para contato:

Transcrição

1 OBTENÇÃO DE DADOS DE EQUILÍBRIO PARA O SISTEMA DE DUAS FASES AQUOSAS COMPOSTO POR (NH 4 ) 2 SO 4 + PEG + H 2 O A 298,15 E 318,15 K PELA METODOLOGIA PROPOSTA POR MERCHUK (1998) D. A. SAMPAIO¹, F. B. S. HOBI 2, F. O. FARIAS 1, L. IGARASHI-MAFRA 1, M. R. MAFRA 2 1 Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharia de Alimentos 2 Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharia Química para contato: filipehobi@yahoo.com.br RESUMO Sistemas de duas fases aquosas (SDFA) correspondem a uma mistura de soluções compostas, principalmente, por polímeros/sais inorgânicos, sendo que ambas as fases devem ser formadas predominantemente por água. Entre suas aplicações estão a separação, concentração e fracionamento de solutos e partículas biológicas. Este trabalho teve como objetivo investigar a metodologia proposta por Merchuk (1998) para obtenção de dados de equilíbrio para SDFA. Foram utilizados sistemas compostos por (NH 4 ) 2 SO 4 + PEG 1000/1500/ H 2 O. Neste trabalho, as curvas binodais foram obtidas a 298,15 K e linhas de amarração a 298,15 K e 318,15 K, com o intuito de avaliar o efeito da temperatura sobre estas. Os resultados indicaram que o método utilizado apresenta boa reprodução de dados obtidos de maneira analítica, além de serem considerados termodinamicamente consistentes de acordo com as correlações de Hand e Othmer-Tobias. Palavras-Chave: sistema de duas fases aquosas, polietilenoglicol, sulfato de amônio, equilíbrio líquido-líquido, Merchuk (1998). 1. INTRODUÇÃO Os sistemas de separação em duas fases aquosas (SDFA) são formados por uma mistura de duas soluções de diferentes componentes, porém ambas formadas predominantemente por água (60% - 95 %). As fases formadoras destes sistemas podem ser compostas por misturas polímero-polímero, polímero-sal ou ainda sal-solventes orgânicos, sendo a interação destes componentes responsável pelas propriedades físico-químicas presentes nas duas fases. Em aspectos termodinâmicos, a formação das duas fases ocorre em função da entalpia de hidratação e entropia do sistema (WALTER e JOHANSSON, 1994; BENAVIDES et al., 2011). A obtenção dos dados de equilíbrio líquido-líquido (ELL) e construção do diagrama de fases têem como objetivo prever o volume e a composição das duas fases, sendo a caracterização

2 completa do diagrama de fases de extrema importância para a compreensão das variáveis do sistema que irão influenciar a separação dos componentes por meio destes sistemas de duas fases, além de mostrar o perfil único de cada sistema em determinadas condições (WILLAUER et al., 2002; ASENJO E ANDREWS, 2011). Os dados de equilíbrio líquido-líquido são obtidos por meio de métodos de quantificação analítica das fases do sistema, porém Merchuk et al. (1998) propuseram um método gravimétrico para obtenção dos dados de equilíbrio quando as técnicas analíticas não estão disponíveis. Desta forma, este trabalho tem por objetivo investigar a metodologia proposta por Merchuk et al. (1998) para obtenção de dados de equilíbrio para SDFA para os sistemas compostos por (NH 4 ) 2 SO 4 + PEG 1000/1500/ H 2 O a 298,15 e 318,15 K. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais Foi utilizado o PEG de massa molar 1000 g mol -1 (Sigma-Aldrich), 1500 g mol -1 (Sigma- Aldrich), 2000 g mol -1 (Sigma-Aldrich). O sal e outros reagentes utilizados eram de grau analítico. Todos os reagentes foram utilizados sem purificação prévia. A água utilizada na preparação dos sistemas aquosos foi do Tipo Métodos Curva Binodal: Os experimentos de obtenção das curvas binodais foram realizados em um reator encamisado de vidro com agitação conectado a um banho termostático com circulação de água (Lab Compain, RW-1025G, ± 0,5 ºC) (Figura 1), a temperatura de 298,15 K. Inicialmente, foram preparadas soluções aquosas de PEG a 50 % (m/m) e sal a 42 % (m/m). A determinação experimental da curva binodal foi realizada pelo método de ponto de névoa (Kaul 2000). Este método consiste em adicionar a solução de sal a uma solução de PEG ou uma solução de PEG a uma solução de sal, até que o sistema apresente turvação (ponto de névoa). Depois de obtido o ponto de névoa, são pesadas as quantidades de solução de PEG (ou sal) restante da solução estoque, determinando assim a quantidade de PEG (ou sal) adicionado no sistema. Adicionou-se ao sistema água gota a gota com o auxílio de uma pipeta de Pasteur até que este se tornasse límpido novamente, a quantidade de água também foi quantificada tarando o béquer que continha água no início e pesando no final. Este procedimento foi repetido até que os pontos suficientes para a construção da curva binodal fossem obtidos. Vale ressaltar a importância de manter a temperatura e a agitação constante, uma vez que a mudança destes provoca o deslocamento da curva binodal, mudando assim a região bifásica, o que implica em uma maior ou menor concentração do sal e do polímero necessários para a formação do sistema.

