Propiedades catalíticas de la lipasa B de Candida antarctica inmovilizada en soportes magnéticos. Actividad hidrolítica en medios acuosos

Los enzimas son piezas fundamentales en el correcto funcionamiento de cualquier sistema biológico. Gracias a su naturaleza proteica y a las estructuras tridimensionales complejas que son capaces de adoptar, estas moléculas actúan como catalizadores de reacciones químicas. L a función de los enz imas es disminuir la energía de activación de la reacción, aumentando de este modo la velocidad de reacción. L o s enzimas no alteran el balance e nergético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción . Por este motivo, en las reacciones catalizadas por enzimas se observa una mayor rapidez a la hora de alcanzar el equilibrio. La ciencia que estudia l a velocidad de las reacciones químicas que son catalizadas por enzimas es la cinética enzimática , e n la cual , las moléculas sobre las que actúan los enzimas se denominan sustratos y las moléculas resultantes de la conversión productos. El estudio de la cin ética de un enzima permite explicar los detalles de su mecanismo catalítico, su papel en el metabolismo o incluso cómo se controla su actividad en la célula. Las dos propiedades más importantes a la hora de trabajar con enzimas son: el tiempo que tarda en saturarse con un sustrato en particular y la velocidad máxima de reacción que puede alcanzar. Para el estudio de estas propiedades en el laboratorio se realizan los ensayos enzimáticos. El procedimiento a seguir en estos casos es medir la aparición de un producto o la desaparición de un sustrato frente al tiempo.

Propiedades catalíticas de la lipasa B de Candida antarctica inmovilizada en soportes magnéticos. Actividad sintética en disolventes orgánicos

Este trabajo se centra en la inmovilización de la lipasa B de Candida antarctica en nanopartículas magnéticas y la posterior caracterización cinética de su actividad sintética en medios orgánicos para la pr oducción de biodiesel. La historia del biodiesel comienza en 1893, cuando Rudolph Diesel, el padre del motor diésel, puso en marcha el primer motor de este tipo. Más tarde, en 1900, Diesel ganó el Grand Prix en la Feria Mundial de París con su m otor impulsado por un biodiesel de aceite de cacahuete. En 1903, además, comenzó la producción del Modelo T de Henry Ford, diseñado para utilizar etanol como combustible. Diesel creía que la utilización de biodiesel era el futuro de la automoción: “ el uso de aceites vegetales como combustibles para motor puede parecer insignificante hoy en día, pero estos aceites puede n convertirse, con el transcurso del tiempo, en combustibles tan importantes como el petróleo y el carbón lo son hoy en día ” Sin embargo, a p artir de 1920, los fueles basados en petróleo comenzaron a ganar terreno, debido a su mayor eficiencia, menor precio y mejor disponibilidad. De esta forma, el mercado de los biofueles quedó relegado hasta que las distintas crisis del petróleo (1973, 1979, 19 90) unidas a la creciente preocupación por la polución y la c onservación del medio ambiente, además de al aumento de la población y por tanto de la demanda de combustibles , llevaron a devolve r la mirada a estos fueles . Fue en esta época cuando comenzó, p rincipalmente en EEUU y Brasil, la producción a gran escala de biocombustibles de primera generación, basados en la utilización de excedentes agrícolas como el maíz y la caña de azúcar para la producción de bioetanol y aceites de maíz y grasas animales par a la producción de biodiesel .

Magnetic Cross-Linked Enzyme Aggregates (mCLEAs) of Candida antarctica Lipase: An Efficient and Stable Biocatalyst for Biodiesel Synthesis

