Development of polymer support from renewable sources intended for enzymes immobilization

Abstract

O uso de óleos vegetais tem se tornando alvo de inúmeras investigações na área de polimerização, pois são considerados uma alternativa limpa e ambientalmente correta, indo de acordo com as expectativas de uma ciência mais verde e menos poluente. Os óleos são ideais para esse propósito, pois além de serem considerados renováveis, permitem modificações em sua estrutura através de reações, como hidrólise e transesterificação, que fazem com que a conformação de sua estrutura se adeque ao polímero desejado. Com isso, é possível obter uma alta gama de materiais, os quais podem ser utilizados como suporte para a imobilização de enzimas, fazendo com que o processo possa ser considerado ambientalmente favorável. Na primeira etapa deste trabalho, um biopoliol foi obtido através de reação de glicerólise enzimática do óleo de mamona utilizando a lipase Novozym 435 como catalisador. O biopoliol apresentou 64%, em termos de composição, de mono- e diacilglicerol, e foi aplicado na síntese de espuma de poliuretana (PU). Após, a espuma foi utilizada como suporte para a imobilização da lipase NS-40116, utilizando técnica de aprisionamento em um único passo e apresentou 94±4% de eficiência de imobilização. A lipase livre e imobilizada foram caracterizadas em termos de atividade enzimática relativa utilizando p-nitrofenil-palmitato como substrato. O derivado enzimático foi aplicado na produção de ésteres metílicos utilizando gordura abdominal de frango como matéria-prima e foi possível realizar o reuso por quadro ciclos com conversões de aproximadamente 60%. Em um segundo momento, nanopartículas de poli(ureia-uretano) (PUU) foram sintetizadas utilizado o biopoliol produzido anteriormente. Nanoemulsões com diferentes porcentagens de sólidos (20, 30 e 40%) e tamanhos de partículas entre 167-280 nm apresentaram alta estabilidade quando obtidos por técnica de polimerização em miniemulsão sem o uso de surfactante extra. No terceiro passo deste trabalho, a lipase NS-40116, em sua forma livre, foi utilizada como biocatalisador para a obtenção de biopolióis por glicerólise em sistema livre de solvente. O produto dessa reação foi utilizado na síntese de nanopartículas de PUU e, então, a lipase NS-40116 foi imobilizada na superfície da nanopartícula, apresentando tamanho médio de 231 nm. Por último, os dois biopolióis, sintetizados anteriormente neste trabalho, foram aplicados para a obtenção de espuma de PU utilizando o diisocianato polimérico papi-27®. As espumas foram caracterizadas e foi possível concluir que espumas com alta resistência a compressão foram obtidas quando os biopolióis foram empregados na sua produção, em conjunto de um diisocianato de alta reatividade.

Abstract : The use of vegetable oils has been reported in numerous investigations for polymerization as they are considered a clean and environmentally friendly alternative. The oils are an interesting alternative for this purpose, because they allow modifications in the structure through reactions, as hydrolysis and transesterification, enabling the changes in the chemical structure with the arrangement to the desired polymer. Thus, it is possible to obtain a wild range of materials, which can be used as support for the immobilization of enzymes, making the process more environmentally favorable. At the first step of this work, a biopolyol was obtained by enzymatic glycerolysis reaction of castor oil using immobilized commercial Novozym 435 as biocatalyst. The obtained biopolyol, with a conversion of 64% in mono- and diacylglycerol, was applied in the synthesis of polyurethane foam. Then, the foam was used as support for lipase NS-40116 immobilization via entrapment technique in one single step, with 94±4% of immobilization efficiency. Free and immobilized NS-40116 in polyurethane foam lipases were characterized in terms of relative enzymatic activity using ?-nitrophenyl-palmitate as substrate. The enzymatic derivative was applied in the fatty acid methyl esters synthesis using abdominal chicken fat as feedstock and it was possible to perform the reuse for 4 cycles with conversions around 60%. In a second step, poly(urea-urethane) nanoparticles were synthesized using the biopolyol produced via enzymatic glycerolysis catalyzed by Novozym 435. Nanoemulsions with a different solids content (20, 30 and 40%) presented a remarkable lower averages sizes, between 167-280 nm, and high stability were obtained using miniemulsion polymerization without the use of any additional surfactant. In the third step, the free lipase NS-40116 was used as biocatalyst to obtain biopolyols by glycerolysis in a solvent-free system. The glycerolysis product was used in the synthesis of PUU nanoparticles and applied as support for lipase NS-40116 immobilization in the surface of the nanoparticle, presenting an average size of 231 nm. In the last step, biopolyols produced in this work were used to obtain polyurethane foams, using the polymeric diisocyanate papi-27®. The foams were characterized, and it was possible to conclude that the biopolyols can be applied in the polyurethane foams synthesis if used with a high reactivity diisocyanate, promoting to the foam high resistance to compression strength.