Estudos de imobilização de lipase de Thermomyces lanuginosus em Immobead 150, caracterização dos derivados e suas aplicações em reatores contínuos e em batelada para a síntese de butirato de butila e biodiesel

Lipases (E.C. 3.1.1.3) são enzimas capazes de catalisar tanto a hidrólise como a síntese de ésteres, destacando-se pelo seu vasto potencial de aplicação industrial. Estas enzimas, quando imobilizadas em suportes sólidos, podem ser reutilizadas ou aplicadas em reatores contínuos. Este trabalho foi realizado em três etapas e teve como objetivos preparar e selecionar um derivado de lipase imobilizada estável, realizar a caracterização do suporte e do suporte com a enzima imobilizada, otimizar o processo de síntese de ésteres e comparar sua produtividade em diferentes modelos de reatores. A lipase de Thermomyces lanuginosus foi imobilizada em Immobead 150 por nove métodos distintos de imobilização para selecionar o processo mais estável e com melhor eficiência catalítica. A imobilização da enzima por ligação covalente multipontual através dos grupamentos epóxi do suporte demonstrou ser a melhor opção, e dessa forma, o derivado passou a ser denominado de ImmTLL. Utilizando-se uma carga proteica de 150 mg g-1 obteve-se resultados similares a outros derivados imobilizados comerciais, tanto para síntese de ésteres de aroma (butirato de butila) quanto para a síntese de biodiesel. Embora não apresente um perfil uniforme de tamanho de poro, o suporte Immobead 150 é classificado como mesoporoso. As partículas esféricas possuem um diâmetro médio de 155 μm, com cerca de 1.000 μmol de grupos epóxi por grama de suporte, elevada hidrofobicidade e boa estabilidade térmica. Além disso, o processo de imobilização provocou uma diminuição do volume de poros e da área superficial específica, confirmando o revestimento da superfície do suporte pela enzima imobilizada, porém a sua morfologia não foi afetada. Os parâmetros reacionais da síntese de aromas em reações em batelada foram otimizados, possibilitando obter cerca de 84 % de conversão (para cada grama de suporte obteve-se uma produtividade de 270,3 mmol L-1 h-1) em 4 h de reação. Após oito ciclos de uso e reuso, o ImmTLL manteve 86 % da conversão inicial. Reatores contínuos de leito fixo e de leito fluidizado também foram testados, sendo a melhor vazão de substrato 0,02 mL min-1. A maior produtividade, por grama de suporte, foi 1.015,6 mmol L-1 h-1 obtida com o reator de leito fixo. Neste reator, o derivado apresentou boa estabilidade operacional, tendo ao final de 30 dias de operação uma conversão de 63 % da inicial. A comparação entre as configurações de reatores permitiu estabelecer o melhor desempenho de produtividade e estabilidade do ImmTLL, demonstrando que é um derivado robusto e versátil, e com bom potencial de aplicação para a síntese de ésteres de aromas.Lipases (EC 3.1.1.3) are enzymes capable of catalyzing both the hydrolysis and the synthesis of esters, standing out for their wide potential for industrial application. These enzymes, when immobilized on solid supports, can be reused or applied in continuous reactors. This work was performed in three stages and its objective was to prepare and select a stable immobilized lipase derivative, to characterize the support and the support with the immobilized enzyme, to optimize the process of ester synthesis and to compare their productivity on different models of reactors. The Thermomyces lanuginosus lipase was immobilized on Immobead 150 by nine different immobilization methods to select the most stable process and the best catalytic efficiency. The enzyme immobilization by covalent multipoint attachment on the support epoxy groups showed better results, thus, the derivative was designed as ImmTLL. It was obtained similar results to other commercial immobilized derivatives, for both synthesis of aroma esters (butyl butyrate) and biodiesel, when using a support protein load of 150 mg g-1. Although Immobead 150 did not present an uniform profile of pore sizes, it was classified as mesoporous support. The spherical particles presented a mean diameter of 155 μm, having approximately 1,000 μmol of epoxy groups per gram of support, a high hydrophobicity, and a good thermal stability. The immobilization process resulted in a decrease of the pore volume and specific surface area, confirming the coating surface of the support with the immobilized enzyme. However, its morphology was not affected. The reaction parameters of aromas synthesis reactions in batch was optimized, allowing to obtain a conversion around 84 % in 4 h of reaction (for each gram of support was obtained a productivity of 270.3 mmol L-1 h-1). After eight cycles of use, the ImmTLL maintained 86 % of the initial conversion. Continuous packed-bed and fluidized-bed reactors were also tested, and the best substrate flow rate was 0.02 ml min-1. The highest productivity, per gram of support, was 1,015.6 mmol L-1 h-1 that was obtained with a packed-bed reactor. In this reactor the derivative showed good operational stability, reaching a conversion of 63 % after 30 days of operation, related to the initial value. This comparison among the reactors parameters allowed establishing the best productivity performance and stability of ImmTLL, showing that it is a robust and versatile derivative, and presents good applicability for the synthesis of flavor esters

