Transesterificação enzimática e supercrítica

As enzimas são em sua grande maioria, proteínas que desempenham o papel de catalisar reações químicas nos organismos (Voet et al., 2000) e são encontradas em células animais ou de plantas, bem como em microorganismos.

A aplicação desses biocatalisadores em processos de escala industrial é objeto de inúmeras investigações, devido principalmente à especificidade, à regioseletividade e à enantioseletividade que permitem que as reações por elas catalisadas tenham uma pequena quantidade de produtos, baixos custos no tratamento dos resíduos e condições brandas de pressão e de temperatura no decorrer da reação (Lehninger et al. 2002).

A enzima utilizada nas reações de produção de biodiesel são as lipases (glicerol éster hidrolase EC 3.1.1.3). As lipases são enzimas que catalisam a hidrólise de acilgliceróis em ácidos graxos, diacil gliceróis, monoacil gliceróis e glicerol (transesterificação ou alcoólise) (Mahadik et al., 2002) e são produzidas intra ou extracelularmente em diversos microrganismos, tais como fungos Candida rugosa, Candida antarctica, Thermomyces lanuginosus, Rhizomucor miehei e bactérias Bukholdeira cepacia, Pseudomonas alcaligenes, Pseudomonas mendocina, Pseudomonas fluorencens, Chromobacterium viscosum, dentre inúmeros outros. O interesse do estudo da utilização das lipases em reações de produção de biodiesel é referente ao fato destas enzimas apresentarem boa atividade catalítica, mesmo em substratos que contenham elevado teor de ácidos graxos livres e elevado teor de água, tais como os óleos residuais de fritura. Costa Neto (2002) estudou a produção de biodiesel a partir do óleo de soja puro e degomado e a partir de óleos residuais de fritura, utilizando lipase de Candida rugosa imobilizada em carvão ativo da casca de coco, de pinus, bauxita ativada e por aprisionamento em gel de ágar. Ainda segundo Costa Neto (2002), o ágar foi o meio de imobilização que se mostrou mais adequado, inclusive, com possibilidade de reutilização, sem que ocorresse uma perda significativa no rendimento da reação. Contudo, a sua aplicabilidade em nível industrial fica bastante comprometida devido aos baixos rendimentos e aos elevados tempos de reação, quando comparados a rota catalítica básica homogênea, além do custo que, segundo

Kroumov et al. (2007), será uns dos principais desafios para viabilizar sua utilização industrialmente na produção de biodiesel.

Alguns estudos analisaram a imobilização das enzimas de forma que seja possível a reutilização destas. Segundo Soumanou e Bornscheuer (2003), a reutilização da lípase de R. miehei imobilizada em fosfato de potássio pode ocorrer por até cinco vezes sem que ocorra uma perda significativa da atividade da enzima. A imobilização confere as enzimas uma maior resistência às condições do sistema reacional, minimizando a desnaturação e ainda facilitam a recuperação destas do sistema reacional (Duran et al, 2002).

Hama et al. (2007) imobilizaram células do fungo Rhizopus oryzae e utilizaram como leito catalítico de um bioreator que operava em forma de um ciclo: os reagentes saiam do reservatório, passavam pelo reator e retornavam para o reservatório, completando o ciclo. Foram utilizados óleo de soja e metanol. Como lipase catalisa a reação na interface fase hidrofóbica fase hidrofílica (Nielsen et al., 1990), água foi adicionada ao sistema, sendo verificada o efeito da emulsificação no rendimento da reação: a emulsificação aumentava o rendimento da reação em torno de 10%. A reação ocorreu na temperatura de 30ºC mantendo-se a razão molar álcool/óleo em 1 para evitar inativação da enzima, e acrescentando-se mais metanol à medida que a reação transcorria. A conversão máxima encontrada foi de 90,9% em 50 horas de operação.

Teores elevados de água favorecem a reação de hidrólise dos triglicerídeos que compete com a reação de transesterificação. A reação de hidrólise produz ácidos graxos livres que podem ser convertidos em ésteres alquílicos através da reação de esterificação. No entanto, a reação de esterificação é favorável em baixos teores de água. Assim, a determinação de quantidades ótimas de água é importante para minimizar a hidrólise e maximizar a atividade enzimática para reação de transesterificação.