Enzyme-catalyzed production of biodiesel is the object of extensive research due to the global shortage of fossil fuels and increased environmental concerns. Herein we report the preparation and main characteristics of a novel biocatalyst consisting of Cross-Linked Enzyme Aggregates (CLEAs) of Candida antarctica lipase B (CALB) which are covalently bound to magnetic nanoparticles, and tackle its use for the synthesis of biodiesel from non-edible vegetable and waste frying oils. For this purpose, insolubilized CALB was covalently cross-linked to magnetic nanoparticles of magnetite which the surface was functionalized with –NH2 groups. The resulting biocatalyst combines the relevant catalytic properties of CLEAs (as great stability and feasibility for their reutilization) and the magnetic character, and thus the final product (mCLEAs) are superparamagnetic particles of a robust catalyst which is more stable than the free enzyme, easily recoverable from the reaction medium and reusable for new catalytic cycles. We have studied the main properties of this biocatalyst and we have assessed its utility to catalyze transesterification reactions to obtain biodiesel from non-edible vegetable oils including unrefined soybean, jatropha and cameline, as well as waste frying oil. Using 1% mCLEAs (w/w of oil) conversions near 80% were routinely obtained at 30°C after 24 h of reaction, this value rising to 92% after 72 h. Moreover, the magnetic biocatalyst can be easily recovered from the reaction mixture and reused for at least ten consecutive cycles of 24 h without apparent loss of activity. The obtained results suggest that mCLEAs prepared from CALB can become a powerful biocatalyst for application at industrial scale with better performance than those currently available.

Enantioselective transesterification catalysis by Candida antarctica lipase immobilized on superparamagnetic nanoparticles

Lipase B from Candida antarctica can be directly immobilized onto functionalized superparamagnetic nanoparticles, preserving its enzymatic activity in the enantioselective transesterification of secondary alcohols, with excellent results in terms of enantiomeric discrimination. The immobilized enzyme can be easily recovered with a magnet, allowing its reuse with negligible loss of activity. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved

Catalytic ethanolysis of soybean oil with immobilized lipase from Candida antarctica and (1)H NMR and GC quantification of the ethyl esters (biodiesel) produced

The catalytic ethanolysis of soybean oil with commercial immobilized lipase type B from Candida antarctica to yield ethyl esters (biodiesel) has been investigated. Transesterification was monitored with respect to the following parameters: quantity of biocatalyst, reaction time, amount of water added and turnover of lipase. The highest yields of biodiesel (87% by (1)H NMR; 82.9% by GC) were obtained after a reaction time of 24 h at 32 degrees C in the presence of lipase equivalent to 5.0% (w/w) of the amount of soybean oil present. The production of ethyl esters by enzymatic ethanolysis was not influenced by the addition of water up to 4.0% (v/v) of the alcohol indicating that it is possible to use hydrated ethanol in the production of biodiesel catalyzed by lipase. The immobilized enzyme showed high stability under moderate reaction conditions and retained its activity after five production cycles. The (1)H NMR methodology elaborated for the quantification of biodiesel in unpurified reaction mixtures showed good correlations between the signal areas of peaks associated with the alpha-methylene groups of the ethyl esters and those of the triacyl-glycerides in residual soybean oil. Monoacylglycerides, diacylglycerides and triglycerides could also be detected and quantified in the crude biodiesel using (1)H NMR spectroscopic and GC-FID chromatographic methods. The biodiesel production by enzymatic catalysis was promising. In this case, was produced a low concentration of glycerol (0.74%) and easily removed by water extraction. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Kinetic resolution of iodophenylethanols by Candida antarctica lipase and their application for the synthesis of chiral biphenyl compounds

The kinetic resolution of (+/-)-iodophenylethanols was carried out using lipase from Candida antarctica and in some cases the enantiomeric excesses were high (up to >98%). Enantiomerically enriched (S)-iodophenylethanols produced by the enzymatic resolution process were used in the synthesis of chiral biphenyl compounds by the Suzuki reaction with good yields (63-65%). (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Production of Omega-3 Triacylglycerol concentrates using a new food grade immobilized Candida antarctica Lipase B

Triacylglycerol concentrates of eicosapentaenoic and docosahexaenoic omega-3 fatty acids were synthesized either via transesterification or esterification of glycerol with the corresponding ethyl ester or free fatty acid concentrates, respectively. A newly developed food grade immobilized Candida antarctica lipase Β system using an Amberlite FPX-66 hydrophobic matrix, was compared with a commercially available non-food grade commercial system, for their ability to catalyze these reactions. For either system, the transesterification required higher temperature (90◦C) than esterification (70°C) to achieve maximum triacylglycerol yields. The newly developed immobilized system efficiently catalyzes the esterification of free fatty acids with glycerol and differs from the existing commercial system in that it is food grade and has a more uniform and larger particle distribution. The new system significantly improves flow in a packed bed reactor, enabling multiple reuse of the catalyst for up to 80 repeats.

