e ssttuuddoo addee it trr annsffeerrêênncciiaa ddee ... · ao doutor licínio g. a. ferreira, por...
TRANSCRIPT
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
Figura 5.14 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=pI. ............................... 66
Figura 5.15 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~12. ..................................... 67
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. .............................. 67
Figura 5.17 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 e concentração inicial de
3mM. ............................................................................................................................................................ 68
Figura 5.18 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=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
Tabela A.6 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2B. ............................................................. 88
Tabela A.7 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1A .................................................................... 89
Tabela A.8 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 1B. .................................................................... 89
Tabela A.9 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4A.............................................................. 90
Tabela A.10 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4B .............................................................. 91
Tabela A.11 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 3A .................................................................... 91
Tabela A.12 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 3B. .................................................................... 92
Tabela A.13 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6A.............................................................. 92
Tabela A.14 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6B. ............................................................. 93
Tabela A.15 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5A. ................................................................... 93
Tabela A.16 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5B ..................................................................... 94
Simbologia
xiv Ricardo Alegria
Tabela A.17 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5C. .................................................................... 94
Tabela A.18 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 7A..................................................................... 95
Tabela A.19 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 7B. .................................................................... 96
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).
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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)
Fundamentos Teóricos
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).
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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).
Fundamentos Teóricos
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.
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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.
Fundamentos Teóricos
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.
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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).
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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.
Fundamentos Teóricos
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
Fundamentos Teóricos Capítulo 2
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
Modelos Matemáticos
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.
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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).
Modelos Matemáticos
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)
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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)
Modelos Matemáticos
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
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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 .
Modelos Matemáticos
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
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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
Modelos Matemáticos
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
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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
Modelos Matemáticos
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
Modelos Matemáticos Capítulo 3
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
Secção Experimental
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).
Secção Experimental Capítulo 4
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.
Secção Experimental
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
Secção Experimental Capítulo 4
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
Secção Experimental
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)
Secção Experimental Capítulo 4
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)
Secção Experimental
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
Apresentação e discussão
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
Apresentação e discussão Capítulo 5
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
Apresentação e discussão
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)
Ensaio 1A Ensaio 1B Ensaio 3A Ensaio 3B
Apresentação e discussão Capítulo 5
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)
Ensaio 4A Ensaio 4B Ensaio 2A Ensaio 2B
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
Apresentação e discussão
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
Apresentação e discussão Capítulo 5
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
Apresentação e discussão
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
Apresentação e discussão Capítulo 5
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)
Ensaio 2A Ensaio 2B Ensaio 6A Ensaio 6B
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
Apresentação e discussão
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.
Apresentação e discussão Capítulo 5
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.
Apresentação e discussão
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.
Figura 5.14 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=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
Apresentação e discussão Capítulo 5
Ricardo Alegria 67
Figura 5.15 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~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
Apresentação e discussão
68 Ricardo Alegria
De seguida encontram-se os ajustes referentes aos ensaios a concentração de 3mM, e
pH~pI para ambos os aminoácidos.
Figura 5.17 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 e
concentração inicial de 3mM.
Figura 5.18 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=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
Apresentação e discussão Capítulo 5
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
Apresentação e discussão
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.
Referências Bibliográficas
Ricardo Alegria 75
Referências Bibliográficas
Referências Bibliográficas
76 Ricardo Alegria
Referências Bibliográficas:
Abrams, Irving M. e Millar, John R. 1997. A history of the origin and development of
macroporous ion-exchange resins. Reactive & Functional Polymers., Vol. 34.
Alexandratos, Spiro D. 2009. Ion-Exchange Resins: A Retrospective from Industrial and
Engineering Chemistry Research. Industrial & Engineering Chemistry Research., Vols.
38 (388-398).
Anjema, Karen, et al. 2011. PKU: High plasma phenylalanine concentrations are
associated with increased prevalence of mood swings. Molecular Genetics and
Metabolism. 104.
Carberry, JJ. 1960. A boundary-layer model of fluid-particle mass transfer in fixed
beds. AIChEJ.
Carta, Giorgio, Saunders, Malcolm S. e Mawenkang, Frans. 1991. Studies of the
diffusion of amino acids in ion exchange resings. AIChE.
