamadas de lipases. Como vantagens no emprego de tais enzimas podemos destacar o menor consumo de energia e sustentabilidade ambiental no processo. Também foi avaliada a toxicidade do sistema frente às reações enzimáticas. A mistura ciclohexano/THF se mostrou a mais efetiva. Nas reações de policondensação, foi avaliada a influência do monômero hidroxilado e do monômero carboxílico, sendo que reações com ácido adípico e Pripol® na presença de solventes como ciclohexano/THF e THF/5-hexen-1-ol propiciaram a formação de poliésteres com massa molar numérica média (Mn) superior a 4000 Da. / This works presents the synthesis of polyesters by enzymatic catalysis for the transesterification of carboxylic diacids with polyols. The main objective was to study the feasibility for the synthesis of polyesters from carboxylic diacids as adipic acid and PRIPOL®, and polyols such as glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, 1.10-decanediol and polyol (from the enzymatic alcoholysis reaction between soybean oil and glycerol). The enzyme used in the process was the comercial Novozym 435, which is classified as hydrolase EC 3.1.1.3, more commonly called lipases. The advantages in the use of such enzymes are the lowest energy consumption and environmental sustainability in the process. We also evaluated the enzymatic toxicity in the presence of the reagents and solvents. The mixture cyclohexane / THF was the most effective. The influence of the hydroxylated and carboxylic acid monomers in the polycondensation reactions was investigated , and the reaction with adipic acid and PRIPOL® in the presence of solvents such as cyclohexane / THF and THF/5-hexen-1-ol enabled the formation of polyesters with mass molar number average (Mn) higher than 4000 Da.

Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo da utilização de enzimas na síntese de poliésteres, através do uso de catálise enzimática na transesterificação de diácidos carboxílicos com polióis. O objetivo principal foi estudar a viabilidade na síntese de poliésteres a partir de diácidos carboxílicos como o ácido adípico e o Pripol® e polióis como: glicerol, trimetilolpropano, pentaeritritol, 1,10-decanodiol e poliol vegetal (este oriundo da reação de alcoólise entre óleo de soja e glicerol). A enzima utilizada para o processo foi a Novozym 435, obtida comercialmente. Esta se enquadra na classificação como uma hidrolase do tipo EC 3.1.1.3, mais comumente chamadas de lipases. Como vantagens no emprego de tais enzimas podemos destacar o menor consumo de energia e sustentabilidade ambiental no processo. Também foi avaliada a toxicidade do sistema frente às reações enzimáticas. A mistura ciclohexano/THF se mostrou a mais efetiva. Nas reações de policondensação, foi avaliada a influência do monômero hidroxilado e do monômero carboxílico, sendo que reações com ácido adípico e Pripol® na presença de solventes como ciclohexano/THF e THF/5-hexen-1-ol propiciaram a formação de poliésteres com massa molar numérica média (Mn) superior a 4000 Da. / This works presents the synthesis of polyesters by enzymatic catalysis for the transesterification of carboxylic diacids with polyols. The main objective was to study the feasibility for the synthesis of polyesters from carboxylic diacids as adipic acid and PRIPOL®, and polyols such as glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, 1.10-decanediol and polyol (from the enzymatic alcoholysis reaction between soybean oil and glycerol). The enzyme used in the process was the comercial Novozym 435, which is classified as hydrolase EC 3.1.1.3, more commonly called lipases. The advantages in the use of such enzymes are the lowest energy consumption and environmental sustainability in the process. We also evaluated the enzymatic toxicity in the presence of the reagents and solvents. The mixture cyclohexane / THF was the most effective. The influence of the hydroxylated and carboxylic acid monomers in the polycondensation reactions was investigated , and the reaction with adipic acid and PRIPOL® in the presence of solvents such as cyclohexane / THF and THF/5-hexen-1-ol enabled the formation of polyesters with mass molar number average (Mn) higher than 4000 Da.

Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo da utilização de enzimas na síntese de poliésteres, através do uso de catálise enzimática na transesterificação de diácidos carboxílicos com polióis. O objetivo principal foi estudar a viabilidade na síntese de poliésteres a partir de diácidos carboxílicos como o ácido adípico e o Pripol® e polióis como: glicerol, trimetilolpropano, pentaeritritol, 1,10-decanodiol e poliol vegetal (este oriundo da reação de alcoólise entre óleo de soja e glicerol). A enzima utilizada para o processo foi a Novozym 435, obtida comercialmente. Esta se enquadra na classificação como uma hidrolase do tipo EC 3.1.1.3, mais comumente chamadas de lipases. Como vantagens no emprego de tais enzimas podemos destacar o menor consumo de energia e sustentabilidade ambiental no processo. Também foi avaliada a toxicidade do sistema frente às reações enzimáticas. A mistura ciclohexano/THF se mostrou a mais efetiva. Nas reações de policondensação, foi avaliada a influência do monômero hidroxilado e do monômero carboxílico, sendo que reações com ácido adípico e Pripol® na presença de solventes como ciclohexano/THF e THF/5-hexen-1-ol propiciaram a formação de poliésteres com massa molar numérica média (Mn) superior a 4000 Da. / This works presents the synthesis of polyesters by enzymatic catalysis for the transesterification of carboxylic diacids with polyols. The main objective was to study the feasibility for the synthesis of polyesters from carboxylic diacids as adipic acid and PRIPOL®, and polyols such as glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, 1.10-decanediol and polyol (from the enzymatic alcoholysis reaction between soybean oil and glycerol). The enzyme used in the process was the comercial Novozym 435, which is classified as hydrolase EC 3.1.1.3, more commonly called lipases. The advantages in the use of such enzymes are the lowest energy consumption and environmental sustainability in the process. We also evaluated the enzymatic toxicity in the presence of the reagents and solvents. The mixture cyclohexane / THF was the most effective. The influence of the hydroxylated and carboxylic acid monomers in the polycondensation reactions was investigated , and the reaction with adipic acid and PRIPOL® in the presence of solvents such as cyclohexane / THF and THF/5-hexen-1-ol enabled the formation of polyesters with mass molar number average (Mn) higher than 4000 Da.

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O processo mais utilizado para a síntese do biodiesel é a transesterificação, gerando ésteres monoalquílicos. Durante a produção do biodiesel, há o surgimento de coprodutos indesejáveis e a presença de residuais de matérias primas não processadas que se encontram dissolvidas ao final da reação. Com isso, se faz necessário que ocorra um processo de tratamento dessas impurezas, constituídas por glicerol livre, sabão, além de conter álcool, catalisador e óleo emulsionado que não foram reagidos durante a produção do biodiesel. Este trabalho visa caracterizar o efluente gerado pelo processo de purificação do biodiesel, além de avaliar alternativas de tratamento deste efluente oleoso utilizando um método biotecnológico. O efluente foi caracterizado pelos parâmetros: pH, turbidez, condutividade, DQO, DBO₅, sólidos totais (fixos, voláteis), sólidos dissolvidos totais, temperatura e teor de óleos e graxas. A lipase utilizada no tratamento do efluente foi produzida originalmente a partir de otimização dos dados obtidos na literatura. O fungo utilizado para a produção da lipase foi o Rhizopus oryzae e os melhores resultados experimentais foram modelados com o emprego do planejamento fatorial, que conteve fonte de carbono (glicerina residual), fonte de nitrogênio (peptona e NaNO₃) e Tween 20 como variáveis do estudo estatístico. A etapa seguinte da pesquisa foi a realização de um novo planejamento fatorial destinado à aplicação dessa lipase visando o tratamento do efluente de biodiesel. Nesse processo, utilizaram-se pH, concentração de goma arábica (solução a 7% m/V) e concentração da lipase como variáveis deste estudo estatístico. Ressalta-se que a remoção do teor de óleos e graxas e DQO do efluente foram avaliadas nesta