Investigações sobre o efeito inibidor do álcool nas enzimas são encontradas em Kaieda et al. (1999), Samuka et al. (2000) e Noureddini et al. (2005), por exemplo. Soumanou e Bornscheuer (2003) estimaram que a razão molar álcool/óleo capaz de inativar enzimas lipase é acima de 3:1 e Al-Zuhair et al. (2007) confirmaram

esse valor experimentalmente. Uma maneira de se utilizar razões de álcool/óleo acima de 3 na reação e evitar que ocorra a inativação da enzima é utilizar o procedimento adotado por Dizge e Keskinler (2008) e Hama et al. (2007) que adicionaram o álcool ao sistema reacional paulatinamente.

A temperatura tem efeito importante no rendimento da reação utilizando lipases. A taxa de reação aumenta com o aumento da temperatura até um limite (que é a temperatura de desnaturação da enzima) e, em seguida, ocorre redução na taxa de reação e no rendimento (Al-Zuhair et al., 2007). Muitos trabalhos têm encontrado que a temperatura ótima para a reação está em torno de 40ºC (Soumanou e Bornscheuer, 2003; Dizge e Keskinler, 2008; Al-Zuhair et al., 2007; Noureddini et al. 2005), porém, cada enzima possui uma temperatura específica de atividade ótima, que deve ser caracterizada para cada processo.

Soumanou e Bornscheuer (2003) e Nie et al. (2006) compararam a atividade da lipase imobilizada em vários solventes orgânicos e concluíram que em solventes apolares obtêm-se maiores conversões.

Apesar de muitos trabalhos sobre o levantamento cinético para enzimas serem para esterificação (produção de ésteres alquilicos a partir de ácidos graxos livres) e não para transesterificação (Al-Zuhair et al., 2007), o interesse industrial é na conversão de triglicerídeos em ésteres e não ácidos graxos livres em ésteres porque é o substrato mais disponível, salvo quando o substrato utilizado são óleos ou gorduras com alto teor de ácidos graxos livres. Em Al-Zuhair et al. (2007) é encontrada uma proposta detalhada para o mecanismo de transesterificação enzimática do óleo de soja utilizando a lípase Mucor miehei além de um modelo matemático para a cinética que, segundo os autores, poderá ser utilizado na modelagem de bioreatores em batelada ou contínuo. A Tabela 2.6 relaciona alguns trabalhos realizados com enzimas assim com os principais parâmetros reacionais.

Tabela 2.6 – Alguns trabalhos com enzima.

Óleo Álcool Lipase Tempo Razão

molar álcool/óleo T (ºC) Rendimento Referência Óleo de amêndoa do dendê etanol Candida antarctica imobilizada 6h 3 40 77,5 Óleo de amêndoa do dendê etanol Rhizomucor miehei imobilizada 6h 10 40 58,3 Oliveira e Oliveira (2001)

soja etanol Pseudomonas

cepacia imobilizada

1h 15,2 35 65,0

soja metanol Pseudomonas

cepacia imobilizada 1h 7,5 35 67,0 Noureddini et al. (2005) Pinhão manso etanol Pseudomonas cepacia imobilizada 8h 4 50 98,0 Shah e Gupta (2007)

Mamona etanol Rhizomucor

miehei imobilizada

6h 3 65 100,0 Oliveira et

al. (2004)

Canola metanol T lanuginosus

imobilizada 24h 6 40 90,0 Dizge e

Keskinler (2008)

Na reação supercrítica, álcool e triglicerpideos reagem formando ésteres alquílicos sem utilização de catalisador, mas são realizadas sob condições supercríticas com temperatura e pressão na faixa de 45-65 MPa e 350-400ºC, respectivamente, o que torna esse processo inviável industrialmente (Cao et al. 2005). Segundo Han et al. (2005), além da não utilização de catalisador, a reação supercrítica não necessita de equipamento de homogeneização dos reagentes, pois se apresentam em uma única fase. Além disso, a presença de ácidos graxos livres não é um fator limitante para sua utilização (Kusdiana e Saka, 2001) e nem água (Kusdiana e Saka, 2001). Além do tempo de reação ser menor que na catálise homogênea (Masdras et al., 2004), a parte de purificação do biodiesel necessita de menor quantidade de operações unitárias, pois não tem a presença de

catalisador e nem sabão para ser retirado. No entanto, segundo Cao et al. (2005), elevadas pressões e temperatura ocasionam elevados custos de processo e de equipamento, mas de acordo com Saka e Kusdiana (2001), o custo de produção do biodiesel supercrítico é inferior ao obtido pela catálise homogênea, além de possuir menor gasto de energia por litro de biodiesel produzido .