Ενζυμικά καταλυόμενη μετεστεροποίηση

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον αποτελεί η ενζυμική παραγωγή βιοντίζελ, στα πλαίσια της οποίας η καρδιά της επιστημονικής ομάδας της AGROENERGY έχει διεξάγει στο ΕΜΠ πειράματα μετεστεροποίησης ραφιναρισμένων και μη ραφιναρισμένων φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών με τη χρήση ειδικού ενζύμου ως βιοκαταλύτη, σε χαμηλές θερμοκρασίες (35^ο- 40^οC) και με στοιχειομετρικές μοριακές αναλογίες μεθανόλης/ελαίου (1:1 σε κάθε στάδιο της αντίδρασης). Το ένζυμο που χρησιμοποιήθηκε ήταν η λιπάση Β του μικροοργανισμού Candida Αntarctica. Οι λιπάσες ανήκουν στη κατηγορία των υδρολυτικών ενζύμων (υδρολάσες) και συγκεκριμένα στις υδρολάσες των καρβοξυλεστέρων. Δηλαδή, τα ένζυμα αυτά επιδρούν στους εστερικούς δεσμούς των γλυκεριδίων (μονο-, δι- και τργλυκεριδίων) των ελαίων και λιπών υδρολύοντάς τους. Σε συστήματα όπου η περιεκτικότητα σε νερό είναι πολύ χαμηλή (μη συμβατικά συστήματα) και παρουσία οργανικών διαλυτών έχει διαπιστωθεί ότι οι λιπάσες μπορούν να καταλύουν αποδοτικά αντιδράσεις μετεστεροποίησης γλυκεριδίων και εστεροποίησης λιπαρών οξέων με κάποια αλκοόλη. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται περιπτώσεις ενζυμικής μεθανόλυσης φυτικών ελαίων και χωρίς τη χρήση οργανικών διαλυτών, με ή χωρίς την προσθήκη νερού. Μάλιστα, η πραγματοποίηση της αντίδρασης αυτής χωρίς την παρουσία κάποιου οργανικού διαλύτη είναι μεγάλης βιομηχανικής σημασίας, καθώς στο τελικό στάδιο αποφεύγονται οι δαπανηρές διεργασίες διαχωρισμού και ανάκτησης του διαλύτη.

 

Η μετεστεροποίηση (αλκοόλυση, μεθανόλυση στην περίπτωση χρήσης της μεθανόλης) των μονο-, δι- και τρι-γλυκεριδίων αλλά και η εστεροποίηση των ελεύθερων λιπαρών οξέων πραγματοποιούνται μέσω ενός ενδιάμεσου ακυλοενζύμου, δηλαδή ενός ενεργού συμπλόκου μεταξύ μιας ακυλομάδας που ανήκει στο υπόστρωμα (γλυκερίδιο) και μιας δραστικής πυρηνόφιλης ομάδας (δραστικό αμινοξύ) του ενεργού κέντρου του ενζύμου.

Ο ακριβής μηχανισμός εξαρτάται από το περιβάλλον του ενζυμικού συστήματος, όπως το υδατικό περιεχόμενο, η παρουσία ή απουσία μη πολικού (ή και πολικού) οργανικού διαλύτη και κυρίως η διαμόρφωση και η εξειδίκευση του ενζύμου.

 

Γενικά, οι μηχανισμοί παραγωγής βιοντίζελ με χρήση ενζύμων και ειδικότερα λιπασών από φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη και μία αλκοόλη (π.χ. μεθανόλη) είναι δύο.

 

Στον πρώτο μηχανισμό, αρχικά υδρολύονται τα τριγλυκερίδια από το νερό της λιπάσης με την καταλυτική βοήθεια της λιπάσης. Στη συνέχεια, τα ελεύθερα λιπαρά οξέα εστεροποιούνται από τη μεθανόλη προς παραγωγή μεθυλεστέρων, επίσης με την καταλυτική βοήθεια της λιπάσης. Με τον ίδιο τρόπο μετατρέπονται τα δι- και μονο-γλυκερίδια. Και στις δύο αντιδράσεις (υδρόλυση και εστεροποίηση) η λιπάση λειτουργεί μέσω του ενδιάμεσου ακυλοενζύμου. Η ενζυμική εστεροποίηση ακολουθεί μηχανισμό 2 υποστρωμάτων και 2 προϊόντων (Bi Bi) με δύο παραλλαγές, τον μηχανισμό ορισμένης τάξης και το μηχανισμό ping pong Bi Bi.