Center, University of Maryland Medical. 2011. Tyrosine. Greene Street, Baltimore,
MD 21201 : s.n.,
Csapó, J., et al. 2008. Separation and determination of the amino acids by ion exchange
column chromatography applying postcolumn derivatization. Acta Univ. Sapientiae,
Alimentaria .
DOWEX, Ion Exchange Resins. 2000. Fundamentals of Ion Exchange.
Essencials of Ion Exchange. DeSilva, Francis J. 1999. 25th Annual WQA
conference (conferência)
Fernandes, Sandra e Gando-Ferreira, Licínio M. 2011. Kinetic modeling analysis for
the removal of Cr(III) by Diphonix resin. Chemical Engineering Journal.
Fernández, A., Diaz, M. e Rodrigues, A. 1997. Kinetic mechanism in ion exchange
processes. The Chemical Engineering Journal.
Golden, L. S. 2000. Ion exchange resins: Characterization of. Academic Press.
Grimshaw, R. W. e Harland, C. E. 1975. Ion-exchange: Introduction to Theory and
Practice. London : Landon: The Chemical Society.
Referências Bibliográficas
Ricardo Alegria 77
Harvey, Richard A. e Ferrier, Denise R. 2008. Biochemistry. Baltimore : Lippincott
Williams & Wilkins.
Hekmatzadeh, A.A., et al. 2012. Modeling of nitrate removal for ion exchange resin in
batch and fixed bed experiments. Desalination.Vol. 284.
Helfferich, Friedrich G. 1995. Ion Exchange. Toronto : General Publishing Company,
Ltd.
Kataoka, T., Yoshida, H. e Ueyama, K. 1972. Mass transfer in laminar region between
liquid and packing material surface in the packed bed. J Chem Eng Japan.
Leuchtenberger, Wolfgang, Huthmacher, Klaus e Drauz, Karlheinz. 2005.
Biotechnological production of amino acids and derivatives:current status and prospects.
Appl Microbiol Biotechnol. Vols. 69 (1–8).
Matthews, Dwight E. 2007. An Overview of Phenylalanine and Tyrosine Kinetics in
Humans. The Journal of Nutrition.
Mitsubishi Chemical Corporation. 1995. Manual of Ion Exchange Resins and Synthetic
Adsorbent I. Japan : Nihon Insatsu Kogei Co., Ltd.
Moreira, Maria João A. e Ferreira, Licínio Manuel G.A. 2005. Equilibrium studies of
phenylalanine and tyrosine on ion-exchange resins. Chemical Engineering Science. (5022
– 5034).
Moreira, Maria João A. e Ferreira, Licínio M. 2012. Separation of phenylalanine and
tyrosine by ion-exchange usin a strong-base anionic resin. II. Cyclic
adsorption/desorption studies. Biochemical Engineering Journal. Vol. 67 (241-250).
Moreira, Maria João da Anunciação. 2010. Separação de aminoácidos por permuta
ionica: efeito do pH e da força iónica. Coimbra : Dep. de Engenharia Química da
Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra.
Nishimura, Susumu, et al. 1967. Purification of methionine-, valine-, phenylalanine- and
tyrosine-specific tRNA from Escherichia coli. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -
Nucleic Acids and Protein Synthesis. Vol. 142, Issue 1.
Perry, Robert e Green, Don. 2008. Perry's Chemical Engineers' Handbook. s.l. : The
McGraw-Hill Companies.
Referências Bibliográficas
78 Ricardo Alegria
Pinto, Maria Isabel Araújo. 1997. Separação de aminoácidos por troca ionica:
determinação de parâmetros cinéticos. Coimbra : Universidade de Coimbra: Faculdade
de Ciências e Tecnologia Departamento de Química.
Poewe, W. 2009. Treatments for Parkinson disease: past achievements and current
clinical needs. Neurology. 72.
Pritzker, Mark. 2004. Modified shrinking core model for uptake of water soluble
species onto sorbent particles. Advances in Enveronmental Research. Vol. 8 (439-453).
Pritzker, Mark. 2005. Shrinking core model for multispecies uptake onto an ion
exchange resin involving distinct reaction fronts. Separation and Purification
Technology. Vol. 42 (15-24).
