A ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) faz parte da família das α-amilases e se destaca por ser a única enzima capaz de produzir ciclodextrinas (CDs). Esses oligossacarídeos cíclicos possuem a capacidade de formar complexos de inclusão com uma variedade de moléculas, alterando suas características como, por exemplo, solubilidade, volatilidade e estabilidade. Desta forma, CDs tem encontrado aplicação nas mais diversas áreas. Na indústria de alimentos, se destacam por serem potenciais estabilizantes naturais. Buscando alternativas viáveis para produção destas ciclodextrinas, neste trabalho, a enzima CGTase foi imobilizada covalentemente em esferas de quitosana e posteriormente utilizada em um reator enzimático para uso contínuo. O rendimento da imobilização foi de aproximadamente 100 %, com uma carga de 20 mg de enzima por grama de suporte seco. O processo de imobilização foi capaz de manter o comportamento da enzima frente à variação de pH e temperatura de reação, apresentando pH ótimo em 5,0 e a faixa de temperatura ótima de 70 a 95 ºC, para ambos. A estabilidade conferida ao catalisador imobilizado possibilitou sua reutilização, 61 % da sua atividade inicial foi mantida após 100 ciclos de reação. Durante utilização contínua, realizada em um reator de leito fixo, analisou-se a influência da taxa de fluxo e da concentração do substrato na geração de β-CD. A máxima produção (1,32 g / L) foi alcançada utilizando-se 4 % de amido solúvel em uma taxa de fluxo de 3 mL / min. Além disso, o biocatalisador apresentou uma ótima estabilidade operacional a 60 °C, mantendo 100 % da atividade inicial após 100 h de uso contínuo. Estes resultados demonstram que o desempenho do reator é diretamente afetado pelos parâmetros analisados e que a produção pode ser otimizada por regulação simples na velocidade de fluxo, ou pela concentração do substrato; e sugerem a possibilidade de utilizar este biocatalisador imobilizado na produção contínua de CDs. / Cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) is member of the family α-amylase and is known for being the only enzyme able to produce cyclodextrins (CDs). These cyclic oligosaccharides have the ability to form inclusion complexes with a variety of molecules, changing its characteristics, for example, solubility, volatility and stability. Therefore, CDs have found application in several fields. In the food industry stand out for being potential natural stabilizers. Seeking to alternatives for producing these cyclodextrins, in this work, the CGTase enzyme was immobilized covalently on chitosan beads and subsequently used in enzymatic reactor for continuous use. The immobilization yield was high, reaching about 100 %, representing a load of 20 mg enzyme per gram of dry support. The immobilization process was capable of maintaining the behavior of the enzyme to the variation of pH and temperature of reaction, with pH optimum at 5.0 and the optimal temperature range of 70 - 95 ° C, for both. The stability afforded to the immobilized catalyst made possible its reuse, maintaining 61 % of its initial activity after 100 cycles of reaction. During its continuous use, in a packed bed reactor, we analyzed the influence of flow rate and concentration of the substrate in the generation of β-CD. The maximum yield (1.32 g / L) was achieved using 4 % soluble starch at a flow rate of 3 mL / min. In addition, the biocatalyst showed a great operational stability at 60 ° C, maintaining 100 % of initial activity after 100 h of continuous use. These results demonstrate that the performance is directly affected by the parameters analyzed and that the production can be optimized by simple adjustment in flow rate through the reactor, or the substrate concentration used and suggests the possibility of using this biocatalyst immobilized to the continuous production of CDs.

A ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) faz parte da família das α-amilases e se destaca por ser a única enzima capaz de produzir ciclodextrinas (CDs). Esses oligossacarídeos cíclicos possuem a capacidade de formar complexos de inclusão com uma variedade de moléculas, alterando suas características como, por exemplo, solubilidade, volatilidade e estabilidade. Desta forma, CDs tem encontrado aplicação nas mais diversas áreas. Na indústria de alimentos, se destacam por serem potenciais estabilizantes naturais. Buscando alternativas viáveis para produção destas ciclodextrinas, neste trabalho, a enzima CGTase foi imobilizada covalentemente em esferas de quitosana e posteriormente utilizada em um reator enzimático para uso contínuo. O rendimento da imobilização foi de aproximadamente 100 %, com uma carga de 20 mg de enzima por grama de suporte seco. O processo de imobilização foi capaz de manter o comportamento da enzima frente à variação de pH e temperatura de reação, apresentando pH ótimo em 5,0 e a faixa de temperatura ótima de 70 a 95 ºC, para ambos. A estabilidade conferida ao catalisador imobilizado possibilitou sua reutilização, 61 % da sua atividade inicial foi mantida após 100 ciclos de reação. Durante utilização contínua, realizada em um reator de leito fixo, analisou-se a influência da taxa de fluxo e da concentração do substrato na geração de β-CD. A máxima produção (1,32 g / L) foi alcançada utilizando-se 4 % de amido solúvel em uma taxa de fluxo de 3 mL / min. Além disso, o biocatalisador apresentou uma ótima estabilidade operacional a 60 °C, mantendo 100 % da atividade inicial após 100 h de uso contínuo. Estes resultados demonstram que o desempenho do reator é diretamente afetado pelos parâmetros analisados e que a produção pode ser otimizada por regulação simples na velocidade de fluxo, ou pela concentração do substrato; e sugerem a possibilidade de utilizar este biocatalisador imobilizado na produção contínua de CDs. / Cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) is member of the family α-amylase and is known for being the only enzyme able to produce cyclodextrins (CDs). These cyclic oligosaccharides have the ability to form inclusion complexes with a variety of molecules, changing its characteristics, for example, solubility, volatility and stability. Therefore, CDs have found application in several fields. In the food industry stand out for being potential natural stabilizers. Seeking to alternatives for producing these cyclodextrins, in this work, the CGTase enzyme was immobilized covalently on chitosan beads and subsequently used in enzymatic reactor for continuous use. The immobilization yield was high, reaching about 100 %, representing a load of 20 mg enzyme per gram of dry support. The immobilization process was capable of maintaining the behavior of the enzyme to the variation of pH and temperature of reaction, with pH optimum at 5.0 and the optimal temperature range of 70 - 95 ° C, for both. The stability afforded to the immobilized catalyst made possible its reuse, maintaining 61 % of its initial activity after 100 cycles of reaction. During its continuous use, in a packed bed reactor, we analyzed the influence of flow rate and concentration of the substrate in the generation of β-CD. The maximum yield (1.32 g / L) was achieved using 4 % soluble starch at a flow rate of 3 mL / min. In addition, the biocatalyst showed a great operational stability at 60 ° C, maintaining 100 % of initial activity after 100 h of continuous use. These results demonstrate that the performance is directly affected by the parameters analyzed and that the production can be optimized by simple adjustment in flow rate through the reactor, or the substrate concentration used and suggests the possibility of using this biocatalyst immobilized to the continuous production of CDs.

A ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) faz parte da família das α-amilases e se destaca por ser a única enzima capaz de produzir ciclodextrinas (CDs). Esses oligossacarídeos cíclicos possuem a capacidade de formar complexos de inclusão com uma variedade de moléculas, alterando suas características como, por exemplo, solubilidade, volatilidade e estabilidade. Desta forma, CDs tem encontrado aplicação nas mais diversas áreas. Na indústria de alimentos, se destacam por serem potenciais estabilizantes naturais. Buscando alternativas viáveis para produção destas ciclodextrinas, neste trabalho, a enzima CGTase foi imobilizada covalentemente em esferas de quitosana e posteriormente utilizada em um reator enzimático para uso contínuo. O rendimento da imobilização foi de aproximadamente 100 %, com uma carga de 20 mg de enzima por grama de suporte seco. O processo de imobilização foi capaz de manter o comportamento da enzima frente à variação de pH e temperatura de reação, apresentando pH ótimo em 5,0 e a faixa de temperatura ótima de 70 a 95 ºC, para ambos. A estabilidade conferida ao catalisador imobilizado possibilitou sua reutilização, 61 % da sua atividade inicial foi mantida após 100 ciclos de reação. Durante utilização contínua, realizada em um reator de leito fixo, analisou-se a influência da taxa de fluxo e da concentração do substrato na geração de β-CD. A máxima produção (1,32 g / L) foi alcançada utilizando-se 4 % de amido solúvel em uma taxa de fluxo de 3 mL / min. Além disso, o biocatalisador apresentou uma ótima estabilidade operacional a 60 °C, mantendo 100 % da atividade inicial após 100 h de uso contínuo. Estes resultados demonstram que o desempenho do reator é diretamente afetado pelos parâmetros analisados e que a produção pode ser otimizada por regulação simples na velocidade de fluxo, ou pela concentração do substrato; e sugerem a possibilidade de utilizar este biocatalisador imobilizado na produção contínua de CDs. / Cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) is member of the family α-amylase and is known for being the only enzyme able to produce cyclodextrins (CDs). These cyclic oligosaccharides have the ability to form inclusion complexes with a variety of molecules, changing its characteristics, for example, solubility, volatility and stability. Therefore, CDs have found application in several fields. In the food industry stand out for being potential natural stabilizers. Seeking to alternatives for producing these cyclodextrins, in this work, the CGTase enzyme was immobilized covalently on chitosan beads and subsequently used in enzymatic reactor for continuous use. The immobilization yield was high, reaching about 100 %, representing a load of 20 mg enzyme per gram of dry support. The immobilization process was capable of maintaining the behavior of the enzyme to the variation of pH and temperature of reaction, with pH optimum at 5.0 and the optimal temperature range of 70 - 95 ° C, for both. The stability afforded to the immobilized catalyst made possible its reuse, maintaining 61 % of its initial activity after 100 cycles of reaction. During its continuous use, in a packed bed reactor, we analyzed the influence of flow rate and concentration of the substrate in the generation of β-CD. The maximum yield (1.32 g / L) was achieved using 4 % soluble starch at a flow rate of 3 mL / min. In addition, the biocatalyst showed a great operational stability at 60 ° C, maintaining 100 % of initial activity after 100 h of continuous use. These results demonstrate that the performance is directly affected by the parameters analyzed and that the production can be optimized by simple adjustment in flow rate through the reactor, or the substrate concentration used and suggests the possibility of using this biocatalyst immobilized to the continuous production of CDs.

In this work, multiple kinetic models have been screened as potential candidates for simulating the performances of three oxidative coupling of methane (OCM) catalysts. Two of the proposed models were subjected to testing and optimization. The types of models screened covered both kinetic and microkinetic type models, i.e., radical omitting and radical considering. Some of the models only accounted for catalytic heterogeneous pathways, while others have expanded on the homogeneous gas-phase mechanism of the OCM reaction. The optimization process was carried out in MATLAB® R2020a using an error minimization tool. The range of experimental conditions examined was as follows: 740–800◦C, 100 kPa, 2–4 CH4/O2 ratio, 1–6 gcat h molC –1 spacetime. The results show successful optimization of both models as well as discrepancies in terms of their performances in predicting experimentally obtained values of CH4 and O2 conversions, as well as selectivities towards COx and C2+ products. While a kinetic model served as an easy option to optimize, it expressed limits in terms of achievable performance, mainly failing to simulate experimental runs conducted at low spacetimes. A microkinetic model on the other hand, managed to simulate all experimental conditions, with less accuracy towards COx species and much greater computational demand.

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.