3 Figura 1 Esquema do aparato experimental contendo um banho termostático com circulação de água (1), agitador magnético (2) e reator encamisado (3). Linhas de Amarração: A determinação das linhas de amarração foi realizada utilizando soluções com concentrações situada dentro da região de miscibilidade parcial. Foram selecionados 6 pontos globais para cada sistema PEG-Sal. Os sistemas foram formados com a adição de quantidade adequada de solução de PEG, sal e água para uma massa total do sistema de 12 g, em tubos de centrífuga graduados com fundo cônico. A mistura foi agitada em agitador vortex (Gomixer, MX-S) até a solubilização total. Em seguida as amostras foram mantidas em repouso em banho termostático a 298,15 K durante 24 horas. Após este tempo, as fases foram cuidadosamente separadas com o auxílio de uma pipeta de Pasteur e pesadas. Para a obtenção das composições das fases topo e fundo, foi aplicado o método gravimétrico descrito por Merchuck et al (1998), no qual a composição de cada fase não é quantificada analiticamente e sim calculada por meio de um sistema de equações. Este método consiste em regredir matematicamente os dados da curva binodal e obter os parâmetros A,B,C através da equação 1. Y= A.exp (-B.X0,5 C.X3) (1) A composição de cada fase é calculada regredindo linearmente o sistema de equações composto por 4 incógnitas e pelas equações (2), (3), (4) e (5).!" = $% & - ()& &.!+ +,- (2) (3) (4) 0!" = $. exp ). *" -/. *"!" = $. exp (+.," -,/ -1.," 2 ) $ ()&!" = %.!+ & (5) & Onde: YT: Composição de PEG da fase topo XT: Composição de Sal da fase topo YB: Composição de PEG da fase base α: Massa de sal/ Massa total (m/m) 3 RESULTADO E DISCUSSÕES XB: Composição de Sal da fase base YM: Composição global de Sal XM: Composição global de PEG

4 3.1 Curva Binodal Os dados de binodal obtidos para os sistemas compostos por PEG1000/1500/ (NH4)2SO4 + H2O a 298,15 K estão apresentados na Figura 2 e a comparação com os dados da literatura na Figura 3. A curva binodal demarca a região em que o sistema deixa de ser monofásico (região abaixo da curva) e passa a ser bifásico (região acima da curva). Figura 2 Curva binodal dos sistemas compostos por PEG1000, 1500 e (NH4)2SO4 + H2O a 298,15 K. Figura 3 Comparação das curvas binodais obtidas neste trabalho e por Gao et al. (1991) para os sistemas contendo PEG1000, PEG1500 e PEG 2000 a 298,15 K.

