MX2012010056A - Un proceso para la sintesis enzimatica de esteres alquilicos de acido graso. - Google Patents
Un proceso para la sintesis enzimatica de esteres alquilicos de acido graso.Info
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Abstract
Se describe un proceso continuo o por lotes enzimático para la producción de ésteres alquílicos de ácido graso para utilizar en las industrias de detergentes, alimentos y biocombustibles y un sistema para ello. El proceso utiliza enzimas inmovilizadas sobre una resma hidrofóbica mezclada con una fuente de ácido graso y un alcohol o un donador de alcohol en presencia de un buffer acuoso alcalino moderado o alcalino, o en presencia de una solución de agua. El proceso de producción para los ésteres alquílicos de ácido graso se lleva a cabo mediante la transesterificación o la esterificación de modo simultáneo o secuencial. La actividad del biocatalizador se mantiene sin pérdidas significativas de la actividad en aplicaciones múltiples y también evita la acumulación de agua y glicerol como subproductos u otros compuestos hidrofílicos en el biocatalizador.
Description
UN PROCESO PARA LA SÍNTESIS ENZIMÁTICA DE ÉSTERES ALQUÍLICOS
DE ÁCIDO GRASO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Se describe un proceso enzimático para la producción de ésteres alquílicos de ácido graso para utilizar en la industria de detergente, alimentos y biocombustibies . En este proceso una fuente de ácido graso y un alcohol o donador de alcohol se hacen reaccionar en presencia de enzimas inmovilizadas sobre una resina hidrofóbica, en presencia de un buffer acuoso alcalino o agua. El proceso descrito se puede accionar por lotes o de modo continuo utilizando reactores en columna de lecho empaquetado o tanque con agitación continua.
La inmovilización de enzimas se ha descrito por una extensa cantidad de técnicas que tiene por objetivo básicamente reducir el costo de contribución de enzimas en el proceso enzimático general; lo que facilita la recuperación de las enzimas de los productos; y permite el funcionamiento continuo del proceso .
Las técnicas de inmovilización en general se dividen de acuerdo a lo siguiente:
1. Adsorción física de enzimas en soportes sólidos, tales como sílice y polímeros insolubles .
2. Adsorción en resinas de intercambio iónico.
3. Unión covalente de enzimas a un material de soporte sólido, tal como soportes poliméricos o inorgánicos epoxidados .
4. Atrapamiento de enzimas en un polímero en crecimiento .
5. Confinamiento de enzimas en un reactor de membrana o en geles semipermeables .
6. Cristales enzimáticos entrecruzados (CLECS) o agregados (CLEAS ) .
Todos los procedimientos de inmovilización enzimática anteriormente mencionados comprenden las siguientes etapas:
1. La disolución de la enzima en un sistema de buffer apropiado con respecto a pH, temperatura, tipo de sales de buffer y resistencia iónica.
2. El agregado del soporte sólido en la solución enzimática y la mezcla durante algún período de tiempo hasta que las moléculas se inmovilicen en el soporte sólido.
3. El filtrado del soporte sólido que contiene la enzima inmovilizada.
. El lavado del soporte con un buffer apropiado para remover las moléculas enzimáticas unidas débilmente y luego el secado del soporte sólido.
Las enzimas interfaciales, principalmente las lipasas, se han inmovilizado siguiendo las técnicas anteriormente mencionadas. Éstas ofrecieron preparaciones de enzimas inmovilizadas que poseen baja actividad sintética y/o corto tiempo de vida media funcional . En un intento por aumentar la estabilidad y la actividad sintéticas de las lipasas inmovilizadas y otros métodos de activación diferentes de las enzimas interfaciales se han aplicado. Estos métodos incluyen:
1. La unión de los grupos funcionales de superficie de las enzimas con los residuos hidrofóbicos tales como ácidos grasos o polietilenglicol .
2. El recubrimiento de la superficie de las enzimas con surfactantes , tales como ésteres de ácido graso de poliol.
3. Poner en contacto las enzimas con los soportes hidrofóbicos, típicamente polipropileno, que se han pre-tratado con los solventes hidrofílicos , tales como etanol o isopropanol.
Ninguno de los métodos mencionados anteriormente produjeron resultados satisfactorios con respecto a la estabilización y a la rentabilidad de las enzimas ínterfaciales inmovilizadas, a fin de llevar a cabo conversiones inversas enzimáticas en cantidades industriales. También, se ha informado que la mayoría de las enzimas, cuando están inmovilizadas de acuerdo con los procedimientos anteriormente mencionados, pierden una porción significativa de su actividad sintética o no exhiben su funcionamiento completo de la actividad debido a ciertas restricciones impuestas por el procedimiento de inmovilización, o debido a la presencia de ciertos inhibidores enzimáticos en el medio de reacción.
Otra desventaja importante de las lipasas y de las fosfolipasas es su baja tolerancia hacia los sustratos hidrofílicos , en particular los alcoholes de cadena corta y ácidos grasos de cadena corta (debajo de C4) . Se ha observado en muchos estudios de investigación que los alcoholes de cadena corta y los ácidos grasos de cadena corta, tales como metanol y ácido acético, respectivamente, son responsables de separar las moléculas de agua esenciales de la estructura cuaternaria de aquellas enzimas, lo que conduce a su desnaturalización y por lo tanto la pérdida de su actividad catalítica. Esta desventaja ha prohibido la aplicación de las lipasas para la producción de cantidades comerciales de ésteres metílicos de ácidos grasos "biodiesel" utilizando metanol y triglicéridos oleosos como sustratos.
Una desventaja adicional de la utilización de las lipasas inmovilizadas para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol libre es la acumulación de los subproductos formados de agua y glicerol en el biocatalizador y por lo tanto prohibir los substratos de acceso libre al sitio activo de la enzima inmovilizada. Dichos biocatalizadores pierden en general su funcionamiento catalítico después de algunos ciclos cuando se utiliza el mismo lote del biocatalizador .
La invención presente ha desarrollado preparaciones de enzimas inmovilizadas especiales, que exhiben buena estabilidad sobre muchos ciclos de producción, actividad persistente. Los ejemplos de dichas preparaciones de enzimas se describen, ínter alia, en WO/2008/084470, WO/2008/139455 y WO 2009/069116.
Las condiciones bajo las cuales la reacción catalítica se lleva a cabo, puede de modo adverso afectar la estabilidad y la eficiencia de las preparaciones de enzimas inmovilizadas. Es importante tener preparaciones enzimáticas que retengan la estabilidad y la actividad bajo las condiciones de reacción.
Estos y otros objetivos de la invención serán aparentes a medida que avance la descripción.
En una modalidad, la invención se refiere a un proceso para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol, para formar ésteres alquílieos de ácido graso, que comprende hacer reaccionar una fuente de ácido graso y un alcohol o un donador de alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende al menos una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y el medio de reacción contiene una solución de buffer alcalina acuosa.
Dicha solución de buffer alcalina acuosa puede ser una solución de buffer alcalina acuosa moderada. Dicha solución de buffer alcalina acuosa puede encontrase contenida en la mezcla de reacción en una cantidad de hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso. La solución de buffer acuosa puede tener un pH de 7 hasta aproximadamente 11, por ejemplo cualquiera de 7-8.5, 7-9, 7-9.5, 7-10 y 7-11. El pKa del reactivo alcalino moderado suplementado que consta de la solución de buffer es superior o igual que el pKa de los ácidos que comprenden la fuente de ácido graso.
En otra modalidad la invención se refiere a un proceso para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol, para formar ésteres alquílieos de ácido graso, que comprende hacer reaccionar una fuente de ácido graso y un alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende al menos una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y el medio de reacción contiene agua. El agua se encuentra en la forma de una solución de agua con un pH desde 3 hasta 11. El medio de reacción puede contener el agua o la solución de agua en hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, el alcohol puede ser un alcohol de cadena corta, por ejemplo alcohol alquílico de Ci-Ce, más específicamente alcohol alquílico de C1-C4, en particular metanol o etanol . Cuando dicho alcohol es metanol, dichos ésteres de ácido graso resultantes son ésteres metílicos de ácido graso (FAME - Biodiesel) . El alcohol también puede ser un alcohol graso de cadena media de C6-Ci0 o alcoholes grasos de cadena larga de C12-C22. El donador de alcohol puede ser un éster monoalquílico o un carbonato dialquílico, tal como carbonato dimetílico o carbonato dietílico.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, dicha lipasa inmovilizada es capaz de catalizar la esterificación de los ácidos grasos para proporcionar ésteres alquílieos de ácido graso y agua como subproducto, y la transesterificación de triglicéridos y glicéridos parciales para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y glicerol como subproducto.
En todas las modalidades y aspectos de la invención relacionados con el uso de un buffer alcalino o solución alcalina, la cantidad de dicha solución o buffer alcalino en el medio de reacción es de 0.001 a 5% en peso de la fuente de ácido graso.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, al menos dicha lipasa puede ser una lipasa derivada de cualquiera de hizojnucor miehei, Pseudomonas sp., Rhizopus niveus, Mucor javanicus, Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, Penicillium camembertii, Alcaligenes sp., Acromobacter sp., Burkholderia sp., Thermomyces lanuginosa, Chromobacterium viscosum, Candida antárctica B, Candida rugosa, Candida antárctica A, semillas de papaya y pancreatina. La preparación de lipasa puede comprender al menos dos lipasas que se pueden inmovilizar cada una por separado en un soporte hidrofóbico o se pueden co-inmovilizar en el mismo soporte hidrofóbico. Dichas lipasas pueden poseer idéntica o diferente regio-especificidad. Dichas lipasas son capaces de catalizar de modo simultáneo o consecutivo la esterificación de los ácidos grasos libres para proporcionar ésteres alquílieos de ácido graso y agua como subproducto, y la transesterificación de triglicéridos y glicéridos parciales para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y glicerol como subproducto.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, dicho soporte puede ser cualquiera de soporte basado en polímero alifático hidrofóbico y soporte basado en polímero aromático hidrofóbico. Dicho soporte de polímero hidrofóbico puede comprender cadenas orgánicas lineales o ramificadas. Dicho soporte puede comprender cadenas de copolímeros o polímeros orgánicos macro-reticulares . Dicho soporte puede ser un soporte inorgánico no poroso o poroso, que puede ser hidrofóbico o estar recubierto con material orgánico hidrofóbico. Dicho material orgánico puede ser una cadena orgánica hidrofóbica funcionalizada lineal o ramificada .
