Uso de óleo de mamona na síntese de ésteres utilzando a lipase de Burkholderia contaminans

Orientador : Nadia KriegerTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências : Bioquímica. Defesa: Curitiba, 31/03/2017Inclui referências: f. 109-122Resumo: O objetivo dessa trabalho foi produzir a lipase Burkholderia contaminansLTEB 11 e estudar a sua utilização em reação de síntese de biodiesel pela reação de transesterificação etílica do óleo de mamona (Ricinus communis). Foram utilizados dois tipos de preparados enzimáticos, sendo um a partir do extrato lipolítico bruto produzido por fermentação submersa e imobilizado em suporte de polipropileno (Accurel EP 100 e MP 1000) e o outro produzido por fermentação no estado sólido. Os estudos foram realizados em duas etapas. Na primeira etapa, foram comparadas lipase imobilizada em Accurel EP 100 e MP 1000. O melhor rendimento de imobilização foi observado com o Accurel MP 1000 (189%), cujo preparado imobilizado foi utilizado nas reações de transesterificação em frascos agitados. Foi estudado o efeito da concentração de lipase e a máxima conversão observada foi de 86% em 48 h com 5% de enzima (m/m) em relação à massa de óleo. A segunda etapa foi estudar a aplicação do sólido fermentado com atividade lipolítica de 160 U g- 1 em reação de transesterificação. Foram realizados estudos de comparação entre o sólido fermentado e a lipase comercial Novozym 435 (343 U g -1), que continha atividade de esterificação de 49 vezes maior que a do sólido fermentado (7 U g-1). A diferença de conversão entre as duas lipases foi de 38% em 96 h. Foram avaliados os efeitos da razão molar (RM), da adição de etanol em etapas e lavagem da enzima durante a reação. O aumento da razão molar não desnaturou a lipase e a máxima conversão obtida foi de 57% em 96 h (RM 6:1); a lipase Novozym 435 proporcionou melhor rendimento com RM 3:1 em 48 h. A adição de etanol em etapas proporcionou aumento do rendimento para os dois preparados enzimáticos: de 15% (Novozym 435) e 20% (sólido fermentado). A etapa de lavagem das enzimas após 12 h de reação permitiu a remoção do glicerol adsorvido, tendo sido observado um aumento de conversão de 21% (72 h) (sólido fermentado) e 11% (72 h) (Novozym 435). Foram avaliados os efeitos da adição do t-butanol no meio de reação e do acetato de etila como alternativa à etapa de lavagem. As reações com o t-butanol não proporcionaram aumento da conversão. O acetato de etila ocasionou queda de mais 30% (em média) em 96 h de reação. Para o sólido fermentado, as condições otimizadas em reações em frascos agitados foram obtidas por estudo de planejamento fatorial 22 com três repetições no ponto central. As variáveis independentes estudadas foram: razão molar, adição de etanol em etapas e temperatura. As melhores condições obtidas foram razão molar 6:1, adição de etanol em 12 etapas e temperatura de 50 °C com conversão máxima de 74%. Nas reações em reator de leito fixo empacotado com o sólido fermentado foram avaliadas a razão molar e a temperatura, com recirculação dos substratos. A maior conversão em ésteres foi de 73% em 72 h com RM 6:1 a 50 °C. Nos estudos com aplicação de ultrassom, as variáveis estudadas foram intensidade do ultrassom, razão molar, temperatura e vazão de circulação. Os melhores resultados foram de 83% de conversão em 72 h, obtidos com 75% de ultrassom, RM 3:1, a 45 °C e vazão de 7,4 mL min -1. Os resultados obtidos nesse trabalho mostraram que o ultrassom teve efeito positivo na reação em biorreator de leito fixo catalisada pelo sólido fermentado contendo a lipase de B. contaminans, sendo possível aumentar significativamente a conversão de 62% (sem US, a 45ºC em 72 h) para 82% em 48 h (com US a 45°C em 48 h) e reduzir o tempo reacional. O sistema proposto nesse trabalho tem potencial para reduzir os custos do processo da transesterificação enzimática na produção do biodiesel do óleo de mamona. Palavras-chave: Lipases, Burkholderiacontaminans, biodiesel, ultrassom, sólido fermentado.Abstract: The objective of this work was to produce the lipase Burkholderia contaminans LTEB 11 and to study its use in reaction of biodiesel synthesis by ethyl transesterification reaction of castor oil (Ricinus communis). Two types of enzymes were used: a crude lipolytic extract produced by submerged fermentation and immobilized on polypropylene support (Accurel EP 100 and MP 1000) and the dry fermented solid produced by solid state fermentation. The studies were carried out in two stages. In the first stage, the lipase immobilized on Accurel EP 100 and MP 1000 was compared. The best immobilization yield was observed with Accurel MP 1000 (189%). The effect of immobilized lipase concentration was studied, and the maximum conversion observed was the 86% in 48 h with 5% of enzyme (m/m) relative to the oil mass. The second stage was to study the use of the dry fermented solid with the lipolytic activity (160 U g-1) to catalyze the transesterification of castor oil in shake flasks. Comparative studies were performed between the fermented solid and Novozym 435 commercial lipase (343 U g -1), which had 49% more esterification activity than the fermented solid (7 U g-1). The difference of conversion between the two lipases was 38% in 96 h. The effects of the molar ratio, of steps of ethanol addition and the washing of the enzyme during the reaction were evaluated. The increase in molar ratio did not denature the lipaseand a maximum conversion of 57% in 96 h was obtained (6:1 MR); with the lipase Novozym 435 the best MR was 3:1 MR in 48 h. The ethanol addition in steps increase the yields for the two enzyme preparations in 15% (Novozym 435) and 20% (fermented solid). The washing of the enzymes after 12 h of reaction allowed the removal of adsorbed glycerol, with an increase in the conversions of 21% (fermented solid) and 11% (72 h) (Novozym 435). The effects of the addition of t-butanol in the reaction medium and the ethyl acetate as an alternative to the washing step were evaluated. Reactions with tbutanol did not increase conversion. Ethyl acetate caused a further 30% drop in the conversion (on average) in 96 h. For the fermented solid, the reaction was optimized by factorial design 22, with 3 replicates at the central point. The independent variables studied were: molar ratio (MR), addition of ethanol in steps and temperature. The best conditions obtained were 6:1 MR, addition of ethanol in 12 steps and temperature of 50 °C. In the reactions in a fixed bed reactor packed with the fermented solid, the molar ratio and the temperature were evaluated with recirculation of the substrates. The higher conversion was 73% in 72 h with 6:1 MR at 55 °C. In the studies with ultrasound, the variables studied were ultrasound intensity, molar ratio, temperature and flow rate. The best results were 83% conversion in 72 h, obtained with 75% of the ultrasound intensity, 3:1 MR at 45 °C and flow rate of 7.4 mL min -1. The results obtained in this work showed that the ultrasound had a positive effect on the reaction in a fixed bed bioreactor catalyzed by the fermented solid of Burkholderia contaminanscontaining lipase. It was possible to increase the conversion from 62% to 83% and to reduce the reaction from 48 h. The system proposed in this work has the potential to reduce the costs of the enzymatic transesterification process in the biodiesel production using castor oil as a starting material. Keywords: Lipases, Burkholderiacontaminans, Biodiesel, ultrasound, fermented Solid