5 Analisando a Figura 2 pode-se observar que, como esperado, houve um aumento da região bifásica com o aumento da massa molar do PEG. A Figura 3 apresenta as binodais obtidas neste trabalho. Pode-se afirmar que as curvas binodais obtidas seguiram a mesma tendência das curvas descritas por Gao et al (1991), do mesmo modo, a região bifásica encontrada foi semelhante. 3.2 Linhas de Amarração Os dados de ELL para os sistemas PEG 1000/1500/ (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 298,15 K, foram reportados na literatura por Gao et al (1991). Estes autores quantificaram a composição das fases topo e fundo através de metodologias analíticas, mais especificamente, o sal foi quantificado pelo método de formaldeído e o PEG foi quantificado utilizando o método de secagem a 70 C, no qual a quantidade de PEG é obtida pela subtração da quantidade de sal já determinada pelo método de formaldeído. A fim de validar a metodologia gravimétrica proposta por Merchuk (1998) para obtenção das linhas de amarração, neste trabalho foram investigados os mesmos sistemas, nas mesmas condições de temperatura. Entretanto, diferentemente do trabalho de Gao et al (1991), neste trabalho linhas de amarração foram obtidas pela metodologia proposta por Merchuk (1998). Na Tabela 1, estão apresentados os dados de ELL para os sistemas PEG 1000/1500/ (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 298,15 K obtidos neste trabalho. Tabela 1 - Dados das linhas de amarração investigados para os sistemas a 298,15 K. Composição Global Fase Topo Fase Fundo X y x y x y PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1442 0,1442 0,0834 0,2540 0,1915 0,0452 0,1581 0,1580 0,0559 0,3398 0,2286 0,0164 0,1719 0,1721 0,0329 0,4394 0,2556 0,0065 0,1856 0,1855 0,0245 0,4905 0,2762 0,0029 0,1991 0,1980 0,0182 0,5379 0,3029 0,0008 0,2125 0,2112 0,0143 0,5752 0,3260 0,0002 PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1367 0,1382 0,0544 0,3151 0,1924 0,0189 0,1513 0,1543 0,0377 0,3941 0,2215 0,0062 0,1627 0,1647 0,0293 0,4452 0,2399 0,0026 0,1747 0,1742 0,0238 0,4854 0,2586 0,0010 0,1853 0,1976 0,0190 0,5283 0,2845 0,0002 0,1994 0,1980 0,0159 0,5603 0,2996 0,0001 PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1247 0,1243 0,0633 0,2673 0,1675 0,0244 0,1363 0,1372 0,0511 0,3172 0,1896 0,0100 0,1487 0,1484 0,0362 0,3916 0,2128 0,0032 0,1600 0,1601 0,0266 0,4532 0,2314 0,0011 0,1728 0,1722 0,0222 0,4880 0,2544 0,0002 0,1862 0,1861 0,0185 0,5211 0,2793 0,0000

6 Neste trabalho foram utilizadas composições globais diferentes das utilizadas por Gao et al (1991). Assim, optou-se como base de comparação para validação da metodologia proposta por Merchuk (1998), o valor médio da inclinação das linhas de amarração (ILA). Na Tabela 2 estão apresentados os valores médios de ILA obtidos neste trabalho e por Gao et al (1991), onde é possível observar que os valores estão muito próximos. O valor de erro absoluto encontrado para a amostra de PEG1000 é de 2,46 % do valor de ILA médio, para o PEG1500 o valor do erro absoluto encontrado foi maior, isto deve-se ao fato que o PEG utilizado por Gao et al (1991) tinha massa molar de Uma vez que a metodologia de obtenção das linhas de amarração foi considerada válida, os sistemas foram investigados em relação ao efeito da temperatura de equilíbrio. Para tanto, dados de ELL foram obtidos na temperatura de 318,15 K. Tabela 2 - Valores Médios da inclinação da linha de amarração (ILA) e do comprimento médio das linhas de amarração (CLA) para os sistema de PEG1000/1500/2000 +(NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 298,15K. Parâmetros PEG 1000 PEG 1500 PEG 2000 ILA* CLA* ILA* CLA* ILA* CLA* 298,15 K -1,903 0,483-2,064 0,500-2,175 0, ,15 K (GAO, 1991) -1,950 0,241-2,315 0,235-2,22 0,274 Erro Absoluto 0,047-0,251** - 0,045 - * Valores em média; **Gao et al (1991) utilizou PEG Para sistemas PEG-sal é esperado que um aumento na temperatura provoque um aumento (do valor em módulo) da inclinação média da linha de amarração (Claros et al, 2014) pois quanto maior a temperatura maior a hidrofobicidadade do polímero de forma que maior quantidade de água será excluída da fase topo, aumentando a concentração de PEG nesta fase e portanto a inclinação da linha de amarração. Além disto, o aumento da temperatura está relacionado com o aumento do comprimento da linha de amarração (CLA), para uma mesma composição global, visto que com o aumento da temperatura há um aumento da região bifásica. Na Tabela 3 estão apresentados os dados de ELL para os sistemas PEG 1000/1500/ (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 318,15 K.

