Procedimiento para evaluar la eficacia de floculantes para la eliminación de partículas dispersas en extractos de plantas

El objetivo general del siguiente experimento es identificar floculantes que puedan mejorar la eliminación de partículas dispersas de extractos vegetales. Esto se logra mediante el diseño experimental para identificar los polímeros más eficaces y los parámetros que controlan la agregación de estas partículas dispersas. El segundo paso define el flujo de trabajo, que corresponde a las operaciones unitarias utilizadas en una aplicación a gran escala.

A continuación, se preparan extractos de hojas para floculantes en diversas condiciones y se analizan con el fin de medir la turbidez y la recuperación del producto. Los resultados muestran las condiciones óptimas de floculación y los polímeros basados en una evaluación del modelo de diseño de experimentos, que abreviamos como DoE. La principal ventaja de esta técnica en comparación con la clarificación tradicional mediante filtración en profundidad únicamente, es que la capacidad del filtro puede aumentarse varias veces, reduciendo así los costos totales del proceso.

La floculación puede aumentar el diámetro efectivo de las partículas y facilitar su eliminación mediante centrifugación o filtración. Por lo tanto, primero deben identificarse los parámetros del proceso ambiental que son relevantes para el procedimiento de floculación. Típicamente, existen varios de estos parámetros.

Por lo tanto, un enfoque de diseño de experimentos (DoE) es apropiado dada la falta de modelos mecanicistas. El DoE se establece seleccionando parámetros basados en datos de la literatura y conocimientos previos. Los parámetros típicos incluyen el tiempo de incubación, así como el tipo y la concentración de polímero.

Los resultados experimentales que se utilizan para evaluar la eficiencia de la floculación, como la filtrabilidad, también se definen antes del experimento. Esta información luego se introduce en un diseño de experimentos (DoE) adecuado según el número de factores que se investigarán y el grado de conocimiento ya acumulado sobre el sistema. Se desarrolla un flujo de trabajo que abarca todos los pasos relevantes para la floculación y el procesamiento a escala de laboratorio de extractos vegetales.

El volumen de la alícuota debe ser lo suficientemente pequeño como para permitir un alto rendimiento de muestras. El rendimiento del equipo de laboratorio debe correlacionarse con el de los dispositivos a escala de proceso. Las plantas se cultivan de una manera que representa el proceso final.

Y todas las utilidades se preparan antes de comenzar los experimentos de extracción y floculación. Las soluciones stock de floculantes se preparan cuidadosamente teniendo en cuenta cualquier pre-dilución realizada por el fabricante. Elegir la misma concentración stock para todos los floculantes simplifica las posteriores pipetaciones, reduciendo la probabilidad de errores.

Los componentes del tampón, el pH y la conductividad de cada solución stock fresca de floculante se preparan para que coincidan con las condiciones de los extractos. El cronograma del diseño de experimentos (DoE) se convierte en un esquema de pipeteo que indica los volúmenes de soluciones stock que deben agregarse a las muestras de extracto vegetal. Las muestras de extracto vegetal se preparan a partir de hojas de tabaco cosechadas, utilizando los tampones que coinciden con las condiciones que se probarán en el DoE.

Mientras se agita el extracto, se preparan alícuotas que coinciden con el volumen predefinido. Esto garantizará una distribución homogénea de partículas en todas las muestras. Se añade tampón de extracción a cada alícuota para que cada muestra tenga el mismo volumen una vez que se haya agregado el stock de floculante.

El volumen de la solución stock definido en el diseño de experimentos (DoE) se añade a la muestra secuencialmente según indica el orden aleatorizado de ejecución. El polímero se distribuye homogéneamente a través de la muestra agitando el tubo inmediatamente después de añadir el polímero, lo que también garantizará que los resultados de floculación sean reproducibles. El método puede modificarse fácilmente para probar combinaciones de floculantes o la adición repetida del mismo floculante.

Pero esto debe implementarse en el diseño de experimentos (DoE). La formación de flocs generalmente requiere un tiempo de incubación de tres a 30 minutos. Es necesario ajustarse a los tiempos de incubación definidos en el diseño de experimentos (DoE) para obtener resultados reproducibles.

Se puede utilizar ya sea la velocidad de sedimentación de los flocs o la turbidez de los filtrados y las capacidades del filtro para evaluar el rendimiento del floculante. También es importante confirmar que los polímeros no interfieran con productos como las proteínas. Una vez confirmada la calidad de los datos, la información puede transferirse al software DoE.

Los datos experimentales se analizan utilizando las herramientas integradas en el software de DoE, incluidas la transformación de datos, la selección de factores y las herramientas de control de calidad. Además de utilizar estas herramientas, el modelo final también debe coincidir con las leyes básicas de la física y la termodinámica. Una vez confirmada la calidad del modelo, este puede utilizarse para predecir las condiciones óptimas para la floculación.

Según las predicciones del modelo, el espacio de diseño puede reducirse a la región más relevante, para la cual puede establecerse un nuevo diseño de experimentos (DoE), repitiendo el procedimiento descrito anteriormente. Los resultados pueden luego confirmarse a escala piloto o de producción. En este estudio representativo, se evaluó el rendimiento de 23 floculantes sintéticos diferentes y cuatro naturales en cuanto a su capacidad para flocular extractos de hojas de tabaco mediante un enfoque de diseño de experimentos (DoE).

Teniendo en cuenta parámetros específicos del polímero, como la concentración y el tipo de polímero, así como también parámetros del proceso, como el tiempo de incubación, la temperatura, el pH del tampón y la conductividad. Con la secuencia de cuatro diseños IV-óptimos anidados, que incluyeron un total de aproximadamente 200 alícuotas de extracto de 20 mL, descubrimos que Polymin P fue el floculante más eficaz para extractos de tabaco en el rango de pH de cuatro a ocho, siempre que la temperatura estuviera entre cuatro y 30 grados Celsius. Un tiempo de incubación de 15 minutos fue suficiente para la floculación, pero la eficacia disminuyó a conductividades superiores a 40 mS por cm.

Sin embargo, el enfoque de diseño de experimentos (DoE) mostró que Catiofast VSH era complementario a Polymin P, logrando una floculación efectiva a conductividades superiores a 40 mS por cm. Cuando estos floculantes se introdujeron en el procesamiento posterior de extractos de tabaco, la capacidad de los filtros de profundidad empleados aumentó entre 3,2 y 5,7 veces, reduciendo en consecuencia el costo de los productos para esta etapa. Confirmamos que los floculantes no redujeron la recuperación de proteínas diana, incluyendo un anticuerpo monoclonal, una proteína fluorescente, una lectina y diferentes candidatos a vacunas.

Las condiciones óptimas de floculación también se confirmaron en un lote piloto de 100 L. Los resultados del diseño de experimentos (DoE) también se transfirieron con éxito a extractos de tabaco preparados con una prensa de tornillo en lugar de un homogeneizador basado en cuchillas, lo que subraya la amplia aplicabilidad de la información obtenida. También adaptamos el método para probar combinaciones de floculantes, que funcionaron igual de bien.

Después de ver este video, debería comprender cómo configurar experimentos de floculación para extractos vegetales utilizando un enfoque de diseño de experimentos (DoE).