Reuss, S., Weiss, C. e Bayerl, C. 2006. Phenylalanine and UVA for Vitiligo patients:
probability of an effective treatment. Medical Hypotheses. Vol. 67.
Robinson, R. A. e Stokes, R. H. 1965. Electrolyte Solutions. London : Butterworths &
Co.
Rodríguez, Juan F., Valverde, Jose L. e Rodrigues, Alirio E. 1988. Measurements of
Effective Self-diffusion Coefficients in a Gel-Type Cation Exchanger by the Zero-
Length-Column Method. Industrial & Engineering Chemistry Research. Vol. 37.
Saunders, Malcolm S., B.Vierow, John e Carga, Giorgio. 1989. Uptake of
Phenylalanine and Tyrosine by a Strong-Acid Cation Exchanger. American Institute of
Chemical Engineers Journal. Vol. 35.
Saunders, Malcolm S., B.Vierow, John e Carta, Giorgio. 1989. Uptake of
Phenylalanine and Tyrosine by Strong-Acid Cation Exchanger. A. ChE Journal.
Saunders, Malcolm S., Vierow, John B. e Carta, Giorgio. 1989. Uptake of
phenylalanine and tyrosine by a strong-acid cation exchanger. AIChE Journal. Vol. 35
(53-68).
Silva, Carlos M. e Lito, Patrícia F. 2007. Application of the Maxwell–Stefan approach
to ion exchange in microporous materials. Batch process modelling. Chemical
Engineering Science. Vol. 63.
Silva, Débora D. V., et al. 2005. Aditivos Alimentares Produzidos Por Via Fermentativa
Parte 2: Aminoácidos e Vitaminas. Revista Analytica. Vol. 19.
Referências Bibliográficas
Ricardo Alegria 79
Srikanth, M. V., et al. 2010. Ion-Exchange Resins as Controlled Drug Delivery Carriers.
Journal of Scientific Research. Vols. 3 (597-611).
Strathmann, H. 2004. Ion-Exchange, Menbrane Separation Processes. Hungary :
Elsevier B.V. 0-444-50236-X.
Valverde, José L., et al. 2004. Model for the determination of diffusion coefficients of
heterovalent ions in macroporous ion exchange resins by the zero-length column method.
Chemical Engineering Science. Vol. 60.
Wakao, N. e Funazkri, T. 1978. Effect of fluiddispersioncoefficients on particle-to-
fluidmasstransfercoefficients in packed beds: Correlation of sherwood numbers.
Chemical Engineering Science.
Wang, Tzu-Yu, Sheng, Yu-Jane e Tsao, Heng-Kwong. 2009. Donnan potential of
dilute colloidal dispersions: Monte Carlo simulations. Journal of Colloid and Interface
Science.
Wilke, C. R. e Chang, Pin. 1955. Correlation of Diffusion Coeficients in Dilute
Solutions. A.I.Ch.E. Journal.
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
Tabela A.5 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 2B.
Tempo (min) pH Absorvância Concentração
(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.
Tabela A.6 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
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
Tabela A.7 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
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
A6 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e
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.
Tabela A.8 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4A.
Tempo (min) pH Absorvância Concentração
(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
Tabela A.9 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção de
fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 4B.
Tempo (min) pH Absorvância Concentração
(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.
Tabela A.10 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
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
Tabela A.11 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 3B.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
(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
A7 Resultados experimentais obtidos para adsorção de fenilalanina e
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.
Tabela A.12 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6A.
Tempo (min) pH Absorvância Concentração
(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
Tabela A.13 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de fenilalanina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 6B.
Tempo (min) pH Absorvância Concentração
(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
Tabela A.14 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5A.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
(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
Tabela A.15 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5B.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
(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
Tabela A.16 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 5C.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
(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.
Tabela A.17 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 7A.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
(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
Tabela A.18 Valores experimentais de variação de pH, absorvância e concentração para a adsorção
de tirosina pela resina PA316 correspondente ao ensaio 7B.
Tempo (min) pH Absorvância Diluição Concentração
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.
Picnómetro #66 #69 #85
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.
Picnómetro #66 #69 #85
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