En todas las modalidades y aspectos de la invención donde se utiliza una solución de buffer alcalina, dicha solución de buffer alcalina acuosa puede ser una solución de una sal alcalina inorgánica o una base orgánica. Dicha solución de buffer alcalina puede ser una solución de cualquiera de hidróxido de metal alcalino, carbonato, bicarbonato, fosfato, sulfato, acetato y citrato, una amina primaria, secundaria y terciaria, y cualquiera de sus mezclas. En modalidades específicas, dicha solución de buffer alcalina puede ser una solución de una base débil seleccionada de carbonatos y bicarbonatos de sodio o potasio. En algunas modalidades específicas del proceso de la invención, dicha solución de buffer alcalina se puede agregar a dicha fuente de ácido graso en una etapa de premezcla o directamente al medio de reacción.
En todas las modalidades y aspectos de la invención donde se utiliza una solución de buffer alcalina, el contenido de dicha solución de buffer alcalina en el medio de reacción de transesterificación/esterificación se puede encontrar en el rango de 0.001-5% en peso de la materia prima oleosa, por ejemplo 1-2% en peso de la materia prima oleosa.
En algunas modalidades de la invención, la fuente de ácido graso primero se puede mezclar con la solución de buffer alcalina o con el agua o solución de agua, y la mezcla luego se puede tratar con dicha preparación de lipasa inmovilizada, seguido por el agregado de dicho alcohol y permitiendo que la reacción proceda bajo condiciones adecuadas hasta que dicha fuente de ácido graso se convierta en ésteres de ácido graso.
En todas las modalidades y aspectos de la invención dicha fuente de ácido graso puede ser cualquiera de las siguientes aceite vegetal, grasa animal, aceite de alga, aceite de pescado, aceite residual y cualquier mezcla de las mismas. Dicha fuente de ácido graso puede comprender ácidos grasos libres, mono-, di- o tri-glicéridos , sus mezclas en cualquier relación, en ausencia o presencia de otros derivados de ácidos grasos menores tales como fosfolípidos y ésteres de esterol. La fuente de ácido graso puede ser refinada, no refinada, blanqueada, desodorizada o cualquiera de sus combinaciones .
En todas las modalidades y aspectos de la invención, la reacción se puede llevar a cabo a una temperatura entre 10°C y 100°C, específicamente entre 25-30°C.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, dicha fuente de ácido graso se puede pre-mezclar con dicho alcohol o donador de alcohol y con dicha agua o solución de buffer en un recipiente de preparación de pre-reacción para formar una emulsión que luego se puede suministrar conjuntamente con dicha preparación de lipasa inmovilizada en un recipiente de reacción de transesterificación/esterificación.
En todas las modalidades y aspectos de la invención, dicha lipasa inmovilizada se puede utilizar en reactores en columna de lecho empaquetado que funcionan por lotes o de modo continuo.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona un sistema para la transesterificación/esterificación de un ácido graso con un alcohol, para formar ásteres alquílieos de ácido graso, que comprende :
un recipiente de reacción configurado para hacer reaccionar un medio de reacción que incluye un ácido graso y al menos un alcohol y un donador de alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende al menos una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y el medio de reacción contiene al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua.
El sistema puede comprender una o más de las siguientes características en cualquier permutación o combinación deseada:
A El recipiente de reacción puede comprender la preparación de lipasa inmovilizada, al menos durante el funcionamiento de dicho sistema para la producción de dichos ésteres alquílieos de ácido graso.
B De modo adicional o alternativo a la característica A, el recipiente de reacción puede comprender el ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol, al menos durante el funcionamiento de dicho sistema para la producción de dichos ésteres alquílicos de ácido graso.
C De modo adicional o alternativo a la características A o B, dicho medio de reacción comprende una mezcla, dicho sistema comprende adicionalmente un recipiente de pre-reacción en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de reacción, dicho recipiente de pre-reacción está configurado para pre-mezclar al menos el ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol para formar dicha mezcla, y para suministrar selectivamente dicha mezcla a dicho recipiente de reacción al menos durante el funcionamien o de dicho sistema para la producción de dichos ésteres alquílicos de ácido graso. El sistema puede comprender adicionalmente de modo opcional una fuente de ácido graso en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y configurado para suministrar de modo selectivo el ácido graso a dicho recipiente de pre-reacción al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema, y una fuente de alcohol en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y configurado para suministrar de modo selectivo al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol a dicho recipiente de pre-reacción al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema. El sistema puede comprender adicionalmente de modo opcional una fuente de buffer en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y estar configurado para suministrar de modo selectivo al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua a dicho recipiente de pre-reacción incluido en dicha mezcla al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
D De modo adicional o alternativo a la características A hasta C, el sistema puede estar configurado para suministrar selectivamente uno o más de los ácidos grasos y/o al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol y/o al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua a dicho recipiente de pre-reacción cada uno de modo continuo o en lotes discretos, al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
E De modo adicional o alternativo a las características A hasta D, el recipiente de pre-reacción se puede configurar para suministrar de modo selectivo dicha mezcla a dicho recipiente de reacción en un modo continuo y/o en lotes discreto a al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
F De modo adicional o alternativo a las características A hasta E, el sistema se puede configurar para suministrar de modo selectivo o directo a dicho recipiente de reacción al menos uno del ácido .graso; al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol ; y al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua.
G De modo adicional o alternativo a las características A hasta F, el recipiente de reacción puede comprender un sistema de regulación térmica configurado para mantener el medio de reacción en dicho recipiente de reacción dentro de un rango de temperatura seleccionado.
H De modo adicional o alternativo a las características A hasta G, el sistema puede comprender adicionalmente de modo opcional un arreglo de retención configurado para retener la preparación de lipasa inmovilizada dentro de dicho recipiente de reacción al menos durante el funcionamiento de dicho sistema.
i De modo adicional o alternativo a las características A hasta H, el sistema comprende adicionalmente un recipiente de separación de producto en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de reacción, dicho sistema se encuentra configurado para suministrar selectivamente una mezcla de reacción que incluye los productos de reacción de dicho recipiente de reacción a dicho recipiente de separación de producto, y en donde dicho recipiente de separación de producto está configurado para separar de modo selectivo una producción de los ésteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada a éste. Por ejemplo, el recipiente de separación de producto puede ser uno de un sistema de separación por gravedad y centrífuga.
J De modo adicional o alternativo a las características A hasta I, el recipiente de reacción está configurado para suministrar de modo selectivo dicha mezcla de reacción a dicho recipiente de separación de producto en un modo continuo y/o en lotes discretos al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
K De modo adicional o alternativo a las características I a J, el sistema se encuentra configurado para suministrar de modo selectivo dicha producción de ésteres alquílicos de ácido graso de dicho recipiente de separación de producto. Por ejemplo, el sistema está configurado para suministrar de modo selectivo dicha producción de ésteres alquílicos de ácido graso de dicho recipiente de separación de producto en un modo continuo y/o en lotes discretos.
L De modo adicional o alternativo a las características A hasta K, el sistema está configurado para incrementar dicha producción de los ásteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada a dicho recipiente de separación de producto. En una configuración del sistema que posee esta característica, el sistema está configurado para redireccionar selectivamente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso a dicho recipiente de reacción para incrementar adicionalmente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada posteriormente a dicho recipiente de separación de producto. En otra configuración del sistema que posee esta característica, el sistema está configurado para redireccionar selectivamente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso a un módulo del reactor auxiliar, en donde dicho módulo del reactor auxiliar comprende un recipiente del reactor auxiliar y un recipiente de separación de producto auxiliar, en donde dicha producción incrementada adicionalmente de los ésteres alquílicos de ácido graso se suministra de modo selectivo posteriormente mediante un recipiente de separación de producto auxiliar.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
A fin de entender la invención y para observar cómo se lleva a cabo en la práctica, ahora se describirán las modalidades, solamente a modo de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
Figura 1: La actividad de la transesterificación de la lipasa Thermomyces lanuginosa (TL) inmovilizada sobre Amberlite XAD 1600 (Amb. XAD 1600) como una resina hidrofóbica y sobre Duolite D568 (Dúo D568) como una resina hidrofílica, y lipasa Pseudomonas sp. (PS) inmovilizada sobre Sepabeads SP70 (SB SP70) como una resina hidrofóbica y sobre sílice porosa (Sil.) como una resina hidrofílica.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo
Figura 2: La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción en diferentes niveles de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa .
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo
Figura 3: La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción en diferentes niveles de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo Figure 4: La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción sin agua y en diferentes niveles de agua utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo; AD
- agua destilada
Figura 5: La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción en diferentes niveles de agua utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Pseudomonas sp.t inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo; AD
- agua destilada
Figura 6: La conversión de una mezcla de FFA y aceite de soya a biodiesel, y subproductos de glicerol y agua luego de 4 horas de esterificación/transesterificación en diferentes niveles de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo; AD - agua destilada
Figura 7: La esterificación de hidrolisato de aceite de soya a biodiesel y agua luego de 4 horas de reacción en presencia de 2% de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. El biocatalizador fue la lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa .
Abreviaturas: Val. Ac. - valor de ácido; Cic. -ciclo
Figura 8: La transesterificación de aceite de pescado con etanol luego de 6 horas de reacción en presencia de 1% en peso de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. Los biocatalizadores fueron lipasas derivadas de Thermo yces lanuginosa (TL Lip.) y Pseudomonas sp., (PS Lip.) inmovilizadas sobre Amberlite XAD 1600.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo
Figura 9: La transesterificación de grasa de Sebo con etanol luego de 6 horas de reacción en presencia de 2% en peso de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. Los biocatalizadores fueron lipasas de Thermomyces lanuginose, Pseudomonas sp., (PS Lip.; TL Lip.) inmovilizadas sobre Amberlite XAD 1600.
Abreviaturas: Conv. - conversión; Cic. - Ciclo
Figura 10 : El tratamiento del medio de reacción de transesterificación/esterificación obtenido luego de 4 horas que contiene el valor de FFA de 7 mg de KOH/1 g utilizando Pseudomonas sp., o Thermomyces lanuginosa inmovilizadas sobre resinas porosas hidrofóbicas con Candida Antárctica inmovilizada sobre una resina porosa hidrofóbica.
