Em acordo com a possibilidade de diversos métodos de imobilização de enzimas, diversos também são os suportes que podem ser empregados, podendo a enzima apresentar diferentes propriedades catalíticas de acordo com o suporte (GOMES et al., 2006).
Uma vez que a estrutura física e química do suporte pode afetar a capacidade de imobilização da enzima e sua atividade, faz-se necessário um estudo de diferentes suportes a fim de se encontrar um suporte ideal, caracterizando um grande desafio na área de desenvolvimento de novos biocatalisadores imobilizados (TALBERT; GODDARD, 2012).
O suporte ideal deve reunir as seguintes características (CARDOSO, MORAES e CASS, 2009; BON et al., 2008):
Inerte – sua função deve ser apenas a imobilização da enzima;
Estável;
Resistente à força mecânica – para que possa ser utilizado sem problemas em reatores diversos;
Resistência a microrganismos – de modo a evitar a liberação da enzima;
Insolúvel – Para que possa ser reaproveitado por um processo simples de filtração ao final da reação, sem se perder, caracterizando a formação de um biocatalisador heterogêneo, e também para evitar contaminação do produto pelo suporte;
Área específica superior a 10 m²g-1 – para possibilitar a imobilização de quantidades significativas de enzima;
Forma e distribuição de tamanho de poros – deve permitir fácil acesso do substrato à enzima;
Os materias utilizados na imobilização de enzimas podem ser de origem orgânica ou inorgânica (SARNO et al., 2017). Inicialmente, os materiais mais empregados na imobilização de enzimas foram os de origem inorgânica por apresentarem maior eficiência e afinidade por alvos moleculares (LV et al., 2013). Dentre os materiais inorgânicos, os mais utilizados são os suportes à base de sílica e polímeros sintéticos. No entanto, esses materiais têm um custo muito elevado, impulsionando os estudos na busca de substitutos mais rentáveis (COSTA-SILVA et
al., 2016; ITTRAT et al., 2014). Nesse contexto, diversos materiais têm demonstrado
elevada compatibilidade na imobilização de lipase de variadas fontes, resultando em alto grau de recuperação de atividade enzimática e estabilidade operacional, tais como óxido de nióbio (Nb2O5) e polisiloxano-polivinil álcool (SiO2 – PVA), partículas
magnéticas de Fe3O4, entre outros (DA RÓS et al., 2010; SARNO et al., 2017).
Mais recentemente, materiais de origem orgânica vêm se mostrando extremamente promissores, pois conseguem unir vantagens quanto à efetividade em imobilizar enzimas, quanto ao meio ambiente - sendo biodegradáveis - e quanto à questão financeira, pois podem ser resíduos agroindustriais. Alguns exemplos são os biopolímeros, como a quitosana e a celulose, casca de arroz, stover de milho, casca de coco, entre outros (ITTRAT et al., 2014; COSTA-SILVA et al., 2016; LV et
al., 2013).
3.4.1 Óxido de Nióbio
Dentre as matrizes inorgânicas estudadas, o óxido de nióbio vem mostrando resultados promissores no estudo de imobilização de lipase (DA RÓS et al., 2010). O nióbio é um metal de transição, refratário, de cor prateada, número atômico 41, dúctil, e tem sido largamente utilizado na engenharia moderna (LIMA, 2010). Seu principal uso é como matéria-prima na fabricação de ligas de aço para a produção de tubos condutores de fluidos. Sua aplicação tem aumentado em razão da versatilidade, vantagens econômicas e disponibilidade de suprimento a longo prazo deste metal (LIMA, 2010).
O Brasil possui a maior reserva mundial de nióbio, empregando o metal na indústria química, naval, aeronáutica, espacial, etc (TANABE et al., 1989). Por meio da produção da Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), o Brasil apresenta cerca de 98 % da produção mundial do metal, seguido pelo Canadá e Austrália (LIMA, 2010).
A demanda mundial atual para o nióbio é de menos de 0,5 % das reservas até então identificadas, colocando o Brasil numa posição privilegiada no cenário internacional como maior produtor e exportador do minério. Por conta disso, a CBMM destaca a importância da adoção de políticas de incentivo à pesquisa envolvendo nióbio, objetivando a divulgação e ampliação do uso deste metal para comercialização de um produto com maior valor agregado (LIMA, 2010).
Os óxidos de nióbio são largamente utilizados como catalisadores seja em sua forma pura ou como um óxido misto. Uma das possíveis formas de encontrar o óxido de nióbio é como pentóxido de nióbio (Nb2O5). Este óxido possui propriedades
de semicondutor e se apresenta como um sólido branco estável ao ar e insolúvel em água, e, dependendo da temperatura de calcinação, pode apresentar sítios ácidos de Bronsted e/ou de Lewis. Apresenta forte polimorfismo, podendo apresentar-se em diferentes estruturas de acordo com a temperatura conforme mostra a Figura 13.
