Enzymatic transesterification of soybean oil with ethanol using lipases immobilized on highly crystalline PVA microspheres

Polyvinyl alcohol (PVA) microspheres with different degree of crystallinity were used as solid supports for Rhizomucor miehei lipase immobilization, and the enzyme-PVA complexes were used as biocatalysts for the transesterification of soybean oil to fatty acid ethyl esters (FAEE). The amounts of immobilized enzyme on the polymeric supports were similar for both the amorphous microspheres (PVA4) and the high crystalline microspheres (PVA25). However, the enzymatic activity of the immobilized enzymes was depended on the crystallinity degree of the PVA microspheres: enzymes immobilized on the PVA4 microspheres have shown low enzymatic activity (6.13 U mg-1), in comparison with enzymes immobilized on the high crystalline PVA25 microspheres (149.15 U mg-1). A synergistic effect was observed for the enzyme-PVA25 complex during the transesterification reaction of soybean oil to FAEE: transesterification reactions with free enzyme with the equivalent amount of enzyme that were immobilized onto the PVA25 microspheres (5.4 U) have yielded only 20% of FAEE, reactions with the pure highly crystalline microsphere PVA25 have not yielded FAEE, however reactions with the enzyme-PVA25 complexes have yielded 66.3% of FAEE. This synergistic effect of an immobilized enzyme on a polymeric support has not been observed before for transesterification reaction of triacylglycerides into FAEE. Based on ATR-FTIR, 23Na- and 13C-NMR-MAS spectroscopic data and the interaction of the polymeric network intermolecular hydrogen bonds with the lipases residual amino acids a possible explanation for this synergistic effect is provided. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Microcystis aeruginosa lipids as feedstock for biodiesel synthesis by enzymatic route

The cyanobacterium Microcystis aeruginosa strain NPCD-1, isolated from sewage treatment plant and characterized as a non-microcystin producer by mass spectrometry and molecular analysis, was found to be a source of lipid when cultivated in ASM-1 medium at 25 degrees C under constant white fluorescent illumination (109 mu mol photon m(-2) s(-1)). In these conditions, biomass productivity of 46.92 +/- 3.84 mg L-1 day(-1) and lipid content of 28.10 +/- 1.47% were obtained. Quantitative analysis of fatty acid methyl esters demonstrated high concentration of saturated fatty acids (50%), palmitic (24.34%) and lauric (13.21%) acids being the major components. The remaining 50% constituting unsaturated fatty acids showed higher concentrations of oleic (26.88%) and linoleic (12.53%) acids. The feasibility to produce biodiesel from this cyanobacterial lipid was demonstrated by running enzymatic transesterification reactions catalyzed by Novozym (R) 435 and using palm oil as feedstock control. Batch experiments were carried out using tert-butanol and iso-octane as solvent. Results showed similarity on the main ethyl esters formed for both feedstocks. The highest ethyl ester concentration was related to palmitate and oleate esters followed by laurate and linoleate esters. However, both reaction rates and ester yields were dependent on the solvent tested. Total ethyl ester concentrations varied in the range of 44.24-67.84 wt%, corresponding to ester yields from 80 to 100%. Iso-octane provided better solubility and miscibility, with ester yield of 98.10% obtained at 48 h for reaction using the cyanobacterium lipid, while full conversion was achieved in 12 h for reaction carried out with palm oil. These results demonstrated that cyanobacterial lipids from M. aeruginosa NPCD-1 have interesting properties for biofuel production. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

PHYSICO-CHEMICAL, SPECTROSCOPICAL AND THERMAL CHARACTERIZATION OF BIODIESEL OBTAINED BY ENZYMATIC ROUTE AS A TOOL TO SELECT THE MOST EFFICIENT IMMOBILIZED LIPASE

Two microbial lipases from Burkholderia cepacia and Pseudomonas fluorescens were evaluated as catalysts for the enzymatic transesterification of beef tallow with ethanol and the most efficient lipase source was selected by taking into account the properties of the product to be used as fuel. Both lipases were immobilized on an epoxy silica-polyvinyl alcohol composite by covalent immobilization and used to perform the reactions under the following operational conditions: beef tallow-to-ethanol molar ratio of 1:9, 45 degrees C and 400 units of enzymatic activity per gram of fat. Products, characterized using Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), viscosimetry, thermogravimetry and H-1 NMR spectroscopy, suggested that the biodiesel sample obtained in the reaction catalyzed by Burkholderia cepacia lipase has the best set of properties for fuel usage.