Abreviaturas: Val. Ac. - valor de ácido; Cic. -ciclo
Figura 11: Ilustra esquemáticamente una primera modalidad de un sistema para la producción de ésteres alquílicos de ácido graso de acuerdo con un aspecto de la invención.
Figura 12 Ilustra esquemáticamente una segunda modalidad de un sistema para la producción de ésteres alquílicos de ácido graso de acuerdo con un aspecto de la invención.
En la búsqueda para la mejora de procesos industriales catalizados enzimáticamente, particularmente los procesos para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol en presencia de la o las lipasas inmovilizadas, la presente invención ha desarrollado las condiciones específicas bajo las cuales la estabilidad de la o las lipasas inmovilizadas se preservan sobre la calificación de los ciclos de producción.
En una modalidad de la invención, la invención se refiere a un proceso para la preparación de ésteres alquílieos de ácidos grasos, específicamente ésteres alquílieos de cadena corta de ácido grasos, tales como ésteres metílicos y etílicos de ácido graso (biodiesel) en un sistema micro-acuoso alcalino libre de solvente. En modalidades específicas, el sistema micro-acuosos alcalino es un sistema micro-acuoso alcalino moderado. El proceso comprende proporcionar una fuente de ácido graso y hacerlo reaccionar con un alcohol libre o un donador de alcohol, en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en dichas condiciones alcalinas o alcalinas moderadas. Sin aferrarse a ninguna teoría, el pretratamiento de la fuente de ácido graso con una solución de buffer alcalina dará como resultado ácidos neutralizantes que podrían tener un efecto inhibitorio sobre la enzima. La cantidad de alcohol requerida para completar la reacción hasta 100% de conversión se puede agregar por etapas o en un lote. Adicionalmente, el alcohol puede ser un alcohol de cadena corta, por ejemplo metanol o etanol . Otros donadores de alcohol se pueden utilizar en la reacción con la fuente de ácido graso en presencia de una hidrolasa y permitiendo que la reacción continúe en condiciones adecuadas, hasta que dicha fuente de ácido graso se convierta en ésteres alquílieos de ácido graso, específicamente, ésteres metílicos de ácido graso (FAME) o ésteres etílicos de ácido graso, en donde dicha preparación de hidrolasa comprende una o más lipasas, separadamente o conjuntamente inmovilizadas sobre un soporte basado en polímero hidrofóbico poroso y macro-reticular adecuado.
En una modalidad adicional, la reacción de transesterificación/esterificación entre la fuente de ácido graso y el alcohol o donador de alcohol se lleva a cabo en un micro-entorno acuoso, con el agregado de agua a la mezcla de reacción. En modalidades específicas, se puede agregar agua en 0.0001 hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso. Por agua tal como se utiliza en la presente se quiere significar agua pura o destilada, y también 'soluciones de agua", que pueden ser, pero no se limitan a, agua del grifo, agua de mar o agua de cualquier otra fuente natural o depósito, agua desalinizada, agua tratada o purificada químicamente o enzimáticamente, y cualquier otra solución acuosa. El pH del sistema de reacción o de la solución de agua puede variar, y puede ser, por ejemplo, aproximadamente 3-11, por ejemplo 4-10, 5-10, 5-9, 6-10, 6-9, ó 7-9.
El proceso de la invención se puede llevar a cabo mientras se remueve de modo continuo el glicerol formado y cualquier exceso de agua de la mezcla de reacción. La conversión de los grupos acilo de ácido graso o ácido grasos libres comprendidos en dicha fuente de ácido graso en alquilos de ácido graso, específicamente ésteres metílicos se puede monitorear en diversos puntos de tiempo durante la reacción. El medio de reacción se puede remover mediante medios adecuados en cualquier punto de tiempo deseado durante la reacción, deteniendo de este modo la reacción, y los ésteres metílicos de ácido graso formados y de modo opcional el glicerol formado se aislan del medio de reacción. La reacción se puede detener específicamente cuando la conversión de los grupos acilo de ácido graso o ácidos grasos libres comprendidos en dicha fuente de ácido graso en ésteres metílicos de ácido graso ha alcanzado al menos 70%, por ejemplo al menos 85%, o al menos 90%.
El sistema de reacción puede ser similar a aquel descrito en el documento co-pendiente WO2009/069116. Por ejemplo, el sistema de producción puede utilizar un reactor de tanque agitado con un filtro de fondo de acero inoxidable o de vidrio sinterizado que retiene el biocatalizador en el reactor, sin embargo permite al medio de reacción pernear a través del reactor. Dicha configuración del reactor permite subproductos, específicamente glicerol y agua, que se auto-desorben de la enzima inmovilizada, al hundimiento del fondo del reactor, y permear a través del filtro. El resultado es la remoción continua del glicerol formado desorbido y también de exceso de agua, fuera del medio de reacción, lo que conduce al cambio de la reacción hacia la síntesis, alcanzando de este modo conversiones por encima del 98%. El biocatalizador utilizado en este reactor puede comprender un tipo o múltiples tipos de lipasas, en consideración de su especificidad posicional así como de su origen, tal como se describe en la presente. De modo alternativo, se pueden utilizar dos reactores de tanque con agitación consecutiva con un filtro de fondo. Se puede utilizar un tanque de sedimentación o centrífuga entre los dos reactores. El primer reactor puede contener un biocatalizador inmovilizado comprendido de un tipo o de múltiples tipos de lipasas . El rol del tanque de sedimentación o centrífuga entre ambos reactores es remover el glicerol formado y el exceso de agua del medio de reacción, lo que conduce a un incremento en la conversión de las materias primas a sus correspondientes esteres alquílicos de ácido graso por encima de 98% en el segundo reactor en un tiempo de reacción razonable. Algunos sistemas y métodos de reacción específicos se describen a continuación.
Los términos "mezcla de reacción", "sistema de reacción" y "medio de reacción" se pueden utilizar en la presente como sinónimos.
El uso de las lipasas inmovilizadas sobre resina hidrofóbicas en presencia de solución de buffer alcalina o agua, tal como en las modalidades del proceso de la invención, asegura la alta estabilidad de la enzima y también evita la acumulación de sustancias hidrofílicas, tales como agua y el subproducto glicerol formado, en el biocatalizador . En modalidades específicas del proceso de la invención se utiliza 0.001-5% de solución de buffer alcalina moderada o alcalina, por ejemplo 0.01-5%, 0.05-5%, 0.1-5%, 0.5-5%, tales como 0.001%, 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 0.75%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5% ó 5%. En modalidades específicas del proceso de la invención cuando se utiliza agua, el agua se utiliza a niveles de 0.0001-5% de agua, por ejemplo 0.001-5%, 0.01-5%, 0.05-5%, 0.1-5%, 0.5-5%, tales como 0.0001%, 0.001%, 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 0.75%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5% ó 5%. Tal como se mencionó, cuando se utiliza solución alcalina, puede neutralizar los ácidos típicamente presentes en la fuente de ácidos grasos o producidos debido a las reacciones secundarias . La remoción activa continua de estos subproductos puede incluso incrementar la eficacia del proceso. El glicerol aislado se puede utilizar de modo industrial.
La fuente de ácido graso utilizada en el proceso de la invención puede comprender al menos uno de aceite de soya, aceite de cañóla, aceite de alga, aceite de colza, aceite de oliva, aceite de ricino, aceite de palma, aceite de girasol, aceite de maní, aceite de semilla de algodón, aceite de Jatropha, aceite de maíz crudo, aceite de pescado, grasa derivada de animal, aceite de cocción residual, grasa marrón, triglicéridos oleosos derivados de fuentes vegetales no comestibles, glicéridos parciales y ácido grasos libres derivados de aquellos aceites o cualquier mezcla de al menos dos de los mismos, en cualquier relación deseada.
En todos los procesos de la invención, los ésteres alquílicos de cadena corta de ácido graso formados por la reacción son específicamente ésteres metílicos, etílicos, isopropílicos o butílicos (biodiesel) de ácido graso. Otros alcoholes grasos de cadena media de C6-C10 y alcoholes grasos de cadena larga de C12-C22 también se pueden utilizar en el proceso de la producción de esta invención. Estos alcoholes más largos pueden ser específicamente adecuados en la producción de ceras, por ejemplo para productos cosméticos.
Las lipasas pueden ser lipasas derivadas de Ther o yces lanuginose, Rhizomucor miehei, Mucor miehei, Pseudomonas sp., Rhizopus sp., Mucor javanicus, Penicilliu roqueforti, Aspergillus niger, Chromobacterium viscosum, Acro-Tiojbac er sp., Burkholderia sp., Candida antárctica A, Candida antárctica B, Candida rugosa, Alcaligenes sp., Penicillium camembertii, semillas de papaya y pancreatina, pero no se limitan a éstos.
Las lipasas pueden estar conjuntamente inmovilizadas sobre un soporte adecuado, específicamente un soporte basado en polímero alifático hidrofóbico o un soporte polimérico aromático hidrofóbico. Cada una de dichas lipasas puede estar inmovilizada sobre un soporte adecuado, en donde los soportes en los cuales dichas lipasas que están inmovilizadas son idénticas o diferentes. Las lipasas empleadas pueden ser regio-específicas a su sustrato, o aleatorias. Cuando se utiliza más de una lipasa, las lipasas pueden estar inmovilizadas sobre los mismos o sobre diferentes soportes hidrofóbicos . Las lipasas co-inmovilizadas sobre el mismo soporte pueden exhibir idénticas o diferentes selectividades de sustrato o regio-especificidades a sus sustratos.
Las lipasas pueden ser regio-específicas (o específicas del sitio) , cada una utilizada sola o en combinación con las lipasas de la misma o de diferente especificidad de sitio. Cuando se hace referencia a las posiciones sn-1, sn-2- o sn-3, estas son posiciones sobre la estructura del glicerol de los diversos glicéridos. Por lo tanto, las lipasas utilizadas en el proceso de la invención pueden poseer selectividad hacia la posición sn-2 más alta que aquella de las lipasas aleatorias, es decir su preferencia es catalizar la reacción entre el alcohol o el donador de alcohol con el grupo acilo graso de la posición sn-2, mientras que las lipasas aleatorias exhiben la misma actividad de transesterificación para los grupos acilos grasos en las tres posiciones sobre la estructura del glicerol. Algunas lipasas exhiben únicamente actividad posicional en la posición sn-2, especialmente bajo condiciones específicas determinadas por los substratos, los productos, etc. Otras lipasas usadas en el proceso de la invención son posición sn-1,3 específica. Pueden ser utilizadas solas o conjuntamente con una lipasa aleatoria, específicamente la lipasa que tiene afinidad para los glicéridos parciales, y opcionalmente una tercera lipasa con una alta afinidad a la posición sn-2.