modelagem estatística. Experimentalmente, foi observado que o efluente coletado apresentava elevado teor de óleos e graxas, DQO e carga orgânica. O planejamento fatorial de produção da lipase constatou que todas as variáveis utilizadas no modelo foram significativas, entretanto, a fonte de carbono foi a que se mostrou a mais importante dentre as demais. A atividade enzimática máxima da lipase obtida foi de 389,62 U.L⁻¹. Com relação ao resultado obtido no planejamento fatorial de aplicação da lipase no tratamento do efluente, foi possível verificar que todas as variáveis foram significativas, porém o volume de solução de goma arábica aplicada foi o mais evidenciado, pelo fato de os ensaios que utilizaram a maior aplicação dessa variável terem obtido os menores resultados de TOG e de DQO em comparação a todo o planejamento, 60 mg.L⁻¹ e 207.783,6 mg.L⁻¹ respectivamente. A melhor condição obtida com o tratamento enzimático no efluente de biodiesel resultou numa eficiência de remoção de DQO e de TOG em 29,4% e 99,2% respectivamente. Esses resultados indicam que o tratamento proposto mesmo obtendo remoções consideráveis de DQO e TOG, ainda não permite o descarte deste efluente tratados no meio ambiente, de acordo com a resolução CONAMA 357/2005. / Biodiesel is produced from vegetable oils or animal fats, alcohol and a catalyst. The most used process for the synthesis of biodiesel is the transesterification, generating monoalkyl esters. During the production of biodiesel, occur the appearance of undesirable coproducts and the presence of residuals of raw materials that are dissolved with the product at the end of the reaction. Therefore, it is necessary to have a process of treatment of these impurities, constituted by free glycerol, soap, besides containing alcohol, catalyst and emulsified oil that were not reacted during the biodiesel production. This work aims to characterize the effluent generated by the biodiesel purification process, besides evaluating alternatives for treatment of this oily effluent using a biotechnological method. The effluent was characterized by: pH, turbidity, conductivity, COD, BOD5, total solids (fixed, volatile), total dissolved solids, temperature and content of oils and greases. The lipase used in the treatment of the effluent was originally produced from optimization of data obtained in the literature. The fungus used to produce lipase was Rhizopus oryzae and the best experimental results were modeled using DOE, using carbon source (residual glycerin), nitrogen source (peptone and NaNO3) and Tween 20 as variables for the Statistical study. The next stage of the research was the realization of a new experimental design for the application of this lipase for the treatment of the biodiesel effluent. In this process, pH, gum arabic concentration (7% w / v solution) and lipase concentration were used as variables in this Statistical study. It should be noted that the removal of the oils and grease content and COD of the effluent were evaluated in this statistical modeling. Experimentally, it was observed that the collected effluent presented high content of oils and greases, COD and organic load. The factorial design of lipase production found that all the variables used in the model were significant, however, the carbon source was the most important of the others. The maximum enzymatic activity of lipase obtained was 389.62 U.L⁻¹. Regarding the results obtained in the factorial design of lipase application in the treatment of the effluent, it was possible to verify that all the variables were significant, but the volume of solution of gum arabic applied was the most evidenced, since the tests that used the largest Application of this variable obtained the lowest TOG and COD results compared to the whole planning, 60 mg.L⁻¹ and 207,783.6 mg.L⁻¹, respectively. The best condition obtained with the enzymatic treatment in the biodiesel effluent resulted in a COD removal and TOG removal efficiency of 29.4% and 99.2%, respectively. These results indicate that the proposed treatment, even obtaining considerable removals of COD and TOG, still does not allow the disposal of this effluent treated in the environment, according to CONAMA Resolution 357/2005.

