Procesos integrados de biotransformación y separación de Interés Industrial en líquidos iónicos y disolventes eutécticos profundos

Abstract

La sostenibilidad de los procesos químicos es uno de los principales retos a los que se enfrenta el desarrollo industrial y se encuentra enmarcado dentro de los doce Principios de la Química Verde. La aplicación de dichos principios es fundamental para la construcción de una industria química limpia y eficaz, que deje la menor huella medioambiental. En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de procesos químicos integrados de reacción/separación, para la obtención directa de productos de alto valor añadido para la industria química. En concreto, se ha llevado a cabo la síntesis biocatalítica de diversos compuestos de interés en la industria cosmética, alimentaria y farmacéutica (monoésteres de pantenol y ésteres de aromas), así como de biodiesel a partir de fuentes renovables. La metodología empleada para alcanzar este objetivo es genuinamente original, ya que combina la elevada actividad y selectividad que presentan las enzimas con las excelentes cualidades de los medios de reacción no acuosos empleados: líquidos iónicos (ILs) y disolventes eutécticos profundos (DESs). Las principales conclusiones obtenidas con las actividades experimentales realizadas son: 1) Se han desarrollado dos metodologías para la obtención de monoésteres de pantenilo (pro-vitamina B5). La primera metodología se basó en la combinación de una lipasa con diferentes ILs para llevar a cabo la síntesis selectiva de estos compuestos mediante esterificación directa de ácidos grasos con pantenol y mediante transesterificación, empleando diferentes donadores de acilo. Se obtuvieron buenos rendimientos y selectividades en la síntesis de monoésteres de pantenilo cuando se emplearon ILs, basados en derivados alquílicos del catión imidazolio ([Xmim]+) y en aniones [BF4]- y [NTf2]- como medio de reacción. No obstante, también se pudo demostrar la capacidad del pantenol para formar mezclas eutécticas con diferentes ácidos grasos de larga longitud de cadena. De esta manera, se consiguió por primera vez, obtener un sistema líquido monofásico a partir de la mezcla de los dos sustratos sólidos (ácido graso y pantenol) tras su fusión a temperaturas próximas a 60ºC. Asimismo, se demostró la idoneidad de estos nuevos medios líquidos de reacción, que estaban exclusivamente formados por los propios sustratos de la reacción, en la síntesis biocatalítica de monoésteres de pantenilo, ya que se obtuvieron elevados rendimientos de síntesis (>80%) y selectividad de reacción (>93%), además de mantener activa y estable a la enzima durante siete ciclos operacionales de reutilización. 2) Se ha desarrollado una metodología eficiente para la síntesis biocatalítica de dieciséis ésteres de aromas en líquidos iónicos tipo esponja (SLILs). Para ello, se evaluó el empleo de lipasas inmovilizadas en la esterificación de ácidos carboxílicos con diferentes alcoholes alifáticos o aromáticos en diferentes SLILs. Además, se ha desarrollado un protocolo sencillo para la separación de los productos basada en la centrifugación tras enfriamiento de la mezcla SLIL/éster de aroma empleando filtros de membranas de nylon, obteniendo elevados rendimientos de extracción (>95%) y recuperando el sistema biocatalizador/SLIL, que se pudo reutilizar durante seis ciclos operacionales. 3) Se ha desarrollado un nuevo procedimiento integral para la extracción directa de aceite de dos microalgas y posterior síntesis biocatalítica in situ de biodiesel, incluyendo la separación final del biodiesel producido y recuperación del sistema biocatalizador/ILs. Para ello, se evaluó el papel de diferentes mezclas binarias de SLILs con [Bmim][Cl] en la extracción de aceite de Chlorella vulgaris o Chlorella protothecoides y biotransformación in situ en biodiesel. Se obtuvo la síntesis rápida y eficiente de biodiesel cuando se empleó una mezcla de ILs [C16tma][NTf2]:[Bmim][Cl] (95:5 v/v), pudiendo separar el biodiesel producido a través de un protocolo sencillo de enfriamiento/centrifugación a temperaturas controladas. Esta Tesis Doctoral propone metodologías originales, eficientes y sencillas, ya que integran la transformación biocatalítica, con elevada selectividad, de sustratos obtenidos a partir de fuentes renovables con la separación de productos sin el empleo de disolventes orgánicos. Estas aportaciones constituyen un importante aval hacia la construcción de una industria química más sostenible, ya que requieren bajo consumo energético y evitan la generación de subproductos de reacción, maximizando así la economía atómica de los procesos. Finalmente, y para todos los casos desarrollados, los sistemas de reacción/separación basados en la combinación del biocatalizador/ILs, fueron fácilmente recuperados y reutilizados durante diferentes ciclos operacionales.