Physico-chemical, spectroscopical and thermal characterization of biodiesel obtained by enzymatic route as a tool to select the most efficient immobilized lipase

Two microbial lipases from Burkholderia cepacia and Pseudomonas fluorescens were evaluated as catalysts for the enzymatic transesterification of beef tallow with ethanol and the most efficient lipase source was selected by taking into account the properties of the product to be used as fuel. Both lipases were immobilized on an epoxy silica-polyvinyl alcohol composite by covalent immobilization and used to perform the reactions under the following operational conditions: beef tallow-to-ethanol molar ratio of 1:9, 45ºC and 400 units of enzymatic activity per gram of fat. Products, characterized using Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), viscosimetry, thermogravimetry and ¹H NMR spectroscopy, suggested that the biodiesel sample obtained in the reaction catalyzed by Burkholderia cepacia lipase has the best set of properties for fuel usage.

Obtenção de biodiesel por transesterificação enzimática de óleo de soja com etanol empregando t-butanol como solvente

Neste estudo foi investigada a alcoólise enzimática do óleo de soja com etanol, utilizando t-butanol como solvente e enzimas imobilizadas Lipozyme TL IM, Lipozyme RM IM e Novozym 435 como catalisadores. As reações foram realizadas em um reator batelada fechado acoplado a um condensador e com constante agitação. Foram avaliadas a influência do t-butanol, do tipo de enzima utilizada, da razão molar álcool/óleo e da temperatura no rendimento em biodiesel. A etanólise do óleo de soja por sucessivas adições de álcool foi investigada e as melhores condições foram obtidas em presença de t-butanol, razão molar etanol/óleo igual a 3, temperatura de 50C e 5% (m/m) de Novozym 435. Nas reações conduzidas em presença de t-butanol não foram observadas diferenças significativas entre a adição direta e a escalonada do álcool. Os efeitos da adição de álcool só foram observados na ausência de t-butanol. O rendimento máximo em ésteres etílicos atingido foi cerca de 66% após 4h de reação com Novozym 435 na presença de solvente.

Produção de biodiesel por transesterificação enzimática de óleo de soja

Neste trabalho, foi investigada a alcoólise do óleo de soja com álcool utilizando uma lipase comercial imobilizada (Lipozyme RM IM). As reações foram realizadas em um reator batelada fechado acoplado a um condensador e com constante agitação. Foi determinada a influência do álcool (metanol ou etanol), quantidade de enzima, razão molar álcool/óleo de soja, solvente e temperatura na produção de biodiesel. A etanólise do óleo de soja por sucessivas adições de álcool foi investigada. As melhores condições foram obtidas em um sistema livre de solvente com razão molar etanol/óleo igual a 3,0, temperatura de 50C e concentração de enzima de 7% em massa. A etanólise em batelada com 3 adições sucessivas foi a mais eficiente para a produção de biodiesel. Nessas condições, o rendimento em ésteres etílicos foi cerca de 55% após 2h de reação. A alcoólise de óleo de soja com metanol e etanol também foi estudada com KOH. O efeito do álcool (metanol ou etanol), concentração do catalisador e razão molar entre álcool e óleo de soja foi determinada. O maior rendimento (92%) na alcoólise do óleo de soja com KOH foi obtido com metanol

Produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleo de soja ácido por via enzimática

