Resultados e discussões
5. Resultados e Discussões
Este capítulo apresenta os resultados da caracterização do SAB, curvas binodais, mapeamento dos padrões de fluxo e efeciência de recuperação da proteína e ampicilina obtidos experimentalmente para diferentes regimes de escoamento no microdispositivo. Os resultados referentes ao coeficiente volumétrico de transferência de massa também são apresentados.
5.1 - Curvas binodais obtidas e caracterização do SAB
Inicialmente, foram obtidas experimentalmente as curvas binodais dos sistemas PEG 1500/K2HPO4, PEG 4000/K2HPO4 e PEG 6000/K2HPO4 a temperatura ambiente, conforme as
Figuras 5.1, 5.2 e 5.3, respectivamente. A equação de Merchuk foi empregada na correlação dos dados experimentais.
Figura 5.1 – Curva binodal obtida experimentalmemte do sistema composto por PEG 1500 e K2HPO4 em termos de percentual mássico e o modelo de Merchuk a T= 25 ± 3 ºC .
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Figura 5.2 – Curva binodal obtida experimentalmemte do sistema composto por PEG 4000 e K2HPO4 em termos de percentual mássico e o modelo de Merchuk a T= 25 ± 3 ºC .
Figura 5.3 – Curva binodal obtida experimentalmemte do sistema composto por PEG 6000 e K2HPO4 em termos de percentual mássico e o modelo de Merchuk a T= 25 ± 3 ºC .
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Observando as curvas binodais, nota-se que o aumento da massa molar do PEG provoca um aumento da região bifáfica e as binodais deslocam-se no sentido da interseção dos eixos coordenados. Esse comportamento pode ser atribuído a menor solubilidade em água de PEG com maior massa molar, levando a formação de duas fases mesmo em menor quantidade de sal. Comportamento semelhante foi visto nos estudos de Carvalho et al. (2008) e Asenjo et al. (2002) que trabalharam com os SABs formados de PEG 1500/fosfato de potássio e PEG 4000/fosfato de potássio, respectivamente.
No Apêndice A, são mostrados os dados de caracterização dos três SABs estudados e também as composições de topo e fundo estimadas pelo modelo de Merchuk. O Apêndice B mostra os parâmetros do modelo de Merchuk determinado para os três sistemas.
5.2 - Mapeamento dos padrões de escoamento
Segundo Sattari-Najafabadi et al. (2018), ainda são poucos os trabalhos envolvendo o mapeamento de padrões de fluxo bifásico líquido-líquido em microcanais encontrados na literatura. Nesse sentido, foi realizado o rastreamento dos padrões de escoamento slug, gotículas e paralelo nos SABs formados de PEG/sal. Durante a realização do experimento a vazão volumétrica total foi aumentada gradualmente de 10 em 10 µL/min e os padrões de escoamento registrados. Algumas condições não deixam claro qual tipo de padrão de escoamento surgiu, aqui chamada de regiões de transição. Na Figura 5.4 é apresentado os resultados dos padrões de fluxo. Foi utilizado PEG com massas molares 1500, 4000 e 6000.
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Figura 5.4 - Mapeamento de padrões de escoamento de sistemas aquosos bifásicos PEG/sal usando microcanais circulares de 1,8 mm de diâmetro interno disposto na forma senoidal. A razão de volume de fases foi mantida em 1:1.
O padrão de fluxo slug foi obtido em baixas vazões volumétricas, cujos limites de detecção foram observados em 170, 110 e 55 µL/min para os sistemas envolvendo PEG-1500, PEG-4000 e PEG-6000, respectivamente. O aumento das massas molares do PEG proporcionou redução das regiões do padrão slug, podendo ser relacionado com aumento da viscosidade da fase rica em PEG. A tensão interfacial aumentou de modo que a fase dispersa teve dificuldade de formar bolhas maiores e dessa forma, a região do padrão de fluxo slug registrada foi menor.
