O desenvolvimento sustentável é atualmente um dos maiores focos das pesquisas no mundo em virtude dos impactos ambientais, tais como aquecimento global, geração de resíduos e emissão de gases poluentes causados pelo uso de combustíveis fósseis. Deste modo, pesquisas têm sido concentradas em tecnologias que permitam a substituição de refinarias à base de petróleo por biorrefinarias que utilizam matérias-primas renováveis. Neste contexto, os fungos filamentosos surgem como um recurso promissor no desenvolvimento de novos produtos sustentáveis, entre os quais os fungos pertencentes ao filo Zigomiceto, contribuem significativamente para esse desenvolvimento e estão sendo extensivamente estudados para a aplicação em biorrefinarias, com destaque especial para os fungos do gênero Mucor. Esse gênero, particularmente da espécie Mucor circinelloides, é um potencial produtor da enzima lipase e de biomassa com quantidades significativas de lipídios (single cell oil) o que permite sua exploração no processo de produção de biodiesel. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi explorar importantes aplicações biotecnológicas da linhagem de Mucor circinelloides URM 4182, tanto para produção de lipases quanto de lipídios. O trabalho experimental realizado consolidou dados da potencialidade do fungo para produção de lipase ligada ao micélio e sua utilização como biocatalisador para obtenção de biodiesel partir de óleos vegetais alternativos, como andiroba, coco, macaúba, palma e pinhão manso. Nas condições estudadas, foram obtidos rendimentos de transesterificação entre 88% a 97% e as conversões mais elevadas foram alcançadas para os óleos láuricos sugerindo seletividade da lipase para ácidos de cadeia curta. A potencialidade da linhagem Mucor circinelloides URM 4182 foi comprovada na obtenção de lipídios em cultivos efetuados em biorreator utilizando glicose e milhocina, respectivamente, como fontes de carbono e de nutrientes alternativos aos suplementos sintéticos. Nessas condições, valores médios de produtividade biomassa (3,10 ± 0,01 g/L/dia) contendo (31 ±0,01 % m/m) de lipídios, correspondendo produtividade lipídica de (0,97 ± 0,01 g/L.dia) foram alcançados. A composição do óleo microbiano revelou elevados teores dos ácidos graxos saturados palmítico (C16:0) e esteárico (C18:0) e dos insaturados oleico (C18:1) e linoleico (C18:2), que são os ácidos graxos semelhantes aos dos óleos vegetais convencionais utilizados para a produção de biodiesel. Além disso, foram verificados teores consideráveis do ácido gama-linolênico (GLA - C18:3), que tem relevante importância nas indústrias farmacêutica e de alimentos. A esterificação e transesterificação simultâneas do óleo microbiano ou diretamente da biomassa celular com etanol mediada por catalisadores heterogêneos bioquímicos e químicos forneceram amostras de biodiesel com elevados teores de ésteres de etila (> 97%) que atendem as normas de qualidade para uso como biocombustível. / Sustainable development is now the major research focus in the world because of the environmental impacts, such as global warming, waste generation and greenhouse gas emissions caused by the use of fossil fuels. Thus, research has been focused on technologies that enables the replacement of petroleum based refineries by biorefinery based on renewable raw materials. In this context, filamentous fungi emerge as a promising resource in the development of new sustainable products, including the fungi belonging to the phylum Zigomicete which contribute significantly to this development and are being extensively studied for using in biorefineries, with particular emphasis on the Mucor sp. fungus genus. This genus, particularly from the species of Mucor circinelloides, is a potential producer of the enzyme lipase and biomass having significant amounts of lipids (single cell oil) which allows its exploitation in the biodiesel production. Thus, the aim of this study was to explore important biotechnological applications of a Brazilian strain of Mucor circinelloides URM 4182 for both production of lipases and lipids. The experimental work consolidated this fungus capability to produce mycelium bound lipase and its use as biocatalysts for biodiesel production from alternative vegetable oils such as andiroba, coconut, macaw palm, palm and jatropha. The attained transesterification yields were in the range from 88 to 97%, and the highest conversions were achieved for lauric oils suggesting that M. circinelloides lipase has high selectivity for short chain fatty acids. The capability of this strain was also proven to produce lipids at cultivation conditions established in this work using glucose and corn steep liquor, respectively, as carbon sources and alternative nutrients to the mineral supplements. Under these conditions, average values for biomass productivity (3.10 ± 0.01 g/L/day) containing high lipis levels (31.2 ± 0.01% m/m) and lipid productivity of 0.97 ± 0.01 g/L.dia were achieved. The composition of microbial oil revealed high levels of saturated fatty acids such as palmitic acid (C16:0) and stearic (C18:0) and unsaturated oleic (C18:1) and linoleic (C18:2), which are fatty acids similar to conventional vegetable oils used for the production of biodiesel. In addition, considerable levels of gamma-linolenic acid (GLA-C18:3) were also verified which has relevant importance in the pharmaceutical and food industries. The simultaneous esterification and transesterification from microbial oil or direct fungal biomass with ethanol mediated by heterogeneous catalysts (biochemical and chemical) provided samples with high levels of ethyl esters (> 97%) that meet the quality standards for using as biofuel.

