Estratégias de produção de biodiesel por etanólise do óleo de palma catalisada por sólidos fermentados de Rhizopus microsporus e de Burkholderia contaminans

Abstract

Resumo: O biodiesel é a principal alternativa ambientalmente correta para a substituição parcial ou total do Diesel obtido do petróleo, principalmente porque pode ser produzido a partir de fontes renováveis de óleos mediante reações de transesterificação. Embora o biodiesel seja convencionalmente produzido por catálise alcalina, o processo enzimático com lipases produzidas a baixo custo é de crescente interesse. Sólidos fermentados contendo lipases imobilizadas naturalmente de Rhizopus microsporus CPQBA 312-07 DRM (RMFS) e de Burkholderia contaminans LTEB11 (BCFS) foram obtidos por fermentação em estado sólido, usando bagaço de cana umedecido com uma solução nutriente mineral contendo óleo de soja como indutor. Estes sólidos foram secos, caracterizados e usados diretamente como biocatalisadores na transesterificação do óleo de palma em sistema livre de solvente. A reação de etanólise foi pré-otimizada em frascos de 25 mL, contendo 14,52 g de óleo de palma e 192 U de atividade hidrolítica das lipases dos sólidos fermentados. Para melhorar os rendimentos da reação, as estratégias avaliadas foram: (a) misturas dos sólidos fermentados em três proporções diferentes (3:1, 1:1 e 1:3, com relação às unidades de atividade de hidrólise), (b) adição de etanol em etapas e (c) reações realizadas em dois estágios, eliminando-se o glicerol adsorvido no sólido fermentado por lavagens com tert-butanol ou substituindo-o por um novo sólido fermentado. Obteve-se por ambas as estratégias, conversões máximas de 90 e 54% para BCFS e RMFS respectivamente, em 48 h. Os ensaios feitos com misturas dos sólidos não aumentaram o rendimento da reação. FSBC, em comparação com RMFS, mostrou uma menor inibição por etanol, maior produção de glicerol e menor inativação por produtos e subprodutos adsorvidos sobre o sólido. Os ensaios em reator de leito empacotado com BCFS em modo descontínuo em um sistema de circuito fechado produziu um máximo de conversão de 89,3% em 30 h, a uma razão molar etanol:óleo de 5,5:1, com quatro adições de etanol e com 12% de sólido em relação ao óleo de palma. As duplas lavagens sequenciais com n-hexano e tert-butanol foram a melhor opção para recuperar a eficiência dos sólidos e permitir assim, no caso do BCFS em reator de leito empacotado, um reuso de 5 ciclos de reação com 74% de conversão relativa. Estes resultados são promissores e podem dar novas ideias sobre o planejamento e otimização do uso dos sólidos fermentados como biocatalisadores na síntese de biodiesel. Palavras-chave: Fermentação no estado sólido, lipases, biodiesel, óleo de palma, sólidos fermentados, etanólise, Rhizopus microsporus, Burkholderia contaminans.

Abstract: Biodiesel is the main environmentally friendly alternative for the partial or total replacement of the Diesel obtained from petroleum, principally because it can be produced from renewable oils through transesterification reactions. Although biodiesel is conventionally produced by alkaline catalysis, the enzymatic process with lipases produced at low cost is of increasing interest. Fermented solids containing naturally immobilized lipases from Rhizopus microsporus CPQBA 312-07 DRM (RMFS) and Burkholderia contaminans LTEB11 (BCFS) were obtained by solid-state fermentation, using sugarcane bagasse moistened with a mineral nutrient solution containing soybean oil as an inducer. These solids were dried, characterized and used directly as biocatalysts in the transesterification of the palm oil in a solvent-free system. The ethanolysis reaction was pre-optimized in vials flasks of 25 mL, containing 14,52 g of palm oil and 192 U of lipase hydrolytic activity of the fermented solids. To improve the yields of the reaction, the strategies evaluated were: (a) mixtures of fermented solids in three different proportions (3:1, 1:1 and 1:3 with respect to the hydrolysis activity units), (b) ethanol stepwise addition and (c) reactions performed in two stages, eliminating the glycerol adsorbed onto the fermented solid by washing it with tert-butanol or replacing it by a fresh fermented solid. It was obtained, by both strategies, maximum conversions of 90% and 54% for BCFS and RMFS respectively, in 48 h. The assays done with mixtures of solids did not increase the yields of the reaction. BCFS, compared to RMFS, showed less inhibition by ethanol, higher production of glycerol and less inactivation by products and by-products adsorbed on the solid. Assays in a packed-bed reactor (PBR) with BCFS in discontinuous mode in a closed-loop system produced a maximum conversion of 89,3% in 30 h, at a molar ratio ethanol:oil of 5,5:1 with four ethanol additions and with 12% of solid in relation to the palm oil. The dual sequential washings with n-hexane and tert-butanol were the best option to recover the solid efficiency and thus allow, in the case of BCFS in PBR, a reuse for 5 reaction cycles, with 74% of relative conversion. These results are promising and can give new insights on planning and optimizing the use of fermented solids as biocatalysts in biodiesel synthesis. Keywords: Solid-state fermentation, lipases, biodiesel, palm oil, fermented solids, ethanolysis, Rhizopus microsporus, Burkholderia contaminans.