Crosslinked composites of Eversa® Transform and magnetic nanoparticles as biocatalysts for the synthesis of biodiesel in a vortex flow reactor
| Autor: | Miranda, Letícia Passos |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Tardioli, Paulo Waldir |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2020 |
| Předmět: | |
| Zdroj: | Repositório Institucional da UFSCAR Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) instacron:UFSCAR |
| Popis: | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) The enzymatic production of biodiesel is a promising alternative to the conventional production by the alkaline route in a homogeneous medium. The enzymatic process allows using raw material with any concentration of free fatty acids due to the specificity of the lipases and lower energy consumption, because the enzymes act at mild temperature conditions. The liquid formulations of lipase from Thermomyces lanuginosus, Eversa® Transform and Eversa® Transform 2.0, were launched by Novozymes A/S to be used in the biodiesel production in their free forms. After characterizing the two formulations, it was identified that both are very similar, differing in the greater thermal stability of the second formulation, which is used to give segment to this work. The immobilization of enzymes can improve theior performance in the production of biodiesel, in addition to enabling the recovery and reuse of the biocatalyst. In this work, Eversa lipase was immobilized by the technique of cross-linked enzyme aggregates (CLEAs), a simple, economical and unsupported technique, capable of generating insoluble biocatalysts with high volumetric activity and improved stability. The preparation conditions were optimized in order to improve the properties of the biocatalyst. The nature of the precipitant and concentration of the crosslinking agent were evaluated. To improve the crosslinking step, bovine serum albumin (BSA), soy protein (SP) or polyethyleneimine (PEI) were co-precipitated and evaluated as co-feeders and additives. Starch (later enzymatically degraded) was used as a porogenic agent to reduce the diffusion limitations of the substrate. Magnetic silica nanoparticles functionalized with amino-octyl groups (MNPS) were also used to simplify the handling of CLEA, which are incorporated into the CLEAs by inter and/or intra crosslinks particle-enzyme with glutaraldehyde as bifunctional agent, but a great percentage of enzyme could also to be adsorbed on the nanoparticle surface before the aggregation step. The best CLEA was prepared using PEI, starch and MNPS (Eversa m-CLEA). Under these conditions, the biocatalyst showed an immobilization yield of 98.9%, recovered activity of 30.1%, a porous structure, and a thermal stability at 70°C around 40-fold higher than that of the free enzyme. In the transesterification reaction of refined soybean oil with anhydrous ethanol (molar ratio oil/ethanol 1:6), the best performance obtained was using 12 Uest/oil of Eversa m- CLEA at 40ºC. A mass yield of 89.8% of fatty acid ethyl esters (FAEE) was found after 12 h of reaction, while the soluble enzyme required 48 h of reaction to give the same yield. A caustic polishing step of the product yielded a biodiesel containing 98.9 wt.% of FAEEs and a content of free fatty acids (FFAs) below 0.25 wt.%, meeting the international standards of a biodiesel to be commercialized as biofuel. The immobilized biocatalyst could be reused for at least five cycles of 12 h, maintaining 89.6% of the first-cycle mass yield, showing the efficient recovery of the catalyst by applying an external magnetic field. From an experimental design (DCCR)23 , it was possible to define a range of optimized values to produce enzymatic biodiesel using also Eversa m-CLEA, however in the transesterification of raw materials oil, degummed soy oil, and hydrated ethanol. At a molar ratio oil/ethanol of 1:6, 4 Uest/oil at 40 ºC, a mass yield of 81.45 wt.% of FAEEs, with a FFAs content of 3.9 wt.% was obtained after 24h of reaction. After a caustic polishing, a yield of 89.88 wt.% of FAEEs with a FFAs content of 0.17 wt.