Στον μηχανισμό ping pong για την εστεροποίηση των ελεύθερων λιπαρών οξέων παρουσία της λιπάσης, αρχικά το ελεύθερο λιπαρό οξύ προσδένεται στο ελεύθερο ένζυμο σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο λιπαρό οξέος- ενζύμου. Εναλλακτικά, στο ελεύθερο ένζυμο μπορεί να προσδεθεί μόριο αλκοόλης (μεθανόλης) σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο αλκοόλης-ενζύμου, το οποίο δεν παρέχει προϊόντα. Στη συνέχεια, το ενδιάμεσο λιπαρό οξύ-ένζυμο μετασχηματίζεται μέσω ισομερισμού σε ένα ακυλοενδιάμεσο (ακυλιωμένο ένζυμο) και απελευθερώνεται το πρώτο προϊόν (νερό). Έπειτα, το δεύτερο υπόστρωμα (η αλκοόλη) συνδέεται στο ακυλοενδιάμεσο για τον σχηματισμό ενός άλλου δυαδικού συμπλόκου, το οποίο τελικά διασπάται και δίνει τον εστέρα (τελικό προϊόν) και το ελεύθερο ένζυμο. Τα παραγόμενα διγλυκερίδια υδρολύονται παρόμοια από το ένζυμο προς μονογλυκερίδια και ελεύθερα λιπαρά οξέα και τέλος τα μονογλυκερίδια υδρολύονται προς γλυκερίνη και ελεύθερα λιπαρά οξέα. Προφανώς, τα ελεύθερα λιπαρά οξέα, που προϋπάρχουν στο έλαιο, εστεροποιούνται από τη μεθανόλη με τον ίδιο τρόπο.

 

Στον δεύτερο μηχανισμό, τα τριγλυκερίδια αντιδρούν απευθείας με τη μεθανόλη (μετεστεροποίηση), οπότε παράγονται μεθυλεστέρες, διγλυκερίδια και μονογλυκερίδια και γλυκερίνη. Η αντίδραση αυτή ουσιαστικά είναι μία αντίδραση μεταφοράς ακυλομάδων, για την οποία έχει προταθεί ο μηχανισμός μη αντιστρεπτού ping pong με παρεμπόδιση αδιεξόδου από την αλκοόλη.

Ο μηχανισμός ping pong για τη μετεστεροποίηση (αλκοόλυση) των τριγλυκεριδίων παρουσία της λιπάσης είναι ίδιος με τον αντίστοιχο της εστεροποίησης. Αρχικά, το τριγλυκερίδιο (TG) προσδένεται στο ελεύθερο ένζυμο (Ε) σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο λιπαρό τριγλυκεριδίου-ενζύμου (ETG). Εναλλακτικά, στο ελεύθερο ένζυμο μπορεί να προσδεθεί μόριο μεθανόλης σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο αδιεξόδου μεθανόλης- ενζύμου (E-MeOH), το οποίο δεν παρέχει προϊόντα. Στη συνέχεια, το ενδιάμεσο τριγλυκεριδίου-ενζύμου (ETG) μετασχηματίζεται μέσω ισομερισμού σε ακυλοενδιάμεσο F (ακυλιωμένο ένζυμο) και απελευθερώνεται το πρώτο προϊόν (διγλυκερίδιο, DG). Έπειτα, το δεύτερο υπόστρωμα (μεθανόλη, MeOH) συνδέεται με το ακυλοενδιάμεσο (F) για τον σχηματισμό ενός άλλου δυαδικού συμπλόκου (F-MeOH), το οποίο τελικά διασπάται και δίνει τον μεθυλεστέρα (MeCOR, τελικό προϊόν) και το ελεύθερο ένζυμο (Ε). Το παραγόμενο διγλυκερίδιο (DG) αντιδρά παρόμοια με το ένζυμο και δίνει μονογλυκερίδιο (MG) και μεθυλεστέρα (MeCOR). Στη συνέχεια, το μονογλυκερίδιο μετατρέπεται σε άλλο ένα μόριο μεθυλεστέρα και ένα μόριο γλυκερίνης. Στον μηχανισμό αυτόν δεν λαμβάνεται υπόψη η επίδραση των προϊόντων (παρεμπόδιση από μονο-, δι-γλυκερίδια και εστέρες).

 

Σε αρκετές περιπτώσεις έχει προταθεί ο απλούστερος μηχανισμός Bi Bi ordered (μη αντιστρεπτός) για την αλκοόλυση, σύμφωνα με τον οποίο αρχικά σχηματίζεται ένα δυαδικό σύμπλοκο τριγλυκεριδίου-ενζύμου (E-TG), το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από ένα μόριο μεθανόλης, οπότε σχηματίζεται το τριπλό σύμπλοκο E-ΤG-MeOH, το οποίο διασπάται αναντίστρεπτα προς διγλυκερίδιο (DG), μεθυλεστέρα (ME) και ελεύθερο ένζυμο (E). Γίνεται δεκτή η συναγωνιστική παρεμπόδιση από τη μεθανόλη (σύμπλοκο Ε-MeOH). Παρόμοια αντιδρούν, στη συνέχεια, τα διγλυκερίδια και τα μονογλυκερίδια με το ένζυμο και τη μεθανόλη.