Observações de fluxo slug para baixas vazões foram reportadas por Kashid et al., 2011; Sarkar et al., 2012; Darekar et al., 2017 e López-Guajardo et al., 2018. O formato de gota típica para o fluxo slug é mostrada na Figura 5.5 (a). O regime de gotículas foi estabelecido em vazões volumétricas totais de 280-394 µL/min para o sistema contendo PEG-1500. Nos sistemas com PEG 4000 e PEG 6000 em vazões de 220 e 170 µL/min foi observado o início desse regime. A Figura 5.5 (b) mostra o formato característico do padrão de fluxo de gotículas. Em DAREKAR
et al. (2018) foram reportados ensaios empregando proporções das fases de 1:1 e o aumento
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para menores, porém, não foi possível observar um padrão de fluxo bem definido do regime de gotículas. No caso do sistema SAB PEG/sal, a observação do regime de gotículas por ter sido possibilitado pela baixa tensão interfacial e a rápida separação entre as fases, que são características fundamentais destes sistemas.
O padrão de fluxo paralelo (ver Figura 5.5 (c)) foi observado para maiores vazões a partir 500 µL/min e somente para o sistema de PEG 1500. Observação semelhante foi realizada por Darekar et al. (2017), onde é argumentado que o padrão de escoamento paralelo é alcançado para as vazões mais altas de ambas as fases, devido a força inercial na interface prevalecer sobre a força de tensão e as duas fases fluem umas sobre a outra sem geração de dispersão.
Figura 5.5 - Padrões de escoamento explorados no microdispositivo proposto a) Fluxo slug, b) Fluxo de gotículas e c) Fluxo paralelo.
Ensaios com sistemas de PEG 4000 e PEG 6000 não apresentaram a formação do regime de escoamento paralelo. Os polímeros com maiores massas molares (4000 e 6000) levaram a formação de sistemas de duas fases aquosas, em que as fases ricas em PEG apresentaram um aumento significativo da viscosidade e tensão interfacial, dificultando assim, a observação de todos os regimes estudados.
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5.3 - Efeito do padrão de fluxo e tempo de residência na recuperação da proteína BSA
Após os ensaios para determinação dos regimes de escoamento no microsistema proposto, foram realizados ensaios para avaliar a eficiência de recuperação da proteína BSA usando os três padrões de escoamento determinados (seção 5.2). Os ensaios usando PEG 4000 e PEG 6000 não apresentaram resultados satisfatório para recuperação da proteína. Neste caso, efeitos resistivos e simultâneos atuam na redução da recuperação da proteína. A tensão interfacial entre fases exerce uma influência decisiva na partição de biomoléculas e aumenta com o aumento da massa molecular do PEG (DE OLIVEIRA et al., 2012). Contudo, o aumento da massa molecular do PEG aumenta a hidrofobicidade e o volume de exclusão da fase rica em PEG, favorecendo a partição de proteínas; porém, a redução no volume livre da fase rica em polímero reduz o particionamento das proteínas. Assim, o efeito da exclusão de volume predomina sobre o efeito hidrofóbico (PERUMALSAMY & BATCHA, 2011; KALAIVANI & REGUPATHI, 2013; NAGARAJA & IYYASWAMI, 2015).
Os resultados de eficiência da recuperação da proteína para os três padrões de fluxo explorados nos tempos de residência de 3, 5 e 10 min para o sistema PEG-1500/ K2HPO4, são
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Figura 5.6 - Eficiência de recuperação da proteína BSA para os padrões de fluxo slug, gotículas e paralelo nos tempos de residências 3, 5 e 10 min em microcanais de 1,8 mm. Vazão volumétrica total de 111,88, 337,78 e 563,68 µL/min para os regimes slug, gotículas e paralelo, respectivamente.
