E ssttuuddoo addee it trr annsffeerrêênncciiaa ddee ... · Ao Doutor Licínio G. A. Ferreira, por disponibilizar o espaço necessário à realização dos ensaios cinéticos. À

Departamento

de Engenharia Química e Biológica

EEssttuuddoo ddee ttrraannssffeerrêênncciiaa ddee mmaassssaa iinnttrraappaarrttiiccuullaarr

eennttrree rreessiinnaass ddee ppeerrmmuuttaa iióónniiccaa ee aammiinnooáácciiddooss Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em

Mestrado em Processo Químicos e Biológicos

Autor

Ricardo José Martins Ramos Alegria

Orientador

Doutora Maria João da Anunciação Moreira

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Coimbra, Dezembro, 2012

Ricardo Alegria iii

Agradecimentos

À Doutora Maria João da Anunciação Moreira, pela orientação científica e acompanhamento,

pela disponibilidade e generosidade reveladas ao longo deste trabalho, assim como pelas

críticas, correcções e sugestões relevantes feitas durante a orientação.

Ao Doutor Licínio G. A. Ferreira, por disponibilizar o espaço necessário à realização dos

ensaios cinéticos.

À minha namorada por me fazer crescer pessoalmente, pelas inúmeras trocas de impressões,

correcções e comentários ao trabalho. Acima de tudo, pelo inestimável apoio que preencheu

as diversas falhas que fui tendo, e pela paciência e compreensão.

À minha família, pois sem o seu apoio incondicional nunca conseguiria chegar a este nível

académico, assim como pela ajuda que me foram dando ao longo do trabalho.

Agradeço às seguintes Instituições pelo apoio, condições de trabalho e colaboração prestados,

sem o qual não seria possível a concretização do trabalho:

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, Pólo II da Universidade de Coimbra.

Estudo da Transferência de Massa Intraparticular Resumo

Ricardo Alegria v

Resumo

Com este trabalho pretendeu-se estudar a cinética de permuta iónica dos aminoácidos

fenilalanina e tirosina numa resina de permuta aniónica do tipo base forte, a PA316.

Foram realizados estudos cinéticos com soluções de fenilalanina e soluções de tirosina

(soluções monocomponente), em contacto com uma resina macroporosa PA316 para

diferentes concentrações iniciais de aminoácido e diferentes valores de pH, com o objetivo de

avaliar a influência destas condições operatórias no coeficiente de difusão efetivo dos

aminoácidos na matriz da resina PA316.

As experiências foram realizadas numa coluna diferencial que simula um adsorvedor fechado

perfeitamente agitado. Ajustou-se o “modelo de núcleo decrescente” às evoluções das

concentrações experimentais, tendo-se obtido, como parâmetro do modelo as difusividades

efetivas dos aminoácidos nos macroporos da resina. O coeficiente de transferência de massa

no filme foi estimado recorrendo a correlações empíricas. Conclui-se que o modelo prevê

razoavelmente o mecanismo de permuta.

Estudo da Transferência de Massa Intraparticular Abstract

Ricardo Alegria vii

Abstract

With this work we intended to study the kinetics of ion exchange of the amino acids

phenylalanine and tyrosine in a anion exchange resin of strong basic type, the PA316.

Kinetic studies were performed with solutions of phenylalanine and solutions of tyrosine

(solutions monocomponent) in contact with a macroporous resin PA316 for different initial

concentrations of amino acids and different values of pH, in order to evaluate the influence of

these operating conditions on the effective diffusion coefficient of amino acids in the resin

PA316 matrix.

The experiments were performed in a differential column that simulates an perfectly mixed

closed adsorber. The "core model descending" was adjusted to the experimental evolution of

the concentrations thereby obtaining as a parameter the effective diffusivities of amino acids

in the macropores of the resin. The coefficient of mass transfer in the film was estimated

using empirical correlations. It is concluded that the model provides reasonably predictions of

the exchange mechanism.

Estudo da Transferência de Massa Intraparticular Índice

Ricardo Alegria ix

ÍNDICE

1 Introdução ....................................................................................................................................... 2

1.1 Importância e motivação .................................................................................................. 2

1.2 Objectivos deste trabalho e a sua organização. ............................................................... 3

2 Fundamentos teóricos ..................................................................................................................... 6

2.1 Aminoácidos ..................................................................................................................... 6

2.2 Permuta iónica ............................................................................................................... 10

2.2.1 Descoberta.............................................................................................................. 10

2.2.2 Aplicações actuais da permuta iónica .................................................................... 11

2.2.3 Processo de permuta iónica ................................................................................... 12

2.3 Permutadores iónicos ..................................................................................................... 14

2.4 Propriedades físicas e químicas das resinas de permuta iónica .................................... 18

2.5 Equilíbrio de permuta iónica. ......................................................................................... 22

2.6 Separação de aminoácidos com resinas de permuta iónica .......................................... 24

3 Modelos Matemáticos ................................................................................................................... 28

3.1 Modelo de difusão nos poros ......................................................................................... 29

3.2 Modelo de núcleo decrescente. ..................................................................................... 31

4 Secção Experimental ..................................................................................................................... 44

4.1 Reagentes ....................................................................................................................... 49

4.2 Procedimento experimental ........................................................................................... 49

4.3 Determinação das propriedades do leito de resina ....................................................... 52

5 Apresentação e discussão de resultados....................................................................................... 54

5.1 Influência do pH no processo de permuta ..................................................................... 57

5.2 Influência da concentração inicial no processo de permuta .......................................... 61

5.3 Ajuste do modelo de núcleo decrescente aos pontos experimentais. .......................... 64

6 Conclusões: .................................................................................................................................... 72 Apêndice: ............................................................................................................................................... 82

A1 Cálculo da difusividade molecular dos aminoácidos e difusividade iónica do ião

hidrogénio em água. ................................................................................................................... 82

A2 Cálculo do coeficiente de transferência de massa na região de filme ........................... 83

A3 Preparação das soluções de NaOH para experiências com pH elevado. ....................... 85

Índice Estudo da Transferência de Massa Intraparticular

x Ricardo Alegria

A4 Propriedades das resinas DAION da família PA300. ...................................................... 87

A5 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e tirosina a pH

constante e próximo do ponto isoelétrico................................................................................. 88

A6 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e tirosina a pH

constante e próximo de doze .................................................................................................... 90

A7 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e tirosina com uma

concentração inicial de 3mM, pH constante e próximo ponto isoelétrico ................................ 92

A8 Resultados experimentais obtidos para adsorção tirosina com uma concentração

inicial de 2mM e pH ligeiramente básicos ................................................................................. 95

A9 Resultados experimentais de adsorção de tirosina a diferentes caudais de circulação.96

A10 Curvas de calibração ...................................................................................................... 97

A11 Determinação das propriedades físicas da resina e leito. ............................................. 98

Estudo da Transferência de Massa Intraparticular Índice de Figuras

Ricardo Alegria xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Estrutura química dos aminoácidos fenilalanina, á esquerda, e tirosina, á direita. ................................ 7

Figura 2.2 Evolução das concentrações das formas iónicas dos aminoácidos ao longo do pH, à esquerda para a

fenilalanina e direita tirosina. ....................................................................................................................... 10

Figura 2.3 Esquema de uma permuta iónica (adaptado de Helfferich, 1995). ....................................................... 13

Figura 2.4 Fluxograma de produção de cloridrato de L-lisina por fermentação (adaptado Mitsubishi Chemical

Corporation, 1995). ...................................................................................................................................... 14

Figura 2.5 Esquema representativo de uma partícula de resina (Helfferich, 1995). .............................................. 15

Figura 2.6 Curva de regeneração de resinas com diferentes %DVB (adaptado de Mitsubishi Chemical

Corporation, 1995). ...................................................................................................................................... 21

Figura 3.1 Esquema do processo de permuta iónica. ............................................................................................. 28

Figura 3.2 Representação esquemática para o avanço da frente de reação na partícula de resina(Fernandes, et al.,

2011). ........................................................................................................................................................... 32

Figura 3.3 Variação do grau de conversão F com o tempo para diferentes valores de Ks. .................................... 36

Figura 3.4 Variação do grau de conversão F para diferentes valores de DA. ......................................................... 37

Figura 3.5 Variação do grau de conversão para fixo e variável. ............................................................... 37

Figura 3.6 Variação do grau de conversão para fixo e variável. .............................................................. 38

Figura 3.7 Simulações a diferentes concentrações iniciam de aminoácidos mantendo todos os restantes

parâmetros constantes. ................................................................................................................................. 39

Figura 3.8 Simulações a diferentes raios de partículas de aminoácidos mantendo todos os restantes parâmetros

constantes. .................................................................................................................................................... 40

Figura 3.9 Simulações a diferentes porosidades das partículas de resina mantendo todos os restantes parâmetros

constantes. .................................................................................................................................................... 40

Figura 3.10 Simulações com diferentes capacidades mantendo todos os restantes parâmetros constantes. .......... 41

Figura 4.1 Esquema experimental usado na determinação dos parâmetros cinéticos. ........................................... 45

Figura 4.2 Fotografia da coluna diferencial utilizada no trabalho experimental, (1) esferas de vidro; (2) leito de

resina. ........................................................................................................................................................... 46

Figura 4.3- Fotografia da instalação laboratorial usada na determinação experimental dos parâmetros cinéticos.

..................................................................................................................................................................... 47

Figura 4.4- Gráfico de varrimento para a tirosina. ................................................................................................ 50

Figura 4.5- Gráfico de varrimento para a fenilalanina. .......................................................................................... 51

Figura 5.1 Representação do efeito do caudal de circulação na adsorção de tirosina. ........................................... 55

Figura 5.2 Representação do efeito do caudal de circulação na quantidade de tirosina adsorvida. ....................... 56

Figura 5.3 Resultados experimentais param a evolução da concentração de tirosina a diferentes valores de pH. 57

Figura 5.4 Resultados experimentais param a evolução da quantidade adsorvida de tirosina a diferentes valores

de pH. ........................................................................................................................................................... 58

Figura 5.5 Resultados experimentais param a evolução da concentração de fenilalanina a diferentes valores de

pH. ............................................................................................................................................................... 59

Índice Estudo da Transferência de Massa Intraparticular

xii Ricardo Alegria

Figura 5.6 Resultados experimentais param a evolução da quantidade adsorvida de fenilalanina a diferentes

valores de pH. .............................................................................................................................................. 59

Figura 5.7 Resultados experimentais param a evolução da concentração de ambos aminoácidos a diferentes

valores de pH. .............................................................................................................................................. 60

Figura 5.8 Resultados experimentais param a evolução da quantidade adsorvida de ambos aminoácidos a

diferentes valores de pH.. ............................................................................................................................. 60

Figura 5.9 Dados experimentais para a evolução da concentração da solução externa ao longo do tempo durante

o processo adsorção de tirosina para pH=pI e diferentes concentrações iniciais. ........................................ 61

Figura 5.10 Dados experimentais para a evolução de quantidade adsorvida de solução externa ao longo do tempo

durante o processo adsorção de tirosina para pH=pI e diferentes concentrações iniciais. ............................ 62

Figura 5.11 Dados experimentais para a evolução de quantidade adsorvida de solução externa ao longo do tempo

durante o processo adsorção de fenilalanina para pH=pI e diferentes concentrações iniciais. ..................... 63

Figura 5.12 Análise simultânea da quantidade adsorvida para ambos os aminoácidos. ........................................ 63

Figura 5.13 Dados experimentais e calculados pelo modelo do núcleo decrescente, para a evolução da conversão

de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH=pI. ...................................... 66


de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH=pI. ............................... 66


de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH~12. ..................................... 67


de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH~12. .............................. 67


de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH=pI e concentração inicial de

3mM. ............................................................................................................................................................ 68


de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH=pI e concentração inicial

de 3mM. ....................................................................................................................................................... 68

Figura 5.19 Ajuste dos dados experimentais obtidos por Moreira 2010, e os calculados pelo modelo de núcleo

decrescente para a tirosina a pH próximo de doze e concentração inicial de 1,3mM. ................................. 69

Figura A.1- Volumes atómicos dos elementos mais comuns (Wilke, et al., 1955)................................................ 82

Figura A.2 Propriedades das resinas da família PA300 (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995). ..................... 87

Figura A.3 Retas de calibração obtidas para a fenilalanina e tirosina. ................................................................... 98

Estudo da Transferência de Massa Intraparticular Índice de Tabelas

Ricardo Alegria xiii

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 Valores de pKa e pI dos aminoácidos fenilalanina e tirosina. ....................................................... 8

Tabela 2.2 Tabela resumo dos diferentes tipos de resina............................................................................... 17

Tabela 4.1 Condições operatórias dos ensaios realizados. ............................................................................ 48

Tabela 5.1 Propriedades físicas da resina PA316. ......................................................................................... 54

Tabela 5.2 Propriedades do leito de resina PA316. ....................................................................................... 55

Tabela 5.3 Valores de calculados para o caudal de 150 cm3/min por várias correlações empíricas....... 57

Tabela 5.4 Condições experimentais usadas nos estudos cinéticos de adsorção e parâmetros cinéticos dos

modelos do núcleo decrescente param os sistemas Phe-/OH-, Tyr-/OH- e Tyr2-/OH-. .......................... 65

Tabela A.1 Correlações empíricas usadas na estimativa dos coeficientes externos de transferência de massa.

............................................................................................................................................................. 84

Tabela A.2 Valores obtidos nas titulações das soluções de NaOH de pH 12 ................................................ 85

Tabela A.3 Padronização da solução de HCl com Boráx .............................................................................. 86

Tabela A.5 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de

fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2A.............................................................. 88


fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2B. ............................................................. 88


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1A .................................................................... 89


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1B. .................................................................... 89




fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4B .............................................................. 91


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 3A .................................................................... 91






fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6B. ............................................................. 93


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5A. ................................................................... 93


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5B ..................................................................... 94

Simbologia

xiv Ricardo Alegria


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5C. .................................................................... 94


tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 7A..................................................................... 95



Tabela A.20 Resultados de pH e concentração de tirosina em função do tempo para os ensaios realizados

cinéticos realizados a diferentes caudais de circulação. ....................................................................... 97

Tabela A.22 Concentração e absorvâncias das soluções padrões usadas na obtenção das curvas de

calibração de fenilalanina. .................................................................................................................... 97

Tabela A.23 Determinação do volume dos picnómetros. .............................................................................. 99

Tabela A.24 Dados para a determinação da densidade real da resina............................................................ 99

Tabela A.25 Dados para a determinação da densidade aparente da resina. ................................................. 100

Tabela A.26 Dados relevantes do leito utilizado nos ensaios cinéticos. ...................................................... 100

Simbologia

Ricardo Alegria xv

SIMBOLOGIA

Concentração do elemento i, mol/L

Concentração inicial do elemento i, mol/L

Concentração do elemento i nos poros da partícula mol/L

Difusidade efetiva do aminoácido, m2/s

Difusidade molecular do elemento i, m2/s

Fator conversão do modelo de núcleo decrescente

Constante de Faraday, C/mol

Constante da condição de equilíbrio

Parâmetro da isotérmica de Langmuir

, Parâmetros da isotérmica de Freundlich

, Parâmetros da isotérmica de Langmuir -Freundlich

Coeficiente de transferência de massa de filme, m/s

Número de moles do componente i, mol

Quantidade de ião adsorvido, mol

Quantidade máxima de ião adsorvido permitido pelo adsorvedor, mg/g

Posição radial dentro da partícula

Constante dos gases ideais, J/mol.K

Número de Reynolds

Número de Reynolds modificado

Raio da frente de reação, m

Raio da partícula, m

Número de Sherwood

Número de Schmidt

Tempo, s

Temperatura absoluta, K

Volume da partícula, m3

Volume de solução, m3

Carga do ião i

Simbologia

xvi Ricardo Alegria

Letras Gregas

Massa específica aparente da resina (cm3Rh/gRs)

Porosidade da partícula

Porosidade do leito

Viscosidade cinemática, m2/s

Condutância limitante, A/cm2

θ Tempo normalizado

Abreviaturas

SCM Modelo de núcleo decrescente (inglês)

UVA Parte da radiação ultra violeta entre os 315 e 400 nm

Capítulo 1: Introdução

Introdução

2 Ricardo Alegria

1 Introdução

1.1 Importância e motivação

Os aminoácidos podem ser considerados como os blocos de construção da vida pela sua

importância na nutrição e na saúde humana e animal, uma vez que se agrupam normalmente

em proteínas que são das moléculas mais comuns nos seres vivos, levando a que os

aminoácidos representem cerca de 20% da massa corporal de um ser humano. Quase todos os

processos nos seres vivos dependem de proteínas, como enzimas, colagénio, hormonas

polipeptídicas, hemoglobina e albumina entre outras, sendo que todas elas apresentam

características e funções diferentes indispensáveis à sobrevivência dos seres vivos (Harvey, et

al., 2008).

