Biodiesel production from alternative raw materials using a heterogeneous low ordered biosilicified enzyme as biocatalyst
- 1. National Technological University
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Description
Abstract Background Cumulative reported evidence has indicated that renewable feedstocks are a promising alternative source to fossil platforms for the production of fuels and chemicals. In that regard, the development of new, highly active, selective, and easy to recover and reuse catalysts for biomass conversions is urgently needed. The combination of enzymatic and inorganic heterogeneous catalysis generates an unprecedented platform that combines the advantages of both, the catalytic efficiency and selectivity of enzymes with the ordered structure, high porosity, mechanical, thermal and chemical resistance of mesoporous materials to obtain enzymatic heterogeneous catalysts. Enzymatic mineralization with an organic silicon precursor (biosilicification) is a promising and emerging approach for the generation of solid hybrid biocatalysts with exceptional stability under severe use conditions. Herein, we assessed the putative advantages of the biosilicification technology for developing an improved efficient and stable biocatalyst for sustainable biofuel production. Results A series of solid enzymatic catalysts denominated LOBE (low ordered biosilicified enzyme) were synthesized from Pseudomonas fluorescens lipase and tetraethyl orthosilicate. The microscopic structure and physicochemical properties characterization revealed that the enzyme formed aggregates that were contained in the heart of silicon-covered micelles, providing active sites with the ability to process different raw materials (commercial sunflower and soybean oils, Jatropha excisa oil, waste frying oil, acid oil from soybean soapstock, and pork fat) to produce first- and second-generation biodiesel. Ester content ranged from 81 to 93% wt depending on the raw material used for biodiesel synthesis. Conclusions A heterogeneous enzymatic biocatalyst, LOBE4, for efficient biodiesel production was successfully developed in a single-step synthesis reaction using biosilicification technology. LOBE4 showed to be highly efficient in converting refined, non-edible and residual oils (with high water and free fatty acid contents) and ethanol into biodiesel. Thus, LOBE4 emerges as a promising tool to produce second-generation biofuels, with significant implications for establishing a circular economy and reducing the carbon footprint.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة أشارت الأدلة التراكمية المبلغ عنها إلى أن المواد الأولية المتجددة هي مصدر بديل واعد للمنصات الأحفورية لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية. وفي هذا الصدد، هناك حاجة ماسة إلى تطوير محفزات جديدة نشطة للغاية وانتقائية وسهلة الاسترداد وإعادة الاستخدام لتحويلات الكتلة الحيوية. ينتج عن الجمع بين التحفيز الإنزيمي وغير العضوي غير المتجانس منصة غير مسبوقة تجمع بين مزايا كل من الكفاءة الحفازة وانتقائية الإنزيمات مع البنية المرتبة والمسامية العالية والمقاومة الميكانيكية والحرارية والكيميائية للمواد متوسطة المسام للحصول على محفزات إنزيمية غير متجانسة. يعد التمعدن الإنزيمي باستخدام سلائف السيليكون العضوي (السليكة الحيوية) نهجًا واعدًا وناشئًا لتوليد محفزات حيوية هجينة صلبة ذات استقرار استثنائي في ظل ظروف الاستخدام القاسية. هنا، قمنا بتقييم المزايا المفترضة لتكنولوجيا السليكة الحيوية لتطوير محفز حيوي محسن وفعال ومستقر لإنتاج الوقود الحيوي المستدام. النتائج تم تصنيع سلسلة من المحفزات الإنزيمية الصلبة المقومة بالفص (إنزيم منخفض السيليكا الحيوية) من ليباز الزائفة الفلورية ورباعي إيثيل أورثوسيليكات. كشفت البنية المجهرية وتوصيف الخصائص الفيزيائية الكيميائية أن الإنزيم شكل الركام الذي كان موجودًا في قلب المذيلات المغطاة بالسيليكون، مما يوفر للمواقع النشطة القدرة على معالجة المواد الخام المختلفة (زيوت عباد الشمس وفول الصويا التجارية، وزيت جاتروفا إكسيزا، وزيت قلي النفايات، والزيت الحمضي من مادة صابون فول الصويا، ودهون لحم الخنزير) لإنتاج وقود الديزل الحيوي من الجيل الأول والثاني. تراوح محتوى الاستر من 81 إلى 93 ٪ بالوزن اعتمادًا على المواد الخام المستخدمة في تخليق الديزل الحيوي. الاستنتاجات تم تطوير المحفز الحيوي الأنزيمي غير المتجانس، LOBE4، لإنتاج الديزل الحيوي الفعال بنجاح في تفاعل تخليقي أحادي الخطوة باستخدام تقنية السيليكة الحيوية. أظهر LOBE4 كفاءة عالية في تحويل الزيوت المكررة وغير الصالحة للأكل والزيوت المتبقية (التي تحتوي على نسبة عالية من الماء ومحتويات الأحماض الدهنية الحرة) والإيثانول إلى ديزل حيوي. وبالتالي، يظهر LOBE4 كأداة واعدة لإنتاج الجيل الثاني من الوقود الحيوي، مع آثار كبيرة على إنشاء اقتصاد دائري وتقليل البصمة الكربونية.Translated Description (French)
