UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA SILMAR BALSAMO BARRIOS SÍNTESE DE RESINAS ALQUÍDICAS VIA CATÁLISE ENZIMÁTICA Dissertação apresentada como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Química Prof. Dr. Cesar Petzhold Orientador Prof. Dr. Alexandre Lapis Co-orientador Porto Alegre, Dezembro de 2008 A presente dissertação foi realizada inteiramente pelo autor, exceto as colaborações as quais serão devidamente citadas nos agradecimentos, no período entre agosto/2006 e dezembro/2008, no Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul sob Orientação do Professor Doutor César Petzhold e Co-orientação do Professor Doutor Alexandre Lapis. A dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Química pela seguinte banca examinadora: Comissão Examinadora: Prof. Dr. Carlos Rodolfo Wolf Curso de Química Universidade Luterana do Brasil Prof. Dr. Dimitrios Samios Instituto de Química Universidade Federal do Rio Grande do Sul Prof. Dr. Annelise Gerbase Instituto de Química Universidade Federal do Rio Grande do Sul Prof. Dr. Cesar Petzhold Prof. Dr. Alexandre Lapis Silmar Bálsamo Barrios 2 Parte desta dissertação foi apresentada/ publicada nos seguintes congressos: Future Coat 2008 – Globally Responsible Coatings – Getting There from Here Federation of Societies for Coatings Technology International Conference Outubro de 2008 Título: Enzymatic Catalysed Transesterification in the Manufacturing of Alkyd Resins 31a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química Maio de 2008 Título: Síntese de Resinas Alquídicas via Catálise Enzimática Pedido de depósito de patente do processo descrito neste trabalho foi protocolado junto ao Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) em 19 de dezembro de 2008 Título: Processo para Preparação de Resinas Alquídicas Titulares: UFRGS e Killing S/A Tintas e Adesivos 3 "É muito melhor Arriscar coisas grandiosas Alcançar triunfos e glórias, mesmo expondo-se à derrota Do que formar fila com os pobres de espírito Que nem gozam muito, nem sofrem muito, Porque vivem em uma penumbra cinzenta Que não conhecem vitória nem derrota". Teodore Roosevelt 4 AGRADECIMENTOS Aos meus amores “dona” Mari, “seu” Silvio, Silmara e Giza. Ao meu orientador e amigo César. À “inspiradora” Cenira Verona. Ao meu co-orientador Lapis. Aos meus eternos amigos. À “analítica” Angelita. Ao pessoal do K215. À Illen Canani. À Killing. À banca. 5 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS E GLOSSÁRIO .....................................................................8 LISTA DE TABELAS..........................................................................................................13 RESUMO.............................................................................................................................14 ABSTRACT .........................................................................................................................15 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................16 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 O MERCADO DE TINTAS E A PREOCUPAÇÃO AMBIENTAL................................ 16 TINTAS E RESINAS............................................................................................................ 18 RESINAS ALQUÍDICAS..................................................................................................... 19 A BIOTECNOLOGIA.......................................................................................................... 21 LIPASES................................................................................................................................ 23 A CATÁLISE ENZIMÁTICA APLICADA À TECNOLOGIA DE TINTAS ................ 25 2 OBJETIVOS.....................................................................................................................28 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..........................................................................................29 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 TINTAS.................................................................................................................................. 29 Definição ....................................................................................................................................... 29 Composição................................................................................................................................... 29 Processo de fabricação .................................................................................................................. 30 3.2 3.2.1 Conceito e Histórico...................................................................................................................... 30 3.2.2 Síntese e Processo ......................................................................................................................... 34 3.2.2.1 Método fusão X Método solvente ............................................................................................. 35 3.2.2.2 Método monoglicérido X Método ácido graxo ......................................................................... 36 3.2.2.3 Reações paralelas ...................................................................................................................... 38 3.2.2.3.1 Eterificação......................................................................................................................... 39 3.2.2.3.2 Formação de anel................................................................................................................ 39 3.2.2.3.3 Decomposição do poliálcool .............................................................................................. 40 3.2.2.4 Teoria da Policondensação (Equação de Carothers) ................................................................. 41 3.2.3 Composição................................................................................................................................... 44 3.2.3.1 Óleos e a Secatividade............................................................................................................... 44 3.2.3.2 Álcoois Polifuncionais (Polióis)................................................................................................ 49 3.2.3.3 Ácidos Polifuncionais (Poliácidos) ........................................................................................... 50 3.2.4 Limitações ..................................................................................................................................... 51 3.2.5 Estado da Arte ............................................................................................................................... 54 3.2.5.1 Resinas Alquídicas Base-Água e Alto de Teor de Sólidos........................................................ 54 3.2.5.2 Resinas Alquídicas Modificadas ............................................................................................... 58 3.2.5.2.1 Modificação Interna............................................................................................................ 58 3.2.5.2.2 Modificação Externa .......................................................................................................... 60 3.3.1 Estrutura das Enzimas ................................................................................................................... 63 3.3.2 Classificação e nomenclatura ........................................................................................................ 67 3.3.3 Mecanismo Catalítico.................................................................................................................... 68 3.3.3.1 Equação de Michaelis-Menten .................................................................................................. 70 3.3.4 Desenvolvimento de enzimas........................................................................................................ 72 3.3.5 Atividade, desnaturação e inativação ............................................................................................ 73 3.3.6 Atividade Enzimática em Meio Não-aquoso................................................................................. 74 3.3.7 Processo de Fabricação de Enzimas .............................................................................................. 75 3.3.8 Imobilização de Enzimas .............................................................................................................. 77 3.3.9 Custo das Enzimas ........................................................................................................................ 79 RESINAS ALQUÍDICAS..................................................................................................... 30 3.3 CATÁLISE ENZIMÁTICA................................................................................................. 63 6 3.3.10 Lipases .......................................................................................................................................... 81 3.3.10.1 Seletividade das Lipases........................................................................................................ 84 3.3.10.2 Modelo Cinético.................................................................................................................... 88 3.3.10.3 Aplicações das Lipases.......................................................................................................... 89 3.3.10.3.1 Interesterificação .............................................................................................................. 89 3.3.10.3.2 Produção de Monoacilgliceróis e Diacilgliceróis ............................................................. 91 3.3.10.3.3 Síntese de Biodiesel.......................................................................................................... 94 3.3.10.3.4 Usos das lipases na modificação de óleos para produção de resinas alquídicas ............... 96 4 MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................................99 4.1 4.2 REAGENTES........................................................................................................................ 99 PROTOCOLOS DE REAÇÃO ........................................................................................... 99 Alcóolises com lipase PPL ............................................................................................................ 99 Alcóolises com lipases PS, A, AY e Novozym 435...................................................................... 99 Análise fatorial com Lipase PS ..................................................................................................... 99 Síntese da resina alquídica .......................................................................................................... 100 Reator contínuo ........................................................................................................................... 100 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.3 MÉTODOS ANALÍTICOS................................................................................................ 102 Solubilidade em Metanol ............................................................................................................ 102 Índice de acidez........................................................................................................................... 102 Cromatografia em camada delgada ............................................................................................. 103 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) .................................................................... 103 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) .............................................................................. 105 Espectroscopia em Infravermelho ............................................................................................... 105 4.4 ENSAIOS EM RESINA E TINTA .................................................................................... 105 Desempenho da tinta e resina...................................................................................................... 105 “Gel Time” .................................................................................................................................. 106 Imersão em água ......................................................................................................................... 106 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .....................................................................................108 5.1 5.2 5.3 PROCESSO ALCALINO .................................................................................................. 108 Glicerólise com lipase PPL................................................................................................. 109 Glicerólise com Enzimas Amano ....................................................................................... 114 Otimização do processo com lipase PS ....................................................................................... 118 Reutilização................................................................................................................................. 120 Efeito da Adição de Solvente ...................................................................................................... 121 Testes com outros óleos e álcoois polifuncionais........................................................................ 123 Processo contínuo........................................................................................................................ 127 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4.1 5.4 5.5 5.6 Glicerólise com Novozym 435 ............................................................................................ 125 Síntese da resina alquídica ................................................................................................. 131 Resultados em Esmalte Poliuretânico Branco.................................................................. 135 6 CONCLUSÕES ..............................................................................................................140 Referências Bibliográficas.................................................................................................143 ANEXOS ...........................................................................................................................151 7 LISTA DE ABREVIATURAS E GLOSSÁRIO Acabamento: camada aparente de tinta. AGL: ácido graxo livre. CHDM: Cicloexano-dimetanol. CLAE: Cromatografia Líquida de Alta Eficiência. Cobertura: propriedade de um filme de tinta de obliterar a superfície, não permitindo a passagem de luz. COV: Compostos Orgânicos Voláteis. Cowles: misturador de alto cisalhamento muito usado na indústria de tintas. Crosslinking: termo em inglês que indica ligação cruzada entre cadeias poliméricas (reticulação). DG: diacilglicerol. Esmalte: acabamentos brilhantes muito usados na construção civil, para os mais diversos substratos. A denominação também é utilizada para acabamentos de alto brilho para a indústria metal-mecânica. GPC: cromatografia de permeação em gel. HD: hexanodiol. Laca: nomenclatura usual de acabamentos para madeira. MG: monoacilglicerol. NPG: neopentilglicol. Pgel: extensão da reação de policondensação no ponto de gel. A indústria denomina este parâmetro como K. Primer: tinta especial que entra como primeira camada em superfícies de forma a garantir a adesão das camadas posteriores. Pode ter função anticorrosiva em superfícies metálicas. TG: triacilglicerol. Veículo: numa tinta, o veículo é composto pela resina mais os solventes. 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Esquema de formação de ozônio através de reação fotoquímica dos solventes.1 _____________ 17 Figura 1.2 – Comparativo de venda de resinas (em milhões de quilos) nos Estados Unidos nos anos de 1982 e 2004.1,51 ________________________________________________________________________________ 18 Figura 1.3 – Estrutura idealizada de uma resina alquídica, onde R corresponde à cadeia de ácido graxo correspondente, que, dependendo do tipo de óleo utilizado, pode ser saturada ou insaturada. ____________ 19 Figura 1.4 – Reação idealizada de transesterificação (ou alcóolise) entre um óleo vegetal e glicerol. ______ 20 Figura 1.5 – Esquema simplificado da etapa de policondensação de síntese de resina alquídica. __________ 21 Figura 1.6 – Rotas sintéticas livres de benzeno para vários produtos químicos industriais.71______________ 22 Figura 1.7 – Processo de produção de biodiesel através da transesterificação com catalisador básico. São necessárias várias etapas de purificação dos produtos e subprodutos para possibilitar a comercialização.186 24 Figura 1.8 – Processo de produção de biodiesel através de transesterificação com catálise enzimática. Processo mais simplificado, devido à alta pureza dos produtos e subprodutos.186 ______________________________ 24 Figura 3.1 – Carro do início do século 20 pintado com tinta a base de resina nitrocelulósica.21 ___________ 33 Figura 3.2 – Reação de policondensação e estrutura idealizada de resina alquídica de glicerol e anidrido ftálico. R corresponde à cadeia de carbonos correspondente ao ácido graxo.__________________________ 34 Figura 3.3– Representação da reação de alcoólise.______________________________________________ 37 Figura 3.4 – Formação de anel na reação de policondensação. ____________________________________ 40 Figura 3.5– Mecanismos de degradação de polióis. _____________________________________________ 40 Figura 3.6 – W. H. Carothers em seu laboratório em 1930.25 ______________________________________ 41 Figura 3.7 – Representação da reação de policondensação.35 ______________________________________ 42 Figura 3.8 – Principais ácidos graxos utilizados na formulação de resinas alquídicas. __________________ 45 Figura 3.9 – Esquema da reação de crosslinking durante a secagem de alquídica baseada em óleo linoléico. R = polímero.1,39_____________________________________________________________________________ 47 Figura 3.10 – Formação de cetonas durante a secagem de resinas alquídicas.39 _______________________ 48 Figura 3.11 – Principais ácidos polifuncionais utilizados na síntese de resinas alquídicas. _______________ 50 Figura 3.12 – Comparativo de tempo de secagem (eixo Y, em minutos) de resinas alquídicas formuladas com diversos anidridos (MA=Maleico, PA=Ftálico, SA=Succínico, GA=Glutárico) em diversos teores (eixo X, quantidade molar de anidrido para 1 g de óleo). Conventional resin = resina convencional, formulação não informada. 41 ____________________________________________________________________________ 51 Figura 3.13 – Esquema genérico de fotodegradação de polímeros.1 _________________________________ 52 Figura 3.14 – Representação esquemática da formação de ácidos pela degradação de polímeros alquídicos.42 53 Figura 3.15 – Representação idealizada de resinas alquídicas diluíveis com água, adequadas para neutralização com aminas devido à acidez residual do polímero. (a) Modificação com Anidrido Trimelítico. (b) Modificação com anidrido maleico. __________________________________________________________ 55 Figura 3.16 – Gráfico comparativo de teor de COV e secagem de formulações de resinas alquídicas basesolvente e base-água (tecnologia de emulsificante polimérico).45 ___________________________________ 56 Figura 3.17 – Diluentes reativos para formulação de resinas alquídicas de alto teor de sólidos. e (a) = 2,7octadienil fumarato, (b) = 2,7-octadienil maleato e (c) = (2,7-octadieniloxi)-2-succinato. ______________ 57 9 Figura 3.18 – Modificação de resina alquídica com monômero acrílico-silicone.49 _____________________ 59 Figura 3.19 – Reação entre monoacilglicerol e heximetileno diisocianato (HDI), formando uma resina alquídica uretanizada. ____________________________________________________________________________ 60 Figura 3.20 – Representação da reação de crosslinking de uma resina alquídica com endurecedor melamínico. ______________________________________________________________________________________ 62 Figura 3.21 – Esquema teórico de formação de ligação peptídica entre dois aminoácidos. 54 _____________ 63 Figura 3.22 – Estrutura de α-hélice de uma enzima. Em detalhe (pontilhado) as ligações de hidrogênio que influenciam a estabilidade da estrutura.54,55 ____________________________________________________ 65 Figura 3.23 – Estrutura de folha β-pregueada de uma enzima. Em detalhe (pontilhado) as ligações de hidrogênio.54,55 __________________________________________________________________________ 66 Figura 3.24 - Representação da estrutura tiária de uma enzima.58 __________________________________ 66 Figura 3.25 – Representação do modelo de chave e fechadura. A molécula de sacarose não é quebrada pela Maltase, pois não se “encaixa” no sítio ativo. 57 ________________________________________________ 69 Figura 3.26 – Representação do modelo dinâmico do encaixe substrato-enzima. 59 _____________________ 69 Figura 3.27 - Representação gráfica da equação de Michaelis-Menten.54_____________________________ 70 Figura 3.28 – Esquema simplificado de produção de enzimas.58 ____________________________________ 76 Figura 3.29 – Esquema de imobilização da estrutura aberta de lipase através de adição de surfactante, imobilização em suporte aminado, fixação com glutaraldeído e posterior lavagem para remoção do surfactante.76 ____________________________________________________________________________ 79 Figura 3.30 – Reações de hidrólise (sentido direto) e esterificação (sentido inverso) catalisadas por lipases _ 81 Figura 3.31 - Artigos publicados na revista Journal of American Oil Chemistry Society, referentes à pesquisa com a palavra LIPASE.84 __________________________________________________________________ 81 Figura 3.32 - A estrutura de uma lipase pancreática humana. Acima a estrutura ativa (aberta, E*) devido à aproximação com o substrato. Embaixo a estrutura inativa (fechada, E). O sítio ativo da lipase é demonstrado, ficando próximo a estrutura da folha β5, embaixo de uma estrutura que funciona como uma tampa (Lid domain).85 ______________________________________________________________________________ 83 Figura 3.33 – Reações catalisadas por lipases. _________________________________________________ 84 Figura 3.34 - Randomização da estrutura do triacilglicerol na reação de interesterificação de óleos vegetais.67 ______________________________________________________________________________________ 85 Figura 3.35 - Estrutura do triacilglicerol na reação de interesterificação de óleos vegetais via catalise enzimática com lipases 1,3 específicas. 67 ______________________________________________________ 85 Figura 3.36 – Mecanismo da migração de grupamentos acila gerando produtos aleatorizados durante a interesterificação enzimática. X e Y representam grupamentos graxos.123 _____________________________ 86 Figura 3.37 – Mecanismo de reação genérico das lipases _________________________________________ 88 Figura 3.38 – Reação em processo contínuo (reator de leito fluidizado com membrana de separação) do óleo de palma com glicerol a 30ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), OF (Candida rugosa), D (Rhizopus delemar), AK (Pseudomonas fluorescens), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae), AY (Candida rugosa), M (Mucor javanicus) e PL (Alcaligenes sp.).161 ___________________________________________________ 92 10 Figura 3.39 – Reação em processo contínuo (reator de leito fluidizado com membrana de separação) do óleo de palma com glicerol a 45ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), D (Rhizopus delemar), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae) e PL (Alcaligenes sp.). 161 _____________________________________________ 92 Figura 3.40 – Estabilidade das lipases na reação do óleo de palma com glicerol a 45ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), D (Rhizopus delemar), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae) e PL (Alcaligenes sp.).161 _______________________________________________________________________ 93 Figura 3.41 – Reator contínuo de leito fixo. 161 _________________________________________________ 93 Figura 3.42 – Transesterificação de óleo vegetal por enzimas suportada em líquidos iônicos com concomitante captura do glicerol formado.178 _____________________________________________________________ 95 Figura 4.1 – Esquema do reator contínuo de Damstrup.151 _______________________________________ 101 Figura 4.2 – Foto do reator contínuo de leito fixo preenchido com a enzima Novozym 435, já inchada devido ao solvente. ______________________________________________________________________________ 101 Figura 4.3 – Exemplo de cromatograma de CLAE . Os picos referentes às diversas frações de acilgliceróis estão indicados, inclusive o pico dos padrões internos naftaleno e linoleato de metila. ______________________ 104 Figura 4.4 – Foto ilustrativa do teste de imersão em água. _______________________________________ 107 Figura 5.1 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise alcalina do óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido). _____________________________________________________ 109 Figura 5.2 – Cromatograma de CLAE do óleo de mamona. ______________________________________ 112 Figura 5.3 – Cromatograma de CLAE da reação do óleo de mamona com CHDM, relação OH/ éster 2,4, THF como solvente, temperatura 32°C e tempo 72 horas (reação 2 da Tabela XVII). ______________________ 113 Figura 5.4 – Cromatograma de CLAE da reação do óleo de mamona com TMP, relação OH/ éster 2,4, THF e água como solventes, temperatura 32°C e tempo 48 horas (reação 4 da Tabela XVII). _________________ 113 Figura 5.5 – Comparação processo de alcóolise alcalina e enzimático por cromatografia em camada delgada. Em ambos os casos, relação glicerol/ óleo de soja=2,4:1; Processo Lipase PS: 1% de enzima/ óleo, 96 horas de reação, temperatura 40ºC. Processo Alcalino: 1% de octoato de lítio, 2 horas de reação, temperatura 40ºC. Eluentes hexano/acetato etila/ácido acético na proporção 89/9/1. Revelação em vanilina/ácido sulfúrico. __ 116 Figura 5.6 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido). Alcóolise alcalina: 220ºC em 2 horas, 1% de octoato de lítio sobre óleo (m/m). Alcóolise enzimática: 40ºC em 8 horas (mínimo), 1% de lipase PS sobre óleo (m/m), teor de água indicado corresponde a percentual em massa sobre glicerol. _____________________________________ 117 Figura 5.7 – Gráfico da variação do índice de acidez versus tempo de reação da reutilização da lipase Amano PS no sistema glicerol/óleo de soja, relação molar 2,4:1, teor de água de 50% (m/m de glicerol), temperatura de 40ºC. Padrão = enzima “nova”; R1,R2,R3=primeira, segunda e terceira reutilização. _________________ 121 Figura 5.8 - Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol em presença de lipase PS em reação em batelada (desconsiderado o glicerol não reagido), temperatura de 40ºC, tempo de reação de 8 horas. Teores de água e t-butanol contados sobre massa de glicerol. _____________ 123 Figura 5.9 – Gráfico índice de acidez versus tempo de reação da reação de vários óleos com glicerol, relação molar 2,4:1, temperatura de 40ºC, teor de água 3,5%. __________________________________________ 124 11 Figura 5.10 – Análise de cromatografia em camada delgada (CCD) da reação de diversos óleos com glicerol na presença da lipase Amano PS. A esquerda de cada placa corresponde ao cromatograma do óleo puro, a direita o produto da reação. Eluentes hexano/acetato etila/ácido acético na proporção 89/9/1. Revelação em vanilina/ácido sulfúrico. __________________________________________________________________ 124 Figura 5.11 – Cromatograma de CLAE da reação de TMP e óleo de soja, relação molar 2,4:1, temperatura de 40ºC, por oito horas. Teor de água de 69% sobre TMP, padrão interno linoleato de metila. _____________ 125 Figura 5.12 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido) das experiências realizadas por processo enzimático (temperatura de 40ºC, tempo de reação até equilíbrio) com Lipase PS, Novozym 435 e processo alcalino (temperatura de 220ºC, tempo de reação de 2 horas). Relação glicerol/óleo = 2,4, teor de água de 3,5% sobre glicerol, teor de catalisador de 1% sobre óleo.______________________________________________________________ 126 Figura 5.13 – Reator contínuo de leito fixo utilizado no trabalho sendo alimentado pela parte inferior. A direita o detalhe dos espaços vazios formados. ______________________________________________________ 128 Figura 5.14 - Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol em presença de lipase Novozym 435 e t-butanol, em processo batelada e contínuo (desconsiderado o glicerol não reagido), temperatura de 40ºC, tempo de reação de 20 minutos (conforme definição de Damstrup para o processo contínuo) e tempo de 8 horas para o processo batelada. _________________________________ 129 Figura 5.15 – Comparação visual dos processos de alcóolise enzimática (com lipase Novozym 435 em processo contínuo a 40ºC) e alcalina (com octoato de lítio a 220ºC)._______________________________________ 130 Figura 5.16 – Resultados semi-quantitativos das análises de CLAE dos produtos de alcóolise utilizados para síntese das resinas (desconsiderada fração de glicerol). _________________________________________ 133 Figura 5.17 – Cromatograma de GPC da Resina AP (3,5% de água). ______________________________ 134 Figura 5.18 – Tempos de gel dos esmaltes poliuretânicos brancos feitos com as resinas sintetizadas indicadas. _____________________________________________________________________________________ 136 Figura 5.19 – Evolução de dureza dos filmes formados pelas tintas produzidas com as resinas sintetizadas indicadas. _____________________________________________________________________________ 137 Figura 5.20 – Resultados de retenção de brilho (inicial/final) de filmes de tinta aplicados sobre aço carbono lixado submetidos à imersão em água por 300 horas. ___________________________________________ 139 Figura 6.1 – Comparativo de produtividade das resinas sintetizadas. AA=alcóolise alcalina; AG=processo ácido graxo; AP3 e AP50= alcóolise com lipase Amano PS em batelada, com 3,5% e 50% de água adicionada em massa sobre glicerol respectivamente, sem considerar tempo de filtragem; AN=alcóolise com lipase Novozym 435 em processo contínuo, sem considerar tempo de destilação. ___________________________ 141 Figura 6.2 – Comparação da energia consumida nos processos alcalino e enzimático de síntese de resinas alquídicas. Considerou-se a produção de 5 toneladas de resina tendo como parâmetro a produção atual real de uma indústria. __________________________________________________________________________ 142 12 LISTA DE TABELAS Tabela I – Dados do mercado de tintas brasileiro do ano de 2007, segundo ABRAFATI.7 ________________ 16 Tabela II – Comparativo de impacto ambiental no ciclo de fabricação de 5 toneladas de miristato mirístico por rota alcalina e enzimática.93 ________________________________________________________________ 25 Tabela III - Alcoólise do óleo de linhaça com glicerol. Quantidades percentuais em massa. 