Hydrogen isotope separation systems using palladium (Pd) are currently being designed for both reactor designs with the aim of separating and purifying the reactor exhaust products which contain valuable unspent hydrogen isotopes. Hydrogen isotope exchange in Pd offers an efficient, ambient condition process that can produce pure isotopic species in a process far simpler and less costly than the current state of the art cryogenic distillation processes. The method is applicable whether separating hydrogen (protium), deuterium or tritium and any combination of these. If practical fusion devices are ever to be realised it is essential to produce an economical and efficient fuel cycle capable of separating and purifying hydrogen isotopes. Hydrogen isotope exchange in Pd is also of interest to the waste separation and purification industries, in particular those using hydrogen separation membranes which used Pd and Pd-alloy membranes. Understanding hydrogen isotope exchange, with particular regard to the formation of the intermediate (and often unwanted) hydrogen deuteride (HD), will aid significantly in future designs of hydrogen isotope separation systems. Novel hydrogen isotope exchange experiments involving hydrogen and deuterium at a number of temperatures (208 K, 293 K and 373 K) and pressures (1.3 bar – 8 bar) not yet explored are presented in this thesis. The experiments were carried out on a unique piece of laboratory apparatus provided to and further developed at the University of Bath. Alongside experimentation, a novel comprehensive multidimensional multi-physics model has been created to analyse the experimental data obtained using the new apparatus and elucidate the kinetics and mechanisms of the reactions occurring between hydrogen isotopic species and Pd during hydrogen isotope exchange based on Langmuir-Hinshelwood surface reaction mechanism. The surface reaction rates, kinetic rate constants and heat effects have been examined in detail, and in tandem, for the first time.

Visando ampliar as rotas de produção de biodiesel, o objetivo deste trabalho foi utilizar uma tecnologia alternativa para a produção de biodiesel por via enzimática. Neste processo, células do fungo Mucor circinelloides URM 4182 foram cultivadas em meio apropriado, imobilizadas in situ em espuma de poliuretano e utilizadas diretamente como biocatalisador na síntese de ésteres de ácidos graxos em reações de transesterificação do óleo de coco usando etanol como agente acilante. O trabalho experimental foi desenvolvido em 4 etapas. Inicialmente, as propriedades bioquímicas do biocatalisador foram determinadas, incluindo valores ótimos de pH (7,3) e temperatura (40° C) e constantes cinéticas (Vmax= 610 U/g e Km= 263 mM). Na segunda etapa foram realizados testes utilizando reatores de tanque agitados operados em regime descontínuo confirmando a eficiência do M. circinelloides UMR 4182 para converter os ácidos graxos presentes no óleo de coco em ésteres correspondentes (rendimento de transesterificação da ordem de 96% em 144 horas). Com objetivo de aumentar a produtividade do sistema, na terceira etapa, estudos foram conduzidos em reator de leito fixo operando em fluxo contínuo empregando dois reatores (A e B) com diferentes relações geométricas altura/diâmetro (l/d=4,2 e l/d=14). Avaliou-se inicialmente no reator A o comportamento do sistema para substratos preparados em diferentes razões molares (1:6, 1:8 e 1:10 óleo/álcool). Comparativamente os rendimentos mais elevados (da ordem de 62%) foram obtidos para substratos preparados na razão molar de 1:8 (óleo/álcool), indicando a necessidade de investigar outros parâmetros do processo. A presença de caminhos preferenciais detectada visualmente no reator A pela injeção do corante lipossolúvel indicou limitações de transferência de massa, justificando a baixa conversão em ésteres de etila. Em seguida, mediante a avaliação da geometria dos reatores, foi selecionado o reator B (volume útil - 286 mL) para determinar a influencia do tempo espacial (60, 70 e 80 horas) no desempenho do processo utilizando a condição pré-estabelecida, etanol em excesso na razão molar 1:8 (óleo/etanol). O melhor desempenho do reator foi constatado para tempo espacial de 80h (vazão volumétrica = 0,06 mL.min-1). Nessa condição, 92,7 ??1,5% dos ácidos graxos presentes no óleo de coco foram convertidos nos ésteres de etila correspondentes, alcançando uma produtividade média de 51,0 ??1,4 mgéster.g-1meio.h-1 e fornecendo uma operação estável do sistema por 25 dias. As amostras purificadas apresentaram valores de viscosidade 5,14 mm2/s e