El soporte es específicamente un soporte hidrofóbico poroso y macro-reticular, que puede ser orgánico o inorgánico. Los ejemplos de soportes son soportes inorgánicos porosos, tales como, pero sin limitarse a sílice hidrofobizada o soportes basados en alúmina, y soportes orgánicos hidrofóbicos tales como, pero sin limitarse al soporte basado en polímero o polimérico. Los soportes pueden contener opcionalmente los grupos funcionales activos seleccionados de los grupos aldehido y o epoxi, o los grupos iónicos.
El soporte insoluble utilizado en el proceso de la invención es específicamente un soporte basado en polímero aromático o alifático hidrofóbico reticular y poroso, tal como AmberliteR XAD 1600 y SepabeadsR SP70 ambos comprenden una resina macro-reticular porosa preparada a partir de divinilbenceno o a partir de una mezcla de divinilbenceno y poliestireno, Amberlite XAD 7HP que comprende polímero acrílico alifático micro-reticular, y polímero alifático poroso tal como polipropileno poroso (AccurelR) .
El soporte puede ser un polímero hidrofóbico reticular que comprende divinilbenceno, o una mezcla de divinilbenceno y estireno, y el polímero alifático hidrofóbico reticular que comprende polímeros acrílicos alifáticos o polialqueno, tal como polipropileno. Los soportes específicos son matrices porosas, de tamaño de poro en el rango de 25-1000 Á, y más específicamen e en el rango de 80-200 Á. El soporte también puede ser sílice hidrofóbica porosa granular o en forma de polvo u otros óxidos inorgánicos. El soporte también puede ser sílice hidrofobizada porosa granular o en forma de polvo u otros óxidos inorgánicos. En modalidades específicas, el área de superficie de las resina de soporte es superior a 100 m2/g.
La cantidad de la solución acuosa alcalina moderada o alcalina puede ser suplementada en la lipasa catalizada por la reacción de transesterificación/esterificación entre la fuente de ácido graso y el alcohol se encuentra por lo general debajo de 5% en peso del medio de reacción. Esta solución alcalina se prepara, por ejemplo, a partir de una base alcalina inorgánica o una sal o a partir de una base orgánica. Las sales y las bases inorgánicas son, por ejemplo, hidróxidos de metales alcalinos, carbonatos, bicarbonatos, fosfatos, sulfatos, acetatos y citratos. Las bases orgánicas pueden ser, por ejemplo, aminas primarias, secundarias o terciarias. Las mezclas de estos agentes alcalinos también se contemplan. En el proceso de acuerdo con la invención, el pH del micro-entorno de la enzima inmovilizada se mantiene en valores alcalinos o alcalinos moderados. Mientras que el agregado de agua destilada al sistema de reacción mejora el rendimiento de las lipasas inmovilizadas sobre el soporte hidrofóbico (resinas), tal como se ilustra en las Figuras 4 y 5, el agregado de diversos buffers alcalinos, con diferentes valores de pH dependiendo del tipo base utilizado, resultó en la estabilización adicional de las lipasas inmovilizadas sobre soportes hidrofóbicos (resinas) , tal como se muestra, por ejemplo, en las Figuras 2 y 3. Los buffers de carbonato y bicarbonato son ejemplos de bases moderadas que son eficientes en el incremento de la estabilidad de las lipasas inmovilizadas sobre soportes hidrofóbicos . Otras bases adecuadas se describen en la presente. En general el pKa del reactivo alcalino moderado o alcalino suplementado que comprende la solución de buffer es igual o superior que el pKa de los ácidos que comprenden la fuente de ácido graso. La solución alcalina moderada tal como se utiliza en la presente es en general una solución con un pH desde 7 hasta aproximadamente 11, por ejemplo, 7-8.5, 7-9, 7-9.5, 7-10 ó 7-11. En general, la cantidad de solución acuosa alcalina o alcalina moderada utilizada se expresa en porcentajes de peso (% en peso) sobre la base de la cantidad de aceite utilizado en la reacción.
El uso de las lipasas inmovilizadas sobre soportes basados en polímeros hidrofóbicos porosos (resinas) en presencia de una solución alcalina o alcalina moderada, por ejemplo en una cantidad de 0.01-5% en peso, 0.05-5% en peso, 0.05-4% en peso, 1-5% en peso, ó 1-4% en peso, da como resultado la estabilización de la actividad del biocatalizador en las reacciones de transesterificación/esterificación entre la fuente de ácido graso y el alcohol. Esto se muestra en los siguientes Ejemplos .
La fuente de ácido graso es al menos uno de triglicéridos , glicéridos parciales, ácido grasos libres, fosfolípidos , ésteres y amidas de ácidos grasos o una mezcla comprendida por al menos dos de dichas fuentes .
La producción de ésteres alquílicos de ácido graso se lleva a cabo mediante la transesterificación o esterificación, de modo simultáneo o secuencial. Bajo dicho sistema de reacción la actividad del biocatalizador se mantiene sin ninguna pérdida de actividad significante en múltiples usos y también evita la acumulación de glicerol y agua como subproductos u otros compuestos hidrofílicos en el biocatalizador .
Esta invención proporciona procesos que emplean enzimas interfaciales inmovilizadas específicas que retienen alta actividad y estabilidad sobre muchos ciclos de producción. Específicamente, se utilizan la preparación de fosfolipasas y lipasas, en las reacciones de transesterificación/esterificación. Estas reacciones se pueden emplear en la producción de artículos alimenticios, cosméticos y biocombustibles ( "biodiesel" ) . De interés particular, se pueden utilizar estas enzimas para la síntesis de ésteres alquílicos de cadena corta de ácidos grasos para utilizar como "biodiesel".
La presente invención empleó enzimas interfaciales inmovilizadas estables, de alta tolerancia hacia alcoholes de cadena corta, tales como metanol, etanol y glicerol, así como también ácido grasos de cadena corta, tales como ácido acético. El uso de estas preparaciones de enzimas también previene la acumulación del biocatalizador inmovilizado de las sustancias hidrofílicas , en particular glicerol y agua.
En una modalidad de la invención se proporciona un proceso para las reacciones de transesterificación/esterificación simultáneas o secuenciales de una fuente de ácido graso con un alcohol utilizando uno o más tipos de lipasas, inmovilizadas sobre un soporte hidrofóbico (resina) , en presencia de una solución acuosa alcalina o alcalina moderada, para obtener el producto deseado, a saber, ésteres alquílicos de ácido graso, cerca de las conversiones completas durante un tiempo de reacción razonable, típicamente por debajo de las 5 horas. Una solución alcalina moderada, por ejemplo una solución 0.001 , 0.1 M, 0.5 M ó l M de bicarbonato de sodio, puede estar presente en el sistema de reacción en una cantidad por debajo de aproximadamente 5% en peso o aproximadamente 4% en peso de la cantidad de aceite utilizado en la reacción.
Tal como se muestra en los siguientes Ejemplos, el tiempo de vida funcional de las lipasas también se puede extender mediante el uso de un soporte de resina hidrofóbico para la inmovilización de la lipasa en combinación con el uso de una solución de buffer alcalina o alcalina moderada, por ejemplo en el rango de 0.001-5% en peso en el medio de reacción de la transesterificación/esterificación. Tal como se muestra adicionalmente en los siguientes Ejemplos, el contenido de agua de la mezcla de reacción se puede incrementar independientemente del valor de pH. Por lo tanto, en otra modalidad, la estabilidad del biocatalizador se incrementa con el aumento del contenido de agua del sistema de reacción mediante el agregado de agua, por ejemplo a 0.0001-5% en peso de la fuente de ácido graso, o cualquiera de los sub-rangos específicos definidos anteriormente. Los resultados muestran que el agregado de una solución alcalina en el rango de 0.0001-5% en peso de la fuente de ácido graso (Figuras 2 y 3) o agua a 0.001-4% de la fuente de ácido graso (Figuras 4 y 5) da como resultado el mantenimiento de la actividad enzimática y estabilidad sobre muchos ciclos de la reacción.
El alcohol o donador de alcohol empleado en el proceso de la invención puede ser un alcohol alquílico de cadena corta, específicamente alcohol alquílico de C1-C6, más específicamente alcohol alquílico de Ci-C4, y en particular metanol o etanol o el donador de alcohol puede ser carbonato dialquílico o éster mono-alquilico, tal como carbonato dimetílico. Un donador de alcohol tal como por ejemplo carbonato dialquílico también puede servir como una fuente para la alcalinidad o alcalinidad moderada del sistema de reacción.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se proporciona un sistema para la producción de ésteres alquílieos de ácido graso. Haciendo referencia a la Figura 11, una primera modalidad de dicho sistema, en general designado con la referencia numérica 100, comprende un recipiente del reactor 120, un recipiente de preparación de pre-reacción 140, y un recipiente de separación de producto 160.
El recipiente de preparación de pre-reacción 140 está configurado para recibir materias primas y buffer (y/o agua) , para formar una emulsión estable de ello, y para proveer la emulsión preparada PE (también denominada en la presente como materia prima emulsionada) al recipiente del reactor 120. En particular, dichas materias primas pueden incluir ácido graso FA (por ejemplo aceite de cocción residual) a partir de una fuente de ácido graso 182, y alcohol AL (por ejemplo metanol) a partir de una fuente de alcohol 184, y buffer (y/o agua) BU a partir de la fuente de buffer/agua 186, proporcionado mediante líneas de suministro adecuadas 152, 154, 156, respectivamente, en comunicación fluida con dicho recipiente de preparación de pre-reacción 140 mediante entradas del recipiente 172, 174, 176, respectivamente y válvulas adecuadas (no se muestra) .