7 Tabela 3 - Dados das linhas de amarração investigados para os sistemas a 318,15 K. Composição Global Fase Topo Fase Fundo x y x y x y PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1473 0,1490 0,0659 0,3060 0,1935 0,0431 0,1603 0,1603 0,0367 0,4202 0,2282 0,0166 0,1736 0,1723 0,0255 0,4836 0,2524 0,0073 0,1852 0,1876 0,0175 0,5443 0,2718 0,0034 0,1991 0,1982 0,0151 0,5669 0,2974 0,0011 0,2123 0,2112 0,0126 0,5928 0,3212 0,0003 PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1365 0,1381 0,0458 0,3530 0,1848 0,0243 0,1512 0,1542 0,0310 0,4340 0,2136 0,0086 0,1695 0,1629 0,0225 0,4962 0,2401 0,0026 0,1754 0,1715 0,0191 0,5269 0,2586 0,0010 0,1861 0,1976 0,0173 0,5456 0,2818 0,0002 0,1994 0,1978 0,0153 0,5672 0,2979 0,0001 PEG (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O 0,1244 0,1247 0,0509 0,3180 0,1625 0,0292 0,1366 0,1369 0,0365 0,3899 0,1883 0,0106 0,1488 0,1482 0,0313 0,4208 0,2113 0,0034 0,1549 0,1607 0,0223 0,4872 0,2260 0,0015 0,1703 0,1711 0,0185 0,5211 0,2419 0,0005 0,1858 0,1866 0,0127 0,5869 0,2665 0,0001 Comparando os valores médios de inclinação da linha de amarração e do comprimento da linha de amarração apresentados nas Tabelas 2 e 4, pode-se perceber a influencia supracitada da temperatura na inclinação e no comprimento da linha de amarração. Tabela 4 - Valores Médios da inclinação da linha de amarração (ILA) e do comprimento médio das linhas de amarração (CLA) para os sistemas de PEG1000/1500/2000 +(NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 298,15 K e 318,15 K. Parâmetros PEG 1000 PEG 1500 PEG 2000 ILA* CLA* ILA* CLA* ILA* CLA* 298,15 K -1,903 0,483-2,064 0,500-2,175 0, ,15 K -2,053 0,527-2,204 0,529-2,405 0,484 * Valores em média Todos os dados obtidos neste trabalho foram submetidos às análises de consistência termodinâmica pelas correlações de Othmer-Tobias (1942) e Hand (1930) e visto que todos os coeficientes de determinação (R 2 ) foram superiores a 0,95 os dados foram considerados termodinamicamente consistentes.

8 4. CONCLUSÃO A metodologia proposta por Merchuk et al. (1998) para determinação das linhas de amarração de SDFAs apresenta diversas vantagens associadas à não necessidade de uso de metodologias analíticas e mostrou-se eficiente para determinação dos dados de ELL do sistema PEG1000/1500/ (NH 4 ) 2 SO 4 + H 2 O a 298,15 K e 318,15 K, visto que parâmetros termodinâmicos obtidos experimentalmente, em especial a ILA apresentaram valores semelhantes aos reportados na literatura. Além disto, os dados experimentais apresentaram consistência termodinâmica de acordo com as correlações de Othmer-Tobias e Hand. 5. REFERÊNCIAS ALBERTSSON, P. A. Partition of Cell Particles and Macromolecules. Nova Iorque: Wiley, 3 ed, ASENJO, J. A.; ANDREWS, B. A. Aqueous two-phase systems for protein separation: A perspective. J. Chromatogr. A, v. 1218, n. 49, p , BENAVIDES J.; RITO-PALOMARES M.,; ASENJO J. A. Downstream Processing and Product Recovery - Aqueous Two-Phase Systems. In: Murray Moo-Young (ed.), Comprehensive Biotechnology, Second Edition, volume 2, pp Elsevier, CLAROS, M.; TABOADA, M. E.; GALLEGUILLOS, R.; JIMENEZ, Y. P. Liquid liquid Equilibrium of the CuSO4+PEG 4000+H2O System at Different Temperatures. Fluid Phase Equilibri. Elsevier B.V.: , GAO, Y-L.; PEG, Q-H.; LI, Z-C.; LI Y-G. Thermodynamics of Ammonium Sulfate polyethylene Glycol Aqueous Two-Phase Systems. Part1. Experiment and Correlation Using Extended Uniquac Equation. Fluid Phase Equilibri. (1-2): , HAND, D. B. Dineric Distribution. Journal of Physical Chemistryhemistry 34: , HATTI-KAUL, R. Aqueous Two-Phase Systems. Molecular Biotechnology, v. 19, n. 3, p , MERCHUK, J. C.; ANDREW, B.; ASENO, J. Aqueous Two-Phase Systems for Protein Separation. J. Chromatogr. B. 711 (1-2): , OTHMER, D. F.; TOBIAS, P. E. Tie Line Correlation. Ind. Eng. Chem. 34 (6): , WALTER, H.; JOHANSSON, G. Methods in Enzymology: aqueous two-phase systems. v. 228, Academic Press, San Diego, Califórnia, WILLAUER, H. D.; HUDDLESTON, J. G.; ROGERS, R. D. Solute Partitioning in Aqueous Biphasic Systems Composed of Polyethylene Glycol and Salt: The Partitioning of Small Neutral Organic Species. Ind. Eng. Chem. Res., v. 41, p , 2002.