teores residuais de monoglicerídeos (3,2 m/m%) e diglicerídeos (3,4 m/m%). Na quarta etapa foram realizados testes em reatores agitados operados em regime descontínuo na presença de solvente (terc-butanol e/ou líquido iônico), em diferentes proporções (10 - 50%). Os resultados foram comparados com a reação conduzida na ausência de solvente que apresentou baixa velocidade de reação e rendimento reduzido (44,5% em 6 dias de reação). Ambos os solventes aumentaram as conversões e velocidades de reação; no entanto, terc-butanol apresentou melhor desempenho em menor proporção (15%). Nessa condição, rendimentos da ordem de 96% foram alcançados em 96 horas, provavelmente devido à polaridade moderada e baixa viscosidade deste solvente que dilui o glicerol acumulado no suporte e melhora a transferência do substrato para o interior das células imobilizadas, impedindo a inibição da enzima por limitação da transferência de massa. De forma geral, os resultados foram promissores e demonstraram a potencialidade das células íntegras de M. circinelloides URM 4182 imobilizada em poliuretano para mediar a síntese de biodiesel em um reator de leito fixo em fluxo contínuo. / Aiming at expanding routes for biodiesel production, the goal of this work was to use an alternative technology for the production of biodiesel by enzymatic route. In this case, whole-cells from filamentous fungus Mucor circinelloides URM 4182 were growth in appropriate medium, simultaneously immobilized on low-cost support and used directly as a biocatalyst in the transesterification reactions of coconut oil using ethanol as the acylating agent. The experimental work was carried out in four steps. Initially, the biochemical properties of the immobilized biocatalyst were determined, including values for optimum pH (7.3) and temperature (40 °C) and kinetics parameters (Vmax 610 U/g and Km= 263 mM). Following this, tests were carried out in stirred batch reactors confirming the efficiency of M. circinelloides URM 4182 to produce biodiesel from coconut oil (96% in 144 hours). However, the low productivity attained motivated the replacement of the batch system for packed bed reactor operating under continuous flow using two reactor (A and B) having different geometric relations height/diameter (l/d = 4.2 and l/d = 14). Initially, the performance of the reactor A was assessed for substrates at different molar ratios (1:6, 1:8 and 1:10 oil/alcohol). Comparatively the best conversion (62%) was achieved for substrate at molar ratio of 1:8 (oil/alcohol); suggesting the need to investigate other process parameters to overcome such limitations. The presence of preferential paths visual detected for Reactor A by tracer assay indicated severe mass transfer limitations, justifying the low conversion attained in ethyl esters. Following this, Reactor B was selected to run the continuous experiments using substrate at pre-established condition (molar ratio oil/ethanol 1: 8) under different space times (60, 70, and 80 hours). Better reactor performance was found for space time of 80 h (volumetric flow = 0.06 mL min-1). In this condition, 92.7±1.5% of the fatty acids present in the coconut oil have been converted into the corresponding ethyl esters, reaching an average volumetric productivity of 51.0 ??1.4 mgester.g-1medium.h-1 with no significant reduction in the efficiency during 25 days. The purified samples presented values of 5.14 viscosity mm2/s and residual levels of monoglycerides (3.2 wt %) and diglycerides (3.4 wt%). In the fourth step, transesterification reactions were performed in stirred tank reactors in the presence of solvent (tert-butanol and/or Ionic Liquid) at different proportions (10-50%) in relation to the total weight oil and ethanol. The results were compared with the reaction carried out in the absence of solvent which has low reaction rate and reduced yield (44.5% in 6 days of reaction). Both solvents enhanced the transesterification yields and reaction rates; however tert-butanol showed better performance at lower proportion (15%). Under this condition, yields in the order of 96% were attained in 96 hours, probably due to the moderate polarity and lower viscosity of this solvent which dilutes the glycerol accumulated in support and improved the substrate transfer into the interior of the immobilized cells by preventing the enzyme inhibition by limitation of the mass transfer. Overall, the results were promising and showed the potential of whole-cells from M. circinelloides URM 4182 immobilized in polyurethane to mediate the synthesis of biodiesel in a continuous packed bed reactor.

