Este trabalho teve como objetivo sintetizar o palmitato de isopropila, éster emoliente, empregando como biocatalisador lipases microbianas imobilizadas em partículas de poli(estireno-co-divinilbenzeno) (STY-DVB-M) obtidas por meio da técnica de polimerização em suspensão e magnetizadas por co-precipitação de íons de Fe +2 e Fe +3 em meio básico. Inicialmente, a influência da concentração do agente de suspensão e da agitação na distribuição granulométrica do polímero sintetizado foi avaliada por planejamento experimental 2 2, com triplicata no ponto central. As polimerizações que resultaram nas maiores quantidades de partículas com tamanhos apropriados para utilização como suporte para imobilização (entre 80 e 24 mesh), foram obtidas empregando as seguintes condições experimentais: 1% de agente de suspensão (PVA) e 400 rpm de agitação. O suporte obtido foi utilizado para imobilizar a lipase de Candida rugosa (LCR) e lipase de Penicillium camemberti (LG) via adsorção física e os biocatalisadores resultantes aplicados em reações de esterificação do ácido palmítico com isopropanol em meio heptano. Para cada biocatalisador foi adotado um planejamento experimental estrela rotacional 22, com triplicata no ponto central para avaliar a influência da concentração de biocatalisador (% m/v) e da razão molar (ácido:álcool) no rendimento de esterificação. Nas condições otimizadas em 12 h de reação foram obtidos 75,60 e 88,53% de rendimento de esterificação, respectivamente, para a LCR e LG imobilizada em STY-DVB-M. A quantidade de água formada durante o bioprocesso não foi considerada fator relevante para interferir no progresso da síntese. O biocatalisador obtido pela LG imobilizada em STY-DVB-M foi empregado em biorreator de tanque agitado (280 mL), na condição ótima, em um experimento com ampliação de escala, atingindo 85,68% de rendimento em 12 horas de reação. No entanto, foi observado cisalhamento do suporte em função da agitação mecânica, optando-se pela realização do bioprocesso em biorreator de leito fixo (dimensões: 11 mm de diâmetro interno x 16,6 mm de comprimento) com recirculação do meio reacional (1,5 mL.min-1). A operação do sistema nesta configuração foi impossibilitada pela evaporação e/ou percolação do solvente. Assim, foram realizadas reações em reator de leito fixo em meio isento de solvente nas seguintes razões molares: 1:3, 1:4 e 1:6 (ácido:álcool), cujos melhores resultados foram obtidos na razão molar de 1:4, apresentando 56% de rendimento, 215,88 g.L-1 do palmitato de isopropila e produtividade de 26,87 g.L-1.h-1, decorridas 8h de reação com vazão de reciclo de 1,5 mLmin-1. O emprego de peneira molecular no reservatório do substrato proporcionou um acréscimo de aproximadamente 7% na formação do éster. Essa mesma condição experimental (1:4 em meio isento de solvente) foi testada em reator de tanque agitado, atingindo produtividade de 33,40 g.L-1.h-1 em 8h de reação. No entanto, em função da desvantagem do cisalhamento do suporte constatada neste tipo de biorreator, concluiu-se que o biorreator de leito fixo foi a configuração mais adequada, para a condução do bioprocesso estudado, apresentando viabilidade do processo enzimático empregando lipase imobilizada em suporte híbrido magnetizado para a síntese do palmitato de isopropila. / The aim of this study was to synthesize isopropyl palmitate, an emollient ester, using as biocatalyst microbial lipase immobilized on magnetic copolymer. The support was prepared by suspension polymerization technique using styrene and divinylbenzene monomers in the presence of magnetite particles synthesized by co-precipitation of Fe+2 and Fe+3. The influence of the suspending agent concentration and the mechanical agitation on the granulometric distribution of the synthesized polymer was assessed by a 22 factorial design with triplicate at central point. The statistical analysis indicated that the optimal experimental conditions to obtain the largest amount of particles with suitable size (between 80 and 24 mesh) to be used as immobilizing support were attained at 1% suspending agent (PVA) at 400 rpm stirring. The resulting support was used to immobilize Candida rugosa lipase (LCR) and Penicillium camemberti lipase (LG) by physical adsorption and applied in the esterification reaction of palmitic acid with isopropyl alcohol in presence of solvent (heptane). For each biocatalyst a central composite 22 experimental design with triplicate at central point was performed to determine the influence of biocatalyst concentration (% m/v) and molar ratio (acid: alcohol) on the reaction yield. Under the optimal conditions higher performance was achieved by LG immobilized on STY-DVB-M (88.53%) than LCR immobilized on STYDVB-M (75.60%) with shaking at 12 hours reaction. For both reactions the amount of water formed as byproduct was not found to be a relevant factor that interferes in the synthesis progress. The most activity immobilized biocatalyst (LG STY-DVB-M) was used in agitated tank bioreactor (280 mL), under optimized conditions, in an experiment with scale-up, reaching 85.68% yield in 12 hours. However, it has been observed that the support was low mechanical shear and therefore an attempted was made to run the reaction in a packed bed bioreactor (dimensions: 11 mm internal diameter x 16,6 mm length) with recirculation of the reaction medium (1,5 mL.min-1). The system could not be operated under this configuration because of solvent evaporation and/or percolation. Thereby, the reactions were carried out in packed bed reactor using solvent-free medium under the following molar ratios: 1:3, 1:4 and 1:6 (acid: alcohol). The best performance (56% yield, 215.88 g L-1 of isopropyl palmitate and 26.87 gL-1.h-1 of productivity) was attained running the reactor with substrate at molar ratio of acid to alcohol of 1:4 for 8 hours with recycle rate of 1,5 mL.min-1. The use of a molecular sieve in the substrate reservoir resulted in an increase of approximately 7% of ester formation. By comparison, esterification run under the same experimental condition (1:4 in solvent-free medium) was carried out in a stirred tank reactor and slight higher productivity (33.40 g.L-1.h-1) was achieved. However, due the shear limitation of the support, it was concluded that the most suitable configuration for this bioprocess is the packed bed bioreactor, thereby showing that the enzymatic process is feasible using lipase immobilized on a magnetized hybrid support for isopropyl palmitate synthesis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-03122018-165906 |
| Date | 28 July 2017 |
| Creators | Mateus Vinicius Casagrande da Silva |
| Contributors | Larissa de Freitas, Grazielle Santos Silva Andrade, Ernandes Benedito Pereira, Júlio César dos Santos |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Química, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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