Orientador : Prof. Dr. Luiz Pereira Ramos / Co-orientadora : Profª. Drª. Nadia Krieger / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa: Curitiba, 27/08/2015 / Inclui referências : f. 91-101 / Resumo: O emprego de lipases como catalisadores na síntese de ésteres alquílicos de ácidos graxos (biodiesel) tem sido proposto como uma alternativa aos catalisadores químicos utilizados em processos industriais. Dentre as características que tornam interessante o uso de lipases nestes processos estão a sua biodegradabilidade e alta seletividade ao substrato, o que repercute em menor geração de efluentes. No entanto, estes biocatalisadores apresentam baixas taxas reacionais e para viabilizar a produção de biodiesel enzimático é preciso utilizar métodos de intensificação de reações, como a irradiação de micro-ondas. No presente trabalho, as lipases de Candida antarctica B livre e imobilizada (Novozym 435) foram empregadas na síntese de ésteres etílicos de ácidos graxos (EEAG) em dois diferentes sistemas de aquecimento, convencional e de micro-ondas. As lipases foram caracterizadas quanto ao seu conteúdo de proteínas totais e quanto a suas atividades catalíticas, que demonstraram que a lipase imobilizada tem menor quantidade de proteínas e comportamento distinto da CalB livre quando estas se encontram em diferentes ambientes químicos. A avaliação dos parâmetros reacionais para a síntese de EEAG catalisada pela CalB livre foi realizada primeiramente através de um estudo univariado, que demonstrou que o teor de água é relevante na regulação da atividade enzimática e que a razão molar etanol:óleo é um parâmetro que necessita ser cuidadosamente otimizado, a fim de minimizar a produção de ácidos graxos livres (AGL). Ademais, a adição de 10% de hexano neste sistema levou à dimiuição na produção de ésteres. Posteriormente, um planejamento multivariado contendo as variáveis razão molar etanol:óleo, quantidade de enzima e teor de água foi realizado e este revelou um efeito negativo da razão molar sobre a produção de EEAG e de AGL. Outro planejamento fatorial contendo as mesmas variáveis foi empregado para o estudo da etanólise catalisada pela lipase imobilizada e este confirmou os diferentes comportamentos das lipases nestas reações. Neste caso, a água apresentou um efeito negativo e o teor de enzima um efeito positivo sobre os teores de EEAG obtidos e, além disso, a interação de razão molar e água exibiu um efeito positivo, demonstrando que a lipase imobilizada é mais tolerante ao etanol. As análises estatísticas apontaram a validade dos modelos desenvolvidos para descrever os sistemas reacionais para ambas as lipases sob aquecimento convencional. Quanto ao aquecimento por micro-ondas, este demonstrou não ser adequado para o uso da lipase imobilizada. Já nas reações catalisadas pela lipase livre, um estudo multivariado permitiu a obtenção de um teor em ésteres de 61,6% com o emprego da razão molar de 3:1, 3% de enzima (m m-1) e 20,3% de água (m m-1) em apenas 1 h sob irradiação de micro-ondas. Neste sistema, a razão molar também apresentou um expressivo efeito negativo sobre as reações de etanólise e de hidrólise. Os modelos gerados para descrever as respostas em teores de AGL e de EEAG também foram validados estatisticamente para uso da lipase livre sob micro-ondas. Posteriormente, comprovou-se que em 15 min é obtido um produto com o mesmo teor de EEAG e com o teor de AGL 3 p.p. menor do que o alcançado em 1 h. Além disso, as temperaturas de 50 °C e 70 °C não provocaram aumento nos teores de ésteres obtidos nas mesmas condições, mas a 70 °C o teor de AGL foi inferior ao conseguido a 40 °C. Por fim, foi comprovada a possibilidade de reuso da lipase livre em reações de síntese de ésteres sob aquecimento convencional e de micro-ondas. Portanto, este trabalho demonstrou a viabilidade do uso de micro-ondas para acelerar a etanólise catalisada por CalB livre em sistemas livres de solventes. Além disso, foi possível reutilizar a lipase, o que contribui para a viabilidade econômica do processo. Todavia, o teor de AGL do produto final ainda é um inconveniente a ser contornado / Abstract: The use of lipases as catalysts for the synthesis of fatty acid alkyl esters (biodiesel) has been proposed as an alternative to the traditional chemical conversion technologies. In general, the use of lipases is attractive because of its biodegradability and high selectivity to the reaction substrate, which can be advantageous because it leads to a lower generation of effluent streams. However, these biocatalysts are costly and usually present low reaction rates. Hence, reaction intensification methods such as microwave irradiation have been investigated to facilitate the development of an enzyme-mediated biodiesel production process. In the present study, free and immobilized (Novozym 453) C. antarctica B lipases were employed in the synthesis of fatty acid ethyl esters (FAEE) using two different heating systems, conventional and based on microwave irradiation. Both lipases were characterized with regard to their total protein content and catalytic performance on model compounds. Th immobilized CalB had a lowest protein content and a distinct behavior compared to free CalB under different chemical environments. The synthesis of FAEE with free CalB was initially evaluated through an univariate study, demonstrating that the total water content of the reaction medium was the most relevant parameter for determining reaction efficiency and that the ethanol:oil molar ratio is a parameter that needs to be carefully optimized in order to minimize the release of free fatty acids (FFA). Moreover, the addition of 10% n-hexane to the reaction system led to a decrease in the total FAEE production. Afterwards, a multivariate experimental design was performed having the ethanol:oil molar ratio, the enzyme concentration, and the water content as process variables. This experimental design showed that the molar ratio has a negative effect on both FAEE and FFA production. Another factorial design with the same variables was employed to study the performance of the immobilized lipase in the ethanolysis of soybean oil and this confirmed that these enzymes are characterized by a totally different catalytic behavior. In this case, water presented a negative and enzyme loading had a positive effect on the FAEE contents of the final reaction products. Furthermore, the interaction between molar ratio and water showed a positive effect, demonstrating that the immobilized lipase is more tolerant to ethanol. Mathematical models were developed to demonstrate the statistical validation of the reaction systems that were carried out with both lipases under conventional heating. However, the use of microwave heating was proved inadequate as a heating source for the immobilized lipase. For free lipase reaction systems, the best condition of the multivariate study resulted in a product with 61,6% total ester content and this include the use of an etanol:oil molar ratio of 3:1, 3 wt% of enzyme and 20,3 wt% of water in only 1 h under microwave irradiation. In this system, the molar ratio also showed an expressive negative effect on both ethanolysis and hydrolysis. Moreover, the models created to predict both FFA and FAEE contents were statistically validated. The same results in FAEE were obtained when the reaction time was decreased to 15 min but the FFA content of the final product was 3.3. p.p. lower than that obtained in 1 h. Higher temperatures of 50 °C and 70 °C did not improve the observed FAEE content but at 70 °C the FFA content decreased in 3 p.p. in relation to reactions carried out 40 °C. At last, the reuse of the free lipase for ester synthesis was demonstrated under conventional and microwave heating. In conclusion, the benefits of using microwave heating to accelerate the free CalB catalyzed ethanolysis of soybean oil in an organic solvent-free system were demonstrated. Moreover, it was possible to reuse the free lipase and this contributes to the economic feasibility of the process. Nevertheless, the FFA content of the final product is still a drawback to be overcome.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/43043 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Dill, Laís Pastre |
| Contributors | Krieger, Nadia, 1952-, Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em Química, Ramos, Luiz Pereira, 1960- |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 101 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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