Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/28052

Type: Tese
Title: Obtenção de ésteres de cadeia curta, média e longa com lipases imobilizadas em reações multicompetitivas: estudo preliminar de viabilidade técnico-econômica
Author(s)/Inventor(s): Sousa, Ronaldo Pio Rodrigues de
Advisor: Ferreira-Leitão, Viridiana Santana
Co-advisor: Freire, Denise Maria Guimarães
Abstract: A biocatálise pode ser uma alternativa vantajosa para a obtenção de ésteres de interesse industrial. Contudo, a adoção da biocatálise esbarra tanto em desafios tanto econômicos (custo elevado) quanto tecnológicos no caso específico de síntese de ésteres de menor tamanho de cadeia, nos quais as elevadas concentrações de ácidos e álcoois de cadeia curta podem gerar inibição ou inativação do biocatalisador. Para viabilizar tecnicamente a síntese de ésteres de cadeia curta por biocatálise, este projeto propôs a síntese de ésteres de cadeia curta, média e longa simultaneamente na mesma reação (sistema multicompetitivo) sem a utilização de solventes. As lipases são específicas em relação ao tipo de reação e estão aptas a catalisar esterificações com substratos de diferentes tamanhos de cadeia. Um sistema multicompetitivo de reação contendo os ácidos acético (C2), cáprico (C10) e oléico (C18) reagindo simultaneamente com etanol (C2) e n-octanol (C8) para obtenção de ésteres etílicos e octílicos foi testado em sínteses catalisadas pelos seguintes biocatalisadores comerciais: Novozym 435 (lipase B de Candida antarctica imobilizada em resina acrílica), Lipozyme RM IM (lipase de Rhizomucor miehei imobilizada em resina aniônica) e Lipozyme TL IM (lipase de Thermomyces lanuginosus imobilizada em sílica). Na reação em sistema multicompetitivo catalisada por Novozym 435 em frasco agitado à 50 °C e condição equimolar foi atingido 88,8% de conversão em 4 h de reação. Este resultado foi superior ao observado nas mesmas condições nas sínteses individuais dos ésteres de cadeia mais curta estudados (acetato de etila e acetato de octila). Isto demonstrou que os mesmos efeitos causados pelo solvente (redução da concentração elevada de inibidores, da acidez e da hidrofilicidade do meio) na síntese podem ser obtidos por meio de uma mistura com reagentes de maior hidrofobicidade. Cálculos de produtividade volumétrica e produtividade catalítica indicaram que as reações em sistema multicompetitivo apresentaram métricas iguais ou superiores às sínteses individuais (com 1 ácido e 1 álcool) estudadas. Na busca por condições mais favoráveis ao processo, um protótipo de reator de coluna de bolhas foi desenvolvido visando aumentar a conversão, reduzir o tempo de reação e aumentar o reuso do biocatalisador. Com o protótipo, chegou-se a um resultado de 95,3% de conversão em 3 h de reação na condição de razão molar ácidos:álcoois 1:2, com carga de biocatalisador 1,3% (m/m total). Na condição de razão molar 1:1,3 atingiu-se conversões próximas à 90% em apenas 2 h de reação, e a possibilidade de reusar o biocatalisador por 13 ciclos sequenciais, levando à uma produtividade catalítica elevada (878,8 kg de produto por kg de biocatalisador). Esta condição reacional foi modelada e simulada no software SuperPro Designer v.13, para estudo preliminar da viabilidade técnico-econômica das reações em sistema multicompetitivo. A simulação em um cenário de produção de 6000 ton ano-1 de ésteres, separadamente para comercialização, indicaram um CAPEX de USD 30,5 milhões para instalação da planta e um OPEX anual de USD 37,5 milhões para operação, obtendo um valor presente líquido positivo de USD 90,5 milhões ao longo de 15 anos de projeto e um tempo de retorno de investimento de 1,8 anos, dentro do que é considerado economicamente viável para a indústria química. Considerando a produtividade volumétrica e a produtividade catalítica do processo neste cenário, o custo do biocatalisador (Novozym 435) correspondeu à apenas 13,2% dos custos operacionais anuais. A obtenção biocatalítica dos ésteres etílicos e octílicos em sistema multicompetitivo mostrou-se mais vantajosa do que sua obtenção por reações individuais entre um único ácido e um único álcool catalisadas por lipase imobilizada, apontando para uma tecnologia economicamente viável e sustentável que pode ser adotada para obtenção de outros ésteres.
