Adsorption studies of organic acids aiming their recovery from fermentation broths

Abstract

Fermentações para a produção de ácidos orgânicos se mostram cada vez mais importantes em química e petroquímica verde, seja devido a uma futura escassez de petróleo (base de produção destas moléculas) ou pelo apelo ambiental. Há alguns anos, estes processos biotecnológicos não eram economicamente viáveis, devido principalmente às etapas de recuperação e purificação das biomoléculas (RPB), sendo estas um forte componente no custo de produção. Seu estudo se torna então de suma importância para reduzir custo e aumentar a viabilidade técnico-econômica destes bioprocessos. A adsorção se mostra uma operação unitária muito estudada, robusta, de fácil escalonamento e operação, o que a torna uma opção atrativa para a RPB de tais ácidos. No entanto, estudos existentes até o momento não são completos necessitando uma maior abrangência para se desenvolver um processo eficiente. Com base neste quadro, este trabalho visou o estudo experimental de adsorção, em carvão ativado e resinas poliméricas de aplicação industrial, de ácidos orgânicos passíveis de produção por via fermentativa e de relevância em petroquímica verde. Isotermas de adsorção dos ácidos acético, propiônico e butírico foram avaliadas para verificar o efeito de temperatura, água, etanol e n-propanol utilizando sistemas monocomponentes e binários. Modelos de isotermas de adsorção foram avaliados quanto ao ajuste aos dados experimentais para ambos os sistemas. Os estudos de adsorção monocomponente mostraram que as resinas têm capacidade de adsorção maior que os carvões (cerca de 35%). A temperatura apresentou efeito pouco significativo na adsorção. Os estudos de adsorção de sistemas binários dos ácidos estudados identificaram que houve competição entre estes na adsorção, onde moléculas de maior cadeia carbônica têm uma maior afinidade pela superfície do adsorvente. Nos estudos de isotermas de adsorção utilizando etanol e propanol como possíveis solventes para dessorção, a resina apresentou altos valores de adsorção, ao contrário dos carvões. Uma simulação dos processos de adsorção e dessorção mostrou que a resina PLA133 apresentou melhores resultados como adsorvente e o propanol como melhor eluente, em um processo de dessorção de três estágios em contra-corrente. No entanto, a recuperação final do ácido, sendo o melhor resultado 70%, pode não ser satisfatória, dependendo da aplicação deste, de forma que ainda pode ser necessário uma melhoria no processo.Fermentations for the production of organic acids are becoming very important in green chemistry due to a future scarcity of oil (base of production of these acids) and environmental protection. A few years ago, these biotechnological processes were not economically viable mainly due to the downstream process (DSP) stages which are a strong component of production costs. The study of these bioprocesses becomes very important to increase their technical and economic feasibility. Adsorption – a widely studied unit operation – is robust and easy to operate, so it is an attractive option for the DSP of organic acids. However, current studies reported in the literature about this subject are not complete and therefore more through integrated studies need to be associated to develop an efficient process. The present work is an experimental study about adsorption of organic acids of relevance in green chemistry. Industrial activated carbons and polymeric resins (weak base resins were used as adsorbents. Equilibrium adsorption studies in single and binary systems of acetic, propionic and butyric acids were carried out to evaluated the effect of temperature and solvents (water, ethanol and n-propanol) on the adsorption. Equilibrium isotherm models were tested to represent the data in single and binary systems. The adsorption studies showed that resins had a higher adsorption capacity than activated carbons (about 35%). Adsorption in single systems was not significantly affected by temperature in the studied range. Data from adsorption of binary systems suggested that there was competition between the acids and the affinity of the acids for the surface is dependent on acids carbon chain size. In studies using ethanol and propanol as desorbents, the resin showed a high adsorption capacity, unlike the activated carbons. A simulation of the adsorption unit operation showed that the resins yielded better results than activated carbons; propanol was the best eluent in a three-stage counter-current desorption process. However, the best acid recovery of 70% may not be satisfactory depending on the application of the acid, so it can be necessary to improve the process for better results