Síntese de ésteres graxos de açúcar catalisada por derivados imobilizados-estabilizados de candida antarctica lipase B
| dc.contributor.advisor1 | Tardioli, Paulo Waldir | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0808991927126468 | por |
| dc.contributor.author | Gonçalves, Maria Carolina Pereira | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/8656565092804282 | por |
| dc.date.accessioned | 2023-03-27T18:18:09Z | |
| dc.date.available | 2023-03-27T18:18:09Z | |
| dc.date.issued | 2023-03-21 | |
| dc.description.abstract | The biotechnology industry is increasingly seeking to deploy high productivity and stable biocatalysts for commercial-scale production of bioproducts. In addition, with global warming, enzyme-based production systems using renewable feedstocks are aligned with the principles of sustainability and green chemistry. Considering this perspective, sugar fatty acid esters (SFAEs) have great potential for industrial use as high value bioproducts. These non-ionic surfactants are widely used in detergents, oral hygiene products, food, cosmetics, and the pharmaceutical industry. They are usually synthesized from the esterification of sugars and fatty acids in the presence of chemical catalysts. Nonetheless, this approach requires high energy consume and presents low selectivity, turning the products separation/purification steps costly. As an alternative, the enzymatic synthesis of SFAEs has been studied. In this thesis, we used principles of systematic mapping to write two literature reviews, the first covering research on the synthesis of SFAEs with Candida antarctica lipase B (CALB), and the second covering research on the production and recovery of sugars from lignocellulosics to synthesize bioproducts (mostly xylose-derived products). Then, we performed the synthesis of xylose oleate in methyl ethyl ketone (MEK) catalyzed by the Lipozyme® 435/Novozyme® 435 (L435/N435, commercial CALB immobilized on an acrylic resin). Results showed that an excess of oleic acid significantly favored the reaction. The predicted Ping Pong Bi Bi kinetic model fitted to the experimental data and there was no evidence of inhibitions in the range assessed. The L435 repeated use showed a reduction of 48 and 19% in the xylose and oleic acid conversions, respectively, after 10 12h-cycles. This significant decrease in the conversions mainly occurred due to the CALB desorption from the support in the presence of our reaction product. In an attempt to minimize this issue, the next step consisted of the L435 coating with polyethyleneimine (PEI) for use as biocatalyst in the synthesis of xylose laurate/palmitate in MEK. The L435 treatment with 2 KDa PEI prevented the enzyme leakage in the crude sugar ester product and produced the highest enzyme stability in different media (MEK and buffer solutions at different pHs), besides affording a higher xylose modification degree than the uncoated enzyme. After 5 6 h-reuse cycles with the PEI-coated L435, the xylose conversions only decreased by 10%, while with the non-treated biocatalyst they decreased by 37%. At last, the synthesis of SFAEs from lignocellulosic biomass and oleic acid was catalyzed by the uncoated and PEI-coated N435 in MEK medium. After steam-explosion pretreatment of mixed hardwoods and high solids enzymatic hydrolysis at 15%wt solids, the hydrolysate extract was purified and concentrated to a xylose/glucose mass ratio of ~3 to 1. These lignocellulosic sugars were superior to the same commercial sugars as the carbohydrate source for the esterification reaction in terms of sugar conversions. Coating the N435 with PEI prevented enzyme leakage into the reaction medium and produced 35% and 50% higher xylose and glucose conversions to SFAEs, respectively. After 6 24 h-reuse cycles with the PEI-coated N435, the xylose conversion decreased by 44%, while a 65% reduction was observed with the uncoated lipase. In the first two studies, mass spectrometry analysis confirmed the formation of xylose mono-, di-, and tri- esters. In this last one, only xylose and glucose mono- and di- esters were found. In all cases our purified product presented an emulsion capacity close to that of a commercial sugar ester. | eng |