3 _____________ 37 Tabela IV – Comparativo de formação de glicerol oligomérico em diversas situações. 32 ________________ 39 Tabela V - Composição dos principais óleos utilizados em resinas alquídicas no Brasil [fontes diversas]. ___ 45 Tabela VI – Resultados obtidos de resina alquídica de alto teor de sólidos. Teor de óleo: 60% (Soja).48 _____ 58 Tabela VII - Aminoácidos que formam as enzimas.54 _____________________________________________ 64 Tabela VIII – Classificação das enzimas.54_____________________________________________________ 68 Tabela IX – Custo comparativo de enzima hidrolases EC 3.1.1.3 (lipases).201 _________________________ 80 Tabela X– Principais fontes das lipases.85 _____________________________________________________ 82 Tabela XI – Especificidades de diferentes lipases frente à reação com triacilgliceróis.140 ________________ 87 Tabela XII – Obtenção da manteiga de cacau através da interesterificação enzimática do óleo de palma. P=palmitato, O=oleato, St=estearato.141 ______________________________________________________ 90 Tabela XIII – Condições reacionais utilizadas no trabalho de Kumar.190 ____________________________ 96 Tabela XIV – Resultados obtidos no trabalho de Kumar com a síntese de resinas alquídicas. Formulações não fornecidas. 190 ___________________________________________________________________________ 98 Tabela XV – Metodologias empregadas para teste de desempenho da tinta final ______________________ 106 Tabela XVI – Testes realizados com óleo de soja, coco e mamona e glicerol, utilizando a enzima PPL.(a) ___ 110 Tabela XVII – Resultados dos testes realizados com óleo de mamona, utilizando a enzima PPL como catalisador. ____________________________________________________________________________ 111 Tabela XVIII – Resultados comparativos das Lipases PS, AY e A na reação do óleo de soja e glicerol. Condições reacionais: temperatura 40ºC, 30% de água sobre glicerol, relação molar glicerol/óleo de 2,4:1. ________ 114 Tabela XIX – Comparação de atividades das enzimas testadas. 63__________________________________ 115 Tabela XX – Variáveis e níveis utilizados no planejamento fatorial com Lipase PS no sistema glicerol e óleo de soja.__________________________________________________________________________________ 118 Tabela XXI – Descrição das experiências e composição semi-quantitativa molar dos produtos através de CLAE (para MG, DG e TG) e por índice de acidez (AGL)._____________________________________________ 119 Tabela XXII - Efeitos principais e erros padrão das variáveis testadas. _____________________________ 119 Tabela XXIII – Correlação do logaritmo do coeficiente de partição (log P) com o teor de MG obtido na glicerólise do óleo de girassol catalisada com lipase Novozym 435.(a) ______________________________ 122 Tabela XXIV – Composição da resina escolhida para teste. O teor de não-voláteis final é de 51%, ajustado com solvente (xileno). ________________________________________________________________________ 131 Tabela XXV – Parâmetros teóricos calculados para a resina alquídica utilizada no trabalho. ___________ 131 Tabela XXVI – Resultados dos ensaios realizados nas resinas alquídicas sintetizadas (a). _______________ 132 Tabela XXVII – Formulação do Esmalte Poliuretano Branco. ____________________________________ 136 Tabela XXVIII – Resultados de testes físicos feitos com os esmaltes poliuretânicos aplicados sobre painéis de aço carbono lixados. Testes realizados após 7 dias de secagem. ___________________________________ 138 13 RESUMO Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo da aplicação da biotecnologia na fabricação de resinas alquídicas, através do uso de catálise enzimática na transesterificação de diversos óleos (principalmente óleo de soja) com glicerol. O objetivo principal foi estudar a viabilidade técnica da substituição do processo de alcóolise alcalina atualmente utilizado em uma das etapas do processo de síntese/fabricação de resinas alquídicas por um processo enzimático com hidrolases tipo EC 3.1.1.3, mais comumente chamadas de lipases, alcançando menor consumo de energia e sustentabilidade ambiental no processo. Os melhores resultados foram obtidos com as enzimas dos organismos Pseudomonas sp e Candida antarctica. A temperatura de processo utilizada foi de 40ºC, em comparação aos 220ºC utilizados no processo alcalino. Alta conversão do óleo e alto teor de monoacilgliceróis foram alcançados. Em razão disso, a resina obtida apresentou menor tempo de processamento na etapa da policondensação, devido à maior funcionalidade na polimerização, levando a uma diminuição do consumo global de energia. Algumas propriedades da resina foram melhoradas, como dureza e resistência química do filme. A reutilização das enzimas sem perda de atividade foi demonstrada, o que viabiliza seu uso comercialmente, além de gerar menos resíduo. Um processo produtivo contínuo foi proposto e avaliado. A condição mais amena de reação garantiu um maior controle do produto gerado, devido a uma diminuição de reações paralelas, além de maior versatilidade da formulação, abrindo novas possibilidades no design destas resinas. Portanto, através da catálise enzimática, melhor desempenho e adequação aos padrões internacionais podem ser alcançados para as resinas alquídicas, agregando valor para esta classe de polímeros, favorecendo o uso de óleos vegetais e maximizando a utilização de recursos renováveis (eco eficiência). 14 ABSTRACT This work presents a biotechnology application in the manufacturing of alkyd resin, through the use of enzymatic catalysis in the transesterification reaction of some oils (mainly soybean oil) with glycerol. The main objective was to study the technical feasibility to substitute the current alkaline process that has been used in a step of the resin synthesis by a enzymatic process with hydrolases class EC 3.1.1.3, most called lipases, achieving lower energy consumption and environmental process sustainability. The best results were obtained with the enzymes Pseudomonas sp and Candida antarctica. The process temperature was 40ºC, lower than the current temperature (220ºC). It was found higher oil conversion and higher monoacylglycerol amounts. For that reason, the resin synthesis showed lower polymerization time in the polycondensation step, leading to lower overall energy consumption. Some resin properties were improved, as hardness and chemical resistance. The reuse of the enzymes without high activity loss was demonstrated, which enable its use commercially, and generate less waste. A continuous process has been proposed and evaluated. The mild reaction conditions ensured greater control of the generated product due to a decrease in parallel reactions, thus it resulted in greater formulation versatility, opening new possibilities in the design of these resins. Therefore, by enzymatic catalysis, better performance and suitability to international standards can be achieve for alkyd resins, adding value to this class of polymers, favoring the use of vegetable oils and maximizing use of renewable resources (eco-efficiency). 15 1 INTRODUÇÃO A catálise enzimática é uma área que cada vez mais recebe atenção no meio acadêmico e industrial. Condições amenas de reação e uma surpreendente especificidade possibilitam a revisão dos processos químicos atuais, além de abrir horizonte para novas tecnologias. As enzimas podem ser utilizadas na preparação dos mais diversos produtos, tais como medicamentos, cosméticos, detergentes, alimentos, compostos orgânicos, polímeros, dentre muitos outros. A síntese de resinas alquídicas para formulação de tintas através da catálise enzimática, objeto desta dissertação, foi pouco estudada no meio científico até o momento. Porém, como será visto ao longo do estudo, o alcance e mesmo a superação do desempenho atual pode ser atingido através da biotecnologia. Além disso, será visualizado que é possível diminuir o consumo de energia no processo de síntese dessas resinas, devido às condições reacionais brandas empregadas, contribuindo para a preservação do meio ambiente (ecoeficiência). 1.1 O MERCADO DE TINTAS E A PREOCUPAÇÃO AMBIENTAL Importante ramo tecnológico e comercial, o mercado de tintas movimentou em 2003 cerca de US$ 70 bilhões.1 O Brasil está hoje entre os cinco maiores consumidores do mundo, com um consumo per capita anual de 5,5 litros, ainda muito pequeno quando comparado com Europa e Estados Unidos, onde o consumo ultrapassa 10 litros.2 A Associação Brasileira dos Fabricantes de Tintas (ABRAFATI), divide o mercado brasileiro em 4 grupos, conforme tabela Tabela I apresentando os seguintes dados de 2007:3 Tabela I – Dados do mercado de tintas brasileiro do ano de 2007, segundo ABRAFATI.3 Imobiliária Repintura Automotiva Automotiva Original Indústria Geral Volume (milhões de litros) 800 45 42 158 Faturamento (milhões de dólares) 1.448 223 171 600 Em termos de preocupação ambiental, a tecnologia de tintas já deu alguns passos importantes, especialmente no contexto internacional, através de legislações vigentes (Estados Unidos e União Européia), onde restrições a solventes orgânicos tiveram início na década de 60.1 Os solventes, comumente chamados de compostos orgânicos voláteis (COV), além de serem tóxicos, podem levar a sérios problemas de poluição, devido à formação de particulados sólidos e oxidantes, como o ozônio (Figura 1.1).1 Restrição a metais pesados 16 (presentes principalmente nos pigmentos amarelos e laranjas e alguns aditivos) também é imposta naqueles países. A realização de eventos sobre “química verde” e eficiência energética na produção/aplicação de tintas é freqüente, evidenciando uma preocupação geral do segmento com relação ao problema ambiental. Figura 1.1 – Esquema de formação de ozônio através de reação fotoquímica dos solventes.1 No Brasil, as escassas legislações relacionadas à matéria referem-se basicamente a restrições trabalhistas, através da Norma Regulamentadora (NR) número 15 (Atividades e Operações Insalubres), e disposição de resíduos. Apesar disso, há uma crescente conscientização dos fabricantes de tintas, muitas vezes por pressões das matrizes, como no caso de multinacionais, ou por esforços de auto-regulamentação do setor feitos pela ABRAFATI, como o programa regulamentação da qualidade2 e redução de COV,4 ambos no setor de tintas imobiliárias, além do programa Coatings Care, de atuação responsável em tintas. 5 De uma forma geral, entretanto, mesmo no mercado internacional, a preocupação ambiental somente é assumida se, pelo lado do consumidor, a qualidade oferecida dos produtos é mantida, e se, pelo lado do fabricante, não há perda de lucro. Veja-se, por exemplo, o artigo publicado recentemente numa revista especializada no mercado de tintas.6 O autor, Paul Mills, critica a atual onda da “busca pela sustentabilidade” das empresas, concluindo que a real efetividade de esforços para preservação ambiental somente será alcançada através da criação de legislações adequadas pelos governos. Citando Milton Freedman, ele define a real preocupação dos empresários: “Existe uma única responsabilidade social dos negócios – usar os recursos e engajar atividades para aumentar os lucros, tanto quando puder permanecer dentro das regras do jogo”. De fato, o grande desafio atual (e 17 futuro) na formulação de tintas é garantir não somente a sustentabilidade, mas também o desempenho e lucratividade aos produtos. 1.2 TINTAS E RESINAS Tintas são formadas pela dispersão física de pigmentos, que conferem cor e cobertura, em um veículo formado por solventes e polímeros. 1,7-8 Este veículo, mais comumente chamado de resina, tem a finalidade de definir as principais propriedades da tinta, como durabilidade, dureza, flexibilidade, etc. Os solventes garantem a aplicabilidade e manuseio. Em tintas base-água, o solvente é água. A única exceção é a tinta em pó, que não utiliza solvente. A resina é um polímero que tem por finalidade possibilitar a formação de filme da tinta e determinar seu uso e desempenho. Existem hoje muitas tecnologias disponíveis, que vão de polímeros de alto desempenho - como os acrílicos e epóxi, utilizados para proteção de materiais - até polímeros de baixo custo - como os vinílicos, utilizados nas tintas decorativas da área imobiliária. 9,10 Na sua maioria derivadas de insumos de petróleo, que alcançou preço recorde nos últimos anos, as resinas vêm recebendo forte pressão de custos. Apesar disso, observa-se uma migração cada vez mais acentuada para polímeros que utilizam essa fonte. Como exemplo, é apresentado na Figura 1.2 o desempenho de vendas de resinas dos Estados Unidos nos anos de 1982 e 2004. 450 400 350 300 106 Kg 250 200 150 100 50 0 re ta no s ut ra O s 1982 2004 Figura 1.2 – Comparativo de venda de resinas (em milhões de quilos) nos Estados Unidos nos anos de 1982 e 2004.1,11 U 18 Analisando o gráfico, nota-se uma mudança do portfólio consumido, onde há uma substituição de polímeros derivados parcialmente de fontes renováveis (alquídicos e celulósicos), para polímeros derivados exclusivamente do petróleo (acrílicos, epóxi, vinílicos, etc.). Este movimento foi causado, dentre outros fatores, pela exigência do mercado consumidor por produtos de melhor desempenho. Um acabamento automotivo acrílico, por exemplo, tem durabilidade às intempéries de três a quatro vezes superiores a um acabamento baseado em resinas alquídicas. Desta forma, como se pode notar nitidamente na Figura 1.2, entre 1982 e 2004 houve uma retração das vendas de resinas alquídicas nos Estados Unidos, ao passo que as resinas acrílicas, por exemplo, dobraram de consumo. Apesar de não haverem dados precisos, o mercado brasileiro também acompanha tal movimento, porém com menor velocidade, liderado principalmente pelo setor automotivo. 1.3 RESINAS ALQUÍDICAS As resinas alquídicas foram as primeiras resinas sintetizadas. São, por definição, poliésteres modificados com óleos vegetais (Figura 1.3). A designação alquídica tem origem do inglês ALKYD (ALcohol mais acID). Assumiram papel de destaque ao longo dos anos, em razão de sua versatilidade e baixo custo.1,7-10 O R O O OH O O O O R O O O O O OH R O O n Resina Alquídica Figura 1.3 – Estrutura idealizada de uma resina alquídica, onde R corresponde à cadeia de ácido graxo correspondente, que, dependendo do tipo de óleo utilizado, pode ser saturada ou insaturada. Um dos principais processos para fabricação de resinas alquídicas, chamado de processo monoglicérido, ocorre em duas etapas e faz uso de óleos vegetais na sua forma in natura. Na primeira etapa, ocorre a transesterificação entre óleo e álcoois polifuncionais. A segunda corresponde à polimerização (policondensação) com ácidos polifuncionais, 19 geralmente derivados do ácido ftálico. O processo global envolve grande consumo de energia, devido à necessidade de emprego de temperaturas relativamente altas (acima de 200ºC). A primeira fase do processo, também chamada de alcóolise, é necessária para converter o óleo em uma mistura de monoacilgliceróis (MG), diacilgliceróis (DG), triacilgliceróis (TG) e ácidos graxos livres (AGL). Dessa forma são prevenidos problemas de separação do meio reacional devido a pouca miscibilidade do óleo e ácido na etapa de policondensação. Esta reação é realizada na presença de bases, como por exemplo, octoato de lítio, a temperaturas acima de 200ºC e afeta diretamente as propriedades finais da resina, uma vez que o crescimento da cadeia polimérica inicia-se a partir desse substrato. A Figura 1.4 mostra a reação idealizada, utilizando como álcool polifuncional o glicerol (levando à formação de monoacilglicerol apenas). OH 2 HO OH + O R O R O O O O R OH Base ∆ 3 HO O O R Glicerol Óleo Vegetal Monoacilglicerol R = cadeia de ácido graxo Figura 1.4 – Reação idealizada de transesterificação (ou alcóolise) entre um óleo vegetal e glicerol. Como características desse processo, pode-se citar: - Reação rápida: a conversão por este processo é facilmente alcançada. Normalmente uma hora de reação é suficiente. - Conversão ineficiente: a conversão não é completa. Como parte do óleo permanece no filme de tinta posteriormente, há diminuição de dureza e resistência química. Além disso, como a conversão não é específica, não há formação apenas de monoacilgliceróis, mas também de diacilgliceróis e ácidos graxos livres. Na segunda fase, também chamada de acidólise, os ácidos polifuncionais são adicionados, além dos demais álcoois. A reação de policondensação é então controlada 20 através da viscosidade e acidez do sistema. O processo encerra-se quando se atinge um resultado pré-determinado desses dois parâmetros (Figura 1.5). O O O HO O R O O R O OH O OH O O O R O O O O O OH R O O OH + Anidrido ftálico -H2O ∆ n Monoacilglicerol Resina Alquídica R = cadeia de ácido graxo Figura 1.5 – Esquema simplificado da etapa de policondensação de síntese de resina alquídica. Como limitações da fase de acidólise, temos: - Reações complexas e não-seletivas (altas temperaturas, reações paralelas): em temperaturas altas, pode haver formação de subprodutos não desejáveis, como polimerização e oxidação do óleo, causando aspecto mais escuro, sendo obrigatório uso de atmosfera inerte durante a reação. Pode ocorrer também a dimerização do glicerol (formação de acroleína), entre outras reações indesejáveis; - Baixa previsibilidade das propriedades finais: a experiência em formulação de resinas alquídicas na indústria tem mostrado que os parâmetros empíricos são, muitas vezes, a única base para previsão de propriedades. Devido à complexidade das reações, os métodos de cálculo estequiométricos baseados nas teorias de policondensação normalmente são utilizados apenas para fins orientativos e didáticos; O declínio da venda de resinas alquídicas pode ser explicado, então, pelas dificuldades de processo demonstradas acima, aliada ao crescimento de outras tecnologias. Entretanto, devido principalmente ao apelo ambiental, é imprescindível que novos conceitos sejam incorporados, além de melhorar a competitividade desses polímeros no mercado. 1.4 A BIOTECNOLOGIA Para alcançar esse objetivo, a biotecnologia tem se mostrado uma ferramenta bastante promissora. A natureza é responsável pela síntese de uma diversidade de compostos nos 21 sistemas biológicos, com sofisticado controle estrutural e condições amenas de temperatura e pressão. As células e as enzimas responsáveis pelas rotas bioquímicas podem ser isoladas e utilizadas “in vitro”, tanto em meio aquoso como em meio solvente. 12-19 Estas possibilidades criaram um novo campo tecnológico multidisciplinar, chamado de biotecnologia industrial, que tem como pretensão unir os conhecimentos das áreas da biologia, química e engenharia. O Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) define como Biotecnologia Industrial “a utilização de sistemas celulares para obtenção de produtos ou desenvolvimento de processos industriais”.20 Um objetivo bem claro dessa nova área é garantir a produção industrial a partir de fontes diferentes do petróleo, como a biomassa. Um exemplo de como se pode alcançar esse objetivo é demonstrado em um artigo da revista Industrial Biotechnology.19 Analisando toda a cadeia de produtos que podem ser derivados da glicose (Figura 1.5), matéria-prima obtida de diversas fontes vegetais, nota-se que o benzeno, insumo obtido através do petróleo e matriz básica utilizada hoje para todos os compostos indicados, poderia perfeitamente ser substituído, utilizando para isso tecnologias de bio-refino já disponíveis. Figura 1.6 – Rotas sintéticas livres de benzeno para vários produtos químicos industriais.19 Além disso, a evolução da biotecnologia nos processos de desenvolvimento de novas enzimas através da engenharia genética, possibilita que a gama de usos desses materiais biológicos seja cada vez maior. Atualmente já existe grande diversidade de setores industriais que utilizam esses catalisadores.21-27 A indústria de detergentes , por exemplo, é o segmento 22 de maior aplicação de enzimas industriais, as quais conferem propriedades especiais aos produtos para remoção de manchas específicas. Outro exemplo é a conversão enzimática do amido em açúcares, um processo bem conhecido, e a obtenção de álcool a partir do milho. Na indústria têxtil, novas rotas enzimáticas têm sido introduzidas, diminuindo o consumo de energia e rejeitos. Como exemplo pode-se citar a substituição, no processamento do algodão, do processo de limpeza da fibra, que é realizado em altas temperaturas e condições extremamente alcalinas, com alto consumo de água e geração de rejeitos, por uma rota enzimática limpa.21 Esses são apenas alguns exemplos de processos atuais, que demonstram o potencial de uso da tecnologia enzimática em processos químicos. Dentro desse contexto, um dos processos mais estudados é a modificação enzimática de óleos. Estes substratos são de grande importância, pois são fontes de carbono de origem renovável (agricultura), sendo alternativas para os derivados de petróleo. As enzimas já estudadas e mais adequadas para esse fim são as lipases, fosfolipases e lipoxigenases.22 Contudo, as lipases ganham destaque na em razão de sua grande versatilidade, custo e estabilidade. 1.5 LIPASES A função natural dessas enzimas é catalisar a hidrólise de triacilgliceróis (óleos vegetais), produzindo misturas de ácidos graxos livres e glicerol, podendo ser encontradas em plantas, animais e microrganismos. Os campos de aplicação são os mais variados, indo da indústria de detergentes à alimentícia.23-27A utilização de lipases nas reações de interesterificação de óleos vegetais e transesterificação com álcoois mono e polifuncionais foi muito estudada, tanto para obtenção de óleos com novas propriedades,28-55 obtenção de mono e diacilgliceróis56-74 (emulsificantes largamente utilizados na indústria alimentícia), e também na síntese de biodiesel.75-80 Menor consumo de energia, alta seletividade, maior controle de produtos e ausência de necessidade de purificação posterior foram alguns dos resultados alcançados. Na síntese de biodiesel, por exemplo, o processo enzimático utilizando lipases possibilita a obtenção dos ésteres alquílicos com alta conversão e pureza. A glicerina obtida como subproduto não necessita de purificação posterior (Figura 1.7 e Figura 1.8), eliminando o atual problema de demanda deste subproduto, pois possibilitaria sua comercialização direta. 23 Figura 1.7 – Processo de produção de biodiesel através da transesterificação com catalisador básico. São necessárias várias etapas de purificação dos produtos e subprodutos para possibilitar a comercialização.79 Figura 1.8 – Processo de produção de biodiesel através de transesterificação com catálise enzimática. Processo mais simplificado, devido à alta pureza dos produtos e subprodutos.79 A modificação de óleos em escala industrial utilizando lipases já é utilizada e vem aumentando sua gama de aplicações. Como exemplo, em 2005 uma empresa da Argentina foi 24 pioneira ao implementar a catálise enzimática para fabricação de margarinas isentas de gordura trans.24 O processo para obtenção desse tipo de margarina consiste em uma interesterificação de óleos, que substitui a hidrogenação e pode tanto ser catalisada via processo químico como pelo processo enzimático, sendo este último escolhido, pois o produto final não precisa de purificações e branqueamentos posteriores. Além disso, o sabor do produto fica mais agradável. Outro exemplo é o apresentado por uma empresa alemã, do ramo de cosméticos, que utiliza processo semelhante há mais de dez anos para fabricação de uma linha de ésteres emolientes com menor impacto ambiental (ver estudo comparativo da produção de miristato mirístico na Tabela II).27 Ambos os processos utilizam reatores de leito fixo, podendo ser considerados processos modelos, inclusive para outras aplicações, como, por exemplo, para transesterificação de óleos no processo de fabricação de resinas alquídicas. Tabela II – Comparativo de impacto ambiental no ciclo de fabricação de 5 toneladas de miristato mirístico por rota alcalina e enzimática.27 Rota Alcalina Energia Consumida (GJ) Gás carbônico gerado (Kg) Dióxido de enxofre gerado (Kg) Etileno gerado (Kg) 22,50 1.518 10,58 0,49 Rota Enzimática 8,63 582 1,31 0,12 Ganho 62% 62% 88% 76% O processo contínuo utilizado por essas empresas tem como objetivo principal viabilizar economicamente o processo, devido ao alto custo das enzimas, principalmente em razão dos suportes empregados, que pode inviabilizar muitas vezes sua implementação em processos industriais de larga escala, limitando a usos em química fina. 1.6 A CATÁLISE ENZIMÁTICA APLICADA À TECNOLOGIA DE TINTAS As enzimas são usadas na produção de tintas em casos especiais. Em tintas anti- incrustação, por exemplo, as enzimas entram diretamente na formulação, sendo usadas para proteção de estruturas submersas.81 25 Além disso, as enzimas podem ser utilizadas na síntese de solventes, pigmentos, aditivos e resinas. Reações de polimerização via catálise enzimática já foram bastante estudadas.82-105 Porém, poucos trabalhos relacionados especificamente à obtenção de resinas para tintas foram publicados. Entre eles, em 1990, Geresh e Gilboa106 demonstraram a síntese de um poliéster insaturado a partir do ácido fumárico e 1,4 butanodiol utilizando enzimas do tipo lipase. Em 1997, Bhabhe e Athawale107 sintetizaram monômeros acrílicos modificados com óleo através de uma rota quimio-enzimática para uso como diluentes reativos em tintas. No mesmo ano, Kumar e colaboradores108 utilizaram a catálise enzimática na síntese de resinas alquídicas. Foi utilizada uma lipase na alcóolise de resinas alquídicas partindo de diversos óleos e álcoois polifuncionais. Os melhores resultados foram obtidos com óleos de coco e mamona e o poliol ciclohexanodimetanol (CHDM), onde se obteve valores de massa molecular muito semelhantes ao processo de alcóolise alcalina. Não foi reportada nenhuma caracterização posterior da resina alquídica. Um dos motivos para a ausência de trabalhos na literatura é o alto custo das enzimas. Porém, a possibilidade de reutilização desses catalisadores, aliada ao fato de existirem novas pesquisas para simplificação do processo de produção desses materiais biológicos, faz com que a viabilidade econômica seja possível. Outros processos alternativos para a modificação de óleos já foram demonstrados além da catálise enzimática.39, 109 Óxidos metálicos, como óxidos de zinco, magnésio, lantânio e cério, alquil guanidinas, bem como uso de zeólitas já foram propostos com ótimos resultados de conversão, porém com longos tempos de reação, temperaturas relativamente altas (100 a 200ºC) e necessidade de purificação posterior. Portanto, muitos fatores contribuem para que o uso da catálise enzimática na etapa da alcoólise na síntese de resinas alquídicas: - Condições reacionais brandas (baixas temperaturas), melhorando a eficiência energética do processo e menor possibilidade de reações paralelas; - Maior teor de monoacilgliceróis e maior conversão do óleo, que contribui para o aumento da cadeia na policondensação (diminuindo o tempo de reação) e melhores propriedades químicas e físicas no polímero final; 26 Além disso, em razão da característica do processo, é possível que a utilização de outros materiais renováveis (por exemplo, derivados de sementes oleaginosas, polímeros naturais, etc.) torne-se viável, o que não ocorre através dos processos hoje utilizados. Pelo exposto acima, evidencia-se que é viável utilizar a catálise enzimática na transesterificação de óleos e utilizar o produto dessa reação na síntese de resinas alquídicas. O problema dos altos custos das enzimas, que não permitiriam seu uso comercial, pode ser resolvido através da possibilidade de reutilização desses catalisadores. O desenvolvimento dessa nova tecnologia de fabricação pode permitir a obtenção de processos de síntese de resinas alquídicas mais sustentáveis e produtos de melhor performance, oportunizando maior competitividade das tintas baseadas nesse tipo de polímero. 27 2 OBJETIVOS O principal objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade técnica da substituição do processo de alcóolise alcalina atualmente utilizada em uma das etapas da síntese/fabricação de resinas alquídicas por um processo enzimático com lipases, alcançando menor consumo de energia e melhor sustentabilidade ambiental no processo. Uma formulaçãoi de resina utilizando óleo de soja e glicerol na fase de alcóolise foi escolhida como alvo, sendo comumente utilizada na formulação de lacas e esmaltes poliuretânicos. O óleo de soja foi escolhido em razão de sua importância econômica local (custo competitivo), bem como o glicerol (glicerina), que ganha cada vez mais destaque como plataforma sintética o qual, sendo subproduto da produção de biodiesel, leva a um importante excedente da produção atual. Como premissa, o desempenho da resina e conseqüentemente da tinta, pelo processo enzimático deve ser igual ou superior à condição atual (processo alcalino). Esta melhoria de desempenho estaria relacionada à alta seletividade das lipases, que produzem altos teores de monoacilgliceróis, além de garantir condições amenas de reação. O processo enzimático encontrado deveria então ser otimizado para comparação com processo alcalino em termos de produtividade, verificando-se a possibilidade futura de implementação em escala industrial. Um objetivo secundário foi avaliar a possibilidade de utilizar o processo enzimático também para outros óleos vegetais, como coco, mamona, linhaça e DCO, e outros álcoois polifuncionais, como Trimetilolpropano (TMP) e Pentaeritritol, de forma a verificar a viabilidade de utilização do novo processo na maioria das formulações do mercado brasileiro. i Formulação obtida de Killing S/A Tintas e Adesivos; 28 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 TINTAS 3.1.1 Definição Tintas são formadas pela dispersão física de pigmentos, em um veículo constituído por solventes e polímeros. 1,7-10 Essa mistura tem a propriedade de formar filmes aderentes sobre as mais variadas superfícies. Podem ser descritas pelo seu tipo, por exemplo, base-solvente, base-água, pó e pela sua função, por exemplo, anticorrosiva, decorativa, foto-sensível.1 3.1.2 Composição As tintas são formadas por quatro componentes principais: resinas, pigmentos, solventes e aditivos. A resina é responsável pela formação de filme aderente de uma tinta, conferindo suas principais propriedades como flexibilidade, durabilidade, dureza, etc. Quimicamente são polímeros de diferentes massas moleculares e identidades químicas. Os pigmentos, além conferir cor, também conferem opacidade, propriedade normalmente chamada de cobertura. Podem ser tanto compostos inorgânicos (óxidos de titânio, ferro, cromo, etc.) como orgânicos (complexos orgânicos, naftóis, poliaromáticos, etc.). Os solventes são responsáveis por uma série de propriedades. Garantem a fluidez e estabilidade do sistema, de forma que seja possível fazer a aplicação, ajudam na formação do filme e influenciam seu aspecto final. Quando alguma propriedade especial não é alcançada podem-se utilizar aditivos. Os aditivos entram em pequenas quantidades, e modificam significativamente as propriedades seja do filme seco como da tinta ainda líquida. Podem tanto ser incorporados durante o processo de fabricação, para facilitar o processamento dos pigmentos por exemplo, como na tinta já pronta, de forma a corrigir ou melhorar alguma propriedade especial. Podem ser inorgânicos (sílicas, por exemplo) como orgânicos (polímeros acrílicos, por exemplo.). 