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.

A ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase) é a única enzima capaz de catalisar a reação de ciclização a partir do amido e, assim, formar oligossacarídeos cíclicos conhecidos como ciclodextrinas (CDs). Através desta reação é produzida uma mistura de α-, β- e γ-CD que, respectivamente, contém 6, 7 e 8 resíduos de glicose. As CDs têm atraído enorme atenção devido ao seu grande potencial de aplicação em diversas áreas da indústria. Potencial este proporcionado por sua estrutura cônica, com interior hidrofóbico, capaz de encapsular sólidos, líquidos e gases, conferindo propriedades importantes e protegendo-os. Neste trabalho foi estudada a imobilização de uma CGTase em sílica mesoporosa de forma direcionada às cisteínas presentes em sua superfície, alterando a exposição do sítio ativo. A ligação via cisteínas nativas da proteína aumentou em quatro vezes a eficiência da imobilização, quando comparada a ligação via grupamento amino. Esta, no entanto, apresentou maior atividade enzimática em faixas mais amplas de temperatura e pH, além de maior estabilidade operacional, mantendo 100 % de sua atividade após 200 h de reação contínua a 60 °C e pH 4. Ainda que apresentando menor estabilidade da ligação, o derivado obtido por ligação dissulfeto manteve 40 % da atividade inicial durante 200 h e então, o suporte pôde ser recarregado e reutilizado por igual período. Os suportes desenvolvidos apresentaram estabilidade satisfatória, possibilitando o uso do derivado imobilizado em reator de leito fixo operado de forma contínua. Quando avaliado em relação a produção das três ciclodextrinas principais, o derivado cuja imobilização da enzima ocorreu via grupamento amino, evidenciou a possibilidade de modulação da produção apenas variando as condições de reação. α- e β-CD foram produzidas preferencialmente em pH 8,0 e 2 min (3,44 mg mL-1 e 3,51 mg mL-1, respectivamente), enquanto que pH mais ácido (4,0) e maior tempo de reação (141 min) favoreceram a formação de γ-CD (3,35 mg mL-1), com baixa formação α-CD (0,75 mg mL-1). Por fim, os resultados deste estudo evidenciam a importância da imobilização da CGTase para a estabilização de sua estrutura a fim de aplicá-la em sistemas contínuos de produção de CDs onde é possível modular o perfil dos produtos gerados em função das condições de reação, aumentando assim a produtividade do biocatalisador. / Cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase) is the only enzyme capable of catalyzing the cyclization reaction from the starch and thus forming cyclic oligosaccharides known as cyclodextrins (CDs). Through this reaction, is produced a mixture of α-, β- and γ-CD containing, 6, 7 and 8 glucose residues respectively. Cyclodextrins (CD) have been attracting considerable attention because of its great potential for application in various areas of industry. This potential is provided by its conical structure with hydrophobic interior, capable of encapsulating solids, liquids and gases, changing important features and protecting them. In this work, the immobilization of CGTase in mesoporous silica was studied in a way directed to cysteines present on its surface, altering the exposure of the active site. The connection via native cysteine of the protein increased by four times the efficiency of immobilization compared to amino groups connection. The binding of amino groups, however, showed greater enzymatic activity in wider ranges of temperature and pH, and higher operational stability, while maintaining 100 % of its activity after 200 h of continuous reaction at 60 °C and pH 4. Although showing less stable connection, the derivative obtained by disulfide bond retained 40 % of the initial activity for 200 h and then, the support could be reloaded and reused for the same period. Developed supports showed satisfactory stability, enabling the use of the derivative assets in a packed bed reactor and operated continuously. It was demonstrated the possibility of modulating the CDs production just varying the reaction conditions, using the derivative of which the enzyme immobilization occurred via amino group, to evaluate the production of three main cyclodextrins. α- and β-CD were produced preferentially at pH 8.0 and 2 min (3.44 mg mL-1 and 3.51 mg mL-1, respectively), whereas the more acid pH (4.0) and longer reaction (141 min) favored the formation of γ-CD (3.35 mg mL-1 and 0.75 mg mL-1 of α-CD). Finally, the results of this study show the importance of the immobilization of CGTase to the stabilization of its structure in order to apply it in continuous CD production systems, where it is possible to modulate the profile of the products generated as a function of the reaction conditions, thus increasing the productivity of the biocatalyst.