Made available in DSpace on 2017-07-21T14:32:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 katia Kaori K.pdf: 5891591 bytes, checksum: 2785b5f69d4024535978fce1d58c20d2 (MD5) Previous issue date: 2015-01-28 / Biodiesel has great commercial potential for being biodegradable, non toxic, presenting low carbon monoxide (CO) emission and solid particles. It can be produced from the transesterification reaction of vegetal oil or animal fat as raw material. The optimization of the reaction speed in the biodiesel production is possible with the use of zeolites as catalysts that can be recovered at the initial level in an economical way. A field study was carried out to collect natural zeolites and to produce synthetic zeolites varying the amount of colloidal silica and sodium aluminate. The methodology which resulted in a zeolite with a single zeolitic phase and low amount of amorphous material was submitted to different thermal treatments (8, 12, 24, and 30 hours). The 24-hour thermal treatment obtained a zeolite (Sodalite) with high basicity which was impregnated with Zn2+ ions. The zeolitic material was characterized with X-ray diffraction (XRD), Rietveld method, thermogravimetry analysis (TG/DTG), infrared absorption spectrophotometry (IV), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), nitrogen physisorption analysis and basicity qualitative and quantitative analyses. The preliminary test converting soybean oil in alkyl esters was carried out employing non impregnated, impregnated with 3% and 9% Zn2+ ions and natural Sodalite. The non impregnated Sodalite was the one presenting the highest conversion rate (40.7%) possibly due to the larger number of total basic sites it presented. The low conversion rate verified in other tests might be ascribed to the saponification reaction, possibly due to its highly hygroscopic property which reduces the transesterification reaction efficacy. That is, the presence of absorbed water in the structure or the existence of Na+ and OH- ions enables triglyceride saponification reactions by taking water to the reaction medium. / O biodiesel tem grande potencial para o mercado consumidor por ser biodegradável, atóxico, apresentar baixas emissões de monóxido de carbono (CO) e de partículas sólidas. Pode ser produzido na reação de transesterificação com óleos vegetais ou gordura de origem animal como matérias-primas. A otimização da velocidade de reação na produção de biodiesel, é possível a partir da utilização de zeólitas, como catalisadores que podem ser recuperados a nível inicial de forma econômica. Foi realizado um trabalho de campo para a coleta de zeólita natural e produção de zeólitas sintéticas variando a quantidade de sílica coloidal e aluminato de sódio. A metodologia que apresentou a zeólita com apenas uma fase zeolítica e com baixa quantidade de material amorfo foi submetida a diferentes tratamentos térmicos (8, 12, 24, e 30 horas). O tratamento térmico de 24 horas obteve uma zeólita (Sodalita) de elevada basicidade o qual foi impregnada com íons Zn2+. Os materiais zeolíticos foram caracterizados com difração de raios X (DRX), método de Rietveld, análise de termogravimetria (TG/DTG), espectrofotometria de absorção na região do infravermelho (IV), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), análise de fisissorção de nitrogênio e análise qualitativa e quantitativa de basicidade. O teste preliminar de conversão de óleo de soja em ésteres alquílicos foi realizado utilizando a Sodalita sem impregnação, as impregnadas com 3% e 9% de íons Zn2+ e a natural. A que apresentou a maior taxa de conversão foi a Sodalita sem impregnação (40,7%) possivelmente devido a maior quantidade de sítios básicos totais que ela apresenta. A baixa taxa de conversão verificada em outros testes pode estar atrelada a reação de saponificação, possivelmente devido a sua propriedade altamente higroscópica que diminui a eficiência da reação de transesterificação. Ou seja, a presença de água adsorvida na estrutura ou a eixstência de íons Na+ e OH- propicia reações de saponificação do triglicerídeo ao levar água para o meio reacional.

Visando dar continuidade ao estudo de incorporação de N-acil-asparagina a derivados de aminoácidos e a peptídeos mediante catálise por termolisina, foi estudada a viabilidade de síntese dos peptídeos Z-Asn-Cys(S-Bzl)-OBut e Moz-Asn-Cys(S-Bzl)-Pro-Leu-Gly-NH2. Durante a síntese do pentapeptídeo Moz-Asn-Cys(S-Bzl)-Pro-Leu-Gly-NH2 foi constatada a formação de um subproduto cuja estrutura foi elucidada a partir da comparação ao padrão autêntico Moz-Asn-Leu-Gly-NH2. Para a obtenção deste padrão, sintetizamos o tripeptídeo Moz-Asn-Leu-Gly-OEt a partir de Moz-Asn-OH e H-Leu-Gly-OEt na presença de termolisina. A recristalização deste peptídeo em MeOH/H2 O levou à transformação do mesmo em Moz-Asn-Leu-Gly-OMe, confirmada pelo isolamento e caracterização do produto por espectrometria de massa e ressonância magnética protônica, análise elementar e de aminoácidos e por determinação do tempo de retenção por HPLC. Estudos posteriores demonstraram o envolvimento do íon Ca(II) no processo e nos permitiram sugerir um modelo da ligação deste íon ao peptídeo e da sequência de reação da transesterificação estudada. Também foi investigada a possibilidade de diversos ésteres de peptídeos e de peptidilresinas de Merrifield sofrerem transesterificação quando incubados em metanol na presença de Ca(II). Para tanto, os tripeptídeos Z-Asn-Leu-Gly-OEt, Boc-Asn-Leu-Gly-OEt, Moz-Asn-Leu-Gly-OBzl, Moz-Asn-Leu-Gly-OBu Moz-Gln-Leu-Gly-OEt, Moz-Asn-Ile-Gly-OEt e Moz-Asn-Leu-Ala-OEt foram sintetizados mediante catálise por termolisina. Também foram testados vários outros peptídeos disponíveis no laboratório e Boc-Leu-Gly-Res e Moz-Asn-Leu-Gly-Res. Com exceção dos ésteres terc-butílicos, todos sofreram transesterificação em soluções metanólicas de acetato de cálcio. / The main obJective was the study of thermolysin catalyzed incorporation of N-acyl-asparagine into amino acid and peptide derivatives. Both Z-Asn-Cys(S-Bzl)-OBut and Moz-Asn-Cys(S-Bzl)-Pro-Leu-Gly-NH2 syntheses have been studied. The formation of a by-product occurred during the synthesis of the later pentapeptide. By comparison with an authentic standard this by-product was identified as Moz-Asn-Leu-Gly-NH2. The standard Moz-Asn-Leu-Gly-NH2 was obtained by aminolYSlS of Moz-Asn-Leu-Gly-OEt. This peptide was synthesized by coupling Moz-Asn-OH with H-Leu-Gly-OEt using thermolysin as catalyst. During the recrystallization in MeOH/H2O, the transformation of Moz-Asn-Leu-Gly-OEt to its methyl-ester was obtained. This observation has been confirmed by purification and caracterization of the peptide by: Mass Spectroscopy, Nuclear Magnetic Ressonance, Amino Acid and Elemental Analysis and HPLC. Later studies have shown that the Ca(II) ion participates in the process. A model for the binding of this ion to the peptide and for the transesterification reaction has been suggested. Further studies have been performed with (1) the newly synthesized peptides Z-Asn-Leu-Gly-OEt, Boc-Asn-Leu-Gly-OEt, Moz-Asn-Leu-Gly-OBzl, Moz-Asn-Leu-Gly-OBut, Moz-Gln-Leu-Gly-OEt, Moz- Asn-Ile-Gly-OEt and Moz-Asn-Leu-Ala-OEt; (2) several other peptides available in our laboratory; and (3) Boc-Leu-Gly-Res and Moz-Asn-Leu-Gly-Res. With the exception of t-butyl-esters, all peptides tested have transesterified in methanolic calcium acetate solutions.