Green synthesis of benzyl esters mediated by enzymatic biocatalysts using different reactor configurations

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2019.Este trabalho visou a síntese dos ésteres aromáticos propionato de benzila, butirato de benzila e benzoato de benzila mediada por enzimas imobilizadas como biocatalisadores. A enzima Novozym 435 apresentou o melhor desempenho para a síntese dos ésteres propionato e butirato benzila em sistemas livres de solvente enquanto a enzima Lipozyme TL IM mostrou a melhor performance na síntese do benzoato de benzila. Um planejamento experimental 2² foi empregado para maximizar a conversão dos ésteres propionato e butirato de benzila utilizando ácido e álcool como substratos da reação de esterificação. A síntese do propionato de benzila em batelada atingiu uma conversão máxima de 44 % e quando a configuração batelada alimentada foi utilizada para mesma razão molar de substratos (1:1) a conversão aumentou para 90 %, indicando que a alimentação controlada do ácido durante as primeiras horas de reação reduziu os seus efeitos inibitórios. Além disso, as micrografias ópticas do suporte da Novozym 435 mostraram que o ácido propiônico agiu como um forte detergente em todas as razões molares ácido: álcool utilizadas, rompendo as ligações lipase-suporte, e consequentemente, causando a lixiviação da Cal B e impossibilitando o reuso da enzima. A síntese do éster butirato de benzila atingiu conversões acima de 80 % na configuração batelada considerando a menor razão molar (1:1) de substratos, mas os ensaios de reuso da enzima mostraram que houve uma perda acentuada da atividade da enzima após o primeiro ciclo de uso. A configuração batelada alimentada se mostrou eficiente para superar os problemas de inibição do ácido butírico e mesmo utilizando uma razão molar de substratos 1:1 a enzima garantiu a conversão máxima (~ 80 %) nos três reciclos testados. Um aumento de volume foi realizado e a elevada conversão foi mantida viabilizando a síntese do éster via enzimática na ausência de solventes. A síntese do éster benzoato de benzila foi conduzida utilizando o ácido benzoico e o anidrido benzoico como doadores acila para as reações de esterificação e acilação, respectivamente. No entanto, o ácido benzoico é um sólido de difícil solubilização e mesmo utilizando diferentes solventes a reação de esterificação não ocorreu. Por outro lado, a reação de acilação se mostrou eficiente na conversão do anidrido benzoico e produção do éster benzoato de benzila garantindo elevadas conversões mesmo na ausência de solventes e considerando apenas um excesso de álcool benzílico. Diferentes configurações de reatores, condições de reação e métodos de agitação foram testados afim de viabilizar a síntese do éster via biocatálise e a configuração em modo batelada foi a mais viável alcançando conversão máxima de 91 % em 6 h considerando uma razão molar ácido: álcool de 1:3. Embora alguns testes ainda sejam necessários para melhorar a performance do biocatalisador na síntese do propionato de benzila via biocatálise, os resultados indicam que as enzimas Novozym 435 e Lipozyme TL IM são biocatalisadores promissores para a síntese dos ésteres butirato/propionato de benzila e benzoato de benzila, respectivamente, com possível ampliação de escala.Abstract: This work aimed the synthesis of aromatic esters benzyl propionate, benzyl butyrate and benzyl benzoate mediated by immobilized enzymes as biocatalysts. The Novozym 435 showed the best performance for the benzyl propionate and benzyl butyrate synthesis in free-solvent system while the Lipozyme TL IM showed the best performance in the benzyl benzoate synthesis. A 2² experimental design was employed to maximize the conversion of both benzyl propionate and butyrate using acid and alcohol as substrates for the esterification. The benzyl propionate synthesis in batch reactor reached a conversion of 44 % and the fed-batch synthesis at same conditions (substrates molar ratio 1:1) reached 90 % of conversion, indicating the acid controlled fed during the first hours of reaction decreased its inhibition effects. Moreover, the optical micrographs of the Novozym 435 support showed the propionic acid acted as a lipase detergent in all substrates molar ratio tested, breaking the lipase-support bonds and, consequently, leaching out the Cal B from the support, making impossible the enzyme recycle. The benzyl butyrate synthesis reached conversions above 80 % in batch configuration considering the lower substrates molar ratio (1:1). However, the enzyme recycle assay showed a sharp decrease in the enzyme activity right after the first cycle of use. The fed-batch configuration showed to be efficient to overcome the butyric acid inhibition effects and the enzyme performance was maintained even at a substrates molar ratio of 1:1, reaching 80 % of conversion in the three recycles tested. The increase in the reaction volume showed a great ester conversion, which makes feasible the benzyl butyrate synthesis mediated by enzymes in the absence of organic solvents and substrate excess. The benzyl benzoate synthesis was conducted using the benzoic acid and benzoic anhydride as acyl donors to the esterification and acylation reactions, respectively. However, the benzoic acid is a solid of difficult solubilization and even using different solvents the esterification did not occur. On the other hand, the acylation showed to be very efficient in the benzoic anhydride conversion and occurred successfully in the absence of solvents, considering only an excess of benzyl alcohol. Different reactor configuration, reaction conditions, and agitation methods were tested in order to feasible the benzyl benzoate via biocatalysis and the batch configuration reached 91 % of conversion after 6 h in a molar ratio of 1:3. Although some tests are still needed to improve the biocatalyst performance in the benzyl propionate synthesis, the present results indicated the enzymes Novozym 435 and Lipozyme TL IM are promising biocatalysts for the benzyl propionate, butyrate and benzoate synthesis, respectively, with possible scale-up