29 3.1.3 Processo de fabricação O principal objetivo no processo de fabricação de tintas é a dispersão e incorporação do pigmento no veículo (mistura da resina e solvente). Os pigmentos são sólidos insolúveis, formados por aglomerados de partículas. Esses aglomerados devem ser desagregados e estabilizados no veículo. Inicialmente, parte do veículo é misturada juntamente com o pigmento, num processo chamado de umectação. Esta etapa é realizada antes da dispersão, de forma a diminuir o tamanho dos aglomerados sólidos de pigmento e para garantir a umectação das partículas. São utilizados dispersores especiais, chamados cowles. Na dispersão, as partículas sólidas de pigmento são desagregadas, recebendo energia através de cisalhamento. Os equipamentos utilizados são moinhos especiais para essa função. O processo é interrompido quando o diâmetro médio das partículas ficar menor que a espessura do filme de tinta a ser aplicado. Para evitar a re-aglomeração dos pigmentos, aditivos especiais podem ser utilizados durante e após a dispersão. Após o processo de dispersão, os demais componentes são adicionados e misturados, num processo chamado de completagem. O produto então passa pelo controle de qualidade para ajustes finos de viscosidade e cor, além de outras propriedades que porventura sejam necessárias. 3.2 RESINAS ALQUÍDICAS 3.2.1 Conceito e Histórico As resinas alquídicas são conceitualmente poliésteres modificados com óleos vegetais. Utilizadas sozinhas ou misturadas a outros polímeros, conferem ao filme de tinta a propriedade de secatividade (secagem por oxidação). Devido a sua ampla faixa de propriedades9, podem ser utilizadas em formulações de tinta que vão desde primers anticorrosivos até lacas para madeira. No início a definição de resinas poliéster e alquídica era um pouco confusa. Kienle, em 1929, definiu poliésteres como sendo todo polímero obtido através da policondensação de 30 um ácido polifuncional e um álcool polifuncional, incluindo as resinas alquídicas. Bjorksten, em 1956, excluiu as resinas alquídicas dessa definição.111 110 Já Segundo Martens,112 os primeiros trabalhos de síntese deste tipo de polímero foram realizados por: Berzelius (1847),113 o qual sintetizou uma resina através da reação do ácido tartárico e glicerol; Berthelot (1853), 114 pela reação de glicerol e um diácido cíclico, derivado de uma essência da cânfora e Van Bemmlen (1856), 115 pela reação de glicerol e os ácidos 116 succínico e cítrico. O uso do anidrido ftálico, como comumente é realizado hoje em dia, apareceu inicialmente em 1901, em um trabalho de Walton Smith, que obteve uma resina sólida e transparente através do aquecimento de uma mistura glicerol/anidrido numa relação 2:3. As resinas obtidas, até então, eram muito rígidas para serem utilizadas para revestimento de materiais, sendo utilizadas em algumas aplicações para revestimento de madeira. As primeiras patentes depositadas para a síntese de resinas alquídicas datam do ínicio do século 20, pelo grupo de Callahan, Kienle, Friedburg, Arsem, Howell e Dawson, todas da empresa General Eletric. 117-122 A primeira resina foi comercializada com o nome de ‘Glyptal’. 123 Neste sentido, segundo McIntyre:124 (...) Callahan mostrou que a reação entre glicerol e anidrido ftálico deveria ser realizada em dois estágios – primeiro com a temperatura sendo gradualmente aumentada até 210ºC, e então a temperaturas próximas a 100ºC durante um período de muitas horas (...). O segundo estágio, o qual levava ao endurecimento, poderia ser feito pela aplicação ou impregnação do produto a ser tratado. Continuando o primeiro estágio a altas temperaturas levava à formação de massa dura e quebradiça cheia de cavidades, presumidamente pela combinação de reticulação (i.e. alcançando o ponto de gel) com a evolução de vapor d’água tão rápida que a difusão através da resina não era possível (...). Outras patentes da General Eletric daquele período mostram que era possível incorporar pequenas quantidades de ácido butírico, ácido oléico ou óleo de mamona, ou ambos. Estes foram os primeiros de muitos desenvolvimentos que aumentaram a gama de resinas alquídicas devido ao controle sobre a flexibilidade e dureza, modificando a velocidade de cura, e introduzindo a possibilidade de 31 reações de cura olefínicas adicionais, que naquele tempo era chamada de ‘secatividade’ (McINTYRE,124 páginas 4 e 5, tradução nossa). Da mesma forma, Martens112 escreve: Nesta época, investigações foram realizadas sobre a gelificação e secagem de óleo de linhaça entre outros. A teoria desenvolvida era que a secagem envolvia uma ligação intermolecular das duplas ligações conjugadas dos ácidos graxos de glicerol com o ar. Quando um ftalato de glicerol era misturado com óleos secativos eles ficavam incompatíveis. Isso era superado pela introdução de ácidos graxos secativos durante a reação do glicerol com o anidrido ftálico. Por este método uma resina homogênea era produzida, a qual se tornava insolúvel pela secagem com ar ou aquecimento. Estas resinas eram solúveis em solventes de baixo custo como os alifáticos e aromáticos e produziam filmes com boas propriedades, como aderência, flexibilidade e durabilidade. (MARTENS,112 página 5, tradução nossa) Em 1917, em plena Primeira Guerra Mundial, um novo processo para fabricação de anidrido ftálico foi desenvolvido. O processo de oxidação catalítica do naftaleno com ácido sulfúrico foi substituído por um novo processo baseado na oxidação em fase vapor desse material, reduzindo significativamente o custo.112 Com o advento do conceito de linha montagem na indústria automotiva por Henry Ford, foi necessário encontrar tintas de secagem mais rápida, de forma a acelerar o processo de pintura. As lacas nitrocelulósicas, desenvolvidas também durante a Primeira Guerra, começar a substituir os esmaltes a base de óleo cru em automóveis devido a sua extrema rapidez de secagem (Figura 3.1) . 32 Figura 3.1 – Carro do início do século 20 pintado com tinta a base de resina nitrocelulósica.125 Era necessário, no entanto, que essas lacas fossem modificadas com algum material que garantisse melhor adesão. As resinas alquídicas começaram, então, a serem utilizadas com este propósito, pois tinham boa compatibilidade com a resina nitrocelulósica. Em 1928, cerca de duzentas toneladas de resina alquídica já eram produzidas anualmente.112 Nas duas décadas que se seguiram, houve grande avanço na manufatura, através da incorporação de novos processos e introdução de novas matérias-primas. Na década de quarenta, outros álcoois polifuncionais foram incorporados, como trimetilolpropano e pentaeritritol, permitindo alcançar propriedades únicas, ampliando o uso dessas resinas. Durante a Segunda Guerra Mundial, houve grande aumento da produção de anidrido ftálico, devido à produção de explosivos e repelentes, o que impulsionou, no pós-guerra, a produção de resinas alquídicas. Foi nessa época também que apareceram as primeiras especificações de sistemas de pintura. Em 1946, Moore126 descreveu as principais matérias-primas utilizadas em resinas alquídicas. Basicamente as mesmas utilizadas ainda hoje. A tecnologia de fabricação destas resinas foi totalmente desenvolvida nas duas décadas que se seguiram. Em 1949, Hovey127 descreveu os equipamentos mais adequados, que ainda são base de muitos processos atuais. Moore, em 1950, 128 relatou o processo de síntese de alquídicas através de alcóolise de óleos. Durante os anos de 1955 e 1965 foi desenvolvida a tecnologia de aquecimento elétrico dos reatores através de fluido térmico, pois até então se utilizava aquecimento direto, o que possibilitou grandes avanços em termos de produtividade e controle da reação. Em 1957, mais da metade das tintas produzidas tinham 33 como base resinas alquídicas, atingindo o patamar de produção de 240 mil toneladas por ano. 129 Em 1952 foi depositada a primeira patente de uma resina alquídica que podia ser diluída com água,130 o que já previa o início das restrições ambientais com relação à emissão de COV nos Estados Unidos na década de 60. Pesquisas começaram a serem feitas de forma a reduzir a quantidade de solvente das tintas.131 Muitas estratégias começaram a serem utilizadas, principalmente na Europa e Estados Unidos, no desenvolvimento de novas classes de resinas. Em 1959 e 1962, Kraft132,133 relatou os avanços no desenvolvimento de resinas alquídicas base-água e o surgimento da idéia de tintas de alto teor de sólidos. Essas duas linhas de pesquisa foram, nas décadas seguintes, os principais focos de desenvolvimento tanto na indústria quanto no meio acadêmico. Atualmente, devido a crescentes exigências de qualidade, as resinas alquídicas estão perdendo espaço para polímeros de melhor performance, como os acrílicos. Dados de 2004, mostram que a produção de alquídicas nos Estados Unidos alcançou cerca de 200 mil toneladas, que comparadas com os patamares de 1957, representa uma diminuição de 17% da quantidade produzida. Por outro lado, as resinas acrílicas alcançaram um patamar de 416 mil toneladas em 2004.1 3.2.2 Síntese e Processo A reação básica de síntese de resinas alquídicas é mostrada na Figura 3.2, e corresponde a uma reação de policondensação entre álcoois e ácidos polifuncionais. O OH O OH R O O O R O O O R O O R O O OH O O O O R O O O O O OH R O O 2 HO + + 2 Anidrido ftálico -4H2O ∆ n Glicerol Óleo Vegetal Resina Alquídica R = cadeia de ácido graxo Figura 3.2 – Reação de policondensação e estrutura idealizada de resina alquídica de glicerol e anidrido ftálico. R corresponde à cadeia de carbonos do ácido graxo. 34 A reação processa-se em atmosfera inerte, a temperaturas que variam de 180 a 280ºC, dependendo dos reagentes utilizados.134 Há remoção de água do sistema, para deslocamento da reação no sentido dos produtos. A polimerização é interrompida quando um valor prédeterminado de viscosidade e índice de acidez é alcançado. Nas fases iniciais da reação, a diminuição do índice de acidez é rápida enquanto que o aumento de viscosidade é lento. No final da reação, o inverso é verdadeiro. Muitas vezes, dependendo da composição da formulação, o aumento de viscosidade é tão intenso que necessita de certa habilidade do operador, que deve encerrar o processo de polimerização no momento exato, sob o risco de formação de gel. A reação pode ser transcorrida sem adição de solventes, num processo denominado de método fusão, ou pela adição de pequena quantidade de solvente que formará um azeótropo com a água gerada, facilitando sua remoção. O processo é denominado, então, de método solvente. 131 Além disso, na incorporação da fração graxa, tanto o triacilglicerol (TG) quanto o ácido graxo livre (AGL) poderão ser utilizados. No primeiro caso, o óleo é inicialmente reagido com uma parte do poliálcool, num processo chamado de alcóolise, e o método será designado então de método monoglicérido (ou monoacilglicerol). O segundo caso é simplesmente chamado de método ácido graxo, e processa-se na própria policondensação. Na seção seguinte será relatada uma breve comparação dos métodos. 3.2.2.1 Método fusão X Método solvente O método fusão é o processo mais simples e antigo, e ainda encontra algumas aplicações, principalmente em formulações com altos teores de óleo. O meio reacional é mantido na temperatura de reação sob agitação e atmosfera inerte. Para remoção da água formada, pode ser utilizado fluxo contínuo de gás inerte através do meio reacional. Este método causa perda de álcoois voláteis e anidrido ftálico, levando a consideráveis problemas associados com essa perda. Em razão disso, não é o método escolhido para preparar resinas com especificações bem definidas. O método solvente (algumas vezes chamado de método do azeótropo) é o mais utilizado. Neste processo, a esterificação é realizada na presença de certa quantidade (3 a 6%)131 de solvente com baixa miscibilidade com água, como xileno. A mistura água-solvente 35 formará um azeótropo, que facilitará a remoção de água do meio através do aumento da pressão de vapor. O vapor de solvente-água é condensado em uma coluna, a água é separada e o destilado orgânico retorna ao reator. Solventes aromáticos são preferidos por diversas razões: - São facilmente separados da água; - São capazes de dissolver todo o anidrido ftálico que fica aderido às paredes do reator; - Particularmente no caso do xileno, não é necessário sua remoção posterior, pois pode fazer parte de praticamente todos os sistemas de solventes da resina final e também da tinta. 3.2.2.2 Método monoglicérido X Método ácido graxo O método monoglicérido consiste em converter o óleo a monoacilglicerol (MG), por meio de reação com um álcool polifuncional (transesterificação), mediante condições de catálise alcalina, à temperatura de 220 a 250°C, sob agitação e atmosfera inerte. O resultado é uma mistura de poliol não reagido, MG, diacilgliceróis (DG) e óleo não-convertido (Figura 3.3), que irá afetar significativamente o desempenho final. Estudos mostraram que quanto menores são os teores de MG, piores serão as características finais da resina, como secagem e resistência química.135 36 OH O OH OH HO O R H2O HO O R HO MONOACILGLICEROL ÁCIDO GRAXO LIVRE O R O R O HO O O O R OH OH O OH OH O HO R O R O O O R TRIACILGLICEROL OH O H2O O R H2O O R O HO O R HO O R DIACILGLICEROL ÁCIDO GRAXO LIVRE ÁCIDO GRAXO LIVRE R = cadeia de ácido graxo Figura 3.3– Representação da reação de alcoólise. A composição pode variar conforme catalisador utilizado, tempo e temperatura de reação, além da proporção entre os reagentes. Na Tabela III é mostrado o resultado de diferentes alcoólises do óleo de linhaça e glicerol. 8 Tabela III - Alcoólise do óleo de linhaça com glicerol. Quantidades percentuais em massa. 8 Sal de lítio Glicerol Monoacilglicerol Diacilglicerol Triacilglicerol 6 44 42 8 Óxido de chumbo 21 27 27 25 37 No processo ácido graxo, a reação é realizada em apenas uma etapa, pois não há problema de reatividade e de compatibilidade com anidrido ftálico. Além de uma maior versatilidade na formulação, normalmente menores tempos de reação são necessários. Um inconveniente do processo é o fato que em temperaturas baixas os ácidos graxos se solidificam, sendo necessário aquecimento prévio das embalagens para manuseio. Além disso, em termos econômicos, os ácidos graxos são normalmente mais caros que os óleos. Diferenças significativas são encontradas em alquídicas com a mesma composição, porém feitas por processos diferentes. 9 Uma explicação plausível para esse fato é possível se considerarmos as diferenças de reatividade entre os grupos hidroxila do glicerol e pela conversão incompleta do óleo no processo monoglicérideo. Por exemplo, no processo ácido graxo há uma competição entre os grupos acila dos ácidos graxos (menos reativo) e anidrido ftálico (mais reativo). O anidrido ftálico irá preferencialmente reagir com as hidroxilas primárias do glicerol, também mais reativas. Os ácidos graxos irão então se inserir na posição relativa à hidroxila secundária. Neste caso, portanto, o aumento da cadeia do polímero se dará pelas posições relativas às hidroxilas primárias do glicerol. Já no processo monoglicérido, a fração graxa estará inserida preferencialmente na posição das hidroxilas primárias, e o crescimento da cadeia do polímero será realizado pela posição relativa à hidroxila secundária do glicerol, diminuindo a velocidade da polimerização além de deixar o polímero mais suscetível a ataques alcalinos. Além disso, no processo monoglicérido, a fração de óleo não reagido desempenhará um papel de plastificante do polímero, acarretando menor dureza e resistência química. 3.2.2.3 Reações paralelas Na preparação de alquídicas, a policondensação é acompanhada por uma infinidade de reações paralelas e transformações secundárias dos produtos formados. Algumas destas reações podem ser previstas e calculadas, outras não. Dessa forma, o ajuste da formulação de uma resina alquídica normalmente é feito empiricamente. A seguir é apresentada a descrição das principais reações paralelas que podem ocorrer na preparação de resinas alquídicas. 38 3.2.2.3.1 Eterificação A eterificação de álcoois durante a polimerização é indesejável, pois aumenta as ramificações das cadeias poliméricas, gerando riscos de gelificação. É normalmente catalisada por ácido, o que é particularmente importante quando utilizados ácidos como catalisadores da policondensação, ou quando estão presentes ácidos relativamente fortes na síntese do polímero, como por exemplo ácido maleico. A reação de eterificação também pode ser catalisada por bases, e nesse caso os catalisadores utilizados na alcoólise também poderão favorecer a formação de éteres. A Tabela IV apresenta um comparativo do efeito da temperatura e do catalisador na formação de éteres durante a glicerólise do óleo de linhaça. Tabela IV – Comparativo de formação de glicerol oligomérico em diversas situações. 131 Catalisador Temperatura (ºC) Percentual de glicerol oligomérico formado Na3PO4 Na3PO4 NaOH NaOH CaO CaO 240 280 240 280 240 280 3,5 27,3 8,0 25,6 1,3 7,7 3.2.2.3.2 Formação de anel O processo de poliesterificação pode levar a formação de estruturas cíclicas. O fechamento de anel é conhecido por ser importante em alquídicas baseadas no anidrido oftálico (Figura 3.4). 39 O O O O R R O O O O Figura 3.4 – Formação de anel na reação de policondensação. A ciclização pode ser encarada como uma reação de terminação de cadeia, prejudicando o crescimento da massa molecular do polímero. 3.2.2.3.3 Decomposição do poliálcool Degradação térmica de polióis pode levar a produtos diferentes dos éteres. Glicóis vicinais são particularmente suscetíveis a este tipo de reação, podendo levar a aldeídos, cetonas e outros produtos mais complexos, conforme mostrado na Figura 3.5. OH H3C OH OH OH -H2O OH H3C H3C O (a) (b) OH OH OH O OH H3C O OH OH O OH O H2C OH O HO Acroleína OH OH HO OH Diglicerol OH O HO O CH2 Figura 3.5– Mecanismos de degradação de polióis. 40 3.2.2.4 Teoria da Policondensação (Equação de Carothers) A policondensação foi um dos primeiros mecanismos de polimerização estudados. Em 1929 Wallace H. Carothers mostrou a relação entre a funcionalidade dos monômeros numa reação de policondensação, definindo as condições necessárias para polimerização de monômeros bifuncionais produzindo polímeros lineares.9,124,134,136 Na mesma época, estudos demonstraram que poliésteres bifuncionais, como por exemplo o glicol ftalato, ainda mantinham solubilidade e fusibilidade, mesmo com altos graus de esterificação. No entanto, quando se utilizava um componente trifuncional, como glicerol ftalato, ocorria a gelificação antes de completar-se a esterificação. Figura 3.6 – W. H. Carothers em seu laboratório em 1930.124 Quando glicerol e anidrido ftálico são juntamente aquecidos em proporções equivalentes, a acidez da mistura diminui muito rapidamente no início, devido à reação inicial das hidroxilas primárias do poliol, formando cadeias de poliéster curtas. Logo em seguida, entretanto, quando o grau de esterificação alcança cerca de 80%, as hidroxilas secundárias reagem, unindo as cadeias já formadas, num processo de reticulação levando à gelificação. 41 Figura 3.7 – Representação da reação de policondensação.134 Usando como exemplo a reação apresentada na Figura 3.7, Carothers desenvolveu um modelo cinético para a polimerização.9 Assumindo que, numa polimerização por condensação, k grupos funcionais reagem para cada monômero que é adicionado na estrutura do polímero, têm-se: grupos funcionais reagidos = k(m0 – mp) (1) sendo que m0 = número total de moléculas de monômero presentes no início da reação, mp = número de moléculas de monômeros presentes quando P% da reação se completou. E considerando ainda que a funcionalidade inicial média por molécula (fm) pode ser calculada da seguinte forma: fm = TotaldeEquivalentes m0 (2) A extensão da reação (P) pode então ser calculada como sendo: P= k ( m 0 − mp ) m 0 fm (3) Rearranjando a equação, teremos: P= k mp k − × (Equação de Carothers) m 0 m 0 fm (4) 42 Assumindo que a massa molecular torna-se infinita no ponto de gel e, portanto, mp→0, pode-se rearranjar a Equação 4, obtendo: Pgel = k (Ponto de Gel) f (5) Um pressuposto da equação de Carothers é a não existência de reações paralelas. Além disso, o valor de k normalmente é simplificado para 2. De modo a evitar a gelificação, o controle da funcionalidade na reação de policondensação pode ser feito pela adição de excesso de álcool polifuncional ou ácidos monofuncionais. O modelo de Carothers foi estabelecido para quantidades equimolares de grupos funcionais. Porém o mesmo modelo pode ser utilizado para quantidades não estequiométricas. Uma vez que a extensão da reação e a possibilidade de gelificação são dependentes do reatante que está em menor quantidade, utiliza-se o número de equivalentes do monômero em excesso como sendo igual ao número de equivalentes do monômero em menor quantidade. A equação da funcionalidade média fica então: fm = Total de Equivalentes do Monômero em Menor Quantidade × 2 m0 (6) Flory foi outro pesquisador que estudou as reações de policondensação, com vários trabalhos publicados. Em um dos seus estudos, mostrou que o ponto de gel da reação de glicerol com anidrido ftálico ocorre com um grau esterificação de aproximadamente 79,5%,137 muito próximo do valor teórico obtido pela equação de Carothers. Porém, quando a equação de Carothers é utilizada para calcular o grau de esterificação necessário para causar a gelificação de quantidades estequiométricas do pentaeritritol (tetrafuncional) e ácido adípico (bifuncional), o resultado teórico (75%) é muito diferente dos valores experimentais (60%). 138 O trabalho de Flory indicou que em um sistema com funcionalidade média 3, o crescimento do polímero não se realiza exatamente como desenvolvido previamente por Carothers. Um modelo estatístico foi então proposto. 43 Considerando-se que um reagente trifuncional (por exemplo, glicerol) está presente no meio reacional, definiu-se como sendo ρ o excesso desse reagente com relação aos monômeros de mesma funcionalidade. Sendo f, a funcionalidade desse monômero e r, a razão entre a quantidade de equivalentes dos grupos funcionais (sendo sempre igual ou maior que a unidade), teremos que: Pgel = 1 [r + rρ ( f − 2)]1/2 (7) Nesse modelo, assume-se que a reatividade de todos os grupos funcionais do mesmo tipo é a mesma e independente da massa molecular do polímero. Além disso, não são consideradas reações intramoleculares entre grupos funcionais na mesma molécula. Outros modelos foram propostos para explicar cada sistema particular.9,131 Contudo, todos os modelos necessitam de ajustes, pois não prevêem todas as condições não-ideais da síntese dos polímeros alquídicos. Sendo assim, o modelo de Carothers, por ser um modelo mais simples, ainda é um dos mais utilizados na indústria. 3.2.3 Composição As resinas alquídicas podem ser utilizadas nas mais diversas formulações de tintas. Suas características de secatividade favorecem seu uso em esmaltes imobiliários e primers e acabamentos econômicos para a indústria. Além disso, as hidroxilas livres da sua composição tornam possível a reação com isocianatos, gerando tintas poliuretânicas, e também permitem a reação com resinas amínicas, em tintas de secagem em estufa. Para selecionar uma resina alquídica para uma aplicação em particular, é necessário conhecer o comprimento e tipo de óleo (soja, mamona, por exemplo), álcool e ácidos polifuncionais utilizados (glicerol ou pentaeritritol, anidrido ftálico ou ácido p-ftálico, por exemplo) e a existência de modificações especiais da estrutura (resina fenólica, por exemplo). 3.2.3.1 Óleos e a Secatividade Os óleos utilizados em resinas alquídicas normalmente são ésteres graxos de glicerol (TG) de origem vegetal. As cadeias de 18 carbonos da fração graxa são as mais comuns (ver Figura 3.8) . Suas principais funções são: 44 - Promover a secatividade da resina (secagem por oxidação com oxigênio do ar); - Plastificar o polímero (óleos não secativos); - Reduzir custo; O H3C 14 OH H3C 4 7 O OH Ácido Palmítico O H3C 16 OH H3C Ácido Linolêico O 7 OH Ácido Esteárico O H3C 7 7 OH H3C Ácido Linolênico HO 7 O OH 5 Ácido Olêico Ácido Ricinolêico Figura 3.8 – Principais ácidos graxos utilizados na formulação de resinas alquídicas. A composição de cada óleo depende da origem geográfica da oleaginosa. Entretanto, de forma geral é apresentado na Tabela V a composição básica dos principais óleos utilizados em resinas alquídicas. Tabela V - Composição dos principais óleos utilizados em resinas alquídicas no Brasil [fontes diversas]. ÁCIDO GRAXO Palmítico Esteárico Oléico Linoléico Linolênico Ricinoleico Outros (saturados) a) b) ÓLEO Coco 10% 90% Mamona 7% 3% 87% 3% Soja 11% 4% 25% 50% 9% 1% Linhaça 22% 16% 52% 10% DCOb 9% 83% 8% - a Óleos saturados de cadeia pequena (C8, C10, C12 e C14); Abreviatura em inglês para o óleo de mamona desidratado; 45 Comprimento de óleo é a quantidade de óleo (% em massa) da formulação da resina, apresentado sobre o teor de sólidos. Dessa forma: - Longas em óleo: acima de 60%; - Médias em óleo: de 40 a 60%; - Curtas em óleo: abaixo de 40%; Esta classificação não é rígida e cada fabricante tem sua forma de classificar. As resinas longas em óleo são normalmente utilizadas em esmaltes imobiliários de aplicação a pincel. As resinas médias e curtas são utilizadas industrialmente em diversos segmentos, como automóveis (repintura), implementos agrícolas e rodoviários, estruturas metálicas, entre outros, onde não se requer alta resistência às intempéries. Muitos óleos são utilizados na formulação de resinas alquídicas e são classificados segundo sua secatividade, a qual pode ser medida pelo índice de iodo (quantidade de iodo em gramas necessária para saturar as ligações duplas de 100g de óleo). Alguns autores classificam como óleos secativos os que apresentam índice de iodo maior que 140, semisecativos entre 125 e 140, e não secativos abaixo de 125.1 Embora o índice de iodo possa ser utilizado como especificação para controle de qualidade, ele é apenas um indicativo da reatividade do óleo, pois a posição das ligações duplas terá papel fundamental nessa característica, o que não é medido pelo índice. A secatividade do óleo provém da presença de 1,4-dienos (grupos dialílicos) ou 1,3dienos (duplas conjugadas). 14).1 Uma relação empírica foi formulada de forma a indicar a secatividade de óleo com duplas não conjugadas, que é o índice de secatividade (equação Índice de secatividade = (% Ácido Linoléico)+2(% Ácido Linolênico) (8) Um óleo secativo terá então um índice de secatividade maior que 70. Observando a Tabela V, observa-se que o óleo de linhaça tem índice de 120, portanto é um óleo secativo. Já o óleo de soja tem um índice de secatividade de 68, sendo considerado semi-secativo. A secatividade está relacionada ao número médio de grupamentos dialílicos na molécula. Os grupamentos metilênicos dialílicos são muito mais reativos que os grupamentos alílicos. Esse fato reflete-se nas taxas relativas de autooxidação do trioleato, trilinoleato e trilinolêniato de glicerol, que são 1:120:330, respectivamente.1 As reações que acontecem durante a secagem de óleos são complexas. A Figura 3.9 ilustra algumas das muitas reações que ocorrem durante a secagem. 46 Iniciação R-O-OH R-O Propagação + R . + . OH (1) R H H R-O (ou OH) R . . . H R + (2) R-OH (ou H 2 O) . R R + O2 .O .O O (3a) R O R R + R (3b) + O O . R R (3c) O O R . - R + R R R . R + HO O R R (4) HO O R R O (5) . R R + HO . - (6) Cross-linking R R R R R . + R (7a) R O .R R O O R R R (7c) R O R R (7b) R Figura 3.9 – Esquema da reação de crosslinking durante a secagem de alquídica baseada em óleo linoléico. R = polímero.1,139 47 Inicialmente, hidroperóxidos naturalmente presentes decompõe-se formando radicais livres (1).1 Esses radicais reagem com outros compostos, e os hidrogênios metilênicos dialílicos são bastante suscetíveis ao ataque, formando um novo radical estabilizado por ressonância (2). Este radical reage, então, com o oxigênio do ar, gerando predominantemente um radical livre peróxido conjugado (3a-c). Foi demonstrado139 através de FTIR que as estruturas conjugadas 3a e 3b são favorecidas. Estes radicais podem atacar hidrogênios de outro grupo dialílico e gerar outros radicais livres e hidroperóxidos ligados à cadeia do polímero, propagando a reação (4 e 5). O hidroperóxido formado (5) pode ainda gerar um radical alcóxido (6). Parte da reação de crosslinking (reticulação) irá ocorrer então pela junção de dois radicais livres formados, principalmente grupos alcóxido, gerando as estruturas 7a-c. Estudos de 13 C RMN indicam que as ligações cruzadas predominantes são aquelas que contêm grupamentos éteres e peróxido.1 Os grupamentos peróxido podem, posteriormente, gerar cetonas e enolatos, entre outros produtos.139 OH O R1 OH O R1 H R2 R1 O H R2 R1 O R2 + H2O H R2 R1 O H HO R2 R1 O R2 + H2O Figura 3.10 – Formação de cetonas durante a secagem de resinas alquídicas.139 Em condições normais, as reações que levam a secagem processam-se muito lentamente, e devem ser aceleradas para utilização prática. Sais metálicos catalisam a reação de secagem, sendo adicionados às tintas com o nome de secantes. Os mais comuns são ésteres (octoato, naftenato, etc.) de cobalto, manganês, chumbo, zircônio e cálcio. Formação de pele em tintas com resinas alquídicas é comum, uma vez que ocorre oxidação e conseqüente crosslinking na superfície líquida. Isso pode ser prevenido pela adição de compostos inibidores da ação dos secantes. Estes compostos reagem com os metais através de formação de complexos. Por serem voláteis, estes agentes “anti-pele” abandonam o filme após aplicação, permitindo a ação dos secantes novamente, praticamente não prejudicando a secagem. 48 3.2.3.2 Álcoois Polifuncionais (Polióis) Os álcoois polifuncionais mais utilizados são glicerol, trimetilolpropano (TMP) e pentaeritritol. Em alguns casos, etilenoglicol também é usado. A utilização de um ou outro irá depender das características finais desejadas, além do compromisso com o custo. O glicerol é o mais usado. Ele é obtido principalmente como subproduto na fabricação de sabões e, mais recentemente, da produção de biodiesel.140 O material refinado vai de pureza de 96% (uso industrial, polímeros) a purezas que chegam próximas de 100% (uso farmacêutico), sendo denominado comercialmente como glicerina. Sua estrutura contém duas hidroxilas primárias e uma secundária, o que acarreta em uma esterificação mais lenta e um polímero menos ramificado, conseqüentemente com dureza mais baixa. Além disso, a presença de β-hidróxi-ésteres na estrutura final irá aumentar a suscetibilidade à hidrólise do polímero. 