Synthesis of polybutylene succinate by enzymatic transesterification: a study of kinetic behavior and enzymatic stability in the reuse of immobilized lipase

Abstract

Neste trabalho, as condições de síntese enzimática (bulk e solução) de PBS, seguido do reuso da lipase Novozym 435 (N435) em novos ciclos de síntese foram investigadas, com ênfase na descrição do comportamento cinético, atividade enzimática e distribuições de massas molares dos polímeros. Para as reações bulk, foram utilizados 0,1 mol de cada monômero (DS e BDO), sob agitação de 400 rpm e baixa pressão (0,1 atm), avaliando-se o efeito das concentrações de lipase N435 (5, 10 e 20 m/m%) e temperatura (60 a 100 °C). Para as reações em solução, as condições foram similares, avaliando-se a adição de 5 e 50 m/m% de DE no meio reacional. A quantidade de N435 foi fixada em 10 m/m%, avaliando-se as temperaturas de 70, 80 e 90 °C. Em cada sistema, foram selecionadas as melhores condições de síntese para a análise do reuso da N435. As reações em massa apresentaram limitações difusionais das cadeias até o sítio ativo da enzima imobilizada, devido às altas viscosidades do meio nas temperaturas investigadas. Nas reações bulk, a condição de melhor desempenho foi com 10 m/m% de N435 a 90 °C. O tempo de reação foi de 90 minutos, obtendo-se 8,08 g de subprodutos (sendo 9,20 o valor estequiométrico) e Mw de 4.000 g.mol-1. Nesta condição, o procedimento de reuso apresentou 4 ciclos com boa estabilidade enzimática. A atividade inicial da N435 foi 32,4 U.g-1, decaindo para 3,8 U.g-1 ao final do reuso. Além disso, testes indicaram entupimento dos poros do suporte enzimático por cadeias poliméricas após o reuso, contribuindo para o decaimento da atividade enzimática. Para o sistema em solução, maiores taxas de remoção de etanol foram observadas com 5 m/m% de DE. Limitações viscosimétricas ainda foram observadas nesta condição, decaindo com o aumento das temperaturas de reação. Utilizando-se 50 m/m% de DE, foram observados maiores tempos de reação, devido à menor viscosidade gerada pelo solvente. Porém, quanto maior a diluição, menores taxas de reação foram obtidas. Dessa forma, a condição de 5 m/m% de DE apresentou destaque, com valores de Mw entre 2.000 e 3.350 g.mol-1, sendo aplicada aos procedimentos de reuso, na temperatura de 70 °C (condição ótima de operação da N435), em reações de 60 minutos. Na presença do DE, os resultados indicaram perda significativa de atividade, onde a atividade enzimática inicial foi 31,1 U.g-1, decaindo para 4,5 U.g-1 após o primeiro ciclo de uso, e 1,9 U.g-1 ao fim de 3 ciclos. Um grande decaimento no rendimento em massa do polímero foi observado, em que o valor inicial foi 74,9 %, decaindo para 16,9 % no 3° ciclo de reuso. Testes adicionais sobre os efeitos do DE em contato com a N435 indicaram interações no suporte da enzima, causando maior porosidade, além da lixiviação da enzima adsorvida no suporte, justificando a perda de atividade da N435. Comparando-se os resultados de reuso da N435, o sistema bulk foi mais eficiente, com maior estabilidade e eficiência catalítica, enquanto que o uso do difenil éter causou perdas na atividade e eficiência catalítica de N435.

Abstract: In this work, the conditions of enzymatic synthesis (in mass and solution) of PBS, followed by the reuse of the commercial immobilized lipase Novozyme 435 (N435) in new synthesis cycles were investigated, with emphasis on the description of the kinetic behaviour, enzymatic activity and molar mass distributions of the polymers. For the bulk reactions, 0.1 mol of each monomer (DS and BDO) were used, under agitation of 400 rpm and low pressure (0.1 atm), evaluating the effect of the concentrations of lipase N435 (5, 10 and 20 wt%) and temperature (60 to 100 °C). For the reactions in solution, the conditions were similar, evaluating the addition of 5 and 50 wt% DE in the reaction medium. The amount of N435 was fixed at 10 wt%, evaluating the temperatures of 70, 80 and 90 °C. In each system, the best synthesis conditions were selected for the analysis of N435 reuse. The bulk reactions showed diffusion limitations from the chains to the active site of the immobilized enzyme, due to the high viscosities of the medium at the investigated temperatures. In the bulk reactions, the best performance condition was with 10 wt% N435 at 90 °C. The reaction time was 90 minutes, obtaining 8.08 g of by-products (9.20 being the stoichiometric value) and Mw of 4,000 g.mol-1. In this condition, the reuse procedure presented 4 cycles with good enzyme stability. The initial activity of N435 was 32.4 U.g-1, decreasing to 3.8 U.g-1 at the end of reuse. In addition, tests indicated clogging of the pores of the enzymatic support by polymeric chains after reuse, contributing to the decay of enzymatic activity. For the solution system, higher ethanol removal rates were observed with 5 wt% DE. Viscometric limitations were still observed in this condition, decreasing with increasing reaction temperatures. Using 50 wt% DE, longer reaction times were observed, due to the lower viscosity generated by the solvent. However, the higher the dilution, the lower reaction rates were observed. Thus, the condition of 5 wt% DE stood out, with Mw values between 2,500 and 3,350 g.mol-1, being applied to the reuse procedures, at the temperature of 70 °C (optimal operating condition of the N435 ), in reactions of 60 minutes. In the presence of DE, the results indicated a significant loss of activity, where the initial enzyme activity was 31.1 U.g-1, decreasing to 4.5 U.g-1 after the first cycle of use, and 1.9 U.g-1 at the end of three cycles. A large decrease in the mass yield of the polymer was observed, in which the initial value was 74.9 %, decreasing to 16.9% in the 3rd reuse cycle. Additional tests on the effects of DE in contact with N435 indicated interactions in the support of the enzyme, causing greater porosity, in addition to leaching of the enzyme adsorbed on the support, justifying the loss of activity of N435 Comparing the results of reuse of N435, the bulk system was more efficient, with greater stability and catalytic efficiency, while the use of diphenyl ether caused losses in the activity and catalytic efficiency of N435.