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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Preparação de biocatalisadores por ativação interfacial de lipase microbiana em suporte hidrofóbico e aplicação na síntese de biolubrificante por reação de esterificação
Authors: Michelle Dias Alves
First Advisor: Adriano Aguiar Mendes
First Co-advisor: Erika Cristina Cren
Abstract: O objetivo deste trabalho consistiu na preparação e caracterização de biocatalisadores por ativação interfacial de lipase de Thermomyces lanuginosus (TLL) em partículas hidrofóbicas de poli-(estireno-divinilbenzeno) (PSty-DVB) para a produção de ésteresde cera, compostos de interesse industrial com propriedades lubrificantes, por reação de esterificação. O efeito de certos fatores no processo de imobilização como pH, força iônica, temperatura, tempo de incubação e carregamento de proteína variando de 10 a 200 mg/g de suporte foi avaliado. Nas condições ótimas de adsorção da enzima (tampão acetato de sódio 5 mM, pH 5,0, 25 °C, 15 h de incubação e carregamento inicial de proteína de 150 mg/g de suporte), máxima concentração de proteína imobilizada da ordem de 134 mg/g foi observada. A imobilização da enzima no suporte empregado foitambém confirmada por análise de espectroscopia de infravermelho e microscopia eletrônica de varredura. O biocatalisador obtido com a máxima concentração de proteína imobilizada foi testado na síntese de linoleato de cetila (biolubrificante) em um sistema isento de solventes, um importante éster de cera insaturado, com o intuito de estimar a sua atividade em reação de esterificação. Máxima conversão da ordem de 90% foi observada para 30 min e nas condições experimentais testadas, o biocatalisador foi altamente estável após cinco sucessivos ciclos de reação. Além disso, TLL imobilizada em PSty-DVB foi mais ativo na síntese de linoleato de cetila que Lipozyme TL-IM, um biocatalisador comercial. Em seguida, os biocatalisadores preparados foram também testados na síntese de decanoato de cetila, um éster de cera saturado e de grande aplicação industrial. Neste estudo, a influência de alguns parâmetros foi avaliada com intuito de otimizar a síntese deste éster de cera (decanoato de cetila). Um modelo cinético de reação reversível de 2ª ordem foi proposto a fim de estimar constantes cinéticas e foi observada boa concordância entre os valores obtidos e os dados experimentais (0,9430R20,9938). A reação de esterificação foi espontânea nas condições testadas e mostrou ser um processo endotérmico. O biocatalisador preparado com carregamento inicial de proteína de 115 mg/g de suporte (concentração de proteína imobilizada de 108,7 ± 3,1 mg/g) exibiu o maior valor de velocidade inicial de reação (113,5 mM/min de reação) e então selecionado para a síntese do éster. A reação em meio de heptano exigiu um pequeno excesso de álcool cetílico (razão molar ácido:álcool de 1:1,25) e 7,5% m/m de biocatalisador para atingir a conversão máxima de 92,5% em30 min de reação. Por outro lado, após 50 min de reação foi observada conversão máxima de 85,4% em meio livre de solvente, conduzida com razão ácido:álcool 1:1 e 10% m/m de biocatalisador. A produtividade da reação realizada em meio de heptano foi 2,4 vezes maior que em meio livre de solvente (68,5 e 28,2 mM/min.g de biocatalisador, respectivamente). O biocatalisador preparado foi mais ativo quebiocatalisadores comerciais como IMMTLL-T2-150 e Lipozyme TL-IM que exibiram máxima conversão de 92% após 45 e 75 min de reação, respectivamente. Os ensaios de estabilidade operacional foram realizados em meio de heptano e o biocatalisador não apresentou redução significativa de sua atividade após oito ciclos de reação.
Abstract: The aim of this study was the preparation and characterization of active biocatalysts prepared via interfacial activation of lipase from Thermomyces lanuginosus (TLL) on poly-(styrene-divinylbenzene) resin (PSty-DVB) to produce wax esters, an important class of compounds from the industrial point of view due to their lubricant properties,by esterification reaction. The influence of certain factors on the immobilization process such as pH, ionic strength, temperature, incubation time and initial protein loading varying from 10 to 200 mg/g of resin was evaluated. Under optimal experimental conditions (buffer sodium acetate 5 mM, pH 5.0, 25 °C, 15 h of incubation and initialprotein loading of 150 mg/g of resin), maximum immobilized protein concentration around 134 mg/g was observed. The immobilization of TLL on the support was also confirmed by attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATRFTIR) and scanning electronic microscopy (SEM) analyses. The biocatalyst with the highest immobilized protein concentration was tested in the synthesis of cetyl linoleate, animportant unsaturated wax ester, in a solvent-free system in order to estimate its catalytic activity in esterification reaction. Maximum ester conversion around 90% for 30 min of reaction was observed. Moreover, immobilized TLL on PSty-DVB resin was more active in cetyl linoleate synthesis than Lipozyme TL-IM, a commercial biocatalyst. This biocatalyst was highly stable after five consecutive cycles of reaction.In a subsequent study, these prepared biocatalysts were also used to catalyze the synthesis of cetyl decanoate, a saturated wax ester with large industrial application. Here, the influence of some factors on the ester synthesis was succesfully examined in order to optimize the esterification reaction. A second-order reversible reaction kinetic model was proposed to estimate apparent kinetic constants and good agreement withexperimental data was observed (0.9430R20.9938). The reaction was a spontaneous and endothermic process. The biocatalyst prepared with initial protein loading of 115 mg/g of support (immobilized protein concentration of 108.7 ± 3.1 mg/g) yielded the highest value of initial reaction rate (113.5 mM/min of reaction) and chosen for furthertests. The reaction in heptane medium required a slight excess of cetyl alcohol (molar ratio acid:alcohol of 1:1.25) and 7.5% m/m of biocatalyst to attain a maximum conversion of 92.5% for 30 min of reaction. On the other hand, maximum conversion of 85.4% for the reaction performed in a solvent-free system was observed for 50 min of reaction conducted in an equimolar ratio acid:alcohol and 10% m/m of biocatalyst. Theproductivity for the reaction performed in heptane medium was 2.4 times higher than in a solvent-free system 68.5 and 28.2 mM/min.g of biocatalyst, respectively. The prepared biocatalyst more active than commercial biocatalysts such as IMMTLLT2 150 and Lipozyme TLIM that exhibited maximum conversion 92% for 45 and 75 min of reaction, respectively. The biocatalyst could be reused at least eight times without significant decrease of its activity.
Subject: Esterificação (Quimica)
Adsorção
Lipase
Engenharia quimica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AN4PEB
Issue Date: 22-Dec-2016
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