Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/39310
Type: Dissertação
Title: Desenvolvimento e otimização da produção de diésteres de etileno glicol (biolubrificantes) por hidroesterificação enzimática do óleo de fritura
Other Titles: Design of a sustainable process for enzymatic production of ethylene glycol diesters from used soybean cooking oil
Authors: José Geraldo Esteves Guedes Junior
First Advisor: Adriano Aguiar Mendes
First Referee: Adriana Silva França
Second Referee: Marcelo Fernandes Vieira
Abstract: O objetivo do presente projeto de mestrado foi a produção um biocatalisador enzimático capaz de sintetizar diésteres com propriedades lubrificantes (biolubricantes) pela hidroesterificação do óleo de fritura. A primeira etapa deste processo consistiu na sequencial produção de ácidos graxos livres (AGL) por hidrólise enzimática do óleo de fritura catalisada pelo extrato enzimático bruto de lipase de Candida rugosa (LCR). Completa hidrólise do óleo foi obtida em 3 h de reação empregando razão mássica óleo:água de 40% m/m, 45°C, agitação mecânica de 1500 rpm e concentração de lipase de 3,2 g/L. Em seguida, os AGL obtidos foram separados do meio de reação, lavados com água destilada e desidratados para serem empregados como matéria-prima na segunda etapa do processo (esterificação). As reações de produção dos diésteres por esterificação foram realizadas em sistemas ambientalmente corretos (isentos de solventes orgânicos). Nesta etapa, uma preparação de lipase de Thermomyces lanuginosus (Eversa® Transform 2.0) imobilizada em partículas de poli(estireno-divinilbenzeno) foi empregada como biocatalisador heterogêneo. A lipase foi imobilizada via adsorção física (mecanismo de ativação interfacial) no suporte hidrofóbico empregado em tampão acetato de sódio pH 5,0 com baixa força iônica (5 mM), por 18 h de contato a 25°C e em agitação mecânica em banho termostatizado (200 rpm) e a carga enzimática inicialmente oferecida foi de 40 mg/g de suporte. Elevada concentração de proteína imobilizada da ordem de 36 mg/g (que corresponde a um rendimento de imobilização da ordem de 90%) foi obtido devido à alta área superficial e diâmetro de poros do suporte que permite imobilizar alta concentração de lipase. Após a preparação do biocatalisador heterogêneo, foi avaliada a influência do tipo de glicol na sua atividade catalítica. Neste estudo, foram empregados quatro tipos de glicóis como dietieleno glicol (DEG), propileno glicol (PG), neopentil glicol (NPG) e o etileno glicol (EG). Máxima conversão dos AGL de 87% após 90 min de reação foi observada para o EG, então selecionado para estudos de ótimização. O efeito de parâmetros relevantes na produção dos ésteres como temperatura de reação, concentração de biocatalisador e razão molar EG:AGL foi avaliado por um delineamento central composto rotacional (DCCR). Nas condições ótimas de reação, foi avaliado o efeito do tempo para alcançar a máxima conversão da reação. De acordo com os resultados obtidos, a conversão total dos grupos hidroxila do EG foi alcançada em 40 min de reação a 65°C empregando razão molar EG:AGL de 1:3 e 18% m/m do biocatalisador heterogêneo preparado. Nas mesmas condições, o extrato da lipase solúvel proporcionou uma conversão máxima de apenas 32,5%. Esses resultados mostram claramente que o biocatalisador preparado é altamente ativo na produção de ésteres industriais (biolubrificantes) e que a imobilização é de extrema importância, visto que aumenta a atividade catalítica e permite a reutilização da enzima. Testes de reuso foram realizados a fim de analisar a estabilidade do biocatalisador preparado após sucessivas bateladas de esterificação. Após sete ciclos sucessivos de esterificação, máxima conversão dos ácidos foi de 37%. A produção de diésteres foi confirmada por ressonância magnética nuclear de próton (1H RMN). As propriedades físicas dos diésteres de EG produzidos como viscosidade cinemática, índice de viscosidade, e ponto de fluidez foram determinadas por metodologias padrões. Com base nos resultados obtidos, a viscosidade cinemática a 40°C e 100°C dos diésteres preparados foi respectivamente de 27,3 ± 1,6 e 5,7 ± 0,4 mm2/s. O índice de viscosidade determinado foi de 166,2 ± 18,2. Os diésteres produzidos apresentam bom desempenho em baixas temperaturas, pois o seu ponto de fluidez foi de –9 ± 2°C. Suas propriedades físicas foram similares aos diésteres de EG obtidos a partir do óleo de soja descritos na literatura e com lubrificantes comerciais fornecidos pela Emery Oleochemicals (Dehylube® 4016 e Dehylube® 4016 US) e Zschimmer & Schwarz (LEXOLUBE 3JN-310 e LUBRICIT NGDO). Estes resultados mostram que o processo proposto pode ser uma alternativa interessante do ponto de vista industrial devido à alta atividade catalítica do biocatalisador em condições brandas de reação. Além disso, as propriedades físicas dos diésteres produzidos a partir de uma matéria-prima de baixo custo obtida no procesamento de alimentos foram similares aos biolubrificantes disponíveis comercialmente.
