Fractionation of surfactin on a bubble and foam column

Orientador: Cesar Costapinto SantanaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuimicaResumo: O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo da separação e concentração do biossurfactante surfactina, sintetizado por fermentação através da bactéria Bacillus subtilis, utilizando-se o processo de fracionamento em coluna de bolhas e espuma, operada de modo semi-batelada, a fim de se otimizar o enriquecimento e a recuperação do bioproduto. O processo envolve a injeção de gás nitrogênio nas vazões de 20, 40 e 60 mL/min pela base da coluna de líquido que contém a solução de surfactina pH 7,0 nas concentrações iniciais de 240, 400 e 700 mg/L. O gás ascende na forma de bolhas e, durante o seu trajeto, moléculas de surfactina são adsorvidas na interface gás-líquido, devido às suas características anfifílicas. No topo da coluna de bolhas, forma-se uma coluna de espuma concentrada no biossurfactante adsorvido que, então, pode ser recuperado pela remoção e rompimento mecânico da espuma. Valores de enriquecimento e recuperação de surfactina foram determinados para diferentes condições experimentais. Os valores médios de enriquecimento ficaram entre 1,9 a 52,5 vezes, enquanto que a recuperação total de surfactina variou de 80,5 a 98,3 %. O maior valor de enriquecimento foi alcançado para soluções diluídas de surfactina operando a coluna a baixa vazão de gás e com temperatura relativamente elevada. Os resultados indicaram que o processo que utiliza coluna de bolhas e espuma se mostra promissor na etapa de concentração do biossurfactante. Foram obtidas as isotermas de Gibbs para a surfactina nas temperaturas de 15, 25 e 35 °C e ajustadas de acordo com o modelo de isoterma de adsorção de Langmuir. A aplicação da análise de variância mostrou que o modelo se ajustou satisfatoriamente aos resultados experimentais e a equação que o descreve apresentou significância estatística. Portanto, as moléculas do biossurfactante foram adsorvidas em monocamadas na interface gás-líquido. Desenvolveu-se, também, um modelo matemático para os fenômenos de convecção, difusão e equilíbrio, que foi aplicado para simular as curvas de depleção para a surfactina. O modelo representou satisfatoriamente os resultados experimentais quando comparados aos resultados simuladosAbstract: Foam fractionation of biosurfactant surfactin solutions obtained from fermentation with Bacillus subtilis bacteria was experimentally studied. A bubble and foam column system was mounted and operated in a semi-batch mode aiming at to optimize the concentration enrichment and the recovery of the bioproduct. The process involves the injection of gaseous nitrogen through a sparger in the basis of the column containing the surfactin liquid solutions. Gas flow rates of 20, 40 and 60 mL/min and initial concentrations of 240, 400 and 700 mg/L were used in the experimental runs. Temperatures of 15, 25 and 35 °C were used in the experiments. With the bubbles ascending in the column, a convection phenomena is produced from the liquid to the gas and due the amphiphilic property of the surfactant, solute molecules are adsorbed at the gas-liquid interface of the bubbles. A foam column on the top of the liquid column is also formed and after drainage phenomena and a break procedure of the foam, a surfactant concentrated solution is obtained. Surfactin enrichment and recovery from the initial solution were determined for several experimental conditions. Average values for the enrichment are in the range of 1,9 to 52,5 times and recovery are in the range from 80,5 to 98,3 %. The higher values of enrichment are got with diluted solutions runs operated at low gas flow rates and higher temperatures. The results indicates this process as very promising in the concentration of surfactin solutions. Using Gibbs adsorption theory for the gas-liquid interface, gas-liquid isotherms were obtained in the temperatures of 15, 25 and 35 °C and adjusted by the Langmuir model. A variance analysis from experimental planning was performed and showed a good agreement with experimental results. A mathematical modeling for the convection, adsorption and equilibrium represented satisfactorily the depletion curves in the bubble columnMestradoDesenvolvimento de Processos BiotecnologicosMestre em Engenharia Químic

Acid hydrolysis of barley straw: study of lignocellulosic pretreatment conditions and batch reactor / Hidrólise ácida da palha de cevada: estudo das condições de pré-tratamento lignocelulósico e do reator de lote