ABSTRACT Sustainability of the processes is one of the most important challenges that industrial development has to face and it is included in the twelve Principles of Green Chemistry. The application of these principles is essential for the construction of a cleaner and more sustainable industry, with the least risk and environmental impact. Thus, the main aim of this PhD memory has been to develop integral protocols for the synthesis/separation of products with high value in the industry. Specifically, the biocatalytic synthesis of many compounds of interest in the cosmetic, food and pharmaceutical industry (panthenyl monoacyl esters and flavour esters) and biodiesel from renewable sources has been developed. The methodology used to achieve this aim is genuinely original, because it combines the high activity and selectivity of enzymes with the excellences of the non-aqueous reaction media employed: ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs). The main conclusions obtained with the experimental activities carried out are: 1) Two methodologies for producing panthenyl monoacyl esters (pro-vitamin B5) have been developed. The first one was based on the combination of a lipase with different ILs to carry out the selective synthesis of these compounds by two approaches: direct esterification of fatty acids with panthenol and through transesterification, using different acyl donors. High product yields and selectivities in the panthenyl monoacyl ester synthesis were obtained when IL based on the combination between imidazolium cation alkyl derivatives ([Xmim]+) with [BF4]- and [NTf2]- anions as reaction media were used. However, the ability of panthenol to form eutectic mixtures with fatty acids it was also demonstrated. This way, a single-phase liquid system was obtained for the first time from the mixture of the two solid substrates (fatty acid and panthenol) after melting at temperatures close to 60 °C. Additionally, the suitability of these new liquid reaction media, which were exclusively composed of the reaction substrates themselves, was demonstrated in the biocatalytic synthesis of panthenyl monoacyl esters, since high yields (>80%) and selectivities (>93%) were obtained and the enzyme was active and stable during seven operational cycles of reuse. 2) A methodology for the biocatalytic síntesis/separation of sixteen flavour esters in sponge-like ionic liquids (SLILs) has been developed. For this purpose, immobilized lipases and different SLILs were evaluated for the esterification of carboxylic acid with aliphatic and/or aromatic alcohols. Besides, a separation protocol based on the centrifugation after cooling the solid SLIL/flavour ester mixture through nylon membranes was successfully designed, obtaining high extraction yields (>95%) and recovering the biocatalyst/SLIL system, which could be reused for six consecutive operational cycles. 3) An integral protocol for the direct extraction and biocatalytic transformation of microalgae oil into biodiesel without prior isolation has been developed, including both the biodiesel final separation and the biocatalyst/ILs system recovery. For this purpose, different binary mixtures composed of SLILs with [Bmim][Cl] were evaluated for the extraction of microalgae oils from Chlorella vulgaris or Chlorella protothecoides microalgae and the in situ biodiesel biosynthesis. The fast and efficient biodiesel synthesis was obtained when a [C16tma][NTf2]:[Bmim][Cl] (95:5 v/v) mixture was employed. In addition, the algae biodiesel was separated from the IL/biocatalyst system through an easy cooling/centrifugation protocol at controlled temperatures. This PhD memory proposes original, efficient and simple protocols, since they integrate highly selective biocatalytic transformation of subtracts obtained from renewable sources and the separation of products without using any organic solvent. These contributions constitute an important guarantee towards the construction of a more sustainable chemical industry, because they require low energy consumption and avoid the generation of by-products, maximizing the atom economy of the processes. Finally, and for all the proposed strategies developed, the reaction/separation systems based on the combination of the biocatalyst/IL, were easily recovered and reused during different operational cycles.