El recipiente de preparación de pre-reacción 140 define un volumen interno VI en el cual la mezcla de reacción, que incluye materias primas y buffer/agua, se proporciona allí mediante entradas del recipiente 172, 174, 176, se mezclan conjuntamente por los medios de un sistema de agitación adecuado 142, conducido por una fuente en polvo (no se muestra) , para formar la emisión PE. El recipiente de preparación de pre-reacción 140 comprende una cubierta exterior 149 a través de la cual un fluido de trabajo adecuado puede circular para mantener el volumen VI en una temperatura de estado estable deseada. Por ejemplo, el fluido de trabajo puede ser aceite o agua, calentado o enfriado en un recipiente diferente (no se muestra) y bombeado a través de la cubierta 149 mediante puertos de salida y entrada adecuados (no se muestra) . En variaciones alternativas de la presente modalidad, el recipiente de preparación de pre-reacción 140 puede comprender un sistema de elementos de calentamiento y/o enfriamiento, por ejemplo elementos de calentamiento y/o enfriamiento eléctricamente en polvo, en lugar del agregado a la cubierta 149.
El recipiente del reactor 120 está configurado para recibir la emulsión preparada PE del recipiente de preparación de pre-reacción 140, para hacer reaccionar las materias primas allí en presencia de un biocatalizador adecuado BC para producir los productos de reacción RP, y para proveer los productos de reacción RP de la mezcla de reacción al recipiente de separación de producto 160. La línea de salida 148 proporciona comunicación fluida selectiva entre el recipiente de preparación de pre-reacción 140 y el recipiente del reactor 120 mediante válvulas adecuadas (no se muestra) y permite que la emulsión preparada PE preparada mediante el recipiente de preparación de pre-reacción 140 se suministre al recipiente del reactor 120 tal como sea deseado .
El recipiente de reacción 120 define un volumen interno V2 en el cual la emulsión preparada PE en la mezcla de reacción, proporcionada allí mediante la entrada del recipiente 122, se hace reaccionar, y la mezcla de reacción se puede agitar por los medios de un sistema de agitación adecuado 124, conducido por una fuente en polvo (no se muestra) para formar los productos de reacción RP. El biocatalizador BC puede comprender una enzima adecuada y se proporciona en la forma de cuentas de enzima inmovilizada que permanecen en el recipiente del reactor 120 hasta que se tornen inefectivas o no sean suficientemente efectivas, después de lo cual se pueden remover y reemplazar con un nuevo biocatalizador BC. Por ejemplo, el biocatalizador BC puede comprender una lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa.
El recipiente del reactor 120 comprende un sistema de regulación térmico en forma de una cubierta externa 129 a través del cual un fluido de trabajo puede circular para mantener el volumen V2 a una temperatura de estado estable deseable. Por ejemplo, el fluido de trabajo puede ser aceite o agua, calentado o enfriado en un recipiente diferente (no se muestra) y bombeado a través de la cubierta 129 mediante puertos de salida y entrada adecuados 123. En variaciones alternativas de esta modalidad, el sistema de regulación térmica comprende un sistema de elementos de enfriamiento/calentamiento, por ejemplo elementos de enfriamiento/calentamiento eléctricamente en polvo, en lugar o además de la cubierta 12 .
La parte inferior del recipiente del reactor 120 comprende una salida 127, y un arreglo de retención adecuado en forma de filtro 125 se proporciona de modo ascendente de la salida 127 configurado para, filtrar la mezcla de reacción, en particular los productos de reacción RP previo a que sean removidos del recipiente del reactor 120, y para prevenir que el biocatalizador BC sea removido con los productos de reacción RP.
El recipiente de separación de producto 160 está configurado para separar, de los productos de reacción RP, el producto deseado P (éster alquílico de ácido graso) , a partir de los productos incluyendo el exceso de agua y glicerol Q. La línea de salida 147 proporciona una comunicación fluida selectiva entre el recipiente de separación de producto 160 y el recipiente del reactor 120 mediante válvulas adecuadas (no se muestra) y permite que los productos de reacción RP se suministren al recipiente de separación de producto 160 del recipiente del reactor 120 tal como se desee. En la presente modalidad, el recipiente de separación de producto 160 comprende un sistema de separación por gravedad o centrífuga para llevar a cabo la separación anteriormente mencionada, e incluye una primera salida 162 para la salida del producto P, y una segunda salida 164 para recolectar el exceso de agua y glicerol G. El producto P se puede recolectar mediante la llave 163.
El sistema se puede hacer funcionar, por lo tanto en un modo de producción continuo, en el cual la emulsión preparada PE se suministra en el recipiente del reactor 120, y el producto deseado P se recoge en un modo continuo mediante una llave 163. La emulsión PE se puede preparar y suministrar en un modo continuo al recipiente del reactor 120 para rellenar el volumen del reactante allí a la misma velocidad a que los productos de reacción RP se remueven de la salida 127. De modo alternativo, la emulsión PE se puede preparar y suministrar en lotes al recipiente del reactor 120 para llenar el volumen del reactante en la mezcla de reacción a intervalos discretos siempre que el nivel de reactantes en el recipiente del reactor 120 disminuya hasta un nivel mínimo particular luego de la remoción continua de los productos de reacción RP mediante la salida 127. Por supuesto, también es posible hacer funcionar el sistema 100 para proporcionar el producto deseado P en lotes en lugar de continuamente.
De modo alternativo, el sistema 100 se puede accionar en un modo de rendimiento mejorado, en donde el producto P, en lugar de recolectarse de inmediato mediante la llave 163, se redirecciona al recipiente del reactor 120 mediante un sistema de redireccionamiento opcional, que incluye la línea 165, entrada del recipiente 121 y la válvula 166, en donde la válvula 166 se puede accionar de modo selectivo para desviar el producto P desde la llave 163. Cuando se redirecciona al recipiente del reactor 120, el producto P se puede hacer reaccionar allí con alcohol AL, proporcionado mediante una línea separada (no se muestra) de la fuente 184, de una fuente de alcohol diferente (no se muestra) , o de una fuente 184 mediante el recipiente de preparación de pre-reacción 140, para producir un rendimiento superior del producto P, el cual se puede separar nuevamente de los subproductos utilizando el recipiente de separación de producto 160. Cuando se proporciona el alcohol mediante el recipiente de preparación 140, el último se evacúa primero de la emulsión preparada PE, y las válvulas adecuadas previenen que se proporcionen los ácidos grasos PA y opcionalmente buffer/agua mediante sus respectivas fuentes 182 y 186. Las bombas adecuadas o suministros de gravedad y válvulas controlables se pueden proporcionar para el transporte selectivo de los materiales respectivos a través de las líneas respectivas 152, 154, 156, 148, 147, 165, y un controlador adecuado (no se muestra) funcionamiento de monitores y controles del sistema.
En al menos algunas variaciones alternativas de la primera modalidad, el recipiente de preparación de pre-reacción 140 puede ser integral con el recipiente del reactor 120. Por ejemplo, los volúmenes internos respectivos vi y V2 se pueden separar mediante una pared que posee un arreglo de abertura correspondiente a la línea 148. De modo alternativo, los volúmenes internos respectivos VI y V2 pueden ser continuos, pero el volumen interno VI se encuentra suficientemente separado del biocatalizador BC para proporcionar el tiempo suficiente para que se forme la emulsión PE antes de que llegue al biocatalizador BC.
En variaciones alternativas de la primera modalidad, uno, dos o la totalidad de los ácido grasos FA, alcohol AL, y buffer/agua BU se pueden proporcionar directamente al recipiente del reactor 120, evitando el recipiente de preparación de pre-reacción 140. Por ejemplo, una o más de la fuente de ácido graso 182, fuente de alcohol 184, y la fuente de buffer/agua 186, pueden estar en comunicación fluida selectiva directamente con el recipiente del reactor 120 mediante líneas de suministro adecuadas (no se muestra) evitando el recipiente de preparación de pre-reacción 140.
Se aprecia que todos los componentes del sistema 100 de acuerdo con la primera modalidad, o variaciones alternativas de las mismas, sean de una forma adecuada y se realicen a partir de materiales adecuados que se conocen en el arte, tal como para permitir que cada componente lleve a cabo las funciones respectivas, en las condiciones respectivas que incluyen temperatura, presión, pH, etc.
Haciendo referencia a la Figura 12, una segunda modalidad del sistema, designado con el número de referencia 200, comprende todos los elementos y características de la primera modalidad, incluyendo las variaciones alternativas de las mismas, incluyendo todos los componentes enumerados de modo similar como en la Figura 11, mutatis mutandis, con algunas diferencias. Por ejemplo el sistema 200 también comprende: un recipiente del reactor 120, un recipiente de preparación de pre-reacción 140, un recipiente de separación de producto 160, una fuente de ácido graso 182, fuente de alcohol 184, una fuente de buffer/agua 186, líneas de suministro 152, 154, 156, entradas del recipiente 172, 174, 176, sistema de agitación 142, cubierta externa 149, línea de salida 148 entrada del recipiente 122, sistema de agitación 124, biocatalizador BC cubierta externa 129, puertos de entrada y salida 123, salida 127, filtro 125, línea de salida 147 primera salida 162 segunda salida 164; tal como se describe para la primera modalidad, mutatis mu andis.
Sin embargo, en la segunda modalidad, la línea 165, llave 163 y la válvula 166 de la primera modalidad se omiten, y en su lugar un módulo de reactor auxiliar 300 se conecta de modo funcional a la primera salida 162 del recipiente de separación de producto 160.
El módulo del reactor auxiliar 300 comprende un recipiente del reactor auxiliar 220 y un recipiente de separación de producto auxiliar 260, el cual en esta modalidad son sustancialmente similares respectivamente al recipiente del reactor 120 y el recipiente de separación de producto 160, mutatis mutandis . En el funcionamiento, el producto deseado P del recipiente de separación de producto 160 se dirige al recipiente del reactor auxiliar 220 mediante la línea 266, válvula 267 y la entrada del recipiente 221. Cuando se dirige al recipiente del reactor auxiliar 220, el producto P se puede hacer reaccionar adicionalmente allí con alcohol AL, proporcionado mediante una línea separada (no se muestra) a partir de la fuente 184 o de una fuente diferente de alcohol (no se muestra) , para producir los productos de reacción adicionales FRP. La línea 249 permite que los productos reaccionados adicionales FRP se transporten al recipiente de separación de producto auxiliar 260, el cual luego funciona para separar un rendimiento superior del producto P' de los subproductos.
El sistema 200 se puede accionar en un modo similar al sistema 100, mutatis mutandis .
Se revela y describe, para entenderse que la presente invención no se limita a los ejemplos particulares, etapas del proceso, y los materiales descritos en la presente como tales las etapas del proceso y los materiales pueden variar un poco. También se entiende que la terminología utilizada en la presente se utiliza para los propósitos de solamente describir las modalidades particulares y no pretende limitar el alcance de la presente invención, se limitará solamente mediante las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes .
Se debe notar que, tal como se utiliza en la presente especificación y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el/la" incluyen los referentes plurales a menos que el contenido claramente indique lo contrario.
A lo largo de la presente especificación y las reivindicaciones que siguen, a menos que el contexto requiera lo contrario, la palabra "comprende", y las variantes tales como "comprenden" y "que comprende", se entenderán que implican la inclusión de un número entero o etapa o grupo de números enteros o etapas indicadas pero no la exclusión de cualquiera de los otros números enteros o etapas o grupos de números enteros o etapas .
Los siguientes Ejemplos son representativos de las técnicas empleadas en la invención llevadas a cabo en los aspectos de la presente invención. Se deberá apreciar que mientras estas técnicas son ejemplares de las modalidades preferidas para la práctica de la invención, los expertos en el arte, a la luz de la presente descripción, reconocerán que se pueden realizar numerosas modificaciones sin apartarse del alcance pretendido de la invención.
Ejemplos
General
Todos los experimentos se llevaron a cabo ya sea en tubos de vidrio de 30 mi en un volumen llegando al fondo con un filtro de vidrio centrado o en reactores mecánicamente agitados de 500 mi en un volumen llegando al fondo con un filtro de vidrio sinterizado de porosidad de 150-250 µ?a. El medio de reacción típico contiene una fuente de ácido graso, alcohol, normalmente, metanol o etanol en bases molares de 1:1 en relación con el ácido graso no obstante libre o unido a una estructura de glicerol (para ácido grasos libres y monoglicéridos 1:1, para diglicéridos 1:2, y para triglicéridos 1:3 en favor del alcohol). La fuente de ácido graso se premezcló con diferentes cantidades de buffer alcalino, en modalidades específicas de bicarbonato de sodio. Las reacciones se iniciaron mediante el agregado de la lipasa inmovilizada sobre una resina hidrofóbica (10-15% en peso) y el medio de reacción se agitó mecánicamente o se agitó a 30°C. La cantidad de alcohol se agregó igualmente en las tres etapas cada una separadas por una hora, a menos que se indique de modo diferente. Las conversiones de reacción se siguieron mediante la toma de muestras del medio de reacción a intervalos de tiempo diferentes y analizando los componentes de ácido graso. La conversión a biodiesel se calculó como: 100* área de pico del éster alquílico del ácido graso/suma de todas las áreas de pico.
Inmovilización de la Lipasa: Las lipasas se inmovilizaron siguiendo los procedimientos estándares donde la lipasa derivada de ciertos micro-organismos se solubiliza en solución de buffer de 0.1 M a un cierto valor de pH, por ejemplo 7,5. Una resina polimérica orgánica o inorgánica se introdujo en la solución de la lipasa. La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 8 horas . Se agregó de modo opcional acetona fría a la mezcla a fin incrementar la precipitación de enzima proteica sobre la resina. La mezcla se filtró y las cuentas de enzima se secaron para reducir el contenido de agua a menos de 5%.
Se utilizaron diferentes resinas incluyendo las resinas de polímero hidrofóbicas basadas en poliestireno/divinilbenceno, parafina o cualquiera de sus combinaciones, para obtener resinas de características hidrofóbicas. Las resinas hidrofóbicas típicas utilizadas incluyen Amberlite XAD 1600 (Rohm & Haas, USA) y SepabeadsR SP70 (Resindion, Italia) . Las resinas hidrofílicas típicas utilizadas incluyen DuoiiteR D568 (Rohm & Haas) y gel de sílice poroso. Las lipasas se pueden inmovilizar por separado en una resina o las lipasas diferentes se co-inmovilizan sobre la misma resina.
Ejemplo 1
La actividad de transesterificación de la lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre AmberliteR XAD 1600 como una resina hidrofóbica y sobre DuoliteR D568 como una resina hidrof lica, y lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre SepabeadsR SP70 como una resina hidrofóbica y sobre sílice porosa como una resina hidrofilica.
Condiciones de reacción: Aceite de soya refinado y blanqueado (20 g) que contiene 1% en peso de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó metanol por etapas (2.5 mi) en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. El medio de reacción que contenía 10% en peso de la preparación de la lipasa se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 1.
Los resultados presentados en la Figura 1 muestran que tanto Thermomyces lanuginosa como Pseudomonas sp., las lipasas inmovilizadas sobre diferentes resinas en presencia de 1% en peso de solución de bicarbonato de sodio expusieron alta actividad de transesterificación durante los 5 primeros ciclos utilizando el mismo lote de enzima. Se observó que luego del 5° lote, cuando el mismo lote de enzimas se utilizó, la filtración del medio de reacción del sistema se tornó dificultoso debido a la formación de depósito tipo gel alrededor de las cuentas de ambas lipasas inmovilizadas sobre resina hidrofílicas , a saber DuoliteR D568 y sílice porosa. La actividad de inter-esterificación de ambas lipasas inmovilizadas sobre resina hidrofílicas disminuyó de modo agudo en los lotes consecutivos adicionales, y se tornaron inactivos luego del 10° ciclo. Por el contrario, Pseudomonas sp., la lipasa inmovilizada sobre la resina hidrofóbica, SepabeadsR SP70, retuvo más del 80% de su actividad inicial luego de 70 ciclos, mientras que la Thermomyces lanuginose lipasa inmovilizada sobre la resina hidrofóbica, AmberliteR XAD1600, retuvo más del 20% de su actividad inicial luego de más de 70 ciclos.
Ejemplo 2
A. La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. Condiciones de reacción: Aceite de soya refinado y blanqueado (20 g) que contiene diferentes concentraciones de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó metanol por etapas (2.5 mi) en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. La lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 2.
B. La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. Condiciones de reacción: Aceite de soya refinado y blanqueado (20 g) que contiene diferentes concentraciones de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó metanol en etapas (2.5 mi) en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. La lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 3.
Las Figuras 2 y 3 muestran que la cantidad de carbonato de sodio en el medio de reacción posee un papel principal en la vida funcional de Thermomyces lanuginosa. y Pseudomonas sp., las lipasas inmovilizadas sobre resinas hidrofóbicas . Se puede observar en las Figuras 2 y 3 que en ausencia de una solución alcalina ambas lipasas inmovilizadas pierden drásticamente su actividad luego de algunos ciclos, mientras que las mismas lipasas inmovilizadas mantienen su actividad de transesterificación durante múltiples usos en presencia de la solución de bicarbonato de sodio como una base en el sistema de reacción. Los resultados para ambas enzimas inmovilizadas muestra que el incremento de la cantidad de solución de bicarbonato de sodio en el medio de reacción en el rango de 0 - 4% en peso da como resultado una disminución en la pérdida de la actividad enzimática en múltiples usos del mismo lote de la enzima inmovilizada.
Ejemplo 3
A. La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote. Condiciones de reacción: Aceite de soya refinado y blanqueado (20 g) que contiene diferentes concentraciones de agua destilada. Se agregó metanol (2.5 mi) en etapas en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. La lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 4.
B. La conversión del aceite de soya a biodiesel y glicerol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote.
Condiciones de reacción: Aceite de soya refinado y blanqueado (20 g) que contiene diferentes concentraciones de agua destilada. Se agregó metanol (2.5 mi) en etapas en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. La lipasa derivada de Pseudomonas sp.f inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 5.
Las Figuras 4 y 5 muestran que la actividad de transesterificación utilizando el mismo lote de lipasas Thermomyces lanuginosa y Pseudomonas sp., inmovilizadas sobre resina idrofóbicas en múltiples experimentos también se encuentra afectada por la cantidad de agua en el sistema de reacción. Se puede observar que el incremento en la cantidad de agua desde nada (cero) a 4% en peso da como resultado el mantenimiento superior de la actividad de transesteri icación residual del biocatalizador cuando se utiliza en ciclos consecutivos . Los resultados presentados en las Figuras 2 a 5 muestran de modo evidente que utilizando una base moderada, tal como una solución de bicarbonato de sodio en las reacciones de transesterificación se favorece la mantención de la actividad de las lipasas inmovilizadas sobre la resina hidrofóbicas cuando se utiliza en ciclos consecutivos.
Ejemplo 4
La conversión de una mezcla de ácidos grasos libres
(FFA) y aceite de soya a biodiesel, y glicerol y agua como subproductos luego de 4 horas de esterificación/transesterificación utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote.
Condiciones de reacción: Una mezcla de hidrolisato de soya de ácidos grasos libres (50% en peso) y aceite de soya (50% en peso) del valor inicial de FFA 72 mg KOH/1 g que contiene diferentes cantidades de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó metanol (4.5 mi) en etapas en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. La lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (20% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 6.
La Figura 6 muestra que una cantidad diferente de la solución base posee un mayor efecto en la reacción de esterificación simultánea de FFA presente en la mezcla de reacción comprendida de proporciones equivalentes de hidrolisato de aceite de soya y triglicéridos de aceite de soya. Se puede observar que la Pseudomonas sp., la lipasa inmovilizada sobre una resina hidrofóbica pierde su actividad de esterificación cuando no se agrega ninguna solución alcalina en el sistema de reacción de esterificación/transesterificación, mientras que el mismo biocatalizador ha mantenido su actividad en ciclos consecutivos cuando 1 y 2% en peso de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M se agregaron por separado en los sistemas de reacción. Los resultados presentados en la Figura 6 muestran que el uso de la Pseudojnonas sp., la lipasa inmovilizada sobre una resina hidrofóbica redujo el contenido de FFA en presencia de 1% y 2% en peso de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M a partir del valor inicial de 72 mg KOH/1 g hasta 8 y 6 mg KOH/1 g en promedio, respectivamente, y manteniendo su actividad en 22 ciclos subsecuentes.
Ejemplo 5
La esterificación del hidrolisato de aceite de soya a biodiesel y agua luego de 4 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote.
Condiciones de reacción: Hidrolisato de soya de ácidos grasos libres (20 g) de valor de FFA de 150 mg KOH/1 g que contiene 1% en peso solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó metanol (2 mi) en el medio de reacción en un lote. La lipasa derivada de Pseudomonas sp., inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa, se utilizó (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 7.