Os aminoácidos, em particularmente os enantiômeros L, apresentarem uma enorme gama de

uso comercial seja como aditivos e suplementos alimentares, agentes terapêuticos, precursores

para a síntese de peptídeos e agro-químicos. Desta forma, mundialmente são produzidos cerca

de 2 milhões de toneladas de aminoácidos por ano, cerca de 70% da produção mundial de

aminoácidos destina-se à formulação de alimentos, enquanto os restantes 30% destinam-se à

adição a rações (Silva et al., 2005).

Também na área farmacêutica os aminoácidos apresentam um papel importante, a fenilalanina

por exemplo é um constituinte importante de alguns fármacos como amoxicilina, um

antibiótico de médio espectro, norvir (anti-HIV), e acyclovir, um anti viral, entre outros.

Este trabalho centra-se nos aminoácidos tirosina e fenilalanina por um conjunto de razões,

inicialmente a sua importância no ser humano, onde o problema mais conhecido é

denominado de fenilcetonúria (PKU), doença genética que se traduz na deficiência ou

ausência da enzima fenilalanina hidroxilase que normalmente transformaria irreversivelmente

a fenilamina em tirosina (Matthews, 2007) o que leva à necessidade de se encontrar uma

forma de a retirar do sangue ou a sua não ingestão, seguidamente o facto de estes aminoácidos

serem os blocos de construção de alguns neurotransmissores como a adrenalina, noradrenalina

e a dopamina (Center, 2011).

Atualmente existem estudos, ainda que num estado especulativo, sobre o uso deste par de

aminoácidos para algumas patologias, tais como; dor crónica em que o uso da D-fenilalanina

é apontado como um tratamento possível; para tratamento de Parkinson, em que testes em

animais sugerem que a D-fenilalanina pode diminuir a rigidez e melhorar problemas em andar

e de fala associados a esta doença (Poewe, 2009); Vitiligo, doença não contagiosa que

Introdução Capítulo 1

Ricardo Alegria 3

provoca perda de pigmentos da pele, onde estudos preliminares indicam que o uso conjunto

de L-fenilalanina e radiação UVA pode levar ao escurecimento ou repigmentação das zonas

afetadas (Reuss et al., 2006).

Estes aminoácidos são ainda apontados no tratamento da depressão, uma vez que provoca

alterações na produção de certos químicos do cérebro que pode levar a uma melhoria no

ânimo do doente. Contudo, isto pode ter efeitos negativos, como acontece vulgarmente em

doentes com PKU, em que podem ocorrer mudanças de ânimo rapidamente (Anjema et al.,

2011).

É importante referir que este conjunto de estudos são preliminares sendo ainda necessário

mais pesquisa e testes para comprovar a sua utilização.

Finalmente o outro fator onde se baseia a escolha destes dois aminoácidos advém do facto das

suas propriedades e estruturas serem muito semelhantes, dificultando a sua separação, que

tem conduzido à formulação de novos estudos de separação de aminoácidos (Moreira, 2010).

É no seguimento desta necessidade da purificação e separação de misturas dos aminoácidos

fenilalanina e tirosina que surge este trabalho.

1.2 Objetivos deste trabalho e a sua organização

O objetivo deste trabalho é o estudo cinético do processo de permuta iónica dos aminoácidos

fenilalanina e tirosina, para possibilitar uma separação de uma mistura dos mesmos.

Para se obter esta separação é necessário a implementação de um método experimental capaz

de reproduzir dados fiáveis e possíveis de serem analisados de forma a estudar a cinética do

processo, para que seja possível criar um modelo matemático capaz de simular com a melhor

reprodutibilidade possível o processo. No trabalho desenvolvido por Moreira 2010 concebeu-

se um modelo matemático que pretendia traduzir o processo de permuta iónica. Este era um

modelo de elevado grau de complexidade e que requeria um enorme esforço computacional.

Na sequência, esta tese vizou completar a informação exprimental e validar um modelo

cinético menos complexo e que exija menor esforço computacional para a sua resolução.

Vários modelos matemáticos têm sidos criados para descrever a cinética de permuta iónica,

nomeadamente o modelo de difusão nos poros e o modelo de núcleo decrescente, detentores

de maior simplicidade, que serão o alvo de estudo no presente trabalho (Pritzker, 2005).

Esta tese divide-se em seis capítulos e um conjunto de apêndices, que pretendem descrever e

distribuir o trabalho efetuado de forma clara e organizada.

Introdução

4 Ricardo Alegria

O capítulo 2 pretende apresentar um conjunto de conceitos e conhecimentos necessários para

que seja possível entender o trabalho realizado daí em diante, como a descrição das estruturas

e propriedades quer dos aminoácidos quer das resinas de permuta iónica. Assim como um

enquadramento do processo de permuta iónica na indústria.

No capítulo 3 apresentam-se os modelos matemáticos e um conjunto de simulações com o

modelo do núcleo decrescente, para que se possa entender melhor como este evolui, e retirar

quais vão ser os parâmetros cinéticos a ajustar.

O capítulo 4 diz respeito à secção experimental, onde se expõem os materiais e métodos

utilizados bem como os ensaios realizados.

No capítulo 5 apresentam-se os resultados obtidos, apresentam-se os ajustes dos modelos

descritos no Capítulo 3 aos pontos experimentais, e discutem-se os resultados.

Finalmente, no capítulo 6, é elaborada uma pequena conclusão, sobre o estudo desenvolvido,

criticas ao método experimental utilizado ao modelo matemático. Faz-se também uma

apreciação global aos resultados obtidos.

No final do trabalho existe uma secção de anexos, que completam informação que surge no

corpo principal do trabalho.

Capítulo 2: Fundamentos teóricos

Fundamentos Teóricos

6 Ricardo Alegria

2 Fundamentos teóricos

2.1 Aminoácidos

Como já referido no capítulo 1 os aminoácidos podem ser considerados os blocos da

construção da vida e estão presentes em todos os processos nos seres vivos, o que os

tornam indispensáveis à sobrevivência.

No caso do ser humano, dos vinte e dois aminoácidos necessários aos nossos processos

biológicos, o corpo humano consegue sintetizar apenas onze, sendo por isso, necessária a

introdução dos restantes no metabolismo através da alimentação, sendo esses

aminoácidos denominados essenciais. Pelo facto de terem funções importantes na saúde e

características especiais resultantes da sua quiralidade, os aminoácidos são compostos de

grande importância e interesse para a indústria química, correspondendo a investimentos

de 4,5 biliões de dollars nos US em 2004, onde são obtidos principalmente por via

microbiana ou enzimática (Leuchtenberger et al., 2005).

Estruturalmente os aminoácidos são semelhantes, e constituídos por três grupos, um

grupo amina ( ), um grupo carboxilo ( ) e finalmente um grupo R, grupo este

que os distingue entre si. Desta forma, os aminoácidos classificam-se consoante as

propriedades deste grupo R, podendo ser: apolares, caso a cadeia lateral não receba ou

perca eletrões nem participe em qualquer tipo de ligação iónica ou ponte de hidrogénio;

polares neutros se a cadeia lateral possuir carga elétrica nula a pH neutro e são capaz de

formar pontes de hidrogénio; aminoácidos ácidos e aminoácidos básicos quando

apresentarem uma cadeia lateral com grupos carboxílicos para o caso dos ácidos e com

grupos amina para os básicos. Em ambos os casos estes grupos apresentam carga elétrica

a pH neutro. O grupo lateral dos aminoácidos tem grande importância, uma vez que

determina as propriedades das proteínas dos quais os aminoácidos fazem parte, por outro

lado os grupos da cadeia principal estão normalmente envolvidos em ligações peptídicas

não tendo capacidade de participarem em reações (Harvey et al., 2008).

Fundamentos Teóricos Capítulo 2

Ricardo Alegria 7

Observando as estruturas químicas dos dois aminoácidos em estudo (Figura 2.1) conclui-

se que a fenilalanina é um aminoácido apolar e a tirosina é um aminoácido polar neutro.

Para facilitar a discussão daqui em diante vai ser usada a forma genérica

para representar estruturalmente os aminoácidos, em que é o grupo lateral.

Pode-se observar que a carga dos aminoácidos nas formas acima indicadas é nula,

contudo, em solução, isto nem sempre acontece, a presença dos grupos carboxilo e amina

fornecem à molécula propriedades anfotéricas, isto significa que a molécula pode mudar a

sua carga conforme o meio que a envolve. Por exemplo, a tirosina pode sofrer reações de

dissociação alterando o valor de pH da solução onde se encontra.

Utilizando a forma genérica referida acima, pode-se apresentar essas reações da seguinte

forma.

(2.1)

A pH ácido a tirosina encontra-se na sua forma positiva. Com o aumento do pH observa-

se que por volta do valor de pH 2,2 a tirosina perde o ião hidrogénio do grupo carboxilo e

consequentemente passa a apresentar carga positiva e negativa, sendo, no entanto, a sua

carga total nula. A este estado alguns autores denominam de forma zwitterion. Com a

continuação do aumento do pH da solução dá-se uma nova dissociação, representada na

equação seguinte.

(2.2)

Figura 2.1 Estrutura química dos aminoácidos fenilalanina (à esquerda) e tirosina (à

direita).


8 Ricardo Alegria

Quando alcançado o pH 9,11 o grupo amina perde um átomo de hidrogénio, levando à

variação da carga do aminoácido que passa a ser mononegativo. Em aminoácidos

apolares, aumentar o pH da solução novamente não provocaria uma nova dissociação pois

ambos os grupos da cadeia principal já sofreram dissociação (caso da fenilalanina).

Contudo, alguns aminoácidos possuem grupos ionizáveis, é o caso do grupo aromático

da tirosina. A pH igual a 10,7 a seguinte reação ocorre:

(2.3)

Cada uma destas reações possui uma constante de dissociação, . Por exemplo para a

primeira dissociação, Equação 2.1, o valor da constante pode ser obtido da seguinte

forma.

(2.4)

Logaritmizando e após algum tratamento matemático pode ser rescrita na forma da

equação de Henderson–Hasselbalch.

(2.5)

Analogamente podem ser obtidos os restantes para qualquer reação. Estes valores

indicam o pH a que cada dissociação ocorre, variando de aminoácido para aminoácido.

O ponto isoelétrico ou pI é definido como o valor de pH para o qual existe uma maior

quantidade do aminoácido na sua forma neutra, sendo o seu valor a média aritmética dos

valores de pKa (os que dizem respeito a transição da forma monopositiva para a neutra,

pK1 e da forma neutra para a mononegativa, pK2). A tabela abaixo apresenta os valores

dos pKa e pI correspondentes à tirosina e à fenilalanina.

Tabela 2.1 Valores de pKa e pI dos aminoácidos fenilalanina e tirosina.

Aminoácido Massa molecular pK1 pK2 pK3 pI

Fenilalanina

(Phe) 165,2 2,16 9,18 - 5,67

Tirosina (Tyr) 181,2 2,20 9,11 10,07 5,66


Ricardo Alegria 9

Na Tabela 2.1 apresenta-se os dados referentes aos aminoácidos em estudo.

Com um conjunto de equações para cada e sabendo que a concentração total do

aminoácido é dada pela soma das concentrações de todas a suas formas iónicas, assim:

Em que , é a concentração total do aminoácido, , e , são respetivamente as

concentrações das forma monopositivas, zwitterion e mononegativa. Assim pode-se

calcular a concentração de cada forma iónica do aminoácido, obtendo-se:

(2.7)

(2.8)

Sendo a concentração do ião hidrogénio. As equações acima são válidas para

aminoácidos sem grupos funcionais ionizáveis, caso da fenilalanina, porém para a tirosina

as equações são análogas apresentando mais um termo, devido à dissociação deste

grupo.

No caso da tirosina a concentração total é dada por:

As concentrações das formas iónicas deste aminoácido são dadas pelas seguintes

equações:

(2.10)

(2.11)

(2.6)

(2.9)


10 Ricardo Alegria

(2.12)

A representação gráfica da variação de cada espécie iónica do aminoácido em função do

pH da solução onde este se encontra apresenta-se na figura abaixo.

Figura 2.2 Evolução das concentrações das formas iónicas dos aminoácidos ao longo do pH,

para a fenilalanina (à esquerda) e para a tirosina (à direita).

2.2 Permuta iónica

2.2.1 Descoberta

A permuta iónica tem como base um conceito simples, a troca de iões de uma solução

com iões de carga semelhante de uma fase sólida. Este processo ocorre na natureza e as

suas observações mais antigas encontram-se na Bíblia e em textos da Grécia antiga

(Helfferich, 1995; DeSilva, 1999). Contudo, apesar de ser continuamente referenciada ao

longo da história, a permuta iónica foi esquecida apenas para ser redescoberta por dois

agricultores ingleses em meados de 1850. Estes observaram que ao passar água com

fertilizantes por uma amostra de solo, a concentração de amónio reduzia e o cálcio era

quase completamente extraído. Nos seus relatos ao “Royal Agricultural Society” eles

referiram algumas das suas conclusões que se revelaram importantes no desenvolvimento

e compreensão da permuta iónica, entre elas: a envolvência de iões de carga equivalente

na permuta iónica; a diferença na facilidade e rapidez da remoção de alguns iões da

solução; o facto dos silicatos de alumínio fornecerem propriedades permutadoras ao solo

e finalmente que o processo de permuta iónica era diferente de uma verdadeira adsorção

física (DeSilva, 1999).


Ricardo Alegria 11

O progresso quer a nível teórico quer a nível prático começa a crescer e, em 1858,

Eichorn provou que o processo de permuta iónica em solos era reversível. Em 1876

Lemberg verificou o mesmo e calculou a estequiometria do processo juntamente com

Weigner identificando os materiais responsáveis pelo processo (Helfferich, 1995). O

desenvolvimento de permutadores iónicos sintéticos industriais teve início em 1903 com

Harm e Rümpler, consequentemente, dois anos mais tarde Gans, outro cientista alemão,

desenvolveu um processo de redução da dureza da água, isto é redução de cálcio,

magnésio e outros catiões, com fins comerciais utilizando permutadores sintéticos

catiónicos (Essencials of Ion Exchange, 1999).

Em 1935 verificou-se um desenvolvimento notável na área dos permutadores. As

descobertas de Adams e Holmes vieram, assim, desencadear a formação de novos tipos

de permutadores, as resinas orgânicas, com melhores características do que os utilizados

até à data, uma vez que permitiam retirar todos os tipos de iões da água.

Atualmente, a permuta iónica ainda tem como base este tipo de permutador, afirmando-se

como um processo unitário adicional de extrema importância nos processos de filtração e

destilação, tendo como objetivos primordiais a purificação e a desmineralização

(Helfferich, 1995).

2.2.2 Aplicações atuais da permuta iónica

O processo de permuta iónica tem uma ampla gama de aplicação tanto em termos

laboratoriais quer industriais, estando a sua técnica em constante evolução propulsionada

pelos avanços teóricos na área científica em questão.

Apesar de o processo ter algumas limitações, como a necessidade de uma fase líquida em

contacto com uma sólida e ser quase sempre necessário que os elementos a ser

permutados tenham carga definida, o processo de permuta expandiu-se para vários

sectores da indústria.

Embora confirmado o seu uso na agricultura, a permuta iónica obteve maior importância

noutros sectores, sendo atualmente mais solicitado nos processos de purificação, como

são exemplo os tratamentos de água associados à diminuição da sua dureza, isto é, a

remoção de iões de cálcio e de magnésio, à desmineralização parcial ou total, e no

tratamento de efluentes líquidos. É de sublinhar que em países com baixa disponibilidade


12 Ricardo Alegria

de água potável a permuta iónica apresenta-se como um processo viável na conversão de

água salgada em potável e no seu posterior tratamento.

Também em processos de recuperação de substâncias as resinas de permuta iónica

deixaram a sua marca, são exemplos a recuperação de metais de minérios pobres ou

leaching liquor como o urânio, a cromatografia por permuta iónica e finalmente a

recuperação de matérias orgânicas, como os aminoácidos, ou produtos farmacêuticos,

como os antibióticos.

A indústria médica e farmacêutica tem obtido proveito dos processos de permuta iónica,

tanto no uso de resinas em pó como substâncias com fins terapêuticos, no sentido de

influenciar o balanço de iões no corpo humano, como no tratamento de sangue para

transfusões, e ainda no desenvolvimento de comprimidos com libertação de fármacos

controlados recorrendo a processos de permuta iónica, foi utilizado este processo de

forma notável ainda em termos médicos, no desenvolvimento de um rim artificial.

Para além de todas estas aplicações, as resinas de permuta iónica apresentam também

utilidade como catalisadores de alguns processos como cracking de alta temperatura

(Grimshaw et al., 1975), confirmando a sua diversidade de usos na indústria.

2.2.3 Processo de permuta iónica

A permuta iónica não é mais do que uma troca de iões entre duas fases, uma sólida e

outra líquida, feita de tal forma que se mantem a electro neutralidade em ambas, isto é por

cada número de iões permutados da fase líquida para a sólida, é necessária que um

número de iões de carga igual seja cedido do sólido, mantendo o equilíbrio de cargas nas

duas fases. Esta é a diferença que distingue o processo de permuta iónica de um processo

de adsorção visto que, neste último, quando um ião é adsorvido pelo sólido este não e

substituído por outro ião (Perry et al., 2008).

