Cinética enzimática da produção de palmitato de cetila por esterificação em sistema livre de solvente

Abstract

Resumo: O palmitato de cetila é o componente principal de algumas ceras naturais, como das provenientes do crânio de cachalotes, superfícies de plantas, colmeias e folhas de carnaúba. É industrialmente utilizado em diversos setores, como para a produção de embalagens alimentícias, giz de cera, tintas para impressora, biolubrificantes, revestimento para madeira, agente antiespumante, vernizes, adesivos e principalmente na indústria de cosméticos. Como a exploração a partir de fontes naturais não é vantajosa nos aspectos técnicos e econômicos, para atender o mercado industrial, a produção sintética de cera tornou-se necessária. O objetivo deste trabalho consiste na síntese de palmitato de cetila por reação em batelada através da esterificação entre álcool cetílico e ácido palmítico em um sistema livre de solventes usando lipase comercial imobilizada Lipozyme RM IM como catalisador. Utilizou-se um reator de vidro encamisado para conduzir a reação e parâmetros como velocidade de agitação (180, 480 e 720 rpm), temperatura (60 °C, 70 °C, 80 °C e 87 °C), quantidade de catalisador (0,5%, 1,0% e 1,5% m/m de substratos) e razão molar (0,5:1, 1:1 e 2:1 álcool:ácido) foram variados. As condições ótimas obtidas foram 480 rpm, 70 °C, 1,0% de enzima e razão molar 1:1 em 3 horas. Um modelo cinético foi proposto baseado no mecanismo bi bi randômico sequencial. Seis parâmetros foram suficientes para ajuste satisfatório do modelo aos dados experimentais, com RMSDr de 1,867% e desvio padrão estimado de 2,003%. Uma equação para cálculo da velocidade de reação em função da temperatura foi proposta para descrever o comportamento de reações enzimáticas até a temperatura máxima de operação, onde há estabilização da velocidade devido à desativação térmica enzimática. O modelo indicou inibição competitiva de segunda ordem pelos reagentes e não indicou reação inversa significativa de hidrólise. O catalisador foi reutilizado após filtração com n-hexano e mostrou boa estabilidade, com a conversão da reação diminuindo apenas 6,8% após 15 ciclos.

Abstract: Cetyl palmitate is the major component of some natural waxes, such as one originating from the skull of sperm whales, plant surfaces, hives and carnauba leaves. It is industrially applied in several sectors, such as for the production of food packaging, crayons, printer inks, biolubricants, wood coating, antifoaming agent, varnishes, adhesives, and mainly in the cosmetics industry. As its exploitation from natural sources is not advantageous in technical and economic aspects, the synthetic production of wax has proved to be a necessity. The objective of this work is the synthesis of cetyl palmitate by batch esterification reaction of the cetyl alcohol with palmitic acid in a solvent-free system using commercial lipase Lipozyme RM IM as catalyst. A glass jacket vessel was used to conduct the reaction and parameters like speed agitation (180, 480 and 720 rpm), temperature (60 °C, 70 °C, 80 °C and 87 °C), amount of catalyst (0.5, 1.0 and 1.5% w/w of substrates) and molar ratio (0.5:1, 1:1 and 2:1 alcohol:acid) were vary. The optimum conditions obtained were 480 rpm, 70 °C, 1.0% of enzyme and 1:1 molar ratio in 3 hours of reaction. A novel kinetic model was proposed based on random-sequential bi-bi mechanism. Six parameters were sufficient to fit the model to the experimental data, with RMSDr of 1.867% and estimated standard deviation of 2.003%. An equation for the reaction rate as a function of temperature was proposed to describe the behavior of enzymatic reactions up to the maximum operating temperature, where there is stabilization of speed due to the enzymatic thermal deactivation. The model indicated competitive second order inhibition by reagents and did not indicate a significant reverse hydrolysis reaction. The catalyst was reused after filtration with n-hexane and showed good stability, with reaction conversion decreasing only 6.8% after 15 cycles.