Visando ampliar as rotas de produção de biodiesel, o objetivo deste trabalho foi utilizar uma tecnologia alternativa para a produção de biodiesel por via enzimática. Neste processo, células do fungo Mucor circinelloides URM 4182 foram cultivadas em meio apropriado, imobilizadas in situ em espuma de poliuretano e utilizadas diretamente como biocatalisador na síntese de ésteres de ácidos graxos em reações de transesterificação do óleo de coco usando etanol como agente acilante. O trabalho experimental foi desenvolvido em 4 etapas. Inicialmente, as propriedades bioquímicas do biocatalisador foram determinadas, incluindo valores ótimos de pH (7,3) e temperatura (40° C) e constantes cinéticas (Vmax= 610 U/g e Km= 263 mM). Na segunda etapa foram realizados testes utilizando reatores de tanque agitados operados em regime descontínuo confirmando a eficiência do M. circinelloides UMR 4182 para converter os ácidos graxos presentes no óleo de coco em ésteres correspondentes (rendimento de transesterificação da ordem de 96% em 144 horas). Com objetivo de aumentar a produtividade do sistema, na terceira etapa, estudos foram conduzidos em reator de leito fixo operando em fluxo contínuo empregando dois reatores (A e B) com diferentes relações geométricas altura/diâmetro (l/d=4,2 e l/d=14). Avaliou-se inicialmente no reator A o comportamento do sistema para substratos preparados em diferentes razões molares (1:6, 1:8 e 1:10 óleo/álcool). Comparativamente os rendimentos mais elevados (da ordem de 62%) foram obtidos para substratos preparados na razão molar de 1:8 (óleo/álcool), indicando a necessidade de investigar outros parâmetros do processo. A presença de caminhos preferenciais detectada visualmente no reator A pela injeção do corante lipossolúvel indicou limitações de transferência de massa, justificando a baixa conversão em ésteres de etila. Em seguida, mediante a avaliação da geometria dos reatores, foi selecionado o reator B (volume útil - 286 mL) para determinar a influencia do tempo espacial (60, 70 e 80 horas) no desempenho do processo utilizando a condição pré-estabelecida, etanol em excesso na razão molar 1:8 (óleo/etanol). O melhor desempenho do reator foi constatado para tempo espacial de 80h (vazão volumétrica = 0,06 mL.min-1). Nessa condição, 92,7 ??1,5% dos ácidos graxos presentes no óleo de coco foram convertidos nos ésteres de etila correspondentes, alcançando uma produtividade média de 51,0 ??1,4 mgéster.g-1meio.h-1 e fornecendo uma operação estável do sistema por 25 dias. As amostras purificadas apresentaram valores de viscosidade 5,14 mm2/s e teores residuais de monoglicerídeos (3,2 m/m%) e diglicerídeos (3,4 m/m%). Na quarta etapa foram realizados testes em reatores agitados operados em regime descontínuo na presença de solvente (terc-butanol e/ou líquido iônico), em diferentes proporções (10 - 50%). Os resultados foram comparados com a reação conduzida na ausência de solvente que apresentou baixa velocidade de reação e rendimento reduzido (44,5% em 6 dias de reação). Ambos os solventes aumentaram as conversões e velocidades de reação; no entanto, terc-butanol apresentou melhor desempenho em menor proporção (15%). Nessa condição, rendimentos da ordem de 96% foram alcançados em 96 horas, provavelmente devido à polaridade moderada e baixa viscosidade deste solvente que dilui o glicerol acumulado no suporte e melhora a transferência do substrato para o interior das células imobilizadas, impedindo a inibição da enzima por limitação da transferência de massa. De forma geral, os resultados foram promissores e demonstraram a potencialidade das