A dinâmica estrutural fundamentando a função das xilanases GH11 ainda não está clara. Novo conhecimento sobre a dinâmica catalítica dessas enzimas é crucial para a engenharia de novas enzimas melhoradas beneficiando, assim, diversas indústrias biotecnológicas e de química verde. Com base nesse fato, esse trabalho teve por objetivo obter novas informações acerca da dinâmica catalítica de uma xilanase GH11, através do uso de um conjunto de diversas técnicas avançadas de biofísica molecular em nível bulk e em nível de molécula única (inglês single molecule ou sm). Para isso, foram projetadas xilanases GH11 de Bacillus subtilis ssp. subtilis 168 (XynA) com mutações únicas de cisteína para a marcação dos resíduos D119 e R122 no domínio polegar, do resíduo N54 no domínio dedos, e do resíduo N151 na alfa-hélice, seguidas pela sua construção e produção por métodos de biologia molecular. Esses mutantes foram marcados em seus respectivos grupos tióis com a sonda fluorescente sensível à polaridade Acrylodan, com a sonda de spin MTSSL, e com a sonda fluorescente fotoestável AttoOxa11. A xilanase tipo selvagem for marcada em seu N-terminal com a sonda fotoestável Alexa Fluor® 488 5-SDP Ester. Foram utilizados ensaios de espectrofotometria de fluorescência em nível bulk e de espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica para investigar como a dinâmica do domínio polegar da xilanase GH11, temperatura, e ligação ao substrato se correlacionam um com o outro. Os resultados atestaram que um estado do domínio polegar controlado por temperatura, aberto, dinâmico e flexível tem mais chances de se ligar efetivamente ao substrato de uma maneira produtiva, o que está em completo acordo com estudos anteriores de simulação de dinâmica molecular, cristalografia, desnaturação térmica, e análise funcional por desenho racional de mutantes de domínio polegar de xilanases GH11. Com base nas evidências adquiridas e em estudos anteriores, nós propomos um conjunto de hipóteses e modelos para a dinâmica catalítica da xilanase, focando no papel do domínio polegar nesse processo. No intuito de determinar a constante de afinidade da xilanase por seu substrato e os tempos de relaxamento e constantes de velocidade dos movimentos do domínio polegar, foram feitas medidas de espectroscopia de correlação de fluorescência simples e combinada com transferência eletrônica fotoinduzida, usando as xilanases marcadas com as sondas fluorescentes fotoestáveis, na presença e na ausência de substrato. Os resultados mostraram tempos de difusão muito maiores para as xilanases na presença de substrato, como efeito da afinidade da enzima pelo mesmo. Entretanto, não foi verificada nenhuma curva de decaimento como efeito de supressão dinâmica da sonda por PET. Esses mesmos conjugados foram aplicados com sucesso em microscopia por imagem de tempo de vida de fluorescência, no intuito de analisar sistematicamente a afinidade da xilanase por partículas insolúveis e filmes de substrato, e por fragmentos insolúveis de frações de processos de deslignificação e desestruturação de bagaço de cana-de-açúcar, assim como para a análise da composição, estrutura e topologia desses materiais. Foi possível verificar a presença de xilano na maioria das frações desse bagaço tratado, mas em quantidades variáveis / The structural dynamics underlying the function of GH11 xylanases is still unclear. New insights into the catalytic dynamics of these enzymes are crucial for engineering novel improved enzymes benefiting biotechnological and green chemistry industries. The objective of this work was to obtain new information concerning the catalytic dynamics of a GH11 xylanase, by using a combination of advanced molecular biophysics techniques, both at the bulk level and at the single molecule level (sm). Mutant GH11 xylanases from Bacillus subtilis ssp. subtilis 168 (XynA) were designed with single point cysteine mutations for labeling the residues D119 and R122 on the thumb domain, N54 on the fingers domain, and N151 on the alpha helix, followed by their construction and production by molecular biology methods. These mutants were labeled at their respective thiol groups by the polarity sensitive fluorescent probe Acrylodan, by the electron spin probe MTSSL, and by the photostable fluorescent probe AttoOxa11. The wild-type xylanase was labeled at its N-terminus by the photostable fluorescent probe Alexa Fluor® 488 5-SDP Ester. Bulk fluorescence spectrophotometry and electron paramagnetic resonance assays were used to investigate how the thumb domain dynamics of the GH11 xylanase, temperature and substrate binding were correlated. These results demonstrated that a temperature controlled, open, dynamical and flexible thumb domain state is more likely to effectively bind the substrate in a productive way, which is in complete agreement with previous studies from molecular dynamics simulations, crystallography, thermal denaturation, and function analysis by the rational design of thumb mutants for GH11 xylanases. Based on this evidence and previous studies, we proposed a hypothesis for the xylanase catalytic dynamics, focusing on