141 Além disso, devido à alta temperatura de processo, ocorrem reações paralelas, como a eterificação, que prejudicam o controle da polimerização e as propriedades do polímero final. O ponto de fusão do glicerol é baixo (18ºC), facilitando o uso a temperatura ambiente, sendo uma vantagem para o emprego do processo de catálise enzimática, como será visto posteriormente. O TMP pode substituir o glicerol, com a vantagem de ter três hidroxilas primárias, o que torna o polímero com uma estrutura mais ramificada, conseqüentemente com maior resistência química e menores tempos de secagem. Resinas mais duras e com maior resistência química podem ser feitas com pentaeritritol.10 Suas quatro hidroxilas primárias conferem ao polímero uma estrutura tridimensional, mais ramificada. Esta tetra-funcionalidade deve ser levada em consideração quando glicerol é substituído em formulações de resina, devido ao risco de gelificação.1 Além disso, seu alto ponto de fusão e baixa solubilidade tornam o processamento possível somente a temperaturas próximas de 200ºC. O processo de fabricação de pentaeritritol leva à formação de estruturas dimerizadas como co-produtos. Os produtos comercializados são então, na verdade, misturas de mono, di e até tripentaeritritol. 49 Etilenoglicol pode entrar em formulações com pentaeritritol para redução de custo. Um mistura 1:1 de pentaeritritol e dietilenoglicol, por exemplo, resulta numa funcionalidade média de 3, similar ao glicerol. 3.2.3.3 Ácidos Polifuncionais (Poliácidos) Os ácidos polifuncionais mais empregados são diácidos ou anidridos da família do ácido ftálico. O anidrido ftálico é o mais utilizado, devido à temperatura de esterificação ser mais baixa, garantindo menor custo com energia e menor tempo de processo. Outros anidridos também podem ser utilizados, como os anidridos glutárico, maleico e succínico. (Figura 3.11). O OH O O O O OH O O OH O OH O O O OH Anidrido Ftálico O O Ácido Isoftálico O O O Ácido Tereftálico O O Anidrido Trimelítico O O Anidrido Maleico Anidrido Glutárico Anidrido Succínico Figura 3.11 – Principais ácidos polifuncionais utilizados na síntese de resinas alquídicas. A estrutura aromática rígida permite atingir uma temperatura de transição vítrea suficiente para formação de polímero com dureza e resistência mecânica necessária para aplicação em tintas, influenciando também diretamente a secagem posterior do polímero. Güner e colaboradores mostraram a influência dos diferentes anidridos e teores.142 Conforme mostrado na figura Figura 3.12, para uma mesma composição de resina, quanto maior a quantidade de anidrido menor é o tempo de secagem, em razão da maior rigidez da estrutura. Para uma mesma quantidade de anidrido, observa-se que o menor tempo de secagem é obtido com o anidrido maleico. 50 Figura 3.12 – Comparativo de tempo de secagem (eixo Y, em minutos) de resinas alquídicas formuladas com diversos anidridos (MA=Maleico, PA=Ftálico, SA=Succínico, GA=Glutárico) em diversos teores (eixo X, quantidade molar de anidrido para 1 g de óleo). Conventional resin = resina convencional, formulação não informada. 142 Ácidos monobásicos também são utilizados, principalmente em formulações de resina com pentaeritritol, como agente terminador de cadeia10 (excluídos os ácidos graxos livres). Como exemplo tem-se o ácido benzóico. 3.2.4 Limitações As limitações das resinas alquídicas provêm de algumas características como amarelamento e queda de brilho dos filmes formados com o passar do tempo, devido à incidência de raios solares ou devido a ataques químicos. A degradação fotoquímica de um polímero é ilustrada na Figura 3.13. Absorção de radiação UV pelo polímero (P) ou mesmo outros componentes da tinta produz estados excitados altamente energéticos (P*) que sofrem quebra de ligação gerando radicais livres (P·). Esta absorção pode ser feita, por exemplo, pela presença de grupamentos aromáticos no polímero. Estes radicais livres reagem com oxigênio (autoxidação), levando à degradação do polímero. Hidroperóxidos (POOH) e peróxidos (POOP) são produtos instáveis que podem dissociar-se com a radiação ou aquecimento gerando radicais alcóxi (PO·) e hidróxi (HO·), que servirão como catalisadores da reação de fotodegradação. Estes radicais são 51 extremamente reativos na reação de abstração de hidrogênio, gerando novamente radicais livres de polímero (P·), que entrarão no estágio de propagação da degradação do polímero. Radicais alcóxi terciários gerarão cetonas e um radical livre de polímero de baixa massa molar, resultando na cisão do polímero. Iniciação Polímero (P) P* hν P* Radicais Livres (P ) . Propagação P POO . . + O2 POO . . + Polímero (P-H) POOH + P Terminação de Cadeia 2POO . . . POOP + O2 P-P ou produtos de desproporcionamento POOP ou produtos de desproporcionamento cetonas (aldeídos) + álcoois 2P . POO + P 2POO . Autocatálise POOH(P) PO ( OH) + Polímero (P-H) . . hν PO + OH( OP) POH (H2O) + P . . . . Cisão do Polímero PO . cetonas + P . Figura 3.13 – Esquema genérico de fotodegradação de polímeros.1 52 Outros mecanismos foram propostos para explicar a degradação dos polímeros alquídicos. Mallégol e colaboradores143 constataram a formação de ácidos, que prejudicam propriedades protetoras, como resistência anticorrosiva. O mecanismo proposto está demonstrado na Figura 3.14. hν O2 O R O OH R O H2O O2 HX R O hν R O OH HX OH CO O2 XH H2C R R O R R C O + H2C R + O2 XH Figura 3.14 – Representação esquemática da formação de ácidos pela degradação de polímeros alquídicos.143 Portanto, para alcançar boa resistência à intempéries, grupos funcionais do polímero que absorvem radiação UV devem ser eliminados. No caso das resinas alquídicas, o uso dos ácidos ftálicos é um fator importante para a baixa resistência à degradação. Além disso, são suscetíveis à reação de abstração os hidrogênios metilênicos dialílicos residuais, que são os principais responsáveis pela degradação fotoquímica do polímero. Ésteres linolênicos são mais prontamente oxidados que ésteres linoléicos. Uma ordem geral da reatividade de hidrogênio metilênico é a seguinte: Amino≈Dialílico≈Éter alílico>Éteres e Álcoois≈Uretânicos≈Alílicos≈Benzílicos>Ésteres Por ser um poliéster, as resinas alquídicas também são suscetíveis à hidrólise, limitando o uso onde há alta exigência de proteção anticorrosiva.7 Essa susceptibilidade aumenta com o aumento do teor de óleo do polímero e pode ser reduzida através de impedimento estéreo, por exemplo através do uso de monômeros ramificados, como pentaeritritol. Além disso, quanto menor a solubilidade do monômero utilizado na síntese, menor será a tendência à hidrólise.1 A velocidade de hidrólise também pode ser influenciada 53 por grupos vizinhos. Por exemplo, os ésteres de anidrido ftálico (posição orto) são mais suscetíveis à hidrólise ácida que os ésteres de ácido isoftálico (posição meta). 3.2.5 Estado da Arte 3.2.5.1 Resinas Alquídicas Base-Água e Alto de Teor de Sólidos A diminuição do teor de solventes (COV) das formulações de tintas e, conseqüentemente, das resinas é importante alvo das pesquisas acadêmicas e desenvolvimento de produtos pela indústria, em razão das conseqüências ambientais do uso dessas matériasprimas. Umas das primeiras patentes depositadas com relação ao assunto, relacionadas à tinta alquídica base-água, data do ano de 1968 e correspondia a um esmalte para cura em estufa.144 Basicamente, a linha utilizada para resinas deste tipo faz uso de monômeros ácidos especiais, como o anidrido trimelítico. Tendo sua acidez “preservada” mesmo após polimerização, ficam livres para reação de neutralização com uma base amínica, por exemplo, promovendo a solubilidade parcial do polímero em água, e possibilitando a formação de micro-emulsões (Figura 3.15). 54 O R O O OH O O R O O O O O O O R O O n OH (a) O OH OH O O O O O H3C 7 O OH O O O O 4 O O O O O O R O (b) OH n O R Figura 3.15 – Representação idealizada de resinas alquídicas diluíveis com água, adequadas para neutralização com aminas devido à acidez residual do polímero. (a) Modificação com Anidrido Trimelítico. (b) Modificação com anidrido maleico. A grande dificuldade encontrada no desenvolvimento dessa tecnologia é relacionada justamente à secagem destes produtos, pois a evaporação da água é dificultada por fatores como temperatura e umidade do ar. Um artifício utilizado para superar estas dificuldades é o uso de agentes emulsificantes externos. Compostos da família dos polissacarídeos são largamente utilizados. Na década de 90 emulsificantes poliméricos foram introduzidos,145 melhorando significativamente muitas propriedades. Um exemplo de desenvolvimento de produto com essa tecnologia foi publicado recentemente.146 Na Figura 3.16 são apresentados alguns resultados, como o baixo teor de COV alcançado, e praticamente o mesmo tempo de secagem atingido. 55 350 300 COV (gramas por litro) 250 200 150 100 50 0 Resina Alquídica Base Solvente (Convencional) COV Resina Alquídica Base-Água (Emulsionante Polimérico) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Tempo de Secagem (horas) Secagem Manuseio Figura 3.16 – Gráfico comparativo de teor de COV e secagem de formulações de resinas alquídicas base-solvente e base-água (tecnologia de emulsificante polimérico).146 As resinas alquídicas de alto teor de sólidos foram introduzidas na década de setenta. As primeiras patentes datam do ano de 1976.147 A diminuição de solventes das formulações pode ser obtida através da substituição do solvente por diluentes reativos, ou através da diminuição da viscosidade do polímero de duas maneiras: diminuição das frações de alta massa molecular da resina ou pelo uso de monômeros altamente ramificados. O diluente reativo ideal é um composto de viscosidade próxima a do solvente, mas que possui reatividade frente ao polímero no momento da secagem. O óleo de linhaça puro foi bastante utilizado no passado como diluente reativo em resinas longas em óleo, mas caiu em desuso em razão da relativa alta viscosidade e baixa performance obtida na resina final.131 Em 1999, Zabel e colaboradores148 descreveram uma série de características de um diluente reativo para resinas alquídicas, tais como: baixa viscosidade, baixo odor e custo frente ao solvente e, é claro, a habilidade para participar da reação de cura. Uma combinação do 2,7octadienil-maleato e fumarato e (2,7-octadieniloxi)-2-succinato foi sugerida como melhor alternativa (Figura 3.17). 56 O R O O R O R O O O R O O O R R O O O R (a) (b) (c) R= Figura 3.17 – Diluentes reativos para formulação de resinas alquídicas de alto teor de sólidos. e (a) = 2,7-octadienil fumarato, (b) = 2,7-octadienil maleato e (c) = (2,7-octadieniloxi)-2succinato. A diminuição da viscosidade do polímero é facilmente alcançada através do ajuste da relação poliol/poliácido e também pelo aumento do teor de óleo. Entretanto, estas mudanças levam a um polímero de menor funcionalidade e, principalmente, a secagem é altamente prejudicada. Este problema pode ser superado através da diminuição da polidispersão do polímero, de forma a melhorar o balanço entre frações de baixa e alta massa molecular, garantindo baixa viscosidade e secagem aceitável. Pourreau e Smyth149 descreveram em 2004 uma resina alquídica de alto teor de sólidos através do uso de monômeros especiais. Observou-se no estudo de Pourreau que monômeros hidróxi-estirênicos podem ser utilizados para reduzir a polidispersão de alquídicas, reduzindo sua viscosidade. Alguns resultados do desenvolvimento são apresentados na Tabela VI. 57 Tabela VI – Resultados obtidos de resina alquídica de alto teor de sólidos. Teor de óleo: 60% (Soja).149 Resina Alquídica Convencional Pgel Índice de Acidez Viscosidade Brookfield (CPs / 80% de sólidos) Massa Molar (Mw) Polidispersão Dureza (oscilações Swarda/ 150 horas de secagem) a) Resina Alquídica de Alto Teor de Sólidos 1,02 10 1.100 1,01 8 100.000 4809 20,0 28 3944 4,4 26 Medição de dureza baseada na resistência ao afundamento do filme. Quanto maior o resultado, maior a dureza. 3.2.5.2 Resinas Alquídicas Modificadas Muitos esforços já foram realizados para tentar melhorar as propriedades das resinas alquídicas. De forma geral, duas estratégias são adotadas: modificação interna ou externa. Na modificação interna, a estrutura do polímero é modificada através da inserção de monômeros que melhorem certas propriedades. Na modificação externa, a mistura física e reações de crosslinking com outras resinas são realizadas, como o mesmo objetivo. 3.2.5.2.1 Modificação Interna Uma modificação muito comum da estrutura do polímero alquídico é a reação com resinas fenólicas, que melhoram significativamente a secagem, aderência e a resistência à hidrólise. Em razão de sua baixa retenção de cor quando exposta à radiação ultra-violeta, normalmente esta modificação é feita para aplicações em interiores. 58 Monômeros vinílicos são largamente utilizados para modificação de resinas alquídicas. Os mais utilizados são o estireno, vinil-tolueno e metacrilato de metila,1 que melhoram significativamente a foto e termoestabilidade do polímero, além de propriedades físicas, como secagem. Essencialmente, quaisquer monômeros vinílicos podem ser utilizados. A incorporação é feita posteriormente à síntese normal da resina. O monômero vinílico é então adicionado, juntamente com um iniciador de radicais livres (por exemplo, peróxido), que favorecem a incorporação dos monômeros às insaturações do óleo. Outros métodos de incorporação são possíveis. Kanai e colaboradores150 modificaram a estrutura de uma resina a base de óleo de mamona, anidrido ftálico e pentaeritritol com um monômero acrílico (2-hidroxietil-metacrilato ou HEMA) siliconado. A incorporação realizouse através da reação com hidroxilas residuais da resina, conforme Figura 3.18. Maior dureza e retenção de brilho após exposição ao teste de intemperismo foram encontrados. Figura 3.18 – Modificação de resina alquídica com monômero acrílico-silicone.150 59 A uretanização de resinas alquídicas durante o processo de síntese, através da incorporação de poliisocianatos é largamente utilizada no mercado de tintas (móveis, piso de ginásio e manutenção industrial, entre outros).1 A resistência à abrasão e à hidrólise são muito superiores, além de secagem mais rápida. A incorporação pode ser feita tanto internamente como externamente. Polímeros mais duros são obtidos pela incorporação de isocianatos aromáticos, como o tolueno diisocianato (TDI). Quando é necessária maior resistência à radiação ultravioleta, isocianatos alifáticos são preferidos, como o hexametileno diisocianato (HDI). O processo de modificação interna é realizado em resinas feitas pelo processo monoglicérido, através da substituição do diácido por um diisocianato.7 O diisocianato reage com as hidroxilas do monoacilglicerol, conforme Figura 3.19. Devido à maior reatividade do grupo isocianato, quando comparado ao ácido ftálico, menores tempos de processamento são alcançados. O OH O C N N 6 C O + HO O O R HO R O O O NH 6 N n C O HDI Resina Alquídica Uretanizada Monoacilglicerol R = cadeia de ácido graxo Figura 3.19 – Reação entre monoacilglicerol e heximetileno diisocianato (HDI), formando uma resina alquídica uretanizada. Outro tipo de modificação interna que pode ser utilizada com resinas alquídicas é o uso de PET reciclado, sendo uma alternativa para uso desse material. O PET é incorporado ao polímero durante o processo.151 3.2.5.2.2 Modificação Externa As resinas nitrocelulósicas (nitrato de celulose) foram as primeiras resinas utilizadas para modificação de alquídicas, e vice-versa, no início do século 20. A compatibilidade desses dois polímeros permite grande versatilidade de composições, principalmente em alquídicas médias e curtas em óleo. A resina nitrocelulósica, devido à sua alta dureza, melhora a 60 secagem e resistência química do sistema. Uso deste tipo de composição é bastante comum em tintas para móveis, e ainda tem sido utilizada em repintura automotiva, como uma linha mais econômica. Além disso, as hidroxilas livres existentes na cadeia do polímero alquídico permitem que seja possível uso de diversos agentes de crosslinking, como poliisocianatos, formando tintas poliuretânicas (PU) de baixo custo, e melaminas, para tintas de cura em alta temperatura. Tintas PU são normalmente formadas por dois componentes. No primeiro componente (A) está contida a resina (alquídica), pigmentos, aditivos e parte dos solventes. No segundo componente (B, chamado tradicionalmente de “catalisador”) está o isocianato e o restante dos solventes. A mistura somente é feita antes da aplicação, sendo utilizada normalmente até 4 horas após incorporação dos dois componentes. Após isso, uma massa gelificada é formada, sem uso prático. O tempo de mistura pode ser aumentado através da diminuição do teor de isocianato, com impacto na dureza do polímero final, ou pela adição de álcoois terciários, que bloqueiam a ação do isocianato, mas volatilizam-se no processo de secagem. O dibutildilaurato de estanho (DBTDL) é largamente utilizado como acelerador da reação. Em poliuretanos alquídicos, podem-se utilizar tanto óleos não secativos (coco, mamona), para aplicações mais nobres, como também óleos secativos e semi-secativos (linhaça, soja). Neste caso, pode-se ainda adicionar secantes para promoção da secagem por oxidação, aumentando ainda mais a dureza final. Resinas alquídicas modificadas com resinas amínicas (melaminas) são utilizadas em esmaltes e primers de cura em estufa. A reação processa-se em temperaturas altas e meio ácido, conforme Figura 3.20. O meio ácido é provido pela própria acidez da resina. 61 H N N N OR H+ 120 - 180 °C H N H N N N O R1 N H N N H + 3 HO R1 Resina N N H + 3 HO R Álcool + RO Resina Melamínica OR Alquídica R1O OR1 Resina Alquídica / Melamina (cross-linking) R= grupamento alquila R1= polímero alquídico Figura 3.20 – Representação da reação de crosslinking de uma resina alquídica com endurecedor melamínico. Por reagirem a temperaturas altas, estas tintas não necessitam ser fornecidas em componentes diferentes. São utilizadas principalmente no segmento metal-mecânico, para pintura de implementos agrícolas, móveis metálicos, entre outros. 62 3.3 CATÁLISE ENZIMÁTICA 3.3.1 Estrutura das Enzimas Enzimas são macromoléculas naturais (proteínas) produzidas por células vivas, que tem como função viabilizar os processos metabólicos orgânicos através de ação catalítica. As massas moleculares variam de 5.000 a 7.000.000 u.m.a.152 São formadas pela combinação de vinte diferentes aminoácidos,20 que se ligam através de ligações peptídicas (Figura 3.21), formando estruturas complexas. De forma didática, conforme grau de complexidade, essas estruturas foram chamadas de primárias, secundárias, terciárias e quaternárias, podendo existir tanto em meio aquoso, como nos organismos vivos, como em meio orgânico (ver seção 2.3.5). Ligação Peptídica R H3N + O O - + R1 H3N + O O - O R + NH3 R1 NH O - O + H2O Figura 3.21 – Esquema teórico de formação de ligação peptídica entre dois aminoácidos. 20 A seqüência dos aminoácidos presentes em uma enzima forma a estrutura primária. Apesar de existirem mais de 150 diferentes aminoácidos, que entram na composição de todas as proteínas, apenas 20 formam a estrutura primária das enzimas. A função de cada aminoácido será dada pela sua posição na cadeia e pelo grupo R.(Tabela VII). 63 Tabela VII - Aminoácidos que formam as enzimas.20 H3N + R O - Abreviatura R O H3N + R O - Abreviatura R O Alanina Valina Ala Val H3C H3C H3C Cisteína Tirosina Cys Tyr H S CH2 CH2 CH CH2 HO Leucina Leu H3C CH3 CH CH2 Asparagina Asn O NH2 C CH2 Isoleucina Ileu H3C CH2 HC CH3 Glutamina Gln O NH2 C CH2 CH2 Fenilalanina Phe CH2 Aspartato Asp O O C - CH2 Triptofano Trp N H CH2 Glutamato Glu O O C - CH2 CH2 Metionina Met H3C S CH2 CH2 Lisina Lys H3N + CH2 CH2 3 Glicina Gly H Arginina Arg H2N NH2 + NH CH2 CH2 3 Serina Ser HO CH2 Histidina His HN + CH2 N H Treonina Thr HO CH H3C Prolina Pro H2+ N O - O 64 Cada ligação peptídica da seqüência oferece os elementos para a formação de ligações de hidrogênio, o que vai estabilizar a estrutura secundária da enzima. Essa estrutura pode estar organizada em forma de uma hélice ou de folha pregueada, conforme Figura 3.22 e Figura 3.23. Figura 3.22 – Estrutura de α-hélice de uma enzima. Em detalhe (pontilhado) as ligações de hidrogênio que influenciam a estabilidade da estrutura.20,153 65 Figura 3.23 – Estrutura de folha β-pregueada de uma enzima. Em detalhe (pontilhado) as ligações de hidrogênio.20,153 A estrutura terciária corresponde à conformação tridimensional real que a molécula protéica irá assumir em solução, que normalmente é uma forma globular (Figura 3.24). Nessa conformação, os grupos hidrofóbicos da cadeia peptídica ficam no interior da estrutura, dobrando-a sobre si mesma. Ligações de hidrogênio, pontes dissulfeto e ligações iônicas serão responsáveis por garantir a conformação final e estabilizar todo o sistema. Figura 3.24 - Representação da estrutura tiária de uma enzima.154 As funções catalíticas de algumas enzimas somente são alcançadas pela junção de duas ou mais cadeias peptídicas. Da junção dessas cadeias surgirá a conformação quaternária. As forças que mantém unidas essas estruturas são as mesmas da estrutura terciária. 66 Algumas enzimas têm sua atividade apenas dependente de sua própria cadeia peptídica, outras necessitam de estruturas não peptídicas, chamadas de cofatores, que podem ser tanto íons metálicos (Fe+2, por exemplo), ou uma molécula orgânica chamada de coenzima.152 As coenzimas são estruturas orgânicas formadas por vitaminas. Funcionam como carregadores de elétrons ou grupos químicos, que são transferidos em toda a reação enzimática. Se um cofator está permanentemente ligado a uma enzima, é chamado de grupo prostético. Alguns compostos têm a propriedade de ligar-se com alta especificidade a certa região de determinadas enzimas, modificando sua estrutura tiária e, por conseqüência, sua atividade catalítica. Essa região é designada sítio alostérico, e os compostos de efetuadores alostéricos.20 Além dos cofatores e efetuadores alostéricos, outros grupos podem estar ligados às enzimas, como sacarídeos, nucleotídeos, fosfatos ou lipídios. Esses grupos têm o papel de estabilização da estrutura, ficando covalentemente ligados à enzima. 3.3.2 Classificação e nomenclatura A nomenclatura sistemática de todas as enzimas foi proposta pelo Comitê da União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular, em concordância com a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). As letras EC (de Enzyme Comission) são seguidas de 4 números que correspondem às diversas funções das enzimas (EC X.X.X.X, por exemplo, onde X é um número de 1 a 9). Além da nomenclatura sistemática, existe também a nomenclatura trivial, ou usual, consagrada pelo uso, onde apenas se agrega o sufixo “ase” ao substrato de ação da enzima. As enzimas são classificadas em seis grandes grupos, conforme Tabela VIII. 67 Tabela VIII – Classificação das enzimas.20 Nomenclatura EC 1 EC 2 EC 3 EC 4 Classe Oxidorredutases Transferases Hidrolases Liases Tipo de reação Oxi-redução Transferências de grupos. Hidrólise Adição de grupos a duplas ligações ou remoção de grupos, deixando dupla ligação EC 5 EC 6 Isomerases Ligases Rearranjos intramoleculares Condensação de duas moléculas, associada à hidrólise de uma ligação de alta energia A EC 3.1.1.3, por exemplo, é uma hidrolase (EC 3), que age em ligações éster (EC 3.1) de ácidos carboxílicos (EC 3.1.1), hidrolisando triacilgliceróis em diacilgliceróis, monoacilgliceróis, glicerol e ácidos graxos (EC 3.1.1.3). Chama-se na nomenclatura usual de triacilglicerol lipase, ou apenas de lipase. 3.3.3 Mecanismo Catalítico A alta seletividade das enzimas é bem conhecida e tem sido explicada pelo clássico modelo chave-fechadura. Embora esse modelo não seja o mais adequado para alguns casos, ele tem a vantagem de ser didático e de fácil entendimento (ver Figura 3.25). 68 Figura 3.25 – Representação do modelo de chave e fechadura. A molécula de sacarose não é quebrada pela Maltase, pois não se “encaixa” no sítio ativo. 155 Nesse modelo, o substrato se encaixa de maneira precisa na molécula de enzima, formando um complexo enzima-substrato, idéia que foi introduzida por Brown, Henri e Fischer no início do século passado.154 A teoria restringia este encaixe ao sítio ativo, com interações limitadas aos grupos específicos diretamente envolvidos na ação catalítica, não contemplando mudanças de conformação que a enzima poderia sofrer pela própria interação com o substrato, ou por outros grupos. Um modelo mais dinâmico do mecanismo enzimático surgiu na metade do século passado em estudos feitos por Koshland.154 No modelo, mesmo que a conformação do sítio ativo não exiba previamente uma perfeita complementaridade ao substrato, este, ao interagir com a enzima, pode induzir modificações conformacionais que orientam adequadamente os grupos, otimizando o encaixe. Figura 3.26 – Representação do modelo dinâmico do encaixe substrato-enzima. 156 69 3.3.3.1 Equação de Michaelis-Menten A clássica equação de Michaelis-Menten, que rege a maioria das reações enzimáticas, pode ser encontrada virtualmente em qualquer livro de bioquímica, sendo representada como: rs = rs ,max C s K M + Cs (9) Onde rs é a velocidade da reação catalisada pela enzima, rs,max é a velocidade máxima para a mesma reação, Cs é a concentração do substrato e KM é a constante de saturação de Michaelis-Menten, que equivale à concentração de substrato no ponto onde a velocidade atinge a metade de rs,Max. A Figura 3.27 mostra a representação gráfica da equação de Michaelis-Menten. rs , max rs (mol/m3*h) rs , max 2 KM Cs(mol/m ) 3 Figura 3.27 - Representação gráfica da equação de Michaelis-Menten.20 A cinética das reações enzimáticas está bastante ligada à cinética das reações químicas. Numa reação onde um composto A é transformado em um composto B, a transformação continua até que, depois de certo tempo, as concentrações de A e B alcancem valores independentes do tempo, numa situação de equilíbrio termodinâmico. 70 Nas reações enzimáticas, assume-se a formação um complexo ativado enzimasubstrato entre reagentes e produtos, e vice-versa, resultando em uma barreira de energia de ativação. O formalismo leva aos seguintes resultados básicos quando se considera uma reação química de um composto A para um composto B, a qual é reversível. k1 A k-1 B (10) As constantes k1 e k-1 são as constantes de velocidade que podem ser definidas pela lei da ação das massas (equações 11 e 12). rf = k1CA rb = k-1CB (11) (12) Onde rf é a velocidade de reação de A para B, e rb é a velocidade de reação de B para A. As equações 11 e 12 podem ser generalizadas para o caso onde mais do que um substrato ou produto aparece. k1 A + B k-1 C + D (13) (14) (15) rf = k1CACB rb = k-1CCCD Um outro resultado do tratamento cinético da lei da ação das massas é que as velocidades de reação são funções da temperatura. A seguinte expressão (equação 16), aplica-se a um caso geral. − ∆h * R k i = Ai e RT (16) Onde Ai é uma constante e ∆H*R é a entalpia de ativação da reação química. É claro pela equação 16 que as constantes de velocidade e as velocidades das reações aumentam com o aumento de temperatura. Porém, como será visto na seção seguinte, para as reações enzimáticas há sempre uma temperatura limite que, acima dela, a enzima perde suas propriedades catalíticas (temperatura de desnaturação). 71 3.3.4 Desenvolvimento de enzimas O surgimento da Engenharia Genética, na década de 70, promoveu uma grande revolução no desenvolvimento e produção de enzimas. Hoje em dia, qualquer enzima ou proteína pode ser, em princípio, produzida em fermentações industriais, desde que o gene que a codifica seja enxertado num microorganismo e passe a ser por ele expressado. Esta técnica é muitas vezes chamada de clonagem ou expressão genética.20 Basicamente, a técnica consiste em “cortar” in vitro moléculas de DNA de diferentes origens e ligar os fragmentos resultantes entre eles, obtendo-se assim moléculas híbridas de DNA, inexistentes na natureza. O DNA recombinante é, então, introduzido numa célula viva, onde possa se manifestar. Uma das estratégias da expressão genética é a extração do gene responsável pela produção de determinada enzima de um microrganismo não-cultivável e a inserção em microorganismo substituto hospedeiro de fácil cultivo e alta produtividade, como nas bactérias Escherichia coli, Bacillus subtilis e Bacillus licheniformis, nas leveduras Saccharomyces cerevisiae, Pichia pasniger e Hansenula polymorpha e nos fungos Aspergillus niger e Aspergillus orizae. Essa técnica possibilita, além da fabricação em larga escala, obter novos biocatalisadores através de evolução e recombinação genética induzida. Outra estratégia de desenvolvimento que atualmente ganha cada vez mais atenção é através do seqüenciamento genético. Uma vez desvendada a seqüência genética, a clonagem dos genes codificadores é diretamente feita por técnicas especializadas, ou pela introdução de mutações em seqüências já conhecidas. Um método que começa ser mais utilizado é através do uso da bioquímica computacional. Neste caso, parte-se de um modelo de estado de transição da reação onde se pretende utilizar o biocatalisador. Após estabilização do estado de transição com grupamentos químicos, estes são introduzidos em uma molécula de proteína adequada, alterando-se a seqüência genética para acomodar as mudanças. A estabilidade termodinâmica pode ser alcançada através de cálculos para obtenção da estrutura de menor energia. A utilização de 72 métodos computacionais avançados permite que essa técnica seja viável, com muitos casos de sucesso.157 As enzimas podem ser extraídas de animais, plantas e microorganismos.158 O método tradicional para identificar novas enzimas é baseado em enriquecimento de culturas de microorganismos extraídos do solo, por exemplo. Uma vez que um biocatalisador adequado é encontrado, a linhagem que deu origem é melhorada, podendo passar também por processos de clonagem e expressão genética, para viabilizar a produção em larga escala. Porém, é estimado que somente uma pequena fração (menos de 1%) da biodiversidade pode ser cultivada diretamente, trazendo grandes perspectivas para os desenvolvimentos futuros, pois a expressão genética pode possibilitar o seu cultivo.159 3.3.5 Atividade, desnaturação e inativação Para cada tipo de enzima existem condições especiais de temperatura, pH, força iônica, entre outras características do meio que determinarão sua máxima atividade inicial. Além disso, a engenharia molecular que provém do organismo produtor de cada enzima, bem como o processo de fabricação e suporte utilizado, também terá influência na sua atividade. Entretanto, nas condições de máxima atividade, a enzima pode ser convertida irreversivelmente para uma conformação inativa. Portanto, essas condições nem sempre são compatíveis com as condições de máxima estabilidade.160 A produtividade de enzimas utilizadas em escala industrial é, em grande parte, determinada pela temperatura e, em menor proporção, pelo pH e íons metálicos.153 Altas temperaturas podem aumentar a conversão e reduzir tempo de reação, porém pode ocorrer inativação imediata de algumas enzimas. Acredita-se que o mecanismo de inativação passa inicialmente por um estágio de desnaturação reversível, onde há um desdobramento da estrutura tiária, conforme equação 17. K N D k I (17) Onde N corresponde à molécula da enzima na sua conformação nativa, D à sua conformação de desnaturação reversível e I à sua conformação inativa irreversível. Na prática, 73 a relação experimental entre as constantes K e k é definida pela constante real observada (kobs), dada pela equação: Kobs = k / (1+K-1) (18) Em temperaturas onde K≤1, há uma correlação entre a quantidade de enzima reversivelmente desnaturada e a quantidade de enzima inativada irreversivelmente. Para temperaturas altas, onde K>>1, nenhuma correlação é encontrada. Dessa forma, para a maioria das enzimas industriais, reações a temperaturas abaixo de 70ºC serão governadas principalmente pelo desdobramento reversível da estrutura protéica. Essa é a razão pela qual técnicas como imobilização garantem uma maior vida útil para a enzima. 