Contexte du résumé Les preuves cumulatives rapportées ont indiqué que les matières premières renouvelables sont une source alternative prometteuse aux plates-formes fossiles pour la production de carburants et de produits chimiques. À cet égard, il est urgent de développer de nouveaux catalyseurs hautement actifs, sélectifs et faciles à récupérer et à réutiliser pour la conversion de la biomasse. La combinaison de la catalyse hétérogène enzymatique et inorganique génère une plate-forme sans précédent qui combine les avantages des deux, l'efficacité catalytique et la sélectivité des enzymes avec la structure ordonnée, la porosité élevée, la résistance mécanique, thermique et chimique des matériaux mésoporeux pour obtenir des catalyseurs hétérogènes enzymatiques. La minéralisation enzymatique avec un précurseur de silicium organique (biosilicification) est une approche prometteuse et émergente pour la génération de biocatalyseurs hybrides solides d'une stabilité exceptionnelle dans des conditions d'utilisation sévères. Ici, nous avons évalué les avantages putatifs de la technologie de biosilicification pour développer un biocatalyseur amélioré, efficace et stable pour la production durable de biocarburants. Résultats Une série de catalyseurs enzymatiques solides dénommés LOBE (enzyme biosilicifiée de faible ordre) ont été synthétisés à partir de la lipase de Pseudomonas fluorescens et de l'orthosilicate de tétraéthyle. La caractérisation de la structure microscopique et des propriétés physico-chimiques a révélé que l'enzyme formait des agrégats contenus dans le cœur des micelles recouvertes de silicium, offrant aux sites actifs la capacité de traiter différentes matières premières (huiles commerciales de tournesol et de soja, huile de Jatropha excisa, déchets d'huile de friture, huile acide de savon de soja et graisse de porc) pour produire du biodiesel de première et de deuxième génération. La teneur en ester variait de 81 à 93 % en poids selon la matière première utilisée pour la synthèse du biodiesel. Conclusions Un biocatalyseur enzymatique hétérogène, LOBE4, pour une production efficace de biodiesel a été développé avec succès dans une réaction de synthèse en une seule étape utilisant la technologie de biosilicification. Le LOBE4 s'est avéré très efficace pour convertir les huiles raffinées, non comestibles et résiduelles (avec des teneurs élevées en eau et en acides gras libres) et l'éthanol en biodiesel. Ainsi, LOBE4 apparaît comme un outil prometteur pour produire des biocarburants de deuxième génération, avec des implications significatives pour la mise en place d'une économie circulaire et la réduction de l'empreinte carbone.Translated Description (Spanish)
Resumen Antecedentes La evidencia acumulada informada ha indicado que las materias primas renovables son una fuente alternativa prometedora a las plataformas fósiles para la producción de combustibles y productos químicos. En ese sentido, se necesita con urgencia el desarrollo de catalizadores nuevos, altamente activos, selectivos y fáciles de recuperar y reutilizar para las conversiones de biomasa. La combinación de catálisis heterogénea enzimática e inorgánica genera una plataforma sin precedentes que combina las ventajas de ambas, la eficiencia catalítica y selectividad de las enzimas con la estructura ordenada, alta porosidad, resistencia mecánica, térmica y química de los materiales mesoporosos para obtener catalizadores enzimáticos heterogéneos. La mineralización enzimática con un precursor de silicio orgánico (biosilicificación) es un enfoque prometedor y emergente para la generación de biocatalizadores híbridos sólidos con una estabilidad excepcional en condiciones de uso severas. En este documento, evaluamos las supuestas ventajas de la tecnología de biosilicificación para desarrollar un