Uma característica importante do processo de permuta iónica é o facto de este ser

normalmente um processo reversível, o que implica que permutadores que já tenham sido

usados possam na maioria das vezes ser regenerados à sua forma inicial, por contacto

com uma outra substância.

Estruturalmente os permutadores são constituídos por uma matriz, que pode ser mais ou

menos porosa, com macro e micro poros, sendo esta constituída essencialmente por


Ricardo Alegria 13

poliestireno ou poliacrilatos. Esta matriz é mantida por ligações químicas feitas por

agentes complexantes que conferem rigidez à matriz, sendo o mais utilizado atualmente o

divinilbenzeno (DVB). No interior desta matriz encontram-se alguns locais com carga

podendo ser negativa ou positiva, aos quais se chamam grupos iónicos fixos da resina.

O excesso de carga localizado nos grupos iónicos fixos é compensado por iões de carga

contrária denominados contra-iões. Estes, não sendo fixos podem ser permutados com

outros de carga semelhante que se encontrem na solução em contacto com matriz.

Imagine-se uma permuta simples entre dois iões. O processo de permuta iónica pode-se

escrever da seguinte forma:

(2.13)

Ao mesmo tempo observe-se a Figura 2.3. Neste caso representa a matriz da resina,

é o ião fixo à matriz, o ião é o contra ião que inicialmente se encontra na resina

ou seja o A da figura e, B representa o ião , finalmente é o co-ião.

Tanto a Equação 2.13 como a Figura 2.3 traduzem uma permuta de catiões, contudo

existem também permuta de aniões que funciona de forma análoga à descrita, mas com a

carga dos iões oposta.

Figura 2.3 Esquema de uma permuta iónica (adaptado de Helfferich, 1995).

Observa-se que, inicialmente, quando um contra-ião B em solução é colocado em

contacto com um permutador este começa a deslocar-se para a matriz na mesma

estequiometria que os contra-iões A migram para a solução até que se atinga um

equilíbrio. No equilíbrio ambas fases contêm os dois contra-iões, isto não significa que as

concentrações sejam iguais nas duas fases como seria de esperar num processo de


14 Ricardo Alegria

transferência normal, isto acontece porque apesar do processo ser descrito por leis de

difusão, quase sempre forças elétricas provocam desvios, também as condições de

equilíbrio não são as mesmas para qualquer ião, de facto existem preferências ou

afinidades na permuta, o que o torna um processo seletivo (Helfferich, 1995).

Um exemplo do uso de resinas de permuta iónica a nível industrial no sector dos

aminoácidos pode ser a separação de cloridrato de L-lisina obtido por fermentação,

seguindo o processo descrito pelo esquema abaixo.

Figura 2.4 Fluxograma de produção de cloridrato de L-lisina por fermentação (adaptado

Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

2.3 Permutadores iónicos

O desenvolvimento de permutadores ocorre já há muito tempo e ainda hoje se estudam

novas formas de síntese e novos componentes para qual se possa obter melhores e

diferentes características de permuta, contudo tudo começou com a descoberta de zeólitos

naturais em solos seguida da descoberta e criação de permutadores inorgânicos sintéticos

em meados de 1900.

Em 1935, deu-se início a uma nova era. Adams e Holmes desenvolveram polímeros

orgânicos capazes de efetuar permuta iónica denominados de resinas de permuta iónica.

Estes polímeros eram obtidos por processos de condensação só tinham capacidade de

efetuar desionizações parciais e não possuíam porosidade, nem durabilidade para

processos industriais mais exigentes. O desenvolvimento de resinas macroporosas obtidas

Cultura de bacterias produtoras de L-

lisina

Caldo com L-lisina

Resinas de Permuta Iónica

Separação e concentrção

Neutralização com HCl

Filtração Cristalização

Separação por centrifugação

Cloridrato de L-lisina


Ricardo Alegria 15

por processos de adição e com crosslinking transpuseram novas fronteiras alcançando

assim, os quatro grandes tipos de resinas que ainda hoje existem: resinas de ácido e base

fortes e resinas de ácido e base fraca, estas resinas eram constituídas principalmente por

polímeros de estireno.

Figura 2.5 Esquema representativo de uma partícula de resina (Helfferich, 1995).

Atualmente quase toda a produção de resinas é feita com base em dois passos: primeiro a

polimerização de estireno ou metil acrilato com adição de um agente para formação de

ligações cruzadas (crosslinking), normalmente o divinilbenzeno (DVB), o segundo passo

é a adição do grupo funcional, que varia com o tipo do ião que se deseja permutar

(Abrams et al., 1997; Helfferich, 1995; Golden, 2000).

O produto final é uma matriz sólida insolúvel em qualquer solvente que não a destrua. A

matriz pode ser relativamente flexível visto que é normal esta expandir durante a entrada

de solventes nos seus poros, desta forma as suas propriedades dependem principalmente

da percentagem de crosslinking e número de grupos funcionais, isto é, resinas com maior

crosslinking apresentam maior rigidez e sofrem um efeito de expansão menor, contudo

possuem poros com menores diâmetros o que implica taxas de transferência de massa

mais reduzidas (Helfferich, 1995).


16 Ricardo Alegria

Figura 2.6 Matriz com ligação cruzada obtida através de adição de DVB à polimerização de estireno.

De acordo com o grupo funcional presente na resina, estas podem ser separadas em

quatro tipos como já foi referido anteriormente. São resinas ácido forte quando utilizado

na sua produção ácido sulfónico possuindo assim a capacidade de permutar catiões a

qualquer gama de pH, já as resinas ácido fraco só podem ser usadas até valores de pH 6,

uma vez que depois disso o seu grupo carboxilo é facilmente desassociado.

De forma análoga resinas base fraca também têm a sua eficiência condicionada pelo pH

da solução pois os seus grupos amina dissociam-se, contudo resinas aniónicas de base

forte com grupos de amónio quaternário não são influenciadas pelo pH da solução, nos

últimos anos este grupo tem sido subdividido em outros dois: tipo I quando ligado ao ião

nitrogénio se encontram três grupos metilo e tipo II quando um deles é substituído por um

grupo etanol.

Mais recentemente têm-se vindo a desenvolver resinas com alvos específicos em

aplicações especiais como é exemplo as resinas quelantes de poliestireno com grupos

aminofosfônico, estas apresentam melhores capacidade de remoção de catiões divalentes

do que qualquer resina catiónica comum.

Todos os tipos acima referidos podem se encontrar na forma de gel ou macroporosa,

apesar de do ponto de vista químico estas serem idênticas, como o nome indica as resinas

macroporosas contêm macroporos para além dos microporos. Isto é importante uma vez

que quando secas ou em solventes apolares as resinas contraem-se perdendo os seus

microporos, o que limita o processo de permuta quer na velocidade de adsorção quer na

quantidade máxima que pode ser adsorvida, para além disto delimita-o à superfície

externa da resina quando esta é do tipo gel. Desta forma, mesmo perdendo os seus

microporos as resinas macroporosas conseguem manter uma boa eficiência graças à

presença de poros de grandes dimensões que não são perdidos por esta contração, assim

estes macroporos atuam como amortecedores para a expansão e contração da resina.


Ricardo Alegria 17

É de referir que apesar de hoje em dia a resinas orgânicas serem a maior parte dos

permutadores usados na indústria, em alguns casos com condições operatórias mais

exigentes são utilizadas resinas inorgânicas pois possuem algumas vantagens como uma

maior resistência a temperatura e radiação (Helfferich, 1995; Golden, 2000;

Alexandratos, 2009; Srikanth et al., 2010; Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

A tabela abaixo pretende expor de forma simples os principais tipos de resinas e seus

grupos funcionais mais comuns, juntamente com algumas informações adicionais.

Tabela 2.2 Tabela resumo dos diferentes tipos de resina.

Ácido forte Ácido fraco Base forte Base fraca

Grupo funcional

Efeito do pH na

capacidade de permuta Independente

Negligenciável em

soluções ácidas Independente

Negligenciável em

soluções básicas

Sais da Resina Estável Hidrólise na

lavagem Estável

Hidrólise na

lavagem

Regeneração Excesso de ácido

forte

Facilmente

regenerada

Excesso de ácido

forte

Facilmente

regenerada


18 Ricardo Alegria

2.4 Propriedades físicas e químicas das resinas de permuta iónica

Na escolha da resina mais indicada para a separação que se procura é necessário conhecer

um conjunto de propriedades, dentro das mais importantes é relevante salientar a

capacidade total da resina, isto é o número de locais onde os iões a permutar se podem

ligar, o qual é determinado pelo processo de síntese. Existem várias formas de expressar

este valor, uma delas é a capacidade da resina seca em equivalentes por quilograma,

porém as resinas são vulgarmente vendidas e usadas húmidas por isso usa-se também

uma base húmida, sendo esta mais difícil de ser medida. Contudo na prática é possível

que iões que deveriam ser permutados consigam passar através leito de resina sem que

sejam captados, mesmo que todos os centros ativos não estejam totalmente convertidos,

assim torna-se necessário calcular experimentalmente a capacidade de permuta para cada

sistema, sendo que esta depende de inúmeros fatores como o tamanho da unidade, o

caudal, a qualidade do efluente, a temperatura, entre outros, por isso utiliza-se

vulgarmente a capacidade operatória (aparente). Atualmente este valor é também

fornecido pelos vendedores de resinas, pois muitos já dispõem de software capaz de

efetuar estes cálculos rapidamente.

A diferença entre a capacidade científica e capacidade operatória é menor no caso das

resinas de ácido ou base fortes pois estas têm sempre os grupos funcionais na sua forma

iónica (Moreira, 2010; Golden, 2000; DOWEX, 2000; Mitsubishi Chemical Corporation,

1995).

O teor de humidade numa resina é de igual forma importante. Antes de serem

introduzidos os grupos funcionais na resina esta não absorve água. Depois da ativação da

resina ocorre captação de água que leva a uma expansão pois os grupos funcionais atraem

água para a sua volta alongando a matriz. Assim, o teor de humidade define-se como o

volume de água por massa de resina de acordo com a Equação 2.14.

(2.14)

Nesta equação refere-se à resina húmida e refere-se à resina seca.

Outras propriedades importantes são a densidade e porosidade da resina. Existem várias

formas de as expressar sendo elas densidade aparente (Equação 2.17), real (Equação


Ricardo Alegria 19

2.15), húmida (Equação 2,16) e finalmente a do leito (Equação 2.18), também a

porosidade pode ser referente às partículas ou ao leito. Tal como o nome indica, resinas

macroporosas, contêm um grande número de poros de grandes dimensões 100 nm,

comparando com o normal de 1 nm para resinas tipo gel, também esta propriedade

depende da %DVB, obtendo-se poros menores para resinas com maior percentagem de

crosslink (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

(gRs/cm3Rs)

(2.15)

(gRh/cm3Rh)

(2.16)

(gRs/cm3Rh)

(2.17)

(gRh/cm3de leito húmido) (2.18)

O swelling ou intumescimento, isto é, o aumento de volume por captação de água por

parte da resina, que ocorre não só para hidratação dos grupos iónicos fixos mas também

devido à pressão osmótica, logo podemos perceber que esta varia com a concentração da

solução, rigidez da matriz e os tipos de grupos fixos usados (Mitsubishi Chemical

Corporation, 1995; DOWEX, 2000).

É fácil perceber que existe um fator que condiciona todas as características, a

percentagem de crosslinking na resina, normalmente expresso em massa de DVB

(utilizado com maior frequência) por massa de todos os monómeros da resina. Com o

aumento da percentagem de DVB obtemos uma resina mais estável e rígida, contudo com

poros menores e menos possibilidades para grupos ativos como podemos ver pela Figura

2.7, que mostra algumas características já referidas em função da %DVB, para a família

PA300, do qual faz parte a resina utilizada neste trabalho PA316.


20 Ricardo Alegria

Figura 2.7 Curva de propriedades para resinas da família PA300 (adaptado de Mitsubishi

Chemical Corporation, 1995).

Quando falamos de utilização industrial é importante a facilidade e necessidade de

regeneração das resinas, grande parte das aplicações de resinas são em processos cíclicos

em que a resina vai reagindo ao longo do tempo com um efluente, até que se atinga um

valor para qual a resina não consegue captar mais iões, sendo nessa altura necessária uma

regeneração da resina. A regeneração pode ser feita, por exemplo, com hidróxido de sódio

para resinas aniónicas, e ácido clorídrico para resinas catiónicas, contudo, a eficiência da

regeneração não é linear com a quantidade de regenerador utilizado como mostra a Figura

2.8, isto é, nem sempre duplicando a quantidade de regenerador se consegue obter o

dobro da regeneração.


Ricardo Alegria 21

Figura 2.8 Curva de regeneração de resinas com diferentes %DVB (adaptado de Mitsubishi

Chemical Corporation, 1995).

Este fenómeno advém da interação entre os iões regeneradores dentro dos poros da resina,

mas depende também do grupo funcional. Resinas do tipo ácido ou base forte são mais

difíceis de regenerar do que resinas fracas, dependendo ainda do regenerador utilizado,

humidade, %DVB, estrutura tridimensional da própria matriz da resina. Isto leva a que

industrialmente seja economicamente mais favorável a regeneração parcial da resina a

uma percentagem relativamente baixa em vez de uma regeneração total que pode ser

relativamente dispendiosa e difícil de alcançar (Golden, 2000; Mitsubishi Chemical

Corporation, 1995).

Outra característica importante é a durabilidade, quando se usa a mesma resina várias

vezes é natural que a partir de um dada altura a sua eficiência comece a diminuir. Isto

ocorre principalmente por deterioração através da oxidação da matriz ou mesmo dos

grupos fixos devido a contaminações. Pode mesmo ocorrer rutura das partículas das

resinas devido à reciclagem repetida da resina, o que leva a que a resina contraia e inche

várias vezes causando uma grande pressão nas ligações na matriz, que acabam por ceder.

Para contrariar isto pode-se aumentar a %DVB que, como referido antes, aumenta a

rigidez física da resina, contudo, pode ter efeitos negativos nas restantes propriedades.

Finalmente, a seletividade do processo de permuta iónica varia com o ião e com a resina,

preferindo estas os iões com maior número de eletrões de valência, e para iões com o

mesmo número de valência existe preferência pelo ião com maior número atómico. A

seletividade varia com a concentração dos iões e com %DVB (Mitsubishi Chemical

Corporation, 1995).


22 Ricardo Alegria

2.5 Equilíbrio de permuta iónica.

Pode-se descrever o processo de equilíbrio entre os iões na resina e os iões na solução

pela Equação 2.19 (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

(2.19)

Nesta equação:

, – São as cargas dos iões e

- Indica que o ião está ligado à matriz da resina.

Assumindo que passado algum tempo de contacto se atinge um equilíbrio, e que e

são as concentrações dos iões na solução e que e as concentrações na resina,

pode-se descobrir quanto do ião A vai ser permutado utilizando as Equações 2.20, 2.21 e

2.22, que representam respetivamente o fator de separação , coeficiente de seletividade e

coeficiente de distribuição.

(2.20)

(2.21)

(2.22)

Através do coeficiente de seletividade é fácil e útil a construção de tabelas que pretendem

ordenar os iões por ordem de seletividade, normalmente relativamente a iões padrão com

coeficientes unitários como por exemplo o ião lítio para catiões e ião hidróxido para

aniões (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995; Moreira, 2010).

Porém, o processo de permuta não se limita a um equilíbrio químico, podemos dizer que

ocorre também um equilíbrio de cargas, ou seja ao haver difusão de um ião da solução

para a partícula de resina ou vice-versa, promovido pelo diferencial de concentração do

ião, esta difusão vai criar uma diferença de carga entre os dois meios, esta diferença foi

denominada de potencial de Donnan (Strathmann, 2004; Wang et al., 2009). Este efeito


Ricardo Alegria 23

tem particular influência em resinas de permuta iónica, pois nestas existem iões fixos

ligados à matriz da resina, que não se difundem, e podem atrair iões de carga oposta ou

repelir iões da mesma carga. Tal influência, reflete-se no coeficiente de difusão dos

mesmos. Iões que se difundam contra o potencial de Donnan sofrem diminuição da sua

velocidade, enquanto iões que se difundam a favor são acelerados (Saunders et al., 1989).

Este efeito é mais importante em soluções com eletrólitos fortes. Quando este efeito é

relevante, não é possível usar as leis de Fick para a difusão, tendo estas de ser substituídas

pela equação de Nernst-Planck, aumentando a complexidade do modelo matemático.

