Separation of triterpenic acids by simulated moving bed chromatography - Aniceto, José Pedro Salgado Castro (2018)
A exploração de compostos, subprodutos e resíduos naturais é um passo chave para a obtenção de um futuro sustentável. A valorização e comercialização destes materiais dependem da aplicação de técnicas adequadas de conversão e separação/purificação que permitam obter os níveis desejados de pureza e produtividade. Os ácidos triterpénicos, particularmente os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico, são compostos de elevado valor que têm atraído interesse devido às suas já reportadas propriedades nutraceuticas e farmacológicas. Estes triterpenoides estão presentes em diversas fontes vegetais mas podem ser encontrados com abundâncias consideráveis na casca do eucalipto (decídua e externa), um resíduo comum da indústria da pasta e papel. O isolamento dos ácidos triterpénicos é uma tarefa difícil devido às suas semelhantes estruturas moleculares, especialmente no caso dos ácidos oleanólico e ursólico, que são isómeros de posição. O leito móvel simulado (simulated moving bed, SMB) é uma técnica cromatográfica de separação contínua e em contracorrente que maximiza a força diretriz de transferência de massa permitindo a separação de moléculas mesmo quando as seletividades se aproximam de um. Por exemplo, é frequentemente utilizada no isolamento de enantiómeros. No SMB clássico a separação de dois componentes é efetuada em quatro zonas, os caudais e concentrações de alimentação são fixos e as portas de entrada/saída são comutadas simultaneamente. Recentemente, novas implementações tais como a modificação da concentração ou caudais da alimentação, a utilização de tempos de comutação variáveis e a introdução de novas zonas para separação multicomponente, têm permitido a obtenção de maior flexibilidade e melhor performance. Uma revisão profunda destes modos de operação foi feita durante esta tese. A modelação e otimização são passos essenciais no dimensionamento e desenvolvimento de qualquer processo e particularmente importantes no SMB. Como ponto de partida para o estudo do fracionamento de ácidos triterpénicos por leito móvel simulado, modelos fenomenológicos conhecidos foram aplicados para desenvolver de um simulador SMB. Durante este trabalho uma estratégia de otimização de unidades de SMB foi desenvolvida combinando as metodologias de desenho de experiências e respostas de superfície com simulações computacionais, com o objetivo de obter condições de operação ótimas com baixa complexidade e um esforço computacional reduzido. Esta técnica de otimização foi aplicada ao estudo da separação dos enantiómeros de óxido de trans-estilbeno, usando informação da literatura, e posteriormente comparada com outros procedimentos de determinação de condições de operação ótimas. Esta técnica permitiu purezas acima de 99.5 % para ambos enantiómeros, necessitando de um baixo número de simulações. A separação de ácidos triterpénicos foi inicialmente estudada à escala analítica, através de uma série de ensaios cromatográficos em diferentes condições para seleção de fase móvel e estacionária apropriada. Os melhores resultados foram obtidos com uma coluna Apollo C18 usando metanol/água 95/5 (%,v/v) e os parâmetros de equilíbrio e transporte foram determinados através de experiências de rutura com os compostos puros. Esta informação foi utilizada com sucesso na simulação da separação de uma mistura ternária, cujos resultados foram validados com experiências de rutura ternárias. A separação em SMB de uma mistura representativa de um extrato natural contendo os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico foi desenhada utilizando um processo em dois passos: inicialmente o ácido betulínico foi isolado dos ácidos oleanólico e ursólico e, de seguida, os ácidos oleanólico e ursólico foram fracionados. Esta separação foi otimizada usando a metodologia de desenho de experiências e respostas de superfície combinada com simulações rigorosas e permitiu demonstrar que é possível produzir os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico com purezas de 99.4 %, 99.1 %, e 99.4 %. Os polímeros molecularmente impressos (molecularly imprinted polymers, MIPs) são sintetizados para possuírem centros ativos altamente seletivos para moléculas alvo, tornando-os adsorventes muito promissores. Vários MIPs foram sintetizados por polimerização por precipitação usando diferentes formulações. Após a preparação, estes polímeros foram caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento e os mais promissores, em termos de características morfológicas, foram diretamente testados através de experiências de adsorção. Os resultados revelam que o material “MIP1b” exibe selectividade infinita para o ácido oleanólico, a molécula alvo usada na sua síntese. Em conjunto com a sua capacidade de adsorção – superior à da previamente estudada fase C18 – estes resultados demonstram o elevado potencial do polímero “MIP1b” para aplicação na separação dos ácidos triterpénicos. Investigação adicional é necessária neste tópico onde diferentes técnicas de separação podem ser antecipadas. Este trabalho culminou com o dimensionamento e montagem de uma unidade laboratorial de leito móvel verdadeiro baseada num sistema de uma-válvula-ST por coluna recentemente patenteado, que permite à unidade operar sobre diferentes estratégias de operação e configurações.