O cultivo da cevada cresceu no Brasil nos últimos anos, atingindo uma produção anual de 1,5 milhão de toneladas. Este estudo teve como objetivo projetar e construir um reator para hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos e investigar a liberação de açúcares fermentáveis da palha da cevada. Para orientar o desenvolvimento de um reator viável, foi realizado um planejamento experimental para investigar as condições de pré-tratamento com ácido sulfúrico. As variáveis independentes foram a relação palha de cevada / solução (5,0: 10, 1,0: 10, 1,5: 10 e 2,0: 10% p / v) e concentração de ácido sulfúrico (0,5, 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 % v / v). O pré-tratamento foi realizado por 40 min em autoclave vertical a 121 ° C e 1 kgf / cm2. As variáveis de resposta foram sólidos solúveis (° Bx) e o rendimento de glicose (razão em peso de glicose liberada para biomassa inicial de palha de cevada). Os resultados mostraram que as condições ótimas para a liberação de glicose e sólidos solúveis foram uma relação palha de cevada / solução de 7:10 (p / v) e 2,6% (% v / v) de ácido sulfúrico

Chromatographic separation of verapamil enantiomers in multicolumn continuous process

Orientadores: Cesar Costapinto Santana, Marco Aurélio CremascoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O fármaco racêmico verapamil tem sido utilizado no tratamento de doenças cardiovasculares relacionadas à hipertensão arterial, arritmias supraventriculares e angina pectoris. Seus enantiômeros apresentam biodisponibilidades distintas e exibem diferentes propriedades farmacológicas. O enantiômero S-(-)-verapamil apresenta maior potencial cardiovascular quando comparado ao seu antípoda óptico R-(+)-verapamil; este, por sua vez, exibe ação antitumoral, atuando como inibidor hepatocarcinogênico. Diante deste contexto, o presente trabalho teve como objetivo a determinação de parâmetros envolvidos na separação dos enantiômeros do fármaco em escala semi-preparativa visando obtê-los, opticamente puros, em unidade cromatográfica contínua do tipo leito móvel simulado. O desenvolvimento da separação ocorreu em colunas quirais recheadas com fase estacionária tris (3,5-dimetilfenilcarbamato) de amilose utilizando a mistura de n-hexano, isopropanol, etanol e dietilamina (90: 5: 5: 0,1 %, em volume) como fase móvel. Experimentos de pulsos com soluções diluídas dos enantiômeros do verapamil foram realizados para diferentes temperaturas (15 a 35 ºC) e vazões (1,0 a 2,5 mL min-1) visando determinar as constantes de equilíbrio de adsorção (constantes de Henry) e os parâmetros cromatográficos, termodinâmicos e de transferência de massa; ao passo que, experimentos com soluções diluídas dos traçadores (compostos inertes) foram realizados para se obter as porosidades do sistema. Os fatores de retenção apresentaram valores considerados ideais para separações enantioméricas (2,0 < k < 6,0) para vazões e temperaturas avaliadas. Com relação à seletividade e resolução cromatográficas, foram obtidos valores de 1,34 e 1,70, respectivamente, para temperatura de 25 ºC e vazão de 1,0 mL min-1, o que comprova a completa separação dos enantiômeros na coluna semi-preparativa. As constantes de Henry apresentaram-se relativamente elevadas, sendo que o enantiômero R-(+)-verapamil apresentou maior afinidade pela fase estacionária com maiores valores para a constante de equilíbrio de adsorção. O coeficiente de dispersão axial sofreu pouca variação entre os enantiômeros; entretanto, o coeficiente de transferência de massa global foi considerado relativamente rápido com valores superiores a 65,70 e 45,32 min-1 para os enantiômeros S-(-) e R-(+), respectivamente. Os parâmetros termodinâmicos confirmaram a maior afinidade do R-(+)-verapamil pela coluna quiral com maiores valores negativos de entalpia de adsorção. Constatou-se também que os fenômenos entálpicos regem a separação enantiomérica na fase estacionária avaliada. Experimentos com soluções concentradas da mistura racêmica foram realizados com a finalidade de se determinar as isotermas de adsorção competitivas e os perfis de eluição sob condições de sobrecarga da coluna cromatográfica. As isotermas de adsorção apresentaram comportamento não-linear para a faixa de concentração utilizada e foram