Aplicação da lipase carica papaya visando à síntese de biodiesel a partir da hidroesterificação de matérias-primas de baixa qualidade

Abstract

A obtenção de biodiesel a partir de matérias-primas de baixa qualidade tornou-se um desafio, pois métodos convencionais de produção requerem óleos ou gorduras com baixo teor de ácidos graxos livres e água. Como resultado, nos últimos anos foram desenvolvidas outras tecnologias alternativas, sendo uma delas a hidroesterificação. Este processo envolve duas etapas (hidrólise e esterificação), que permitem o uso de qualquer matéria-prima independentemente do teor de ácidos graxos livres e água, além de gerar produtos com elevada pureza. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a aplicação da lipase de Carica papaya na síntese de biodiesel a partir da hidroesterificação de matérias-primas de baixa qualidade. A primeira etapa da pesquisa consistiu na caracterização do óleo de palma bruto e do óleo residual de fritura. Nesta fase, as matérias-primas avaliadas foram consideradas de baixa qualidade por apresentar elevados teores de ácidos graxos livres (AGL-PALMA = 6,1% m/m; AGL-OGR = 1,2% m/m), índice de peroxido (IP-PALMA =17,1 meq-g/kg; IP-OGR = 36,0 meq-g/kg) e de água (H2O-PALMA = 1,5% m/m; H2O-OGR = 2,1% m/m). A segunda etapa, envolveu a caracterização do látex bruto de mamão, onde a maior atividade (491,2 U/g) foi alcançada a pH 6 e 8,5 na faixa de 30 a 60 °C. Ademais, observou-se que mais do 70% dessa atividade foi mantida após de 24 h de incubação a pH 8,5 e 35 °C. Na terceira etapa, foram realizadas reações de hidrolise, empregando um planejamento fatorial completo 2^3 e ampliado para metodologia de superfície de resposta. Os maiores teores de ácidos graxos livres obtidos foram de 43,6% m/m (eficiência = 83,7%) para óleo de palma e de 60,7% m/m (eficiência = 98,9%) para o óleo residual, atingidos a 35 °C, razão mássica tampão/óleo 0,22 (1,1 g/5,0 g), tampão Tris-HCl 0,18 mol/L (pH 8,5) e carga enzimática de 137 U/g (27,5% m/m) durante 24 h de reação. Em seguida, foi efetuada a esterificação destes ácidos graxos via catálise ácida e enzimática. O teor de éster obtido foi de 43,3% m/m (eficiência = 99,3%) e 32,1% m/m (eficiência = 87,0%) para o óleo de palma e de 53,7% m/m (eficiência = 89,3%) e 41,1% m/m (eficiência = 69,2%) para o óleo residual na catalise acida e enzimática, respectivamente. Finalmente na quarta etapa, visando a comparação dos resultados obtidos com outras rotas de produção, foram realizadas reações de transesterificação alcalina, transesterificação enzimática e hidroesterificação subcrítica/enzimática. Nesta fase, confirmou-se que a eficiência na hidroesterificação usando sistemas catalíticos, não catalíticos ou mistos não depende da qualidade da matéria-prima (eficiência > 60%). Caso contrário aconteceu na transesterificação alcalina, onde a eficiência foi afetada pelo teor de ácidos graxos (E-PALMA = 5,3%; E-OGR = 81,8%) e na enzimática pela inibição da enzima provocada pelo excesso de metanol (E-PALMA = 14,2%; E-OGR = 12,0%). Desta maneira, os resultados deste estudo forneceram informações interessantes sobre a aplicação da lipase de Carica papaya na hidrólise e esterificação de matérias-primas de baixa qualidade, uma enzima pouco descrita na literatura com potencial de aplicação em diferentes setores industriais.

The production of biodiesel from low-quality raw materials has become a challenge because conventional production methods require oils or fats with low free fatty acids and water. As a result, in recent years we have developed alternative technologies, one of the hidroesterificação. This process involves two steps, fatty acid hydrolysis followed by esterification, which allows the use of any raw material regardless of the free fatty acid and water content, as well as generating high purity products. In this context, the objective of this work was to evaluate the application of Carica papaya lipase in biodiesel synthesis from the hydroesterification of low quality raw materials. The first stage of the research consisted of the characterization of crude palm oil and frying waste oil. At this step, the raw materials evaluated were considered poor quality because it has high levels of free fatty acids AGL-PALMA = 6.1% w/w; AGL-OGR = 1.2% w/w), peroxide value (IP-PALMA = 17.1 meq-g/kg; IP-OGR = 36.0 meq-g/kg) and water (H2O-PALMA = 1.5% w/w; H2O-OGR = 2.1% w/w). The second stage involved the characterization of crude papaya latex, where the greatest activity (491.2 U/g) was achieved at pH 6 and 8.5 in the range 30 to 60 °C. Moreover, it was observed that over 70% of this activity was maintained after 24 h of incubation at pH 8.5 and 35 °C. In the third stage, hydrolysis reactions were performed using a complete 2^3 factorial design and expanded for response surface methodology. The highest levels of free fatty acids obtained were 43.6% w/w (efficiency = 83.7%) for palm oil and 60.7% w/w (efficiency = 98.9%) for waste oil, reached at 35 °C, buffer/oil mass ratio 0.22 (1.1 g / 5.0 g), Tris-HCl buffer 0.18 mol/L (pH 8.5) and enzymatic load of 137 U/g (27.5% w/w) during 24 h reaction. Then, the esterification of these fatty acids was performed by acid and enzymatic catalysis. The ester content obtained was 43.3% w/w (efficiency = 99,3%) and 32.1% w/w (efficiency = 87,0%) for palm oil and 53.7% w/w (efficiency = 89.3%) and 41.1% w/w (efficiency = 69,2%) for waste oil in acid and enzymatic catalysis, respectively. Finally, in the fourth stage, in order to compare the results obtained with other production routes, alkaline transesterification, enzymatic transesterification and subcritical/enzymatic hydroesterification reactions were performed. At this step it was confirmed that the efficiency of hydroesterification using catalytic, non-catalytic or mixed systems does not depend on the quality of the raw material (efficiency > 60%). Otherwise it happened in alkaline transesterification, where the efficiency was affected by fatty acid content (E-PALMA = 5.3%; E-OGR = 81.8%) and in enzymatic by the enzyme inhibition caused by excess methanol (E-PALMA = 14.2 %; E-OGR = 12.0%). Thus, the obtained results provided important information about the application of Carica papaya lipase in the hydrolysis and esterification of low quality raw materials, an enzyme little described in the literature with potential application in different industrial sectors.