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um processo efetivo de síntese enzimática de biodiesel em reator de leito fixo, conectados em série, a partir de óleos vegetais operando em modo contínuo. Para o desenvolvimento do projeto, foram selecionados óleos vegetais de baixo impacto na cadeia alimentícia, tais como óleos de babaçu, macaúba e coco que apresentam composição predominantemente láurica (35-47%). A enzima selecionada para condução dos experimentos foi a lipase microbiana de Burkholderia cepacia imobilizada covalentemente em matriz híbrida sílica-PVA com comprovada eficiência na síntese de biodiesel a partir de diferentes matérias-primas lipídicas. Todos os experimentos foram efetuados na ausência de solventes a 50?C utilizando etanol como doador do grupo acila. Foram testados reatores de leito fixo (um estágio) e em série (dois estágios). A etapa inicial do trabalho consistiu em testes de desempenho do reator (um estágio) verificando a influência das propriedades dos óleos vegetais no rendimento do processo e atividade do biocatalisador. Apesar do biocatalisador ter apresentado elevado tempo de meia- vida > 373 h, nas condições testadas, independente do óleo usado a concentração máxima de ésteres esperada não foi alcançada (68,2%) limitando os rendimentos para valores máximos de 87,5%. Para contornar as restrições identificadas foi adotada uma configuração de reator de leito fixo dois estágios incorporando uma coluna recheada com resina catiônica (Lewatit GF 202) para adsorção do glicerol formado como subproduto. O desempenho do reator foi avaliado para substratos constituídos de óleos láuricos na razão molar óleo: etanol de 1:12, definindo os limites de operação em termos de vazão do substrato. Foi quantificado o desempenho do sistema para 4 diferentes vazões volumétricas correspondendo a tempos espaciais entre 7 a 17h e determinadas para cada condição a influência do tempo espacial na concentração de ésteres de etila formados, rendimentos de transesterificação e produtividade. O funcionamento do sistema foi comprovado quantitativamente para tempos espaciais no reator de 14h, fornecendo rendimentos de transesterificação médios de 95,9 ± 4,1% e valores médios de produtividade de 41,5 ± 1,5 mg.g-1.h-1. As amostras de biodiesel purificadas apresentaram viscosidade cinemática média de 5,5 ± 0,3 mm2.s-1, valor que atende a norma americana ASTM (D6751) e a brasileira pela resolução ANP n°14/2012. A lipase imobilizada em SiO2-PVA foi estável quanto à suas características morfológicas e catalíticas revelando tempo médio de meia-vida (t1/2) superior a 500 h. O emprego da configuração de reatores de leito fixo (PBR) em duplo estágio pode elevar os níveis de rendimento de transesterificação, aumentar a produtividade de biodiesel, por consequência reduzir o custo global do processo. As características globais do desempenho do sistema contínuo proposto torna atrativa a continuidade dos estudos em escala ampliada de processo. / The aim of this study was to develop an effective enzymatic continuous process to obtain biodiesel from vegetable oils in two-stage packed bed reactors. For this, non- edible vegetable oils (babassu, macaw palm and coconut) having predominant lauric acid (35-47%) composition were assessed. The selected enzyme was the microbial lipase from Burkholderia cepacia covalent immobilized on hybrid matrix silica-PVA (SiO2-PVA) which showed already satisfactory performance in the biodiesel synthesis from different lipid feedstocks. All experiments were carried out in solvent free system at 50°C using ethanol as acyl acceptor. Packed bed reactors (simple and two-stages) were tested. Preliminary work was focused on the determination of the influence of the properties of the vegetable oils on the process yield and biocatalyst activity using simple packed bed reactor. Under the conditions used, the biocatalyst was found to have high half-life time > 373 h and independent of the used oil the maximum concentration expected esters was not reached (68.2%) limiting the maximum yield to 87.5%. To overcome such constraints a two-stage packed bed reactor incorporating a column with cationic resins (Lewatit GF 202) to remove the glycerol formed as by-product was proposed. The reactor performance was evaluated for substrates consisting of lauric oils at molar ratio of oil-to-ethanol of 1:12, determining its operation limits in terms of substrate flow rate. The system performance was quantified for four different flow rates corresponded to spatial times from 7 to 17 h. For each condition, the influence of spatial times in the ethyl esters formation, transesterification yields and productivities were determined. The reactor operation was demonstrated for spatial time of 14 h, attaining transesterification yields of 95.9 ? 4.1% and productivities of 41.5 ? 1.5 mg.g-1.h-1.The immobilized lipase on SiO2-PVA was found to be stable regarding its morphological and catalytic characteristics, showing half-life time (t1/2) higher than 500 h. Biodiesel purified samples showed average kinematic viscosity of 5.5 ± 0.3 mm2.s-1, value that meets the criteria established by the American National Standard ASTM (D6751) and Brazilian ANP resolution No. 14/2012. Therefore, the continuous packed-bed reactor connected in series and glycerol separation system has a great potential for achieving high level of transesterification yields, raising biodiesel productivity, consequently decreasing industrial process cost. The performance characteristics of the proposed continuous system made attractive to develop further studies aiming at scaling up the process.