3.3.6 Atividade Enzimática em Meio Não-aquoso Apesar de um artigo de 1952 já demonstrar esta possibilidade,18 foi a partir da década de 70 que a habilidade das enzimas de trabalhar em meio não-aquoso começou a ser explorada.12-17 Na época, acreditava-se que para o processo de catálise enzimática, a água seria indispensável, pois manteria as características conformacionais da enzima, ativando os sítios catalíticos. Porém, a questão primordial estaria na quantificação da água necessária para a completa ativação da enzima. Nesse sentido, a ação catalítica de enzimas em solventes apolares com menos de 1% de água na composição foi comprovada.17 A explicação para o resultado, uma vez que o processo de catálise ocorre na interface substrato/água/enzima, é a de que a ativação do sítio catalítico necessita apenas uma monocamada de água, denominada de “água essencial”. Foi demonstrado ainda que este meio propicia novas propriedades para as enzimas como, por exemplo, maior seletividade, além de maior resistência à desnaturação em temperaturas mais altas. Laane e colaboradores estabeleceram a medida do logaritmo do coeficiente de partição de diversos solventes (logP) em um sistema octanol/água161 como parâmetro para avaliar a polaridade de solventes em biocatálise . Concluiu-se que a atividade enzimática decresce em solventes muito polares, com logP < 2, causado pela provável distorção na camada da água essencial. Porém, estes estudos foram feitos em reações de hidrólise e não podem ser generalizados. Outros efeitos da polaridade de solventes e de grupos químicos foram observados em reações de transesterificação e serão revisados posteriormente. 74 3.3.7 Processo de Fabricação de Enzimas A primeira etapa da produção de uma enzima consiste na identificação e aquisição do microorganismo produtor, que pode ser uma linhagem selvagem ou modificada geneticamente pelos processos já mencionados. Preferencialmente, o organismo deve atender às seguintes exigências:154 - Ser seguro sob o ponto de vista biológico. - Apresentar elevada capacidade de síntese e excreção da enzima. - Suportar condições ambientais severas. - Ser tolerante à presença de substâncias tóxicas, que podem ser geradas no processo de tratamento da matéria-prima ou pelo próprio metabolismo celular. O processo de fabricação de enzimas vai depender muito do organismo hospedeiro escolhido. As enzimas microbianas podem ser intracelulares (com geração de enzimas dentro da própria célula) como a glicose-oxidase, peri-plásmicas como a invertase e a asperaginase de leveduras ou extracelulares (com produção de enzimas externa), como as proteases e as carboidrolases.154 De uma maneira geral, o processo é realizado conforme descrito na Figura 3.28. A esterilização é utilizada como forma de prevenir contaminações, sendo normalmente realizada através de elevação de temperatura em reatores especiais e pela inserção de vapor a alta pressão. 75 Figura 3.28 – Esquema simplificado de produção de enzimas.154 Os processos microbianos de produção de enzimas ocorrem basicamente em cultivos submersos ou no estado sólido, sendo os primeiros os mais utilizados industrialmente. Os processos submersos são aqueles em que a célula produtora se desenvolve no seio do meio de cultivo, sob agitação, em reatores aerados com alto controle dos parâmetros operacionais (pH, temperatura, consumo de oxigênio, etc.). 76 A fermentação no estado sólido é definida como um processo em que o crescimento microbiano e a formação de produto ocorrem na superfície de substratos sólidos na ausência de água livre. Tais substratos são de origem agrícola, podendo ser arroz, cevada, soja, entre outros, e o processo pode seguir com ou sem agitação, com a vantagem de simplicidade do processo e menor consumo de energia. As etapas posteriores à fermentação são de extrema importância devido ao custo associado a tais processos. Geralmente, as preparações enzimáticas comerciais consistem essencialmente no sobrenadante da fermentação (enzimas extracelulares), que passa por um processo de separação (filtração, centrifugação, etc.) das células do meio de cultura. Após a separação, o volume a ser processado é geralmente grande, e precisa ser concentrado. A concentração é feita por evaporação a vácuo, precipitação ou ultrafiltração. Seguindo-se à concentração, a enzima pode passar por um processo de purificação. Diferentes graus de purificação são utilizados, dependendo da necessidade no uso final. Técnicas de cristalização, eletroforese, cromatografia (peneira molecular, troca iônica, etc.) e extração líquido-líquido são bastante utilizadas. Ao final, aditivos podem ser adicionados para estabilizar a atividade enzimática. 3.3.8 Imobilização de Enzimas Catalisadores normalmente caros como as enzimas requerem que seja possível a reutilização através de imobilização em suportes adequados, para adequação econômica do processo. Vários processos de imobilização já foram estudados, 152,162-164 com melhorias não só na estabilidade das enzimas, como também aumento da atividade e especificidade. A imobilização de enzimas permite uso de reatores heterogêneos, como membranas semipermeáveis,165 reatores contínuos empacotados,166 líquido iônico167 entre outros métodos. As principais técnicas utilizadas referem-se à ligação da enzima a um suporte sólido (por adsorção ou quimissorção), oclusão em géis, microemulsões ou líquidos iônicos e ainda pela realização de ligações cruzadas das cadeias protéicas da enzima (mais comumente conhecido do termo em inglês crosslinking). Os suportes mais utilizados para quimio e adsorção são , por exemplo, agarose, vidro, zeólitas, resinas epóxi e acrílicas, entre outros. Como principais características desejáveis dos suportes pode-se citar: 77 - larga superfície interna, de forma a permitir a alocação da enzima com facilidade; - alta densidade superficial e mínimo impedimento estéreo de grupos reativos que irão reagir com a enzima na imobilização e - os grupos reativos devem ser facilmente inativados após imobilização, de forma a obter uma superfície inerte. Kristensen e colaboradores165 testaram várias lipases com diferentes suportes em reações de transesterificação entre glicerol e óleo de canola. Verificou-se que suportes hidrofílicos, com o Duolite® (resina de troca iônica) e sílica granulada tiveram tendência a formar um aglomerado insolúvel com glicerol, que se grudava nas paredes do meio reacional. O fato foi explicado pela formação de uma camada de glicerol sobre as partículas de enzima imobilizada, impedindo o acesso do óleo. O melhor suporte testado foi uma resina acrílica (hidrofóbico). Se a enzima possui conformações com atividades diferentes, é possível fixá-la com a conformação mais ativa. As lipases, por exemplo, possuem duas conformações: uma mais aberta, ativa, e outra mais fechada, inativa. A conformação mais ativa é favorecida em meios mais hidrofóbicos. A adição de surfactantes, por exemplo, estabiliza a forma aberta da enzima, que pode então ser imobilizada e fixada por reações cruzadas com glutaraldeído ( Figura 3.29). 78 Figura 3.29 – Esquema de imobilização da estrutura aberta de lipase através de adição de surfactante, imobilização em suporte aminado, fixação com glutaraldeído e posterior lavagem para remoção do surfactante.162 3.3.9 Custo das Enzimas Um dos principais problemas para implementação de processos industriais enzimáticos é o alto custo desses catalisadores. Dependendo de alguns fatores, os valores podem variar bastante, de alguns centavos a centenas ou até milhares de reais por grama (ver alguns exemplos na Tabela IX). Os principais fatores que afetam o custo, e que variam de organismo para organismo, são a forma de nutrição dos microorganismos no meio de cultura, a purificação da enzima e o suporte utilizado. 79 Tabela IX – Custo comparativo de enzima hidrolases EC 3.1.1.3 (lipases).168 Organismo gerador original Pancreas do porco Pseudomonas fluorescens Pseudomonas fluorescens Candida antarctica Candida antarctica (a) Suporte Nenhum Nenhum Sílica Nenhum Resina acrílica Atividade (U/mg)a 22 300 40 9 2 Custo (R$/g) 1 13 172 11 320 1 U corresponde a quantidade de enzima que libera 1 µmol de ácido graxo de triacilgliceróis (reação de hidrólise) por minuto a um pH de 8.0 e 40ºC. A nutrição das culturas de microorganismos utiliza matérias-primas das mais variadas fontes, como por exemplo melaço, açúcar não refinado, sucos de fruta, amido, arroz, trigo, etc., e constituem um dos componentes mais relevantes nos custos de produção, chegando em alguns casos até 75% do custo total. O custo poderia ser reduzido através do aproveitamento de resíduos lignocelulósicos agroindustriais e florestais.154 Estes resíduos são primariamente bagaço de cana de açúcar, sabugo de milho, palha de arroz e farelo de trigo. Além disso, o uso representa, assim, uma forma de se agregar valor a resíduos abundantes, dando solução para seu acúmulo, que representa um sério problema ambiental. Outra alternativa para minimizar o custo na produção de enzimas é utilizar a técnica de cultivo intracelular e realizar a imobilização in situ. Dessa forma, toda a etapa posterior de purificação é eliminada (é necessária apenas uma filtração simples seguida de secagem). Esta técnica foi utilizada com sucesso na resolução ótica de (RS)-1-fenil-etanol169 e na produção de biodiesel de óleo de soja/ metanol.170 Nestas técnicas toda a célula é fixada em um suporte adequado (normalmente espuma de poliuretano). A utilização de técnicas de imobilização é essencial pois garante a vida útil das enzimas. De todos os fatores que influenciam o custo das enzimas, a imobilização é com certeza o de maior impacto. A redução de custo dessas técnicas vem sendo o principal desafio para a viabilização em larga escala dos processos enzimáticos. Já existem hoje alternativas de mercado mais baratas de enzimas suportadas, além de pesquisas para diminuição do custo desses materiais.169 Outros exemplos que devem ser citados correspondem a duas patentes da 80 empresa Novozymes, cuja finalidade principal foi a redução do custo do processo e aumento da atividade por grama de suporte.171,172 Mesmo assim, pesquisas futuras devem garantir custos ainda mais atrativos para os processos de imobilização. 3.3.10 Lipases Lipases são enzimas que, originariamente nos organismos vivos, catalisam a reação de hidrólise de triacilgliceróis (Figura 3.30), sendo sua habilidade de sintetizar ésteres reconhecida a aproximadamente 70 anos. 173 O R2 R1 O + H2O Lipase R1 O H O + HO R2 Figura 3.30 – Reações de hidrólise (sentido direto) e esterificação (sentido inverso) catalisadas por lipases Em 1856, Claude Bernard descobriu que uma lipase de suco pancreático hidrolisava gotas de óleo tornando-as solúveis. Entretanto, somente em 1981 a seqüência genética de uma lipase do pâncreas de porco foi elucidada, o que coincide com o grande aumento do número de trabalhos relacionados a estas enzimas na modificação de óleos e gorduras nas décadas que se seguiram (Figura 3.31). 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Figura 3.31 - Artigos publicados na revista Journal of American Oil Chemistry Society, referentes à pesquisa com a palavra LIPASE.174 4 19 0 -1 94 9 5 19 0 -1 95 9 6 19 0 -1 96 9 7 19 0 -1 97 9 8 19 0 -1 98 9 9 19 0 -1 99 9 0 20 0 -2 00 9 81 Lipases originalmente são obtidas de pâncreas de mamíferos. Elas desempenham papel fundamental na absorção de óleos e gorduras no organismo e regulagem de colesterol175 desses animais. Porém, devido aos avanços nas técnicas de expressão genética, fungos e bactérias são as fontes preferenciais devido à sua alta produtividade (Tabela X). Tabela X– Principais fontes das lipases.175 Fonte Nomea Mamíferos Lipase Pâncreas Porco (PPL) Fungos Rhizomucor meihei, Penicillium camemberti, Humicola lanuginosa, Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, Candida rugosa, Candida antarctica, Geotrichium candidum Bactérias Chromobacterium viscosum, Pseudomonas cepacia, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas fragi, Bacillus thermocatenulatus, Staphylococcus hyicus, Staphylococcus aereus, Staphylococcus epidermidis a) Os organismos descritos correspondem ao microorganismo doador do gene. Na Figura 3.32 são demonstradas as formas ativa e inativa de uma lipase pancreática, bem como as estruturas das α-hélices e folhas β-pregueadas. O centro ativo formado pelos aminoácidos serina, ácido aspártico e histidina estão localizados na superfície da molécula, numa estrutura protegida por espécie de tampa (na figura lid domain), que se abre, num mecanismo complexo, quando ocorre a aproximação com o substrato. A geometria e o tamanho deste centro podem variar bastante e irão responder pela especificidade da enzima.176 82 Figura 3.32 - A estrutura de uma lipase pancreática humana. Acima a estrutura ativa (aberta, E*) devido à aproximação com o substrato. Embaixo a estrutura inativa (fechada, E). O sítio ativo da lipase é demonstrado, ficando próximo a estrutura da folha β5, embaixo de uma estrutura que funciona como uma tampa (Lid domain).176 As lipases, bem como todas as enzimas, terão sua estrutura sempre dependente do organismo que as gerou, diferindo bastante em alguns casos. Porém, a estrutura mostrada na Figura 3.32 tem se mostrado como esqueleto básico de diversas lipases de organismos diferentes, diferindo na estrutura tiária e na presença de cofatores. Atualmente, as lipases podem ser obtidas de diversos meios (animais, bactérias, fungos, etc.). Suas características e propriedades diferem enormemente de acordo com cada origem, e podem ser utilizadas para catalisar a hidrólise, ou síntese, de uma grande gama de diferentes ésteres, amidas, etc.,21-27 resolução enantiomérica de álcoois37 ou mesmo em síntese de poliésteres, 82-105 com alta especificidade (Figura 3.33). 83 a) Acidólise O R2 R1 O O + Lipase OH R3 O R2 O + R1 O OH R3 b) Alcoólise O R2 R1 O + R3 OH Lipase R1 O R3 O + R2 OH c) Troca de Éster O R2 R1 O O + R4 R3 O Lipase R1 O R4 O O + R3 O R2 d) Aminólise O R2 R1 O + R3 NH2 Lipase R1 O R3 NH + R2 OH e) Policondensação X O O R1 O X O + HO R2 OH Lipase -XOH X O O R1 O O R2 n OH Rn=alquila X=H, alquila, halogenetos de alquila, vinila, etc. Figura 3.33 – Reações catalisadas por lipases. 3.3.10.1 Seletividade das Lipases A régio e estéreo-seletividade das lipases é determinada pela sua estrutura e posicionamento do sítio ativo, sendo uma característica marcante desta classe de enzimas.15,28,31,176 A regiosseletividade das lipases foi demonstrada em um artigo de 1983.15 Muitas lipases apresentam seletividade com relação às posições 1 e 3 da cadeia do glicerol. Por exemplo, no processo químico, uma interesterificação de dois óleos levaria a uma randomização da estrutura conforme Figura 3.34. 84 Figura 3.34 - Randomização da estrutura do triacilglicerol na reação de interesterificação de óleos vegetais.15 Já pelo processo enzimático, utilizando lipases 1,3 específicas pode-se chegar à estruturas inalteradas na posição 2, conforme Figura 3.35. Figura 3.35 - Estrutura do triacilglicerol na reação de interesterificação de óleos vegetais via catalise enzimática com lipases 1,3 específicas. 15 Porém, produtos aleatorizados poderão ser gerados devido à migração de grupamentos acila (Figura 3.36) , que pode ocorrer devido a fatores como atividade e quantidade de água no sistema, além do aumento de temperatura e tempo de reação. Foi visto que reatores contínuos podem diminuir o grau de migração.29,30 85 Figura 3.36 – Mecanismo da migração de grupamentos acila gerando produtos aleatorizados durante a interesterificação enzimática. X e Y representam grupamentos graxos.29 Berger e Schneider testaram a atividade hidrolítica em diversas lipases frente a ácidos graxos de diferentes tamanhos de cadeia (C4 a C18), com resultados bem diversos.31 Como exemplo, foi observado que a lipase PPL tem maior atividade frente a cadeias curtas (C4), enquanto que a lipase de Humicola lanuginosa não apresenta seletividade pronunciada. Xu classificou diferentes lipases frente à especificidade com relação ao tamanho da cadeia e sua regiosseletividade frente a reação com triacilgliceróis46 (Tabela XI). 86 Tabela XI – Especificidades de diferentes lipases frente à reação com triacilgliceróis.46 Nome Especifidade frente ao tamanho de Regioespecificidade (posição cadeia do ácido graxo (P=cadeia relativa pequena; M=média; G=grande) da molécula de acilglicerol) 1=3=2 1=3=2 1=3>>2 1=3>2 Candida antarctica Candida rugosa Aspergillus niger Humicola lanuginosa Candida lipolytica Rhizopus japonicus Pseudomonas sp. Rhizopus delemar Mucor javanicus Rhizopus javanicus Rhizopus niveus Pseudomonas flurescens Rhizopus oryzae Rhizopus arrhizus Rhizomucor miehei PPL Penicillium roquefortii P=M=G P = M>>G P=M=G P=M=G M = G>>P M = G>>P M = G>>P M = G>P M = G>P P>M = G P>M = G P = M>>G 1=3>>2 1=3>2 1=3>2 1=3>2 1=3>>>2 1>3>>2 1=3>>>2 1=3>>>2 A presença de grupos hidroxilas na cadeia do ácido graxo também influenciará a formação de produtos. Foi visto que óleos a base de ácidos graxos hidroxilados (por exemplo mamona),32 quando expostos à ação catalítica das lipases de Pseudomonas sp e PPL, pode haver formação de estolidas, lactonas, poliolidas e poliesteres dependendo da posição relativa do grupamento hidroxila na cadeia. Além disso, as lipases têm muitas aplicações na síntese orgânica devido a sua habilidade de esterificar seletivamente um enantiômero de misturas racêmicas de álcoois e ácidos, causada pela trajetória do substrato ao sítio ativo, que pode se encaixar de forma 87 única, ou pela reação competitiva para formação do intermediário enzima-substrato por doadores ou receptores quirais.33,37,176 Foi demonstrado que a adição de aminas e sais inorgânicos no meio reacional, além de utilização de solventes adequados e controle da atividade da água podem melhorar a enantiosseletividade através de mecanismos ainda não muito bem entendidos.33,34 3.3.10.2 Modelo Cinético O modelo cinético que foi proposto para as reações catalisadas por lipases35-37,176 é baseado no mecanismo de hidrólise. O sítio ativo composto pelos aminoácidos serina (Ser), ácido aspártico (Asp) e histidina (His) catalisa a reação através da transferência de prótons durante o curso da reação (Figura 3.37). His O O - Ser His O O H Ser H ....O R1O O - ....H N N .... H R1O CH2 O Asp R2 O ....N CH2 N Asp R2 Sítio Ativo Intermediário Tetraédrico 1 O Nu R2 - - R1OH His O O H Ser O His Ser ....N N H ....O O - CH2 O H ....N N ....O H O CH2 - Asp Nu Asp Nu R2 R2 Intermediário Tetraédrico 2 R1 = H ou grupamento alquila R2 = grupamento alquila Nu- = ROH, H2O, RNH2, RNHNH2, H2O2, etc. Enzima Acilada Figura 3.37 – Mecanismo de reação genérico das lipases Além disso, diferentemente de outras hidrolases, as lipases não seguem o comportamento clássico Michaelis-Menten, não apresentando atividade quando o substrato está em concentrações abaixo de um ponto crítico, chamada concentração micelar crítica 88 (CMC). 37 Este comportamento é devido ao mecanismo de ativação interfacial associado a mudanças conformacionais da enzima. 3.3.10.3 Aplicações das Lipases Devido à sua versatilidade (podem trabalhar em meio aquoso e não-aquoso muitas vezes sem necessidade de cofatores), estreito controle dos produtos (régio e estereoseletividade), e a elucidação nos últimos anos da sua estrutura e mecanismo catalítico, as lipases estão hoje entre as enzimas de maior potencial para aplicações industriais. Muitos trabalhos já foram publicados sobre as possibilidades de utilização destes biocatalisadores. óleos vegetais. 21-27,37-39 Será abordado a seguir as principais aplicações na modificação de 3.3.10.3.1 Interesterificação A interesterificação enzimática de óleos para obtenção de triacilgliceróis especificamente estruturados (TEE) tem sido uma das principais aplicações das lipases, principalmente na indústria alimentícia. 29-31,40-47 Obtêm-se diversas vantagens frente ao processo químico, como ausência de problemas de saponificação causadas pelos catalisadores metálicos utilizados, oxidação do produto final e não-aleatorização da distribuição dos ácidos graxos na molécula do triacilglicerol.45 Sabe-se que as funções nutricionais e funcionais de óleos e gorduras dependem não só do tipo de ácido graxo presente, mas também de sua posição relativa na molécula. Um exemplo típico é a manteiga de cacau, principal constituinte das formulações de chocolate.46 A manteiga de cacau é composta predominantemente de triacilgliceróis simétricos com ácido oléico na posição 2 da molécula do glicerol, e grande percentual de ácido esteárico nas posições 1 e 3 (Tabela ). A obtenção de equivalentes da manteiga de cacau (EMC) através de reações químicas convencionais é muito difícil devido à randomização da estrutura, o que não acontece por rota enzimática. Por exemplo, ótimos resultados foram obtidos interesterificando óleos vegetais relativamente baratos (palma, piqui) com triestearina ou ácido esteárico na presença de lipases (Tabela XII). 47,140 O enriquecimento de margarinas com frações de ácido graxo insaturado é de grande importância nutricional. Com esse objetivo, a reação de margarinas com ácido oléico em presença de lipases foi estudada, sendo obtido um enriquecimento de 27% no teor de ácido 89 oléico, além de uma diminuição do teor de cadeias longas saturadas.41,42 Processo semelhante foi utilizado para modificação da gordura do leite. 43 O processo de interesterificação enzimática já é uma realidade em diversas indústrias, sendo utilizado para fabricação de EMCs industrialmente pela empresa Fuji Oil Europe, Nestlé Chile e Flora Danica, na Argentina, 26,49 48 para fabricação de margarinas, e na produção de substitutos da gordura do leite materno pela Unilever, na Alemanha.46 Tabela XII – Obtenção da manteiga de cacau através da interesterificação enzimática do óleo de palma. P=palmitato, O=oleato, St=estearato.47 Constituinte Manteiga de Cacau Óleo de Palma Produto (interesterificação com triestearina) POP POSt StOSt POO StOO Outros 16% 35% 26% 4% 6% 13% 45% 6% 0% 47% 2% 0% 22% 38% 14% 17% 9% 0% Basicamente, os processos industriais existentes hoje fazem uso de reatores de reação contínua, como os reatores de leito fixo, devido à sua simplicidade, eficiência e controle da migração de grupamentos acila.21,50-55,177,178 Outras formas de melhoria da eficiência da reação de interesterificação enzimática já foram tentadas. Reações a alta pressão179 foram estudadas com melhorias obtidas em pressões próximas de 150MPa, porém com diminuição do tempo de vida útil da enzima. Melhorias significativas foram obtidas pelo grupo de Chen180 e Liu181 através do uso de ultra-som no meio reacional. O ultra-som causa condições extremas de vibração do meio, diminuindo barreiras de energia devido a dificuldades de transferência de massa. O uso concomitante de 2 ou mais enzimas nas reações de interesterificação foi também foi explorada. Ibrahim e colaboradores182 concluíram que as lipases Lipozyme RM IM® e Novozym 435® tem efeito sinérgico na reação de interesterificação do óleo de palma e coco. 90 3.3.10.3.2 Produção de Monoacilgliceróis e Diacilgliceróis Monoacilgliceróis (MG), emulsificantes largamente utilizados em alimentos, remédios e cosméticos, são fabricados por glicerólise de óleos e gorduras em processos tipo batelada ou contínuos. Altas temperaturas (220-250ºC) e catalisadores alcalinos são utilizados, em processo muito parecido com a reação utilizada em resinas alquídicas. As limitações do processo químico incluem a indesejável cor escura e o gosto queimado do produto, além de baixo rendimento da reação (40 a 60%) e perda de propriedades nutricionais.69 Por esses motivos, vários trabalhos já foram publicados160,56-74,183-185 de forma a se conseguir um processo mais adequado e a catálise enzimática é uma das alternativas mais promissoras para se alcançar esse objetivo. A obtenção de MG pela hidrólise parcial de óleos, em presença de lipases 1,3 específicas, foi uma das primeiras estratégias utilizadas. Porém teores muito baixos (menores que 30%) foram encontrados.59,60 Altos teores podem ser obtidos pela reação de transesterificação de glicerol e óleos vegetais em temperaturas abaixo da temperatura crítica de cristalização do MG formado, em um meio heterogêneo sem adição de solventes, na qual há deslocamento da reação no sentido dos produtos.56-58 Teores acima de 90% podem ser obtidos através da diminuição da temperatura a 5ºC, após a reação.61,65 Porém tempos de reação longos são normalmente necessários (de 20 horas a alguns dias, dependendo do teor desejado), e o controle da reação é prejudicado em razão da heterogeneidade do sistema. A reutilização de lipases não imobilizadas foi testada por Kaewthong e colaboradores64 na reação do óleo de palma com glicerol. Foi utilizado um reator com membrana de separação. Um aumento da atividade foi observado quando a temperatura é aumentada de 30 para 45ºC,conforme pode ser observado na Figura 3.38 e na Figura 3.39 . Em contraste, porém, foi observado que nessa temperatura as lipases perdem estabilidade, em razão da desnaturação térmica das enzimas (conforme Figura 3.40). Em outro trabalho foi determinada uma temperatura máxima de 40ºC para a lipase Pseudomonas sp de forma a manter sua máxima estabilidade.160 91 Figura 3.38 – Reação em processo contínuo (reator de leito fluidizado com membrana de separação) do óleo de palma com glicerol a 30ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), OF (Candida rugosa), D (Rhizopus delemar), AK (Pseudomonas fluorescens), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae), AY (Candida rugosa), M (Mucor javanicus) e PL (Alcaligenes sp.).64 Figura 3.39 – Reação em processo contínuo (reator de leito fluidizado com membrana de separação) do óleo de palma com glicerol a 45ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), D (Rhizopus delemar), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae) e PL (Alcaligenes sp.). 64 92 Figura 3.40 – Estabilidade das lipases na reação do óleo de palma com glicerol a 45ºC; 300 rpm; relação glicerol/óleo 2,7; 4% de água (m/m); enzima não imobilizada. Organismos originais das lipases: LP (Chromobacterium viscosum), D (Rhizopus delemar), PS (Pseudomonas sp.), F (Rhizopus oryzae) e PL (Alcaligenes sp.).64 No mesmo trabalho, o efeito da imobilização na atividade e estabilidade da lipase de Pseudomonas sp foi determinado. Observou-se que a enzima imobilizada apresentava uma temperatura de máxima atividade mais alta, e uma leve melhoria na estabilidade com 24 horas de reação. Ainda no trabalho de Kaewthong foi proposto um reator contínuo de leito fixo (Figura 3.41), com fluxo de 0,2 mL por hora, porém baixos teores de MG foram obtidos. Figura 3.41 – Reator contínuo de leito fixo. 64 93 Outro trabalho que merece destaque é o de Noureddini e Harmeier, 160 que estudaram a glicerólise do óleo de soja com nove enzimas comercialmente disponíveis, através de reação em batelada. A atividade de cada enzima foi determinada. A lipase PS (Pseudomonas cepacia) foi a de maior atividade, sendo utilizada posteriormente em um planejamento fatorial para análise das principais variáveis reacionais. Os parâmetros otimizados, em função da atividade glicerolítica, foram temperatura de 40ºC, relação glicerol/óleo de 2:1 e relação enzima/óleo de 0,1: 10, respectivamente. Todas as lipases podem ser obtidas no mercado com informações sobre sua atividade hidrolítica. Porém essa medida muitas vezes não condiz com a atividade observada na reação com glicerol, conforme foi demonstrado por Noureddini e comprovado nesta dissertação (Seção 5.3). Solventes ou uso de agentes emulsionantes podem melhorar a homogeneidade do sistema, diminuindo os tempos de reação devido a diminuição de problemas de transferência de massa, aumentando os teores de MG. Um dos solventes mais utilizados para esse propósito são álcoois terciários, devido a sua baixa reatividade, possibilidade de homogeneização tanto da fração graxa como do glicerol e coeficiente de partição adequado.62,67,183-185 Outros sistemas de solventes também já foram propostos, como uso de acetona.64 Dentro deste contexto, muitos trabalhos já foram publicados utilizando a enzima Novozym 435. Obtida pela imobilização da lipase de Candida antarctica em uma resina acrílica macroporosa. Foi utilizada na glicerólise de vários óleos em reator contínuo,21,166,177 líquido iônico167 e em batelada.165,166 Foi demonstrada alta atividade da glicerólise de diversos óleos, com uso de t-butanol como solvente, chegando a conversões de praticamente 100% do óleo e altos teores de MG.67-71 3.3.10.3.3 Síntese de Biodiesel Lipases têm sido bastante utilizadas para obtenção de biodiesel, 75-80 através de reações de transesterificação de óleos vegetais e álcoois mono-funcionais. A grande vantagem do processo enzimático, além da diminuição do consumo de energia, é a eliminação de etapas de purificação posteriores (ver seção 1.5).79 94 Um dos problemas encontrados no processo enzimático é a inativação das lipases com metanol, um dos principais álcoois utilizados para síntese de biodiesel. Alternativas foram propostas, como uso de outros solventes e líquidos iônicos. Acredita-se que a desativação da enzima em metanol é conseqüência da baixa solubilidade do álcool em meio hidrofóbico. Proporções metanol/óleo maiores que 1,5:1 causam alta inibição.80 Para resolver o problema, Shimada e colaboradores75 sugeriram uma adição gradual de metanol, obtendo-se conversões acima de 95% mesmo após 50 ciclos de operação. Trabalho similar foi feito por Watanabe e colaboradores.76 Foi sugerido79 que a ação inibidora é parcialmente devida ao glicerol que é formado durante a reação, sendo necessário sua remoção. Membranas de separação e líquidos iônicos tem sido utilizados para este fim (Figura 3.42). Dupont e colaboradores80 realizaram estudos da metanólise enzimática com óleo de soja em líquido iônico com diversas lipases, obtendo mais de 96% de biodiesel com a lipase PS (Amano). Figura 3.42 – Transesterificação de óleo vegetal por enzimas suportada em líquidos iônicos com concomitante captura do glicerol formado.80 A enzima Novozym 435 foi explorada em outro trabalho.78 A eficiência da reação com diversos líquidos iônicos foi comparada com o processo com solvente t-butanol, sabidamente um dos solventes mais adequados para reações de transesterificação enzimáticas. Maiores conversões foram obtidas com o meio iônico. 