Lipase-catalyzed synthesis of biodiesel from acid oil in fixed bed reactor

Acid oil, which is a by-product in vegetable oil refining, mainly contains free fatty acids (FFAs) and acylglycerols and is a feedstock for production of biodiesel fuel now. The transesterification of acid oil and methanol to biodiesel was catalyzed by immobilized Candida lipase in fixed bed reactors. The reactant solution was a mixture of acid oil, water, methanol and solvent (hexane) and the main product was biodiesel composed of fatty acid methyl ester (FAME) of which the main component was methyl oleate. The effects of lipase content, solvent content, water content temperature and flow velocity of the reactant on the reaction were analyzed. The experimental results indicate that a maximum FAME content of 90.18% can be obtained in the end product under optimum conditions. Most of the chemical and physical properties of the biodiesel were superior to the standards for 0(#) diesel (GB/T 19147) and biodiesel (DIN V51606 and ASTM D6751).

Upgrading of suberin from cork and birch outer bark

O trabalho aqui apresentado teve como principal propósito o estudo do potencial da suberina como fonte de produtos de química fina e como precursor de novos materiais macromoleculares de origem renovável. O interesse na suberina reside, não só na sua ubiquidade e nas suas propriedades únicas em termos de composição química e hidrofobicidade, mas também no facto de ser um dos principais componentes macromoleculares dos subprodutos da indústria corticeira de Quercus suber L. no Sul da Europa, e da indústria de pasta de papel do Norte da Europa, que utiliza a Betula pendula Roth como matéria-prima. A primeira parte do presente trabalho consistiu no estudo detalhado da composição química da cortiça de Quercus suber L. e respectivos resíduos industriais bem como da casca de Betula pendula Roth recorrendo a diferentes técnicas de caracterização, nomeadamente GC-MS, IV, RMN de 1H e de 13C, DSC, termomicroscopia, TGA e difracção de raios-X. Os resultados mostraram que os produtos de despolimerização da suberina representam tipicamente uma fracção substancial de todas as amostras. Para além da suberina, foram também identificados nas diversas amostras quantidades variáveis de compostos triterpénicos, lenhina, polissacarídeos e matéria inorgânica. Os principais resultados da análise por GC-MS mostraram que todas as amostras de suberina despolimerizada são fontes abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos, bem como dos correspondentes derivados epóxidados. No entanto, as quantidades relativas de cada componente identificado foram significativamente diferentes entre amostras. Por exemplo, em amostras de suberina da casca de Quercus suber L. isoladas por metanólise alcalina o composto maioritário encontrado foi o ácido 22-hidroxidocosanóico, enquanto que a suberina também proveniente da cortiça, mas isolada por hidrólise alcalina era composta maioritariamente pelo ácido 9,10-dihidroxioctadecanóico. Já no caso da amostra de suberina despolimerizada proveniente da casca externa da bétula o composto identificado como mais abundante foi o ácido 9,10-epoxi-18-hidroxioctadecanóico. A caracterização das diversas amostras de suberina despolimerizada por FTIR e RMN de 1H e de 13C foram concordantes com os resultados de GC-MS, evidenciando a sua natureza predominantemente lipofílica. Foi ainda determinada a razão entre os grupos CO2H/OH e CO2CH3/OH por RMN de 1H das amostras convenientemente derivatizadas com isocianato de tricloroacetilo, verificando-se que a suberina despolimerizada possuía quantidades não-estequiométricas destes grupos funcionais. A investigação do comportamento térmico das amostras de suberina despolimerizada, por DSC e termomicroscopia, bem como a análise por difracção de raios-X, permitiu concluir que algumas amostras de suberina despolimerizada possuíam importantes domínios cristalinos e pontos de fusão bem definidos, tipicamente próximos de 70 oC, enquanto outras amostras eram essencialmente amorfa. Factores como a fonte de suberina ou as condições de despolimerização estiveram na origem destas diferenças. iv Neste trabalho estudaram-se também os extractáveis lipofílicos da cortiça e dos seus resíduos industriais, em particular os do pó industrial de cortiça e dos condensados negros, mostrando que os extractáveis lipofílicos são uma fonte abundante de compostos triterpénicos, em particular de ácido betulínico e de friedelina. Foram ainda identificadas fracções abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos no condensado negro. A segunda parte deste trabalho abordou a síntese e a caracterização de novos poliésteres alifáticos derivados de suberina. Estes materiais foram sintetizados utilizando, quer misturas de suberina despolimerizada, quer monómeros modelo estruturalmente análogos aos existentes na suberina. Recorreu-se para o efeito a duas aproximações distintas de polimerização por passos, a policondensação e a politransesterificação. Procurou-se em simultâneo maximizar a eficiência da polimerização em termos de peso molecular e de extensão da reacção e utilizar condições de reacção de química “verdes”. Neste sentido, utilizou-se a policondensação em emulsão utilizando um tensioactivo como catalisador e a policondensação em massa utilizando a lipase B de Candida antarctica. Adicionalmente foram também testado os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto(III) no caso da policondensação, e ainda os catalisadores clássicos óxido de antimónio(III) e o carbonato de potássio no caso da politransesterificação. Os poliésteres resultantes foram caracterizados através de várias técnicas, tais como IV, RMN (de 1H e de 13C), DSC, DMA, TGA, difracção de raios-X e medidas dos ângulos de contacto. Verificou-se que os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto (III), óxido de antimónio(III) e carbonato de potássio conduziram aos rendimentos de isolamento dos polímeros resultantes mais elevados. No caso dos poliésteres derivados da suberina os resultados em termos de rendimentos e pesos moleculares sofreram um incremento substancial quando a estequiometria da reacção de polimerização foi adequadamente balanceada (r=1) com a adição de uma quantidade extra de um comonómero. Verificou-se a predominância de diferentes estruturas consoante a amostra de suberina utilizada e as condições de síntese adoptada, predominando as cadeias lineares ou então quantidades substanciais de estruturas reticuladas. Globalmente, este primeiro estudo sistemático da utilização de suberina como um precursor de novos poliésteres alifáticos confirmou o elevado potencial deste recurso abundante e renovável como precursor para preparar materiais macromoleculares.