O esperado crescimento na demanda de biodiesel no mercado mundial tem impulsionado uma evolução constante em seu sistema de produção de forma a torná-lo mais eficiente e ambientalmente favorável. O presente trabalho teve como objetivo verificar o potencial do óleo de pinhão manso para obtenção de biodiesel pela via enzimática empregando etanol com agente acilante. Para alcançar o objetivo proposto, as atividades experimentais foram iniciadas pela adequação do óleo de pinhão manso bruto para sua utilização como matériaprima na reação de transesterificação, incluindo as etapas de degomagem, neutralização e secagem. O óleo tratado, após caracterização físico-química, foi utilizado nos testes de triagem do biocatalisador enzimático testando diferentes preparações de lipases (EC 3.1.1.3) tanto na forma livre como imobilizada em SiO2-PVA, para mediar à síntese de biodiesel em meio isento de solventes. Os testes indicaram que as lipases na forma imobilizada foram mais eficientes e permitiram selecionar os derivados imobilizados das lipases de Burkholderia cepacia e Pseudomonas fluorescens como as preparações mais adequadas para catalisar a síntese de biodiesel a partir do óleo de pinhão, com rendimentos reacionais de 93,18% e 85,67%, respectivamente. Na segunda etapa do trabalho, os derivados imobilizados selecionados foram testados na reação de interesse, mantendo-se fixa as condições reacionais (temperatura 45oC, 1:9 de razão molar óleo/etanol e 500 unidades de atividade lipolítica por grama de óleo), empregando reatores de vidro acoplados com condensador de refluxo, para evitar perda de etanol. O monitoramento da reação foi efetuado pela determinação dos ésteres etílicos formados (Cromatografia de fase gasosa) e viscosidade cinemática em amostras retiradas ao longo da reação. O produto transesterificado (biodiesel) foi purificado e submetido às análises para caracterização de suas propriedades físico-químicas, incluindo estudo reológico, espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TG) e ressonância magnética nuclear protônica (1H-RMN). Os resultados obtidos permitiram confirmar que a lipase de Burkholderia cepacia foi a preparação de lipase mais eficiente para mediar à síntese do biodiesel do óleo de pinhão manso, alcançando rendimento de transesterificação superior a 97% (72h). O biodiesel produzido manteve-se estável termicamente até 128oC e não sendo constatada contaminação do produto com glicerol ou água residual, assegurando a eficiência da etapa de purificação do produto transesterificado. Experimentos adicionais foram ainda efetuados sob irradiação de micro-ondas e os resultados obtidos indicaram que o aquecimento por micro-ondas constitui um procedimento potencial para a produção de biodiesel, tendo em vista a considerável redução do tempo global de reação. A estabilidade operacional da lipase imobilizada foi determinada em bateladas consecutivas sob aquecimento convencional e irradiação de micro-ondas, revelando um tempo de meia-vida do biocatalisador de 110 e 26,5h, respectivamente. A real contribuição da aceleração da reação por meio de irradiação de micro-ondas deverá ser reavaliada levando em consideração a acentuada perda da atividade sintética do biocatalisador. / The expected increase in the biodiesel demand worldwide has brought a constant evolution in its production system in order to make it more efficient and environmentally favorable. The objective of present work was to verify the potential of Jatropha oil as raw material to produce biodiesel by enzymatic route using ethanol as acilant agent. To attain the proposed objective, the experimental activities were starting by treating the oil to attain suitable properties to be used in the transesterification reaction, including the degumming, neutralization and drying steps. The treated oil, after physico-chemical characterization was used to carry out a screening test to select the most suitable biocatalyst by means of testing different preparations of lipases (EC 3.1.1.3) in free form as well as immobilized in SiO2-PVA, to mediate the biodiesel synthesis in solvent free system. The assays indicated that the immobilized lipases were more efficient than free ones and allowed selecting the immobilized derivatives from Burkholderia cepacia and Pseudomonas fluorescens as the most suitable preparations to catalyze biodiesel synthesis from Jatropha oil, attaining yields of 93.18% and 85.67%, respectively. In the second step, the selected immobilized derivatives were used to catalyze the reaction of interest maintaining the previous set conditions (temperature 45oC, 1:9 molar ratio oil/ethanol and 500 units of lipolytic activity per gram of oil) using a glass reactor coupled with condenser to avoid ethanol loss. The reaction was monitored by determining the formed ethyl esters by gas chromatography and viscosity in samples taken from the reactor during the reaction. The transesterified product (biodiesel) was purified and submitted to further analyses for physico-chemical properties, including rheological study, FTIR, TG and 1H NMR. The obtained results confirmed that the lipase from Burkholderia cepacia was the most efficient biocatalyst to mediate the biodiesel synthesis from Jatropha oil, attaining transesterification yields higher than 97% (72h. The product biodiesel was thermo stable up to 128oC and no residual glycerol or water contaminations were detected, assuring the efficiency of the down stream process. Additional experiments were performed under microwave irradiation and the results suggested that the microwave heating constitutes a potential procedure to enhance the reaction rate by reducing the global reaction time. The operational stability of the immobilized lipase was determined in repeated batch runs under conventional and microwave heating systems, revealing biocatalyst half-life time of 110 and 26.5 h, respectively. Therefore, the real contribution of the microwave irradiations to enhance the reaction should be revalued by taking into account the lost of the biocatalyst activity.