95 3.3.10.3.4 Usos das lipases na modificação de óleos para produção de resinas alquídicas A síntese de resinas alquídicas com incorporação da fração graxa através da utilização de catálise enzimática foi muito pouco explorada na literatura. Os principais registros são referentes à utilização para produção de poliésteres através da reação de policondensação.82105 Enzimas podem também ser utilizadas diretamente na formulação de tintas antincrustação para embarcações, prevenindo a formação de acúmulos no casco de navios, diminuindo enormemente o consumo de combustível.81 Dois trabalhos podem ser encontrados na síntese específica de resinas alquídicas. Geresh e Gilboa106 sintetizaram um polímero em meio solvente que foi denominado pelos autores como uma resina alquídica, mas que na verdade poderia ser definida como um poliéster insaturado, pois foram utilizados como substratos o 1,4-hexanodiol e ésteres do ácido fumárico, sem nenhuma modificação com óleo vegetais. As enzimas utilizadas foram PPL, Candida cylindracaea, Mucor miehei e Pseudomonas fluorescens. Foram obtidos polímeros com massa molar (Mw) de até 1250, com polidispersões de próximas a 1, calculadas através de análise de GPC. Kumar e colaboradores108 sintetizaram resinas alquídicas através de transesterificação enzimática na fase da alcóolise com diversos álcoois polifuncionais e óleos. O protocolo experimental utilizado esta descrito na Tabela XIII. Tabela XIII – Condições reacionais utilizadas no trabalho de Kumar.108 Relação Álcool/TG Solvente 2,33:1 THF (aproximadamente 20% em massa sobre massa total de reagentes) Enzima Temperatura PPL (7,5% em massa sobre massa de óleo) 32ºC 96 O progresso da reação de transesterificação foi monitorado pela solubilidade em meio reacional em metanol. Os autores consideraram uma solubilidade de 200% como sendo indicativo de total desaparecimento da fração óleo. Porém, como será visto neste trabalho, mesmo com teores altos de TG na composição de produtos pode-se obter alta solubilidade em metanol, em razão do efeito compatibilizante do solvente, do álcool utilizado na reação e da próprio MG formado durante a reação. A análise de monoésteres foi realizada através de um método chamado de oxidação com ácido periódico pelos autores, que não foi possível ser encontrado para discussão nesta dissertação. Foram testados os álcoois ciclohexano-dimetanol (CHDM), neopentil-glicol (NPG) e hexanodiol (HD) na reação com óleo de coco. Os melhores resultados foram encontrados com CHDM após 72 horas de reação, com altos teores de monoéster. Outros álcoois, como glicerol, não foram testados. O CHDM foi testado frente a outros óleos, como mamona, saffola e tobacco. A maior conversão foi obtida com mamona, o que deve ser questionado, em razão da solubilidade do óleo de mamona, que pode mascarar o resultado. A baixa atividade frente aos outros óleos foi atribuída a existência de insaturações na cadeia. O produto da reação com óleo de coco e CHDM foi então utilizado para síntese da resina alquídica, através de 2 métodos: reação com anidrido ftálico a temperatura de 220ºC, e através de uretanização com tolueno diisocianato (TDI) a temperatura ambiente. Os resultados são mostrados na Tabela XIV. 97 Tabela XIV – Resultados obtidos no trabalho de Kumar com a síntese de resinas alquídicas. Formulações não fornecidas. 108 Álcool Polifuncional Teor de Alquídica de Anidrido Ftálico Índice acidez (mgKOH/g) de Mn (g/mol) Alquídica Uretanizada Polidispersão monoéster Polidispersão Mn (g/mol) CHDM NPG HD 90% 82% 75% 4,2 9,6 8,4 2229 1838 1999 1,14 1,09 1,10 2921 2548 2988 1,23 1,16 1,21 Os valores de polidispersão obtidos foram extremamente baixos para um polímero de policondensação.186 Podendo ter havido algum erro de determinação das massas moleculares por GPC. O trabalho de Kumar foi utilizado como ponto de inicial deste trabalho, com objetivo de ampliá-lo para álcoois polifuncionais e óleos mais utilizados na síntese de resinas alquídicas no Brasil. Além disso, como pode ser observado no anexo a esta dissertação, uma pesquisa de patentes realizada não foram encontrados registros de utilização de catálise enzimática na fase de alcóolise da síntese de resinas alquídicas. 98 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 REAGENTES As lipases PPL, PS, A e AY e os solventes utilizados foram obtidos comercialmente (Aldrich). A enzima Novozym 435 foi gentilmente cedida por Novozymes Latin América. Todos os óleos, polióis, poliácidos, poliisocianatos e solventes de diluição foram cedidos por Tintas Killing S/A (grau comercial). 4.2 PROTOCOLOS DE REAÇÃO 4.2.1 Alcóolises com lipase PPL Todos os ensaios com a enzima PPL foram realizados da seguinte forma: pesou-se inicialmente o óleo (comercial) e a enzima em um copo de béquer, misturando-se em seguida com um bastão de vidro, de forma a desagregar os aglomerados de enzima e favorecer a dispersão. Após isso o solvente, caso necessário, foi adicionado. Essa mistura foi, então, colocada em um balão de fundo redondo, juntamente com o poliol correspondente (comercial). Acoplou-se o termopar e o misturador mecânico. O sistema foi mantido em temperatura (tipicamente 40ºC) controlada em um banho-maria. Um procedimento padrão dessa reação utilizou aproximadamente 45g de óleo, 7g de enzima e 10 a 20g de poliol. 4.2.2 Alcóolises com lipases PS, A, AY e Novozym 435 Estes ensaios foram realizados em um balão de fundo redondo de 100ml, agitador magnético com aquecimento, modelo IKA RH-KT/C (setup entre 3 e 4), controlador de temperatura modelo IKA-Werke. A escala padrão utilizou cerca de 10g de óleo de soja, 1% (m/m) de enzima sobre óleo, relação molar glicerol/óleo de 2,4/1, temperatura de 40ºC e tempo mínimo 8 horas (exceto para a análise fatorial, onde foi utilizado um tempo de 3 horas). 4.2.3 Análise fatorial com Lipase PS O tempo de duração de cada experimento foi de 3h, escolhido para maior agilidade. Após o término da reação, realizou-se centrifugação e filtração das amostras, seguida de 99 análise de índice de acidez, cromatografia em camada delgada (CCD) e cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). 4.2.4 Síntese da resina alquídica Para a síntese da resina alquídica foram utilizados tanto o processo via alcóolise quanto o processo ácido graxo, comparados na seção 3.2.2.2. No processo de alcóolise alcalina, foi utilizado em um balão de fundo redondo de capacidade de aproximadamente 2 litros, equipado com agitador mecânico, atmosfera de nitrogênio, termopar para controle de temperatura e condensador (para retirada de água de reação e refluxo de xileno na etapa da policondensação). A reação era monitorada através do teste de solubilidade em metanol. Um tempo típico de reação era de 1 hora. Na alcóolise enzimática dois arranjos foram utilizados: um em batelada e outro contínuo (ver próxima seção para processo contínuo). No processo em batelada um arranjo similar ao processo alcalino foi utilizado, porém sem utilização de atmosfera inerte. Neste caso, um tempo padrão de 8 horas foi utilizado de forma a garantir a conversão máxima do óleo. Tempos menores poderiam ser utilizados. Em ambos os processos, pesou-se aproximadamente 307g de óleo de soja, 82g de glicerina e 3,1g de catalisador. A mistura era então aquecida para a respectiva temperatura de reação, 220ºC para processo alcalino e 40ºC para processo enzimático. Na etapa da policondensação, os demais polióis (129g), anidrido ftálico (297g), ácido benzóico (92g) e xileno (34g) eram adicionados ao produto da alcóolise, numa temperatura de 110ºC e atmosfera inerte. A temperatura era, então, elevada novamente a 220ºC. A cada hora retirou-se alíquotas para realização de teste de acidez e viscosidade. A reação foi interrompida quando se alcançou os parâmetros especificados. No processo ácido graxo, misturou-se a uma temperatura de 110ºC o ácido graxo de soja (293g), glicerina (114g), demais polióis (129g), anidrido ftálico (297g), ácido benzóico (92g) e xileno (34g). A temperatura era, então, elevada a 220ºC. O processo seguia-se então de forma semelhante ao demonstrado no parágrafo anterior. Em nenhum caso foram utilizados catalisadores para acelerar a reação de policondensação, de forma a visualizar-se a real diferença de reatividade dos sistemas. 4.2.5 Reator contínuo Um reator tubular, de leito fixo foi utilizado para alcóolise enzimática com a enzima suportada Novozym 435 em processo contínuo. Ele foi construído em estrutura de vidro de 100 acordo com trabalho realizado por Damstrup. 21 Nesse trabalho foram otimizadas as dimensões do reator, bem como fluxo e tempo de residência. Figura 4.1 – Esquema do reator contínuo de Damstrup.151 As dimensões utilizadas foram 1,5 cm de diâmetro, 15 cm de comprimento, fluxo de 0,7mL/min e temperatura de 40ºC. Figura 4.2 – Foto do reator contínuo de leito fixo preenchido com a enzima Novozym 435, já inchada devido ao solvente. 101 Um fato que foi observado nesse processo é que a enzima sofre uma expansão devido ao inchamento do suporte de resina acrílica da enzima Novozym 435 quando em contato com solvente, podendo chegar até quase o dobro do seu volume original. Por isso, o preenchimento do reator deve deixar certo volume vazio (no máximo 52%), que servirá para impedir problemas de deformação do suporte devido ao aumento da pressão dentro da câmara de reação. Foram utilizadas 6 g de enzima para preenchimento do volume de 52% da câmara. Os reagentes (52g de glicerina e 250g de óleo de soja) e 315g de t-butanol foram colocados em um balão de vidro em contato com banho termostatizado a 40ºC e homogeneizados antes da entrada no reator por um agitador mecânico RW20 (500 rpm). Bombas peristálticas (FMI “Q”, modelo QG400) foram utilizadas para passar os reagentes no interior do reator e para manutenção do fluxo contínuo. A temperatura no interior do reator foi mantida constante (40ºC) por uma camisa de vidro, com fluxo de água termostatizada por um banho SE-100AG. O produto foi recolhido em uma proveta graduada para melhor controle do fluxo. Após o término da reação, o t-butanol foi destilado através de um destilador a vácuo. O produto da reação então era submetido à policondensação conforme descrito acima. 4.3 MÉTODOS ANALÍTICOS 4.3.1 Solubilidade em Metanol O teste de solubilidade em metanol é usual na fabricação de resinas alquídicas, e fornece uma estimativa do grau de transesterificação do óleo na fase de alcóolise, e o prosseguimento da reação para a etapa da policondensação. Usualmente, o método consiste em misturar em uma proveta graduada (10 mL) o meio reacional e o metanol, adicionando este em pequenas quantidades. A mistura é homogeneizada a cada adição, sendo verificado o aspecto da solução quanto à transparência. O processo continua até obter-se o primeiro aspecto turvo, indicativo de insolubilidade. O resultado é expresso em percentagem de metanol sobre volume inicial do meio reacional. De forma geral, é considerada aprovada a amostra com 200 a 300% de solubilidade.9 4.3.2 Índice de acidez Titulação ácido-base com NaOH padronizado (em torno de 0,1M) de 2,0 mg de amostra em solução de éter etílico e etanol 2:1. Soluções previamente neutralizadas .O 102 indicador usado foi a fenolftaleína. O resultado foi expresso como uma média de 3 determinações. 4.3.3 Cromatografia em camada delgada Como eluente empregou-se uma mistura de solventes: hexano (89%), acetato de etila (10%) e ácido acético (1%). Uma alíquota de 50mg de amostra e óleo foi dissolvida em éter. Fase estacionária de alumina. A revelação foi feita em vanilina/ácido sulfúrico.187 4.3.4 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) As amostras foram submetidas à análise de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). O equipamento utilizado foi um Shimadzu módulo bomba modelo LC-20AT, detector UV 205 nm modelo SPD-20A, interface modelo CBM-20A e software LC Solution (versão 1.21). Coluna de 150mm de comprimento e 4,6 mm de diâmetro com tamanho de partícula de 5 micrometros. A metodologia foi a mesma utilizada por Dupont.80 O naftaleno foi utilizado inicialmente como padrão interno para quantificação dos constituintes do produto. A construção de curva de calibração foi feita com soluções do padrão e óleo de soja em isopropanol/hexano (grau CLAE). Porém, o naftaleno mostrou-se inadequado como padrão interno, pois houve sobreposição dos picos no cromatograma. Além disso, devido ao detector de ultravioleta, a resposta relativa do naftaleno foi muito diferente dos substratos analisados (diferente coeficiente de absortividade), além de ser de classe química diferente do analito. Optou-se então por utilizar o linoleato de metila (Figura 4.3). Porém, as diferenças encontradas pela quantificação com os dois padrões foram pequenas, consideradas aceitáveis para o objetivo do trabalho. 103 NAFTALENO LINOLEATO DE METILA Intensidade Relativa AGL MG DG TG 0 5 10 15 20 25 30 35 Tempo de Retenção (minutos) Figura 4.3 – Exemplo de cromatograma de CLAE . Os picos referentes às diversas frações de acilgliceróis estão indicados, inclusive o pico dos padrões internos naftaleno e linoleato de metila. Os tempos de retenção utilizados para os derivados de óleo de soja são os seguintes: 0 a 5 minutos ácido graxo livre (AGL), 5 a 15 minutos monoacilgliceróis (MG), 15 a 25 minutos diacilgliceróis (DG) e acima de 25 minutos triacilgliceróis (TG). A quantificação das amostras foi realizada, calculando-se inicialmente o conteúdo de AGL, não quantificável por CLAE devido à sobreposição de picos, através do índice de acidez. A quantidade de TG foi determinada por CLAE, através da curva de calibração com o padrão interno (linoleato de metila). Os teores de MG e DG calculados através das seguintes equações: AMOSTRA − TG − AGL = MG + DG MG Área MG MassaMolarMG = DG ÁreaDG MassaMolarDG (19) (20) Onde AMOSTRA é a massa de amostra injetada do equipamento de CLAE, TG, AGL, MG e DG são as quantidades em massa dos constituintes. ÁreaMG e ÁreaDG são as áreas calculadas dos respectivos sinais no cromatograma de CLAE. MassaMolarMG e 104 MassaMolarDG são as massas molares aproximadas de MG e DG (355 e 618 g/mol respectivamente). A quantificação de MG e DG constituem no método as maiores fontes de erro, pois não foram utilizados padrões para quantificação. Em razão disso, a análise foi considerada semi-quantitativa. Porém, para os objetivos do trabalho, esse erro pode ser considerado aceitável, e não ultrapassa 3 pontos percentuais. 4.3.5 Cromatografia de Permeação em Gel (GPC) Cromatografia de permeação em gel (GPC) foi realizada utilizando THF como eluente num equipamento Waters 410, equipado com refratômetro diferencial como detector. Quatro colunas reticuladas de poliestireno com tamanho de poros de 500, l03, l04, e l05 Å, foram utilizadas. As massas molares foram determinadas pela calibração contra padrões de poliestireno. 4.3.6 Espectroscopia em Infravermelho As resinas sintetizadas foram avaliadas por espectroscopia no infravermelho, através do espectrofotômetro Shimadzu FTIR 8300. As amostras foram aplicadas em placas de KBr e, após secagem à vácuo e formação de filme fino, foram submetidas ao ensaio. 4.4 ENSAIOS EM RESINA E TINTA 4.4.1 Desempenho da tinta e resina Para avaliar o desempenho da resina e da tinta, metodologias padronizadas pela ASTM foram utilizadas de acordo com Tabela XV. 105 Tabela XV – Metodologias empregadas para teste de desempenho da tinta final Viscosidade Brookfield(a) Cor Gardner(a) Aderência(b) Flexibilidade(b) Impacto(b) Dureza König Brilho(c) (a) (b) ASTM D2196 ASTM D1544 ASTM D3359 ASTM D522 ASTM D2794 ASTM D4366 ASTM D523 Ensaios realizados na resina a 50% de sólidos (m/m) Ensaios realizados após 7 dias de secagem a temperatura ambiente das amostras de tinta aplicadas sobre painel de aço carbono laminado a frio, dimensões 7 por 15 cm, 1 mm de espessura, lixado com lixa gran #320 e desengordurado com solvente xileno seguido de acetona. Camada de tinta de aproximadamente 40 µm. (c) Ângulo de 60º utilizado no teste. Aplicação em painel de aço carbono conforme descrito acima. 4.4.2 “Gel Time” Este ensaio visa determinar o tempo para formação de gel após a mistura da resina alquídica com o poliisocianato alifático, numa relação estequiométrica dos grupamentos isocianato com as hidroxilas da resina alquídicas de 1:1. O resultado é indicativo da reatividade do sistema e da massa molar do polímero. O resultado é determinado como o tempo transcorrido após mistura dos componentes até a perda de fluidez. 4.4.3 Imersão em água A resistência à hidrólise foi testada através de teste de imersão em água. Painéis pintados com as amostras de tintas foram submetidos a secagem de 7 dias ao ar, e então imersos em água destilada à temperatura ambiente por 300 horas (Figura 4.4). 106 Figura 4.4 – Foto ilustrativa do teste de imersão em água. O resultado foi expresso em termos de retenção de brilho (ASTM D523), grau de empolamento (ASTM D714), grau de corrosão (ASTM D610), e diferença visual de cor (ASTM D1729). 107 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Será apresentada neste capítulo, inicialmente, a análise exploratória para identificação do melhor sistema para o caso em estudo, onde o processo alcalino (padrão atual) foi comparado com o processo enzimático utilizando as alternativas de enzimas: PPL, A, AY e PS e Novozym 435. Logo em seguida, será apresentada a otimização dos resultados, bem como, a aplicação da resina na preparação de tintas. 5.1 PROCESSO ALCALINO A síntese de resinas alquídicas foi tratada na seção 3.2.2, onde se demonstrou a necessidade da reação inicial do óleo vegetal com o álcool polifuncional, anterior a reação de policondensação, sendo este processo chamado de monoglicérido ou alcóolise. No presente trabalho, o processo padrão de alcoólise foi chamado de processo alcalino, pois utiliza catalisadores metálicos básicos. Inicialmente o processo alcalino foi testado como base para comparação posterior com o processo enzimático. Foi utilizado 1% de octoato de lítio sobre massa de óleo, tempo de reação de 1 a 2 horas (até 300% de solubilidade em metanol) a 220ºC de temperatura. Realizou-se uma reação com 20% de excesso de glicerol em comparação com a relação estequiométrica para formação de monoacilglicerol (MG), conforme procedimento de alcóolise alcalina atual. Esse excesso tem como objetivo deslocar o equilíbrio da reação para formação majoritária de MG. Os produtos foram analisados por CLAE (Figura 5.1) para verificação, além da quantidade de MG, da quantidade de ácidos graxos livres (AGL), diacilgliceróis (DG) e triacilgliceróis ou óleo não convertido (TG). 108 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 % molar Processo Alcalino (Relação Glicerol/Óleo = 2.0) AGL MG DG Processo Alcalino (Relação Glicerol/Óleo = 2.4) TG Figura 5.1 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise alcalina do óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido). Como se pode observar pelos resultados, o excesso de glicerol realmente resulta no aumento da quantidade de MG, ocasionado pela diminuição da quantidade de DG e aumento da conversão do óleo. De qualquer forma, é surpreendente a pouca eficiência do procedimento atual de alcóolise alcalina. O teor de 30% de óleo não reagido com certeza prejudicará o desempenho do produto final. Porém, deve ser levado em consideração que o óleo não reagido ainda poderá se incorporar ao polímero na policondensação, já que o catalisador de alcóolise ainda estará presente no meio, diminuindo a quantidade de óleo livre. 5.2 Glicerólise com lipase PPL A enzima PPL, como todas as lipases, apresenta boa atividade hidrolítica e tem sido 23,31,46,108 utilizada extensivamente na literatura. Em meio aquoso, óleos de cadeias mais curtas, como tributirato são melhor hidrolisados, enquanto que o meio solvente favorece cadeias mais longas, como o trioleato.31 Além disso, é uma das enzimas comerciais de menor custo (seção 3.3.9). Kumar e colaboradores,108 conforme já descrito anteriormente, obtiveram bons resultados de conversão de diversos óleos com esta enzima, empregando os álcoois CHDM, NPG e HD e óleos de coco e mamona. Portanto, o primeiro motivador do presente trabalho 109 foi verificar a validade dos resultados obtidos por Kumar em um sistema com glicerol/ óleo de soja, bastante comum nas formulações de resina alquídicas brasileiras. Foi testado então, nas mesmas condições, o sistema com óleo de soja/ coco/ mamona e glicerol usando a enzima PPL como catalisador. Porém, não se obtiveram resultados positivos devido à formação de material insolúvel que impossibilitava o prosseguimento da reação. Os ensaios mais representativos estão descritos na Tabela XVI. As variáveis foram escolhidas de acordo com Kumar.108 Tabela XVI – Testes realizados com óleo de soja, coco e mamona e glicerol, utilizando a enzima PPL.(a) Reação 1 2 3 4 5 6 7 a) Óleo Soja Soja Soja Soja Soja Coco Mamona Relação molar OH/ Éster 2,5 2,5 2,5 2,5 0,8 2,0 2,0 Solvente Nenhum THF THF THF THF Nenhum Nenhum Temperatura (ºC) 32 32 40 60(b) 40 32 32 Resultados de teste em solubilidade em metanol com resultado negativo em todas as experiências, exceto para reação 7. Porém o resultado é não significativo devido à solubilidade do óleo de mamona em metanol. Em todas as reações houve formação de aglomerado insolúvel. Condições reacionais: catalisador (1% sobre massa do óleo), tempo de reação mínimo de 8 horas. O teor de solvente, quando indicado, foi de 30% (v/m) sobre o total do meio reacional; b) Temperatura acima do ponto de desnaturação da enzima escolhida propositalmente para verificar se a atividade catalítica influenciava a formação de aglomerado insolúvel; O aglomerado insolúvel formado apresentava consistência pastosa. Sua formação pode ser explicada devido ao caráter hidrofílico da enzima, que interage com o glicerol. Problemas semelhantes foram relatados na literatura. 166, 177 Nestes trabalhos, algumas enzimas foram utilizadas na forma não imobilizada, havendo formação de material insolúvel. Além disso, dificuldades de separação da enzima foram relatadas. Resultados semelhantes também foram verificados com algumas enzimas imobilizadas devido à hidrofilicidade de alguns suportes (sílica, por exemplo).165 Kumar relatou que a enzima PPL é inativada em temperaturas acima de 50ºC. Isto posto, pode-se concluir pelos resultados acima que a formação do material insolúvel não 110 depende da atividade catalítica da enzima, mas de alguma interação físico-química do glicerol com os aminoácidos presentes na molécula da enzima. Outros ensaios foram realizados, repetindo testes descritos pelo grupo de Kumar. O álcool (CHDM), menos hidrofílico, e óleo de mamona foram reagidos, na temperatura de 32ºC, conforme Tabela XVII. Tabela XVII – Resultados dos testes realizados com óleo de mamona, utilizando a enzima PPL como catalisador. Reação Álcool Relação OH/ Éster Solvente(b) Tempo de reação (horas) 1 2 3 4 5 6 7 a) b) Observação CHDM CHDM TMP TMP TMP TMP TMP 4,6 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 THF THF THF(a) THF+Água THF+Água Hexano+Água Hexano+Água 72 72 72 48 72 48 72 Produto homogêneo Produto homogêneo Formação de aglomerado Produto homogêneo Produto homogêneo Produto homogêneo Formação de aglomerado Não foi possível solubilizar o TMP; O teor de solvente, quando indicado, foi de 30% (v/m) sobre o total do meio reacional. A água utilizada corresponde a 30% (m/m) da quantidade de TMP (utilizada para sua dissolução). Como se pode observar, a menor hidrofilicidade do CHDM preveniu a formação de aglomerado enzima-álcool confirmando o resultado de Kumar. Porém, mesmo sem reagir, a mistura óleo de mamona e CHDM é totalmente solúvel em metanol. Utilizando TMP, mais hidrofílico, encontrou-se o mesmo problema observado para o glicerol. Porém a adição de água impediu a formação de aglomerado, provavelmente devido a maior afinidade da água com a enzima. Quando se modificou o solvente do sistema para hexano, houve formação de aglomerado novamente após 72 horas de reação (o processo mostrou-se mais lento). O hexano, sendo mais hidrofóbico, contribui para uma maior adsorção de TMP na superfície da enzima. Os produtos de reação com TMP e CHDM foram então analisados pela técnica de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). 111 Na Figura 5.22, observa-se o cromatograma do óleo de mamona puro, com tempo de retenção entre 34 e 40 minutos. Devido ao método de gradiente de solventes escolhido, as frações menos polares são eluidas no final. TG Figura 5.2 – Cromatograma de CLAE do óleo de mamona. Na Figura 5.3 observa-se a análise de CLAE do produto da reação com óleo de mamona e CHDM. Estima-se que as frações e os tempos de retenção sejam: ácidos graxos livres de mamona (0 a 10 minutos), MG e ésteres de CHDM (de 10 a 20 minutos) e DG (de 20 a 30 minutos). 112 AGL MG/ ÉSTERES DG TG Figura 5.3 – Cromatograma de CLAE da reação do óleo de mamona com CHDM, relação OH/ éster 2,4, THF como solvente, temperatura 32°C e tempo 72 horas (reação 2 da Tabela XVII). Na Figura 5.4 é mostrado o cromatograma do produto da reação com óleo de mamona e TMP. Observa-se um nítido aumento do teor de ácido graxo livre, em razão do maior teor de água no sistema (utilizada para dissolução do TMP). Estimativa dos picos: 2 a 10 minutos: ácidos graxos de mamona; 14 a 16 minutos: MG e ésteres de TMP; 28 a 34 minutos: DG. AGL MG/ ÉSTERES DG TG Figura 5.4 – Cromatograma de CLAE da reação do óleo de mamona com TMP, relação OH/ éster 2,4, THF e água como solventes, temperatura 32°C e tempo 48 horas (reação 4 da Tabela XVII). 113 Não foi possível quantificar de forma exata as frações devido à falta de padrões para o óleo de mamona. Pelo exposto acima, vê-se que a enzima PPL além de apresentar atividade frente aos substratos testados por Kumar, é também ativa com o ao álcool TMP em condições especiais. Entretanto, tais substratos limitam muito a gama de formulações possíveis para a síntese da resina alquídica. Portanto, julgou-se importante a verificação com outras enzimas que fossem capazes de catalisar a reação com os substratos alvo. 5.3 Glicerólise com Enzimas Amano A glicerólise do óleo de soja via catálise enzimática foi estudada por Noureddini e Harmeier.63 Eles avaliaram a influência de diversas variáveis reacionais empregando enzimas obtidas da multinacional japonesa Amano Enzyme Inc. Utilizando como ponto de partida o trabalho de Noureddini e Harmeier, foram testadas nesta dissertação 3 enzimas: A (Aspergilus niger), AY (Candida rugosa) e PS (Pseudomonas cepacia). Os resultados estão demonstrados na Tabela XVIII. Tabela XVIII – Resultados comparativos das Lipases PS, AY e A na reação do óleo de soja e glicerol. Condições reacionais: temperatura 40ºC, 30% de água sobre glicerol, relação molar glicerol/óleo de 2,4:1. Lipases Concentração (percentual em massa sobre óleo) Tempo de reação (horas) Conversão do óleo (percentual molar sobre quantidade inicial) PS AY A AY A 1 1 1 10 10 8 92 92 92 92 75-80 >5 >5 75-80 20-30 Apesar da alta atividade hidrolítica destas enzimas, somente com as lipases PS e AY foram obtidos bons resultados. A lipase A mostrou baixíssima conversão do óleo, mesmo em 114 concentrações altas, enquanto que a lipase PS apresentou-se como a mais ativa no sistema estudado. Os resultados obtidos confirmaram os estudos de Noureddini. Em seu trabalho, os comportamentos catalíticos diferentes de enzimas com atividade hidrolítica parecida foram explicados pela definição de glicerólise. A glicerólise envolve a quebra da molécula de glicerol, que não necessariamente seguirá o mecanismo de hidrólise, podendo responder de forma diferente às variáveis do meio reacional. Isto se torna claro quando as respectivas atividades das enzimas são comparadas (Tabela XIX). Tabela XIX – Comparação de atividades das enzimas testadas. 160 Enzima Atividade glicerolítica (GU/g)a Atividade hidrolítica (U/g) Lipase PS Lipase AY Lipase A a) b) 1779,3 301,4 176,3 31100 31700 128000 GU corresponde à unidade de atividade glicerolítica (do inglês glycerolysis unit); U corresponde à unidade de atividade hidrolítica. A International Commission on Enzymes (Comissão Internacional sobre Enzimas) define como Unidade Internacional de Atividade Enzimática a quantidade que catalisa a formação de 1 µmol de produto em 1 minuto.160 No caso da atividade hidrolítica, o produto é o ácido graxo livre. No caso da atividade glicerolítica, uma melhor definição é quantidade de enzima necessária para consumir 1 µmol de substrato (glicerol e óleo) por minuto durante 1 hora. Após os testes iniciais, o processo de alcóolise enzimática com a lipase PS foi comparado com o processo alcalino. Os resultados foram inicialmente investigados através de cromatografia em camada delgada (CCD), onde se observou uma similaridade (Figura 5.5). 115 Processo Alcalino TG TG DG MG DG MG GLICEROL GLICEROL Óleo de soja puro Produto reação Óleo de soja puro Produto reação Figura 5.5 – Comparação processo de alcóolise alcalina e enzimático por cromatografia em camada delgada. Em ambos os casos, relação glicerol/ óleo de soja=2,4:1; Processo Lipase PS: 1% de enzima/ óleo, 96 horas de reação, temperatura 40ºC. Processo Alcalino: 1% de octoato de lítio, 2 horas de reação, temperatura 40ºC. Eluentes hexano/acetato etila/ácido acético na proporção 89/9/1. Revelação em vanilina/ácido sulfúrico. Como se pode observar na análise de CCD, há o aparecimento de manchas com Rf inferiores ao do óleo em ambos os processos, devido à formação de MG e DG. Mesmo sendo uma análise qualitativa, é possível inferir-se uma boa correlação dos produtos formados, sendo o primeiro indício para a possibilidade de implementação do processo enzimático. O processo enzimático começou então a ser explorado com a lipase PS, sendo que a primeira variável analisada foi o teor de água adicionado ao sistema, que foi pouco explorado por Noureddini. O resultado das principais experiências encontra-se na Figura 5.6. 116 60 50 40 30 20 10 0 Lipase PS (0% de água) Lipase PS (3,5% água) Lipase PS (10% água) Lipase PS (20% água) Lipase PS (30% água) Processo alcalino AGL MG DG TG Figura 5.6 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido). Alcóolise alcalina: 220ºC em 2 horas, 1% de octoato de lítio sobre óleo (m/m). Alcóolise enzimática: 40ºC em 8 horas (mínimo), 1% de lipase PS sobre óleo (m/m), teor de água indicado corresponde ao percentual em massa sobre glicerol. É nítido que o processo enzimático é mais eficiente com relação à conversão do óleo (praticamente o dobro do óleo não reagido no processo alcalino), alcançando também alto teor de MG. Porém, a influência do teor de água na conversão do óleo é pequena. Como era esperado, a água favorece prioritariamente a formação de ácido graxo livre (AGL) em razão do aumento da hidrólise no sistema (processo natural). O teor de DG aumenta inicialmente, e alcança um patamar a partir de 10 % água, ficando praticamente inalterado. Em contrapartida observa-se uma grande diminuição do teor de MG com o aumento da quantidade de água, indicando que o aumento do teor de AGL provém predominantemente do consumo de MG. Estes resultados são bastante coerentes com o trabalho de Kaewthong e colaboradores,161 que utilizaram a Lipase PS na glicerólise do óleo de palma. Porém, HKittikutin,193 testando a Lipase PS suportada, verificou que um teor de 10% de água sobre glicerol otimizava a quantidade de MG, na reação com glicerol com óleo de palma numa relação molar de 12:1, em um reator contínuo. Nesse caso, na medida em que se formava AGL, a reação de transesterificação entre o ácido formado e o glicerol é favorecida pelo grande excesso do álcool, gerando MG. 117 5.3.1 Otimização do processo com lipase PS Após os testes iniciais apresentados acima se escolheu a lipase PS para realizar a otimização do processo da alcoólise visando maior conversão do óleo de soja e aumento do teor de MG. Foi utilizada a metodologia de planejamento fatorial fracionário.188 As variáveis foram escolhidas através da experiência obtida com a análise exploratória anterior. Essa metodologia foi escolhida por ser simples e requerer poucos ensaios. Os efeitos principais são misturados com interações de terceira ordem, que são pouco prováveis. Foram testadas 4 variáveis a dois níveis, resultando em um fatorial 24-1. Todos os ensaios foram realizados em duplicata, de forma aleatória, totalizando 16 experimentos. Na Tabela XX estão descritos as variáveis e os níveis. O nível médio foi adotado em apenas uma experiência para eventual análise posterior da superfície de resposta e do erro do método. Tabela XX – Variáveis e níveis utilizados no planejamento fatorial com Lipase PS no sistema glicerol e óleo de soja. Níveis Temperatura (ºC) Relação Glicerol/ Óleo Percentual Enzima/ Óleo Percentual Água/ Glicerol Alto (+) Médio (0) Baixo (-) 50 40 30 5,0:1 3,7:1 2,4:1 10 5 1 50 30 3,5 Estas variáveis já haviam sido testadas em sistema semelhante por Noureddini,160 exceto o teor de água, que foi abordado de maneira mais superficial. Na Tabela XXI encontram-se os resultados, bem como a descrição de cada experiência. 