satisfatoriamente ajustadas ao modelo de Langmuir Competitivo Modificado. O estudo de sobrecarga mostrou a possibilidade da separação do verapamil racêmico nas escalas semi-preparativa e preparativa. Finalmente, foram determinados os parâmetros operacionais do processo contínuo multicolunas para os modos VARICOL® e LMS e, obtidos os valores das variáveis de desempenho (pureza, produtividade, recuperação e consumo de solvente) das respectivas unidades. Os resultados obtidos mostraram-se promissores à separação dos enantiômeros do verapamil e, de fato, representaram o primeiro conjunto de dados experimentais em escala mundial decorrentes do uso da cromatografia contínua operada em leito móvel simuladoAbstract: The racemic drug verapamil has been used in the treatment of cardiovascular diseases related to hypertension, supraventricular arrhythmias, and angina pectoris. Its enantiomers have different bioavailability and pharmacological properties. The S-(-)-verapamil presents more cardiovascular potential when compared to its optical antipode R-(+)-verapamil. This, in turn, exhibits antitumor activity, acting as a hepatocarcinogenic inhibitor. Given this context, the present study aimed to determine the parameters involved in the separation of the enantiomers of the drug in semi-preparative scale in order to obtain them, optically pure, in continuous chromatographic unit type simulated moving bed. The development occurred in separation columns packed with chiral stationary phase amylose tris (3,5-dimethylphenylcarbamate) using a mixture of n-hexane, isopropanol, ethanol, and diethylamine (90: 5: 5: 0.1 %, by volume) as mobile phase. Pulse experiments with dilute solutions of the verapamil enantiomers were performed at different temperatures (15 to 35 ºC) and flow rates (1.0 to 2.5 mL min-1) to determine the equilibrium constants adsorption (Henry's constants) and chromatographic, thermodynamic, and mass transfer parameters; whereas experiments with dilute solutions of the tracers (inert compound) were performed to obtain the porosity of the system. The capacity factors had values considered ideal for enantiomeric separations (2.0 < k < 6.0) for the flow rate and temperature evaluated. Regarding the chromatographic selectivity and resolution values of 1.34 and 1.70 were obtained, respectively, for temperature of 25 ºC and flow rate of 1.0 mL min-1, which proves the complete separation of the enantiomers in the semi-preparative column. Henry's constants were relatively high, and the R-(+)-verapamil had a higher affinity for the stationary phase with the highest values for the adsorption equilibrium constant. Axial dispersion coefficient showed little variation between the enantiomers; however, the overall mass transfer coefficient was considered relatively fast to values of 65.70 and 45.32 min-1 to S-(-) and R-(+) enantiomers, respectively. Thermodynamics parameters confirm the major affinity of R-(+)-verapamil with high negative values of adsorption enthalpy. It was also found that the enthalpic phenomena govern the enantiomeric separation. Experiments with concentration solutions of the racemic mixture were conducted in order to determine the competitive adsorption isotherm, and the elution profiles under overload conditions of the chromatographic column. The competitive isotherms showed a nonlinear behavior to the range of concentration investigated and the Langmuir Competitive Modified model represents satisfactorily the adsorption data. The study of overload of the column carried through in high concentration showed the possibility of the separation of racemic verapamil using semi-preparative and preparative scale. Finally, the operating parameters of the multicolumn continuous process (VARICOL® and LMS units), and the values of the performance variables (purity, productivity, recovery, and solvent consumption) were determined. The results obtained were promising to the separation of the verapamil enantiomers and, in fact, represented the first set of experimental data worldwide from the use of the continuous chromatography operated in simulated moving bedDoutoradoDesenvolvimento de Processos BiotecnologicosDoutor em Engenharia Químic

Ascertainment of Surfactin Concentration in Bubbles and Foam Column Operated in Semi-Batch