Ao longo do tempo inúmeras teorias foram propostas para descrever o equilíbrio no

processo de permuta iónica. Um dos primeiros foram os modelos de Gans em 1913 com

base na lei de ação de massa. Contudo, estes não conseguiam descrever com precisão o

que realmente acontecia. Wiegner-Jenny em 1927 e Vageler em 1930 perceberam que a

permuta iónica requer uma adsorção dos iões no permutador, e por isso sugeriram usar

isotérmicas de adsorção para descrever o equilíbrio

Das isotérmicas mais comuns são apontadas as de Langmuir, Freundlich ou mesmo uma

combinação das duas, estas isotérmicas estão representadas abaixo:

Isotérmica de Langmuir

(2.23)

Isotérmica de Freundlich (2.24)

Isotérmica de Langmuir-Freundlich

(2.25)

Onde é a quantidade de iões adsorvidos pela resina (mg/gres), representa a

concentração de equilíbrio na fase líquida (mg/L), e são as capacidades

máximas do adsorvedor (mg/g), , , , e são parâmetros das isotérmicas.

As notações L, F e LF dizem respeito à isotérmica Langmuir, Freundlich e Langmuir-

Freundlich (Fernandes et al., 2011).

Contudo, este trabalho visa testar um modelo simples, por isso, para descrever o

equilíbrio de solução-resina vai ser utilizada uma condição de equilíbrio linear.

Isotérmica linear (2.26)

Em que é a constante de equilíbrio, é a concentração do aminoácido no interior da

partícula de resina e é a concentração do aminoácido adsorvido na resina.


24 Ricardo Alegria

2.6 Separação de aminoácidos com resinas de permuta iónica

Coloca-se a questão: porquê utilizar resinas de permuta iónica na separação fenilalanina-

tirosina? Estes aminoácidos podem ser obtidos com recurso a culturas biológicas, contudo

a sua separação do meio, e principalmente um do outro revelou-se problemática, uma vez

que a suas estruturas químicas são muito parecidas o que leva a que também possuam

propriedades físicas semelhantes. Uma forma eficaz de os separar é o uso de HPLC,

contudo este processo pode ser dispendioso.

A separação de substâncias recorrendo ao uso de resinas de permuta iónica pode ser feita

por várias formas sendo elas: (1) através de formação de iões complexos, separando-se

estes de outras substâncias que não possuam esta capacidade; (2) separação através do

potencial de Donnan; (3) separação através de diferenças de afinidade para a resina, como

exemplo glucose e frutose numa resina catiónica na forma Ca; (4) retenção de ácido, isto

é uma resina possui grande afinidade para os ácidos correspondentes ao seu contra iao,

como SO4 e H2SO4; (5) retenções de eletrólitos, certas resinas possuem ambas cargas na

sua matriz sólida (forma sal interno), estas resinas possuem uma grande afinidade para

eletrólitos em relação a não eletrólitos; (6) separação por diferenças de seletividade, ou

seja, passando uma mistura por uma coluna de resina surgem bandas onde cada elemento

da mistura se encontra mais concentrado (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

O uso de resinas de permuta iónica revelou-se aqui muito melhor devido às propriedades

anfotéricas dos aminoácidos, que juntamente com a estrutura base das resinas o processo

de separação pode ser feito da seguinte forma: tendo uma resina de grupo fixo positivo,

fazemos passar por esta uma solução contendo a mistura dos aminoácidos a um pH tal

que ambos se encontrem na sua forma negativa, assim ambos são adsorvidos pela resina,

posteriormente fazemos descer o pH da solução em contacto com a resina até ao valor do

ponto isoelétrico de um dos aminoácidos, o que faz com que ele inicie a troca de carga, e

por isso ocorre desadsorção do mesmo pela resina e consequentemente expelido da

mesma para a solução (Nishimura et al., 1967; Csapó et al., 2008).

Uma técnica de separação que utiliza alguns conceitos acima é a bombagem paramétrica,

que teve o seu potencial demonstrado por Wilhelm e Sweed, e baseia-se na habilidade de

uma fase sólida reter solutos de uma fase móvel e depois libertá-lo de novo através da

variação de uma propriedade termodinâmica, posto isto Sabadell e Sweed, testaram a


Ricardo Alegria 25

variação do pH para separação de Na+ e K+; a mesma técnica foi realizada por Moreira

para separação de tirosina e fenilalanina com resultados positivos (Moreira et al., 2012)

Capítulo 3: Modelos Matemáticos

Modelos Matemáticos

28 Ricardo Alegria

3 Modelos Matemáticos

Equações matemáticas apropriadas à resolução da cinética do processo de permuta iónica

são muito mais difíceis de se obter do que modelos de equilíbrio. Esta dificuldade advém

de problemas matemáticos, já que os processos físicos e químicos fundamentais que o

constituem são bem conhecidos. Para a formulação de um modelo matemático sólido,

capaz de representar o processo de permuta iónica é necessário, que sejam respondidas

quatro perguntas: 1. Qual o mecanismo do processo? 2. Qual o passo determinante do

processo? 3. Quais as leis que regem o processo? 4. Como pode este ser previsto

teoricamente?

Figura 3.1 Esquema do processo de permuta iónica.

Pode-se dizer que a transferência de massa é o mecanismo fundamental do processo de

permuta iónica, constituído no movimento de partículas de uma zona do sistema para

outra, devido a um gradiente de concentração entre essas duas zonas do sistema. Neste

caso essa difusão ocorre em diferentes zonas: difusão externa no seio da fase líquida;

difusão no filme, na interface solução-resina e difusão interna nos macro e micro poros

das partículas de resina. Contudo, é normal o uso de condições experimentais tais que

permitam assumir que a resistência à difusão externa seja praticamente desprezável

comparando com a interna. Tratando-se de difusões em resinas macroporosas, a difusão

ocorre nos macroporos e na matriz sólida da resina. Saunders et al., (1989) concluíram

que para concentrações elevadas a difusão nos macroporos é determinante, sendo a

difusão nos microporos se a soluções forem diluídas.

Todavia pode haver processos de permuta que não são determinados pela velocidade com

que os iões se difundem, como por exemplo um processo onde haja uma reação entre os

Modelos Matemáticos Capítulo 3

Ricardo Alegria 29

iões e os grupos fixo da resina, como é o caso da formação de quelatos, nestes a reação de

complexação é o fator determinante do processo (Pinto, 1997).

Atualmente continuam a ser realizados vários estudos de equilíbrio e cinéticos para tentar

alcançar um modelo simples contudo capaz de simular de forma eficiente o processo de

permuta iónica, se no caso do equilíbrio o uso da isotérmica de Langmuir e Freundlich

são as mais utilizadas, já para modelos cinético de pseudo segunda e primeira ordem

contudo estes são semi-empriricos o que limita a sua utilização e extrapolação,

alternativamente aparecem modelos como Nernst-Plank, Maxwell-Stefan que descrevem

o processo de transferência de massa em soluções iónicas diluídas, e ainda modelos

baseados na lei de ação das massas (Silva et al., 2007; Hekmatzadeh et al., 2012).

Neste capitulo apresentam-se dois modelos matemáticos susceptíveis de serem usados no

ajuste das experiencias cinéticas realizadas: o modelo de difusão nos poros e o modelo de

núcleo decrescente.

3.1 Modelo de difusão nos poros

Para a construção do modelo matemático de difusão nos poros são necessárias: equações

de conservação de massa, leis de transporte de massa, uma relação de equilíbrio e

condições fronteira e iniciais.

Neste modelo o passo determinante é a difusão nos poros, pois assume-se que se

estabelece um equilíbrio instantâneo entre os macroporos e a solução que os ocupa, e os

centros de permuta iónica. Assume-se ainda que:

- as partículas de resina são esféricas, com um diâmetro igual ao seu valor médio;

- a resina é composta por uma matriz macroporosa;

- não há variação do volume de resina, da sua porosidade ou da sua massa

volúmica durante o processo de permuta iónica.

O processo de difusão segue a lei de Fick, que pode ser descrita pela Equação 3.1.

(3.1)

Caso se considerasse o campo elétrico seria necessário o uso da equação de Nernst-Plank.

Assumindo ainda que a resistência à difusão externa pode ser desprezada, a primeira


30 Ricardo Alegria

etapa do processo é a difusão dos iões através da camada de filme na superfície da

partícula de resina que pode ser obtida por:

(3.2)

Nas equações anteriores: , é o coeficiente de transferência de massa no filme que, como

referido anteriormente pode ser estimado por correlações empíricas; , é a concentração

do ião no seio da solução e , é a concentração do ião na superfície da partícula de

resina. Neste caso, para a determinação do parâmetro pode-se utilizar correlações

empíricas que se encontram no Apêndice A2.

A condição de equilíbrio como primeira aproximação, uma vez que se pretende obter um

modelo simples, pode-se assumir linear.

(3.3)

Através de um balanco mássico à partícula de resina podemos escrever uma equação que

traduz a conservação do ião a permutar ou, neste caso, do aminoácido que se traduz por:

(3.4)

Onde é a porosidade da partícula de resina, é a difusidade do aminoácido e é a

massa especifica aparente da resina. Para esta equação é necessário também conhecer

condições iniciais (Equação 3.5) e de fronteira (Equação 3.6), que permitam a sua

resolução, estas estão apresentadas de seguida:

,

, e

(3.5)

e

(3.6)

Em que , é a concentração inicial do aminoácido na solução,

é a concentração do

aminoácido nos poros da partícula de resina e é a concentração do aminoácidos nas

micro partículas de resina.


Ricardo Alegria 31

Podemos substituir ainda a Equação 3.3 na Equação 3.4 obtendo assim:

(3.7)

Contudo experimentalmente o que vai ser medido ao longo do tempo é , isto é, a

concentração no seio da solução, por isso torna-se necessário relacionar o que ocorre no

interior das partículas de resina com o solução onde estas se encontram. Desta forma

fazendo um balanço material ao aminoácido, obtém-se:

(3.8)

Onde e representam o volume de resina húmida e o volume de solução

respetivamente. Podemos ver através da Equação 3.8, que já permite relacionar a

concentração na solução com a concentração média nas partículas, que pode ser obtida

por:

(3.9)

Para desenvolver esta equação é necessário o uso das condições em (3.6) conjuntamente

com uma condição na interface solução-sólido, que vai depender da consideração ou não

da resistência à transferência de massa no filme nas Equações 3.10 e 3.11,

respetivamente.

(3.10)

(3.11)

Onde é o raio da partícula.

3.2 Modelo de núcleo decrescente

Ao longo do tempo foram propostos vários modelos que respondiam de formas diferentes

às várias perguntas, assumindo diferentes pressupostos e simplificações, um deles foi o

modelo de núcleo decrescente, já usado com sucesso para descrever processos que

incluem partículas com fluidos circundantes, como a combustão e gasificação de

combustíveis sólidos, redução de óxidos metálicos e remoção de espécies solúveis por

partículas sólidas como adsorção (Pritzker, 2004).


32 Ricardo Alegria

Nesta classe de modelos, admite-se que existe uma frente de reação que penetra nas

partículas, como uma zona de transição, e que separa o núcleo da partícula que ainda não

reagiu, da restante zona mais periférica, que já se encontra saturada. Considera-se que a

adsorção ocorre apenas na chamada frente de reação.

Este modelo trata-se de uma aproximação de modelos de fronteira móvel para a

combustão de depósitos de partículas porosas, pressupõe uma fronteira móvel que separa

uma concha de partícula de resina já convertida de um caroço em que a resina se encontra

na sua forma original como mostra a seguinte figura.

Figura 3.2 Representação esquemática para o avanço da frente de reação na partícula de resina

(Fernandes et al., 2011).

Como mostra a Figura 3.2, uma frente de reação ( ) divide a zona externa, que já reagiu,

do caroço interno, onde ainda não se deu adsorção. Imagine-se que se tem dois iões: o ião

, inicialmente ligado aos grupos fixos da resina e o ião que vai ser adsorvido; desta

forma inicialmente tem-se toda a partícula de resina na forma , contudo com o

tempo o ião vai sendo adsorvido, cria-se assim uma concha de espessura (

onde a resina já se encontra na forma . Esta vai crescendo até que toda a partícula

tenha todos os seus iões substituídos ou até que se atinja um equilíbrio.

Pode-se afirmar que neste modelo se estuda a evolução do processo de permuta com base

na progressão da porção reagida (concha) nas partículas em função do tempo. A

progressão depende essencialmente de dois fatores, a transferência de massa interna e

transferência de massa no filme, o que leva ao aparecimento da Equação 3.12.

(3.12)


Ricardo Alegria 33

Para tal, é necessário uma relação entre a evolução da porção reagida com o consumo do

contra-ião A.

(3.13)

Na equação anterior, é o numero de moles de aminoácido dentro da resina num dado

instante, é o raio do núcleo por reagir, é a capacidade da resina e é a massa

volúmica aparente da partícula de resina.

Antes que o contra-ião possa entrar na partícula é necessário que este se difunda através

da camada filme, onde o processo é ditado por:

(3.14)

Por outro lado, a etapa controlada pela difusão no interior da partícula é dada por:

(3.15)

Estando sujeitas às seguintes condições fronteira, considerando que a concentração na

solução se mantém constante (banho infinito):

(3.16)

Onde é o raio da partícula. É possível desenvolver a Equação 3.15 com estas

condições,

(3.17)

integrando.

(3.18)

Sendo que no final obtém-se:

(3.19)


34 Ricardo Alegria

De seguida é possível obter uma relação entre o tempo e a porção de partícula reagida,

através das Equações 3.15 e 3.19,

(3.20)

separando variáveis e integrando entre e

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

finalmente obtém-se a relação entre o tempo e o avanço da fronteira da concha reagida.

(3.24)

Contudo, como já foi referido, há dois fatores que contribuem para o processo, sendo por

isso necessário um tratamento semelhante para a transferência de massa no filme. Para

tal, relacionam-se as Equações 3.13 e 3.14.

(3.25)

Separando variáveis e integrando entre, e .

(3.26)

(3.27)

dividindo a expressão anterior por e explicitando


Ricardo Alegria 35

(3.28)

Substituindo as Equações 3.25 e 3.28 na Equação 3.12 obtém-se,

(3.29)

Verificamos assim que existe um fator que aparece com frequência nestas equações, isto

foi planeado para que facilmente se possa relacionar a Equação 3.29, com o fator de

conversão da resina que é o volume de resina reagida a dividir pela resina total, ou seja,

(3.30)

(3.31)

Se normalizarmos a equação global e inserirmos o parâmetro conversão obtemos a

seguinte expressão,

(3.32)

Onde, é o tempo normalizado e é descrito por .


36 Ricardo Alegria

Simulações Matemáticas

Nesta secção apresentam-se os resultados de simulações efetuadas com o modelo de

núcleo decrescente. O objetivo é mostrar de que forma varia a adsorção do aminoácido,

num sistema fechado e perfeitamente agitado, com os parâmetros cinéticos considerados

no modelo e ainda com algumas condições operatórias.

Como já foi visto atrás a equação global (Equação 3.32) pode dividir-se em duas partes, a

primeira associada à difusão de filme e outra à difusão interna. Para estudar a importância

que cada parcela tem na evolução do sistema, foram realizadas algumas simulações.

Inicialmente foi estudado como varia o sistema caso apenas houvesse difusão de filme,

para tal fez-se variar o valor de de a , e mantendo constante

todas as outros parâmetros ( =2 mM, q0=3,15 mmol/g e εp=0,51).

Figura 3.3 Variação do grau de conversão F com o tempo para diferentes valores de .

Podemos ver que quanto maior o valor de mais rápida é a conversão das partículas. De

seguida, realizaram-se outras simulações com o membro associado apenas à difusão

interna, nestas simulações fez-se variar o valor de entre a ,

mantendo-se constantes os restantes parâmetros e iguais às simulações anteriores.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

F

Tempo (s)

5,00E-04

1,00E-03

5,00E-03

7,00E-03

1,00E-02

5,0×10-4

m/s

1,0×10-3

m/s

5,0×10-3

m/s

7,0×10-3

m/s

1,0×10-2

m/s


Ricardo Alegria 37

Figura 3.4 Variação do grau de conversão F para diferentes valores de DA.

Constata-se ver que a relação de com o fator de conversão não é linear, como acontece com o

coeficiente de transferência de massa. Presume-se que este fator vai ser o determinante no

processo, apenas por ver a contribuição para o tempo de conversão de cada um dos

passos.

Posteriormente realizaram-se simulações com a equação global (Equação 3.32), primeiro

fixando o valor de em 6,06×10-9 m2/s, mas fazendo variar novamente o valor de . Os

resultados estão representados na Figura 3.5.

Figura 3.5 Variação do grau de conversão para fixo e variável.

Finalmente, efetuaram-se simulações com valor de variável e mantendo fixo o valor

de igual a 5,97×10-5 m/s, valor médio obtido através de correlações empíricas.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

F

Tempo (s)

5,00E-08 1,00E-08 7,00E-09 5,00E-09 3,00E-09

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000

F

Tempo (s)

5,00E-04 1,00E-03 5,00E-03 7,00E-03 1,00E-02

5,0×10-8

m2/s

1,0×10-8

m2/s

7,0×10-9

m2/s

5,0×10-9

m2/s

3,0×10-9

m2/s

5,0×10-4

m/s

1,0×10-3

m/s

5,0×10-3

m/s

7,0×10-3

m/s

3,0×10-2

m/s


38 Ricardo Alegria

Pode-se assim verificar na Figura 3.6 que é aqui que se obtêm maiores variações no

tempo necessário para a conversão total.

Figura 3.6 Variação do grau de conversão para fixo e variável.

Através das simulações efetuadas podemos concluir que a contribuição para o tempo de

conversão dada pela difusão no filme é pequena quando comparada com o fator difusão

interna, o que era esperado. Por tal razão daqui para a frente o ajuste do modelo é feito

apenas com o fator difusão interno, enquanto o coeficiente de transferência de massa é

determinado por correlações empíricas.

Com o intuito de estudar outros fatores associados, quer com a solução de aminoácidos

quer com as propriedades físicas da resina, foram realizadas simulações em que o

parâmetro analisado foi a concentração inicial do aminoácido na solução, a capacidade,

porosidade e o raio das partículas de resina.

Mantendo as restantes constantes iguais às já referidas nas simulações anteriores, fez-se

variar a concentração inicial do aminoácido à volta do valor de 2mM, pois esta é a

concentração em que se vai efetuar a maior parte dos estudos cinéticos.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

F

Tempo (s)

5,00E-08 1,00E-08 7,00E-09 5,00E-09 3,00E-09

5,0×10-4

m2/s

1,0×10-3

m2/s

7,0×10-3

m2/s

7,0×10-3

m2/s

3,0×10-2

m2/s 5,0×10

-8 m

2/s

1,0×10-8

m2/s

7,0×10-9

m2/s

5,0×10-9

m2/s

3,0×10-9

m2/s


Ricardo Alegria 39

Figura 3.7 Simulações a diferentes concentrações iniciais de aminoácidos mantendo todos os

restantes parâmetros constantes.

Pode-se observar pela Figura 3.7 que o aumento da concentração inicial do aminoácido

torna a conversão da partícula mais rápida, o que seria de esperar face ao aumento do

diferencial de concentração.

A figura seguinte mostra um estudo análogo mas com foco agora no raio das partículas de

resina em torno do valor apresentado pelo fabricante da resina em causa, PA316. E pode-

se constatar que o aumento do tamanho das partículas torna mais lenta a conversão total

da partícula, não só devido ao maior número sítios ativos onde se pode dar a adsorção,

mas também pelo aumento dos percursos realizados pelas moléculas dos aminoácidos.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

F

Tempo (s)

1,0 mM 1,5 mM 2,0 mM 3,0 mM 4,0 mM


40 Ricardo Alegria

Figura 3.8 Simulações a diferentes raios de partículas de aminoácidos mantendo todos os restantes

parâmetros constantes.

De seguida analisa-se a porosidade das partículas de resina, mantendo as restantes

variáveis constantes.

Figura 3.9 Simulações a diferentes porosidades das partículas de resina mantendo todos os restantes

parâmetros constantes.

É fácil entender que o aumento da porosidade leva a que a conversão se efetue mais

rapidamente, isto acontece pois uma porosidade maior leva, a que tal como no caso

anterior, exista menos locais onde a adsorção é possível.

Por último a capacidade da resina é também estudada, apesar de que os fatores estudados

acima, porosidade e raio das partículas estejam fortemente ligados à capacidade da resina.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

F

Tempo (s)

0,15 mm 0,20 mm 0,25 mm 0,30 mm 0,40 mm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

F

Tempo (s)

0,25 0,40 0,50 0,60 0,70


Ricardo Alegria 41

Figura 3.10 Simulações com diferentes capacidades mantendo todos os restantes parâmetros

constantes.

Tal como nos casos anterior a rapidez da conversão é maior para casos em que a

capacidade é menor, uma vez que existem menor número de locais para se fazer a

adsorção.

Assim o aumento da porosidade, e a diminuição quer do raio, quer da capacidade da

partícula de resina leva à diminuição do tempo de conversão total, contudo leva a que na

prática uma passagem da solução pelo leito de resina remova menos iões, daí a

importância de estudos como este na escala industrial que visam em descobrir quais o

valores adequados para os parâmetros do processo otimizando-o.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

F

Tempo (s)

1,5 mmol/g 2,0 mmol/g 3,0 mmol/g 3,5 mmol/g 4,0 mmol/g

Capítulo 4: Secção Experimental

Secção Experimental

44 Ricardo Alegria

4 Secção Experimental

O trabalho experimental efetuado para a elaboração desta tese teve como objetivo estudar

a cinética de transferência de massa dos aminoácidos fenilalanina e tirosina durante o

processo de permuta iónica, a partir de soluções onde estes se encontram diluídos. A

resina de permuta iónica é macroporosa, com a designação comercial de PA316

(Mitsubishi Chemical Corporation). Foram realizados estudos para cada um dos

aminoácidos, tirosina e fenilalanina separadamente e com a mistura dos dois

aminoácidos, uma vez que o objetivo deste estudo é contribuir para a separação dos

aminoácidos referidos.

O sistema experimental utilizado é baseado num sistema desenvolvido por Costa e

Rodrigues (1985) para a estimativa de coeficientes de transferência de massa que, para

caudais de circulação de solução suficientemente elevados pode-se considerar um sistema

perfeitamente agitado, onde a concentração do aminoácido só varia com o tempo

assumindo-se constante em cada ponto do sistema. Este sistema já foi utilizado

anteriormente com o propósito dado neste trabalho com resultados validados por outros

autores (Saunders et al.,1989; Carta, et al.,1991; Moreira, 2010). Operando segundo

condições experimentais adequadas, pode-se garantir uma distribuição uniforme do

líquido circulante pela coluna e, para caudais de circulação do líquido suficientemente

elevados este sistema aproxima-se a um sistema descontínuo perfeitamente agitado.

Este não é o único método experimental possível de ser utilizado. Por exemplo, com o

intuito de estudar o processo de difusão em sistemas de permuta iónica, Fernández et al.,

(1997) utilizaram um sistema batch com um vaso agitado onde se encontrava a solução

com as partículas de resina. Contudo, o método de vaso agitado tem algumas

desvantagens, como o desgaste físico provocado pelo choque das partículas de resina

entre si e com as paredes do vaso.

Sistemas de partícula única também já foram testados por alguns autores, mais

recentemente métodos de coluna de comprimento zero ou ZLC primeiramente

introduzido por Ruthven, 1988, e passível de se utilizar tanto em sistemas gasosos como

líquidos. O modelo já foi testado (Rodriguez et al., 1998; Valverde et al., 2004) para a

determinação de coeficientes difusionais em processos de permuta iónica. Este método é

simples e rápido e consiste numa coluna com uma camada diferencial de resina

inicialmente saturada num componente pela qual de seguida se faz passar uma solução

Secção Experimental Capítulo 4

Ricardo Alegria 45

com um contra-ião que vai permutar com o inicialmente na resina; este método difere do

utilizado neste trabalho principalmente pela negligenciável contribuição da difusão de

filme devido aos extremos valores de caudais utilizados em ZLC, contudo atingir estes

caudais nem sempre é fácil e/ou rentável (Valverde et al., 2004; Rodríguez et al., 1988).

O sistema de Costa e Rodrigues, escolhido para este trabalho, apresenta uma vantagem

pois grande parte das utilizações atuais da permuta iónica são em colunas semelhantes à

usada pelo método apenas em maior escala, logo existe uma melhor extrapolação de

resultados para a escala industrial.

Figura 4.1 Esquema experimental usado na determinação dos parâmetros cinéticos.

A Figura 4.1 pretende esquematizar o sistema experimental montado para este trabalho.

Este é constituído por uma coluna diferencial, um recipiente fechado com agitação que

contem a solução, e por uma bomba peristáltica.

A preparação das soluções foi feita recorrendo a material de laboratório comum. Para a

tirosina uma vez que é de difícil dissolução, apresentando uma solubilidade em água de

0,38 g/L enquanto para fenilalanina o valor é de 27 g/L, foi necessário o uso de um banho

de ultrassom (Retsch UR 1). A avaliação do pH da solução ao longo da experiência foi

efetuada com um medidor de pH (WTW 540 GLP) com elétrodo de vidro (Mettler

Toledo) e sensor de temperatura (WTW TFK325), o qual efetua leituras em contínuo.

Numa abordagem inicial, pensou-se em registar também em contínuo a concentração do

aminoácido na solução. Contudo, devido à inexistência de placas de aquisição de dados

adequadas, que permitissem converter o sinal obtido pelo espectrofotómetro disponível

num sinal que fosse possível ser lido e registado num computador, o registo de dados foi


46 Ricardo Alegria

realizado de forma manual, que apesar de ter uma baixa velocidade de aquisição e ser de

difícil aplicação a períodos extensos, revelou-se adequado ao sistema em estudo, uma vez

que após um período de testes, verificou-se que para um ensaio era necessário apenas

cerca de 10 recolhas num espaço de tempo não superior a uma hora.

Assim, as amostras de solução, retiradas do sistema com uma seringa, são analisadas em

células de quartzo com percurso ótico de 1 cm, num espectrofotómetro (T60 UV/VIS). Os

valores de absorvância lidos são depois convertidos em concentração de aminoácidos por

intermédio das retas de calibração obtidas para cada experiência (Apêndice A10). Para a

análise de soluções com a mistura dos dois aminoácidos é necessário a utilização de

cromatografia por HPLC (Hewlett Packard série 1050).

Figura 4.2 Fotografia da coluna diferencial utilizada no trabalho experimental, (1) esferas de vidro;

(2) leito de resina.

A coluna diferencial consiste num leito estreito de partículas de resina empacotado entre

dois leitos de partículas de vidro, através dos quais a solução diluída do aminoácido

circula por intermédio de uma bomba peristáltica. A coluna diferencial foi a mesma

utilizada em todos os ensaios e tem as seguintes dimensões: 26 cm de comprimento e 1,6

cm de diâmetro interno. No meio da coluna encontra-se uma camada de resina com 0,95

cm de espessura (2). O restante volume interior da coluna é preenchido com partículas de

vidro (1) com diâmetro próximo ao das esferas de resina, para que assim se possa garantir

uma boa distribuição de solução por toda a área transversal da coluna, eliminando a

possibilidade de caminhos preferenciais. É de referir que toda a tubagem utilizada é de

silicone (Deltalab).


Ricardo Alegria 47

Figura 4.3 Fotografia da instalação laboratorial usada na determinação experimental dos

parâmetros cinéticos.

Realizaram se vários ensaios todos com a duração de uma hora, com recolha de amostras

nos tempos: 0, 0,5, 1, 3, 7, 13, 20, 30, 45 e 60 minutos. A Tabela 4.1 foi elaborada com a

informação das condições iniciais para todos os ensaios realizados, para que seja fácil

identificar cada ensaio, facilitando a sua comparação e discussão.

É importante referir que deveriam ter sido feitos ensaios em triplicado e não em duplicado

como foi realizado neste trabalho, pois assim obter-se-iam valores mais exatos, contudo

devido a restrições de quantidade de material, nomeadamente fenilalanina, foi impossível

realizar o número de ensaios aconselháveis.


48 Ricardo Alegria

Tabela 4.1 Condições operatórias dos ensaios realizados.

Ensaio Aminoácido pH

Concentração inicial

de aminoácido

(mM)

Concentração

de NaOH

(mol/L)

Temperatura

(°C)

Caudal

(cm3/min)

1A Tirosina pI 2,01 0,00 22,2 150

1B Tirosina pI 2,01 0,00 24,2 150

1C Tirosina pI 2,03 0,00 25,5 150

2A Fenilalanina pI 2,00 0,00 20,2 150

2B Fenilalanina pI 2,00 0,00 21,2 150

2C Fenilalanina pI 2,00 0,00 10,0 150

3A Tirosina 12 2,02 0,01 22,2 150

3B Tirosina 12 2,02 0,01 22,4 150

4A Fenilalanina 12 2,01 0,01 24,2 150

4B Fenilalanina 12 2,01 0,01 24,2 150

5A Tirosina pI 3,00 0,00 25,1 150

5B Tirosina pI 3,00 0,00 25,3 150

5C Tirosina pI 3,00 0,00 27,0 150

6A Fenilalanina pI 3,00 0,00 27,0 150

6B Fenilalanina pI 3,01 0,00 27,2 150

7A Tirosina 10 2,00 1x10-4

27,0 150

7B Tirosina 10 2,01 * 25,0 150

8A Tirosina pI 2,04 0,00 25,0 75

8B Tirosina pI 2,04 0,00 25,0 200


Ricardo Alegria 49

De notar que no ensaio 7B o pH foi ajustado com gotas de base concentrada, em

comparação com o ensaio 7A em que o pH foi obtido pelo uso da equação do produto

iónico ou seja, sabendo o pH desejado, por exemplo 12 podemos saber qual a quantidade

de base a adicionar.

(4.1)

Então

(4.2)

Assumindo que a contribuição da ionização da água é desprezável podemos dizer que a

quantidade de é igual à de base (NaOH) necessária. Uma vez que todo o irá ser

proveniente da dissociação da base. Pode-se dizer que é necessário preparar a solução de

NaOH com a concentração de 0,01 mol/L para que se obtenha o pH desejado.

Contudo é importante ter em mente que os aminoácidos são moléculas anfotéricas e que

quando em contacto com soluções estes agem como base ou ácido alterando assim o valor

final do pH da solução. Por esta razão os valores de pH referidos na Tabela 4.1 são

valores alvo, sendo o valor da solução final ligeiramente diferente.

4.1 Reagentes

A resina utilizada como já foi referido anteriormente, foi a DIAION PA316 (Mitsubishi

Chemical Corporation). Esta resina é do tipo base forte, macroporosa, com uma matriz de

poliestireno. O grupo iónico fixo desta resina de permuta iónica é o trimetilamónio ( R-

N+(CH3)3) e tem uma percentagem de reticulação de 8%. A tabela com as propriedades da

mesma encontra-se no Anexo A4. Os aminoácidos utilizados foram sempre a D,L-

Fenilalanina e D,L- Tirosina (Merck) ambos na sua forma pura. O reagente NaOH

(PANREAC Química SLU) com grau de pureza de 98%, HCL (Carlo Erba Reagents)

com 37% pureza, Boráx (Merck), e ainda o titulador vermelho de metilo.

4.2 Procedimento experimental

Antes de se poder dar início às experiencias de adsorção foram necessários alguns

procedimentos prévios, entre os quais, o condicionamento da resina que tem por objetivo


50 Ricardo Alegria

eliminar da resina substâncias orgânicas solúveis e as substâncias inorgânicas como ferro

e cálcio que esta pode eventualmente conter. A resina é empacotada numa coluna e

tratada alternadamente com soluções de HCl 2M, água e NaOH 2M, no caso especifico

deste trabalho no condicionamento utilizou-se, de forma alternada, 250mL de uma

solução de NaOH a 2 M, seguida de 250mL de HCL a 2M e finalmente uma outra porção

de 250mL de NaOH também a 2M. Deve-se passar bastante água destilada entre cada

solução. Este condicionamento é repetido entre cada ensaio experimental com o intuito de

regenerar a resina, e convertê-la à forma –OH-.

As concentrações dos aminoácidos usadas nas experiências foram determinadas com um

espectrofotómetro de ultra violeta e visível, munido de uma célula de quartzo com um

percurso ótico de 1 cm. Na determinação do comprimento de onda que maximiza a

absorvância para cada aminoácido, efetuaram-se varrimentos de onda (190 a 900nm).

Os gráficos encontram-se abaixo, sendo possível constatar que os comprimentos de onda

que produzem máxima absorvância para a fenilalanina e tirosina são respetivamente de

257,60 nm e 274,80 nm.

Figura 4.4 Gráfico de varrimento para a tirosina.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

235 255 275 295 315 335 355 375 395

Ab

sorv

ân

cia

Comprimento de onda (nm)


Ricardo Alegria 51

Figura 4.5- Gráfico de varrimento para a fenilalanina.

Note-se que existe parcial sobreposição de comprimentos de onda em que ambos

aminoácidos absorvem, daí a necessidade do uso da técnica de HPLC para medir

concentrações em soluções com mistura dos dois aminoácidos.

Concluído o processo de condicionamento da resina e sabendo o comprimento de onda

adequado para a medição de absorvâncias, pode-se dar início ao ensaio experimental,

que segue o seguinte protocolo:

a) Remove-se a água de lavagem que possa eventualmente encontrar-se dentro do sistema, para que tubagem fique sem qualquer líquido;

b) Introduz-se 500 mL da solução aquosa de aminoácido no vaso com agitação;

c) Liga-se a bomba, que deve estar calibrada para um caudal de 150 cm3/min, e o medidor de pH, e inicia-se a contagem do tempo;

d) A recolha de amostras é feita com uma seringa de 5 mL no tubo localizado a jusante da coluna, antes da solução regressar ao vaso agitado (mais amostras nos primeiros 30min), deve-se registar o valor de pH;

e) A determinação de absorvância das amostras é feita de imediato no espectrofotómetro e em seguida são repostas no vaso com agitação;

f) A experiência termina quando os valores de absorvâncias de amostras consecutivas não se alterar.