118 Tabela XXI – Descrição das experiências e composição semi-quantitativa molar dos produtos através de CLAE (para MG, DG e TG) e por índice de acidez (AGL). Cód. Temperatura Relação Glicerol/óleo % Enzima/ Óleo % Água/ Glicerol % de AGL 18 51 33 19 56 26 16 61 % de MG 8 17 19 20 16 20 33 16 % de DG 44 20 30 38 18 34 33 15 % de TG 31 12 18 22 11 20 18 8 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 + + + + + + + + + + + + + + + + Na Tabela XXII estão descritos os efeitos principais das variáveis estudadas. Tabela XXII - Efeitos principais e erros padrão das variáveis testadas. Temperatura Relação Glicerol/óleo % Enzima/ Óleo % Água/ Glicerol Erro padrão do efeito Ácido Livre Graxo 9,0 -5,0 10,0 31,0 0,68 Monoacilglicerol Diacilglicerol Triacilglicerol -0,8 -4,5 -4,0 6,8 0,0 -2,0 5,3 -8,0 -6,5 -3,3 -16,5 -10,5 2,33 1,16 1,08 119 O erro padrão do efeito foi calculado, conforme proposto por Barros,188 como a raiz quadrada da média das variâncias das medidas das duplicatas dividida por 4 (em razão das quatro variáveis). Para haver relevância estatística, o módulo do efeito da variável analisada deverá ser maior que o erro padrão medido. Além disso, o efeito positivo significa que o aumento do teor do constituinte é diretamente proporcional ao aumento da variável analisada. O efeito negativo significa que a diminuição do teor do constituinte é inversamente proporcional à variável respectiva. Assim, quando se aumenta a variável “temperatura”, o teor de “Ácido Graxo Livre” aumenta na ordem de 9,0 pontos (percentual molar sobre produtos, excetuando-se glicerol), enquanto que os teores de “diacilgliceróis” e “triacilgliceróis” diminuem na ordem 4,5 e 4,0 pontos percentuais respectivamente. O teor de “monoacilgliceróis” não é estatisticamente afetado por essa variável, pois o módulo do efeito (0,8) é inferior ao erro padrão do efeito (2,33). O aumento do teor de água no sistema leva a um aumento da hidrólise, favorecendo a conversão do óleo e aumento do teor de ácido livre. É o efeito mais significativo. Interessante observar que esta variável influencia negativamente nos teores de MG e TG, obviamente também pelo favorecimento da hidrólise destes componentes, confirmando resultado anterior. Porém, a diminuição do teor de DG pelo aumento do teor de água vai de encontro os resultados apresentados anteriormente com testes de teor de água até 30%, indicando que a hidrólise de DG somente é importante com altos teores de água. Há também um aumento significativo da conversão de DG e TG a ácido e MG pelo aumento do percentual de enzima. Um aumento da temperatura favorece a conversão apenas para ácido. Resultado que contradiz o trabalho feito por Noureddini.160 Como esperado, o aumento da relação glicerol/ óleo influencia positivamente a conversão para MG. As interações estimadasii de segunda ordem (não mostradas) mais significativas foram as interações enzima / água. Há um efeito sinérgico que favorece a conversão para ácido livre e prejudica a formação de MG. Isso pode ser explicado também pelo favorecimento da atividade hidrolítica da enzima. 5.3.2 Reutilização As lipases são catalisadores heterogêneos que permitem, depois de devida separação, a sua reutilização. Porém, a ação de agentes químicos e a mudança de conformação em razão da 120 temperatura e do meio reacional limitam sua reutilização. De modo a verificar essa característica, testes de reutilização da lipase PS foram realizados (Figura 5.7). O teor de água utilizado foi de 50% (m/m) sobre glicerol para facilitar a visualização da atividade enzimática pelo índice de acidez (ver seção experimental). 70 Índice de Acidez (mg KOH/g) 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tempo de Reação (horas) Padrão R1 R2 R3 Figura 5.7 – Gráfico da variação do índice de acidez versus tempo de reação da reutilização da lipase Amano PS no sistema glicerol/óleo de soja, relação molar 2,4:1, teor de água de 50% (m/m de glicerol), temperatura de 40ºC. Padrão = enzima “nova”; R1,R2,R3=primeira, segunda e terceira reutilização. Como pode ser visto na Figura 5.7, uma queda significativa da atividade enzimática hidrolítica da lipase PS foi observada na primeira reutilização. Porém uma estabilização parece ocorrer nas reutilizações subseqüentes (R2 e R3). A queda inicial da atividade na primeira reutilização pode ser explicada pelos fatores já mencionados de desnaturação de enzimas, como temperatura, contaminantes, etc. 5.3.3 Efeito da Adição de Solvente As enzimas são catalisadores que agem na interface polar/apolar do meio reacional. Como foi visto anteriormente na Seção 3.3.10.2, o mecanismo catalítico proposto passa por uma fase de ativação interfacial da enzima pelo meio apolar, através da movimentação da tampa do sítio ativo e posterior formação do complexo enzima/substrato. Porém, a ii As interações de segunda ordem em um fatorial fracionário 24-1 estão sempre misturadas com interações também de segunda ordem, o que dificulta sua análise, e somente servem como estimativa. 121 imiscibilidade do meio provoca baixa eficiência do processo, pois a zona de reação restringese somente à interface. Além disso, para cada espécie polar formada (MG e AGL, por exemplo), ocorre o deslocamento para a fase hidrofílica, o que acarreta impedimentos devido a limitações de transferência de massa. Tornar o meio miscível através de utilização de solventes adequados é uma das maneiras mais usuais encontradas na literatura para melhorar a eficiência da reação. 50, 62,67,183185 Os solventes utilizados devem ser capazes de solubilizar tanto a fase lipofílica (óleo) quanto a fase hidrofílica (glicerol). Além disso, o solvente não deve ter polaridade elevada, pois pode ocorrer deslocamento da água essencial adsorvida na enzima, mudando sua conformação, além de haver problemas na ativação interfacial e na formação do complexo enzima/substrato. O parâmetro mais estudado para comparação da característica polar/apolar dos solventes e sua eficiência em reações de transesterificação enzimáticas é o coeficiente de partição. Damstrup e colaboradores67 estudaram a correlação do logaritmo do coeficiente de partição (log P) de diversos solventes na obtenção de MG na glicerólise do óleo de girassol. O coeficiente de partição foi medido em um sistema octanol/água (Tabela XXIII). Tabela XXIII – Correlação do logaritmo do coeficiente de partição (log P) com o teor de MG obtido na glicerólise do óleo de girassol catalisada com lipase Novozym 435.(a) Solvente Conteúdo de MAG no produto (percentual em massa)(b) Log P(c) Sem solvente n-Hexano Acetonitrila Tolueno 2-Butanona Acetona 3-Pentanona t-Pentanol t-Butanol (a) 0 1 2 3 5 11 29 65 84 4,00 -0,34 2,73 0,29 -0,24 0,82 0,89 0,35 Condições reacionais: relação glicerol/óleo 5:1, tempo de 1,5 h, temperatura de 50ºC, teor de solvente de 50 mL/ 10g de óleo, teor de enzima 30% (m/m) sobre óleo.67 (b) (c) Não considerado glicerol não-reagido Log P: logaritmo do coeficiente de partição do respectivo solvente na mistura 1-octanol/água. 122 Os melhores resultados foram obtidos com solventes que tinham o coeficiente do logaritmo de partição entre 0,3 e 0,9. Com relação à função química, os solventes mais eficientes são os álcoois terciários, principalmente o t-butanol. Na presente dissertação, o efeito desse solvente no sistema em estudo foi testado para visualizar o efeito observado por Damstrup com a enzima lipase PS (Figura 5.8). 60% 50% 40% % molar 30% 20% 10% 0% 3,5% de água AGL MG 3,5% água/ 90% t-butanol DG TG Figura 5.8 - Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol em presença de lipase PS em reação em batelada (desconsiderado o glicerol não reagido), temperatura de 40ºC, tempo de reação de 8 horas. Teores de água e t-butanol contados sobre massa de glicerol. Observando-se os resultados, confirmou-se o aumento do teor de MG, que passou de 40% para próximo de 55%. Além disso, obteve-se também maior conversão de TG. A significativa diminuição do teor de DG e o fato de não haverem alterações significativas no teor de AGL (reação de hidrólise), permitem concluir que o t-butanol aumenta a seletividade na reação de glicerólise, permitindo, dessa forma, maiores teores de MG no produto final. 5.3.4 Testes com outros óleos e álcoois polifuncionais Muitos óleos vegetais e álcoois polifuncionais podem ser utilizados na alcoólise de resinas alquídicas. No presente trabalho a atividade enzimática da enzima Amano PS foi testada também nos óleos de mamona desidratada (DCO), mamona, coco e linhaça, e com o álcool polifuncional TMP. Não foi possível empregar o pentaeritritol devido à impossibilidade de 123 solubilização do mesmo no meio reacional. Na Figura 5.9 estão apresentados os resultados comparativos dos diversos óleos testados, levando-se em conta o índice de acidez. 14 Índice de Acidez (mg KOH/g) 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tempo de Reação (horas) Soja Mamona Linhaça DCO Coco Figura 5.9 – Gráfico índice de acidez versus tempo de reação da reação de vários óleos com glicerol, relação molar 2,4:1, temperatura de 40ºC, teor de água 3,5%. Como pode ser observada, uma atividade hidrolítica similar foi obtida com todos os óleos. Esta alta atividade foi confirmada pelo teste de CCD (Figura 4.12) exceto para o óleo de mamona, onde não foi possível uma boa separação dos produtos com os solventes de eluição utilizados, devido à maior polaridade desse óleo (fração de ácido ricinoleico, hidroxilado). Soja Mamona Linhaça DCO Coco Figura 5.10 – Análise de cromatografia em camada delgada (CCD) da reação de diversos óleos com glicerol na presença da lipase Amano PS. A esquerda de cada placa corresponde ao 124 cromatograma do óleo puro, a direita o produto da reação. Eluentes hexano/acetato etila/ácido acético na proporção 89/9/1. Revelação em vanilina/ácido sulfúrico. A reação com TMP (trimetilolpropano) somente foi possível pela dissolução do álcool em água antes da reação. O teor de água utilizado foi de 69% (m/m sobre TMP), o que ocasionou grande formação de ácidos graxos livres, retratado pelo alto índice de acidez alcançado (79,4 mg KOH/g). O produto foi analisado por CLAE (Figura 5.11), observando-se o aparecimento de picos característicos de monoacilgliceróis (entre 10 e 15 minutos) e diacilgliceróis (entre 20 e 25 minutos). A conversão de óleo foi calculada através de curva de calibração, chegando a 85%, valor similar ao obtido com glicerol. AGL MG Padrão Interno DG TG Figura 5.11 – Cromatograma de CLAE da reação de TMP e óleo de soja, relação molar 2,4:1, temperatura de 40ºC, por oito horas. Teor de água de 69% sobre TMP, padrão interno linoleato de metila. Os resultados acima demonstram que é possível utilizar a catálise enzimática com a lipase PS na fase de alcóolise de resinas alquídicas, sendo observado que a enzima apresenta atividade frente aos principais óleos e com relação ao glicerol e TMP. Problemas foram encontrados com pentaeritritol, devido à sua baixa solubilidade. Porém, a lipase PS sendo uma enzima não-imobilizada, poderia apresentar dificuldades futuras de adequação a uma escala de produção, devido a problemas de estabilidade e manuseio. A enzima comercial imobilizada Novozym 435 foi, então, escolhida para testes. Os resultados são apresentados a seguir. 5.4 Glicerólise com Novozym 435 A enzima Novozym 435 é uma lipase de Candida antarctica imobilizada em uma resina acrílica macroporosa muito utilizada em vários trabalhos apresentados na literatura (ver Seção 3.3.10.3.2– Produção de Monoacilgliceróis e Diacilgliceróis). 125 Ela foi inicialmente testada no mesmo protocolo reacional que a Lipase PS, em processo batelada, com 1% de enzima sobre óleo, temperatura de 40ºC, tempo de 24 horas, relação molar glicerol/ óleo de soja de 2,4/1, com 3,5% de água sobre glicerol. O resultado foi uma conversão muito baixa de óleo (45%), muito menor que o processo com Lipase PS (80%) e o próprio processo alcalino (68%). Porém, como já foi visto, a utilização de solventes adequados pode aumentar a conversão do óleo. Desta forma, t-butanol foi utilizado como solvente sendo comparado com os resultados obtidos com a alcoólise alcalina e enzimática, com a lipase PS e com a própria lipase Novozym 435 sem solvente (Figura 5.12). 60 50 40 % molar 30 20 10 0 Processo Alcalino Lipase PS (sem solvente) Novozym 435 (sem solvente) Lipase PS (com terc-butanol) Novozym 435 (com terc-butanol) AGL MG DG TG Figura 5.12 – Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol (desconsiderado o glicerol não reagido) das experiências realizadas por processo enzimático (temperatura de 40ºC, tempo de reação até equilíbrio) com Lipase PS, Novozym 435 e processo alcalino (temperatura de 220ºC, tempo de reação de 2 horas). Relação glicerol/óleo = 2,4, teor de água de 3,5% sobre glicerol, teor de catalisador de 1% sobre óleo. Como pode-se observar pelos resultados mostrados na Figura 5.12, a enzima Novozym 435 alcança sua melhor efetividade somente com a adição de t-butanol. Na reação sem adição de solvente, o teor de MG obtido é ainda menor que no processo alcalino, e a conversão do óleo não ultrapassa 50%. Porém, quando se compara a reação em meio solvente, 126 observa-se que um teor de MG semelhante ao processo similar com lipase PS, porém com maior conversão do óleo, obtendo-se uma quantidade de DG mais alta. A adição de t-butanol melhorou significativamente a conversão do óleo com ambas as enzimas, tendo seu efeito mais pronunciado na enzima Novozym 435. Esse fato é curioso, uma vez que se esperaria que uma enzima suportada tivesse menos influência do ambiente químico, em razão da maior rigidez da estrutura. De qualquer forma, observa-se comportamento muito similar das duas enzimas. Contudo, a vantagem da lipase Novozym 435 é que, sendo suportada, a enzima pode ser utilizada nos mais diversos reatores sem comprometimento de sua estrutura. Na literatura, o reator mais empregado é do tipo contínuo de leito fixo. A seguir são apresentados os resultados obtidos utilizando este tipo de reator. 5.4.1 Processo contínuo O processo contínuo montado para a realização da reação com a lipase Novozym 435 foi baseado no trabalho de Damstrup e colaboradores,177 onde foi utilizado um reator de leito fixo, o qual preenchido com a enzima (Figura 5.13). Processos de reação contínua, como o proposto no presente trabalho, requerem que o sistema seja homogêneo, de forma a prevenir eventuais obstáculos à passagem do meio, como evolução de viscosidade e mesmo entupimentos devido a mudanças de solubilidade oriundas de microambientes formados dentro do reator, bem como diferenças de temperatura. Além disso, inúmeros trabalhos na literatura fazem uso de solventes para garantir a completa solubilidade em sistemas contínuos, que ajudam também a melhorar a seletividade da enzima.177 Neste trabalho utilizamos o solvente t-butanol (Seção 5.3.3). 127 Figura 5.13 – Reator contínuo de leito fixo utilizado no trabalho sendo alimentado pela parte inferior. A direita o detalhe dos espaços vazios formados. O grupo de Damstrup definiu o parâmetro tempo de reação como sendo: τ= W ν0 × ρ (21) Onde τ = tempo de reação (min), W = massa da enzima (g), ν 0 = vazão (mL/min), ρ =densidade aparente da enzima. O tempo otimizado utilizado no trabalho de Damstrup foi de 20 minutos, que foi utilizado nesta dissertação. Uma variável importante do processo contínuo em reator de leito fixo é a direção de alimentação do sistema. Como a enzima não está imóvel no reator, a alimentação pela base (parte inferior) pode criar espaços vazios que diminuem a eficiência do sistema (Figura 5.14). 128 70 60 50 % molar 40 30 20 10 0 Processo batelada Processo contínuo (alimentação Processo contínuo (alimentação parte inferior) parte superior) AGL MG DG TG Figura 5.14 - Resultados da análise de CLAE semi-quantitativa da alcoólise com óleo de soja e glicerol em presença de lipase Novozym 435 e t-butanol, em processo batelada e contínuo (desconsiderado o glicerol não reagido), temperatura de 40ºC, tempo de reação de 20 minutos (conforme definição de Damstrup para o processo contínuo) e tempo de 8 horas para o processo batelada. Quando comparados, percebe-se que há um ganho de seletividade para MG no processo contínuo em relação ao processo em batelada, porém a diferença é pequena. A conversão de TG, entretanto, é maior no processo em batelada. De qualquer forma, o processo com Novozym 435 mostrou-se mais eficiente, conforme também concluído com a lipase PS, do que o processo alcalino. Como esperado, além da maior conversão do óleo e maior teor de MG, menor desenvolvimento de cor foi observado, em razão da baixa temperatura de processo (Figura 5.15). 129 Alcóolise Enzimática Alcóolise Alcalina Figura 5.15 – Comparação visual dos processos de alcóolise enzimática (com lipase Novozym 435 em processo contínuo a 40ºC) e alcalina (com octoato de lítio a 220ºC). Com base nos resultados obtidos, foram escolhidos para comparação na síntese da resina alquídica os processos com lipase PS em batelada e Novozym 435 em reator de leito fixo. Os resultados são apresentados a seguir. 130 5.5 Síntese da resina alquídica A resina escolhida tem a composição básica conforme mostrado na Tabela XXIV, sendo muito utilizada para formulação de tintas poliuretânicas (quando reticulada com poliisocianato) para acabamento de madeira e metal. Na Tabela XXV são apresentados os parâmetros teóricos dessa formulação de resina. Tabela XXIV – Composição da resina escolhida para teste. O teor de não-voláteis final é de 51%, ajustado com solvente (xileno). Processo Reagente Percentual em massa (a) Alcóolise Glicerol Óleo de soja 8 31 33 29 4 Policondensação Anidrido Ftálico Outros ácidos e álcoois Xileno a) Percentual em massa da resina não diluída. Diluição feita com solvente xileno ao final da síntese. Tabela XXV – Parâmetros teóricos calculados para a resina alquídica utilizada no trabalho. Parâmetros Especificação Teor de sólidos Viscosidade Gardner Cor Gardner Índice de acidez (mgKOH/g) Massa molar numérica teórica (Mn, em g/mol) Teor de hidroxila livre (m/m sobre sólidos) 48,0 – 52,0% X–Z ≤8 ≤ 15 3.332 3,13% 131 Os resultados da resina obtida pela alcóolise alcalina (AA) e alcóolise enzimática com lipase PS (AP) e Novozym 435 (AN) são apresentados na Tabela XXVI. Além disso, uma resina sintetizada pelo processo ácido graxo (AG) foi preparada para comparação, onde foram mantidos os parâmetros de formulação. Tabela XXVI – Resultados dos ensaios realizados nas resinas alquídicas sintetizadas (a). Característica/ Teste Resina AA Resina AG Processo Alcóolise Catalisador alcóolise (f) % de água alcóolise(e) alcóolise (h) Tempo de processo policondensação (h) Valor de Pgel(b) Viscosidade Brookfield (20°C) Índice de acidez 5,9 3,5 9,5 10,4 11,1 1,020 1404 1,020 2365 1,020 1390 1,005 1700 1,005 1440 10 12 4 8 5 Batelada de Octoato de lítio na 0 1 (d) Resina AP3 Resina AP Resina AN 50 - Batelada Lipase PS 3,5 8 Batelada Lipase PS 50 8 Contínuo Lipase Novozym 435 0 12(c) Tempo de processo (mgKOH/g) Cor Massa molar (Mn) Polidispersão (Mw/Mn) Resultados da experiência Resina AP0 (0% de água) não mostrados pois houve gelificação em 3 horas na reação de policondensação; (b) Houve variação do valor de Pgel em razão de variações na pesagem dos componentes; (c) Processo contínuo. Tempo para obtenção da mesma quantidade de produto que a alcóolise em processo em batelada, considerando vazão de 0,7 mL/ min.( τ = 20 min.). Não foi contado aqui o tempo para destilação do solvente; (d) Resina sintetizada utilizando ácido graxo de soja (Processo Ácido Graxo); (e) Quantidade calculada em massa sobre glicerol; (f) Quantidade de catalisador: 1% em massa sobre óleo, exceto com Novozym 435 (processo contínuo). (a) 4-5 3427 34,0 7-8 3468 36,0 5-6 3339 55,9 5-6 5960 44,7 6-7 3623 45,0 132 Como pode ser visto, em todas as Resinas AP e AN (alcóolise enzimática) houve uma maior reatividade na policondensação, evidenciada pelo menor tempo de reação. A maior funcionalidade média do produto de alcóolise (maior conversão de TG) deve ser a principal causa. (Figura 5.16). 70 60 50 % molar 40 30 20 10 0 Produto AA Produto AP0 Produto AP3 Produto AP50 Produto AN AGL MG DG TG Figura 5.16 – Resultados semi-quantitativos das análises de CLAE dos produtos de alcóolise utilizados para síntese das resinas (desconsiderada fração de glicerol). A gelificação da Resina AP0 (com 0% de água) provavelmente ocorreu em razão do baixo teor de ácido graxo aliado ao alto teor de monoacilgliceróis presentes no produto da alcóolise (evidenciado anteriormente na seção 4.6), além do valor de Pgel ter ficado ligeiramente inferior (1,003). Não houve diferenças significativas entre os tempos totais de processo das resinas AA, AG e AP3. A resina AG, apesar de não necessitar da fase da alcóolise, teve um tempo de policondensação longo. Isso ocorre pois a reatividade do ácido graxo é baixa. Já na resina AP50 o maior tempo de alcoólise foi compensado pela maior reatividade na policondensação e, conseqüentemente, menor tempo. Na resina AP50, o alto teor de ácido graxo diminuiu a reatividade, aumentando o tempo de reação na fase da policondensação. 133 O processo contínuo utilizado na síntese do produto da alcóolise da resina AN levou a um tempo total de processo mais longo (17 horas sem contar o tempo de destilação do solvente). Porém, esse processo pode ser otimizado através de utilização de reatores maiores, onde o fluxo poderia ser aumentado. Por exemplo, no presente trabalho, utilizou-se um reator com 15 cm de comprimento, o que acarretou em um fluxo de 0,7 mL/min para um tempo de reação de 20 min. Se o reator fosse de 45 cm, poderíamos utilizar um fluxo de 2,1 mL/min, o que acarretaria um tempo de 3 h para a alcóolise, de forma a obter o mesmo volume anterior. As diferentes funcionalidades médias do produto da alcóolise levaram a polidispersões diversas da resina final, como pode ser visto nos resultados da análise de GPC. A quantificação da massa molar por GPC para resinas alquídicas é relativa, uma vez que a coluna é calibrada com padrões de poliestireno. O polímero alquídico, em razão de sua característica ramificada, é mais compacto que o poliestireno (linear), para uma mesma massa molar, variando muito o volume hidrodinâmico.189 Porém, algumas inferências podem ser feitas com erros aceitáveis. A maior polidispersão obtida para as resinas AP3, AP50 e AN, causada principalmente pela maior funcionalidade presente, pode ser notada com mais detalhes no cromatograma de GPC da resina (Figura 5.17). Observa-se uma a fração de alta massa molar formada, a qual influenciará na secagem final da tinta. Fração de alta massa molar Figura 5.17 – Cromatograma de GPC da Resina AP (3,5% de água). 134 Polidispersões altas estão de acordo com o descrito na literatura. Segundo Canevarolo186 polímeros de condensação atingem valores maiores que 2 e ramificados de 10 a 50. Os resultados de massa molar obtidos foram superiores aos resultados encontrados por Kumar.108 Obviamente pode haver diferenças de formulação, e como não há outros parâmetros para comparação, como viscosidade, é impossível chegar-se a qualquer conclusão. Porém chama a atenção que as polidispersões obtidas por Kumar são próximas a 1, o que é muito diferente dos obtidos neste trabalho, e do esperado para um polímero alquídico. Outro fato interessante é que não houve diferença de cor significativa entre as resinas. Resultado surpreendente, já que resultados iniciais tinham demonstrado que menor desenvolvimento de cor era obtido no processo da alcoólise enzimático, devido às menores temperaturas utilizadas e menores tempos de processo. Variações no fluxo de nitrogênio, bem como amarelamento durante a estocagem do produto da alcóolise enzimática podem explicar tal fato. Análise de espectroscopia por infravermelho foi realizada, sem diferenças significativas entre as resinas sintetizadas. 5.6 Resultados em Esmalte Poliuretânico Branco Um esmalte poliuretânico branco foi feito com as resinas obtidas, de forma a verificar as propriedades finais em tinta. A formulação básica é apresentada na Tabela XXVII. 135 Tabela XXVII – Formulação do Esmalte Poliuretano Branco. Componente Função Quantidades (massa) Resina Alquídica Dióxido de titânio Tensoativos Xileno Poliisocianato alifático(a) (a) Formador de filme Pigmento (cor e cobertura) Agentes de dispersão e nivelantes Solvente Reticulante 50 20 1 29 15 O reticulante poliisocianato somente é adicionado logo antes da aplicação do esmalte. Esta formulação é bastante utilizada para acabamentos de máquinas na indústria. Inicialmente, foi feito teste de gel time para verificação da reatividade frente ao poliisocianato. Os resultados encontram-se na Figura 5.18. 9 8 7 Gel Time (horas) 6 5 4 3 2 1 0 Resina AA Resina AG Resina AP3 Resina AP50 Resina AN Figura 5.18 – Tempos de gel dos esmaltes poliuretânicos brancos feitos com as resinas sintetizadas indicadas. Como pode ser observado, devido ao processo enzimático, os tempos de gelificação das tintas feitas com as resinas AP3, AP50 e AN foram menores, demonstrando uma maior reatividade, que provavelmente se deve a dois fatos: - Menor teor de óleo livre: a resina obtida através de alcóolise alcalina possui um maior teor de óleo livre, que age como plastificante, inerte à reação com o poliisocianato; 136 - Maior fração de moléculas de alta massa molecular nas resinas sintetizadas através de alcoólise enzimática, evidenciado pela análise de GPC. A evolução de dureza König dos esmaltes foi determinada após aplicação em uma superfície plana de vidro. Os resultados são apresentados na Figura 5.19. Dureza König (número de oscilações) 120 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tempo após aplicação (horas) Resina AA Resina AG Resina AN Resina AP3 Resina AP50 Figura 5.19 – Evolução de dureza dos filmes formados pelas tintas produzidas com as resinas sintetizadas indicadas. Apesar do teor de óleo livre no produto de alcóolise alcalina, percebe-se que a dureza da resina final é similar à resina feita com a alcóolise enzimática com lipase PS (Resinas AP3 e AP50). Esse fato é um indicativo que há incorporação de óleo na fase de policondensação quando se parte do produto de alcóolise alcalina, devido à presença do catalisador da alcóolise ainda no meio (octoato de lítio). Uma melhoria que poderia ser feita no processo das resinas AP3 e AP50 (e mesmo na resina AN), poderia ser a adição do catalisador de alcóolise na fase da policondensação, o que diminuiria ainda mais a quantidade de óleo livre. O conteúdo de óleo livre dos produtos de alcóolise das resinas AP e AN são similares, porém alcançou-se uma dureza mais baixa no processo enzimático AP3, indicando que podem haver frações plastificantes no polímero devido ao maior teor de DG no produto de alcóolise. Sendo terminador de cadeia, o DG levará a massas molares mais baixas. A dureza inicial mais baixa da resina AN pode ser atribuída a resíduos de t-butanol na resina, que plastificam o filme e retardam a reação com poliisocianato no início do tempo de secagem, evaporando após certo período. 137 O desempenho das tintas sobre aço carbono lixado foi avaliado. Os principais testes de especificação de tinta foram realizados, sem diferença significativa entre eles (Tabela XXVIII). Tabela XXVIII – Resultados de testes físicos feitos com os esmaltes poliuretânicos aplicados sobre painéis de aço carbono lixados. Testes realizados após 7 dias de secagem. Resina AA Resina AG Resina AP3 Resina AP50 Resina AN Aderência Flexibilidade Impacto direto (30lb-in) Impacto reverso (5lb-in) Brilho (60º) GR0 OK OK GR0 OK OK GR0 OK OK GR0 OK OK GR0 OK OK OK OK OK OK OK 97 95 96 94 95 Outro fator importante no desempenho final de tintas para indústria é a resistência à hidrólise. É esperado que um recobrimento possa permanecer com suas características inalteradas, como brilho, por exemplo, após exposição à chuva ou ambientes úmidos. As resinas alquídicas sabidamente apresentam pouca resistência à hidrólise, pois suas ligações éster são facilmente hidrolisáveis. Além disso, óleos não reagidos na composição também comprometem o desempenho final. Um dos testes mais usuais para verificar da resistência à hidrólise de tintas é realizar a imersão de um painel pintado com a tinta a ser testada, devidamente seca por um período préestipulado. O resultado pode ser expresso de diversas formas, como aparecimento de bolhas (empolamento), perda de cor e brilho, amolecimento do filme, entre outros. Os esmaltes poliuretânicos produzidos foram então testados em imersão em água, após 7 dias de secagem a temperatura ambiente, permanecendo imersos por 300 horas (Figura 5.20) . 138 100% 90% 80% Retenção de brilho (60º) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Resina AA Resina AG Resina AP3 Resina AP50 Resina AN Figura 5.20 – Resultados de retenção de brilho (inicial/final) de filmes de tinta aplicados sobre aço carbono lixado submetidos à imersão em água por 300 horas. Os resultados de retenção de brilho mostraram, conforme se verifica na Figura 5.20, um ótimo desempenho da Resina AN (quase 90% de retenção de brilho), enquanto que as demais resinas obtiveram resultados inferiores (cerca de 60% de retenção). Outras avaliações dos filmes foram feitas e não se encontrou diferenças significativas (dureza, cor, etc.). O desempenho da Resina AN (alcóolise com Novozym 435) foi surpreendente para uma resina alquídica a base de óleo de soja e glicerol. Desempenhos semelhantes somente são obtidos com álcoois e óleos mais “nobres”, como pentaeritritol e óleo de DCO, por exemplo. A maior resistência à hidrólise da resina final pode ser atribuída ao maior teor de MG do produto de alcóolise, uma vez que a cadeia do polímero cresce a partir dessa “matriz”, formando um polímero com arquitetura diferenciada, com teores mais baixos de beta-hidroxi ésteres na estrutura, mais suscetíveis à hidrólise.141,190 Este resultado mostra que a catálise enzimática pode trazer novos conceitos à formulação das resinas alquídicas. Matérias-primas consideradas de segunda opção podem voltar à agenda dos formuladores, além de abrir espaço para fontes renováveis em processos sustentáveis, buscando a eco-eficiência. 