Estudo da adsorção de ácido clavulânico em hidróxidos duplos lamelares: cinética, equilíbrio e modelagem matemática = Clavulanic acid adsorption studies in layered double hydroxides: kinetics, equilibrium and mathematical modeling

Autor(es)

Marcus Bruno Soares Forte

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia de Alimentos
• Data de defesa: 2013-02-27

Membros da banca

Francisco Maugeri Filho; Eliana Setsuko Kamimura; Marcio Antonio Mazutti; Rubens Maciel Filho; Telma Teixeira Franco

• Orientador: Maria Isabel Rodrigues; Francisco Maugeri Filho

Resumo

A proposta desta tese foi o estudo da adsorção do ácido clavulânico (CA) em hidróxidos duplos lamelares (LDH) e o uso desses adsorventes em colunas de leito fixo na separação entre o CA e aminoácidos. A tese foi desenvolvida em três etapas: na primeira, utilizou-se LDH do tipo hidrotalcitas. Os adsorventes foram avaliados quanto à cinética de adsorção em banho finito. O melhor sistema foi a hidrotalcita com 70 % de magnésio na composição (HT70c) com fração de sólidos (em relação ao volume de líquido) no reator est = 15,0 mg/mL usando água como solvente. O modelo de equilíbrio melhor ajustado foi o linear com os seguintes coeficientes de adsorção: k = 0,404; 0,602; 0,849 e 1,083 L/g para 16,5; 19,0; 21,5 e 24,0°C, respectivamente, evidenciando um aumento da capacidade de adsorção com aumento da temperatura. O sistema foi avaliado termodinamicamente quanto à energia livre de Gibbs (?G°), entalpia (?H°) e entropia (?S°), sendo que os valores calculados foram: ?G° = 2,100; 1,301; 0,503 e -0,295 kJ/mol para 16,5; 19,0; 21,5 e 24,0°C, respectivamente, ?H° = 94,602 kJ/mol e ?S° = 0,319 kJ/mol.K. A segunda etapa foi desenvolvida no Laboratório de Materiais Inorgânicos da Université Blaise Pascal na França, durante Estágio de Doutorado-Sanduíche. LDH com outras composições foram sintetizados, caracterizados e avaliados quanto à adsorção de CA. A difração de raios X indicou a formação de uma estrutura cristalina com uma distância entre as lamelas de aproximadamente 22 Å. Os espectros na região do infravermelho apresentaram sinais característicos da molécula de CA: ligações C=C (720 ¿ 840, 1640 e 1657 cm-1), C-O-C e C-N (1036, 1060 e 1292 cm-1), C-N (1354 cm-1), C-OH (1392 cm-1) e COOH (1551, 1581 cm-1). A análise termogravimétrica indicou a presença de uma molécula interlamelar com peso molecular de aproximadamente 194 g/mol. Essas análises confirmam a presença do CA no espaço interlamelar e, desta forma, a afinidade da molécula de CA pelos sítios dos LDH. A adsorção de CA em diferentes fases de LDH (Zn2Cr-NO3, Zn2Al-NO3 e Mg2Al-NO3) foi avaliada por meio de isotermas de adsorção a 20,0; 30,0 e 35,0°C. O sistema escolhido como mais conveniente foi o Zn2Cr-NO3, cujos parâmetros ajustados para o modelo de Freundlich foram kF = 73,63; 128,76 e 229,62 mg1-nF.LnF/g e nF = 0,35; 0,38 e 0,33 para 20,0; 30,0 e 35,0°C. Na terceira etapa,partículas contendo cristais de Zn2Cr-NO3 encapsulados em microgéis de alginato (LDHME) foram obtidas através de gelificação iônica, a fim de possibilitar o uso desses adsorventes em colunas cromatográficas. Uma coluna foi empacotada com as partículas de LDHME a fim de avaliar a separação de CA em relação aos aminoácidos tirosina (TYR) e prolina (PRO), já que são os principais contaminantes presentes no meio fermentativo, pelo método de pulso cromatográfico. O uso das partículas de LDHME na separação de CA foi considerado satisfatório levando a fatores de purificação de 2,32 vezes o inicial e a um grau de pureza das soluções de 93 %. Um modelo matemático foi desenvolvido para adsorção de ácido clavulânico (CA) em coluna de leito fixo, empacotada com partículas LDHME. Curvas de ruptura foram obtidas experimentalmente e o sistema foi avaliado em relação aos tempos de operação assim como eficiências e produtividades em função de variações simultâneas das condições experimentais, vazão (Q) e altura de leito (L), através de um delineamento composto central rotacional (DCCR). A vazão foi avaliada no intervalo de 0,19 a 0,82 mL/min e a altura do leito de 3,0 a 5,0 cm. O algoritmo particle swarm optimization (PSO) se mostrou eficaz na estimação dos parâmetros do modelo proposto. Depois de validado experimentalmente em condições distintas das usadas na estimação, o modelo foi usado como ferramenta na otimização da adsorção de CA através de um DCCR, cujos resultados foram obtidos com simulações usando níveis superiores para as variáveis de entrada (Q de 0,80 a 1,50 mL/min e L de 7,0 a 10,0 cm) considerando somo respostas o tempo de ruptura (tb), tempo de exaustão (te), eficiência de recuperação (frec), eficiência de utilização da coluna (fcol) e a produtividade (P). Esse procedimento foi considerado satisfatório já que houve diminuições consideráveis nos tempos de operação e aumentos nas respectivas eficiências e produtividades. As melhores condições de operação do sistema estudado para adsorção de CA foram: Q = 1,15 mL/min e L = 10,0 cm, cujas respostas foram: tb = 24 min, te = 110 min, frec = 96 %, fcol = 37 % e P = 117 kg/h (AU)

• Processo FAPESP: 08/57298-3 - Estudo da adsorção de ácido clavulânico em hidróxidos duplos lamelares: cinética, equilíbrio e modelagem matemática
• Beneficiário: Marcus Bruno Soares Forte
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado