Biocatálise na produção de biodiesel
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4. Fatores que afetam a produção de biodiesel usando lipase imobilizada
4.1. Pré-tratamento de lipase imobilizada
A maioria das lipases está disponível comercialmente em forma de pó. Antes da imobilização é necessário dissolver a enzima em um meio de acoplamento. O meio de acoplamento utilizado pode influenciar na atividade da lipase, podendo ser aquoso ou não aquoso. A taxa mais alta de conversão foi obtida quando um meio não aquoso de acoplamento (heptano) foi usado para imobilização de Candida sp. numa resina (Yang et al., 2006).
O tratamento das lipases com solventes orgânicos polares modifica a conformação das mesmas, passando de uma forma menos hidrofóbica (o sítio ativo no interior da estrutura da enzima está encoberto) para uma forma mais hidrofóbica (sítio ativo exposto), favorecendo a ligação da lipase ao substrato hidrofóbico (Chamorro et al, 1998; Colton et al, 1995). Esta pode ser a possível razão para uma maior taxa de conversão em biodiesel, quando o heptano é utilizado como meio de acoplamento.
Por outro lado, a ativação da enzima imobilizada pode ser reforçada por meio de um pré-tratamento da lipase com oleato de metila e óleo de soja (Samukaw et al, 2000;. Dong et al, 2006). O pré-tratamento da lipase imobilizada de Candida antartica com isopropanol também mostrou maior conversão para éster metílico. Entretanto, a utlização de meios de acoplamento não aquosos aumenta o custo de produção do biodiesel.
4.2. Matéria-prima
Além dos óleos vegetais in natura, há uma grande quantidade de óleos residuais de restaurantes e gorduras de origem animal, que podem ser convertidos em biodiesel. O problema com o processamento dos óleos já utilizados (de baixo custo) e das gorduras é o elevado teor de ácidos graxos livres que eles possuem e que não podem ser convertidos em biodiesel, utilizando-se um catalisador alcalino (Canakci e Gerpen, 2001). Porém isto é possível utilizando-se lipases imobilizadas. O aproveitamento de óleos vegetais já utilizados (óleo de cozinha) para a produção de biodiesel pode reduzir o custo de produção e representar uma redução importante no impacto ambiental, quanto ao descarte desses óleos.
4.3. Enzima
O mecanismo da lipase envolve a tríade aminoacídica catalítica (Asparagina-Histidina-Serina) agindo como um sistema de carga do tipo “relé” (Bommarius e Riebel-Bommarius 2000). A principal função das lipases (éster hidrolases triacilgliceróis EC 3.1.1.3) é catalisar a hidrólise de triacilgliceróis (TAG) de cadeia longa. Ao contrário de muitas outras enzimas, as lipases apresentam notáveis níveis de atividade e estabilidade em ambientes não aquosos, o que facilita a catálise de diversas reações não naturais, tais como a esterificação e a transesterificação.
A relação entre as estruturas das lipases e sua capacidade catalítica foi estudada por Cecilia et al. (2007). A estrutura geral das triacilglicerol-lipases (Figura 1) possui um resíduo de serina ativa num local da molécula chamado de cotovelo catalítico. Acima da serina uma “fenda hidrofóbica” está presente ou é formada após a ativação da enzima (Svendsen, 2000). A fenda hidrofóbica é um “bolso” alongado apropriado para o encaixe do local de ligação do substrato à enzima.
A ativação, que muitas vezes é necessária para a enzima lipase, é a abertura desse “bolso” reativo. Nas lipases derivadas de Thermomyces lanuginosus existe um sítio ativo e uma “tampa” na superfície da enzima. Em bactérias do gênero Pseudomonas e em Candida antarctica a lipase apresenta um sítio ativo e uma “tampa” em forma de funil. A lipase de Candida rugosa tem um sítio ativo no interior de um “túnel” que possui a “tampa” em sua parte externa (Pleiss et al., 1998). As peculiaridades estruturais das lipases, em função dos diferentes organismos a partir dos quais são obtidas, é uma das razões que explicam a diferença em suas atividades frente aos diferentes substratos.
Lipases imobilizadas de diversas fontes de microrganismos foram utilizados na produção de biodiesel (Tabela 1). A lipase de Candida antartica foi selecionada pela maioria dos pesquisadores, pela sua eficiência comparativa. Outras fontes de lipases utilizadas foram obtidas de Pseudomonas florescens, P. cepacia, Burkholderia cepacia, Rhizomucor miehei, Chromobacterium viscosum, Porcine pancreas e Thermomyces lanuginosus.
Turkan e Kalay (2006) estudaram o mecanismo de ação das lipases na produção de biodiesel do óleo de girassol, usando três diferentes lipases imobilizadas. Os autores concluiram que lipase de R. miehei e de T. lanuginosus catalisam mais rapidamente o primeiro passo de transesterificação (conversão de triacilglicerídeo para diacilglicerídeo). Considerando que a lipase imobilizada de C. antarctica catalisa o segundo passo (conversão de diacilglicerídeo para monoacilglicerídeo) e o terceiro passo (conversão de monoacilglicerídeo para aciléster) de forma mais rápida, esses autores sugeriram o uso de um sistema enzimático duplo para a produção de biodiesel.
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4.4. Acil receptores
Normalmente, um álcool é utilizado como receptor acil nas reações de transesterificação dos triglicerídeos de óleos vegetais para produção de biodiesel, pela maioria dos pesquisadores (Tabela 1). Entre os álcoois, metanol e etanol são os mais utilizados. A utilização de 2-butanol (Salis et al., 2005.) e de 2-propanol (Mukesh et al., 2006) também foi relatada como sendo esses álcoois potenciais acil receptores. Além dos álcoois, o acetato de metila (Du et al., 2005) e o acetato de etila (Mukesh et al., 2007) também foram utilizados como receptores. Estes autores demonstraram que lipases imobilizadas são inativadas por álcoois lineares de cadeia curta.
O grau de inativação é inversamente proporcional ao número de átomos de carbono dos álcoois (Chen e Wu, 2003). A adição de solventes orgânicos foi proposta como uma maneira para se superar esse problema. Nelson et al. (1996) utilizaram o hexano para evitar inativação de lipases pelos álcoois (acil receptores). Outros solventes testados incluem: éter, isooctano, 2-propanol, tetrahidrofurano e t-butanol (Orçaire et al, 2006; Mittelbach et ai, 1990; Iso et al, 2001; Talukder et al, 2006; Rayon et. al., 2007). Sung et al. (2007) estudaram o emprego de líquidos iônicos como solventes, enquanto Oliveira et al. (2001) e Vivek & Giridhar (2007) relataram o uso de CO2 supercrítico como solvente, obtendo, após a despressurização do sistema, produtos sem vestígios de solvente.
Apesar desta vantagem, a utilização de solventes é contraindicada pela maioria dos autores que estudaram a sua inclusão no processo, pois requer a adição de uma unidade de recuperação de solvente e uma unidade de pressão às plantas de produção de biodiesel, o que encarece o processo de produção.
A adição gradual de álcool também foi utilizada para evitar a inativação das lipases (Shimada et al., 2002). Talukder et al. (2007) usaram uma solução salina para controlar a concentração de metanol na fase oleosa, dissolvendo o metanol em cloreto de magnésio (MgCl2) e cloreto de lítio (LiCl). O metanol foi liberado de acordo com seu coeficiente de particionamento entre as fases oleosa e aquosa da solução salina. O glicerol produzido durante o processo se dissolveu na fase salina, eliminando a deposição de glicerol sobre a lipase imobilizada. No entanto, o uso de soluções de sal pode gerar maior quantidade de águas residuais, o que aumenta os custo de produção do biodiesel, quando as soluções salinas são utilizadas no processo.