No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da alcoólise do óleo de palma catalisada por lipase imobilizada comercial. O efeito da razão molar de álcool:óleo, da forma de adição do álcool (única e escalonada), da temperatura de reação, da concentração de enzima, do tipo de álcool (metanol e etanol), do tipo de enzima e da reutilização da enzima no rendimento final de reação foi avaliado. As reações conduzidas com etanol apresentaram rendimentos superiores aos obtidos com o emprego de metanol devido à maior desativação da lipase pelo álcool de menor número de átomos de carbono. O maior rendimento em biodiesel (54%) foi obtido empregando razão molar de álcool:óleo de 3:1, com adição escalonada de etanol (0, 30 e 60 minutos), 9% (m/m) de Lipozyme TL IM a 50C. Não foi possível recuperar a lipase ao final das reações, pois a matriz de imobilização se solubilizou no meio. Além disso, para comparação, foi investigada a utilização das lipases comerciais imobilizadas Lipozyme RM IM e Novozym 435 e dos catalisadores químicos KOH, MgO e La2O3. O rendimento em biodiesel nas reações catalisadas pelas lipases foi maior do que os obtidos com catalisadores químicos. A menor eficiência dos catalisadores químicos pode ser justificada pelo alto índice de acidez do óleo de palma (6,26 mg KOH.g-1) que promove o consumo do catalisador (KOH), devido à neutralização dos ácidos graxos livres presentes no óleo, e o bloqueio dos sítios ativos dos catalisadores químicos sólidos devido à adsorção dos ácidos graxos nestes sítios / The production of biodiesel from the alcoholysis of palm oil catalyzed by commercial immobilized lipase was investigated. The effect of alcohol:oil molar ratio, addition of alcohol (single and stepwise), reaction temperature, concentration of enzyme, type of alcohol (ethanol and methanol), type of enzyme, and reuse of enzyme on reaction yield was evaluated. The reactions carried out using ethanol showed yields higher than those obtained when methanol was used. This behavior is related to the deactivation of lipase caused by an alcohol with small number of carbon atoms. The highest yield on biodiesel (54%) was obtained using an alcohol:oil molar ratio of 3:1, with stepwise addition of ethanol (0, 30 and 60 minutes), 9 wt.% of Lipozyme TL IM at 50C. The recovery of lipase was not possible at the end of the reaction, because the lipase support has solubilized in the reaction medium. In addition, for comparison, the use of commercial immobilized lipase Lipozyme RM IM and Novozymes 435 and of chemical catalysts KOH, MgO, and La2O3 have been investigated. The yield on biodiesel using lipases as catalysts was higher than those obtained using chemical catalysts. The lower efficiency of chemical catalysts can be justified by the high acidity of palm oil (6,26 mg KOH.g-1) which promotes the consumption of the catalyst (KOH), due to the neutralization of free fatty acids in the oil, and the blockage of the active sites of solid chemical catalysts by adsorption of fatty acids on these sites

O esperado crescimento na demanda de biodiesel no mercado mundial tem impulsionado uma evolução constante em seu sistema de produção de forma a torná-lo mais eficiente e ambientalmente favorável. O presente trabalho teve como objetivo verificar o potencial do óleo de pinhão manso para obtenção de biodiesel pela via enzimática empregando etanol com agente acilante. Para alcançar o objetivo proposto, as atividades experimentais foram iniciadas pela adequação do óleo de pinhão manso bruto para sua utilização como matériaprima na reação de transesterificação, incluindo as etapas de degomagem, neutralização e secagem. O óleo tratado, após caracterização físico-química, foi utilizado nos testes de triagem do biocatalisador enzimático testando diferentes preparações de lipases (EC 3.1.1.3) tanto na forma livre como imobilizada em SiO2-PVA, para mediar à síntese de biodiesel em meio isento de solventes. Os testes indicaram que as lipases na forma imobilizada foram mais eficientes e permitiram selecionar os derivados imobilizados das lipases de Burkholderia cepacia e Pseudomonas fluorescens como as preparações mais adequadas para catalisar a síntese de biodiesel a partir do óleo de pinhão, com rendimentos reacionais de 93,18% e 85,67%, respectivamente. Na segunda etapa do trabalho, os derivados imobilizados selecionados foram testados na reação de interesse, mantendo-se fixa as condições reacionais (temperatura 45oC, 1:9 de razão molar óleo/etanol e 500 unidades de atividade lipolítica por grama de óleo), empregando reatores de vidro acoplados com condensador de refluxo, para evitar perda de etanol. O monitoramento da reação foi efetuado pela determinação dos ésteres etílicos formados (Cromatografia de fase gasosa) e viscosidade cinemática em amostras retiradas ao longo da reação. O produto transesterificado (biodiesel) foi purificado e submetido às análises para caracterização de suas propriedades físico-químicas, incluindo estudo reológico, espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TG) e ressonância magnética nuclear protônica (1H-RMN). Os resultados obtidos permitiram confirmar que a lipase de Burkholderia cepacia foi a preparação de lipase mais eficiente para mediar à síntese do biodiesel do óleo de pinhão manso, alcançando rendimento de transesterificação superior a 97% (72h). O biodiesel produzido manteve-se estável termicamente até 128oC e não sendo constatada contaminação do produto com glicerol ou água residual, assegurando a eficiência da etapa de purificação do produto transesterificado. Experimentos adicionais foram ainda efetuados sob irradiação de micro-ondas e os resultados obtidos indicaram que o aquecimento por micro-ondas constitui um procedimento potencial para a produção de biodiesel, tendo em vista a considerável redução do tempo global de reação. A estabilidade operacional da lipase imobilizada foi determinada em bateladas consecutivas sob aquecimento convencional e irradiação de