the role of the thumb domain. In order to determine the xylanase affinity constant for its substrate and the relaxation times and rate constants of the thumb domain movements, fluorescence correlation spectroscopy measurements were performed. Both simple and combined measurements with photoinduced electron transfer were performed, using the xylanases labeled with photostable fluorescent probes, in the presence and absence of substrate. The results have shown longer diffusion times for the xylanases in the presence of substrate, as an effect of the enzyme affinity for it. However, it was not verified any decay curve as an effect of the dynamic suppression of the probe via PET. The same conjugates were successfully applied to fluorescence-lifetime imaging microscopy, aiming to systematically analyze the affinity for xylanase of substrates in the form of insoluble particles and films, and for water insoluble fractions from sugarcane bagasse delignification processes. In addition, the composition, structure and topology of these materials was examined. It was possible to verify the presence of xylan in most fractions of this treated bagasse, although in variable quantities

Estudos vem mostrando resultados promissores na utilização da tecnologia de ultrassom para a produção enzimática de biodiesel. Estes são atribuídos ao fenômeno de cavitação gerado pelo equipamento de ultrassom, o qual promove um aumento da miscibilidade entre os reagentes, melhorando a transferência de massa e a taxa da reação, proporcionando reações mais rápidas, bem como um menor consumo de reagentes. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi otimizar as condições da reação de transesterificação do óleo de soja para a produção de biodiesel, utilizando o conceito de combi-lipase em um reator enzimático assistido por ultrassom. Foram otimizadas as condições do sistema de ultrassom: amplitude (30-70 %), pulso (30-70 %) e tempo de pulso (5-15 s), através de um delineamento composto central rotacional (DCCR). Os parâmetros reacionais: concentração de biocatalisador (5, 15 e 25 % em relação a massa de óleo) e razão molar do substrato (3:1, 6:1 e 9:1) foram estudados, assim como a influência do uso do solvente terc-butanol e de um sistema de agitação combinado ao ultrassom, na conversão de ésteres etílicos. Avaliou-se também a eficiência do combi-lipase (75 % Novozym 435 + 10 % Lipozyme TL-IM and 15 % Lipozyme RM-IM) frente ao uso dos biocatalisadores individualmente. Obteve-se como condições ótimas para o sistema de ultrassom: 30 % de amplitude, 50 % de pulso e 15 s de tempo de pulso, 15 % de enzima em relação a massa de óleo e uma razão molar de 3:1 etanol:óleo de soja Os rendimentos de conversão de ésteres etílicos na ausência do solvente terc-butanol foram similares aos resultados obtidos na presença deste reagente, sugerindo que a tecnologia de ultrassom é capaz de eliminar a necessidade do uso de solventes em reações de transesterificação enzimática. Entretanto, o uso combinado de um sistema de agitação com o ultrassom, reduziu o rendimento da reação. Em relação às enzimas, o combi-lipase mostrou melhores resultados para a síntese enzimática de ésteres etílicos, do que o uso das enzimas individualmente. Utilizando as condições ótimas avaliadas neste estudo e o conceito de combi-lipase em um reator assistido por ultrassom, obteve-se uma conversão de ésteres etílicos de aproximadamente 75 % em 5 horas de reação. / Studies have been showing promising results for the use of ultrasonic technology in enzymatic production of biodiesel, which are attributed to the cavitation phenomenon generated by the ultrasound equipment, that promotes increased miscibility between the reactants, improving mass transfer and reaction rate, providing faster reactions as well as a lower consumption of reagents. The aim of this work was to optimize ultrasonic (amplitude, pulse and time pulse) and reaction (molar ratio and enzyme concentration) parameters, as well as the influence of solvent (tert-butanol) and ultrasound combined with mechanical stirring, on the transesterification of soybean oil catalyzed by combi-lipase biocatalyst. It was also evaluated the efficiency of the combi-lipase (75 % Novozym 435 + 10 % Lipozyme TL-IM and 15 % Lipozyme RM-IM), compared to individual lipases. The optimum conditions for transesterification reaction, were observed being: enzyme concentration, 15 % (by oil mass); ethanol:oil molar ratio, 3:1; ultrasonic amplitude 30 %, pulse, 30 % and time pulse, 15 s. The yields of conversion of ethyl esters with and without solvent were very similar, indicating that ultrasonic technology is able to supply the need of solvents in enzymatic transesterification reactions. The combined use of a mechanical stirring system with ultrasound, reduced the yields of conversion of this reaction, while the combi-lipase showed better results than the use of individual lipases for soybean oil transesterification. Using the optimum conditions evaluated in this study and the concept of combi-lipase in an ultrasonic-assisted batch reactor, led to conversions of ethyl esters of about 75% in 5 hours.