Uma lista de estudos com a produção de biodiesel, utilizando lipases imobilizadas, pode ser observada na Tabela 2.
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4.5. Conteúdo de água
Os biocatalisadores necessitam de uma quantidade mínima de água para manter sua atividade (Bommarius e Riebel-Bommarius, 2000). As lipases possuem a característica única de atuar na interface entre uma fase aquosa e uma orgânica. A ação interfacial da lipase deve-se a atividade catalítica, que geralmente depende da agregação dos substratos. A quantidade de água disponível para formar gotículas de óleo-água aumenta a área interfacial disponível (Al-Zuhair et al., 2006). Entretanto, as lipases também catalisam reações de hidrólise, geralmente em meio aquoso, mas o excesso de água pode estimular reações concorrentes da hidrólise, perturbando o sistema e originando produtos indesejáveis. O teor de água ideal representa um equilíbrio entre a minimização da hidrólise e a maximização da reação de transesterificação (Noureddini et al., 2005).
Vários pesquisadores relataram o efeito da água na produção de biodiesel utilizando biocatálise. Com adição de maior quantidade de água houve um aumento na produção de éster. Entretanto,alguns pesquisadores relataram que com a adição de água, a produção de éster diminuiu (Shimada et al., 1999; Talukder et al., 2006). A quantidade de água que deve ser mantida na produção de biodiesel, utilizando lipases imobilizadas, depende: 1) da matéria-prima - por exemplo o teor de água utilizado quando se produz biodiesel a partir de óleo de cozinha já usado é diferente de quando se utiliza óleo vegetal refinado, 2) da fonte de lipase - algumas lipases comerciais estão disponíveis na forma de pó, que deve ser dissolvido no meio de acoplamento, antes do processo de imobilização, 3) da técnica de imobilização - algumas técnicas de imobilização envolvem o uso de água e 4) do tipo de receptor de acila.
4.6. Processos
O biodiesel pode ser obtido por meio de três processos, quais sejam: por lotes, contínuo e por batelada. Os reatores comumente usados são: tanque com agitação, reator de leito fixo, reator de leito fluidizado e reator de membrana. O tipo de reator a ser selecionado para uso de lipases imobilizadas depende da natureza da enzima. A estabilidade mecânica da enzima imobilizada deve ser considerada, quando se utiliza um reator de tanque com agitação. A queda de pressão e as limitações de difusão interpartículas devem ser consideradas, quando se utiliza um reator de leito fixo (Balcão et al., 1996). Este tipo de reator é utilizado em larga escala, devido à sua alta eficiência, baixo custo e facilidade de construção e operação (Malcata et al., 1990).
Na produção de biodiesel por lipases imobilizadas, a maioria dos pesquisadores utilizou o processo por lotes, em reator de tanque com agitação. Entretanto, Royon et al. (2007), Hsu et al. (2004) e Watanabe et al. (2000) utilizaram o processo contínuo, com reatores de leito fixo e relataram o efeito da vazão sobre a produção de biodiesel, pois o glicerol produzido, durante a reação, diminui a taxa de reação da lipase imobilizada. A taxa de conversão pode ser melhorada se o glicerol for retirado do ambiente de reação (Watanabe et al., 2000). Isso pode ser feito continuamente, utilizando-se um reator de membrana (Chen e Wu, 2003; Bélafi-Bako et al., 2006), mas uma das limitações de se utilizar o reator de membrana é o seu custo elevado, em comparação com os demais processos.
4.7. Cinética da produção de biodiesel utilizando enzimas imobilizadas
É essencial compreender a cinética da reação para identificar as condições ideais para transestericação catalisada por lipases. Apenas um número limitado de estudos cinéticos são encontrados na literatura para a produção de biodiesel utilizando lipases imobilizadas. Xu et al. (2004) relataram a cinética enzimática da produção de biodiesel por interesterificação de óleo de soja com acetato de metila, catalisada por lipases, e propuseram um modelo considerando a presença de três reações consecutivas e reversíveis. As constantes de velocidade para as três reações consecutivas de triacilglicerídeo para aciléster foram calculadas e os resultados indicaram que a reação da primeira etapa (de triacilglicerídeo para diacilglicerídeo) foi a etapa limitante para a reação global. As equações propostas e as constantes de velocidade calculadas estão sumariadas na Tabela 3.