Treatment and characterization of biomass of soybean and rice hulls using ionic liquids for the liberation of fermentable sugars

We investigated the changes in the physical structure of cellulose recovered from soybean and rice hulls treated with the ionic liquids 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([bmim][Cl]) and 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([bmim][Ac]). The characterization was carried out by a combination of thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM). Regenerated cellulose from soybean hull showed loss of crystallinity and high structural disruption caused by both ionic liquid treatments as compared to the untreated material. In contrast, rice hull presented only a small structural disruption when treated with [bmim][Ac] and was practically unaffected by [bmim][Cl], showing that this biomass residue is recalcitrance towards physico-chemical treatments, possibly as a consequence of its high composition content in silica. These results suggest the use of soybean hull as a substrate to be treated with ionic liquids in the preparation of lignocellulosic hydrolysates to be used in second-generation ethanol production, whereas other methods should be considered to treat rice hull biomass

Second-generation ethanol production by Wickerhamomyces anomalus strain adapted to furfural, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), and high osmotic pressure

The aims of this work were to improve cell tolerance towards high concentrations of furfural and 5-hydroxymethylfurfural (HMF) of an osmotolerant strain of Wickerhamomyces anomalus by means of evolutionary engineering, and to determine its ethanol production under stress conditions. Cells were grown in the presence of furfural, HMF, either isolated or in combination, and under high osmotic pressure conditions. The most toxic condition for the parental strain was the combination of both furans, under which it was unable to grow and to produce ethanol. However, the tolerant adapted strain achieved a yield of ethanol of 0.43 g g-1glucose in the presence of furfural and HMF, showing an alcohol dehydrogenase activity of 0.68 mU mg protein-1. For this strain, osmotic pressure, did not affect its growth rate. These results suggest that W. anomalus WA-HF5.5strain shows potential to be used in second-generation ethanol production systems

Producción de lipasas a partir de hongos endofíticos de Aniba canelilla, caracterización y aplicación del extracto enzimático