Verifica-se uma relação aproximadamente linear entre tempo de residência e a eficiência de recuperação para todos os padrões de fluxo explorados. Dessa forma, o microsistema pode superar o processo em batelada em um tempo menor de contato entre as fases, comparado aos 30 min do batelada e 77 % de recuperação, visto que para um tempo de residência de 10 min e fluxo de gotículas, 56% de eficiência de recuperção é alcançado. Esse crescimento significativo de recuperação com o aumento do tempo de residência pode ser atribuído ao fato de que a proteína BSA é uma biomolécula de elevada massa molecular (66500 g/mol) e, portanto, requer tempo suficiente de contato entre as fases para que uma maior eficiência de recuperação seja alcançada.
Avaliando o efeito dos padrões de fluxo sobre a recuperação de BSA, observa-se que o padrão de fluxo paralelo apresentou pior desempenho para todos os tempos de residência avaliados, devido ter menor área interfacial específica e sendo essa área um parâmetro que tem
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influência direta no processo de transferência de massa. O padrão de fluxo slug, por sua vez, apresentou o segundo melhor desempenho, tendo alcançado 38% de recuperação no tempo de residência de 10 min.
O padrão de fluxo de gotículas apresentou maiores resultados de eficiência de recuperação da proteína BSA para todos os tempos de residência explorados. Para os tempos de residência de 3 e 5 min os valores de recuperação de BSA para o padrão de gotículas não apresentaram diferenças estatísticas, ao nível de confiança de 95% (p < 0,05), de acordo com o teste de Tukey. No maior tempo de residência (10 min), a eficiência de recuperação da proteína no regime de gotículas foi de 56%, sendo 21% menor que aquele obtido do experimento controle. Com um microsistema de menor dimensão, Novak et al. (2012) reportam eficiência de recuperação da proteína BSA de 53% com microcanais retangulares de dimensões (220 vs 50 µm) e (440 vs 50 µm), aplicando somente a padrão de fluxo paralelo. Em Novak et al. (2015) foi reportado 29% de eficiência recuperação de α-amilase em microcanais retangulares com dimensões (220 vs 50 µm), usando também o padrão de fluxo paralelo. Os resultados de eficiência de recuperação de proteínas obtidos para o microsistema proposto demostram grande potencial dessa técnica para recuperação de biomoléculas.
O coeficiente de partição (K) foi determinado para todos os ensaios. Na Figura 5.7 são apresentados os resultados de partição obtidos para os diferentes padrões de escoamento explorados. Assim como a eficiência de recuperação, os maiores valores de K foram obtidos para o regime de gotículas. O coeficiente de partição para o regime de gotículas foi 52% maior comparado ao regime fluxo paralelo no tempo de residência de 5 min. O valor máximo de K foi aproximadamente 3 obtido no ensaio empregando o fluxo de gotículas e tempo de residência de 5 min. Nagaraja & Iyyaswami (2015) reportam a partição de proteínas de peixes em sistema PEG/sal convencional com valores entre 0,8–2,4. Bommenahalli Shashidhara & Iyyaswami (2018) avaliaram a partição da proteína lectina também em sistema PEG/sal convencional obtendo valores na faixa 0,5–4,8.
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Figura 5.7 - Coeficiente de partição (K) da proteína BSA para os três padrões de fluxo nos tempos de residências 3, 5 e 10 min em microcanais de 1,8 mm. Vazão volumétrica total de 111,88, 337,78 e 563,68 µL/min para os regimes slug, gotículas e paralelo, respectivamente.
5.4 - Efeito do padrão de fluxo e tempo de residência no particionamento do antibiótico ampicilina
Baseado nos resultados de particionamento da proteína BSA, foi avaliado o papel do regime de escoamento na extração de substâncias de baixa massa molecular, tal como a ampicilina (349 g/mol), a qual é um antibiótico. O crescente uso e descarte inadequados tornaram os antibióticos poluentes farmacêuticos emergentes em ambiente aquoso (WANG et
al., 2019). Alguns estudos reportam uso de SAB para recuperação de antibióticos em matrizes
aquosas (PAZUKI et al., 2009; SHAHRIARI et al., 2012; MADADI et al., 2013; JAMSHIDI & PAZUKI, 2018).