É necessário que antes ou depois de cada experiência de adsorção se obtenha uma curva

de calibração do espectrofotómetro a partir de quatro soluções padrão dos aminoácidos.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

Ab

sorv

ân

cia

Comprimento de onda (nm)


52 Ricardo Alegria

Em experiências nos quais o pH da solução a usar é superior ao pH da água destilada foi

necessário o uso de uma solução de NaOH previamente preparada com uma concentração

adequada para se obter o valor de pH desejado. Esta solução foi titulada com HCl para ser

possível a determinação da concentração exata.

4.3 Determinação das propriedades do leito de resina

No final de todos os ensaios cinéticos, retirou-se a resina e pesou-se, ainda húmida, sendo

depois seca numa estufa a 100°C e arrefecida num exsicador para que fosse possível obter

o seu peso, para assim se poder calcular a sua humidade.

Com o objetivo de se determinarem as restantes propriedades como densidade aparente e

real, porosidade do leito e porosidade das partículas foi necessário realizar um conjunto

de ensaios. O protocolo é semelhante ao utilizado por outros autores. O método

experimental encontra-se descrito abaixo:

Numa balança de precisão pesou-se a massa de seis picnómetros vazios.

Desses picnómetros metade foram cheios com água destilada e outra metade com

n-heptano, e pesou-se novamente.

Secaram-se bem os picnómetros anteriores e introduziu-se uma pequena amostra

em cada um dos seis picnómetros e registou-se o peso de cada um.

Dos picnómetros três foram novamente cheios com água destilada e os restantes

com n-heptano e voltou-se a pesar.

Finalmente colocaram-se os picnómetros a secar numa estufa o tempo necessário

para que a sua massa entre duas medições sucessivas não variasse. Registou-se a

massa dos picnómetros com resina seca.

A utilização do n-heptano advém da necessidade de se saber o volume ocupado pela

resina húmida, foi é necessário um solvente cujas moléculas não tivessem acesso aos

poros presentes na resina. Com os dados obtido neste conjunto de ensaios e com as

Equações 2.14 a 2.18 calcularam-se todas as propriedades necessárias, que se encontram

o Capítulo 5, nas tabelas 5.1 e 5.2.

Capítulo 5: Apresentação e discussão de resultados

Apresentação e discussão

54 Ricardo Alegria

5 Apresentação e discussão de resultados

Neste capítulo apresentam-se resultados experimentais obtidos de acordo com o

procedimento experimental descrito no capítulo anterior, assim como as previsões obtidas

pelo modelo do núcleo decrescente.

Como já foi referido no capítulo anterior no final das experiências cinéticas, foram

determinadas as propriedades físicas da resina, como massa volúmica, porosidade das

partículas e percentagem de humidade. Esta informação encontra-se na Tabela 5.1 para a

forma comercial da resina e para a resina tratada e convertida à forma Cl-.

Tabela 5.1 Propriedades físicas da resina PA316.

Propriedades Forma comercial

(-OH)

Forma condicionada

(-Cl)

ρaparente (gseca/cm3

húmida) 0,845 0,540

ρreal (gseca/cm3

seca) 0,998 1,000

ρhúmida (ghúmida/cm3

húmida) 1,100 1,050

Humidade (%) 25 49,00

εp 0,15 0,54

Na análise dos resultados obtidos para as duas formas de resina, verifica-se que a

principal diferença de propriedades ocorre para a massa volúmica aparente, a

percentagem de humidade e a porosidade. Como referido no Capítulo 2 as diferenças de

humidade são normalmente provocadas pela hidratação da matriz da resina. O

intumescimento da resina, que é um comportamento comum a todas as resinas de permuta

iónica, resulta do alongamento das cadeias da matriz da resina e deve-se essencialmente a

três fatores: há uma tendência por parte dos grupos iónicos fixos da resina e dos iões

móveis de se rodearem de moléculas de solvente polar, formando círculos de solvatação;

o interior da resina é comparável a uma solução iónica muito concentrada sendo, por isso,

justificável que a matriz da resina adsorva solvente com o objetivo de diluir a solução; os

grupos iónicos fixo vizinhos dão origem a forças electroestáticas de repulsão. De acordo

com a bibliografia, o ião cloreto rodeado por moléculas de solvente possui um diâmetro

maior que os iões hidróxido. Tal resulta numa maior humidade na resina condicionada,

levando a um maior volume das partículas, o que provoca uma diminuição na massa

volúmica aparente.

Apresentação e discussão Capítulo 5

Ricardo Alegria 55

De seguida, encontra-se a tabela com as propriedades obtidas para o leito de resina

utilizado durante os ensaios cinéticos.

Tabela 5.2 Propriedades do leito de resina PA316.

Volume

(cm3)

Massa de resina

húmida (g)

Massa volúmica

húmida

(g/cm3)

Porosidade do leito

1,910 1,400 0,733 0,302

Antes de se realizarem as experiências cinéticas efetuaram-se alguns ensaios preliminares

para comprovar que o método experimental adotado neste trabalho simulava efetivamente

o comportamento de um adsorvedor fechado como referido no Capítulo 4. Para tal,

efetuaram-se ensaios a diferentes caudais de circulação de solução sendo estes: 75, 150 e

200 cm3/min que correspondem respetivamente aos ensaios 1B, 8A e 8B da Tabela 4.1.

Nestes ensaios mantiveram-se constante a concentração inicial de aminoácido

(CTyr~2,0mM), o pH da solução (pH~pI) e a temperatura (T~25°C)

Figura 5.1 Representação do efeito do caudal de circulação na adsorção de tirosina.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

CT

ir/C

0T

ir

Tempo (min)

75 cm3/min 150 cm3/min 200 cm3/min

75 cm3/min

150 cm3/min

200 cm3/min


56 Ricardo Alegria

Figura 5.2 Representação do efeito do caudal de circulação na quantidade de tirosina adsorvida.

Apenas o caudal de circulação foi variado, mantendo-se constante a concentração inicial,

o pH e a temperatura do sistema. Pode-se observar que para um caudal de 75 cm3/min a

quantidade adsorvida é muito menor do que aumentando o caudal para 150 cm3/min,

ilustrando a importância das limitações externas de transferência de massa para caudais

baixos. Aumentando ainda mais o caudal de recirculação para 200 cm3/min não houve

alterações positivas. Trabalhos realizados anteriormente, Carta et al., 1991 e Moreira,

2010, usando a fenilalanina concluiram que, para qualquer dos caudais estudados, a partir

de 135 cm3/min obtia-se o comportamento desejado e que caudais acima desse seriam

semelhantes não produzindo curvas diferentes. Para os estudos cinéticos foi escolhido o

caudal de circulação de 150 cm3/min, pois nesta situação garante-se que o sistema

experimental possui um bom contacto fluido/partícula com uma boa repodutibilidade das

condições hidrodinâmicas do fluido. Uma vez que as condições de operação são similares

às experiencias de um leito fixo, o coeficiente de transferência de massa externo pode ser

estimado recorrendo a correlações empíricas para leitos fixos.

Na Tabela 5.3 encontram-se os coeficientes de transferência de massa, , calculados a

partir das correlações empíricas de Carberry (1960), Wakao e Funazkri (1978) e Kataoka

(1972), que se encontram no Apêndice A2.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)

75 cm3/min 150 cm3/min 200 cm3/min

75 cm3/min

150 cm3/min

200 cm3/min


Ricardo Alegria 57

Tabela 5.3 Valores de calculados para o caudal de 150 cm3/min por várias correlações empíricas.

Carberry (cm2/s)

(Carberry, 1960)

Wakao e Funazkri (cm2/s)

(Wakao, et al., 1978)

Kataoka (cm2/s)

(Kataoka, et al., 1972)

Phe Tyr H+ Phe Tyr H+ Phe Tyr H+

5,93×10-3

5,85×10-3

3,65×10-2

3,82×10-3

3,76×10-3

2,57×10-2

8,44×10-3

8,31×10-3

5,14×10-2

5.1 Influência do pH no processo de permuta iónica

De acordo com o estudo realizado no Capítulo 2, que permite determinar para que valores

de pH as espécies monovalentes e divalentes de tirosina, Tyr- e Tyr2- são predominantes,

foi possível planear experiencias que permitam obter as difusividades efetivas nos

macroporos na adsorção de Tyr- e Tyr2-, separadamente.

Com o intuito de estudar a influência do pH da solução no processo de transferência de

massa realizaram-se vários ensaios com diferentes concentrações de NaOH. As Figura 5.3

e 5.4, dizem respeito à adsorção de tirosina.

Figura 5.3 Resultados experimentais para a evolução da concentração de tirosina a diferentes valores

de pH (1A e1B: pH~pI; 3A e 3B: pH~12).

Pode-se verificar claramente, e como seria de esperar, que existe uma influência clara no

processo de permuta por parte do pH da solução onde a mesma ocorre. Constata-se ainda

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

CT

yr/C

0T

yr

Tempo (min)

Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 3A Ensaio 3B


58 Ricardo Alegria

que a evolução da permuta é mais rápida, isto é atinge-se mais rapidamente o valor de

equilíbrio, é também menos extensa para pH superior ao ponto isoelétrico.

Figura 5.4 Resultados experimentais para a evolução da quantidade adsorvida de tirosina a

diferentes valores de pH (1A e1B: pH~pI; 3A e 3B: pH~12).

A Figura 5.4 efetua a mesma comparação mas agora em termos de quantidade adsorvida,

e mais uma vez se constata que a pH elevado a quantidade adsorvida final desce para

cerca de metade.

Das figuras acima conclui-se que a capacidade de permuta é tanto menor quanto maior for

o pH. Isto era esperado pois quanto maior o valor de pH, maior a concentração de iões

que, à semelhança da tirosina, são contra-iões capazes de competir com o anião do

aminoácido pelo co-ião fixo na resina. Outra razão advém do facto da tirosina a partir de

um valor de pH igual a 10, passa a ter uma maior quantidade de aminoácido na forma

relativamente à forma . Os aniões ocupam duas vezes mais grupos

fixos da resina do que a sua forma mononegativa. Por outro lado os iões são

preferencialmente adsorvidos em relação aos iões .

Para a fenilalanina realizaram-se ensaios idênticos, que se apresentam nas Figuras 5.5 e

5.6.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)



Ricardo Alegria 59

Figura 5.5 Resultados experimentais para a evolução da concentração de fenilalanina a diferentes

valores de pH (2A e2B: pH~pI; 4A e 4B: pH~12).

À semelhança da tirosina, a diferença entre os ensaios realizados a pH de solução

diferente pode-se explicar também pela existência de mais iões OH- e, por isso, maior

competição pelos sítios ativos a pH mais elevado, afetando não só a evolução da

concentração de aminoácido no meio, mas também a quantidade final de aminoácido na

resina.

Figura 5.6 Resultados experimentais para a evolução da quantidade adsorvida de fenilalanina a

diferentes valores de pH (2A e2B: pH~pI; 4A e 4B: pH~12).

Contudo, no caso da fenilalanina, esta competição é mais notória do que no caso da

tirosina, porque a fenilalanina apenas apresenta a sua forma monovalente, , a pH

igual a 12.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

CP

he/

C0P

he

Tempo (min)


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)



60 Ricardo Alegria

As figuras seguintes permitem comparar a adsorção de fenilalanina e tirosina em solução

monocomponente, não revelando informação nova, sendo apenas uma compilação dos

resultados experimentais até aqui apresentados.

Figura 5.7 Resultados experimentais para a evolução da concentração de ambos aminoácidos a

diferentes valores de pH (1A, 1B, 2A e 2B: pH~pI; 3A, 3B, 4A e 4B: pH~12).

Figura 5.8 Resultados experimentais param a evolução da quantidade adsorvida de ambos

aminoácidos a diferentes valores de pH (1A, 1B, 2A e 2B: pH~pI; 3A, 3B, 4A e 4B: pH~12).

Constata-se que para pH perto do ponto isoelétrico não existe quase nenhuma diferença

entre as curvas de adsorção de aminoácido, apesar de, na Figura 5.8, se perceber uma

pequena preferência da resina pela tirosina. A pH 12 tanto a adsorção de Phe como a

adsorção de Tyr decrescem. Contudo, a adsorção de tirosina apresenta uma cinética

inicial mais rápida e uma quantidade final adsorvida maior quando comparado com a

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

CA/C

0A

Tempo (min)

Ensaio 4A Ensaio 4B Ensaio 2A Ensaio 2B Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 3A Ensaio 3B

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)

Ensaio 2A Ensaio 2B Ensaio 4A Ensaio 4B Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 3A Ensaio 3B


Ricardo Alegria 61

fenilalanina. Este comportamento deve-se à capacidade da tirosina poder apresentar-se na

forma Tyr2- sendo assim preferida pela resina, em relação aos iões hidróxido que, para

este valor de pH, apresentam um elevado grau de competição pelos centros ativos da

resina. Finalmente, as isotérmicas de adsorção de Phe a pH 12 são mais desfavoráveis do

que as da Tyr para o mesmo valor de pH (Moreira, 2010).

Importante referir que a resina utilizada (PA316) foi concebida para dar intrinsecamente

preferência a aminoácidos.

5.2 Influência da concentração inicial no processo de permuta

Também foi realizado o estudo da influência da concentração inicial da solução externa

para ambos aminoácidos. Nas figuras seguintes apresentam-se os ensaios cinéticos para a

adsorção de tirosina a aproximadamente 2mM e 3mM.

Figura 5.9 Dados experimentais para a evolução da concentração da solução externa ao longo do

tempo durante o processo adsorção de tirosina para pH=pI e diferentes concentrações iniciais (1A

e 1B: CTyr~2mM; 5A e 5B: CTyr~3mM).

A observação do gráfico acima (Figura 5.8) sugere que o aumento da concentração inicial

do aminoácido na solução resulta numa menor adsorção deste. Contudo pelo facto das

concentrações iniciais serem diferentes, a forma de expor os resultados da Figura 5.9 é

pouco reveladora, pois as unidades utilizadas são baseadas em concentração. Por isso para

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60

CT

yr/C

0T

yr

Tempo (min)

Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 5A Ensaio 5C


62 Ricardo Alegria

a análise vai ser utilizado principalmente a Figura 5.10, que se refere à quantidade total

adsorvida pela resina.

Figura 5.10 Dados experimentais para a evolução de quantidade adsorvida de solução externa ao

longo do tempo durante o processo adsorção de tirosina para pH=pI e diferentes concentrações

iniciais (1A e 1B: CTyr~2mM; 5A e 5B: CTyr~3mM).

Da observação das Figuras 5.9 e 5.10 constata-se que a cinética é mais rápida para

concentrações iniciais superiores, comportamento que pode ser explicado pela existência

de um maior gradiente de concentração. Contudo, a quantidade total adsorvida no final é

praticamente igual quando se comparam os dois ensaios a concentrações iniciais

diferentes. Tal situação deve-se ao facto de se ter atingido o equilíbrio nos dois ensaios,

para o mesmo valor de pH.

Para a fenilalanina vai ser só exposto o gráfico correspondente à quantidade adsorvida,

pela razão referida anteriormente (Figura 5.11).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)

Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 5A Ensaio 5C


Ricardo Alegria 63

Figura 5.11 Dados experimentais para a evolução de quantidade adsorvida de solução externa ao

longo do tempo durante o processo adsorção de fenilalanina para pH=pI e diferentes

concentrações iniciais (2A e 2B: CPhe~2mM; 6A e 6B: CTyr~3mM).

À semelhança do que se observou para a tirosina, também para a fenilalanina a cinética de

adsorção é mais rápida para o ensaio com maior concentração inicial de aminoácido.

Figura 5.12 Análise simultânea da quantidade adsorvida para ambos os aminoácidos.

Pela Figura 5.12 pode-se constatar que, nestas condições, a ligeira predominância da

tirosina à concentração de 2mM passa a ser da fenilalanina a 3mM. No entanto,

comparações ao nível das quantidades totais de aminoácido adsorvido, depois de atingido

o equilíbrio, prendem-se com considerações relacionadas com o equilíbrio de permuta

iónica.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rvid

a (

mm

ol)

Tempo (min)


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 10 20 30 40 50 60

Qu

an

tid

ad

e a

dso

rv

ida

(m

mo

l)

Tempo (min)

Ensaio 2A Ensaio 2B Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 6A Ensaio 6B Ensaio 5A Ensaio 5C


64 Ricardo Alegria

Em qualquer dos ensaios realizados pode-se ver claramente que nunca se atingiu a

capacidade total da resina. Estudos realizados anteriormente determinaram que a

capacidade de permuta seria de 3,145 mmol/gRS. Contudo, nos ensaios realizados neste

trabalho, esse valor nunca se atingiu sendo o maior valor obtido de 1,578 mmol/gRS pois,

tal como dito acima, este facto está relacionado com as condições de equilíbrio.