Neste trabalho, foi estudada a transesterificação enzimática do óleo de soja com álcool catalisada por lipase comercial imobilizada. Inicialmente foram investigados os efeitos da temperatura, do tipo de enzima (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e do tipo de álcool (etanol ou butanol) na síntese de biodiesel utilizando óleo de soja refinado. A melhor temperatura observada para as reações empregando Lipozyme TL IM e Lipozyme RM IM foi de 50C, enquanto que para a Novozym 435, a temperatura ótima foi de 70C. O maior teor em biodiesel (~60%) foi obtido na etanólise do óleo de soja a 70C utilizando Novozym 435 a 5% m/m. Também foi avaliada a síntese de biodiesel por via enzimática a partir da etanólise de óleos ácidos com índice de acidez (IA) (de 8,5, 54,4 e 93,7). A conversão do ácido graxo livre foi superior a 90% nas reações conduzidas com Novozym 435 nas reações com os três óleos ácidos testados. O teor em biodiesel foi próximo a 50% na etanólise do óleo de soja com índice de acidez de 8,5 empregando Lipozyme TL IM, porém para índices de acidez maiores este rendimento diminuiu. Para as reações conduzidas com Lipozyme RM-IM, o teor em biodiesel manteve-se em torno de 30% para todos os óleos ácidos investigados. A etanólise do óleo de soja refinado empregando reator de leito fixo em modo contínuo, a 50C, foi investigada variando a velocidade espacial dos reagentes (0,255 e 0,508 h-1), o tipo de lipase (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e a possibilidade de reuso do biocatalisador após lavagem com butanol. Na reação com Novozym 435, o teor em biodiesel foi de aproximadamente 50% e se manteve estável durante 4,5 h para as duas velocidades espaciais testadas. A lipase Lipozyme TL-IM apresentou teor em biodiesel maior do que o obtido nas reações com os outros biocatalisadores (~80%), porém não apresentou a mesma estabilidade. Foi observada uma queda significativa na produção de biodiesel nas reações empregando o reuso do biocatalisador

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Síntese enzimática de ésteres de açúcar: surfactantes e polímeros como novos materiais ambientalmente seguros

Sugar esters are substances which possess surfactant, antifungical and bactericidal actions and can be obtained through two renewable sources of raw materials: sugars and vegetable oils. Their excellent biodegradability, allied to lhe fact that they are non toxic, insipid, inodorous, biocompatible, no-ionic, digestible and because they can resist to adverse conditions of temperature, pH and salinity, explain lhe crescent use of these substances in several sections of lhe industry. The objective of this thesis was to synthesize and characterize surfactants and polymers containing sugar branched in their structures, through enzymatic transesterification of vinyl esters and sugars, using alkaline protease from Bacillus subtilis as catalyst, in organic medium (DMF).Three types of sugars were used: L-arabinose, D-glucose and sucrose and two types of vinyl esters: vinyl laurate and vinyl adipate. Aiming to reach high conversions from substrates to products for a possible future large scale industrial production, a serie of variables was optimized, through Design of Experiments (DOE), using Response Surface Methodology (RSM).The investigated variables were: (1) enzyme concentration; (2) molar reason of substrates; (3) water/solvent rale; (4) temperature and (5) time. We obtained six distinct sugar esters: 5-0-lauroyl L-arabinose, 6-0-lauroyl D-glucose, 1'-O-lauroyl sucrose, 5-0-vinyladipoyl L-arabinose, 6-0-vinyladipoyl D-glucose and 1 '-O-vinyladipoyl sucrose, being lhe last three polymerizable. The progress of lhe reaction was monitored by HPLC analysis, through lhe decrease of sugar concentration in comparison to lhe blank. Qualitative analysis by TLC confirmed lhe formation of lhe products. In lhe purification step, two methodologies were adopted: (1) chromatographic column and (2) extraction with hot acetone. The acylation position and lhe chemical structure were determined by 13C-RMN. The polymerization of lhe three vinyl sugar esters was possible, through chemical catalysis, using H2O2 and K2S2O8 as initiators, at 60°C, for 24 hours. IR spectra of lhe monomers and respective polymers were compared revealing lhe disappearance of lhe vinyl group in lhe polymer spectra. The molar weights of lhe polymers were determined by GPC and presented lhe following results: poly (5-0-vinyladipoyl L-arabinose): Mw = 7.2 X 104; PD = 2.48; poly (6-0-vinyladipoyl D-glucose): Mw = 2.7 X 103; PD = 1.75 and poly (1'-O-vinyladipoyl sucrose): Mw = 4.2 X 104; PD = 6.57. The six sugar esters were submitted to superficial tension tests for determination of the critical micelle concentrations (CMC), which varied from 122 to 167 ppm. Finally, a study of applicability of these sugar esters, as lubricants for completion fluids of petroleum wells was' accomplished through comparative analysis of lhe efficiency of these sugar esters, in relation to three commercial lubricants. The products synthesized in this thesis presented equivalent or superior action to lhe tested commercial products