Production of lipase by extractive fermentation with ionic liquids

Novos processos fermentativos, designados por processos de Fermentação Extractiva, são caracterizados por apresentarem etapas de produção e extracção em simultâneo. A extracção líquido-líquido como técnica de separação é amplamente usado na indústria química pela sua simplicidade, baixo custo e facilidade de extrapolação de escala. No entanto o uso de solventes orgânicos nestes processos potencia os riscos ocupacionais e ambientais. Neste contexto, o uso de sistemas de duas fases aquosas baseados em líquidos iónicos, apresenta-se como uma técnica eficaz para a separação e purificação de produtos biológicos. Este trabalho apresenta um estudo integrado sobre o uso de líquidos iónicos não aromáticos foram determinados. A capacidade para a formação de sistemas de duas fases foi estudada para uma vasta gama de líquidos iónicos hidrofílicos com diferentes aniões, catiões e cadeias alqúilicas. A capacidade de separação e purificação de um largo conjunto de líquidos iónicos foi posteriormente investigada, recorrendo-se ao uso de várias biomoléculas modelo de diferentes graus de complexidade, um amino-acido (L-triptofano) e duas enzimas lipolíticas (enzima produzida pela bactéria Bacillus sp. e Candida antarctica lipase B – CaLB). Esta última foi ainda usada para um estudo de biocompatibilidade, tendo sido determinado o efeito de diferentes LIs hidrofílicos na sua actividade enzimática. Este trabalho mostra um estudo ecotoxicológico duma vasta gama de líquidos iónicos e espécies aquáticas, inseridas em diversos níveis tróficos. A bioacumulação foi investigada através do estudo dos coeficientes de distribuição 1-octanol-água (Dow).

