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INFLUÊNCIA DA ÁGUA NA PRODUÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS LIVRES
EMPREGANDO A HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DO ÓLEO DE CRAMBE
ASSISTIDA POR ULTRASSOM DE BANHO
Deise Molinari (Bioenergia/Capes/Unioeste), Edson Antônio da Silva
(Orientador), Jamal Abd Awadallak (coautor), Thiago Olinek Reinehr
(coautor)e-mail: [email protected]
Universidade Estadual do Oeste do Paraná/Centro de Engenharia e Ciências
Exatas/Toledo, PR.
Área e subárea: Engenharia Química/Bioenergia
Palavras-chave: ácidos graxos, ultrassom de banho, modelagem.
Resumo
O biodiesel é um biocombustível alternativo ao diesel de petróleo e que pode
ser sintetizado por meio de matérias-primas animais e vegetais. A
hidroesterificação tem sido amplamente estudada como rota de produção de
biodiesel, consistindo em uma etapa de hidrolise seguida de esterificação.
Essas reações necessitam de altas temperaturas e pressões para ocorrer, o
que pode ser contornado com o uso de enzimas como catalisador, as quais
utilizam condições mais brandas. O crambe é uma oleaginosa que possui
condições agronômicas favoráveis e uma considerável fonte de óleo. O uso de
ultrassom tem se mostrado efetivo no aumento da atividade enzimática e na
formação de microemulsões. Esse estudo teve como principais objetivos
avaliar a influência da fração água/óleo na hidrólise enzimática do óleo de
crambe em banho ultrassônico, utilizando a Fosfolipase A1 (Lecitase Ultra), e
realizar a modelagem das curvas cinéticas para a produção de ácidos graxos
livres.
Introdução
O crambe (Crambe abyssinica) possui potencial considerável como fonte
de óleo para a produção de biodiesel, demonstrando bom rendimento e
produção de óleo por hectare por ano (MACHADO et al., 2011). É uma planta
que possui ciclo curto, cerca de 90 a 100 dias, tolerância a seca e a geadas em
grande parte de seu desenvolvimento e pode ser cultivado entre a safra de
verão e a de inverno, caracterizando uma terceira época de plantio (PITOL et
al., 2010). Além de representar uma matéria-prima alternativa para compor a
matriz de produção de óleo para biodiesel, o crambe possui grande potencial
de cultivo na região Centro-Oeste (SOUZA et al., 2009).
A conversão de óleos vegetais e gorduras animais em biodiesel vêm
passando por um maior desenvolvimento ao longo dos últimos anos. O
biodiesel é uma alternativa para o diesel de petróleo e se trata de uma mistura
de alquil ésteres de ácidos carboxílicos de cadeia longa, na maioria das vezes,
obtidos a partir de óleos vegetais e/ou gorduras animais, tornando-se, desse
modo, uma alternativa para os motores de ignição por compressão
(DEMIRBAS, 2008).
Óleos vegetais, tornaram-se mais atrativos devido aos seus benefícios
ambientais e também pela sua obtenção a partir de recursos renováveis, tendo
potencial para a substituição dos destilados de petróleo. Quimicamente, óleos
vegetais e gorduras animais são moléculas de triglicerídeos, ou seja, moléculas
onde três ácidos graxos (ésteres) estão ligados a uma molécula de glicerol. As
proporções dos vários ácidos carboxílicos podem variar de gordura para
gordura, onde cada uma tem a sua composição e característica (DEMIRBAS,
2008).
O processo mais comum de obtenção de biodiesel é a transesterificação
e recentemente vem sendo estudado também o processo de hidroesterificação,
que envolve uma etapa de hidrólise seguida de uma etapa de esterificação. A
hidrólise consiste em uma reação química entre a gordura, ou o óleo, com a
água, gerando glicerina e ácidos graxos livres, aumentando propositadamente
a acidez da matéria-prima. Após a hidrólise, os ácidos graxos gerados são
então esterificados com um álcool, que “neutraliza” a acidez presente. O
biodiesel produzido por hidroestrificação é gerado com elevada pureza, sem
necessidade de etapas de lavagem, que geram efluentes e elevados consumo
de compostos químicos. Na reação, também é possível obter como subproduto
a água, que retorna para o processo de hidrólise (ENCARNAÇÃO, 2008).
