Supercritical transesterification of vegetable oil and ethanol: temperature and residence time effects on phase formation and water content

Supercritical transesterification has emerged as a readily available alternative for biodiesel production since no catalyst is required, thereby generating fewer waste products. In this research, the supercritical transesterification of refined vegetable oil and aqueous ethanol was carried out at temperatures 400 to 480 °C and a 12:1 ethanol to oil molar ratio, to assess the effect of temperature and residence time in the formation of a homogeneous phase, effluent appearance and increased water content derived from glycerol etherification. The results showed that water was produced at temperatures higher than 400 °C, as expected from the occurrence of glycerol etherification, and that prolonged times resulted in gas and soot formation, indicating esters decomposition. Through water mass balances, it was possible to identify the set of operation conditions in which the water formed from glycerol etherification matched with the maximum expected according to the proposed reaction scheme.

La transesterificación supercrítica se ha propuesto como una alternativa para la producción de biodiesel ya que no requiere catalizador de esta manera se generan menos residuos. En esta investigación, la transesterificación supercrítica de aceite vegetal refinado y etanol acuoso se llevó a cabo a temperaturas en el rango 400 a 480 °C y relación molar etanol a aceite de 12:1, para evaluar el efecto de la temperatura y el tiempo de residencia en la formación de una fase homogénea, apariencia del efluente e incremento del contenido de agua resultado de las reacciones de eterificación del glicerol. Los resultados mostraron que se produjo agua a temperaturas mayores a 400°C, atribuida a la eterificación del glicerol, y que tiempos de residencia prolongados resultaron en formación de gas y hollín, indicativo de reacciones de descomposición de esteres. A través de balances de masa, fue posible identificar el conjunto de condiciones de operación a las cuales el agua formada por la eterificación del glicerol coincide con el valor máximo esperado de acuerdo con el esquema de reacción propuesto.

A transesterificação supercrítica foi proposta como uma alternativa para a produção de biodiesel porque não requer catalisador e, dessa forma, gera menos resíduos. Nesta pesquisa, a transesterificação supercrítica de aceite vegetal refinado e etanol acuoso foi conduzida a temperaturas entre 400 e 480 °C e uma relação molar de etanol e aceite de 12: 1, para avaliar o efeito da temperatura e do tempo de residência na formação de uma fase homogênea, apariência do efluente e aumento do conteúdo de água resultante das reações de eterificação do glicerol. Os resultados mostraram que se produziu água a temperaturas maiores que 400°C, atribuída à eterificação do glicerol, e que os tempos de residência prolongados resultaram na formação de gás e hollín, indicativo de reações de decomposição de ésteres. Por meio de balanças de massa, foi possível identificar o conjunto de condições de operação em que a água formada pela eterificação do glicerol coincide com o valor máximo esperado de acordo com o esquema de reação proposto.

Toxicity and larvicidal activity on Aedes aegypti of citronella essential oil submitted to enzymatic esterification / Toxicidade e atividade larvicida sobre Aedes aegypti de óleo essencial de citronella submetido à esterificação enzimática

Abstract The essential oil of citronella (Cymbopogon winterianus) has several biological activities, among them the insect repellent action. Some studies showed that cinnamic acid esters can be applied as natural pesticides, insecticides and fungicides. In this context, the objective of the present work was to evaluate the production of esters from citronella essential oil with cinnamic acid via enzymatic esterification. Besides, the essential oil toxicity before and after esterification against Artemia salina and larvicidal action on Aedes aegypti was investigated. Esters were produced using cinnamic acid as the acylating agent and citronella essential oil (3:1) in heptane and 15 wt% NS 88011 enzyme as biocatalysts, at 70 °C and 150 rpm. Conversion rates of citronellyl and geranyl cinnamates were 58.7 and 69.0% for NS 88011, respectively. For the toxicity to Artemia salina LC50 results of 5.29 μg mL-1 were obtained for the essential oil and 4.36 μg mL-1 for the esterified oils obtained with NS 88011. In the insecticidal activity against Aedes aegypti larvae, was obtained LC50 of 111.84 μg mL-1 for the essential oil of citronella and 86.30 μg mL-1 for the esterified oils obtained with the enzyme NS 88011, indicating high toxicity of the esters. The results demonstrated that the evaluated samples present potential of application as bioinsecticide.