Endophytic fungi (EF) have a notable capacity to produce active molecules of industrial importance, such as hydrolytic enzymes. In this study we investigated the production of lipase by EFs isolated from the Amazonian species Aniba canelilla (Lauraceae), characterized the enzymatic extract obtained from the most promising fungus, and applied the lipolytic extract as a biocatalyst in the transesterification reaction for biodiesel production. The fungi were submitted to enzymatic screening in solid medium and in submerged fermentation to assess their lipase production. A total of 292 fungi were tested in solid media. Lipolytic activity was detected in 74% of the fungi cultivated in liquid media, 18 of which showing promising enzymatic production. The best lipase producer, Endomelanconiopsis endophytica QAT_7AC, was identified by sequencing of the ITS region. After adjusting the bioprocess conditions, E. endophytica QAT_7AC produced 2,415.5 U/mL of lipase after 72 h. The enzymatic extract showed higher lipolytic activity under pH 8.0 and 40 oC. The extract was applied as a biocatalyst in a transesterification reaction performed at 40 oC, with ethanol and waste cooking oil (3:1). The biodiesel yield was found to be 87% after 2 h rection when the fungal enzyme was used and 89% with the commercial biocatalyst. The endophytic fungi isolated from A. canelilla proved themselves to be biotechnologically relevant, as they can be explored as potential producers of lipases. The lipolytic extract can be applied in the synthesis of biodiesel using waste cooking oil.Os fungos endofíticos (FE) possuem notável capacidade de produzir moléculas ativas de importância industrial, como as enzimas hidrolíticas. Neste estudo foi investigada a produção de lipase por FEs isolados da espécie amazônica Aniba canelilla (Lauraceae), sendo caracterizado o extrato enzimático obtido a partir do fungo mais promissor e avaliada a aplicação do extrato lipolítico como biocatalisador na reação de transesterificação para a produção de biodiesel. Os fungos foram submetidos à triagem enzimática em meio sólido e por fermentação submersa, para verificar a produção de lipase. Um total de 292 fungos foram testados em meio sólido. A atividade lipolítica detectada em 74% dos fungos cultivados em meio líquido, onde 18 apresentaram atividade enzimática promissora. O melhor produtor de lipase, Endomelanconiopsis endophytica QAT_7AC, foi identificado pelo sequenciamento da região ITS. Após o ajuste das condições do bioprocesso, o E. endophytica QAT_7AC produziu 2.415,5 U/mL de lipase em 72 h. O extrato enzimático apresentou maior atividade lipolítica em pH 8,0 e 40 °C. O extrato foi aplicado como biocatalisador em uma reação de transesterificação realizada a 40 °C, com etanol e óleo de cozinha residual (3:1). O rendimento de biodiesel foi de 87% após 2 h de reação quando a enzima fúngica foi utilizada e de 89% com o biocatalisador comercial. Os fungos endofíticos isolados de A. canelilla mostraram-se biotecnologicamente relevantes e podem ser explorados como potenciais produtores de lipases. O extrato lipolítico pode ser aplicado na síntese de biodiesel a partir do óleo de cozinha residual.Los hongos endofíticos (EF) tienen una notable capacidad de producir moléculas activas de importancia industrial, como las enzimas hidrolíticas. En este estudio investigamos la producción de lipasa por hongos aislados de la especie Amazónica Aniba canelilla (Lauraceae), caracterizamos el extracto enzimático obtenido de lo hongo más promisor y aplicamos el extracto lipolítico como biocatalizador en la reacción de transesterificación para la producción de biodiésel. Los hongos aislados fueron sometidos a un cribado enzimático en medio sólido y fermentación sumergida para avaluar la producción de lipasa. Un total de 292 hongos fueron testados. La actividad lipolítica fue detectada en el 74% de los hongos cultivados en medio líquido, 18 de los cuales presentaron producción enzimática promisoria. El mejor productor de lipasa, Endomelanconiopsis endophytica QAT_7AC, fue identificado por el secuenciamento de la región ITS. Después del ajuste de las condiciones del bioproceso, E. endophytica QAT_7AC produjo 2,415.5 U/mL de lipasa en 72 h. El extracto enzimático presento mayor actividad lipolítica a pH 8.0 y 40 oC. El extracto enzimático fue aplicado como biocatalizador en una reacción de transesterificación realizada a 40 oC con etanol y aceite de cocina usado (3:1). El rendimiento del biodiesel fue de 87% después de 2 h de reacción cuando la enzima fúngica fue utilizada y 89% con el biocatalizador comercial. Los hongos endofíticos aislados de A. canelilla fueron biotecnológicamente relevantes, y pueden ser explorados como potenciales productores de lipasas. El extracto enzimático lipolítico puede ser aplicado en la síntesis de biodiesel utilizando aceite de cocina usado

Estudos de imobilização de lipase de Thermomyces lanuginosus em Immobead 150, caracterização dos derivados e suas aplicações em reatores contínuos e em batelada para a síntese de butirato de butila e biodiesel