5.3 Ajuste do modelo de núcleo decrescente aos pontos experimentais

A determinação dos parâmetros cinéticos para cada ensaio resultou do ajuste do modelo

do núcleo decrescente aos pontos experimentais. O gráfico obtido experimentalmente das

concentrações de aminoácidos na solução em função do tempo foi convertido num gráfico

de conversão da partícula de resina (F) em função do tempo, de acordo com a seguinte

equação:

(5.1)

A curva do modelo é ajustada aos valores experimentais, por alterações do parâmetro

difusão do aminoácido, , pois, como visto anteriormente, este era o parâmetro

associado ao passo determinante. O valor de estimado pelas correlações empíricas

torna o modelo global, Equação 3.29, impossível de ser ajustado o que leva a suspeitar

que ou as correlações empíricas utilizadas não se adequam ao sistema utilizado ou

existem fatores não ponderados pelo modelo que tornam o ajuste improvável.

A Tabela 5.4 resume as condições experimentais dos ensaios realizados, assim como a

difusão usada nos ajustes.


Ricardo Alegria 65

Tabela 5.4 Condições experimentais usadas nos estudos cinéticos de adsorção e parâmetros

cinéticos dos modelos do núcleo decrescente param os sistemas Phe-/OH

-, Tyr

-/OH

- e Tyr

2-/OH

-.

Ensaio Aminoácido pH Conc. inicial

(mM)

Temp.

(°C)

Caudal

(cm3/min)

(cm2/s)

1A Tirosina pI 2,01 22,2 150 8,00×10-5

1B Tirosina pI 2,01 24,2 150 8,30×10-5

2A Fenilalanina pI 2,00 20,2 150 8,50×10-5

2B Fenilalanina pI 2,00 21,2 150 9,70×10-5

3A Tirosina 12 2,02 22,2 150 2,30×10-4

3B Tirosina 12 2,02 22,4 150 1,85×10-4

4A Fenilalanina 12 2,01 24,2 150 8,00×10-5

4B Fenilalanina 12 2,01 24,2 150 1,10×10-5

5B Tirosina pI 3,00 25,3 150 1,50×10-4

5C Tirosina pI 3,00 27,0 150 8,00×10-5

6A Fenilalanina pI 3,00 27,0 150 9,40×10-5

6B Fenilalanina pI 3,01 27,2 150 9,40×10-5

7A Tirosina 10 2,00 27,0 150 1,75×10-4

7B Tirosina 10 2,01 25,0 150 1,80×10-4

As Figuras 5.13 a 5.14 abaixo são referentes aos ensaios efetuados com pH~pI e

concentração inicial de 2mM para ambos os aminoácidos.


66 Ricardo Alegria

Figura 5.13 Dados experimentais e calculados pelo modelo do núcleo decrescente, para a evolução

da conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH=pI.

O mesmo estudo foi realizado para a fenilalanina, apresentando-se na Figura 5.14.


da conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH=pI.

Observa-se que o modelo permite um bom ajuste tanto para a tirosina como para a

fenilalanina. Verifica-se, contudo, que existe um pequeno afastamento dos valores iniciais

no caso do ensaio 1B que mostra que a velocidade de adsorção é maior do que a prevista

pelo modelo nestas condições. A seguir é feito o mesmo tratamento aos ensaios com

pH~12 e com uma concentração inicial de aminoácido na solução externa de 2mM.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo

Modelo

Ensaio 1A

Ensaio 1B

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo 2A

Modelo 2B

Ensaio 2A

Ensaio 2B


Ricardo Alegria 67


da conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH~12.

A seguinte figura apresenta um estudo análogo mas para a fenilalanina.

Figura 5.16 Dados experimentais e calculados pelo modelo do núcleo decrescente, para a evolução da

conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH~12.

Neste caso constata-se que o ajuste na fase inicial é mais difícil do que no caso do pH

próximo do ponto isoelétrico. Verifica-se que a permuta iónica na fase inicial é mais

rápida do que o modelo prevê, contudo, a partir dos cerca de oito minutos o modelo já

reproduz adequadamente a evolução da adsorção. Comparativamente, os ensaios com a

tirosina permitem melhores ajustes do que os ensaios com a fenilalanina.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo 3A

Modelo 3B

Ensaio 3A

Ensaio 3B

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo 4A

Modelo 4B

Ensaio 4A

Ensaio 4B


68 Ricardo Alegria

De seguida encontram-se os ajustes referentes aos ensaios a concentração de 3mM, e

pH~pI para ambos os aminoácidos.


da conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de tirosina para a pH=pI e

concentração inicial de 3mM.


da conversão de resina ao longo do tempo pelo processo de adsorção de fenilalanina para a pH=pI e

concentração inicial de 3mM.

Finalmente com uma concentração inicial de 3 mM o modelo também prevê de forma

razoável os resultados experimentais.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo 5B

Modelo 5C

Ensaio 5B

Ensaio 5C

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

F

Tempo (s)

Modelo 6A

Modelo 6B

Ensaio 6A

Ensaio 6B


Ricardo Alegria 69

Mais um ajuste foi realizado com o intuito de tentar ajustar os dados obtidos por outro

autor (Moreira, 2010) com o mesmo tipo de sistema experimental e para condições

semelhantes às usadas neste trabalho. O ensaio trata-se de tirosina a um pH cerca de doze

e com uma concentração inicial de aminoácido de 1,3 mM.

Figura 5.19 Ajuste dos dados experimentais obtidos por Moreira 2010, e os calculados pelo modelo

de núcleo decrescente para a tirosina a pH~12 e concentração inicial de 1,3mM.

Pode-se observar que se continua a obter um bom ajuste dos dados experimentais.

Analisando a Tabela 5.4 pode-se afirmar que os valores de difusividade, obtidos a pH

perto do ponto isoelétrico são muito semelhantes para ambos os aminoácidos, o que era

de esperar, visto que através do cálculo realizado no Apêndice A1 se determinou as

difusidades moleculares de cada um dos aminoácidos e se concluiu que estas eram muito

próximas.

Os valores das difusividades efetivas ( ), para as diferentes espécies

iónicas: Phe-, Tyr-, Tyr2- foram determinadas usando as médias dos valores apresentados

na Tabela 5.4. Desta forma obteve-se 5,00x10-5 cm2/s para a Phe-, 5,31x10-5 cm2/s para a

Tyr- e 1,12x10-4 cm2/s para a Tyr2-.

Comparando estes resultados com os obtidos por outros autores, para a difusão dos

mesmos aminoácidos em matrizes macroporosas com a mesma %DVB, verifica-se que as

difusividades efetivas obtidas são superiores (10x). As diferenças podem ser atribuídas ao

facto do modelo de núcleo decrescente ser muito simples do ponto de vista das leis

cinéticas que comporta. Como tal, os resultados de difusividade efetiva estão

intrinsecamente associados à natureza deste modelo.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

F

Tempo (s)

mjm

6,50E-09

Ensaio

Modelo


70 Ricardo Alegria

Nos ensaios realizados a pH básico verificou-se um aumento da velocidade inicial de

permuta que se refletiu nos valores da difusividade. A pH~12 a totalidade das moléculas

de aminoácido deixa a sua forma neutra e apresentam-se com carga (como referido no

capítulo 2). Como as resinas de permuta iónica preferem moléculas com carga facilmente

se explica este aumento de velocidade.

Nesta situação a tirosina é o aminoácido preferencialmente adsorvido pela resina uma vez

que se encontra duplamente ionizada (ionização da cadeia lateral) apresentando, por isso,

uma cinética mais rápida.

Ao aumentar-se a concentração inicial do aminoácido verificar-se um pequeno aumento

no valor de porém não tão significativo como a pH básico. Esta maior velocidade

justifica-se pela maior facilidade de um ião chegar ao co-ião fixo na resina simplesmente

por haver muitos mais no mesmo volume de solução, e devido há existência de um maior

gradiente de concentração.

Capítulo 6: Conclusões e sugestões para trabalho futuro

Conclusões

72 Ricardo Alegria

6 Conclusões:

Esta tese teve como objetivo estudar a cinética de permuta iónica dos aminoácidos

fenilalanina e tirosina na matriz de uma resina macroporosa de permuta aniónica do tipo

base forte, a PA316.

Para a realização deste estudo usou-se uma montagem experimental que permitiu simular

um sistema perfeitamente agitado, onde se efetuaram experiências cinéticas de adsorção

dos aminoácidos. O sistema experimental usado de forma adequada apresenta uma boa

reprodutibilidade de resultados.

Os ensaios experimentais foram planeados com o intuito de se determinar a difusividade

efetiva das espécies iónicas envolvidas nesta permuta: Phe-, Tyr- e Tyr2-. A determinação

deste parâmetro cinético foi possível pelo ajuste do modelo do núcleo decrescente aos

resultados experimentais. O coeficiente de difusão efetivo (médio) determinado

experimentalmente foi de 5,00x10-5 cm2/s para a Phe-, 5,31x10-5 cm2/s para a Tyr- e

1,12x10-4 cm2/s para a Tyr2-.

Utilizando este sistema foram realizados ensaios de adsorção com tirosina e fenilalanina

variando condições operatórias como o pH e a concentração inicial do aminoácido na

solução.

Os resultados experimentais permitiram concluir que para pH igual ao ponto isoelétrico a

resina PA316 não apresenta preferência por nenhum dos aminoácidos. Contudo, variando

o pH para valores básicos (pH~12) a resina adsorve preferencialmente a tirosina.

O pH mostra-se, também, importante no valor final da quantidade total de aminoácido

adsorvido. Valores de pH básicos na solução inicial fazem com que a quantidade total de

aminoácido adsorvido pela resina decresça, principalmente devido à competição dos iões

hidróxido com os iões de aminoácido. No que diz respeito à cinética de adsorção, para a

fenilalanina verificou-se apenas um ligeiro incremento da velocidade inicial de adsorção

com o aumento do pH, enquanto a variação da velocidade de adsorção da tirosina foi

muito mais acentuada para igual variação no valor de pH. Tal pode ser justificado pela

ionização da cadeia lateral deste aminoácido que, para soluções de pH 12, apresenta-se na

forma Tyr2-.

Conclusões Capítulo VI

Ricardo Alegria 73

A variação da concentração inicial de aminoácido provoca na cinética muito menor

alteração na quantidade final adsorvida do que a variação do pH, sendo no caso da

tirosina quase negligenciável. Provoca também um menor acréscimo na velocidade da

adsorção, sendo este maior no caso da tirosina do que na fenilalanina, causado por um

maior gradiente de concentração inicial.

No que diz respeito ao modelo matemático utilizado para descrever o processo de

transferência de massa, o modelo de núcleo decrescente, este permitiu prever

razoavelmente o mecanismo de adsorção dos aminoácidos num sistema fechado,

perfeitamente agitado. Contudo, a qualidade dos ajustes piora, por exemplo, para valores

de pH básicos. Isto acontece pois este modelo não tem em conta fatores importantes como

a carga dos iões envolvidos na permuta iónica ou efeitos causados por diferenças de

potenciais elétricos.

Teria sido relevante para o estudo cinético, e apesar de estar planeado, a realização de

experiências com a mistura da tirosina e da fenilalanina. Este estudo poderia revelar com

mais clareza a preferência da resina por um dos aminoácidos, em diferentes condições

operatórias.

Como trabalho futuro sugere-se que o sistema experimental seja melhorado, utilizando

equipamento necessário para que a leitura das absorvâncias das amostras sejam feitas em

contínuo. Neste trabalho, a recolha foi feita com uma seringa, provocando alterações

instantâneas no volume total de solução do sistema, o que introduz perturbações difíceis

de serem contabilizadas nos modelos matemáticos. Também outros sistemas

experimentais podiam ser testados, como os referidos anteriormente, por exemplo ZLC. O

uso de uma resina catiónica podia ser relevante estudando o comportamento dos

aminoácidos em soluções ácidas.

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Ricardo Alegria 75



76 Ricardo Alegria

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Apêndices

Apêndice

82 Ricardo Alegria

Apêndice:

A1 Cálculo da difusividade molecular dos aminoácidos e difusividade

iónica do ião hidrogénio em água.

O cálculo das difusividades moleculares para a tirosina e fenilalanina, em soluções

diluídas foi obtida de acordo com o trabalho desenvolvido por Wilke e Chang em 1955

sobre correlações para estimar valores de coeficientes de difusão em soluções diluídas

(Wilke et al., 1955).

(A.1)

Onde é a difusividade molecular do composto , o seu volume molar, de 200,3

cm3/mol para a tirosina e 192,9 cm3/mol para a fenilalanina, estes valores foram obtidos

pelo método de adição de volumes atómicos proposto por LesBas de qual alguns valores

se encontram na Figura A.1.

Figura A.1 Volumes atómicos dos elementos mais comuns (Wilke et al., 1955).

Ainda na Equação A.1, representa a massa molecular do solvente que é 18,0 g/mol

para água, é um parâmetro de associação do solvente que para o solvente água é igual a

2,6 de acordo com Jacobsen, é a viscosidade cinemática da solução em cP à temperatura

de 293,15K. Com isto obteve-se as difusividades de 6,28877×10-6 cm2/s para a tirosina,

e 6,4324×10-6 cm2/s para a fenilalanina.

Para soluções com eletrólitos, a equação acima não é válida tendo-se de se utilizar a

equação de Nernst-Haskell,

Apêndice

Ricardo Alegria 83

(A.2)

Contudo isto é para moléculas que dissociam nos seus iões, para iões livres uma

modificação desta equação é usada.

(A.3)

Em que é a constante de Faraday, a constante de gases ideais, a condutância

limitante do iao H+ que a 25°C é 349,8 A/cm2 (Harned and Owen, 1950) e finalmente a

carga do ião. Obteve-se o valor de difusividade para o ião hidrogénio de 9,2205×10-5

cm2/s a 25°C (Robinson, et al., 1965).

A2 Cálculo do coeficiente de transferência de massa na região de filme

O fluxo de transferência de massa no exterior da partícula é dado por:

(A.4)

Onde é o coeficiente de transferência de massa, e são, respetivamente, a

concentração do soluto no seio da solução, e na superfície das partículas de resina,

existem algumas correlações empíricas usadas para estimar os valores de coeficiente de

transferência de massa, neste trabalho usaram-se as três referenciadas na Tabela A.1, para

o caudal usado de 150 cm3/min neste trabalho a condição de aplicabilidade é verificada.

Apêndice

84 Ricardo Alegria

Tabela A.1 Correlações empíricas usadas na estimativa dos coeficientes externos de transferência

de massa.

Referência Correlação Condição de

aplicabilidade

Carberry

Kataoka

Wakao e Funakri

Onde os números adimensionais usados para as correlações anteriores são definidos por:

Sherwood

(A.5)

Schmidt (A.6)

Reynolds (A.7)

e

Reynolds modificado

(A.8)

Em que é a velocidade superficial, é a porosidade do leito, é o diâmetro das

partículas da resina, representa a viscosidade cinemática do fluido em causa e a

difusividade molecular.

Apêndice

Ricardo Alegria 85

A3 Preparação das soluções de NaOH para experiências com pH elevado.

Para experiências em que é necessário um valor de pH superior ao ponto isoelétrico, é

utilizado soluções de NaOH com concentração calculada de acordo com a equação de

potencial iónico.

(A.9)

Sabendo o pH desejado, pode-se obter a concentração de necessária, e através da

Equação A.9, temos a concentração de na mesma solução esta vai ser

aproximadamente a mesma de NaOH, ignorando a ionização da água. Estas soluções são

depois tituladas com uma concentração de HCl para que conhecer a concentração exata

de NaOH, este HCl tem que ser contra titulado, com o padrão primário Boráx. Os

resultados encontram-se resumidos nas seguintes tabelas e dizem respeito aos ensaios 3A,

3B, 4A e 4B.

Tabela A.2 Valores obtidos nas titulações das soluções de NaOH de pH 12

Massa de NaOH

(g)

Volume de HCl

(mL)

Conc. de NaOH

(g/L)

Conc. média de NaOH

(g/L)

0,411

24,50 0,009743

0,009716

24,30 0,009663

24,50 0,009743

0,411

24,50 0,009743

0,009716

24,50 0,009743

24,30 0,009663

0,410

28,00 0,011134

0,011181

28,20 0,011214

28,15 0,011194

Apêndice

86 Ricardo Alegria

0,412

26,50 0,010538

0,010564

26,55 0,010558

26,65 0,010598

A padronização da solução de HCl é feita com Boráx, pelo método das pesagens

independentes, os valores obtidos estão na tabela seguinte.

Tabela A.3 Padronização da solução de HCl com Boráx.

Massa de Boráx

(g)

Volume de HCl

(mL)

Conc. de HCl

(g/L)

Conc. média de HCl

(g/L)

0,107 28,70 0,019552

0,019883

0,108 28,85 0,019632

0,112 28,70 0,020465

Apêndice

Ricardo Alegria 87

A4 Propriedades das resinas DAION da família PA300

A figura abaixo pretende representar sumariamente, as propriedades das resinas DAION

da família PA300, no qual se encontra resina utilizada neste trabalho a PA316.