This paper describes a mathematical model for the convection, diffusion, and balance phenomena for predicting the depletion curves, i.e., variations in the timed surface-active molecule concentration for fractionation processes in bubbles and foam column, operated in semi-batch. The model was applied for the purification of the surfactin solution and the results were compared with experimental data. Gibbs adsorption curves were obtained for the biosurfactant at different temperatures, and then adjusted with estimated parameters, according to the Langmuir adsorption model. The gas bubble sizes were optically determined. The isotherm adsorption parameters and bubble average diameter are crucial for the attainment of the depletion curves, generated by the model described. The results demonstrate that the process is most effective when operating a column with reduced gas flow and low initial concentration. A top product with two or thirty times greater concentration than the initial one was achieved and the highest biosurfactant concentrations were attained for higher operating temperatures. It was also observed that bubble diameter increased with a higher gas flow. The adjustment obtained for the adsorption curves of Gibbs was satisfactory. Therefore, there was evidence that surfactin molecules adsorb in monolayers in the liquid&ndash;gas interface

Processo De ObtenÇÃo Dos EnantiÔmeros De Verapamil Em Leito MÓvel Simulado Convencional E NÃo Convencional

PROCESSO DE OBTENÇÃO DOS ENANTIÔMEROS DE VARAPAMIL EM LEITO MÓVEL SIMULADO CONVENCIONAL E NÃO CONVENCIONAL. A presente invenção trata de um processo de obtenção de enantiômeros do fármaco verapamil por meio da cromatografia contínua em leito móvel simulado comvencional e não convencional. Se por um lado, os enantiômeros são atualmente separados apenas em escala analítico, em processo batelada, com visão estritamente farmcêutica, por outro lado a presente invenção permite o aumento de escala na produção dos enantiômeros do fármaco possibiltando agregar valor comercial ao produto e a realização de testes clínicos em pesquisas científicas do ramo com os enantiômeros separados. Além disso, a comercialização do fármaco, enantiomericamente puro, atenderá as exigências impostas por órgãos regulamentadores de saúde, no que diz respeito à caracterização dos perfis farmacocinético e farmacodinâmico de enantiômeros individuais. A presente invenção, utilizando-se duas técnicas distintas de leito móvel simulado, permite obter os enantiômeros com custo de operação baixo e produtividade desejável em escala de tempo relativamente curta quando comparada ao processo cromatográfico operado em regime batelada, empregado atualmente. Também permite reduzir o consumo de solvente e aumentar a recuperação dos enantiômeros por unidade de massa de fase estacionários quiral utilizada.BR102012019046 (A2)C07C255/40A61K31/277A61P9/12BR20121019046C07C255/40A61K31/277A61P9/1

Reduction in the amount of sulfur in waste oil using reactive molecular distillation

Petroleum, contains proportions of contaminants such as sulfur, nitrogen, oxygen, and metals, such as nickel, iron, copper, sodium, and vanadium. Particularly, contaminants containing sulfur cause problems during handling, transportation, and the use of the their derivatives. This work had the goal of cracking the heavy crude oil molecules by reacting these molecules with tetralin and simultaneously promoting the separation of the low-mass and high-mass fractions, aiming to obtain a product of high value. The process to be studied is Reactive Molecular Distillation (RMD). It was developed at the laboratory LDPS-FEQ-UNCAMP, in order to perform the molecular distillation with chemical reaction using tetralin, which, at high temperatures (210 to 330 °C) and high vacuum (10-3 mmHg), suffers the cracking of molecules, providing protons that help the disaggregation of asphaltene; consequently, the residues will suffer physicochemical alterations and, therefore, the reduction in the amount of sulfur in the oil waste. The sample to be studied is a petroleum waste, named JU 560 °C. This oil is a residue from the vaccuum column of an oil distillery. With the processing of petroleum waste JU 560 °C with 5% of tetralin, a reduction of 49% in the sulfur content of the original sample was achieved

Optimiranje proizvodnje β-fruktofuranozidaze s pomoću gljivice Aspergillus carbonarius iz poljoprivrednog otpada i primjena tog enzima u proizvodnji invertnog šećera