As lípases, também conhecidas como glicerol-éster hidrolases
(E.C.3.1.1.3), são enzimas que catalisam a hidrólise total ou parcial de
triacilglicerol (TAG), fornecendo diacilglicerol (DAG), monoacilglicerol (MAG),
glicerol e ácidos graxos livres. Essas enzimas apresentam uma capacidade
única de agir apenas na interface óleo/água (BABICZ, 2004). A enzima líquida
comercial, Lecitase Ultra (Fosfolipase A1) é postulada para as posições 1,3 nos
triacilgliceróis (TAG), devido à sua regiospecificidade (YANG et al., 2010).
O uso de ultrassom em processos enzimáticos tem se mostrado efetivo
no aumento da atividade de enzimas. Esse efeito parece ser específico para
cada enzima. A aplicação de ultrassom pode produzir um efeito positivo na
atividade enzimática. Quando dois líquidos imiscíveis, como por exemplo, água
e óleo, são tratados com ultrassom, há aumento na velocidade de formação de
gotículas microscópicas com aumento da superfície de contato e das forças
coesivas, resultando na formação de microemulsões (MARTINES, 2000).
Com base nos aspectos relacionados anteriormente, os objetivos desse
trabalho foram: avaliar o efeito da fração água/óleo sobre o processo de
hidrólise em batelada, catalisado pela enzima líquida Lecitase Ultra
(Fosfolipase A1), utilizando banho ultrassônico para a produção de ácidos
graxos livres a partir do óleo de crambe e realizar a modelagem matemática da
cinética das reações envolvidas na produção de ácidos graxos livres pelo
método empregado.
Materiais e Métodos
2.1 Materiais
O óleo de crambe utilizado como substrato da hidrólise nesse trabalho
foi fornecido pela Fundação MS®. A enzima líquida comercial Lecitase Ultra,
utilizada como catalisador enzimático, foi gentilmente cedida por LNF® Latino
Americana. Álcool Etilico (Chemco®), Éter etílico (Anidrol®) e NaOH (Synth®),
foram utilizados para determinação da acidez. Como indicador da solução de
titulação, foi utilizada uma solução de fenolftaleína (Synth®).
O aparelho de ultrassom (Ultronique® ECO-SONICS Q5.9/37A) foi
utilizado na reação de hidrólise para a mistura dos reagentes, contidos em
frascos cônicos de 50 mL. A separação de fases foi realizada em uma
centrífuga (Parsec® CT-0603).
2.2 Métodos
Reações de hidrólise: As reações de hidrólise enzimática do óleo de
crambe assistidas por ultrassom em sistema batelada foram conduzidas com o
intuito de coletar dados para a análise da influência da fração água/óleo na
reação de hidrólise e para a construção de curvas cinéticas. As quantidades de
reagentes utilizadas foram fixadas em 10 g de óleo e 0,2 g de enzima, com
frações água/óleo de 5 m%, 10 m% e 20 m%, a uma temperatura de 40 ºC.
Erlenmeyers de 50ml contendo as amostras foram imersos no aparelho de
ultrassom configurado em potência máxima (154 W). Para cada fração de
água/óleo foi preparados 9 amostras. Cada amostras do sistema foi coletada
em tempos diferentes de forma destrutiva.
Separação de fases: Ao término de cada tempo de reação, as amostras
foram retiradas do aparelho e aquecidas até uma temperatura de cerca de 100
ºC em um aparelho de micro ondas com o intuito de desativar a enzima e
interromper a reação. As amostras foram então centrifugadas em uma
centrífuga a 3 gravidades durante 5 minutos com o intuito de separar a fase
aquosa contendo a enzima e o glicerol da fase oleosa contendo o produto de
interesse.
Quantificação da Acidez: A quantidade de ácidos graxos livres presentes
no óleo de crambe foi determinada por titulação com uma solução de NaOH
0,05 M. Aproximadamente 1 g de amostra foi diluída em 25 ml de solução
isovolumétrica de álcool etílico e éter etílico com uma gota de fenolftaleína. A
solução foi então titulada sob vigorosa agitação até que houvesse mudança de
coloração para rosa, indicando a neutralização da acidez. A Equação (1)
demonstra o cálculo da acidez:
𝐴𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧(𝑚%) = 100.
𝑉𝑜𝑙.𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 .𝑃𝑀𝐴𝐺𝐿
𝑝𝑎
(1)
Modelagem das curvas cinéticas: O mecanismo proposto para a reação
é apresentado pelas Equações (2) a (4), este modelo é composto pelas
reações de hidrólise de cada acilglicerol presente no processo, juntamente com
a reação de esterificação, que é reversa à reação de hidrólise.
