Lipase NS40116 como biocatalisador na reação de transesterificação e hidroesterificação de gordura abdominal de frango

Abstract

O biodiesel enzimático, alternativo aos processos catalisados quimicamente, torna-se atrativo ao utilizar matérias-primas de baixo custo como a gordura abdominal de frango (GAB) juntamente com a aplicação das lipases livres que apresentam um menor valor de mercado, satisfatória velocidade de reação e mesmo a possibilidade de reuso. O objetivo do trabalho foi determinar as condições otimizadas afim de obter o maior teor de ésteres metílicos e etílicos a partir da gordura abdominal de frango utilizando a lipase livre NS 40116, em sistema livre de solvente, via transesterificação e hidroesterificação enzimática. Assim, foram realizados estudos cinéticos para investigar a reação de transesterificação metílica utilizando a lipase livre NS 40116 sem e com a presença de água, diferentes concentrações da enzima livre NS 40116 no meio reacional (0,1, 0,3 e 0,7%), diferentes temperaturas (30, 35 e 45 °C), diferentes razões molares (1:3, 1:4,5 e 1:6 gordura:metanol) e diferentes formas de adição do metanol (1, 3 e 6). No processo de transesterificação etílica utilizou-se a metodologia do planejamento Plackett-Burmann para avaliar o efeito das variáveis temperatura (°C), razão molar GAB:etanol, razão molar GAB:água, concentração enzimática (% m/m) e agitação (rpm) sobre a conversão do processo. O processo de hidroesterificação metílica utilizou o planejamento 2² e avaliou o efeito das variáveis: razão molar GAB:metanol e razão molar GAB:água. Um estudo cinético da reação de hidroesterificação enzimática via rota etílica também foi conduzido. A gordura abdominal de frango possui massa molar de 861,05 g.mol-1, índice de acidez de 0,705 mg KOH.g-1, e índice de peróxido de 2,32 mEq.10-3.g-1. O caldo enzimático da lipase NS 40116 tem aproximadamente 50% de água livre, apresentando uma atividade hidrolítica de 5,36 U.mL-1. Nas condições otimizadas da reação de transesterificação catalisada pela lipase NS 40116 a partir da gordura abdominal de frango obteve-se 76,85% de conversão em oito horas, sendo: 0,3% (m/m) de lipase NS 40116, 2% (m/m) de água, razão molar de 1:4,5 gordura:metanol adicionados em 3 frações iguais nas três primeiras horas, temperatura de 30 ºC e agitação de 250 rpm. Em 24 horas a reação via transesterificação etílica conduziu a uma conversão em ésteres de 72,04%, enquanto na hidroesterificação metílica foi possível obter 89,04%. Na hidroesterificação etílica a presença ou ausência de água no hidrolisado influenciou o tempo nas reações de esterificação. A presença de água no hidrolisado permitiu a máxima obtenção do teor de ésteres etílico (59,30%) e em menor tempo de reação (4 horas). Na ausência de água notou-se a inatividade da lipase com consequente redução na produção de ésteres etílicos (12% em 24 horas). O uso da GAB e da lipase livre NS40116 na produção de ésteres de ácidos graxos mostrou respostas satisfatórias com potencial para aplicação industrial.

Abstract : Enzymatic biodiesel, as an alternative biodiesel obtained by chemical route and alternative to petroleum fuel, becomes attractive by using low-cost raw materials such as abdominal chicken fat (GAB) and a low-cost free enzyme, satisfactory reaction speed and even the possibility of reuse. In this sense, the main goal of this work was to optimize enzymatic biodiesel synthesis in order to obtain highest methyl and ethyl esters content from abdominal chicken fat by using free NS 40116 lipase as a catalyst in a solvent-free system enzymatic transesterification and hydroesterification. With this purpose, kinetics studies were carried out to investigate the reaction of methyl transesterification associated with NS 40116 enzyme without and with the presence of water, by evaluating NS 40116 enzyme concentration (0.1, 0.3 and 0.7%), temperature (30, 35 and 45 °C), molar ratio GAB to methanol (1: 3, 1: 4.5 and 1: 6) and different forms additions of methanol (1, 3 and 6 shots). In order to evaluate the variables, temperature (°C), molar ratio GAB to ethanol, molar ratio GAB to water, enzymatic concentration (% m/m), and agitation (rpm). The methyl hydroesterification process used the 2² planning and evaluated the effect of the variables: molar ratio GAB to methanol and molar ratio GAB to water. A kinetic study of the hydroesterification reaction via ethanol route was also conducted. Abdominal chicken fat was characterized through molar mass (861.05 g.mol-1), acid (0.705 mg KOH.g-1), and peroxide index (2.32 mEq.10-3.g-1). The lipase enzyme broth NS 40116 has approximately 50% of free water presenting a hydrolytic activity of 5.36 U.mL-1. Under optimized conditions of enzymatic transesterification reaction catalyzed by NS 40116 using abdominal chicken fat, 76.85% of conversion was obtained in eight hours, under conditions of 0.3% (w/w) NS 40116 lipase, 2% (w/w) water, 1:4.5 molar ratio GAB to methanol added in 3 shots at 30°C and 250 rpm. In 24 hours the reaction via ethyl transesterification gave 72.04% of esters, while the methyl hydroesterification was possible to obtain 89.04%. In the case of ethyl hydroesterification, the presence or absence of water in the hydrolysate influenced the time in the esterification reactions. The presence of water in the hydrolysate allowed the highest ethyl ester content (59.30%) and the lowest reaction time (4 hours). And without the presence of water, the inactivity of the lipase was observed, with a consequent reduction in the production of ethyl esters (12% in 24 hours). The use of GAB and free lipase in the production of fatty acid esters showed satisfactory responses with potential for industrial application.