Estudos experimentais e teórico-computacionais de novos complexos nanozeólitas-enzimas empregados na produção de biocombustíveis

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Miller, Alex Henrique [UNESP]
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Nanozeólita; Lipase; Imobilização; Biocombustíveis; Bioinformática; Immobilization; Biofuels; Bioinformatics
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/11449/138348

A busca por fontes alternativas de energia e/ou a valorização das existentes (principalmente de caráter “limpo”) é tema amplamente discutido nos setores científicos e industriais, com ênfase aos processos catalíticos envolvidos na conversão de biomassa a biocombustíveis e/ou outros produtos de interesse de diversos setores industriais, e foi a base motivacional deste trabalho. O principal objetivo do presente trabalho foi a obtenção de biocatalisadores heterogêneos a partir da imobilização de lipases em nanozeólita faujasita (FAU) após troca iônica com o metal de transição Ni2+, e o uso dos complexos nanozeólita-enzima em reações de transesterificação do óleo de Microalgas em ésteres etílicos (FAEEs). Inicialmente, foi sintetizada a nanozeólita FAU (NaX-Na+), seguida da sua troca iônica com soluções de sulfato de níquel (0,5M) encubadas a 80°C por 3 dias (3D), formando o material denominado NaX-Ni2+(0,5M-3D). Os materiais obtidos tiveram suas estruturas cristalográficas confirmadas por Difração de Raios X (DRX). Após os experimentos de troca-iônica, os materiais foram utilizados para imobilização das lipases fungicas de T. lanuginosus (TLL), R. miehei (RML), C. rugosa (CRL) e de C. antarctica B (CALB), e foram denominados NaX-Ni2+(0,5M-3D)-TLL,Ni2+(0,5M-3D)-RML, Ni2+(0,5M-3D)-CRL e Ni2+(0,5M-3D)-CALB respectivamente. As atividades lipolíticas desses complexos foram determinadas a partir da hidrólise de azeite de oliva emulsificado, sendo encontrados os valores de 850, 550, 425 e 50 U/g respectivamente. Objetivando-se a otimização da produção de ésteres etílicos, os complexos foram aplicados em reações de transesterificação do óleo de microalgas em várias condições experimentais. O uso de 5% m/m (massa de catalisador/massa óleo) do complexo com TLL apresentou conversão de 85% de ésteres etílicos (12h/35°C) após adição única de etanol na proporção molar de 1:4 (óleo:etanol), enquanto 5% m/m do complexo com RML obteve 52 % de conversão (12h/45°C) após adição em 4 etapas do volume de álcool ( a cada duas horas), sendo as condições destes ensaios para estes dois complexos estabelecidas como condições ótimas para a reação. Os complexos com CRL e CALB apresentaram baixos rendimentos quando aplicados nas reações de transesterificação. Experimentalmente, foi observado apenas para o complexo Ni2+(0,5M-3D)-RML um aumento significativo da estabilidade térmica no intervalo de 25 a 80°C. Os complexos NaX-Ni2+(0,5M-3D)-TLL, e Ni2+(0,5M-3D)-CALB foram também estudados para a reação de esterificação de ácidos graxos livres. Em reações de esterificação (12h/45°C) de ácido oleico utilizando 5% m/m de complexo, na proporção molar 1:2 (ácido:etanol) produções de 89 e 83% de FAEEs foram obtidas para os complexos NaX-Ni2+(0,5M-3D)-TLL e Ni2+(0,5M-3D)-CALB, respectivamente. Ambos os complexos foram também aplicados nas reações de transesterificação/esterificação simultâneas de óleo de Macaúba com alto percentual de ácido graxos livres (56%) e índice de acidez de 112 mg KOH/g. Para 5% m/m de complexo, 67 e 52% de FAEEs foram produzidos (12h/45°C), para adição única do volume de etanol na proporção 1:6 (óleo:álcool). O complexo Ni2+(0,5M-3D)-CALB apesar de não atuar efetivamente nas reações de transesterificação do óleo de microalgas, apresentou bons resultados nas reações de esterificação do ácido oleico, e possivelmente de esterificação dos ácidos graxos livres presentes no óleo de macaúba, sendo essa enzima portanto qualificada como específica para esterificação no sistema estudado. Visando compreender os baixos rendimentos obtidos com as enzimas CRL e CALB nas reações de transesterificação quando comparadas com as lipases TLL e RML estudos teórico-computacionais foram realizados usando análises de modos normais e simulações de dinâmica molecular na presença de metanol. Para análise da abertura e exposição do sítio catalítico foram verificados os distanciamentos máximos entre carbonos betas presente nos resíduos Pro-74 (pertencente a lid) e Pro-443 para a CRL, e Ile-144 (pertencente a lid) e Leu-285 para a CALB, resultante das simulações em comparação com as distâncias encontradas em suas estruturas cristalográficas disponíveis no Protein Data Bank (PDB). Nas análises de modos normais, a distância entre Pro-74 e Pro-443 foi apenas 0,1 Ȧ superior a esta distância na lipase em conformação fechada (3,8 Ȧ). Após dinâmica molecular com metanol, uma distância máxima de 6,5 Ȧ foi encontrada. A distância calculada é superior à respectiva distância verificada na estrutura em conformação fechada e aproximadamente 3 vezes inferior à distância de 21,6 Ȧ verificada na estrutura cristalográfica em conformação aberta. Isto indica que o baixo potencial catalítico desta enzima quando aplicada experimentalmente estaria relacionado à restrição de seu sítio catalítico devido à abertura insuficiente de sua lid. Por outro lado, a simulação de dinâmica molecular para a lipase CALB, revelou uma abertura de 14,3 Ȧ maior que o dobro da abertura verificada na sua estrutura em conformação aberta (6Ȧ), o que em princípio pode ser atribuído a presença do solvente e está em concordância com as observações experimentais.