micro-ondas, revelando um tempo de meia-vida do biocatalisador de 110 e 26,5h, respectivamente. A real contribuição da aceleração da reação por meio de irradiação de micro-ondas deverá ser reavaliada levando em consideração a acentuada perda da atividade sintética do biocatalisador. / The expected increase in the biodiesel demand worldwide has brought a constant evolution in its production system in order to make it more efficient and environmentally favorable. The objective of present work was to verify the potential of Jatropha oil as raw material to produce biodiesel by enzymatic route using ethanol as acilant agent. To attain the proposed objective, the experimental activities were starting by treating the oil to attain suitable properties to be used in the transesterification reaction, including the degumming, neutralization and drying steps. The treated oil, after physico-chemical characterization was used to carry out a screening test to select the most suitable biocatalyst by means of testing different preparations of lipases (EC 3.1.1.3) in free form as well as immobilized in SiO2-PVA, to mediate the biodiesel synthesis in solvent free system. The assays indicated that the immobilized lipases were more efficient than free ones and allowed selecting the immobilized derivatives from Burkholderia cepacia and Pseudomonas fluorescens as the most suitable preparations to catalyze biodiesel synthesis from Jatropha oil, attaining yields of 93.18% and 85.67%, respectively. In the second step, the selected immobilized derivatives were used to catalyze the reaction of interest maintaining the previous set conditions (temperature 45oC, 1:9 molar ratio oil/ethanol and 500 units of lipolytic activity per gram of oil) using a glass reactor coupled with condenser to avoid ethanol loss. The reaction was monitored by determining the formed ethyl esters by gas chromatography and viscosity in samples taken from the reactor during the reaction. The transesterified product (biodiesel) was purified and submitted to further analyses for physico-chemical properties, including rheological study, FTIR, TG and 1H NMR. The obtained results confirmed that the lipase from Burkholderia cepacia was the most efficient biocatalyst to mediate the biodiesel synthesis from Jatropha oil, attaining transesterification yields higher than 97% (72h. The product biodiesel was thermo stable up to 128oC and no residual glycerol or water contaminations were detected, assuring the efficiency of the down stream process. Additional experiments were performed under microwave irradiation and the results suggested that the microwave heating constitutes a potential procedure to enhance the reaction rate by reducing the global reaction time. The operational stability of the immobilized lipase was determined in repeated batch runs under conventional and microwave heating systems, revealing biocatalyst half-life time of 110 and 26.5 h, respectively. Therefore, the real contribution of the microwave irradiations to enhance the reaction should be revalued by taking into account the lost of the biocatalyst activity.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um processo efetivo de síntese enzimática de biodiesel em reator de leito fixo, conectados em série, a partir de óleos vegetais operando em modo contínuo. Para o desenvolvimento do projeto, foram selecionados óleos vegetais de baixo impacto na cadeia alimentícia, tais como óleos de babaçu, macaúba e coco que apresentam composição predominantemente láurica (35-47%). A enzima selecionada para condução dos experimentos foi a lipase microbiana de Burkholderia cepacia imobilizada covalentemente em matriz híbrida sílica-PVA com comprovada eficiência na síntese de biodiesel a partir de diferentes matérias-primas lipídicas. Todos os experimentos foram efetuados na ausência de solventes a 50?C utilizando etanol como doador do grupo acila. Foram testados reatores de leito fixo (um estágio) e em série (dois estágios). A etapa inicial do trabalho consistiu em testes de desempenho do reator (um estágio) verificando a influência das propriedades dos óleos vegetais no rendimento do processo e atividade do biocatalisador. Apesar do biocatalisador ter apresentado elevado tempo de meia- vida > 373 h, nas condições testadas, independente do óleo usado a concentração máxima de ésteres esperada não foi alcançada (68,2%) limitando os rendimentos para valores máximos de 87,5%. Para contornar as restrições identificadas foi adotada uma configuração de reator de leito fixo dois estágios incorporando uma coluna recheada com resina catiônica (Lewatit GF 202) para adsorção do glicerol formado como subproduto. O desempenho do reator foi avaliado para substratos constituídos de óleos láuricos na razão molar óleo: etanol de 1:12, definindo os limites de operação em termos de vazão do substrato. Foi quantificado o desempenho do sistema para 4 diferentes vazões volumétricas correspondendo a tempos espaciais entre 7 a 17h e determinadas para cada condição a influência do tempo espacial na concentração de ésteres de etila formados, rendimentos de transesterificação e produtividade. O funcionamento do sistema foi comprovado quantitativamente para tempos espaciais no reator de 14h, fornecendo rendimentos de transesterificação médios de 95,9 ± 4,1% e valores médios de produtividade de 41,5 ± 1,5 mg.g-1.h-1. As amostras de biodiesel purificadas apresentaram viscosidade cinemática média de 5,5 ± 0,3 mm2.s-1, valor que atende a norma americana ASTM (D6751) e a brasileira pela resolução ANP n°14/2012. A lipase imobilizada em SiO2-PVA foi estável quanto à suas características morfológicas e catalíticas revelando tempo médio de meia-vida (t1/2) superior a 500 h. O emprego da configuração de reatores de leito fixo (PBR) em duplo estágio pode elevar os níveis de rendimento de transesterificação, aumentar a produtividade de biodiesel, por consequência reduzir o custo global do processo. As características globais do desempenho do