Figura 13: Polimorfismo do pentóxido de nióbio.
Fonte: KO, 1990 adaptada.
Onde TT é chamada fase hexagonal; T é a fase ortorrômbica; M, B e H são fases monoclínicas que diferenciam entre si pela estrutura do tipo rutilo para a fase B, estrutura de lâminas consistindo em blocos octaédricos para a fase H, e a fase M possuindo uma estrutura parecida com a H, mas um pouco menos cristalina.
Na catálise, o nióbio vem sendo estudado devido às suas pronunciadas características para um bom catalisador, como baixo custo, baixa toxicidade, excelente atividade catalítica em reações orgânicas e excelente estabilidade e resistência à corrosão, além de ser quimicamente reativo com lipase (DA RÓS et al., 2010). Conceição et al. (2016) utilizaram óxido de nióbio sulfatado para produção de biodiesel e obtiveram teores de ésteres superiores a 95 % para temperaturas acima de 230 °C e razão otimizada de etanol:óleo de macaúba 120:1. Miranda et al. (2011) utilizaram lipase de Candida rugosa imobilizada em óxido de nióbio por ligação covalente para produção de biodiesel por transesterificação de óleo de babaçu. No entanto, não há muitos relatos da utilização de nióbio como suporte catalítico por
adsorção usado na transesterificação de óleos vegetais para produção de biodiesel (LIMA et al., 2017).
3.4.2. Palha de Milho
O milho é uma das principais commodities agrícolas do Brasil, sendo utilizado na alimentação humana ou animal, ou ainda em indústrias de alta tecnologia (HONORATO et al., 2015). O milho, a soja e o arroz, juntos, respondem por 93,7 % da produção agrícola brasileira, sendo o milho responsavel por 41,1 % dessa produção, de acordo com o Levantamento Sistemático da Produção Agrícola (LSPA), divulgado pelo IBGE em Outubro de 2017. Dessa forma, o Brasil se configura como o terceiro maior produtor mundial deste cereal, perdendo apenas para os EUA e China (FORMIGONI, 2017). Apesar de a previsão para a produção da safra de milho estar vindo numa sequência de reduções, o histórico dos últimos 40 anos de produtividade é de um crescimento médio de 5,8 % por ano (FORMIGONI, 2017; G1, 2018).
Com a grande produção de milho no Brasil e no mundo, os resíduos relacionados a essa cultura são proporcionalmente volumosos, necessitando de um destino adequado. As partes de uma planta de milho são exibidas na Figura 15.
Figura 14: Partes de uma planta de Milho
O resíduo do milho, chamado de stover de milho, é constituído por talo, folha, espiga e palha, com destaque para a palha de milho, que pode ser queimada nas áreas rurais, utilizada como cobertura em solo ou destinada para produção de cigarros e artesanato (LV et al., 2013; MARCONCINI, 2007). Em busca de novos destinos para esse resíduo, pesquisas têm descoberto o grande potencial da palha de milho como material adsorvente devido a sua elevada porosidade, apesar de baixa área específica (0,85 m²g-1 de acordo com Lima (2017)) (CASAGRANDE & ROCHA, 2015).
A palha de milho, como material lignocelulósico, apresenta composição variada de lignina, celulose e hemicelulose, mantendo-se na média de 19, 30 e 40 % respectivamente (ALVES, 2015). O teor total de fibra bruta e de cinzas encontrado por Vieira et al. (2012) é de aproximadamente 35 e 2 %, respectivamente, e o ponto de carga zero, no qual a carga superficial da palha é nula, é de 4,4, de acordo com Honorato et. al (2015).
Com base na elevada capacidade adsortiva dos resíduos de milho, pesquisadores vêm estudando a possibilidade de aplicação destes como suporte na imobilização de enzimas (LV et. al, 2013; COSTA et. al, 2014; COSTA, 2015). LV et.
al (2013) estudaram a utilização de stover de milho como material adsorvente para
lipase, protease e amilase e constataram que a presença de grupamentos hidroxila - devido à elevada quantidade de hemicelulose - e a superfície irregular do material com bastantes flocos e reentrâncias aumentaram a acessibilidade do material à enzima, favorecendo a adsorção. Costa et. al (2014) utilizaram sabugo de milho tratado com hidrólise ácida e obtiveram um rendimento de imobilização de lipase de 62 %, enquanto que Costa (2015), também utilizando sabugo de milho com tratamento por hidrólise alcalina, obteve 70 % de rendimento.