| dc.description.resumo | A indústria biotecnológica está buscando cada vez mais desenvolver biocatalisadores estáveis e de alta produtividade para serem empregados na síntese de bioprodutos em escala comercial. Além disso, com o aquecimento global, os sistemas de produção enzimáticos que utilizam matérias-primas renováveis estão alinhados com os princípios da sustentabilidade e da química verde. Assim, os ésteres graxos de açúcar (EGAs) têm grande potencial de uso industrial como um bioproduto de valor agregado. Esses surfactantes não iônicos são amplamente utilizados em detergentes, produtos de higiene bucal, alimentos, cosméticos e na indústria farmacêutica. Geralmente são sintetizados a partir da esterificação de açúcares e ácidos graxos na presença de catalisadores químicos. No entanto, esta abordagem requer alto consumo de energia e apresenta baixa seletividade, tornando onerosas as etapas de separação/purificação dos produtos. Como alternativa, a síntese enzimática de EGAs tem sido estudada. Nesta tese foram usados princípios de mapeamento sistemático para escrever duas revisões de literatura, a primeira cobrindo pesquisas sobre a síntese de EGAs catalisada pela Candida antarctica lipase B (CALB), e a segunda cobrindo pesquisas sobre a produção e recuperação de açúcares lignocelulósicos (principalmente xilose) para sintetizar bioprodutos. Também se realizou a síntese do oleato de xilose catalisada pela Lipozyme® 435/Novozyme® 435 (L435/N435, CALB comercial imobilizada em resina acrílica) em metil etil cetona (MEC). Os resultados mostraram que um excesso de ácido oleico favoreceu significativamente a reação. O modelo cinético de Ping Pong Bi Bi ajustou-se aos dados experimentais e não houve evidências de inibição na faixa avaliada. O reuso da L435 promoveu uma redução de 48 e 19% nas conversões de xilose e ácido oleico, respectivamente, após 10 ciclos de 12 h. Essa redução significativa nas conversões ocorreu principalmente devido à dessorção da CALB do suporte na presença do produto da reação de esterificação. Na tentativa de minimizar esse problema, a próxima etapa consistiu no recobrimento da superfície da L435 com polietilenoimina (PEI) com foco no seu uso posterior como biocatalisador na síntese de laurato/palmitato de xilose em MEC. O revestimento da L435 com PEI 2 KDa evitou a lixiviação da enzima no éster de açúcar bruto produzido e proporcionou a maior estabilidade enzimática em diferentes meios (MEC e soluções tampão em diferentes pHs), além de promover um maior grau de modificação da xilose do que a enzima não revestida. Após 5 ciclos de reuso de 6 h com a L435 revestida com PEI, as conversões de xilose diminuíram apenas 10%, enquanto com o biocatalisador não revestido elas diminuíram 37%. Por fim, a síntese de EGAs a partir da biomassa lignocelulósica e ácido oleico em MEC foi catalisada pela N435 antes e após o seu revestimento com PEI. Após pré-tratamento por explosão a vapor e hidrólise enzimática, o extrato hidrolisado foi purificado e concentrado a uma razão mássica de xilose/glicose de ~3 para 1. Esses açúcares lignocelulósicos foram melhores fontes de carboidrato para a reação de esterificação (em termos de conversões de açúcar) quando comparados aos mesmos açúcares comerciais. O revestimento da N435 com PEI evitou a dessorção da enzima no meio de reação e produziu um aumento de 35% e 50% nas conversões de xilose e glicose, respectivamente. Após 6 ciclos de reutilização de 24 h com a N435 revestida com PEI, a conversão de xilose foi reduzida em 44%, enquanto uma redução de 65% foi observada com a lipase não revestida. Nos dois primeiros estudos, a análise de espectrometria de massas confirmou a formação de mono, di e triésteres de xilose. Neste último, foram encontrados apenas mono e diésteres de xilose e glicose. Em todos os casos, o produto purificado apresentou uma capacidade de emulsificação próxima à de um éster de açúcar comercial. | por |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 2019/23908-4, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 2021/06525-4, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 141304/2019-7, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.identifier.citation | GONÇALVES, Maria Carolina Pereira. Síntese de ésteres graxos de açúcar catalisada por derivados imobilizados-estabilizados de candida antarctica lipase B. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17546. | * |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17546 | |
| dc.language.iso | eng | por |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
| dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
| dc.publisher.initials | UFSCar | por |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
| dc.rights | Attribution 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Ésteres graxos de xilose | por |
| dc.subject | Biomassa lignocelulósica | por |
| dc.subject | Ácidos graxos | por |
| dc.subject | Metil etil cetona | por |
| dc.subject | Lipases imobilizadas | por |
| dc.subject | Xylose fatty acid esters | eng |
| dc.subject | Lignocellulosic biomass | eng |
| dc.subject | Fatty acids | eng |
| dc.subject | Methyl ethyl ketone | eng |
| dc.subject | Immobilized lipases | eng |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
| dc.title | Síntese de ésteres graxos de açúcar catalisada por derivados imobilizados-estabilizados de candida antarctica lipase B | por |
| dc.title.alternative | Synthesis of sugar fatty acid esters catalyzed by immobilized-stabilized derivatives of candida antarctica lipase B | eng |
| dc.type | Tese | por |
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- Tese de doutorado_Maria Carolina Pereira Gonçalves