Produção enzimática de Poli(E-caprolactona) em fluidos pressurizados

Abstract

A necessidade de se desenvolver processos limpos que possibilitem a obtenção de produtos livres de resíduos tóxicos, tanto para aplicação na área farmacêutica quanto alimentícia, possibilitou que processos de polimerização mediados por enzimas em fluidos pressurizados se tornassem atrativos. A policaprolactona (PCL) é um polímero biocompatível, biodegradável e bioreabsorvível, com aplicações nas indústrias alimentícia, farmacêutica e biomédica. Sendo assim, este trabalho objetiva estudar a produção de policaprolactona pelo mecanismo de abertura do anel da e-caprolactona (e-CL) por via enzimática em fluidos pressurizados visando a definição das melhores condições para a reação de polimerização. Para tal, foram realizados experimentos em dióxido de carbono (CO2) e gás liquefeito de petróleo (GLP), avaliando-se a influência da pressão de operação (120-280 bar), da razão solvente/monômero (razão mássica 2:1-1:2) e da porcentagem de enzima (5-15%) com relação ao mônomero sobre o rendimento de reação, massa molecular numérica média (Mn), massa molecular ponderal média (Mw) e índice de polidispersão (IP). O uso de um reator de volume variável permitiu a avaliação independente da pressão e da razão solvente/monômero. Os resultados destes experimentos foram utilizados para definir as condições para obtenção das cinéticas de polimerização. As cinéticas foram realizadas avaliando-se a influência da porcentagem de enzima (1%, 3%, 5% e 15%) e da temperatura (50°C e 60°C) nas reações em CO2 e a influência da porcentagem de enzima (3% e 5%) e da pressão (25 bar, 50 bar e 120 bar) nas reações em GLP. Os polímeros obtidos nas reações que compõem as cinéticas de polimerização foram avaliados em termos de rendimento de reação, Mn, Mw, IP, produtividade, temperatura de fusão (Tm) e grau de cristalinidade (Xc). Este estudo também avaliou a possibilidade de reúso da enzima para diminuição do impacto do custo da enzima sobre o custo do processo. Os resultados obtidos por análise estatística ANOVA mostraram que a pressão não é uma variável significativa para nenhum das variáveis de processo selecionadas. Além disso, para o CO2, os melhores resultados para rendimento, Mn e Mw foram obtidos para a razão de solvente/monômero de 1:2, enquanto para o GLP a razão solvente/monômero 2:1 proporciona melhores resultados. Como esperado, o aumento da porcentagem de enzima resultou em aumento do rendimento para ambos os solventes. Para o CO2 houve também aumento de Mn, Mw e IP. Nas cinéticas de reação foram obtidos rendimento de até 90%, Mn de até 13.700 Da e Mw de até 22.200 Da, para o CO2 com 15% de enzima e rendimento de até 81%, Mn de até 15.000 da e Mw de até 23.000 Da para o GLP com 5% de enzima. Os índices de polidispersão variaram de 1,2 a 1,7. Levando-se em consideração os cálculos de produtividade as condições escolhidas para realização dos ensaios de reúso foram 120 bar, razão solvente/monômero de 1:2, 3 % de enzima, 65°C e 12 horas de reação para o CO2 e 25 bar, razão solvente/monômero de 2:1, 3 % de enzima, 65°C e 8 horas de reação para o GLP. Quando se aplicou a enzima em ciclos de reúso, observou-se uma diminuição abrupta dos rendimentos para o CO2 devido ao seu efeito deletério sobre a atividade da enzima. Para o GLP esta diminuição foi progressiva. As massas moleculares obtidas apresentaram redução a cada ciclo. Na comparação dos resultados de rendimento, massa molecular e produtividade dos polímeros obtidos com o uso de CO2, GLP e sem o uso de solvente, o GLP é a opção que mais se destaca devido aos bons resultados obtidos. Além disso, apresenta custo inferior e pressão de operação mais amena do que com o uso de CO2. O uso do GLP, um solvente previamente não abordado pela literatura na produção de poliésteres, e o aspecto inovador da utilização de um reator de volume variável que permite a análise independente da influência da pressão, temperatura e da razão solvente/monômero são os diferenciais deste trabalho.<br>

Abstract : Lipase catalyzed polymerizations in pressurized fluids are becoming more attractive due to the need for development of cleaner processes able to yield products free of residues for pharmaceutical and food applications. Polycaprolactone is a biocompatible, biodegradable and bioresorbable polymer, is applied in a wide variety of structures for use in biomedical, food and pharmaceutical industries. Therefore, this thesis aims to study the enzymatic production of polycaprolactone using pressurized fluids as solvents in order to define the best conditions for the polymerization reaction. For this purpose, experiments were performed to evaluate the influence of the operating pressure (120-280 bar), the solvent/monomer mass ratio (2:1-1:2) and the percentage of enzyme related to monomer (5-15%) over the reaction yield, numberaverage molecular weight (Mn), weight-average molecular weight (Mw) and polydispersity index (PI) using liquefied petroleum gas (LPG) and carbon dioxide (CO2)as solvents. The use of a variable-volume reactor allowed an independent evaluation of pressure and solvent/monomer ratio. Results from these experiments defined the conditions for carrying out the polymerization kinetics. The kinetics assays were performed by assessing the influence of the percentage of enzyme (1%, 3%, 5% and 15%) and temperature (50 ° C and 60 ° C) in the CO2 reactions, and the influence of the percentage of enzyme (3 % and 5%) and pressure (25 bar, 50 bar and 120 bar) in the LPG reactions. Kinetic samples were evaluated by means of reaction yield, Mn, Mw, PI, productivity, melting temperature and crystallinity degree. In order to reduce the impact of enzyme cost over overall process cost, the possibility of enzyme reuse was also studied. The results for ANOVA analysis showed that pressure is not a significant variable for any of the selected parameters. Regarding solvent/monomer ratio, best results for yield, Mn and Mw for CO2 reactions were obtained for the solvent/monomer ratio of 1:2, whereas for LPG the solvent/monomer ratio of 2:1 provided the optimum results. Increasing the percentage of enzyme resulted in yield increase, higher molecular mass and higher polydispersity indexes. Reaction kinetics was performed using different percentages of enzyme and temperatures. Reaction yields up to 90%, Mn up to 13,700 Da and Mw of up to 22,200 Da were obtained for CO2 using 15 wt% enzyme. Reaction yields up to 81%, Mn up to 5,000 Da and Mw of up to 23,000 Da were obtained for LPG using 5 wt% of enzyme. The polydispersity index varied from 1.2 to 1.7. Taking into account the productivity calculations, the conditions chosen to perform the reuse assays were 120 bar, solvent/monomer ratio of 1:2, 3 wt% of enzyme, 65°C and 12 hours of reaction for CO2 assays and 25 bar, solvent/monomer ratio of 2:1, 3 wt% of enzyme, 65°C and 8 hours of reaction for LPG assays. When the enzyme was applied in reuse cycles, it showed a sharp decrease in reaction yields for CO2 assays probably due to its deleterious effect on the enzyme activity. For LPG the reaction yield decrease was progressive. The molecular masses obtained decreased with each cycle for both solvents. Comparing the results of yield, productivity and molecular mass of polymers obtained with the use of CO2, LPG and without the use of solvent, LPG is the option that stands out because of the good results obtained. Moreover, it has lower cost and milder operating pressure when compared to the use of CO2. The use of LPG, a solvent not previously reported in the production of polyesters and the innovative aspect of using a variable-volume reactor which allows independent analysis of the influence of pressure, temperature and the solvent/ monomer ratio are the highlights of this work.