Enzymatic route selection for monoglyceride production using immobilized lipase on matrix obtained by sol-gel technique

O presente projeto teve como objetivo selecionar a melhor rota enzimática para produção de monoglicerídeos empregando lipase imobilizada em matriz obtida pela técnica sol-gel, visando total aproveitamento do glicerol gerado como sub-produto na obtenção de biodiesel. Para alcançar o objetivo proposto foram analisadas duas metodologias: (1) esterificação do glicerol com ácidos graxos e (2) glicerólise do óleo de babaçu; testando lipases de diferentes fontes como Candida antarctica B, Thermomyces lanuginosus, Candida rugosa, Pseudomonas fluorescens, Burkholderia cepacia, Peniccillium camembertii e pâncreas de porco, imobilizadas em polissiloxano álcool polivinílico (POSPVA). As preparações de lipase imobilizada disponíveis comercialmente como Lipozyme IM20, Novozym 435, Lipozyme RM IM e Lipozyme TL IM foram também utilizadas. As atividades experimentais foram, inicialmente, direcionadas para o estabelecimento das condições adequadas da esterificação, investigando a influência de diversos parâmetros, tais como: proporção molar dos reagentes, tamanho da cadeia carbônica e grau de insaturação dos ácidos graxos e fonte de lipase. Verificou-se que meios reacionais contendo excesso de glicerol favoreceram a síntese de ésteres glicéricos, entretanto, tanto a velocidade reacional como a conversão molar foram dependentes do tamanho da cadeia carbônica e grau de insaturação dos ácidos graxos testados. Os experimentos realizados permitiram também selecionar a lipase Candida antarctica B como fonte de lipase mais adequada, sendo alcançada uma elevada concentração de monolaurina em 12 h de reação (24,15%). Para obtenção de monoglicerídeo pela rota de glicerólise do óleo de babaçu, o melhor desempenho foi alcançado pela lipase Burkholderia cepacia, revelando uma formação de 10% (m/m) de monoglicerídeos em apenas 3h de reação. A análise comparativa do desempenho das duas rotas indicou que a esterificação foi mais eficiente que a glicerólise, sendo então selecionada para estudos de otimização. Um planejamento experimental completo 22 foi proposto para verificar a influência simultânea das variáveis x1 (temperatura entre 45-65ºC) e x2 (razão molar glicerol/ ácido láurico na faixa 3:1 a 5:1) na formação de monolaurina, empregando a lipase Candida antarctica B imobilizada em POS-PVA. De acordo com a análise estatística, a formação de monolaurina foi fortemente influenciada pela variável (x2) razão molar entre glicerol e ácido láurico, enquanto que a influência da temperatura (x1) foi pouco significativa. O modelo matemático proposto: y = 24,16 + 2,51 x1 + 4,43x2 - 2,74 x1x2, permitiu prever as condições que favorecem o alcance de elevados rendimentos de formação de monolaurina, sendo a reação maximizada (31,35%) para meios reacionais constituídos de glicerol e ácido láurico numa razão molar de 5:1 e temperatura de incubação de 45ºC. Essas condições foram também adequadas para síntese de monolaurina empregando outras fontes de lipase, como a lipase de Penicillium camembertii cujo desempenho foi altamente eficiente para obtenção de monoglicerídeos, alcançando valores mais competitivos de formação de monolaurina (51%), podendo, portanto, ser uma alternativa interessante para ser considerada no desenvolvimento de futuros trabalhos.The objective of this project was to select the best enzymatic route to produce monoglycerides using lipase immobilized on matrix obtained by sol-gel technique, aiming to contribute for a better utilization of the glycerol generated as by-product in the biodiesel synthesis. For this purpose two methodologies were analyzed: (1) direct esterification of the glycerol with fatty acids and (2) glycerolysis of the babassu oil, testing lipases from different sources as Candida antarctica B, Thermomyces lanuginosus, Candida rugosa, Pseudomonas fluorescens, Burkholderia cepacia, Penicillium camemberti and porcine pancreas immobilized on polysiloxane-polyvinyl alcohol particles (POS-PVA). The commercial immobilized lipase preparations as Lipozyme IM20, Novozym 435, Lipozyme RM IM and Lipozyme TL IM were also used. The experimental activities were, initially, addressed to establish appropriate conditions for the monoglycerides synthesis by direct esterification such as: reactants molar ratio, carbon chain size and insaturation degree of the fatty acids and lipase source. Reaction performance was found to be dependent on the glycerol/lauric acid molar ratio, requesting higher amount of glycerol to reach high reaction conversion. It was also verified that the molar conversion were strongly dependent on both carbon chain size and insaturation degree of the tested fatty acids. Experiments also allowed to select Candida antarctica B as catalyst to carry esterification reactions and the highest monolaurin formation occurred at 12 h reaction (24.15%). For the synthesis of monoglycerides by the glycerolysis route using babassu oil as a starting material, the best performance was attained by the lipase Burkholderia cepacia, revealing a formation of 10% (m/m) of monoglyceryde in 3h reaction. The comparative performance of the two routes for the monoglycerides synthesis demonstrated that the direct esterification was more efficient than the glycerolysis, being selected for additional optimization studies. A full factorial design 22 was proposed to verify the simultaneous influence of the variables: x1 (temperature in the range from 45 to 65ºC) and x2 (glycerol/ lauric acid molar ratio in the range from 3:1 to 5:1) in the monolaurin formation, using as catalyst lipase Candida antarctica B immobilized on POS-PVA. In agreement with the statistical analysis, the monolaurin formation was strongly influenced by the variable (x2) glycerol/ lauric acid molar ratio. The proposed mathematical model: y = 24.16 + 2.51 x1 + 4.43x2 - 2.74 x1x2 allowed to predict conditions that favored to attain high monolaurin yield. The reaction was maximized (31.35%) for substrate containing glycerol/lauric acid molar ratio of 5:1 and at incubation temperature of 45ºC. Those conditions were also appropriated for the monolaurin synthesis using other lipase sources, as the lipase of Penicillium camembertii that performance was found to be highly efficient for monoglycerides reaching more competitive values for monolaurin formation (51%) and can be turn out, therefore, an interesting alternative to be considered in futures works