Economical and operational optimization of CALB immobilization on MP1000 for amidation of olein fatty acids with ethanolamine

Dissertação de Mestrado , Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2008

ORGANOSILICON BIOTECHNOLOGY: A BIO-INSPIRED APPROACH TO THE HYDROLYSIS OF ALKOXYSILANES and THE LIPASE-CATALYZED SYNTHESIS OF SILOXANE-CONTAINING POLYESTERS AND POLYAMIDES

The first part of this thesis studied the capacity of amino acids and enzymes to catalyze the hydrolysis and condensation of tetraethoxysilane and phenyltrimethoxysilane. Selected amino acids were shown to accelerate the hydrolysis and condensation of tetraethoxysilane under ambient temperature, pressure and at neutral pH (pH 7±0.02). The nature of the side chain of the amino acid was important in promoting hydrolysis and condensation. Several proteases were shown to have a capacity to hydrolyze tri- and tet-ra- alkoxysilanes under the same mild reaction conditions. The second part of this thesis employed an immobilized Candida antarctica lipase B (Novozym-435, N435) to produce siloxane-containing polyesters, polyamides, and polyester amides under solvent-free conditions. Enzymatic activity was shown to be temperature dependent, increasing until enzyme denaturation became the dominant pro-cess, which typically occurred between 120-130ᵒC. The residual activity of N435 was, on average, greater than 90%, when used in the synthesis of disiloxane-containing polyesters, regardless of the polymerization temperature except at the very highest temperatures, 140-150ᵒC. A study of the thermal tolerance of N435 determined that, over ten reaction cycles, there was a decrease in the initial rate of polymerization with each consecutive use of the catalyst. No change in the degree of monomer conversion after a 24 hour reaction cycle was found.

Lipase-Mediated Enzymatic Catalysis For The Synthesis of New Chiral Polymers

Immobilized lipase B from Candida antarctica (N435) was investigated as a potential biocatalyst to generate silicone-based chiral polymers from monomers derived from the enzymatic dihydroxylation of bromobenzene. Several conditions and parameters have been investigated for this purpose and lipase transesterification preference to each of the free secondary alcohols in the chiral monomers was documented. The N435 was challenged with a series of substrates where the free alcohol moieties were systematically protected in order to study the substrate preference(s) for the transesterification reactions.

Cyclotetrasiloxane Frameworks for the Chemoenzymatic Synthesis of Oligoesters

Immobilized lipase B from Candida antarctica (Novozym® 435, N435) was utilized as part of a chemoenzymatic strategy for the synthesis of branched polyesters based on a cyclotetrasiloxane core in the absence of solvent. Nuclear magnetic resonance spectroscopy and matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry were utilized to monitor the reactions between tetraester cyclotetrasiloxanes and aliphatic diols. The enzyme-mediated esterification reactions can achieve 65– 80% consumption of starting materials in 24–48 h. Longer reaction times, 72–96 h, resulted in the formation of cross-linked gel-like networks. Gel permeation chromatography of the polymers indicated that the masses were Mw ¼ 11 400, 13 100, and 19 400 g mol 1 for the substrate pairs of C7D4 ester/ octane-1,8-diol, C10D4 ester/pentane-1,5-diol and C10D4 ester/octane-1,8-diol respectively, after 48 h. Extending the polymerization for an additional 24 h with the C10D4 ester/octane-1,8-diol pair gave Mw ¼ 86 800 g mol 1. To the best of our knowledge this represents the first report using lipase catalysis to produce branched polymers that are built from a cyclotetrasiloxane core.

Chemoenzymatic synthesis of boron-containing chiral amines and amides

The first application of lipases as catalysts to obtain optically active boron-containing amines and amides is described. We studied several reaction conditions to achieve the kinetic resolution of boron-containing amines via enantioselective acylation mediated by Candida antarctica lipase B (CAL-B). Excellent enantioselectivity (E>200) and high enantiomeric excess (up to >99%) of both the remaining amines and amides were obtained. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.