Síntese enzimática de acetato de geranila empregando biorreatores do tipo airlift, leito fixo e tanque agitado

Abstract

As plantas têm sido utilizadas como agentes terapêuticos desde a antiguidade para tratar diversas enfermidades, graças aos seus efeitos benéficos à saúde e à sua eficácia no combate a infecções, atribuída aos ésteres presentes em sua composição. O estudo da síntese enzimática de ésteres com capacidade antimicrobiana é, portanto, de grande importância. Ésteres derivados do geraniol, como o acetato de geranila, destacam-se por suas propriedades aromatizantes, antiinfecciosas e bactericidas, além de serem amplamente aplicáveis devido à sua baixa toxicidade. Essas biomoléculas podem ser obtidas por meio de esterificação enzimática utilizando lipases imobilizadas. Nos bioprocessos que empregam enzimas imobilizadas, a configuração do biorreator e a seleção de condições operacionais adequadas são essenciais para otimizar o desempenho do biocatalisador, aumentar a viabilidade e a eficiência do processo. Desta forma, este projeto teve como objetivo utilizar diferentes biorreatores para a produção de acetato de geranila a partir de esterificação do geraniol com ácido acético (razão molar 3:1, respectivamente) livre de solvente empregando lipase de Candida antarctica B imobilizada (Novozym 435®) como biocatalisador. Os biorreatores avaliados foram: tanque agitado (STR), leito fixo (PBR), airlift de tubos concêntricos (ARF) e leito fixo em airlift (LF-ARF). Sendo este trabalho pioneiro na aplicação dos reatores ARF e LF-ARF na síntese de éster de geraniol. Inicialmente, foram fabricados aparatos para modificação geométrica dos biorreatores com o objetivo de otimizar a hidrodinâmica, utilizando uma impressora 3D. Em seguida, foi caracterizada a hidrodinâmica dos reatores. No reator airlift, o melhor tempo de mistura (𝑡𝑚) foi obtido com uma vazão de ar de 2 vvm para todas as cargas de sólidos (Novozym 435®) estudadas. Para uma rotação de 92 rpm, o 𝑡𝑚 do STR foi de 38 s. No leito fixo em airlift, a vazão de ar ideal foi de 1,75 vvm, proporcionando um tempo de residência (𝑡𝑟) estimado de 18,21 s. No PBR uma a vazão de alimentação de 0,1 mL/min proporcionou um 𝑡𝑟 de 167,61 min. Sequentemente, foram realizadas reações de esterificação em modo contínuo em PBR, na presença e ausência de peneiras moleculares, para avaliar sua eficácia na remoção da água gerada durante o processo. Os resultados indicaram uma conversão em produto próxima a 100% m/m em diferentes condições de vazão (0,1 e 0,2 mL/min), tanto na presença quanto na ausência das peneiras moleculares. Assim, o uso dessas peneiras não se mostrou benéfico, sendo mais vantajoso realizar a síntese contínua de acetato de geranila sem sua utilização. Posteriormente, foram conduzidas reações em batelada nos reatores airlift, utilizando 1% e 2% m/m de Novozym 435® em relação aos substratos, com vazões de ar de 0,5, a 3 vvm; em STR com 1% m/m de biocatalisador a 92 rpm; e com 4% m/m no leito fixo em airlift a 1,75 vvm. No reator airlift, a melhor condição foi obtida com 2 vvm e 2% m/m de biocatalisador, resultando em 100% de conversão de acetato de geranila em 3 h. O STR alcançou um máximo de 90% de conversão em 9 h de reação na condição estudada. O LF-ARF também demonstrou grande potencial, atingindo 100% de conversão em 2 h e 30 min, com baixo cisalhamento do biocatalisador (90% de atividade relativa após 24 h de reação). Assim, os biorreatores de leito fixo, airlift e leito fixo em airlift mostram-se altamente eficientes para a produção do acetato de geranila. Essas abordagens tornam o trabalho promissor, conferindo-lhe um potencial inovador e viabilidade para aumento de escala de esterificações enzimáticas.

Abstract: Plants have been used as therapeutic agents since ancient times to treat various ailments, owing to their health-promoting effects and efficacy in combating infections, attributed to the esters present in their composition. The study of the enzymatic synthesis of esters with antimicrobial activity is therefore of significant importance. Esters derived from geraniol, such as geranyl acetate, stand out for their aromatic, anti-infective, and bactericidal properties, as well as their wide applicability due to their low toxicity. These biomolecules can be obtained through enzymatic esterification using immobilized lipases. In bioprocesses employing immobilized enzymes, the configuration of the bioreactor and the selection of appropriate operating conditions are essential for optimizing biocatalyst performance and enhancing process feasibility and efficiency. This project aimed to investigate the production of geranyl acetate using different bioreactor systems via solvent-free esterification of geraniol and acetic acid (molar ratio 3:1), employing immobilized Candida antarctica lipase B (Novozym 435®) as a biocatalyst. The evaluated bioreactors included: stirred tank reactor (STR), packed bed reactor (PBR), concentric-tube airlift reactor (ARF), and packed bed airlift reactor (LF-ARF). This study is pioneering in applying the ARF and LF-ARF configurations for the synthesis of geraniol esters. Initially, geometric modifications were made to the bioreactors to optimize hydrodynamics, using 3D-printed components. The hydrodynamic characterization of the reactors was then performed. In the airlift reactor, the best mixing time ( ) was achieved at an air flow rate of 2 vvm for all solid loadings of Novozym 435® tested. For the STR, operating at 92 rpm, a of 38 s was observed. In the LF-ARF, an optimal air flow rate of 1.75 vvm yielded an estimated residence time ( ) of 18.21 s. In the PBR, a feed flow rate of 0.1 mL/min resulted in a tᵣ of 167.61 min. Subsequently, continuous esterification reactions were carried out in the PBR, both in the presence and absence of molecular sieves, to evaluate their effectiveness in removing water generated during the reaction. The results showed product conversions close to 100% (w/w) under different flow conditions (0.1 and 0.2 mL/min), regardless of the presence of molecular sieves. Therefore, the use of such sieves was not advantageous, with the esterification process proving more convenient without them. Batch reactions were then performed in the airlift reactors using 1% and 2% (w/w) Novozym 435® relative to substrates, with air flow rates ranging from 0.5 to 3 vvm; in the STR using 1% (w/w) biocatalyst at 92 rpm; and in the LF-ARF using 4% (w/w) biocatalyst at 1.75 vvm. The best result in the airlift reactor was achieved with 2 vvm and 2% (w/w) biocatalyst, obtaining 100% geranyl acetate conversion within 3 hours. The STR achieved a maximum of 90% conversion after 9 hours under the studied condition. The LF-ARF also showed great potential, reaching 100% conversion in 2.5 hours, with minimal biocatalyst shear (maintaining 90% of its relative activity after 24 hours). Thus, packed bed, airlift, and packed bed airlift bioreactors demonstrated high efficiency in the production of geranyl acetate. These approaches make the work promising, offering innovative potential and feasibility for scaling up enzymatic esterification processes.