Abstract: The aim of this Dissertation (Master of Science) has been the production of na enzimatic biocatalyst capable of synthesizing diesters with lubricant properties (biolubricants) through hydroesterification of used soybean cooking oil – USCO (or waste cooking oil). The first step consisted in FFA production via enzymatic hydrolysis of USCO catalyzed by a crude lipase extract from Candida rugosa (CRL). Complete hydrolysis of the oils were achieved after 3 h of reaction at 40 °C, using 3.2 g/L of CRL, mechanical stirring frequency of 1500 rpm and oil:water mass ratio of 40% m/m. Next, the produced FFA have been separed, washed with distilled water and dehydrated to be used as starting materials in esterification step. In this study, the esters production has been performed in an eco-friendly process (solvent-free systems) and open reactors to eliminate formed water molecules in the reaction. In this step, a liquid lipase preparation from Thermomyces lanuginosus (Eversa® Transform 2.0)has been immobilized on poly(styrene-divinylbenzene) paarticles and it has been used as heterogeneous biocatalyst. The immobilization protocol proceeded by physical adsorption via mechanism of interfacial activation at low ionic strenght (5 mM) buffer sodium acetate pH 5.0 at 25°C, 18 h of contact under continuous mechanical stirring (200 rpm) in a controlled water bath temperature using an initial protein loading of 40 mg protein/g of support. High protein loaded biocatalyst around of 36 mg/g (immobilization of ≈90%) has been obtained due to high surface area and pore size of the support. In this study, four different glycols such as ethylene glycol (EG), propylene glycol (PG), diethylene glycol (DEG) and neopentyl glycol (NPG) were used as reactants in diesters production via esterification of the produce FFA using immobilized Eversa® Transform 2.0 as heterogeneous biocatalyst. Maximum OH conversion of 87% at 90 min of reaction was achieved using EG. Thus, further tests for optimizing the enzymatic esters production using statistical tools were performed with EG. The effect of three relevant parameters such as heterogeneous biocatalyst concentration, reaction temperature and EG:FFA molar ratio was evaluated using a full factorial design in a CCRD mode. Under optimal experimental conditions, the effect of contact time on the esters production hs also been evaluated. According to results, full OH conversion was achieved at 65 °C, EG:FFA molar ratio of 1:3, and biocatalyst concentration of 18% m/m at 40 min of reaction. Maximum OH conversion of only 32.5% was obtained using crude lipase extract under such conditions. The biocatalyst retained ≈37% of its original activity after seven successive esterification batches. The diesters production has been confirmed by proton nuclear magnetic resonance analysis (1H NMR). The physical properties of the produced diesters such as kinematic viscosity, visccosity index and pour point have been determined according to standard methods. Based on these results, kinematic viscosity values at 40°C and 100°C were 27.3 ± 1.6 e 5.7 ± 0.4 mm2/s. In addition, the viscosity index was of 166.2 ± 18.2. They presented good cold temperature properties, since its pour point was –9 ± 2°C. The physical properties of the produced diesters were comparable with EG diesters from soybean oils described in literature and comercial synthetic esters from two companies: Emery Oleochemicals (Dehylube® 4016 and Dehylube®4016 US) and Zschimmer & Schwarz (LEXOLUBE 3JN-310 and LUBRICIT NGDO). These results clearly show that the proposed process can be an interesting option in industrial processes due to its high catalytic activity under mild reaction conditions (65 °C and atmosphere pressure). Moreover, the physical properties of the produced diesters using a low-cost oleaginous feedstock, a waste oil from the food processing, were similar to commercial synthetic esters.
Subject: Engenharia química
Biolubrificantes
Lipase
Otimização
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/39310
Issue Date: 29-Oct-2021
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dissertação Final Corrigido.pdfCorreção1.08 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.