Orientador : David Alexander Mitchell / Co-orientadores : Prof. Dr. Marcos Lúcio Corazza e Profª Drª Nádia Krieger / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências : Bioquímica. Defesa: Curitiba, 23/11/2015 / Inclui referências : f. 65-67 / Resumo: Na última década, o interesse pela produção de biodiesel catalisada por lipases tem aumentado consideravelmente. Uma das principais razões para isto deve-se à catálise enzimática representar uma alternativa "verde" à catálise química tradicionalmente empregada na indústria. Entretanto, embora a rota enzimática forneça produto de maior qualidade, em condições de reação mais amenas e ausência de reações laterais, sua implantação em escala industrial ainda é limitada pelos altos custos do biocatalisador. Recentemente, estratégias visando reduzir os custos de produção de biocatalisadores têm sido estudadas. Uma dessas estratégias é a produção de lipases por fermentação em estado sólido e a consecutiva aplicação destes sólidos fermentados diretamente ao meio reacional para catalisar reações de transesterificação ou esterificação. Outra estratégia para reduzir os custos na produção enzimática de biodiesel é realizar reações em sistemas livres de solventes, o que permite o uso de reatores menores e a redução do impacto ambiental e das etapas de extração e recuperação do biodiesel. Além disso, a utilização de matérias-primas residuais, como as borras ácidas, para a produção enzimática de biodiesel oferece possibilidade de reduzir significativamente o custo do processo, uma vez que a matéria-prima representa cerca de 70-85% do custo total de produção. O uso de sólido fermentado para a produção de ésteres do biodiesel a partir de ácidos graxos da borra do óleo de soja em sistema livre de solvente foi investigado recentemente, onde foi mostrado que cerca de 30% do meio reacional era sorvido pelo sólido fermentado e que este meio sorvido tinha composição diferente da encontrada para o meio de reação líquido. A composição dessa fase sorvida, que representa o microambiente da lipase no sólido, tem implicações diretas na modelagem cinética da reação. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo cinético combinado com o efeito de sorção para descrever a reação de esterificação de ácidos graxos da borra ácida do óleo de soja catalisada por sólido fermentado com atividade lipolítica em sistema livre de solvente. A sorção dos componentes do meio ao sólido fermentado seguiu uma isoterma de Langmuir multicomponente, enquanto a equação cinética foi expressa em termos de composição da fase sorvida. Com um único conjunto de parâmetros, foi possível encontrar bom ajuste do modelo aos dados experimentais obtidos nos estudos anteriores para três razões molares etanol:ácidos graxos (1:1, 1,5:1, 3:1), tanto para perfis de conversão quanto para composição nas fases líquida e sorvida. Além disso, foram construídos diagramas ternários experimentais de Equilíbrio Líquido-Líquido para o sistema "ácidos graxos + etanol + água + ésteres etílicos", e também foi feita a modelagem termodinâmica para este sistema. Este modelo termodinâmico pode ser usado, futuramente, para prever a separação das fases orgânica e aquosa no reservatório do sistema, permitindo o uso do modelo cinéticosorção para um sistema onde somente a fase orgânica do reservatório seja retornada ao leito fixo que contém o sólido fermentado. Com isso, o modelo poderá ser utilizado para realizar o escalonamento do processo de produção enzimática de biodiesel. Palavras-chave: biodiesel, Burkholderia cepacia, equilíbrio líquido-líquido, esterificação, lipase, sólido fermentado, modelagem cinética, modelagem termodinâmica / Abstract: Over last decade, interest on biodiesel production catalyzed by lipases has been increased. One of the most important reasons for this is because enzymatic catalysis represents a greener alternative to chemical catalysis used on industry traditionally. However, although enzymatic route yields higher quality product at mild conditions with no side reactions its implementation in large scale is limited yet by high biocatalyst costs. Recently, strategies aiming to reduce production costs of biocatalysts have been studied. One of these strategies is producing lipases by solid state fermentation and consecutively applying these fermented solids in reaction media to catalyze transesterification and esterification reactions. Other strategy to reduce enzymatic biodiesel production costs is performing reactions in solvent-free systems, which allows using smaller reactors and decreasing environmental impact and extraction and recovery steps. Furthermore, the use of cheaper feedstocks, as soapstocks, to enzymatic production of biodiesel offers possibility of reducing process cost significantly, since feedstocks represent around 70-85% of whole production cost. Using fermented solid to produce biodiesel esters from fatty acids from soybean soapstock acid oil has been investigated recently, and it was shown that up to 30% of the total mass of the reaction medium sorbed onto the fermented solids during the process and that this sorbed phase had a composition that was quite different from that of the bulk reaction medium. Composition of sorbed phase, which represents lipase microenvironment into fermented solid, has implications in modeling reaction kinetics. Therefore, the aim of this study was develop a combined sorption-kinetic model capable of describing the reaction profiles in the esterification of fatty acids from soybean soapstock acid oil catalyzed by fermented solid with lipolytic activity in a solvent-free system. The sorption of the medium components onto the fermented solids followed a multicomponent Langmuir isotherm, while the kinetic equation was expressed in terms of the composition of the sorbed phase. With a single set of parameters, the model adjusted well to the experimental results for three different ethanol to fatty acid molar ratios (1:1, 1.5:1 and 3:1), not only for the overall conversion profile, but also for the compositions of the bulk reaction medium and the sorbed phase. Moreover, experimental ternary diagrams of Liquid-Liquid Equilibrium of system "fatty acids + ethanol + water + ethyl esters" were constructed and also thermodynamic modeling was performed to this system. These data could be used further to predict separation of organic and aqueous phases in reaction reservoir, allowing the use of kinetic-sortion model to a system where only organic phase be recycled to the packed bed that contains fermented solid. From this perspective, model would be applied to guide scale-up of enzymatic biodiesel production. Keywords: biodiesel, Burkholderia cepacia, liquid-liquid equilibrium, esterification, lipase, fermented solid, kinetic modeling, thermodynamic modeling
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/48458 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Serres, Jonas Daci da Silva |
| Contributors | Corazza, Marcos Lúcio, Krieger, Nadia, 1952-, Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Ciências (Bioquímica), Mitchell, David Alexander |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 73 f. : il. algumas color., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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