Síntese de ésteres etílicos empregando lipases de Rhizopus Microsporus produzidas por fermentação no estado sólido

Abstract

Resumo: As reações de esterificação e transesterificação têm grande importância industrial, como na produção de ésteres de biodiesel. Com as desvantagens do processo químico, como a dificuldade de separação dos produtos e a necessidade da utilização de elevados níveis de energia na reação, nos últimos anos aumentou significativamente o interesse pelo processo biocatalítico utilizando lipases. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem por objetivo o estudo e a otimização do processo da síntese enzimática de ésteres etílicos, com enfoque nos ésteres que compõem o biodiesel, utilizando a lipase de Rhizopus microsporus CPQBA 312-07 DRM produzida por fermentação no estado sólido (FES). Foram realizados ensaios para o estudo do efeito da temperatura, razão molar dos substratos e quantidade de unidades enzimáticas totais adicionadas ao meio, nas reações de síntese de ésteres etílicos por esterificação e na etanólise do óleo de milho (em meio de cossolvente), através de um delineamento fatorial 2³, com triplicata no ponto central. O desvio padrão foi de ± 1,91 p.p. para os ensaios de esterificação e ± 1,15 p.p para transesterificação. A reação otimizada de esterificação, atingiu uma conversão superior a 98%, em 3 h, produzindo 76 mg de éster/h.gcatalisador. Para a etanólise do óleo de milho, obteve-se uma conversão de 91% em 48 h (15 mg de éster/h.gcatalisador), nas condições ótimas. Utilizando as condições otimizadas pelos dois delineamentos, foi possível estudar o efeito da redução do cossolvente no meio reacional para ambas as reações. No caso da esterificação, em 3 h, foi obtida uma conversão de 68% para o meio com redução de 32% (v/v) na concentração de n-heptano e, 43% para o meio livre de cossolvente, correspondentes a uma produtividade em éster de 300 e 350 mg/h.gcatalisador, respectivamente. Na etanólise do óleo de milho, foram estudados dois parâmetros: a adição do etanol em etapas e a adição de água ao meio reacional. Com a adição em etapas do etanol, foi possível reduzir a quantidade de cossolvente em 30% (v/v), o que forneceu uma conversão de 90% em 120 h (26 mg/h.gcatalisador). Com a eliminação do cossolvente, a conversão foi de 54% em 120 h (38 mg/h.gcatalisador), demonstrando a capacidade da lipase de R. microsporus em catalisar a reação mesmo em concentrações elevadas de substratos. A adição de água ao meio reacional foi prejudicial à reação, para o meio com adição de água a produtividade foi metade (19 mg/h.gcatalisador) daquela obtida sem água adicionada ao meio (38 mg/h.gcatalisador). O ensaio de transesterificação em biorreator de leito fixo apresentou maior produtividade (50 mg/h.gcatalisador) em relação à reação que utilizou mesmos parâmetros, porém, em frascos agitados (32 mg/h.gcatalisador).

Abstract: Esterification and transesterification reactions are used industrially for the production of esters of biodiesel. With the disadvantages of the chemical process, such as the difficulty of separating the products and the need to use high levels of energy in the reaction, in recent years there has been a significant interest in the biocatalytic process using lipases. Within this context, this paper aims to optimize the enzymatic synthesis of ethyl esters, with a focus on esters that compose biodiesel, using the lipase of Rhizopus microsporus CPQBA 312-07 DRM produced by solid state fermentation. Tests were conducted to study the effects of temperature, molar ratio of substrates and the total amount of enzyme added to the reaction medium, on two reactions, namely synthesis of ethyl esteres by esterification and the ethanolysis of corn oil (in co-solvent medium). In both cases, a 2³ factorial design was used, with a triplicate at the centre point. The standard error at this centre point was ± 1.91 p.p. in the case of esterification and ± 1.15 p.p. in the case of transesterification. The optimized esterification reaction reached a conversion of over 98% at 3 h, giving 76 mg of esther/h.gcatalyst, under the optimum conditions. For the ethanolysis of corn oil, a conversion of 91% was obtained at 48 h (15 mg of esther/h.gcatalyst), under optimized conditions. Using the optimized conditions for each factorial design, we then studied the effect of reducing the co-solvent in the reaction medium for each reaction. In the case of the synthesis of ethyl oleate, it was possible to reduce the concentration of cosolvent in the medium by 32% (v/v) and still obtain 68% (300 mg of esther/h.gcatalyst) in 3 h. At this time the conversion was 43% for the solvent-free medium, corresponding to a yield of 350 mg of esther/h.gcatalyst. In the case of ethanolysis of corn oil, two strategies were studied: stepwise addition of ethanol and the addition of water to the reaction medium. With the stepwise addition of ethanol, when the amount of co-solvent was reduced by 30% (v/v), a conversion of 90% was achieved in 120 h (26 mg of esther/h.gcatalyst). At the same time the conversion was 54% (38 mg of esther/h.gcatalyst) in the co-solvent-free system, demonstrating the ability of the lipase of R. microsporus to catalyze the reaction even in high concentration of substrates. Adding water to the reaction medium was detrimental to the reaction: in the absence of co-solvent, the maximum conversion obtained in the medium with the addition of water was half (19 mg/h.gcatalyst) of that obtained without the addition of water (38 mg/h.gcatalyst). The test of transesterification in fixed-bed bioreactor showed higher productivity (50 mg/h.gcatalyst) in relation to the reaction that used the same parameters, but in flask reaction (32 mg/h.gcatalyst).