Diferentemente dos resultados para a BSA, a ampicilina apresentou eficiência de recuperação estatisticamente semelhante ao processo em batelada, como pode ser observado na
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Figura 5.8. Exceto nos resultados de regime paralelo nos tempos de 3 e 5 min, a eficiência de recuperação foi de 100% independente do padrão de fluxo. O particionamento de moléculas de baixa massa molecular é reportado por Šalić et al. (2011) que avaliaram a extração de polifenóis com sistemas SAB em microdispositivos obtendo eficiência de recuperação de 89,11%.
Figura 5.8 - Eficiência de recuperação da ampicilina para os padrões de fluxo slug, gotículas e paralelo nos tempos de residências 3, 5 e 10 min em microcanais de 1,8 mm. Vazão volumétrica total de 111,88, 337,78 e 563,68 µL/min para os regimes slug, gotículas, respectivamente.
5.5 - Efeito do diâmetro dos microcanais sobre eficiência de recuperação da proteína BSA
Os resultados da Seção 5.2 indicam o regime de escoamento de gotículas como sendo o de melhor desempenho. Estabelecido o melhor regime de escoamento, ensaios foram realizados com o sistema PEG 1500/K2HPO4, nesse regime, em microcanais de diâmetros 0,510 e 1,14
mm. Nesses experimentos foi utilizado microscópio para registrar o padrão de fluxo de gotículas. A Figura 5.9 mostra o perfil de bolhas originadas nos microcanais de 0,510 mm comprovando a existência do padrão de fluxo de interesse.
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Figura 5.9 - Padrão de escoamento de gotículas em microcanais com diâmetro 0,510 mm determinado com uso de microscópio para vazão volumétrica total de 21,7 µL/min.
À medida que os diâmetros dos microcanais foram sendo reduzidos ocorreram mudanças nas regiões de observação dos padrões de fluxo. O padrão de fluxo de gotículas foi observado em microcanais 0,510 mm para vazão de 20 µL/min, bem diferente de microcanais 1,8 mm onde esse padrão só foi possível para vazões na faixa de 290- 390 µL/min. Darekar et
al. (2017) estudaram o efeito do diâmetro do microcanal no padrão de fluxo e observaram que
as transições de regime de fluxo ocorrem em vazões mais baixas em microcanais com menores diâmetros.
A redução de diâmetro dos microcanais proporcionaram aumentos significativos na recuperação da proteína BSA, como mostra a Figura 5.10. No ensaio com tempo de residência de 10 min, a área interfacial específica para microcanais de 1,8 mm foi 1311 (m-1) enquanto em
microcanais de 0,510 mm o valor obtido foi 6156 (m-1), aumento de quase 5 vezes. Comparando a eficiência de recuperação nessa mesma condição, os microcanais de 0,510 mm proporcionaram ganho de 17% de eficiência em relação aos microcanais de diâmetro 1,8 mm. Aoki et al. (2011) investigaram a eficiência da transferência de massa empregando regime de escoamento slug e observaram um aumento do coeficiente volumétrico de transferência de massa com a redução do diâmetro dos microcanais. Darekar et al. (2014) estudaram a extração líquido-líquido de urânio em microcanais usando padrão de fluxo slug e constataram um aumento relevante na transferência de massa com a diminuição de diâmetro dos canais do microdispositivo.
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Figura 5.10 - Eficiência de recuperação da proteína BSA em microcanais de 0,510, 1,14 e 1,8 mm e tempos de residências 3, 5 e 10 min empregando o padrão de fluxo de gotículas. Vazão volumétrica total de 21,7, 100,91 e 337,78 µL/min para os diâmetros 0,510, 1,14 e 1,8 mm, respectivamente.