Isolamento de fungos produtores de lipases catalisadores de reações de transesterificação para produção de biodiesel

Pós-graduação em Microbiologia - IBILCE

Síntese enzimática de ésteres de açúcar: surfactantes e polímeros como novos materiais ambientalmente seguros

Sugar esters are substances which possess surfactant, antifungical and bactericidal actions and can be obtained through two renewable sources of raw materials: sugars and vegetable oils. Their excellent biodegradability, allied to lhe fact that they are non toxic, insipid, inodorous, biocompatible, no-ionic, digestible and because they can resist to adverse conditions of temperature, pH and salinity, explain lhe crescent use of these substances in several sections of lhe industry. The objective of this thesis was to synthesize and characterize surfactants and polymers containing sugar branched in their structures, through enzymatic transesterification of vinyl esters and sugars, using alkaline protease from Bacillus subtilis as catalyst, in organic medium (DMF).Three types of sugars were used: L-arabinose, D-glucose and sucrose and two types of vinyl esters: vinyl laurate and vinyl adipate. Aiming to reach high conversions from substrates to products for a possible future large scale industrial production, a serie of variables was optimized, through Design of Experiments (DOE), using Response Surface Methodology (RSM).The investigated variables were: (1) enzyme concentration; (2) molar reason of substrates; (3) water/solvent rale; (4) temperature and (5) time. We obtained six distinct sugar esters: 5-0-lauroyl L-arabinose, 6-0-lauroyl D-glucose, 1'-O-lauroyl sucrose, 5-0-vinyladipoyl L-arabinose, 6-0-vinyladipoyl D-glucose and 1 '-O-vinyladipoyl sucrose, being lhe last three polymerizable. The progress of lhe reaction was monitored by HPLC analysis, through lhe decrease of sugar concentration in comparison to lhe blank. Qualitative analysis by TLC confirmed lhe formation of lhe products. In lhe purification step, two methodologies were adopted: (1) chromatographic column and (2) extraction with hot acetone. The acylation position and lhe chemical structure were determined by 13C-RMN. The polymerization of lhe three vinyl sugar esters was possible, through chemical catalysis, using H2O2 and K2S2O8 as initiators, at 60°C, for 24 hours. IR spectra of lhe monomers and respective polymers were compared revealing lhe disappearance of lhe vinyl group in lhe polymer spectra. The molar weights of lhe polymers were determined by GPC and presented lhe following results: poly (5-0-vinyladipoyl L-arabinose): Mw = 7.2 X 104; PD = 2.48; poly (6-0-vinyladipoyl D-glucose): Mw = 2.7 X 103; PD = 1.75 and poly (1'-O-vinyladipoyl sucrose): Mw = 4.2 X 104; PD = 6.57. The six sugar esters were submitted to superficial tension tests for determination of the critical micelle concentrations (CMC), which varied from 122 to 167 ppm. Finally, a study of applicability of these sugar esters, as lubricants for completion fluids of petroleum wells was' accomplished through comparative analysis of lhe efficiency of these sugar esters, in relation to three commercial lubricants. The products synthesized in this thesis presented equivalent or superior action to lhe tested commercial products

Kinetics of enzymatic synthesis of geranyl butyrate by transesterification in various supercritical fluids

The transesterification of methyl butyrate, ethyl butyrate and butyl butyrate to geranyl butyrate was investigated in supercritical carbon dioxide. The effect of chain length of the butyrate on the rate of transesterification was investigated. The initial rates followed the trend: ethyl butyrate < butyl butyrate < methyl butyrate. The transesterification of butyl butyrate to geranyl butyrate in various supercritical fluids such as ethylene, methane, ethane was also examined. The initial rate of transesterification of butyl butyrate in different supercritical fluids followed the order: ScCO2 < ScC2H6 < ScC2H4 < ScCH4. The highest initial rate was obtained in supercritical methane and the reasons for this observation were proposed. The Ping-Pong Bi-Bi model with inhibition by both acid and alcohol was used to model the experimental data and determine the kinetics of the reaction. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

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

Production and characterization of lipases and immobilization of whole cell of the thermophilic Thermomucor indicae seudaticae N31 for transesterification reaction

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)