Lipasi immobilizzata su MOF per catalisi eterogenea

The aim of this thesis is to create a bifunctional material composed of Hf-MOF and an enzyme (lipase from Candida rugosa), to catalyze a reaction that starts from molecule derived from biomass (HMF-hydroxymethylfurfural) to produce a plastic precursor, BHMF-diestere (BHMF-bishydroxymethylfurfural). The reaction is catalyzed by the MOF for the reduction from HMF to BHMF and by lipase in the transesterification from BHMF to BHMF-diestere. This reaction is interesting when placed in an industrial and environmental sustainability context, as the idea is to start from molecules derived from biomass (HMF), a renewable source, to produce a plastic precursor, BHMF-diestere. The research activity began with the selection and synthesis of three MOFs all derived from the UiO-66 structure, having hafnium instead of zirconium, with different porosities. The choice of pore size was dictated by the size of the lipase enzyme, as it was intended to synthesize: - a MOF with pores that do not allow access to the lipase (HPU-0 with a microporous structure with pores smaller than 2nm); - a MOF with pores the same size as the lipase (HPU9 with a micro/mesoporous structure with a size of about 5.2nm); - a MOF with pores larger than the lipase (HPU-5 with a micro/mesoporous structure with a size of about 7.9nm). The materials were functionalized with the amino acid proline to subsequently immobilize the lipase. In each step, characterization analyses were carried out using: X-ray diffraction (XRD), surface area measurements (BET), and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The quantification of the bound lipase was then carried out through the analysis of immobilization and washing liquids of the material, by hydrolysis of 4-nitrophenyl palmitate catalyzed by lipase, and no activity was obtained. The catalytic activity of the lipase anchored to the materials was then studied, and it was seen that, compared to the activity of free lipase, the prepared catalysts are all active, although with slower kinetics than the free lipase. During a period at the Instituto de Tecnología Química in Valencia, the first reaction was studied and optimized starting from HMF and leading to the production of BHMF catalyzed by MOF, in the presence of isopropanol (which acts as a reagent and solvent). Subsequently, the second reaction, which allows, through lipase as a catalyst, to go from the product of the first reaction, BHMF, to the final product BHMF-diestere, was studied and optimized using isopropyl acetate as a reagent for the ester groups' donation and in 2-methyl-THF as a solvent. Finally, after individually optimizing the two parts of the cascade reaction, an attempt was made to carry out the reaction continuously with a BHMF-diestere yield of 57%. One of the most interesting aspects of this research work is the recyclability of the catalyst. Three recyclings of the most promising materials were carried out. The conclusion from the data collected is that, although there is still work to be done, the material is recyclable, and the activity of the lipase appears to remain constant between one catalytic cycle and the next.

Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare un materiale bifunzionale composto da Hf-MOF ed enzima (lipasi da candida rugosa), per la catalisi di una reazione che parte da molecole provenienti dalla biomassa (HMF-idrossimetilfurfurale) per arrivare alla produzione di un precursore della plastica, il BHMF-diestere (BHMF-bisidrossimetilfurfurale). La reazione è catalizzata dal MOF per la riduzione da HMF a BHMF e dalla lipasi nella transesterificazione da BHMF a BHMF-diestere. Questa reazione risulta interessante se inserita in un contesto sia industriale che di sostenibilità ambientale, in quanto l’idea è quella di partire da molecole provenienti dalla biomassa (HMF), fonte rinnovabile, per arrivare alla produzione di un precursore della plastica il BHMF-diestere. Nell’attività di ricerca si è partiti con la scelta e la sintesi di tre MOF tutti derivanti dalla struttura dell’UiO-66, avente l’afnio al posto dello zirconio, con diverse porosità. La scelta della dimensione dei pori è stata dettata dalla dimensione dell’enzima lipasi, in quanto si è voluto sintetizzare: - un MOF con dei pori che non permettessero l’accesso alla lipasi (HPU-0 con struttura microporosa con pori di dimensione inferiore ai 2nm); - un MOF con dei pori che avessero la stessa dimensione della lipasi (HPU-9 con struttura micro/mesoporosa con dimensione di circa 5,2nm); - un MOF con dei pori che avessero delle dimensioni maggiori rispetto a quelle della lipasi (HPU-5 con struttura micro/mesoporosa con dimensione di circa 7,9nm). Si sono funzionalizzati i materiali mediante l’amminoacido prolina per poter successivamente immobilizzare la lipasi. Sono stati eseguiti, in ogni step, delle analisi di caratterizzazione mediante: diffrazione di raggi X (XRD), misure dell’area superficiale (BET) e microscopia a scansione elettronica con sorgente ad emissione di campo (FE-SEM). Si è poi proceduto alla quantificazione della lipasi legata per mezzo dell’analisi dei liquidi di immobilizzazione e di lavaggio del materiale, mediante l’idrolisi del 4-nitrofenyl palmitato catalizzata dalla lipasi e non si è ottenuta alcuna attività. Si è andata a studiare l’attività catalitica della lipasi ancorata ai materiali e si è visto che in confronto all’attività della lipasi libera i catalizzatori preparati risultano tutti attivi, seppur con cinetiche più lente della lipasi libera. Durante un periodo presso l’Instituto de Tecnoligía Química di Valencia, si è studiata e ottimizzata la prima reazione che parte dall’HMF e arriva alla produzione del BHMF catalizzata dal MOF, in presenza di isopropanolo (che funge da reagente e da solvente). Successivamente si è studiata ed ottimizzata la seconda reazione che permette, per mezzo della lipasi come catalizzatore, di andare dal prodotto dalla prima reazione, BHMF, al prodotto finale BHMF-diestere, mediante l’utilizzo di isopropyl acetato come reagente per la donazione dei gruppi estere e in 2metyl-THF come solvente. Infine, dopo aver ottimizzato singolarmente le due parti della reazione a cascata si è eseguito un tentativo di reazione in maniera continua con una resa di BHMF-diestere del 57%. Uno degli aspetti più interessanti di questo lavoro di ricerca è la riciclabilità del catalizzatore. Si sono eseguiti 3 ricicli dei materiali più promettenti. Quello che si può concludere con i dati raccolti è che, seppur ci sia ancora da lavorare, il materiale risulta riciclabile e l’attività della lipasi sembra rimanere costante tra un ciclo catalitico e il successivo.