Resumo O óleo essencial de citronela (Cymbopogon winterianus) possui diversas atividades biológicas, entre elas a ação repelente a insetos. Alguns estudos mostraram que os ésteres do ácido cinâmico podem ser aplicados como pesticidas naturais, inseticidas e fungicidas. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi avaliar a produção de ésteres a partir do óleo essencial de citronela com ácido cinâmico via esterificação enzimática. Além disso, foi investigada a toxicidade do óleo essencial antes e após a esterificação contra Artemia salina e a ação larvicida sobre Aedes aegypti. Os ésteres foram produzidos utilizando ácido cinâmico como agente acilante e óleo essencial de citronela (3: 1) em heptano e 15% em peso da enzima NS 88011 como biocatalisadores, a 70 ° C e 150 rpm. As taxas de conversão de cinamatos de citronelil e geranil foram 58,7 e 69,0% para NS 88011, respectivamente. Para a toxicidade sobre Artemia salina foram obtidos CL50 de 5,29 μg mL-1 para o óleo essencial e 4,36 μg mL-1 para os óleos esterificados com NS 88011. Na atividade inseticida contra larvas de Aedes aegypti, obteve-se CL50 de 111,84 μg mL-1 para o óleo essencial de citronela e 86,30 μg mL-1 para os óleos esterificados com a enzima NS 88011, indicando alta toxicidade dos ésteres. Os resultados demonstraram que as amostras avaliadas apresentam potencial de aplicação como bioinseticida.

Toxicity and larvicidal activity on Aedes aegypti of citronella essential oil submitted to enzymatic esterification / Toxicidade e atividade larvicida sobre Aedes aegypti de óleo essencial de citronella submetido à esterificação enzimática

The essential oil of citronella (Cymbopogon winterianus) has several biological activities, among them the insect repellent action. Some studies showed that cinnamic acid esters can be applied as natural pesticides, insecticides and fungicides. In this context, the objective of the present work was to evaluate the production of esters from citronella essential oil with cinnamic acid via enzymatic esterification. Besides, the essential oil toxicity before and after esterification against Artemia salina and larvicidal action on Aedes aegypti was investigated. Esters were produced using cinnamic acid as the acylating agent and citronella essential oil (3:1) in heptane and 15 wt% NS 88011 enzyme as biocatalysts, at 70 °C and 150 rpm. Conversion rates of citronellyl and geranyl cinnamates were 58.7 and 69.0% for NS 88011, respectively. For the toxicity to Artemia salina LC50 results of 5.29 μg mL-¹ were obtained for the essential oil and 4.36 μg mL-¹ for the esterified oils obtained with NS 88011. In the insecticidal activity against Aedes aegypti larvae, was obtained LC50 of 111.84 μg mL-¹ for the essential oil of citronella and 86.30 μg mL-¹ for the esterified oils obtained with the enzyme NS 88011, indicating high toxicity of the esters. The results demonstrated that the evaluated samples present potential of application as bioinsecticide.

O óleo essencial de citronela (Cymbopogon winterianus) possui diversas atividades biológicas, entre elas a ação repelente a insetos. Alguns estudos mostraram que os ésteres do ácido cinâmico podem ser aplicados como pesticidas naturais, inseticidas e fungicidas. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi avaliar a produção de ésteres a partir do óleo essencial de citronela com ácido cinâmico via esterificação enzimática. Além disso, foi investigada a toxicidade do óleo essencial antes e após a esterificação contra Artemia salina e a ação larvicida sobre Aedes aegypti. Os ésteres foram produzidos utilizando ácido cinâmico como agente acilante e óleo essencial de citronela (3: 1) em heptano e 15% em peso da enzima NS 88011 como biocatalisadores, a 70 ° C e 150 rpm. As taxas de conversão de cinamatos de citronelil e geranil foram 58,7 e 69,0% para NS 88011, respectivamente. Para a toxicidade sobre Artemia salina foram obtidos CL50 de 5,29 μg mL-¹ para o óleo essencial e 4,36 μg mL-¹ para os óleos esterificados com NS 88011. Na atividade inseticida contra larvas de Aedes aegypti, obteve-se CL50 de 111,84 μg mL-¹ para o óleo essencial de citronela e 86,30 μg mL-¹ para os óleos esterificados com a enzima NS 88011, indicando alta toxicidade dos ésteres. Os resultados demonstraram que as amostras avaliadas apresentam potencial de aplicação como bioinseticida.

