Aumento de escala da produção de ésteres etílicos em reatores de leito fixo com sólido fermentado por Burkholderia lata CPQBA 515-12 DRM 01

Abstract

Resumo: Os ésteres alquílicos do biodiesel são produzidos na indústria geralmente por transesterificação alcalina homogênea de triacilgliceróis provenientes de óleos vegetais com metanol. Este processo necessita de etapas de purificação do biodiesel para remoção do catalisador e do sal formado, de tratamento dos efluentes alcalinos gerados e ainda da recuperação do subproduto glicerol. Além disso, matérias-primas neutras e com baixo teor de água são requeridas, o que contribui para elevar o custo de produção do biodiesel. Uma das alternativas para contornar os problemas associados à catálise química é a utilização do processo enzimático com lipases, que podem catalisar reações de esterificação e de transesterificação e dispensam o uso de matérias-primas purificadas. Recentemente, no Laboratório de Tecnologia Enzimática e Biocatálise da Universidade Federal do Paraná, foi desenvolvido um processo com o intuito de reduzir os custos da produção enzimática do biodiesel. Este processo se consistiu na utilização de um sólido fermentado por Burkholderia lata (SFBL) para catalisar a esterificação etílica de ácidos graxos da borra de soja. O processo foi desenvolvido em escala laboratorial, com a utilização de biorreator de leito fixo contendo 12 g de SFBL e produziu altos rendimentos de ésteres etílicos (92%) em 31 h. Assim sendo, o objetivo geral deste trabalho foi de aumentar em pelo menos dez vezes a escala da produção de biodiesel a partir deste processo. Para tanto, foi montado um biorreator de leito fixo com três colunas em série preenchido com 120 g de SFBL, com circulação do meio reacional composto por oleína e etanol (1245 g). Para a remoção da água formada na reação, foi dimensionado um reservatório de meio reacional com barreira física, que favoreceu o aumento da velocidade inicial da reação, obtendo-se 88% de rendimento em 24 h. O sistema foi operado por 6 ciclos consecutivos de síntese (288 h). A conversão obtida ao final do primeiro ciclo, 91%, decresceu para 51% no final do sexto ciclo reacional. No primeiro ciclo, foi produzido 1 kg de ésteres e, até o sexto ciclo, foram acumulados 4,7 kg de ésteres, o que é equivalente a uma produção de 39 g de éster por g de sólido fermentado. Estes resultados são promissores, pois mostram que altas conversões podem ser mantidas no escalonamento do processo enzimático de produção do biodiesel usando sólidos fermentados como catalisadores. Palavras-chave: biodiesel, aumento de escala, esterificação, lipases, Burkholderia lata, fermentação em estado sólido, reator de leito fixo.

Abstract: The ethyl esters that comprise biodiesel are produced industrially by homogeneous alkaline transesterification of the triacylglycerols of vegetable oils with methanol. This process requires steps for the removal from the biodiesel of the catalyst and of the salt that is formed, for the treatment of the alkaline effluent that is generated and for the recovery of the glycerol by product that is produced. Beyond this, the oil must be neutral and have a low moisture content, meaning that it makes a significant contribution to the cost of the biodiesel. One possible strategy for avoiding problems associated with chemical catalysis is to use lipases as catalysts, given that they can catalyze both esterification and transesterification and do not require highly purified raw materials. Recently, a process was developed in the Enzyme Technology and Biocatalysis Laboratory of the Federal University of Paraná, with the intention of reducing the costs of the enzymatic route. This process uses a fermented solid, produced using Burkholderia lata (denominated FSBL), to catalyze the ethyl esterification of fatty acids obtained from soybean soapstock. The process was operated at laboratory scale, using a packed-bed bioreactor containing 12 g of FSBL, and gave high ester yields, of 92% in 31 h. The objective of the current work was to increase the scale of this biodiesel production process at least 10-fold. To this end, a bioreactor consisting of three packed-beds in series was filled with a total of 120 g of FSBL and 1245 g of a medium comprised of olein and ethanol was recirculated through the reactor from a reservoir. The reservoir had an internal weir in order to retain the aqueous phase, such that only the organic phase was fed back to the reactor. This water removal strategy increased the initial velocity of reaction, giving 88% conversion in 24 h. This system was operated for six consecutive 48-h cycles of ester synthesis. The conversion that was obtained decreased from 91% at the end of the first reaction cycle to 51% at the end of the sixth reaction cycle. In the first cycle, 1 kg of esters was produced, while the six cycles produced a cumulative total of 4.7 kg of esters, which is equivalent to 39 g of ester produced per g of fermented solid that was used. These results are promising, since they demonstrate that high yields can be maintained in the scale-up of enzymatic biodiesel production processes involving fermented solids as the catalyst. Keywords: biodiesel, scale-up, esterification, lipases, Burkholderia lata, solid-state fermentation, packed-bed reactor