Figura A.2 Propriedades das resinas da família PA300 (Mitsubishi Chemical Corporation, 1995).

Apêndice

88 Ricardo Alegria

A5 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e

tirosina a pH constante e próximo do ponto isoelétrico.

Para este trabalho foram realizados vários ensaios experimentais, com condições

experimentais distintas. As tabelas abaixo apresentam os resultados obtidos para as

experiencias realizadas com fenilalanina com pH próximo do ponto isoelétrico (pI) e uma

concentração inicial de cerca de 2mM.

Tabela A.4 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção

de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2A.

Tempo (min) pH Absorvância Concentração

(mM)

0 7,44 0,379 1,9632

1 6,4 0,252 1,2778

3 6,31 0,208 1,0374

5 6,26 0,171 0,8370

8 6,24 0,136 0,6500

13 6,27 0,093 0,4252

20 6,4 0,061 0,2598

30 7,05 0,033 0,1171

45 7,59 0,026 0,0813

60 7,54 0,044 0,1693


de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2B.


(mM)

0 7,76 0,3575 2,0459

0,5 7,4 0,2407 1,3767

1 7,20 0,2251 1,2791

3 7,22 0,1911 1,0817

7 7,1 0,1332 0,7570

13 7,5 0,0795 0,4602

20 7,5 0,0428 0,2595

30 8,2 0,0301 0,1898

45 8,67 0,015 0,1085

60 7,54 0,0193 0,1301

Apêndice

Ricardo Alegria 89

De igual forma foram também realizadas experiências com tirosina sob as mesmas

condições os cuja informação se encontra nas Tabelas A.6 e A.7.


de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1A

Tempo

(min) pH Absorvância Diluição

Concentração

(mM)

0 7,3 0,494 4/25 2,1611

1 6,4 0,31 4/25 1,3363

3 6,2 0,265 4/25 1,1296

5 6,04 0,223 4/25 0,9390

8 6,4 0,359 2/6 0,7295

13 6,4 0,236 2/6 0,4737

20 6,44 0,16 2/6 0,3162

30 6,67 0,087 2/6 0,1661

45 7,07 0,049 2/6 0,0883

60 7,19 0,043 2/6 0,0758


de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1B.

Tempo

(min) pH Absorvância Diluição

Concentração

(mM)

0 6,5 0,557 2/10 2,0406

0,5 5,87 0,364 2/10 1,3144

1 5,7 0,3063 2/10 1,0953

3 6,13 0,2825 2/10 1,0031

7 5,87 0,2222 2/10 0,7774

13 6,1 0,1333 2/10 0,4488

20 6,29 0,4004 * 0,2829

30 6,5 0,2368 * 0,1628

45 6,62 0,1475 * 0,0977

60 7,12 0,1162 * 0,0747

*não se aplica

As retas de calibração usadas para o cálculo das concentrações encontram-se no Apêndice

0. De referir que nesse mesmo apêndice apenas se mostra um exemplo de cálculo, pois

foram realizadas retas de calibração para cada ensaio.

Apêndice

90 Ricardo Alegria


tirosina a pH constante e próximo de doze

Com o objetivo de testar a influência do pH no processo de permuta iónica repetiram-se

os ensaios referidos no Apêndice A.5 mas agora o valor de pH vai ser mais alto, cerca de

doze, a dificuldade se conseguir obter o valor desejado advém das propriedade anfotéricas

dos aminoácidos já referido no Capítulo 5, a concentração inicial continua a ser cerca de

2mM.




(mM)

0 11,30 0,3712 2,042

0,5 11,45 0,2889 1,582

1 11,49 0,2833 1,539

3 11,48 0,2711 1,462

7 11,48 0,2552 1,366

13 11,49 0,2252 1,198

20 11,5 0,2181 1,152

30 11,5 0,2038 1,068

45 11,52 0,1969 1,024

60 11,52 0,1946 1,004

Apêndice

Ricardo Alegria 91


fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4B.


(mM)

0 11,53 0,3752 2,0637

0,5 11,69 0,292 1,5985

1 11,70 0,2814 1,5289

3 11,70 0,2724 1,4687

7 11,72 0,2528 1,3535

13 11,70 0,2345 1,2468

20 11,69 0,2191 1,1567

30 11,69 0,2100 1,1003

45 11,71 0,2065 1,0731

60 11,71 0,2089 1,0761

De forma análoga expõem-se os resultados dos ensaios com tirosina sobre as mesmas

condições nas tabelas seguintes.


de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 3A.

Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração

(mM)

0 11,30 0,3764 4/25 1,7515

0,5 11,36 0,269 4/25 1,2225

1 11,37 0,2467 4/25 1,1066

3 11,40 0,2264 4/25 1,0018

7 11,42 0,3842 2/6 0,8346

13 11,43 0,3397 2/6 0,7312

20 11,43 0,324 2/6 0,6931

30 11,42 0,3115 2/6 0,6623

45 11,40 0,3138 2/6 0,6647

60 11,40 0,3222 2/6 0,6804

Apêndice

92 Ricardo Alegria




(mM)

0 11,53 0,4097 4/25 1,9169

0,5 11,55 0,2695 4/25 1,2352

1 11,53 0,2329 4/25 1,0526

3 11,52 0,2066 4/25 0,9211

7 11,51 0,5541 2/6 0,8078

13 11,49 0,3772 2/6 0,8147

20 11,49 0,3616 2/6 0,7769

30 11,48 0,3516 2/6 0,7516

45 11,47 0,3464 2/6 0,7371

60 11,45 0,3685 2/6 0,7821


tirosina com uma concentração inicial de 3mM, pH constante e próximo

ponto isoelétrico

Para estudar a influência da concentração do aminoácido no processo de permuta iónica

realizaram-se, para alem das experiências que se partiu de uma concentração inicial de 2

mM, ensaios com uma concentração inicial de 3mM para um valor de pH constante e

próximo do ponto isoeléctrico.




(mM)

0 7,71 0,5351 2,8306

0,5 6,53 0,3551 1,8397

1 6,24 0,3378 1,7324

3 6,21 0,2822 1,4241

7 6,41 0,2041 1,0025

13 6,79 0,1412 0,6669

20 7,1 0,1153 0,5277

30 7,25 0,1107 0,4997

Apêndice

Ricardo Alegria 93

45 7,44 0,1104 0,4939

60 7,38 0,1100 0,4876


de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6B.


(mM)

0 7,71 0,5231 2,7655

0,5 6,53 0,3538 1,8327

1 6,24 0,3372 1,7292

3 6,21 0,2893 1,4617

7 6,41 0,2189 1,0802

13 6,79 0,1391 0,6560

20 7,1 0,1117 0,5091

30 7,25 0,1096 0,4940

45 7,44 0,1098 0,4908

60 7,38 0,106 0,4675




(mM)

0 7,00 0,8017 2/10 2,6838

0,5 6,00 0,5538 2/10 1,7529

1 5,47 0,4642 2/10 1,4146

3 5,23 0,4205 2/10 1,2480

7 5,66 0,3688 2/10 1,0534

13 6,01 0,3208 2/10 0,8738

20 6,27 0,3065 2/10 0,8182

30 6,5 1,1576 * 0,7762

45 6,55 1,0248 * 0,6748

60 6,57 0,9539 * 0,6189

*não se aplica

Apêndice

94 Ricardo Alegria




(mM)

0 7,00 0,8462 2/10 3,1133

0,5 5,50 0,5386 2/10 1,9547

1 5,00 0,4716 2/10 1,6982

3 5,55 0,4229 2/10 1,5113

7 5,63 0,4009 2/10 1,4242

13 5,70 0,3774 2/10 1,3322

20 6,13 0,3601 2/10 1,2636

30 6,30 0,3494 2/10 1,2195

45 6,35 0,3385 2/10 1,1750

60 6,45 0,3390 2/10 1,1720


de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5C.


(mM)

0 7,50 0,8118 2/10 2,9418

0,5 6,30 0,5216 2/10 1,8524

1 6,20 0,4872 2/10 1,7177

3 6,05 0,4431 2/10 1,5483

7 6,20 0,3855 2/10 1,3308

13 6,46 0,3401 2/10 1,1595

20 6,57 0,3109 2/10 1,0485

30 6,65 0,3005 2/10 1,0065

45 7,01 0,2677 2/10 0,8840

60 7,20 0,2674 2/10 0,8792

Apêndice

Ricardo Alegria 95

A8 Resultados experimentais obtidos para adsorção tirosina com uma

concentração inicial de 2mM e pH ligeiramente básicos

Com o intuito de estudar a influência do pH da solução no processo de permuta

realizaram-se os ensaios 7A e 7B, estes tinham como objetivo o estudo a pH elevados

contudo o método para a preparação das soluções foi diferente, enquanto o ensaio 7A se

preparou com o uso da equação do potencial iónico enquanto no ensaio 7B o pH foi

atingido com adição de gotas de base forte.




(mM)

0 10,3 0,5603 2/10 2,0042

0,5 8,01 0,3745 2/10 1,3062

1 7,72 0,3425 2/10 1,1826

3 7,54 0,3095 2/10 1,0563

7 7,58 0,2558 2/10 0,8550

13 7,70 0,2233 2/10 0,7328

20 7,87 0,8771 * 0,6217

30 7,95 0,8139 * 0,5733

45 8,10 0,8025 * 0,5627

60 8,11 0,7862 * 0,5487

*não se aplica

Podemos ver que neste caso o pH afasta-se do desejado pois a adição do aminoácido

depois de a solução já se encontrar no pH desejado faz com que este baixe, para combater

este efeito o ensaio seguinte teve a adição de NaOH concentrado depois de se ter

dissolvido já o aminoácido.

Apêndice

96 Ricardo Alegria




0 10,51 0,4841 2/10 1,8871

0,5 10,5 0,3331 2/10 1,3023

1 10,4 0,3165 2/10 1,2338

3 10,4 0,2762 2/10 1,0760

7 10,39 0,2604 2/10 1,0119

13 10,35 0,2405 2/10 0,9329

20 10,34 1,1868 * 0,8911

30 10,36 1,1799 * 0,8787

45 10,36 1,1701 * 0,8641

60 10,37 1,1673 * 0,8548

*não se aplica

A9 Resultados experimentais de adsorção de tirosina a diferentes caudais

de circulação.

Para testar se o sistema experimental simula um adsorvedor fechado e perfeitamente

agitado foram realizados ensaios a diferentes caudais de circulação sendo estes: 75, 150 e

200 cm3/min que correspondem respetivamente aos ensaios 1B, 8A e 8B da Tabela 4.1, as

restantes condições operatórias mantiveram-se iguais ( T~25°C, pH~pI e concentração

inicial de cerca de 2mM). Devido á escassez de fenilalanina não foi possível realizar o

mesmo estudo com este aminoácido.

Apêndice

Ricardo Alegria 97

Tabela A.19 Resultados de pH e concentração de tirosina em função do tempo para os ensaios

realizados cinéticos realizados a diferentes caudais de circulação.

Tempo (min) pH Concentração (mM)

75 cm3/min 150 cm

3/min 200 cm

3/min 75 cm

3/min 150 cm

3/min 200 cm

3/min

0 7,90 6,50 6,50 2,120 2,041 2,1198

0,5 7,55 5,87 5,60 1,725 1,314 1,6049

1 7,26 5,70 5,49 1,688 1,095 1,4404

3 7,10 6,13 5,38 1,550 1,003 1,0853

7 7,00 5,87 6,00 1,406 0,777 0,8300

13 6,95 6,10 6,20 1,319 0,449 0,6194

20 7,05 6,29 6,44 1,095 0,283 0,4992

30 7,10 6,50 6,50 1,034 0,163 0,4426

45 7,17 6,62 6,80 0,986 0,098 0,4209

60 7,20 7,12 6,87 0,943 0,075 0,4015

A10 Curvas de calibração

O objetivo do presente apêndice é apresentar as curvas de calibração que estiveram na

base da determinação da concentração dos aminoácidos, lidas no espectrofotómetro, em

valores de concentração foram preparadas soluções padrões de cada aminoácido, de

forma a ser possível obter retas de calibração. De referir que para os ensaios 1A, 1B e 2A

foi utilizado um espectrofotómetros diferente dos restantes ensaios.

Como já referido cada vez que se realizava um ensaio refazia-se a reta de calibração,

desta a Tabela A.22 é apenas um exemplo para um dos ensaios efetuados.

Tabela A.20 Concentração e absorvâncias das soluções padrões usadas na obtenção das curvas de

calibração de fenilalanina.

Padrão (Phe) Concentração

(mM/L) Absorvância (257,60nm)

Padrão (Tyr) Concentração

(mM/L) Absorvância (274,80nm)

1 0 0 1 0 0

2 0,2485 0,065 2 0,201 0,297

3 0,501 0,106 3 0,3015 0,419

4 1,002 0,199 4 0,402 0,592

5 1,507 0,296 5 0,498 0,686

6 2,004 0,382 6 0,599 0,844

Apêndice

98 Ricardo Alegria

y = 5,3156x - 0,0514 R² = 0,9981

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Con

cen

traçã

o

Absovância

Fenilalanina

Na Figura A.3 encontra-se as representações gráficas dos dados experimentais da tabela

anterior.

As equações das curvas de calibração são as que se apresentam:

(A.10)

(A.11)

Uma vez que se verificou que as leituras de absorvãncias são influenciadas pelo valor do

pH da solução, foram preparados padrões com diferentes valores de pH, de acordo com as

soluções usadas nas diferentes experiências.

Os comprimentos de onda usados na obtenção das curvas de calibração foram os

correspondentes ao máximo de absorvância: 257,60 nm para a fenilalanina e 274,80 nm

para a tirosina

A11 Determinação das propriedades físicas da resina e leito.

De acordo com o método referido na secção experimental fez-se as determinações das

propriedades da resina. A seguinte tabela é referentes as pesagens obtidas para se obter o

volume dos picnómetros.

y = 0,7135x - 0,0039 R² = 0,9977

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 C

on

cen

traçã

o

Absovância

Tirosina

Figura A.3 Retas de calibração obtidas para a fenilalanina e tirosina.

Apêndice

Ricardo Alegria 99

Tabela A.21 Determinação do volume dos picnómetros.

Picnómetro #66 #69 #85

Massavazio 28,1451 26,7772 27,0979

Masapic+água 76,9619 76,1794 76,2143

Volumepic 48,9259 49,5152 49,2262

Depois de saber o volume real dos picnómetros deu-se os ensaios com água para a

determinar a densidade real da resina os valores necessários para tal encontram-se na

Tabela A.22.

Tabela A.22 Dados para a determinação da densidade real da resina.


Massapic (g) 28,1775 26,7955 27,1291

Massapic+resina (g) 28,3210 27,1077 27,4752

Massapic+resina+água (g) 76,9393 76,2077 76,2340

Massapic+resina seca (g) 28,2275 27,0191 27,3665

Massaágua (g) 48,7115 49,1886 48,8675

Massaresina seca(g) 0,1019 0,2236 0,2374

Teor de humidade (%) 28,96 28,38 31,41

Volumeágua (cm3) 48,8238 49,2985 48,9767

Volumeresina (cm3) 0,1021 0,2141 0,2495

Densidaderesina (g/cm3) 0,9980 1,0440 0,9515

De forma semelhante foi realizado o mesmo estudo, desta vez com heptano para que

calcular a densidade aparente da resina.

Apêndice

100 Ricardo Alegria

Tabela A.23 Dados para a determinação da densidade aparente da resina.


Massapic (g) 28,1443 26,7770 27,1040

Massapic+resina (g) 28,7891 27,4441 27,9275

Massapic+resina+heptano (g) 61,7632 60,8006 60,9776

Massapic+resina seca (g) 28,6414 27,2915 27,7329

Massaheptano (g) 32,1741 33,3557 33,0501

Massaresina seca(g) 0,4971 0,5145 0,6289

Teor de humidade (%) 22,91 22,88 23,63

Volumeresina (cm3) 0,5767 0,6039 0,7656

Densidaresina (g/cm3) 0,8620 0,8520 0,8214

A densidade do heptano foi também calculada com recurso aos mesmos picnómetros e

chegou-se ao valor de 0,682 g/cm3.

Algumas medições alusivas ao leito utilizado nos estudos cinéticas, estes estão listadas

abaixo.

Tabela A.24 Dados relevantes do leito utilizado nos ensaios cinéticos.

Mvidro de relógio (g) 18,5782

Mvidro de relógio+leito húmido (g) 19,9777

Mvidro de relógio+leito seco (g) 19,2693

Diâmetroleito (cm) 1,60

Profundidadeleito (cm) 0,95

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E ssttuuddoo addee it trr annsffeerrêênncciiaa ddee ... · Ao Doutor Licínio G. A. Ferreira, por disponibilizar o espaço necessário à realização dos ensaios cinéticos. À