sistema contínuo proposto torna atrativa a continuidade dos estudos em escala ampliada de processo. / The aim of this study was to develop an effective enzymatic continuous process to obtain biodiesel from vegetable oils in two-stage packed bed reactors. For this, non- edible vegetable oils (babassu, macaw palm and coconut) having predominant lauric acid (35-47%) composition were assessed. The selected enzyme was the microbial lipase from Burkholderia cepacia covalent immobilized on hybrid matrix silica-PVA (SiO2-PVA) which showed already satisfactory performance in the biodiesel synthesis from different lipid feedstocks. All experiments were carried out in solvent free system at 50°C using ethanol as acyl acceptor. Packed bed reactors (simple and two-stages) were tested. Preliminary work was focused on the determination of the influence of the properties of the vegetable oils on the process yield and biocatalyst activity using simple packed bed reactor. Under the conditions used, the biocatalyst was found to have high half-life time > 373 h and independent of the used oil the maximum concentration expected esters was not reached (68.2%) limiting the maximum yield to 87.5%. To overcome such constraints a two-stage packed bed reactor incorporating a column with cationic resins (Lewatit GF 202) to remove the glycerol formed as by-product was proposed. The reactor performance was evaluated for substrates consisting of lauric oils at molar ratio of oil-to-ethanol of 1:12, determining its operation limits in terms of substrate flow rate. The system performance was quantified for four different flow rates corresponded to spatial times from 7 to 17 h. For each condition, the influence of spatial times in the ethyl esters formation, transesterification yields and productivities were determined. The reactor operation was demonstrated for spatial time of 14 h, attaining transesterification yields of 95.9 ? 4.1% and productivities of 41.5 ? 1.5 mg.g-1.h-1.The immobilized lipase on SiO2-PVA was found to be stable regarding its morphological and catalytic characteristics, showing half-life time (t1/2) higher than 500 h. Biodiesel purified samples showed average kinematic viscosity of 5.5 ± 0.3 mm2.s-1, value that meets the criteria established by the American National Standard ASTM (D6751) and Brazilian ANP resolution No. 14/2012. Therefore, the continuous packed-bed reactor connected in series and glycerol separation system has a great potential for achieving high level of transesterification yields, raising biodiesel productivity, consequently decreasing industrial process cost. The performance characteristics of the proposed continuous system made attractive to develop further studies aiming at scaling up the process.

O presente trabalho teve como objetivo aprimorar a síntese de biodiesel por via enzimática empregando óleo de babaçu pela rota etílica. A motivação do uso do óleo de babaçu é referente ao seu forte potencial para a produção de combustível, tendo em vista que é de baixo custo e abundante em localidades carentes de fontes de energia, o que estimula a realização de pesquisas nesta área, procurando benefícios ambientais, energéticos e econômicos. Para atingir o objetivo proposto, teve-se como proposta a transesterificação do óleo de babaçu com etanol mediada pela enzima lipase em fluxo contínuo empregando reator de leito fixo. A enzima selecionada para condução dos experimentos foi a lipase microbiana de Burkholderia cepacia (lipase PS) imobilizada covalentemente em matriz híbrida sílica-PVA com comprovada eficiência na síntese de biodiesel a partir de diferentes matérias-primas lipídicas. Todos os experimentos foram efetuados na ausência de solventes a 50?C. A parte experimental foi iniciada pelos testes comparativos de desempenho da montagem experimental proposta utilizando a preparação de lipase previamente selecionada e a lipase Novozym® 435 disponível comercialmente na forma imobilizada, de comprovada eficiência para utilização em reatores de leito fixo. Os resultados indicaram que ambas as preparações de lipase são adequadas para catalisar a síntese de biodiesel em regime contínuo, entretanto a grande limitação de operação do reator está relacionada com a elevada composição em ácidos graxos saturados (? 83%) na matéria-prima lipídica, que acarreta entupimentos nas conexões e obstrução do leito. Para contornar as limitações identificadas foi proposto um sistema de aquecimento para manter constante a temperatura na faixa requerida (45-50?C) em todo o aparato experimental. O desempenho do reator (diâmetro interno X altura: 15 mm X 210 mm) foi avaliado para substratos constituídos de óleo de babaçu e etanol em duas razões molares (1:7 e 1:12), definindo os limites de operação em termos de vazão do substrato. Foi quantificado o desempenho do sistema para 4 diferentes vazões volumétricas correspondendo a tempos espaciais entre 7 a 13h e determinadas para cada condição a influência do tempo espacial na concentração de ésteres de etila formados, rendimentos de transesterificação e produtividade. A razão molar entre os materiais de partida interferiu de maneira marcante no alcance de elevadas conversões dos ácidos graxos presentes no óleo de babaçu em seus ésteres de etila correspondentes, sendo o sistema maximizado para substratos contendo maior excesso de etanol (razão molar óleo: etanol de 1:12). Nessas condições, o funcionamento do sistema foi comprovado quantitativamente para tempos espaciais no reator iguais ou superiores a 11h, fornecendo rendimentos de transesterificação médios de 95,00 ? 4,68 % e produtividade de 54,80 ? 