La Figura 7 muestra que la Pseudomonas sp., la lipasa inmovilizada sobre una resina hidrofóbica también es capaz de catalizar la esterificación de los ácidos grasos libres para formar ésteres metílicos de ácido graso y agua como subproducto. Los resultados muestran que la preparación de la lipasa mantiene su actividad de esterificación/transesterificación en un medio que contiene 1% de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M durante más de 25 ciclos utilizando el mismo lote de biocatalizador sin la observación de ninguna pérdida significante de actividad.
Ejemplo S
La transesterificación del aceite de pescado con etanol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote.
Condiciones de reacción: Aceite de pescado refinado (20 g) que contiene 1% de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M. Se agregó etanol (2.5 mi) en etapas en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. Las lipasas derivadas de Thermomyces lanuginosa y Pseudomonas sp., inmovilizadas sobre AmberliteR XAD 1600, se utilizaron por separado (10% en peso) . El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 8.
La Figura 8 muestra que ambas lipasas derivadas de Thermomyces lanuginosa y Pseudomonas sp., inmovilizadas sobre resinas hidrofóbicas son también capaces de catalizar la transesterificación de los triglicéridos de aceite de pescado con etanol para formar ésteres etílicos de ácido graso y glicerol como subproducto. Los resultados también muestran que ambas preparaciones de biocatalizador mantuvieron su actividad de transesterificación en presencia de 1% de solución de bicarbonato de sodio sin pérdida de actividad significante durante más de 20 ciclos utilizando el mismo lote de biocatalizador.
Ejemplo 7
La transesterificación de grasa de Sebo con etanol luego de 6 horas de reacción utilizando el mismo lote de biocatalizador en múltiples experimentos de lote.
Condiciones de reacción: Grasa de sebo (16 g) que contiene éster etílico de ácido graso de grasa de sebo (4 g) y 1% de solución de carbonato de potasio de 1 M. Se agregó etanol (2.5 mi) en etapas en tres lotes equivalentes cada uno separado por una hora. Las lipasas derivadas de Thermomyces lanuginose, Pseudomonas sp., inmovilizadas sobre AmberliteR XAD 1600 (10% en peso) se utilizaron por separado o en combinación en una relación equivalente. El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 37°C. Los resultados se muestran en la Figura 9.
La Figura 9 muestra que ambas lipasas derivadas de Thermomyces lanuginosa y Pseudomonas sp. , inmovilizadas por separado o en combinación sobre resinas hidrofóbicas son capaces de catalizar la transesterificación de los triglicéridos de la grasa de sebo con etanol para formar ásteres etílicos de ácido graso y glicerol como subproducto. La materia prima del medio de reacción estaba comprendida de grasa de sebo (80%) y ásteres etílicos de ácido graso derivados de grasa de sebo a fin de disminuir el punto de fusión del medio de reacción. Los resultados presentados en la Figura 9 muestran que todos los biocatalizadores retuvieron más del 80% de su actividad inicial en presencia de una solución alcalina moderada, tal como carbonato de potasio de 1 M, cuando se utilizó el mismo lote de biocatalizadores en 100 ciclos consecutivos.
Ejemplo 8
El tratamiento del medio de reacción de transesterificación/esterificación obtenido luego de 4 horas que contenía el valor de FFA de 7 mg KOH/1 g utilizando la lipasa Pseudomonas sp. o la lipasa Thermomyces lanuginosa inmovilizadas sobre resinas porosas hidrofóbicas con Candida Antárctica B lipasa inmovilizada sobre una resina porosa hidrofóbica y metanol (relación de 1:10 en relación molar básica entre FFA y metanol, respectivamente) utilizando el mismo lote de biocatalizador (10% en peso) en múltiples experimentos de lote. El medio de reacción se agitó a 300 rpm y 30°C. Los resultados se muestran en la Figura 10.
La Figura 10 muestra que el medio de reacción de transesterificación obtenido luego del tratamiento con lipasa Thermomyces lanuginosa o lipasa Pseudomonas sp., tal como se describió anteriormente, típicamente contiene valores de FFAs de 3-7 mg KOH/1 g, se puede tratar con lipasa Candida antárctica B inmovilizada sobre un soporte hidrofílico o hidrofóbico, que resulta en la reducción de los valores de FFA por debajo de menos de 2 mg KOH/1 g. La lipasa inmovilizada puede mantener su actividad en más de 100 ciclos .
Ejemplo 9
Ejemplo 8
La Transesterificación/esterificación del aceite de cocción residual que contiene 10% de FFA con metanol para formar biodiesel, agua y glicerol utilizando la primera modalidad del sistema ilustrado en la Figura 11.
Condiciones de reacción: Aceite de cocción residual (1100 g) que contiene 2% de solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M y metanol (140 g) se pre-mezclaron primeramente en un recipiente de preparación de pre-reacción 140 para formar una emulsión, que luego se introdujo en el recipiente del reactor 120 que posee un volumen interno V2 de aproximadamente 2 litros. La mezcla de reacción se mezcló en el recipiente del reactor 120 con una lipasa derivada de Thermomyces lanuginosa inmovilizada sobre una resina basada en poliestireno-divinilbenceno hidrofóbica y porosa (30% en peso del aceite) durante 6 horas a 30°C. La mezcla de reacción se filtró a través del filtro 125 y se suministró en un recipiente de separación de producto 160. El glicerol y el exceso de agua se removieron de la mezcla de reacción en el recipiente de separación de producto 160. La fase superior que contenía los ásteres metílicos de ácido graso y los glicéridos sin reaccionar se introdujeron nuevamente en el recipiente del reactor 120 mediante una línea de redireccionamiento 165, y la agitación en el recipiente del reactor 120 se reanudó luego del agregado de metanol (110 g) al medio de reacción en el recipiente del reactor 120. La conversión a éster metílico luego de 2 horas fue de 98%. Un medio de reacción emulsificado (emulsión preparada) que contenía aceite de cocción residual (83% en peso), metanol (15%) y solución de bicarbonato de sodio de 0.1 M (2%) se suministró continuamente en el recipiente del reactor 120 en un caudal de aproximadamente 30 ml/min. La conversión a ésteres metílicos de ácido graso se mantuvo por más de 3 meses sin pérdida significante de la actividad cuando se utilizó el mismo lote del biocatalizador derivado de la Thermomyces lanuginosa lipasa inmovilizada sobre una resina hidrofóbica macro-porosa .
Claims (65)
1. Un proceso para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol, para formar ásteres alquílicos de ácido graso, caracterizado porque comprende hacer reaccionar una fuente de ácido graso y un alcohol o un donador de alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende al menos una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y el medio de reacción contiene una solución de buffer alcalina acuosa .
2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha solución de buffer alcalina acuosa es una solución de buffer alcalina acuosa moderada.
3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o reivindicación 2, caracterizado porque dicha solución de buffer alcalina acuosa se encuentra en una cantidad de hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso.
4. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la solución de buffer acuosa tiene un pH de 7 hasta aproximadamente 11.
5. El proceso de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el pH es cualquiera de 7-8.5, 7-9, 7-9.5, 7-10 y 7-11.
6. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el pKa del reactivo alcalino moderado suplementado comprendido de la solución de buffer es superior o igual que el pKa de los ácidos que comprenden la fuente de ácido graso.
7. Un proceso para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso seleccionado de triglicéridos , diglicéridos , monoglicéridos y cualquier mezcla de los mismos, dicha mezcla además comprende opcionalmente ácidos grasos libres, con un alcohol, para formar ésteres alquílieos de ácido graso, caracterizado porque comprende hacer reaccionar una fuente de ácido graso y un alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y en donde se agrega agua a dicha fuente de ácido graso o al medio de reacción.
8. El proceso de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el agua se encuentra en la forma de una solución de agua con un pH desde 3 hasta 11.
9. El proceso de conformidad con la reivindicación 7 o reivindicación 8, caracterizado porque el medio de reacción contiene el agua o solución de agua hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso.
10 El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho alcohol es un alcohol de cadena corta.
11. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicho donador de alcohol es un éster mono-alquílico, tal como acetato de metilo o un carbonato di-alquilico, tal como carbonato dimetílico, que sirve también como una fuente para el reactivo alcalino moderado en el medio de reacción.
12. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos dicha lipasa es una lipasa derivada de cualquiera de Rhizomucor miehei, Pseudomonas sp., Rhizopus niveus, Mucor javanicus, Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, Penicillium came bertii, Alcaligenes sp., Acromobacter sp., Burkholderia sp., Thermomyces lanuginosa, Chromobacterium viscosum, Candida antárctica B, Candida rugosa, Candida antárctica A, semillas de papaya y pancreatina.
13. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha lipasa inmovilizada es capaz de catalizar la esterificación de los ácidos grasos para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y agua como subproducto, y la transesterificación de triglicéridos y glicéridos parciales para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y glicerol como subproducto.
14. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 13, caracterizado porque la cantidad de dicha solución alcalina en el medio de reacción es desde 0.001 hasta 5% en peso de la fuente de ácido graso.
15. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 14, caracterizado porque dicha preparación de lipasa comprende al menos dos lipasas que se pueden inmovilizar cada una por separado en un soporte hidrofóbico o se pueden co-inmovilizar en el mismo soporte hidrofóbico .
16. El proceso de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque dichas lipasas poseen idéntica o diferente regio-especificidad.
17. El proceso de conformidad con la reivindicación 15 o reivindicación 16, caracterizado porque dichas lipasas son capaces de catalizar de modo simultáneo o consecutivo la esterificación de los ácidos grasos libres para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y agua como subproducto, y la transesterificación de triglicéridos y glicéridos parciales para proporcionar ésteres alquílicos de ácido graso y glicerol como subproducto.
18. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicho soporte es cualquiera de un soporte basado en polímero alifático hidrofóbico y un soporte basado en polímero aromático hidrofóbico.
19. El proceso de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque dicho soporte de polímero hidrofóbico comprende cadenas orgánicas lineales o ramificadas .
20. El proceso de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque dicho soporte comprende cadenas de co-polímeros o polímeros orgánicos macro-reticulares .
21. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque dicho soporte es un soporte inorgánico no poroso o poroso, que puede ser hidrofóbico o puede estar recubierto con un material orgánico hidrofóbico .
22. El proceso de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque, dicho material orgánico es una cadena orgánica hidrofóbica funcionalizada, ramificada o lineal.
23. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 22, caracterizado porque dicha solución de buffer alcalina acuosa es una solución de una sal alcalina inorgánica o una base orgánica.