Toxicity and larvicidal activity on Aedes aegypti of citronella essential oil submitted to enzymatic esterification

Abstract The essential oil of citronella (Cymbopogon winterianus) has several biological activities, among them the insect repellent action. Some studies showed that cinnamic acid esters can be applied as natural pesticides, insecticides and fungicides. In this context, the objective of the present work was to evaluate the production of esters from citronella essential oil with cinnamic acid via enzymatic esterification. Besides, the essential oil toxicity before and after esterification against Artemia salina and larvicidal action on Aedes aegypti was investigated. Esters were produced using cinnamic acid as the acylating agent and citronella essential oil (3:1) in heptane and 15 wt% NS 88011 enzyme as biocatalysts, at 70 °C and 150 rpm. Conversion rates of citronellyl and geranyl cinnamates were 58.7 and 69.0% for NS 88011, respectively. For the toxicity to Artemia salina LC50 results of 5.29 g mL-1 were obtained for the essential oil and 4.36 g mL-1 for the esterified oils obtained with NS 88011. In the insecticidal activity against Aedes aegypti larvae, was obtained LC50 of 111.84 g mL-1 for the essential oil of citronella and 86.30 g mL-1 for the esterified oils obtained with the enzyme NS 88011, indicating high toxicity of the esters. The results demonstrated that the evaluated samples present potential of application as bioinsecticide.

Resumo O óleo essencial de citronela (Cymbopogon winterianus) possui diversas atividades biológicas, entre elas a ação repelente a insetos. Alguns estudos mostraram que os ésteres do ácido cinâmico podem ser aplicados como pesticidas naturais, inseticidas e fungicidas. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi avaliar a produção de ésteres a partir do óleo essencial de citronela com ácido cinâmico via esterificação enzimática. Além disso, foi investigada a toxicidade do óleo essencial antes e após a esterificação contra Artemia salina e a ação larvicida sobre Aedes aegypti. Os ésteres foram produzidos utilizando ácido cinâmico como agente acilante e óleo essencial de citronela (3: 1) em heptano e 15% em peso da enzima NS 88011 como biocatalisadores, a 70 ° C e 150 rpm. As taxas de conversão de cinamatos de citronelil e geranil foram 58,7 e 69,0% para NS 88011, respectivamente. Para a toxicidade sobre Artemia salina foram obtidos CL50 de 5,29 g mL-1 para o óleo essencial e 4,36 g mL-1 para os óleos esterificados com NS 88011. Na atividade inseticida contra larvas de Aedes aegypti, obteve-se CL50 de 111,84 g mL-1 para o óleo essencial de citronela e 86,30 g mL-1 para os óleos esterificados com a enzima NS 88011, indicando alta toxicidade dos ésteres. Os resultados demonstraram que as amostras avaliadas apresentam potencial de aplicação como bioinseticida.

Toxicity of clove essential oil and its ester eugenyl acetate against Artemia salina / Toxicidade do óleo essencial de cravo e seu éster acetato de eugenila contra Artemia salina

Abstract The production of compounds via enzymatic esterification has great scientific and technological interest due to the several inconveniences related to acid catalysis, mainly by these systems do not fit to the concept of “green chemistry”. Besides, natural products as clove oil present compounds with excellent biological potential. Bioactives compounds are often toxic at high doses. The evaluation of lethality in a less complex animal organism can be used to a monitoring simple and rapid, helping the identification of compounds with potential insecticide activity against larvae of insect vector of diseases. In this sense, the toxicity against Artemia salina of clove essential oil and its derivative eugenyl acetate obtained by enzymatic esterification using Novozym 435 as biocatalyst was evaluated. The conversion of eugenyl acetate synthesis was 95.6%. The results about the evaluation of toxicity against the microcrustacean Artemia salina demonstrated that both oil (LC50= 0.5993 µg.mL–1) and ester (LC50= 0.1178 µg.mL–1) presented high toxic potential, being the eugenyl acetate almost 5 times more toxic than clove essential oil. The results reported here shows the potential of employing clove oil and eugenyl acetate in insecticide formulations.