Research background. Microbial β-fructofuranosidases are widely employed in food industry to produce inverted sugar or fructooligosaccharides. In this study, a newly isolated Aspergillus carbonarius PC-4 strain was used to optimize the β-fructofuranosidase production in a cost-effective process and the sucrose hydrolysis was evaluated to produce inverted sugars. Experimental approach. Optimization of nutritional components of culture medium was carried out using simplex lattice mixture design for 72 and 120 h at 28 °C. One-factor-at-a-time methodology was used to optimize the physicochemical parameters. Crude enzyme was used for sucrose hydrolysis at different concentrations. Results and conclusions. The optimized conditions of enzyme production were achieved from cultivations containing pineapple crown waste (1.3%, m/V) and yeast extract (0.3%, m/V) after 72 h with an enzyme activity of 9.4 U/mL, obtaining R2=91.85%, R2adjusted=85.06%, highest F-value (13.52) and low p-value (0.003). One-factor-at-a-time used for optimizing the physicochemical conditions showed optimum temperature (20 °C), pH (5.5), agitation (180 rpm) and time course (72 h) with a 3-fold increase of enzyme production. The invertase-induced sucrose hydrolysis showed the maximum yield (3.45 mmol of reducing sugars) using 10% of initial sucrose concentration. Higher sucrose concentrations caused the inhibition of invertase activity, possibly due to the saturation of substrate or formation of sucrose aggregates, making it difficult for the enzyme to access sucrose molecules within the created clusters. Therefore, a cost-effective method was developed for the invertase production using agroindustrial waste and the produced enzyme can be used efficiently for inverted sugar production at high sucrose concentration. Novelty and scientific contribution. This study presents an efficient utilization of pineapple crown waste to produce invertase by a newly isolated Aspergillus carbonarius PC-4 strain. This enzyme exhibited a good potential for inverted sugar production at high initial sucrose concentration, which is interesting for industrial applications.Pozadina istraživanja. Mikrobne β-fruktofuranozidaze imaju široku primjenu u prehrambenoj industriji, i to u proizvodnji invertnog šećera ili fruktooligosaharida. U ovom je radu korišten novi soj gljivice Aspergillus carbonarius PC-4 za optimiranje ekonomski isplativog postupka proizvodnje β-fruktofuranozidaze, te je ispitana hidroliza saharoze radi dobivanja invertnih šećera. Eksperimentalni pristup. Sastav hranjive podloge optimiran je primjenom simpleks-metode tijekom 72 i 420 h pri 28 °C. Jednofaktorskom su metodom optimirani fizikalno-kemijski uvjeti proizvodnje enzima. Sirovi je enzim korišten za hidrolizu saharoze pri različitim koncentracijama. Rezultati i zaključci. Optimirani su uvjeti proizvodnje enzima dobivenog uzgojem na podlozi s krunom ploda ananasa (1,3 % m/V) i ekstraktom kvasca (0,3 % m/V) nakon 72 h, pri čemu je aktivnost enzima iznosila 9,4 U/mL, s R²=91,85 %, R²adj=85,06 %, najvišom F-vrijednosti (13,52) i niskom p-vrijednosti (0,003). Jednofaktorskom su metodom određeni sljedeći optimalni fizikalno-kemijski uvjeti: temperatura od 20 °C; pH-vrijednost od 5,5; brzina miješanja od 180 okretaja u minuti i trajanje postupka od 72 h, pri čemu je proizvedena trostruko veća količina enzima. Najveći prinos reducirajućih šećera pri hidrolizi saharoze pomoću invertaze s početnom količinom od 10 % saharoze bio je 3,45 mmol. Veće količine saharoze inhibirale su aktivnost invertaze, vjerojatno zbog zasićenja podloge ili formiranja nakupina šećera koje su enzimu otežale pristup molekulama saharoze. Zaključeno je da je razvijen ekonomski isplativ postupak proizvodnje invertaze iz agroindustrijskog otpada, a da se dobiveni enzim može učinkovito upotrijebiti za dobivanje invertnog šećera pri većim količinama saharoze. Novina i znanstveni doprinos. U radu je prikazan djelotvoran način iskorištenja krune ploda ananasa kao biootpada u proizvodnji invertaze s pomoću novog soja gljivice Aspergillus carbonarius PC-4. Dobiveni je enzim pokazao potencijal za proizvodnju invertnog šećera pri velikoj početnoj količini saharoze, što je korisno za industrijsku primjenu