24. El proceso de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque dicha solución de buffer alcalina es una solución de cualquiera de un hidróxido de metal alcalino, carbonato, bicarbonato, fosfato, sulfato, acetato y citrato, una amina primaria, secundaria y terciaria, y cualquiera de sus mezclas .
25. El proceso de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque, dicha solución de buffer alcalina es una solución de una base débil seleccionada de carbonatos y bicarbonatos de sodio o potasio.
26. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 25, caracterizado porque dicha solución de buffer alcalina se agrega a dicha fuente de ácido graso en una etapa de premezcla o directamente al medio de reacción.
27. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 26, caracterizado porque el contenido de dicha solución de buffer alcalina en el medio de reacción de transesterificación/esterificación se puede encontrar en el rango de 0.001-5% en peso de la materia prima de aceite.
28. El proceso de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado porque el contenido de dicha solución de buffer alcalina es 1-2% en peso de la materia prima de aceite.
29. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 28, caracterizado porque la fuente de ácido graso se mezcla en primer lugar con dicha solución de buffer alcalina, la mezcla luego se trata con dicha preparación de lipasa inmovilizada, seguido por el agregado de dicho alcohol y lo que permite que la reacción continúe bajo condiciones adecuadas hasta que dicha fuente de ácido graso se convierta en ésteres de ácido graso.
30. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porque dicha fuente de ácido graso es cualquiera de aceite vegetal, grasa animal, aceite de alga, aceite de pescado, aceite residual, grasa residual y cualquier mezcla de los mismos.
31. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 10 a 30, caracterizado porque, dicha fuente de ácidos grasos comprende ácidos grasos libres, mono-, di- o tri-glicéridos, sus mezclas en cualquier relación, ésteres y amidas de ácido graso, en ausencia o presencia de otros derivados menores de ácido graso tales como fosfolípidos y ésteres de esterol, de modo opcional dicha fuente de ácido graso se encuentra refinada, no refinada, blanqueada, desodorizada o cualquiera de sus combinaciones.
32. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque, dicha fuente de ácido graso además comprende ésteres y amidas de ácido graso otros derivados menores de ácido graso tales como fosfolípidos y ésteres de esterol, más específicamente dicha fuente de ácido graso puede ser refinada, no refinada, blanqueada, desodorizada o cualquiera de sus combinaciones.
33. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y 12 a 32, caracterizado porque, dicho alcohol es un alcohol alquílico de cadena corta, específicamente alcohol alquílico de Ci-C6, más específicamente alcohol alquílico de C1-C4, particularmente metanol o etanol .
3 . El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y 12 a 32, caracterizado porque, dicho alcohol es metanol y dichos ésteres de ácido graso resultantes son ésteres metílicos de ácido graso (FAME -Biodiesel) .
35. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y 12 a 32, caracterizado porque, dicho alcohol es un alcohol graso de cadena media de (C6-C10) o alcoholes grasos de cadena larga de (C12-C22) ·
36. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la reacción se lleva a cabo a una temperatura entre 10°C y 100°C, específicamente entre 25-30°C.
37. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porgue dicha fuente de ácido graso se pre-mezcla con dicho alcohol o donador de alcohol y con dicha agua o solución de buffer en un recipiente de preparación de pre-reacción para formar una emulsión que luego se suministra conjuntamente con dicha preparación de lipasa inmovilizada en un recipiente de reacción de transesterificación/esterificación.
38. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha lipasa inmovilizada se utiliza en reactores de tanque con agitación continua o en reactores en columna de lecho empaquetados que funcionan de modo continuo o en lotes .
39. Un sistema para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso con un alcohol, para formar ésteres alquílieos de ácido graso, caracterizado porque comprende: un recipiente de reacción configurado para hacer reaccionar un medio de reacción que incluye una fuente de ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende al menos una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofóbico y el medio de reacción contiene al menos una solución de buffer alcalina acuosa.
40. Un sistema para la transesterificación/esterificación de una fuente de ácido graso seleccionado de triglicéridos, diglicéridos , monoglicéridos y cualquier mezcla de los mismos, dicha mezcla además comprende opcionalmente ácidos grasos libres, con un alcohol, para formar ésteres alquílicos de ácido graso, caracterizado porque comprende: un recipiente de reacción configurado para hacer reaccionar un medio de reacción que incluye una fuente de ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol en presencia de una preparación de lipasa inmovilizada, en donde la preparación de lipasa inmovilizada comprende una lipasa inmovilizada en un soporte poroso hidrofobico y en donde se agrega agua a dicha fuente de ácido graso o al medio de reacción.
41. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 y 40, caracterizado porque dicho recipiente de reacción comprende la preparación de una lipasa inmovilizada, al menos durante el funcionamiento de dicho sistema para la producción de dichos ésteres alquílicos de ácido graso.
42. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 41, caracterizado porque dicho recipiente de reacción comprende el ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol, al menos durante el funcionamiento de dicho sistema para la producción de dichos ésteres alquílicos de ácido graso.
43. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 42, caracterizado porque dicho medio de reacción comprende una mezcla, dicho sistema comprende adicionalmente un recipiente de pre-reacción en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de reacción, dicho recipiente de pre-reacción está configurado para premezclar al menos el ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol para formar dicha mezcla, y para suministrar selectivamente dicha mezcla a dicho recipiente de reacción al menos durante el funcionamiento de dicho sistema para la producción de dichos ásteres alquílicos de ácido graso .
44. El sistema de conformidad con la reivindicación 43, caracterizado además porque comprende una fuente de ácido graso en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y configurado para la administración selectiva del ácido graso a dicho recipiente de pre-reacción al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema, y una fuente de alcohol en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y configurado para el suministro selectivo de al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol a dicho recipiente de pre-reacción al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
45. El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado además porque comprende una fuente de buffer en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de pre-reacción y configurado para suministrar de modo selectivo al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua a dicho recipiente de pre-reacción incluido en dicha mezcla al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
46. El sistema de conformidad con la reivindicación 44 o reivindicación 45, caracterizado porque se configura para el suministro selectivo de uno o más del ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol a dicho recipiente de pre-reacción en un modo continuo al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
47. El sistema de conformidad con la reivindicación 45 o reivindicación 46, caracterizado porque se configura para el suministro selectivo en al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua a dicho recipiente de pre-reacción en un modo continuo al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
48. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 44 a 47, caracterizado porque se configura para el suministro selectivo de uno o más del ácido graso y al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol a dicho recipiente de pre-reacción en lotes discretos al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
49. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 45 a 48, caracterizado porque se configura para el suministro selectivo de al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua a dicho recipiente de pre-reacción en lotes discretos en al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
50. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 43 a 49, caracterizado porque dicho recipiente de pre-reacción se configura para el suministro selectivo de dicha mezcla a dicho recipiente de pre-reacción en un modo continuo en al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
51. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 43 a 50, caracterizado porque dicho recipiente de pre-reacción se configura para el suministro selectivo de dicha mezcla a dicho recipiente de pre-reacción en lotes discretos en al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
52. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 51, caracterizado porque el sistema se configura para el suministro selectivo y de manera directa a dicho recipiente de reacción en al menos uno del ácido graso; en al menos uno de un alcohol y un donador de alcohol; y al menos uno de una solución de buffer alcalina acuosa y agua.
53. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 52, caracterizado porque el recipiente de reacción comprende un sistema de regulación térmica configurado para mantener el medio de reacción en dicho recipiente de reacción dentro de un rango de temperatura seleccionado.
54. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 53, caracterizado además porque comprende un arreglo de retención configurado para retener la preparación de lipasa inmovilizada dentro de dicho recipiente de reacción al menos durante el funcionamiento de dicho sistema.
55. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 39 a 54, caracterizado además porque comprende un recipiente de separación de producto en comunicación fluida selectiva con dicho recipiente de reacción, dicho sistema se encuentra configurado para suministrar selectivamente una mezcla de reacción que incluye los productos de reacción de dicho recipiente de reacción a dicho recipiente de separación de producto, y en donde dicho recipiente de separación de producto está configurado para separar de modo selectivo una producción de los ésteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada a éste.
56. El sistema de conformidad con la reivindicación 55, caracterizado porque el recipiente de separación de producto comprende uno de un sistema de separación por gravedad y centrífuga.
57. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 55 y 56, caracterizado porque el recipiente de reacción está configurado para suministrar de modo selectivo dicha mezcla de reacción a dicho recipiente de r 73 separación de producto en un modo continuo al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
58. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 55 a 57, caracterizado porque el recipiente 5 de reacción está configurado para suministrar de modo selectivo dicha mezcla de reacción a dicho recipiente de separación de producto en lotes discretos al menos durante dicho funcionamiento de dicho sistema.
59. El sistema de conformidad con cualquiera de las 10 reivindicaciones 55 a 58, caracterizado porque se configura para suministrar de modo selectivo dicha producción de ásteres alquílicos de ácido graso de dicho recipiente de separación de producto.
60. El sistema de conformidad con la reivindicación 15 59, caracterizado porque se configura para suministrar de modo selectivo dicha producción de ásteres alquílicos de ácido graso de dicho recipiente de separación de producto en un modo continuo.
61. El sistema de conformidad con la reivindicación 20 59, caracterizado porque se configura para suministrar de modo selectivo dicha producción de ásteres alquílicos de ácido graso de dicho recipiente de separación de producto en lotes discretos.
62. El sistema de conformidad con cualquiera de las 25 reivindicaciones 55 a 61, caracterizado porque el sistema está configurado para incrementar dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada a dicho recipiente de separación de producto.
63. El sistema de conformidad con la reivindicación 62, caracterizado porque el sistema está configurado para redireccionar selectivamente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso a dicho recipiente de reacción para incrementar adicionalmente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso de la mezcla de reacción suministrada posteriormente a dicho recipiente de separación de producto .
64. El sistema de conformidad con la reivindicación 62, caracterizado porgue el sistema está configurado para redireccionar selectivamente dicha producción de los ésteres alquílicos de ácido graso a un módulo del reactor auxiliar, en donde dicho módulo del reactor auxiliar comprende un recipiente del reactor auxiliar y un recipiente de separación de producto auxiliar, en donde dicha producción incrementada adicionalmente de los ésteres alquílicos de ácido graso se suministra de modo selectivo posteriormente mediante un recipiente de separación de producto auxiliar.
65. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 37, dirigido en el sistema de cualquiera de las reivindicaciones 39 a 64
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