células íntegras de M. circinelloides URM 4182 imobilizada em poliuretano para mediar a síntese de biodiesel em um reator de leito fixo em fluxo contínuo. / Aiming at expanding routes for biodiesel production, the goal of this work was to use an alternative technology for the production of biodiesel by enzymatic route. In this case, whole-cells from filamentous fungus Mucor circinelloides URM 4182 were growth in appropriate medium, simultaneously immobilized on low-cost support and used directly as a biocatalyst in the transesterification reactions of coconut oil using ethanol as the acylating agent. The experimental work was carried out in four steps. Initially, the biochemical properties of the immobilized biocatalyst were determined, including values for optimum pH (7.3) and temperature (40 °C) and kinetics parameters (Vmax 610 U/g and Km= 263 mM). Following this, tests were carried out in stirred batch reactors confirming the efficiency of M. circinelloides URM 4182 to produce biodiesel from coconut oil (96% in 144 hours). However, the low productivity attained motivated the replacement of the batch system for packed bed reactor operating under continuous flow using two reactor (A and B) having different geometric relations height/diameter (l/d = 4.2 and l/d = 14). Initially, the performance of the reactor A was assessed for substrates at different molar ratios (1:6, 1:8 and 1:10 oil/alcohol). Comparatively the best conversion (62%) was achieved for substrate at molar ratio of 1:8 (oil/alcohol); suggesting the need to investigate other process parameters to overcome such limitations. The presence of preferential paths visual detected for Reactor A by tracer assay indicated severe mass transfer limitations, justifying the low conversion attained in ethyl esters. Following this, Reactor B was selected to run the continuous experiments using substrate at pre-established condition (molar ratio oil/ethanol 1: 8) under different space times (60, 70, and 80 hours). Better reactor performance was found for space time of 80 h (volumetric flow = 0.06 mL min-1). In this condition, 92.7±1.5% of the fatty acids present in the coconut oil have been converted into the corresponding ethyl esters, reaching an average volumetric productivity of 51.0 ??1.4 mgester.g-1medium.h-1 with no significant reduction in the efficiency during 25 days. The purified samples presented values of 5.14 viscosity mm2/s and residual levels of monoglycerides (3.2 wt %) and diglycerides (3.4 wt%). In the fourth step, transesterification reactions were performed in stirred tank reactors in the presence of solvent (tert-butanol and/or Ionic Liquid) at different proportions (10-50%) in relation to the total weight oil and ethanol. The results were compared with the reaction carried out in the absence of solvent which has low reaction rate and reduced yield (44.5% in 6 days of reaction). Both solvents enhanced the transesterification yields and reaction rates; however tert-butanol showed better performance at lower proportion (15%). Under this condition, yields in the order of 96% were attained in 96 hours, probably due to the moderate polarity and lower viscosity of this solvent which dilutes the glycerol accumulated in support and improved the substrate transfer into the interior of the immobilized cells by preventing the enzyme inhibition by limitation of the mass transfer. Overall, the results were promising and showed the potential of whole-cells from M. circinelloides URM 4182 immobilized in polyurethane to mediate the synthesis of biodiesel in a continuous packed bed reactor.