5.6 - Determinação do coeficiente volumétrico de transferência de massa (𝑲𝑳𝒂)
O cálculo do coeficiente volumétrico de transferência de massa (𝐾𝐿𝑎) foi efetuado
usando a Equação (3). A Tabela 5.1 apresenta os valores de 𝐾𝐿𝑎 obtido para os regimes de escoamento slug, gotículas e paralelo em microcanal de diâmetro 1,8 mm. Os maiores valores de coeficientes (1.12 x 10-3-2.19 x 10-3 s-1) foram obtidos para o padrão de fluxo de gotículas, devido a maior área interfacial disponível para troca de massa. Esses resultados estão de acordo com os dados de recuperação (seção 3.2), apontado o regime de gotículas como sendo melhor na intensificação do processo de transferência de massa em microsistemas. Estudos reportam determinação de coeficientes volumétricos de transferência de massa em microsistemas. Darekar et al. (2014) determinaram coeficientes volumétricos de transferência de massa de
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urânio em microdispositivo obtendo valores na faixa de 8.2 x 10-4 - 1.5 x 10-1 (s-1).
Tabela 5.1 - Coeficiente de transferência de massa para os três padrões de fluxo em minicanais com diâmetro 1,8 mm.
Fluxo slug Fluxo de gotículas Fluxo paralelo Tempo de residência (min) KLa (s -1) K La (s-1) KLa (s-1) 3 5 10 1,17 x 10-3 9,70 x 10-4 6,84 x 10-4 2,19 x 10-3 2,30 x 10-3 1,12 x 10-3 5,54 x 10-4 6,77 x 10-4 4,09 x 10-4
O coeficiente foi determinado também para os ensaios com padrão de escoamento de gotículas em minicanais com diferentes diâmetros. Os resultados da Tabele 5.2, de modo geral, indicam um aumento nos valores dos coeficientes à medida que os diâmetros dos minicanais são reduzidos. A redução dos diâmetros juntamente com a utilização do padrão de fluxo de gotículas demostram ser as condições prováveis para intensificação da transferência de massa, levando a resultados promissores para recuperação de proteínas.
Tabela 5.2 - Coeficiente de transferência de massa para o padrão de fluxo de gotículas e minicanais com diâmetros 0,510, 1,14 e 1,8 mm.
D = 0,510 mm D = 1,14 mm D = 1,8 mm Tempo de residência (min) KLa (s-1) K
La (s-1) KLa (s-1) 3 5 10 2,75 x 10-3 1,83 x 10-3 1,49 x 10-3 2,31 x 10-3 1,87 x 10-3 1,16 x 10-3 2,19 x 10-3 2,30 x 10-3 1,12 x 10-3
A influência dos padrões de escoamento no processo de transferência de massa foi evidenciada com a obtenção do valor de máximo de 𝐾𝐿𝑎 para o regime de fluxo de gotículas, isto é, o padrão de fluxo com maior área específica.
Capítulo 6
Conclusões
Capítulo 6 – Conclusões 67
6. Conclusões
Extração eficiente de BSA foi obtida usando sistema aquoso bifásico PEG/K2HPO4
empregando diferentes padrões de escoamento em microsistemas de canais com geometria circular. Os efeitos do padrão de fluxo sobre transferência de massa foram avaliados. Três padrões de fluxo bifásico líquido-líquido diferentes – fluxo slug, fluxo de gotículas e fluxo paralelo - foram observados. Os efeitos de tempo de residência e padrão de fluxo foram nítidos para a biomolécula maior, a proteína BSA, sendo necessário para recuperação satisfatória dessa proteína maior tempo de contato entre as fases e uma área de contato suficiente. Dessa forma, maior eficiência de recuperação de proteína (69%) foi alcançada para o padrão de fluxo que garantiu a maior área específica, o fluxo de gotículas, no microcanal 0,510 mm e no maior tempo de residência (10 min). O coeficiente volumétrico de transferência de massa máximo (𝐾𝐿𝑎 =12,75x10-3 s-1) também foi obtido para o padrão de gotículas em microcanal 0,510 mm
e tempo de residência de 10 min. De modo geral, o presente trabalho fornece avanços relevantes sobre processo de separação de biomoléculas em microsistemas e seu papel na intensificação da transferência de massa de forma simples e economicamente viável.