2,70 mgéster.gmeio-1.h-1. A lipase PS imobilizada em SiO2-PVA foi estável quanto a suas características morfológicas e catalíticas revelando tempo médio de meia-vida (t1/2) de 40 dias, sendo ainda possível sua reutilização em um novo ensaio. As características globais do desempenho do sistema contínuo proposto tornam atrativo a continuidade dos estudos em escala ampliada de processo, entretanto recomenda-se a utilização de óleos vegetais com menor teor de ácidos graxos saturados. / The purpose of this work was to enhance the enzymatic synthesis of biodiesel from babassu oil by ethanolic route. Babassu oil was chosen as a feedstock due to its potential for fuel production, including low cost and availability in regions where energy sources are needed; stimulating the developing of research projects looking for environmental, energetic and economical benefits. To attain this purpose, the transesterification reaction of babassu oil with ethanol was mediated by the enzyme lipase on packed bed reactor running on continuous mode. The selected enzyme was the microbial lipase from Burkholderia cepacia (lipase PS) covalent immobilized on hybrid matrix silica-PVA (SiO2-PVA) which showed already satisfactory performance in the biodiesel synthesis from different lipidic feedstocks. The experiments were carried out in solvent free system at 50°C. The experimental work was started by performing comparative tests of the proposed experimental assembly, using the previously selected lipase preparation and a commercial available immobilized lipase Novozym® 435, which has consistent high performance to be used on fixed packed reactors. The results indicated that both lipase preparations are able to catalyze the biodiesel synthesis under continuous operation; however limitations were found to maintain stable operation. This was related to the high concentration of saturated fatty acids (83%) present in the feedstock, which blocked the tube connections and led to bed obstruction. To overcome these limitations, a warming system was proposed to ensure constant the temperature at the required range (45-50°C) in the entirely experimental apparatus. The performance of the reactor (inner diameter X height: 15 mm X 210 mm) was evaluated for substrates composed by babassu oil and ethanol in two molar ratios (1:7 e 1:12), determining its operation limits in terms of substrate flow rate. The system performance was quantified for four different flow rates corresponded to spatial times between 7 and 13 h. For each condition, the influence of spatial times in the ethyl esters formation, transesterification yields and productivities were determined. The raw materials molar ratio interfered, in a remarkable way, the conversion of babassu oil into the correspondent ethyl esters and the system was optimized for the substrates containing high excess of ethanol (oil-to-ethanol molar ratio of 1:12). In these conditions, the reactor operation was demonstrated for spatial times higher than 11h, attaining transesterification yields of 95,00 ? 4,60% and productivities of 54,80 ? 2,70 mgesters.gmedium-1.h-1The lipase PS immobilized on SiO2-PVA was found to be stable regarding its morphological and catalytic characteristics, showing half-life time (t1/2) of 40 days. The immobilized enzyme can be also reused in a new run and the presence of substrate containing high ethanol levels did not affected the lipase stability. The performance characteristics of the proposed continuous system made attractive to develop further studies aiming at scaling up the process, however it is recommended to use vegetable oils having lower saturated fatty acids levels.

O biodiesel é um combustível composto por alquil ésteres de ácidos graxos com vários benefícios ambientais que o tornam um potencial substituto para os combustíveis fósseis derivados do petróleo, podendo ser usado tanto puro quanto em misturas. A rota mais tradicional utiliza a catálise homogênea no processo de transesterificação de triglicerídeos de óleos refinados para conversão à metil/etil ésteres. Esta metodologia tem demonstrado altas conversões. No entanto catalisadores heterogêneos, como as hidrotalcitas, apresentam várias vantagens, especialmente na etapa de separação dos produtos. Neste contexto, foram testados novos catalisadores no processo de transesterificação, com etanol e metanol, para avaliar o desempenho das hidrotalcitas sintetizadas, concentração do catalisador, temperatura e razão molar álcool/óleo. Também foram realizadas análises de volumetria de N2, para a determinação da área específica e volume de poros, e difratometria de raios X. As propriedades ácidas e/ou básicas dos suportes e dos catalisadores foram avaliadas através da reação de decomposição do isopropanol. As reações com metanol apresentaram conversões de até 100% a 65°C e razão molar álcool/óleo de 30 e 10% em massa de catalisador. Já a transesterificação utilizando-se etanol apresentou rendimentos de até 94%, com razão molar de 30:1(álcool/óleo) e 10% em massa de catalisador a 78°C. / Biodiesel is a fuel comprised of alkyl esters of long chain fatty acids with several environmental advantages which turn it a great potential substitute to petroleum-based diesel either pure or in fuel blends. The most traditional route uses homogeneous basic catalysis in transesterification reaction of triglycerides of refined vegetable oils to produce methyl/ethyl esters. This process has demonstrated higher conversions, but heterogeneous catalysts, such as hydrotalcites, have several advantages, especially in the separation step. In this context, this work aims to study the behavior of new catalysts for transesterification process, with methanol and ethanol, using an experimental design to evaluate the performance of synthesized hydrotalcites, catalyst concentration, temperature and alcohol/oil molar ratio. It was also carried out analysis of N2 volumetry, to determine specific area and pore volume, and X-ray difratometry. The acid/basic properties of the support and catalysts were evaluated through isopropanol decomposition reaction. The reaction carried out with methanol showed high conversions (up to 100%), using 65°C, molar ratio alcohol/oil 30 and 10% of catalysts. The transesterification with ethanol showed conversions up to 94% using 78ºC, molar ratio 30:1 (alcohol/oil) and 10% of catalysts.