139 6 CONCLUSÕES O presente trabalho demonstrou que a catálise enzimática pode substituir tecnicamente a alcóolise alcalina do óleo de soja e glicerol na síntese de resinas alquídicas. Os melhores resultados foram obtidos com as enzimas PS e Novozym 435. Dois processos diferentes foram demonstrados. No primeiro, a mistura heterogênea glicerol e óleo foi aquecida a 40 ºC e misturada com Lipase PS, resultando em uma conversão do óleo maior que o processo alcalino em 8 horas de reação, inclusive com maior geração de monoacilgliceróis (MG). O processo foi melhorado através de adição de solvente, no caso t-butanol, que garantiu a miscibilidade do sistema e, conseqüentemente, melhorou a conversão do óleo, direcionando a formação de MG. A adição de t-butanol também possibilitou o uso da enzima Novozym 435 em processo batelada obtendo-se altos teores de MG. O resultado sem solvente com esta lipase ficou abaixo do esperado. A adição de água no meio reacional mostrou-se diretamente proporcional à formação de ácido graxo livre, devido ao processo natural de hidrólise, porém tendo pouco efeito sobre a conversão total do óleo. O processo em batelada com lipase PS foi ainda utilizado com outros óleos e álcoois, mostrando-se adequado para os óleos de mamona, coco e linhaça, e para o álcool polifuncional trimetilolpropano (TMP). Não foi possível realizar a reação com pentaeritritol, em razão de sua baixa solubilidade. No processo em batelada não foram obtidos resultados satisfatórios com a lipase PPL no sistema com glicerol e óleo de soja, em razão da formação de material insolúvel na reação de transesterificação, mesmo com mudança da solubilidade e polaridade do meio. Resultados significativos com esta enzima somente foram obtidos utilizando-se polióis menos hidrofílicos (TMP e CHDM) e óleo de mamona, mas estes não foram utilizados para síntese da resina. As enzimas A e AY não apresentaram atividade significativa no sistema alvo, mesmo em combinação com a enzima PS, e também não foram utilizadas para estudo posterior. Nenhuma dessas enzimas foi testada em processo contínuo. O processo contínuo foi estudado somente com a lipase Novozym 435 (enzima imobilizada), utilizando reator contínuo de leito fixo. Neste caso, o solvente t-butanol foi utilizado em todos os testes. A melhor homogeneidade do sistema, menor viscosidade e alta razão enzima/ substrato garantiram uma conversão quase total do óleo e um alto teor de MG. A desvantagem é que além da filtração, a separação do solvente por destilação foi necessária. 140 Em termos práticos, esta separação poderia ser realizada antes da etapa de policondensação. O solvente então poderia ser reaproveitado no início do processo. Apenas uma adaptação dos reatores atuais deveria ser feita, pois atualmente já é realizada a separação de água da policondensação por destilação. Em ambos os processos (contínuo e batelada), a conversão do óleo foi maior que no processo alcalino, e os teores de MG foram também superiores. Em termos de produtividade, foram obtidos valores muito parecidos com o processo alcalino, utilizando reator de batelada com a enzima PS. O resultado de produtividade também foi similar ao processo utilizando ácido graxo (sem alcóolise). Num eventual aumento de escala, é possível prever que não haveria problemas de produtividade nesse tipo de processo. Quantidade de resina produzida por hora (mL) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Resina AA Resina AG Resina AP3 Resina AP50 Resina AN Figura 6.1 – Comparativo de produtividade das resinas sintetizadas. AA=alcóolise alcalina; AG=processo ácido graxo; AP3 e AP50= alcóolise com lipase Amano PS em batelada, com 3,5% e 50% de água adicionada em massa sobre glicerol respectivamente, sem considerar tempo de filtragem; AN=alcóolise com lipase Novozym 435 em processo contínuo, sem considerar tempo de destilação. Portanto, o processo mais viável para implantação industrial hoje seria o processo batelada, onde teríamos a mesma produtividade atual (Figura 6.1), mesmo em um eventual scale up, porém com ganhos substanciais em termos de energia consumida. Comparando-se os processos das resinas AA (Alcóolise Alcalina) e AP3 (Alcóolise Enzimática com lipase PS) em termos de tempos totais, temperaturas, agitação, filtração, etc., 141 obteve-se uma redução de 62% no consumo total de energia no processo enzimático (Figura 6.2). 8,00 Energia Total Consumida (MJ) 6,00 4,00 2,00 0,00 Processo Alcalino Processo Enzimático Figura 6.2 – Comparação da energia consumida nos processos alcalino e enzimático de síntese de resinas alquídicas. Considerou-se a produção de 5 toneladas de resina tendo como parâmetro a produção atual real de uma indústria. Um esmalte poliuretânico branco foi produzido com a resina sintetizada. As propriedades físicas, como aderência, flexibilidade e impacto mantiveram-se iguais ao padrão . Melhores resultados foram obtidos com relação à resistência à hidrólise. A resina feita com o produto de alcóolise com Novozym 435 e processo contínuo teve um ótimo resultado na resistência à hidrólise, evidenciado no teste de imersão em água de um filme seco produzido pela aplicação em chapa de ferro do esmalte poliuretânico. Maior retenção de brilho foi obtida nesse caso. O bom resultado foi explicado pelo alto teor de MG obtido no produto de alcóolise, além da alta conversão do óleo. Os resultados obtidos com este trabalho demonstram o grande potencial que esta nova tecnologia possui. Novos materiais podem ser propostos e uma grande gama de novas propriedades pode ser alcançada. Porém uma nova forma de pensar no design de polímeros deve permear o meio acadêmico e industrial. Por isso, novas pesquisas são necessárias no sentido de verificar todas as possibilidades de formulação das resinas, explorando cada vez mais essas novas possibilidades. 142 Referências Bibliográficas 1. Wicks, Z. W.; Jones, F. N.; Pappas, S. P.; Organic Coatings; John Wiley: Hoboken, 2007. 2. Abrafati; Tintas Imobiliárias de Qualidade; Blucher: São Paulo, 2008. 3. Abrafati; Números do Setor de Tintas no Brasil; http://www.abrafati.com.br; Acesso em 29 de Novembro de 2008. 4. Revista Abrafati, CLA: São Paulo, 2008, 77. 5. Abrafati; Express Abrafati 59; Disponível em http://www.abrafati.com.br; Acesso em 17 de Maio de 2008. 6. Mills, P.; PCI Magazine; 2008, 24, 91. 7. Hare, C.; Protective Coatings; Technology Publishing Company: Pittisburg, 1994. 8. Fazenda, R. (Coord.); Tintas e Vernizes; Abrafati: São Paulo, 2005. 9. Patton, T. C.; Alkyd Resin Technology; Interscience: New York, 1962. 10. Oldring, P. H. G. (Ed.); Resins for Surface Coatings; Sita Tecnology: London, 1993. 11. 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COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. PI0215782-9 - 02/07/2002 Classificação: C11B 3/00; C11B 7/00 TÍTULO: PROCESSO PARA RECUPERAÇÃO DE ESTERÓIS DE VEGETAIS A PARTIR DE UM SUBPRODUTO DO REFINAMENTO DE ÓLEO VEGETAL RESUMO: processo para recuperação esterois e tocoferois de vegetais de destilados de desodorizaçao formados durante refino químico ou físico de óleos vegetais consiste das seguintes etapas ácidos graxos livres são removidos do destilado de desodorizaçao por meio de destilação a vácuo ou por continuação de saponificação de solvente após a remoção de ácidos graxos livres o material recebido e reagido com um anidrido de acido carboxilico aromático em uma temperatura de 50 a 150<198>c sob pressão reduzida após o tratamento com anidrido os tocoferois são removidos da mistura e esterois livres cristalinos são 151 recuperados do resíduo de destilação contendo esteres de esterois di e triglicerideos por meio de transesterificaçao. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. PI0301183-6 - 08/04/2003 Classificação: C07C 67/02 TÍTULO: PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ÉSTER ETÍLICO DE ÁCIDOS GRAXOS E EQUIPAMENTO PARA A SUA REALIZAÇÃO RESUMO: processo para a produção de éster etílico de ácidos graxos e equipamento para a sua realização idealizado para viabilizar técnica e economicamente a produção de biodiesel incluindo as composições de ácidos graxos saturados e insaturados de pelo menos um dos de origem vegetal e animal com pelo menos um álcool de cadeia de c1 a c5 preferivelmente c2h5 oh em presença de uma catalisador ou co catalisador que pode ser alcalino acido enzimatico ou lipase preferivelmente alcalino o processo também inclui uma bomba(5) tendo as funções de sucção agitação e injeção cujo processo de transesterificaçao da referida mistura corre internamente a ela sendo injetada em condição de alta pressão em um bico atomizador (30) situado internamente em um reator(3) a mistura já transesterificada internamente na bomba(5) e injetada no bico atomizador(30) ao passar de um ambiente de alta pressão para um de mais baixa pressão imediatamente se separa em fases uma inferior contendo glicerina e em outra superior contendo um mono éster neste processo o álcool desempenha a função extra de liquido atomizador dos ácidos graxos tal processo possibilita a produção de esteres com alto índice de conversão em um tempo extremamente curto. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal via catálise enzimática, porém o objetivo é produzir um éster etílico, provavelmente para uso como biodiesel, e não um monoacilglicerol, como no caso da patente que iremos requerer. Além disso o processo não é utilizado para síntese de resinas alquídicas. PI0300931-9 - 09/04/2003 Classificação: C07C 67/02 TÍTULO: PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ÉSTERES ALQUÍLICOS A PARTIR DE UM ÓLEO VEGETAL OU ANIMAL E DE UM MONOÁLCOOL ALIFÁTICO 152 RESUMO: a invençao refere se a esteres alquilicos de acidos graxos e da glicerina com elevada pureza aplicando se um processo que compreende um conjunto de reaçoes de transesterificaçao entre um oleo vegetal ou animal e um monoalcool alifatico que utiliza um oleo vegetal ou animal e um monoalcool alifatico que utiliza um catalisador heterogeneo por exemplo a base de aluminato de zinco o teor em agua no meio reacional sendo controlado com um valor inferior a um valor limite determinado. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. PI0404243-3 - 04/10/2004 Classificação: C10L 1/02 TÍTULO: PROCESSO CONTÍNUO PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL RESUMO: processo continuo para produçao de biodiesel o qual foi desenvolvido para a produçao de forma continua de mono esteres de acidos graxos (biodiesel) de qualidade superior padrao internacional a partir de oleo vegetal semi refinado e alcool anidro por processo de transesterificaçao em reatores caracteristicos com separaçao continua do alcool residual atraves de evaporaçao e da glicerina (obtida como sub produto da reaçao) atraves de centrifugas tambem usadas na lavagem e purificaçao final do biodiesel. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. PI0408563-9 - 17/03/2004 Classificação: C11C 3/04; C02F 9/00 TÍTULO: PROCESSO E APARELHO PARA REFINO DE BIODIESEL RESUMO: processo e aparelho para produçao de combustivel biodiesel isto e ster alquilico a partir de oleo vegetal e ou animal um catalisador de transesterificaçao e preparado em um tanque de catalisador basico por pulverizaçao de alcool alquilico sob pressao atraves de jatos em pelotas de hidroxido metalico ate que as pelotas tenham reagido completamente com o alcool o oleo e aquecido e transesterificado na presença de alcool alquilico e catalisador de transesterificaçao em um sistema de fluxo de transesterificaçao com recirculaçao fechado sob 153 leve cavitaçao para fornecer um produto de éster alquilico e um produto de glicerol a cavitaçao e conseguida permitindo se que o ar entre no sistema de fluxo de transesterificaçao atraves de uma valvula de entrada de ar ajustavel quando deixado em repouso o produto de ester alquilico forma uma camada superior que e decantada e submetida a etapas de purificaçao para remover particulas e alcool alquilico do produto de ester alquilico e uma camada inferior de produto de glicerol que e drenada a purificaçao do produto de ester alquilico inclui de preferencia a submissao do produto de ester alquilico a uma nevoa de agua aplicada por cima em um tanque de lavagem com infusão simultanea de uma corrente de bolhas de ar o vapor de alcool e reciclado como álcool liquido dentro de um condensador de alcool e armazenado para reutilizaçao se o óleo contiver ácidos graxos livres antes da transesterificaçao o óleo é aquecido e os ácidos graxos livres sao esterificados na presença de um catalisador de esterificaçao e álcool alquilico por razoes de segurança instalam se anteparos e barreiras amortecedoras de explosão corta fogo em locais em que vapores inflamáveis representem um risco. COMENTÁRIO: esta patente não relata a modificação do óleo vegetal via catálise enzimática, bem como não é utilizada para síntese de resinas alquídicas. PI0501601-0 - 03/05/2005 Classificação: C07C 67/02; B01J 31/38 TITULO: PROCESSO DE TRANSESTERIFICAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS OU ANIMAIS EM UM MEIO DE CATALISADORES HETEROGÊNEOS A BASE DE ZINCO OU BISMUTO, TITÂNIO E ALUMÍNIO RESUMO: a presente invenção refere se a um processo de produção de esteres e de ácidos monocarboxilicos lineares de 6 a 26 átomos de carbono por reação de óleos vegetais ou animais neutros ou nao como monoálcoois de 1 a 18 átomos de carbono utiliza um catalisador escolhido dentre as combinações de óxidos de zinco e de titânio; e as combinações de óxido de zinco de oxido de titanio e de alumina; as combinações de óxidos de bismuto e de titânio; e as combinações de óxidos de bismuto de oxido de titânio e de alumina o processo permite produzir diretamente em uma ou varias etapas um éster utilizável como carburante ou combustível e uma glicerina pura. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. 154 PI0500790-9 Classificação: C10L 1/18 TITULO: PROCESSO PARA PRODUZIR UM BIODIESEL, E, BIODIESEL RESUMO: é aqui descrito um processo em uma única etapa para produzir biodiesel e produto do mesmo empregando se fontes de óleo não comestível contendo acido graxo livre o processo compreende a esterificaçao e transesterificaçao de fontes de óleo vegetal não comestível contendo ácidos graxos livres em uma única etapa empregando se um removedor de água ou um adsorvente de água ou uma mistura deles. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. MD20060164 - 31/01/2008 Classificação: C08G63/49; C08G63/91; C09D5/08; C09D5/16; C09D7/02; C09D7/04; C09D7/12; C09D131/08; C09D167/08; C08G63/00; C09D5/08; C09D5/16; C09D7/02; C09D7/04; C09D7/12; C09D131/00; C09D167/08. Título: Process for obtaining paintwork material on alkyd base Resumo: The invention relates to the paintwork material obtaining on alkyd basis, used for painting wood, metal and other surfaces inside and outside the rooms. Obtaining of glyptal and pentaerythritor-modified phtalic resins is based on carrying out of the stage of transesterification of vegetable oils with glycerine or pentaerythritol and of the stage of polyesterification with phtalic anhydride at heating within the range of 240à260?C. The boiled oils are obtained by thermal treatment of vegetable oils. The natural boiled oils are prepared by heating the crude vegetable drying oil. The combined boiled oils and oxole boiled oils are prepared on base of drying and semidrying oils, subjected to a deeper polymerization and oxidation with subsequent introduction of siccative and dissolution with white-spirit. The synthetic boiled oils are obtained on base of transesterified semidrying oils. COMENTÁRIO: esta patente relata a síntese de resina alquídica através da transesterificação de óleo vegetal, porém não relata o uso de catálise enzimática para tanto. 155 CA2553872 - 27/01/2008. Classificação: C11C3/10; C07C67/02; C10L1/02; C11C3/00; C07C67/00; C10L1/00. TÍTULO: A DEVICE FOR THE TRANSESTERIFICATION OF ANIMAL AND PLANT GLYCERIDES INTOFATTY ACID ALKYD ESTERS FOR SMALL SCALE PRODUCTION OF BIODIESEL AND VALUE ADDED PRODUCTS RESUMO: The present invention relates to a device for the small scale and portable production of transesterified fatty acid alkyl esters for use as biodiesel or other applications. The invention allows for the economic production in small scale and portable equipment which transesterifies various glycerides including waste vegetable oil, animal fat s, and/or virgin vegetable oil singly or in admixtures of various ratios. A primary vessel (1 ) which is fitted with immersion heaters or other heating means (5) contains glycerides which are heated to reaction temperature. A reservoir (2) which contains an alkaline solution, f or example sodium or potassium hydroxide dissolved in an alcohol, particularly methanol , is connected to primary vessel (1) with a piping system and in-line pump (4) in a pipe lo op which permits the mixture of the glycerides with the strong base and alcohol mixture. Transparent piping, for example transparent tubing (14), is installed on the side of the primary vessel (1) to permit visual examination and act as a manometer. Once transesterification takes place, the bottom phase, which contains glycerol and other residues, is removed through transparent tubing fitted to a clean out pipe mounted at the bottom of the primary vessel (1). The resulting fatty acid alkyl estersare then purified by the addition of cleaning reagents, including magnesium silicate in one embodiment or a mild acid in another embodiment, in primary vessel (1). CLAIMS The embodiments of the invention in which an exclusive property or privilege is claimed are defined as follows: Claim 1: A portable device for the transesterification of animal- and plant- derived glycerides, in small scale batches of 50-500 L, more or less, comprising a mounting frame, a main vessel used for transesterification and washing, a circulation system , an alcohol and catalyst mixing system, a facultative cleaning system under various combinations and a facilitative spill containment system. Claim 2: A component of the device as according to claim 1, which includes a reaction vessel which may be closed with a removable hatch and vented, includes heati ng elements or others source of heat and which is the main vessel used in the transesterification reaction. Claim 3: A component of the device as according to claim 1, which includes a circulation and piping system including transparent pipes and/or tubing mounted vertical ly on the side of the primary vessel for dual use in the circulation of the feedstock and/o r biodiesel as well as a 156 manometer and which permits visual assessment of phase separation which takes place during transesterification of glycerides. Claim 4: A component of the device as according to claim 1, which includes transparent pipes and/or tubing which are mounted below the reaction tank which permits to discriminate between the glycerin and fatty acid alky ester phases and the physical separation of the former and permits the elimination of the latter through gravimetry and or with the aide of a pump. Claim 5: A component of the device as according to claim 1, which may includ e a filtration unit which is mounted inside the main reservoir and permits the filtration o f residues which may be contained in the feedstock. 6 Claim 6: A component of the device as according to claim 1, which may includ e a bottom reservoir for the containment of spilled reagents, feedstocks and/or biodiesel; Claim 7: A component of the device as according to claim 1, which may includ e an electrical console for the control of electrical equipment which is associat ed with subcomponents of claims 1-6; Claim 8: A component of the device as according to claim 1, which may includ e a support stand and base which permits to hold subcomponents of the device as accordin g to claims 1 to 7 in a single skid with a low footprint and which may be fitted with handles for easy handling and/or transport. 7 COMENTÁRIO: esta patente relata a criação de um equipamento para modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. WO2008010253 - 24/01/2008. Classificação: C11C3/00; C10L1/08; C11B7/00; C11C3/00; C10L1/00; C11B7/00; TÍTULO: INTEGRATED PROCESS FOR THE PRODUCTION OF BIOFUELS FROM DIFFERENT TYPES OF STARTING MATERIALS AND RELATED PRODUCTS RESUMO: Process for the production of biocombustible or biofuel mixtures suitable for different conditions of use, starting from refined or raw vegetable oils, including those extracted from seaweed, and/or from used food oils and animal fats, each of which is pretreated with specific treatments in order to yield a dried refined oil. The latter then undergoes transesterification with an excess of lower alcohols or bioalcohols, and a subsequent separation into a raw glycerine-based phase and a phase containing mixtures of fatty acid alkyl esters and the excess alcohols or bioalcohols. The excess amount of lower alcohols/bioalcohols can be partially or completely recovered from the obtained mixture, or the mixture itself may be integrated with additional quantities of the same or different lower alcohols/bioalcohols, thereby yielding combustible products and ecological fuels suitable for 157 various environmental conditions and 'for the types of apparatus and engines they must be employed in. The product can either be used by itself or as the main or secondary ingredient of a mixture with conventional fuel. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal por processos químicos para uso como combustível, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. WO2008009772 - 24/01/2008 Classificação: C12P7/64; C11C 3/10; C12P 7/64; C10G 3/00; C11C 3/00; TÍTULO: METHOD FOR PRODUCING BIODIESEL USING PORCINE PANCREATIC LIPASE AS AN ENZYMATIC BIOCATALYST RESUMO: The invention relates to a method for producing biodiesel, comprising the transesterification reaction of a starting product selected from one or more oils, one or more fats and mixtures of same in the presence of porcine pancreatic lipase as an enzymatic biocatalyst at a pH of at least 8, preferably at least 10. The invention also relates to the use of said method for the production of biodiesel and glycerin. COMENTÁRIO: esta patente relata a modificação do óleo vegetal via catálise enzimática, porém o objetivo é produzir um éster etílico para uso como biodiesel, e não um monoacilglicerol, como no caso da patente que iremos requerer. Além disso o processo não é utilizado para síntese de resinas alquídicas. WO2007058636 - 24/05/2007 Classificação: C11C3/00; C10L1/02; C11C3/00; C10L1/00. TÍTULO: NOVEL REACTORSAND A PROCESS TO PRODUCE BIODIESEL USINGHOMOGENEOUSALKALINE CATALYST RESUMO: The present invention is about a fast biodiesel production process, called NOBA process, where transesterification reaction and separation of glycerol take place concurrently using novel reactor configurations. The NOBA process consists of reacting vegetable oil/waste oil with methanol in the presence of a homogeneous catalyst (NaOH) in novel type reactors in which transesterification and glycerol separation occur concurrently. The process results in rapid production of biodiesel with high yield. The process has also a method for purification of biodiesel using hot water. 158 COMENTÁRIO: esta patente relata a invenção de um reator para a modificação do óleo vegetal por processos químicos, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. US2007112212 - 17/05/2007 Classificação: C07C 51/43; C07C 51/42. TÍTULO: Refined method for manufacturing ethyl esters from fatty substances of natural origin RESUMO: A method allowing, from natural fat or oils, vegetable or animal, or from other glyceride mixtures, to obtain in a quasi-quantitative way fatty acid ethyl esters that can be used as gas oil substitutes, comprises the succession of stages as follows: a stage (a) wherein the oil, the fat or the glyceride mixture is transesterified by ethanol using a soluble catalyst or a catalyst that becomes soluble during the reaction, a stage (b) wherein the glycerin formed is decanted and removed, without requiring an excess ethanol evaporation operation, a stage (c) wherein a second transesterification reaction is carried out so as to obtain a product whose ester content is at least 97% by mass, a stage (d) wherein controlled neutralization of the catalyst is carried out, a stage (e) wherein the excess ethanol is removed by distillation, a stage (f) wherein the ester undergoes purification by means of water wash sequences, and a stage (g) wherein the ester mixture is dried under reduced pressure. COMENTÁRIO: esta patente relata a invenção de um método para a modificação do óleo vegetal por processos químicos para uso como biodiesel, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. JP2007308658 29/11/2007 Classificação: C11C3/10; B01J31/04; C07C67/03; C07C69/30; C07C69/58; C08G63/49; C07B61/00; C11C3/00; B01J31/04; C07C67/00; C07C69/00; C08G63/00; C07B61/00 TÍTULO: PRODUCTION METHOD FOR TRANSESTERIFICATION PRODUCT AND PRODUCTION METHOD FOR ALKYD RESIN USING THE TRANSESTERIFICATION PRODUCT PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transesterification product substantially free from a metallic transesterification catalyst and to provide a method for producing an alkyd 159 resin substantially free of a metallic transesterification catalyst by using the transesterification product. SOLUTION: (1) A fat and oil is reacted with a polyhydric alcohol in the presence of a metallic transesterification catalyst to form a transesterification product 1. (2) A fat and oil is reacted with a polyhydric alcohol in the presence of the obtained transesterification product 1 without using any metallic transesterification catalyst to form a transesterification product 2. COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT JP2007077348 - 29/03/2007 Classificação: C10L 1/02; C10L 1/08; C10L 1/19; C10L 1/00; C10L 1/10.... TÍTULO: DIESEL FUEL CONTAINING FATTY ACID ESTER PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diesel fuel that is produced by using a fatty acid alkyl ester obtained by the transesterification of a fatty acid ester, especially fats and oils made from a vegetable or animal fat (including a waste oil), with a lower alcohol, has a high storage stability, and can be used without limitation at a low temperature. SOLUTION: The diesel fuel is a mixture of a fatty acid ester which is obtained by the transesterification of fats and oils with a straight or branched chain alcohol having a carbon atom from 1 to 4, with a liquid organic compound at a normal temperature (20[deg.]C) and at a normal pressure (101,325 Pa). The mixture comprises the fatty acid ester by a ratio not less than 1 mass percent and not more than 99 mass percent. COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT COMENTÁRIO: esta patente relata a invenção de um método para a modificação do óleo vegetal por processos químicos para uso como biodiesel, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. CN1894390 - 10/01/2007 Classificação: C11C3/00; C10L1/02; C11B3/10; C11C3/10; C11B3/00. TÍTULO: Improved method for preparing fatty-acid alkyl ester used as biological diesel oil C11C3/00; C10L1/00; 160 RESUMO: Fatty acid alkyl esters suitable for use as biodiesel are produced by a single step esterification of free fatty acids and transesterification of triglycerides from vegetable oils or animal fats or combinations thereof with a lower alcohol (e.g. Methanol) in presence of alkyl tin oxide as catalyst. The ester thus produced is purified by distillation, treatment with an adsorbent, washing with water or combination thereof to give esters suitable for use as biodiesel. COMENTÁRIO: esta patente relata a invenção de um método para a modificação do óleo vegetal por processos químicos para uso como biodiesel, e não via catálise enzimática, bem como não cita a utilização para síntese de resinas alquídicas. US2006224005 - 05/10/2006 Classificação: C07C 51/43; C07C 51/42; C07C 67/03; C07C 67/08; C11C 1/08; C11C 3/00B TÍTULO: Method and apparatus for refining biodiesel RESUMO: Method and apparatus for producing biodiesel fuel, i.e., alkyl ester, from vegetable and/or animal oil. A transesterification catalyst is prepared in a base catalyst tank by spraying alkyl alcohol under pressure through jets at metal hydroxide pellets until the pellets have fully reacted with the alcohol. The oil is heated and transesterified in the presence of alkyl alcohol and the transesterification catalyst in a closed, recirculating transesterification flow system under slight cavitation to yield product alkyl ester and product glycerol. Cavitation is achieved by permitting air to enter the transesterification flow system through an adjustable air inlet valve. When permitted to stand, product alkyl ester forms an upper layer that is decanted and subjected to purification steps, to remove particulates and alkyl alcohol from the product alkyl ester, and a lower layer of product glycerol is drained away. Purification of the product alkyl ester preferably includes subjecting the product alkyl ester to an overhead water mist in a wash tank with simultaneous infusion of a stream of air bubbles. Alcohol vapor is reclaimed as liquid alcohol within an alcohol condenser and stored for reuse. If the oil contains free fatty acids, prior to transesterification, the oil is heated and the free fatty acids are esterified in the presence of an esterification catalyst and alkyl alcohol. For safety, baffles and explosion damper/flame arrestors are provided in locations where flammable vapors pose a risk. 161 WO03040081 - 15/05/2003 Classificação: C07C 67/03; C10L 1/02; C11C 3/00; C11C 3/10; C07C 67/00; C10L1/00; C11C 3/00. TÍTULO: IMPROVEMENTS IN OR RELATING TO A METHOD FOR TRANSESTERIFYING VEGETABLE OILS RESUMO: The invention relates to a method for producing Diesel grade fuel of plant origin by transesterifying a refined vegetable oil with a C1-C4 alkanol in the presence of a catalyst whereupon a polar phase and an apolar phase is formed, removing the polar phase comprising glycerol by-product, and subjecting the apolar phase comprising the fuel to a refining procedure. According to the method of the in-vention refined vegetable oil is transesterified in a homogeneous phase in the presence of at least 0.2 parts by volume, related to unit volume of refined vegetable oil, of an aliphatic hydrocarbon solvent with a boiling point of 40-200< DEG >C to form a mixture comprising a polar phase and an apolar phase, if necessary, the apolar phase which also comprises non-transesterified vegetable oil beside aliphatic hydrocarbon solvent and transesterified product, obtained after removing the separated polar phase comprising glycerol by-product, is reacted in a further step with a C1-C4 alkanol in the presence of a catalyst until a transesterification conversion of 95-98 % is attained, the separated polar phase comprising glycerol by-product is removed, and the apolar phase comprising the fuel is refined wherein, if desired, at least a portion of the aliphatic hydrocarbon solvent is retained in the product. 162