Resumo: O objetivo geral desse trabalho foi a imobilização da lipase de Burkholderia cepacia em matriz hidrofóbica sol-gel visando à produção de ésteres etílicos pela transesterificação dos óleos de canola e pinhão manso. A enzima foi imobilizada em suportes produzidos com dois diferentes precursores de sílica (TEOS e TMOS), secos em meio supercrítico (aerogel) e por evaporação (xerogel). O resultado da caracterização dos biocatalisadores quanto à atividade de transesterificação mostrou que aqueles obtidos com o precursor TEOS apresentam os maiores valores de atividade, para ambas as secagens (1805 U•g-1 de biocatalisador para o xerogel e 2028 U•g-1 de biocatalisador para o aerogel). Visando o desenvolvimento de um processo economicamente mais vantajoso, optou-se pela utilização da enzima imobilizada com TEOS e secagem por evaporação, já que os resultados de atividade foram semelhantes. A caracterização textural dos biocatalisadores (área específica, diâmetro e volume dos poros) também apresentou os maiores valores para os biocatalisadores preparados com TEOS. Na condução dos experimentos para a produção dos ésteres etílicos, foi realizado um planejamento experimental 23 completo, com quatro repetições no ponto central, para avaliar as variáveis temperatura, razão molar álcool:óleo e quantidade de enzima, empregando os dois óleos e etanol, e a enzima livre, sem adição de cossolvente. Nenhuma das variáveis foi significativa, num intervalo de confiança de 90%. Porém, os melhores resultados de rendimento em ésteres foram obtidos no ponto central do experimento (temperatura de 50 °C, razão molar álcool:óleo de 9:1 e 7,5% de enzima, em massa, em relação ao óleo). Com a enzima livre, o rendimento médio em ésteres, no ponto central do experimento, foi de 45% para o óleo de canola e de 42,5% para o óleo de pinhão manso. O mesmo planejamento experimental foi utilizado para avaliar a atividade de consumo dos triacilgliceróis presentes no início da reação (ACT), calculada pelo método das velocidades iniciais. Todas as variáveis avaliadas foram significativas e, pelos resultados alcançados, verificou-se uma diminuição da ACT com o aumento da quantidade de etanol, indicando uma inibição da lipase pelo excesso do reagente. Nas condições dos maiores valores de rendimento em ésteres obtidos nos testes do planejamento experimental xiv com a enzima livre, foram conduzidas reações em batelada com a enzima imobilizada preparada com TEOS. Para temperatura de 50 °C, razão molar álcool:óleo de 9:1 e 7,5% de biocatalisador em relação ao óleo (aproximadamente 6 g) e sem adição de cossolvente, os maiores rendimentos em ésteres foram obtidos após 72h de reação (13,5% para o óleo de canola e 17% para o óleo de pinhão manso). Os baixos rendimentos podem ser justificados pela adsorção do glicerol formado na matriz do biocatalisador. Outra possibilidade é a formação de água no meio reacional, que possibilita o desenvolvimento de reações colaterais deletérias, como a hidrólise. Com o objetivo de aumentar o rendimento em ésteres e remover parte do glicerol adsorvido na matriz, nas reações conduzidas em leito fixo os parâmetros temperatura e razão molar foram mantidos, porém, introduziu-se um aumento na quantidade de enzima imobilizada presente no meio reacional (aproximadamente 13 g) em relação à quantidade de enzima imobilizada empregada nas reações em batelada e adicionou-se n-hexano como cossolvente. Os rendimentos alcançados nesta etapa foram superiores aos rendimentos obtidos com a enzima imobilizada em reator batelada (16% para o óleo de canola, após 72 h de reação e 26%
para o óleo de pinhão manso, após 48 h de reação). Este aumento nos rendimentos em ésteres apontam que a maior quantidade de enzima e a adição de cossolvente para as reações conduzidas em leito fixo cumpriu com o objetivo proposto.
Abstract: The goal of this work was the immobilization of the lipase from Burkholderia cepacia in sol-gel hydrophobic matrix in order to produce ethyl esters by transesterification of canola and Jatropha curcas oil. The enzyme was immobilized in supports produced with two different silica precursors (TEOS and TMOS), dried in supercritical conditions (aerogel) and by thermal evaporation (xerogel). The result of the biocatalysts characterization as to the transesterification activity has shown that the preparations obtained with TEOS as precursor had the highest values of activity for both methods of drying (1805 U•g-1 of biocatalyst for xerogel and 2028 U•g-1 of biocatalyst for aerogel). Aiming at the development of a more advantageous economical process, it was chosen the use of the immobilized enzyme produced with TEOS and dryied by evaporation, since the activity results were of the same order. The textural characterization of the biocatalysts (superficial area, diameter and pore volume) has also presented the highest values for biocatalysts prepared with TEOS. A experimental design 23 complete was conducted, with four repetitions in the central point, to evaluate the effects of the variables temperature, molar ratio alcohol:oil and amount of enzyme, using both oils, ethanol and free enzyme without addition of co-solvent. None of the variables was significant, at a confidence level of 90%. However, it was possible to observe that the best results in yield of esters were obtained at the central point of the experiment (temperature of 50 °C, molar ratio alcohol:oil of 9:1 and 7.5% of enzyme, in mass, in relation to oil). With the free enzyme, the average yield of esters in the central point of the experiment was 45% for the canola oil and 42.5% for the Jatropha curcas oil. The same experimental design was used to evaluate the triacylglycerols consumption activity at the beginning of the reaction (ACT), calculated by the method of initial rates. All the evaluated variables were significant and the results showed an ACT decrease with an increase of the ethanol amount, indicating lipase inhibition due to excess of this reagent. At the conditions of the higest yields of esters obtained at the test of the experimental design using free enzyme, batch reactions were conducted with the immobilized enzyme prepared with TEOS. At the temperature of 50 xvi °C, molar ratio alcohol of 9:1 and 7.5% of biocatalyst in relation to the oil, and without addition of co-solvent, higher yields of esters were obtained after 72 h of reaction (13.5% for canola oil and 17% for Jatropha curcas oil). The low yields can be justified by the adsorption of the glycerol formed at the reaction on the biocatalyst solid matrix. Another possibility is the formation of water in the reaction medium, which enables the development of detrimental collateral reactions, like hydrolysis. Aiming to increase the esters yield and to remove part of the glycerol adsorbed in the matrix, in the reactions conducted in the fixed bed reactor, temperature and the molar ratio were maintained, however, the amount of immobilized enzyme present in the reaction medium was increased (approximately 13 g) and n-hexane was added as co-solvent. The yields reached at this stage were higher than the results obtained with the immobilized enzyme in the batch reactor (16% for canola oil, after 72 h of reaction and 26% for Jatropha curcas oil, after 48 h). This increase in the yield of esters indicates that the larger amount of enzyme and the addition of co-solvent for the reactions carried out in the fixed bed reactor fulfilled the proposed objectives. |