𝑘1
→
𝑇𝐴𝐺 + 𝐻2 𝑂 𝐷𝐴𝐺 + 𝐴𝐺𝐿
←
(2)
𝑘2
𝑘3
→
𝐷𝐴𝐺 + 𝐻2 𝑂 𝑀𝐴𝐺 + 𝐴𝐺𝐿
←
(3)
𝑘4
𝑘5
→
𝑀𝐴𝐺 + 𝐻2 𝑂 𝐺𝐿𝐼 + 𝐴𝐺𝐿
←
(4)
𝑘6
Aplicando o balanço molar para cada espécie e considerando a
produtividade com base na estequiometria, obtém-se o modelo da cinética
enzimática para as diversas espécies envolvidas no mecanismo de produção
de ácidos graxos, conforme as equações (5) a (10), onde r1, r2 e r3 representam
as velocidades de reação para cada componente.
1 𝑑𝑁𝑇𝐴𝐺 (𝑡)
𝑤
𝑑𝑡
= −𝑟1
(5)
1 𝑑𝑁𝐷𝐴𝐺 (𝑡)
𝑤
= (𝑟1 − 𝑟2 )
(6)
= (𝑟2 − 𝑟3 )
(7)
= (𝑟1 + 𝑟2 + 𝑟3 )
(8)
= 𝑟3
(9)
= −(𝑟1 + 𝑟2 + 𝑟3 )
(10)
𝑑𝑡
1 𝑑𝑁𝑀𝐴𝐺 (𝑡)
𝑤
𝑑𝑡
1 𝑑𝑁𝐴𝐺𝐿 (𝑡)
𝑤
𝑑𝑡
1 𝑑𝑁𝐺𝐿𝐼 (𝑡)
𝑤
𝑑𝑡
1 𝑑𝑁𝐴𝐺𝐿 (𝑡)
𝑤
𝑑𝑡
As taxas de reação r1, r2 e r3 são representadas pelas Equações (11),
(12) e (13).
𝑟1 = 𝑘1 . 𝑁𝑇𝐴𝐺 . 𝑁𝐻2 𝑂 − 𝑘2 . 𝑁𝐷𝐴𝐺 . 𝑁𝐴𝐺𝐿
(11)
𝑟2 = 𝑘3 . 𝑁𝐷𝐴𝐺 . 𝑁𝐻2 𝑂 − 𝑘4 . 𝑁𝑀𝐴𝐺 . 𝑁𝐴𝐺𝐿
(12)
𝑟3 = 𝑘5 . 𝑁𝑀𝐴𝐺 . 𝑁𝐻2 𝑂 − 𝑘6 . 𝑁𝐺𝐿𝐼 . 𝑁𝐴𝐺𝐿
(13)
Para calcular as concentrações iniciais foi analisada a acidez do óleo de
crambe utilizado (12,31%) e considerado que o óleo possui, inicialmente,
apenas TAG e AGL.
As constantes cinéticas das taxas de reação foram estimados a partir dos
dados experimentais da cinética da hidrólise enzimática do óleo de crambe
(teor de acidez do óleo) e da minimização da função objetivo representada pela
Equação (14). O método de otimização simplex Dowhill, desenvolvido por
Nelder e Mead (1965), foi utilizado na busca do mínimo da função objetivo.
𝐹𝑂𝐵𝐽 = ∑𝑛𝑖=1 (
𝐶𝐴𝐿𝐶
𝐸𝑋𝑃
𝑁𝐴𝐺𝐿
[𝑖]−𝑁𝐴𝐺𝐿
[𝑖]
𝐸𝑋𝑃 [𝑖]
𝑁𝐴𝐺𝐿
)
2
(14)
Para a otimização das constantes cinéticas e simulação do modelo
matemático proposto nas equações (5) a (14) foi utilizada a linguagem
computacional Python, com as bibliotecas NumPy e SciPy.
Resultados e Discussão
A acidez das reações de hidrólise enzimática do óleo de crambe foi
analisada através de um processo de titulação. A Tabela 1 e a Figura 1
apresentam os valores experimentais da acidez em função do tempo.
Tabela 1 – Acidez do óleo de crambe para cada tempo e fração de água.