% was obtained. The use of Eversa m-CLEA, a biocatalyst that is easy to recover and reuse, together with unrefined raw materials with lower added value, is a promising combination to contribute to the economic viability of the enzymatic route, aiming to make it competitive to the traditional alkaline route. A produção enzimática de biodiesel é uma alternativa promissora à produção convencional pela rota alcalina em meio homogêneo. O processo enzimático permite a utilização de matéria-prima com qualquer concentração de ácidos graxos livres devido à especificidade das lipases e ao menor consumo de energia, pelo fato das enzimas atuarem em condições suaves de temperatura. As formulações líquidas de lipase de Thermomyces lanuginosus, Eversa® Transform e Eversa® Transform 2.0 foram lançadas pela Novozymes A/S para serem usadas produção de biodiesel na sua forma livre. Após a caraterização das duas formulações, foi identificado que ambas são muito semelhantes, diferindo-se na maior estabilidade térmica da segunda formulação, sendo esta utilizada para dar segmento a este trabalho. A imobilização de enzimas pode melhorar seu desempenho na produção do biodiesel, além de viabilizar a recuperação e reuso do biocatalisador. Neste trabalho, a lipase presente na formulação de Eversa foi imobilizada pela técnica de agregados enzimáticos reticulados (CLEAs), uma técnica simples, econômica e sem suporte, capaz de gerar biocatalisadores insolúveis com alta atividade volumétrica e estabilidade aprimorada. As condições de preparo foram aprimoradas a fim de melhorar as propriedades do biocatalisador. Foram avaliados a natureza do precipitante e concentração do agente reticulante. Para melhorar a etapa de reticulação, albumina de soro bovino (BSA), proteína de soja (PS) ou polietilenoimina (PEI) foram coprecipitados e avaliados como aditivos. O amido (posteriormente degradado enzimaticamente) foi utilizado como um agente porogênico para diminuir as limitações de difusão do substrato. Nanopartículas magnéticas de sílica funcionalizadas com grupos aminos e octilas (NPMSs) também foram utilizadas para simplificar o manuseio dos CLEAs, as quais são incorporadas aos CLEAs por ligações inter e intra partícula-enzima com glutaraldeído com reagente bifuncional, mas também, uma porcentagem da enzima é adsorvida às nanopartículas antes da agregação. O melhor CLEA foi preparado com PEI, amido e NPMSs (Eversa m-CLEA). Nestas condições, obteve-se um biocatalisador com rendimento de imobilização de 98,9%, atividade recuperada de 30,1%, estrutura porosa e com uma estabilidade térmica a 70 °C 40 vezes superior à da enzima livre. Na reação de transesterificação de óleo de soja refinado com etanol anidro (razão molar óleo/etanol 1:6), o melhor desempenho obtido foi empregando 12 Uest/góleo de Eversa m-CLEA à 40ºC. Um rendimento mássico de 89,8% de ésteres etílicos de ácidos graxos (EEAGs) foi encontrado após 12 h de reação, enquanto a enzima solúvel necessitou de 48 h de reação para dar o mesmo rendimento. Uma etapa de polimento cáustico do produto rendeu um biodiesel contendo 98,9% (m/m) de EEAGs e um teor de ácidos graxos livres (AGLs) inferior a 0,25% (m/m), atendendo aos padrões internacionais para que o biodiesel possa ser comercializado como biocombustível. O biocatalisador imobilizado pode ser reutilizado por pelo menos cinco ciclos de 12 h, mantendo 89,6% do rendimento do primeiro ciclo, mostrando a recuperação eficiente do catalisador pela aplicação de um campo magnético externo. A partir de um delineamento experimental (DCCR)23, foi-se capaz de definir uma faixa de valores otimizados para a produção do biodiesel enzimático usando também o Eversa m-CLEA, porém na transesterificação de matérias-primas não refinadas, o óleo de soja degomado e etanol hidratado. A uma razão molar óleo/etanol 1:6, 4 Uest/góleo, a 40ºC, foi obtido um rendimento mássico de 81,45% de EEAGs, com um teor de AGLs de 3,9% após 24 h de reação. Após o polimento cáustico obteve-se um rendimento mássico de 89,88% de EEAGs, e um teor de AGLs de 0,17% (m/m). A utilização do Eversa m-CLEA, um biocatalisador de fácil recuperação e reuso, juntamente com matérias-primas não refinadas, de menor valor agregado, é uma combinação promissora que visa contribuir com a viabilidade econômica da rota enzimática na busca de torná-la competitiva em relação a rota alcalina tradicionalmente usada. CAPES: código de financiamento - 001 CNPQ: projetos 405889/2016-0 e 308212/2017-7 FAPESP: 2016/10636-8 |
| Databáze: | OpenAIRE |
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