biocatalizador mejorado, eficiente y estable para la producción sostenible de biocombustibles. Resultados Se sintetizó una serie de catalizadores enzimáticos sólidos denominados LÓBULO (enzima biosilicificada de bajo orden) a partir de lipasa de Pseudomonas fluorescens y ortosilicato de tetraetilo. La estructura microscópica y la caracterización de las propiedades fisicoquímicas revelaron que la enzima formó agregados que estaban contenidos en el corazón de las micelas cubiertas de silicio, proporcionando sitios activos con la capacidad de procesar diferentes materias primas (aceites comerciales de girasol y soja, aceite de Jatropha excisa, aceite de freír de desecho, aceite ácido de sopa de soja y grasa de cerdo) para producir biodiesel de primera y segunda generación. El contenido de éster varió de 81 a 93% en peso dependiendo de la materia prima utilizada para la síntesis de biodiésel. Conclusiones Se desarrolló con éxito un biocatalizador enzimático heterogéneo, LOBE4, para la producción eficiente de biodiésel en una reacción de síntesis de una sola etapa utilizando tecnología de biosilicificación. LOBE4 demostró ser altamente eficiente en la conversión de aceites refinados, no comestibles y residuales (con alto contenido de agua y ácidos grasos libres) y etanol en biodiesel. Así, LOBE4 surge como una herramienta prometedora para producir biocombustibles de segunda generación, con implicaciones significativas para establecer una economía circular y reducir la huella de carbono.Files
s13068-021-01917-x.pdf
Files
(2.1 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:7ee4314a46068b1db452c2bd7eb1dfcb
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- إنتاج الديزل الحيوي من المواد الخام البديلة باستخدام إنزيم غير متجانس منخفض السليكات الحيوية كمحفز حيوي
- Translated title (French)
- Production de biodiesel à partir de matières premières alternatives en utilisant une enzyme biosilicifiée hétérogène de faible ordre comme biocatalyseur
- Translated title (Spanish)
- Producción de biodiésel a partir de materias primas alternativas utilizando una enzima biosilicificada heterogénea de bajo orden como biocatalizador
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3136751789
- DOI
- 10.1186/s13068-021-01917-x
References
- https://openalex.org/W1565644117
- https://openalex.org/W1827317711
- https://openalex.org/W1966650511
- https://openalex.org/W1971482512
- https://openalex.org/W1976236461
- https://openalex.org/W1977971878
- https://openalex.org/W1978629043
- https://openalex.org/W1982350871
- https://openalex.org/W1982545335
- https://openalex.org/W1998008547
- https://openalex.org/W1999825781
- https://openalex.org/W2001290593
- https://openalex.org/W2009807639
- https://openalex.org/W2017867199
- https://openalex.org/W2018669437
- https://openalex.org/W2021994434
- https://openalex.org/W2028527422
- https://openalex.org/W2047540389
- https://openalex.org/W2050919233
- https://openalex.org/W2057750326
- https://openalex.org/W2059634416
- https://openalex.org/W2061958599
- https://openalex.org/W2063694179
- https://openalex.org/W2069458286
- https://openalex.org/W2071046185
- https://openalex.org/W2077962142
- https://openalex.org/W2079013207
- https://openalex.org/W2079166422
- https://openalex.org/W2079569604
- https://openalex.org/W2087388628
- https://openalex.org/W2088412797
- https://openalex.org/W2090311495
- https://openalex.org/W2105823547
- https://openalex.org/W2121319025
- https://openalex.org/W2124008752
- https://openalex.org/W2133473193
- https://openalex.org/W2137150215
- https://openalex.org/W2140860465
- https://openalex.org/W2151788016
- https://openalex.org/W2162525431
- https://openalex.org/W2234819094
- https://openalex.org/W2262998679
- https://openalex.org/W2276529756
- https://openalex.org/W2325734377
- https://openalex.org/W2498017065
- https://openalex.org/W2507759766
- https://openalex.org/W2609455338
- https://openalex.org/W2751743037
- https://openalex.org/W2890347835
- https://openalex.org/W2969174454
- https://openalex.org/W3023605454
- https://openalex.org/W3047525832
- https://openalex.org/W4243253159
- https://openalex.org/W4255664210
- https://openalex.org/W4293247451
- https://openalex.org/W575513346