Tempo
(h)
5m% H2O
0,00
12,31
0,25
20,50
0,50
24,04
1,00
30,73
2,00
32,43
4,00
40,64
6,00
40,39
7,00
41,50
8,00
42,95
12,00
42,00
Acidez (m%)
10m% H2O
12,31
18,44
21,36
23,80
27,97
35,03
39,57
42,61
43,34
42,63
20m% H2O
12,31
21,03
21,98
27,47
30,80
34,03
33,84
34,46
34,67
38,88
Figura 1 – Acidez do óleo de crambe.
A cinética enzimática do óleo de crambe foi descrita por meio da
simulação do modelo matemático proposto. Na Figura 2 são apresentados os
valores experimentais da acidez em função do tempo, assim como a simulação
realizada pelo modelo (R2 igual a 0,97, 0,88 e 0,92, respectivamente). A Figura
3 apresenta uma comparação entre as simulações dos três experimentos
cinéticos com frações mássica de água variáveis.
É possível verificar que o modelo descrito pelas Equações (5) a (20)
descreveu satisfatoriamente os dados experimentais. Através da análise
desses resultados, é possível observar que quanto maior é a quantidade de
água do sistema, mais lenta é a reação. Isso pode ser justificado pelo fato da
enzima utilizada ser hidrofílica e se manter diluída na fase aquosa. Por conta
disso, o aumento da quantidade de água diluiu a concentração de enzima,
causando uma diminuição na taxa da reação.
A diluição da enzima não alterou o equilíbrio da reação. Os resultados
das simulações apresentados na Figura 3 mostram que a maior acidez foi
obtida com as concentrações de água de 10 e 20 m%, porém, nota-se que a
diferença no equilíbrio para esses dois experimentos foi muito sútil, isso
demonstra que acima de 20 m% a água pode ser considerada em excesso.
Figura 2 – Cinéticas da hidrólise enzimática do óleo de crambe (40 °C; 10 g de óleo; 0,2 g
de enzima).
Figura 3 – Curvas cinéticas da hidrólise enzimática do óleo de crambe.
Com isso, é possível concluir que a fração de água ideal para a hidrólise
enzimática do óleo de crambe assistido por ultrassom se encontra próximo de
10%, pois além de possuir um equilíbrio mais favorável que a fração de 5%
para a produção de AGL, também causou uma diminuição na taxa da reação
menos intensa que a fração de 20% devido a menor diluição da enzima.
Conclusões
No presente trabalho o efeito da fração água/óleo na hidrólise do óleo de
crambe foi analisado. Realizou-se, também, a modelagem das curvas cinéticas
da reação de hidrólise com foco na produção de ácidos graxos livres.
A maior acidez teórica foi obtida no equilíbrio para as concentrações de
10 e 20 m% H2O. No entanto, a primeira fração chegou ao equilíbrio em cerca
de metade do tempo da segunda (15 e 30 horas, respectivamente).
Foi possível concluir que a reação de hidrólise do óleo de crambe
assistida por ultrassom, com a Fosfolipase A1 (Lecitase Ultra) é uma alternativa
viável para a produção de ácidos graxos livres. Sugere-se, no entanto, a
quantificação dos outros componentes da reação para que se possa obter um
ajuste mais preciso das constantes do modelo e, consequentemente, um
entendimento melhor da reação.
Nomenclatura
Acidez
AGL
CALC
DAG
EXP
FOBJ
GLI
kj
MNaOH
MAG
n
Ci
pa
PMAGL
ri
TAG
Vol
w
Fração mássica de AGL na amostra
Ácido(s) Graxo(s) Livre(s)
Valor calculado
Diacilglicerol
Valor experimental
Função Objetivo
Glicerol
Constante cinética ([g de substrato] [g de enzima]-1 mol-1 h-1)
Molaridade da solução de NaOH (mol l-1)
Monoacilglicerol
Número de componentes do conjunto
Concentração da espécie i em (mol [kg de substrato]-1)
Peso da amostra de óleo (g)
Peso molecular médio dos AGL presentes no óleo (g mol-1)
Taxa da reação (mol h-1 [g de enzima]-1 [g de substrato]-1);
Triacilglicerol
Volume da solução de NaOH utilizado na titulação (l)
Massa de enzima (g)
Agradecimentos
A Capes, pelo apoio financeiro.
Referências
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MACHADO, M. F.; BRASIL, A. N.; OLIVEIRA, L. S.; NUNES, D. L. Estudo do
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