Resumo A produção de compostos via esterificação enzimática possui grande interesse científico e tecnológico devido às inúmeras inconveniências relacionadas com a catálise ácida, principalmente por estes sitemas não se adequarem ao atual termo “tecnologias limpas”. Além disso, produtos naturais como o óleo de cravo, apresentam compostos com excelentes potenciais biológicos. Compostos bioativos são quase sempre tóxicos em altas doses. A avaliação da letalidade em um organismo animal menos complexo pode ser usada para um monitoramento simples e rápido, servindo também para a identificação de compostos com potencial atividade inseticida contra larvas de insetos vetores de doenças. Neste sentido, foi determinada a toxicidade frente a Artemia salina do óleo essencial de cravo e do seu derivado acetato de eugenila obtido por esterificação enzimática com lipase Novozym 435. A conversão da reação de síntese de acetato de eugenila foi de 95,6%. Os resultados referentes à avaliação da toxicidade frente ao microcrustáceo Artemia salina demonstraram que tanto o óleo (LC50= 0,5993 µg.mL–1) quanto o éster (LC50= 0,1178 µg.mL–1) apresentam elevado potencial toxicológico, sendo que o éster apresenta aproximadamente 5 vezes mais toxicidade em relação ao óleo. Estes resultados demonstram o potencial emprego do óleo de cravo e de acetato de eugenila em formulações de inseticidas.

Estudo da viabilidade técnico-científica da produção de biodiesel a partir de resíduos gordurosos / Evaluate the waste fatty acid by scientific and technical study to obtain biodiesel

Os resíduos gordurosos provenientes de caixas de gordura foram avaliados como substrato para obtenção de biodiesel, em escala laboratorial. Os resíduos foram desemulsificados, purificados e submetidos à reação química de transesterificação com catálise alcalina e esterificação com catálise ácida para a obtenção de ésteres etílicos. O produto obtido foi purificado por adsorção em coluna de sílica, e caracterizado por cromatografia gasosa com sistema de detecção de massa. Os percentuais de conversão da gordura em ésteres etílicos foram calculados com o fechamento dos balanços de massa do processo. Os produtos obtidos foram purificados com o uso de processos secundários de forma a viabilizar sua utilização como bicombustível e insumo para diversos processos industriais, respectivamente.

Waste fatty acid, from fatty boxes was evaluated as feedstock to obtain biodiesel in a laboratory scale. The residues were desemulsified, purified and used to obtain ethyl esters, through the transesterification with alkaline catalysis and esterification with acid catalysis reactions. The product was purified by adsorption in column of silica, and characterized by GLC with mass detector. Using this methodology the fatty residues was converted in the ethyl esters showed the scientific e technical validation of this propose. The conversion of fatty acids in ethylic esters was calculated by mass balances processes same for the highs degradation of the residue evaluates. To purify the biodiesel and glycerol obtained was necessary secondary processes to increase the qualities of this full and to use the glycerin in many industrial processes.

Bio-synthesis and hydrolysis of ethyl phenylacetate and ethyl 2-phenylpropionate in organic solvent by lyophilized mycelia

To select the best biocatalysts for ethanol acylations with phenylacetic and 2-phenylpropionic acids, lyophilized mycelia of Aspergillus oryzae CBS 10207, A. oryzae MIM, Rhizopus oryzae CBS 11207, R. oryzae CBS 39134, R. oryzae CBS 26028 and R. oryzae CBS 32847 were tested in this study. The carboxylesterase activities of A. oryzae MIM and R. oryzae 11207, which revealed to be the best biocatalysts, were investigated either in 0.1 M phosphate buffer or in n-heptane to catalyze the hydrolysis or the synthesis of ethyl esters of these acids, respectively. A. oryzae proved more effective than R. oryzae, probably due to more favorable microenvironment conditions and thermodynamic scenario. The results in terms of product formation and substrate consumption versus time were used to estimate the maximum conversion yields, the equilibrium constants and the times needed to reach half maximum conversion, thus providing sufficient information about these equilibria.

Micélios liofilizados de Aspergillus oryzae CBS 10207, A. oryzae MIM, Rhizopus oryzae CBS 11207, R. oryzae CBS 39134, R. oryzae CBS 26028 e R. oryzae CBS 32847 foram testados neste estudo com vista à seleção do melhor biocatalisador para efetuar a acilação de etanol com ácidos fenilacético e 2-fenilpropiônico. As atividades carboxilesterásicas de A. oryzae MIM e R. oryzae 11207, que resultaram ser os melhores biocatalisadores, foram investigadas tanto em tampão fosfato 0,1 M como em n-heptano para catalisar a hidrólise ou a síntese dos ésteres etílicos destes ácidos. A. oryzae pareceu ser mais eficaz que R. oryzae, provavelmente devido a condições micro-ambientais e a um cenário termodinâmico mais favoráveis. Os resultados obtidos em termos de formação do produto e consumo dos substratos em função do tempo foram usados para a estimativa dos rendimentos de conversão máximos, as constantes de equilíbrio e os tempos necessários para alcançar metade da conversão máxima, fornecendo desta forma suficientes informações sobre esses equilíbrios.