Lipases (E.C. 3.1.1.3) são enzimas capazes de catalisar tanto a hidrólise como a síntese de ésteres, destacando-se pelo seu vasto potencial de aplicação industrial. Estas enzimas, quando imobilizadas em suportes sólidos, podem ser reutilizadas ou aplicadas em reatores contínuos. Este trabalho foi realizado em três etapas e teve como objetivos preparar e selecionar um derivado de lipase imobilizada estável, realizar a caracterização do suporte e do suporte com a enzima imobilizada, otimizar o processo de síntese de ésteres e comparar sua produtividade em diferentes modelos de reatores. A lipase de Thermomyces lanuginosus foi imobilizada em Immobead 150 por nove métodos distintos de imobilização para selecionar o processo mais estável e com melhor eficiência catalítica. A imobilização da enzima por ligação covalente multipontual através dos grupamentos epóxi do suporte demonstrou ser a melhor opção, e dessa forma, o derivado passou a ser denominado de ImmTLL. Utilizando-se uma carga proteica de 150 mg g-1 obteve-se resultados similares a outros derivados imobilizados comerciais, tanto para síntese de ésteres de aroma (butirato de butila) quanto para a síntese de biodiesel. Embora não apresente um perfil uniforme de tamanho de poro, o suporte Immobead 150 é classificado como mesoporoso. As partículas esféricas possuem um diâmetro médio de 155 μm, com cerca de 1.000 μmol de grupos epóxi por grama de suporte, elevada hidrofobicidade e boa estabilidade térmica. Além disso, o processo de imobilização provocou uma diminuição do volume de poros e da área superficial específica, confirmando o revestimento da superfície do suporte pela enzima imobilizada, porém a sua morfologia não foi afetada. Os parâmetros reacionais da síntese de aromas em reações em batelada foram otimizados, possibilitando obter cerca de 84 % de conversão (para cada grama de suporte obteve-se uma produtividade de 270,3 mmol L-1 h-1) em 4 h de reação. Após oito ciclos de uso e reuso, o ImmTLL manteve 86 % da conversão inicial. Reatores contínuos de leito fixo e de leito fluidizado também foram testados, sendo a melhor vazão de substrato 0,02 mL min-1. A maior produtividade, por grama de suporte, foi 1.015,6 mmol L-1 h-1 obtida com o reator de leito fixo. Neste reator, o derivado apresentou boa estabilidade operacional, tendo ao final de 30 dias de operação uma conversão de 63 % da inicial. A comparação entre as configurações de reatores permitiu estabelecer o melhor desempenho de produtividade e estabilidade do ImmTLL, demonstrando que é um derivado robusto e versátil, e com bom potencial de aplicação para a síntese de ésteres de aromas.Lipases (EC 3.1.1.3) are enzymes capable of catalyzing both the hydrolysis and the synthesis of esters, standing out for their wide potential for industrial application. These enzymes, when immobilized on solid supports, can be reused or applied in continuous reactors. This work was performed in three stages and its objective was to prepare and select a stable immobilized lipase derivative, to characterize the support and the support with the immobilized enzyme, to optimize the process of ester synthesis and to compare their productivity on different models of reactors. The Thermomyces lanuginosus lipase was immobilized on Immobead 150 by nine different immobilization methods to select the most stable process and the best catalytic efficiency. The enzyme immobilization by covalent multipoint attachment on the support epoxy groups showed better results, thus, the derivative was designed as ImmTLL. It was obtained similar results to other commercial immobilized derivatives, for both synthesis of aroma esters (butyl butyrate) and biodiesel, when using a support protein load of 150 mg g-1. Although Immobead 150 did not present an uniform profile of pore sizes, it was classified as mesoporous support. The spherical particles presented a mean diameter of 155 μm, having approximately 1,000 μmol of epoxy groups per gram of support, a high hydrophobicity, and a good thermal stability. The immobilization process resulted in a decrease of the pore volume and specific surface area, confirming the coating surface of the support with the immobilized enzyme. However, its morphology was not affected. The reaction parameters of aromas synthesis reactions in batch was optimized, allowing to obtain a conversion around 84 % in 4 h of reaction (for each gram of support was obtained a productivity of 270.3 mmol L-1 h-1). After eight cycles of use, the ImmTLL maintained 86 % of the initial conversion. Continuous packed-bed and fluidized-bed reactors were also tested, and the best substrate flow rate was 0.02 ml min-1. The highest productivity, per gram of support, was 1,015.6 mmol L-1 h-1 that was obtained with a packed-bed reactor. In this reactor the derivative showed good operational stability, reaching a conversion of 63 % after 30 days of operation, related to the initial value. This comparison among the reactors parameters allowed establishing the best productivity performance and stability of ImmTLL, showing that it is a robust and versatile derivative, and presents good applicability for the synthesis of flavor esters

Covalent immobilization of cyclodextrin glycosyltransferase onto silicapolyethyleneglicol microspheres

Ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) é a enzima capaz de converter o amido e seus açúcares relacionados em ciclodextrinas (CDs) através da reação de ciclização. As CDs têm inúmeras aplicações na indústria farmacêutica, cosmética e de alimentos, devido à sua capacidade de encapsular moléculas hidrofóbicas dentro de sua cavidade. A CGTase de Thermoanaerobacter sp. é capaz de converter o amido em CDs sob condições de processo industrial, em temperaturas elevadas. A produção de CDs em escala industrial é feita, geralmente, em processos de batelada, nos quais é utilizada a enzima livre diretamente. No entanto, a imobilização da CGTase tem sido testada, com o propósito de permitir seu uso contínua e repetidamente, de modo a prevenir sua solubilização e promover uma forma molecular mais estável. Neste trabalho, buscouse imobilizá-la em microesferas de sílica-polietilenoglicol (sílica-PEG). O suporte foi silanizado com 3- aminopropiltrimetoxisilano (APTMS) e ativado com glutaraldeído para gerar condições de imobilização de enzimas, que foi realizada a 6ºC e pH 6, durante 15h. O rendimento de imobilização e a atividade recuperada foram 83% e 73%, respectivamente. Os resultados foram comparados com estudos anteriores sobre a imobilização covalente de CGTase. As propriedades enzimáticas da CGTase imobilizada foram investigadas e comparadas com as da enzima solúvel. CGTases solúveis e imobilizadas apresentaram valores similares de pH ótimo. Por outro lado, a temperatura ótima foi de 100ºC e 80ºC para as formas solúvel e imobilizada da enzima, respectivamente. Em comparação com a CGTase solúvel, a forma imobilizada apresentou maior Km (constante de Michaelis), menor Vmax (velocidade máxima de reação), a estabilidade de armazenamento diminuiu cerca de 15% e apenas um ligeiro decréscimo foi observado quando a estabilidade térmica estava sob avaliação. A estabilidade operacional foi medida em repetidos processos de batelada e a enzima imobilizada reteve cerca de 60% da atividade catalítica inicial, após 15 ciclos.Cyclodextrin glicosyltransferase (CGTase, EC 2.4.1.19) is the enzyme able to convert starch and related sugars into cyclodextrins (CDs) via cyclization reaction. Cyclodextrins have numerous applications in the pharmaceutical, cosmetics, and food industry, because of their capacity to encapsulate hydrophobic molecules within their cavity. The CGTase from the Thermoanaerobacter sp. is able to degrade starch into CDs under industrial conditions (high temperature). For the industrial scale production of CDs, conventional batch production methods, which utilize soluble CGTase directly, have been mainly adopted. However the immobilization of CGTase has been pursued with the purpose of allow its reuse continuously and repeatedly by avoiding enzyme solubilization and promoting a more stable molecule form. In this research, Thermoanaerobacter CGTase was immobilized on silica-polyethyleneglycol (silica-PEG) microspheres. The support was silanized with 3- aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and activated with glutaraldehyde to generate conditions for enzyme immobilization, which was carried out at 6ºC and pH 6, during 15h. The immobilization yield and recovery activity was around 83% and 73%, respectively. Results were compared with previous studies on covalent immobilization of CGTase. The enzymatic properties of immobilized CGTase were investigated and compared with those of the soluble enzyme. Soluble and immobilized CGTases showed similar values for optimum pH. On the other hand, the optimum temperature was 100ºC and 80ºC for the soluble and immobilized forms, respectively. In comparison with the soluble CGTase, the immobilized form exhibited higher Km (Michaelis constant), lower Vmax (maximal reaction rate), the storage stability was decreased about 15% and just a slight decrease was observed when thermal stability was under evaluation. The operational stability was evaluated in repeated batch process and the immobilized enzyme retained about 60% of the initial catalytic activity after 15 cycles

Ultrasound-assisted transesterification of soybean oil using combi-lipase biocatalysts

We applied ultrasonic technology for the transesterification of soybean oil catalyzed by a mixture of lipases (combi-lipase: 75 % Novozym 435; 10 % Lipozyme TL-IM; and 15 % Lipozyme RM-IM), verifying the effects of ultrasonic amplitude, pulse conditions, the ethanol:oil molar ratio, enzyme concentration, and the influence of solvent (tert-butanol on the reaction. We also compared this system against ultrasound combined with mechanical stirring, and the efficiency of the combi-lipase, compared with the individual use of each lipase. The optimum conditions for the transesterification reaction were determined as enzyme concentration of 15 % (in relation to oil mass); ethanol:oil molar ratio of 3:1; ultrasonic amplitude of 30 %, duty cycle of 50 % and time pulse of 15 sec. The yields of conversion of ethyl esters with and without solvent were similar, indicating that the use of solvents during enzymatic transesterification reactions is not necessary when ultrasonic technology is applied to the system. The combination of mechanical stirring and ultrasound did not improve the yields of conversion compared to ultrasonic technology alone. The proposed combi-lipase produced higher yields of ethyl esters (75 %) than the individual lipases (55 %) in 5 h under ultrasonic-assisted batch reactions

Sílica Texturizada contendo GPTMS para Imobilização de Lipase

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Sílica Texturizada contendo GPTMS para Imobilização de Lipase

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