Abstract: Biocatalysis can be an advantageous alternative for obtaining industrially relevant esters. However, the adoption of biocatalysis for this application faces both economic (high cost) and technological challenges in the synthesis of short-chain esters – high concentrations of short-chain acids and alcohols can generate inhibition or inactivation of the biocatalyst. To achieve feasibility in the biocatalytic synthesis of short-chain esters, this project proposed the synthesis of short-, medium- and long-chain esters simultaneously in the same medium (multicompetitive system) without the need for solvents. Lipases are specific to the type of reaction and can catalyze esterifications with substrates of different chain sizes. A multicompetitive reaction system containing acetic (C2), capric (C10) and oleic (C18) acids reacting simultaneously with ethanol (C2) and n-octanol (C8) to obtain ethyl and octyl esters was evaluated in syntheses catalyzed by commercial biocatalysts: Novozym 435 (Candida antarctica lipase B immobilized onto acrylic resin), Lipozyme RM IM (Rhizomucor miehei lipase immobilized onto anionic resin), and Lipozyme TL IM (Thermomyces lanuginosus lipase immobilized onto silica). The multicompetitive reaction system catalyzed by Novozym 435 at 50 °C and equimolar conditions achieved 88.8% conversion of acids to esters after 4 h in a shaken flask. This result is higher than the obtained in the individual syntheses (1 acid and 1 alcohol) of the shorter chain esters studied (ethyl acetate and octyl acetate) in the same reaction conditions. This demonstrates that the mixture of short-chain reagents with of long and hydrophobic ones promotes the same effects of solvents in the synthesis – reduction of the high concentration of inhibitors, acidity and overall hydrophilicity of the medium. Volumetric productivity and catalytic productivity calculations indicated that the multicompetitive system reaction shows process metrics equal to or higher than the individual syntheses studied. Process improvement included the design and study of a prototype bubble column reactor, aiming to increase conversion, reduce reaction time and increase the biocatalyst reuse. A result of 95,3% conversion was achieved in 3 h of reaction in the bubble-column reactor prototype, adopting acids:alcohols molar ratio 1:2, biocatalyst loading 1.3% (w/w total substrates). Conversions close to 90% were achieved using acids:alcohols molar ratio 1:1.3 in only 2 h; in this condition, the same biocatalyst loading can be reused 13 times, resulting in a high catalytic productivity (878,8 kg of product per kg of biocatalyst). The obtained data was used as input for process design and simulation using SuperPro Designer v.13 software, for preliminary technical-economic study. The base-case was a 6000 tons year-1 esters production plant, isolatedly for commercialization. The simulation output indicated a CAPEX of USD 30,5 million for installation of the plant and an annual OPEX of USD 37,5 million for operation, obtaining a positive net present value of USD 90,5 million over 15 years project lifespan and a payback time of 1.8 years, which is considered economically feasible for the chemical industry. Considering the volumetric productivity and catalytic productivity of the process in this scenario, the cost of the biocatalyst (Novozym 435) corresponded to only 13,2% of the annual operating costs. The biocatalytic production of ethyl and octyl esters in a multicompetitive system is more advantageous than their production by individual reactions between a single acid and a single alcohol catalyzed by immobilized lipase, indicating an economically viable and sustainable technology that can be used to obtain other esters.
Keywords: Biocatálise
Lipases
Ésteres
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: SOUSA, Ronaldo Pio Rodrigues de. OBTENÇÃO DE ÉSTERES DE CADEIA CURTA, MÉDIA E LONGA COM LIPASES IMOBILIZADAS EM REAÇÕES MULTICOMPETITIVAS: estudo preliminar de viabilidade técnico-econômica. 2025. 197 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
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