Dossat et al. (2002) propuseram um modelo baseado no paradigma “Ping-Pong Bi Bi”, com mecanismo de inibição competitiva pelo álcool, para descrever a cinética enzimática de transesterificação, enquanto Al-Zuhair (2005) propôs um modelo cinético para a produção de biodiesel por dois tipos de lipases (lipase de Rhizomucor miehei imobilizada em resinas de troca iônica e lipase de Thermomyces antarctica imobilizada em sílica-gel). Houve concordância entre os resultados experimentais da taxa inicial de reação e os valores preditos pelas equações do modelo proposto, para ambas as enzimas. A equação do modelo proposto (Tabela 3) pode ser usada para prever a taxa de metanólise de óleos vegetais em processos por lote de matéria prima, ou pelo processo contínuo.
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5. Conclusões
O biodiesel, como todo biocombustível, é uma resposta à pressão da sociedade por alternativas de energia limpa e renovável. Portanto, quanto menor o uso de energia fóssil ou de materiais não renováveis para sua obtenção, tanto melhor será a percepção social de que se trata, efetivamente, de um produto que atende ao desejo da sociedade. Este fato contribui para solidificar as políticas públicas e garantir o apoio dos cidadãos, o que também amplia o mercado voluntário de biodiesel.
A produção convencional de biodiesel por catalisadores químicos consome mais energia, resulta em produtos secundários indesejáveis, requer tratamento de águas residuais e torna difícil a recuperação do glicerol. A produção de biodiesel por meio de enzims imobilizadas supera essas dificuldades e possibilita que a operaração de produção seja realizada em condições menos agressivas ao meio ambiente. A produção de biodiesel utilizando lipases imobilizadas tem apresentado resultados promissores em escala de bancada de laboratório, e o desenvolvimento de estudos em escala piloto é essencial para se atingir a escala comercial.
As lipases imobilizadas podem fornecer uma taxa de conversão de éster mais alta, em um período mais curto, desde que a mesma seja resistente ao álcool, e um reator de leito fixo contínuo, que apresenta alta eficiência, baixo custo e facilidade de construção, operação e manutenção pode ser usado.
A imobilização de lipases utilizando técnicas combinadas deve ser melhor explorada para substituir os catalisadores sólidos.
O uso de biocatalisadores torna-se econômicamente proibitivo, quando uma enzima é usada na forma livre, o que torna impossível a sua recuperação. A imobilização não só aumenta a estabilidade da enzima, como favorece a sua reutilização, reduzindo os custos de produção. A seleção de técnicas adequadas de imobilização é importante para garantir a eficácia do uso das enzimas, sem perdas. O desafio é, justamente, desenvolver um processo de biocatálise economicamente competitivo, de maneira a incorporar as vantagens citadas para a produção de biodiesel.
O uso de polímeros naturais como matriz para imobilização de lipases, na produção de biodiesel, ainda necessita ser aprimorado, embora tenha apresentado resultados promissores em outros campos, como na produção de alimentos e na indústria farmacêutica. O uso do etanol como receptor de acil pode tornar o biodiesel “mais verde”, mas a quantidade utilizada deve ser menor do que o limite de solubilidade na mistura, de modo que ele não esteja presente ao final do processo. Para tanto, a adição gradual de álcool pode manter a sua concentração abaixo do nível crítico.
Finalmente, estudos devem ser incentivados para superar os problemas técnicos e operacionais identificados na utilização de lipases para reduzir seus custos, de forma a permitir sua utilização em processos industriais de larga escala.
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Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja.
