Procedimento para avaliar a eficiência de floculantes para a Remoção de partículas dispersas de extractos de plantas

O objetivo geral do experimento a seguir é identificar floculantes que possam melhorar a remoção de partículas dispersas de extratos vegetais. Isso é alcançado mediante a elaboração de um delineamento experimental para identificar os polímeros mais eficazes e os parâmetros que controlam a agregação dessas partículas dispersas. O segundo passo define o fluxo de trabalho, que corresponde às operações unitárias utilizadas em uma aplicação em larga escala.

Em seguida, extratos de folhas são preparados como floculantes sob diversas condições e analisados para medir a turbidez e a recuperação do produto. Os resultados mostram as condições ótimas de floculação e os polímeros com base na avaliação de um modelo de planejamento de experimentos, que abreviamos como DoE. A principal vantagem desta técnica em comparação com a clarificação tradicional usando somente filtração em profundidade é que a capacidade do filtro pode ser aumentada várias vezes, reduzindo os custos totais do processo.

A floculação pode aumentar o diâmetro efetivo das partículas e facilitar sua remoção por centrifugação ou filtração. Portanto, os parâmetros do processo ambiental relevantes para o procedimento de floculação devem ser identificados primeiro. Normalmente, existem vários desses parâmetros.

Portanto, uma abordagem de DoE é apropriada dada a falta de modelos mecanicistas. O DoE é configurado selecionando parâmetros com base em dados da literatura e conhecimento prévio. Parâmetros típicos incluem tempo de incubação, bem como tipo e concentração de polímero.

Os resultados experimentais utilizados para avaliar a eficiência da floculação, como a filtrabilidade, também são definidos antes do experimento. Essas informações são então inseridas em um planejamento experimental (DoE) apropriado ao número de fatores a serem investigados e ao grau de conhecimento já acumulado sobre o sistema. Um fluxo de trabalho é desenvolvido para abranger todas as etapas relevantes para a floculação e o processamento em escala laboratorial de extratos vegetais.

O volume da alíquota deve ser pequeno o suficiente para permitir alto rendimento na amostragem. O desempenho dos equipamentos de laboratório deve se correlacionar com o dos dispositivos em escala de processo. As plantas são cultivadas de maneira que represente o processo final.

E todas as utilidades são preparadas antes de iniciar os experimentos de extração e floculação. As soluções estoque de floculantes são preparadas cuidadosamente, levando em consideração qualquer pré-diluição feita pelo fabricante. Escolher a mesma concentração estoque para todos os floculantes simplifica as etapas subsequentes de pipetagem, reduzindo a probabilidade de erros.

Os componentes do tampão, pH e condutividade de cada solução estoque fresca de floculante são preparados para corresponder às condições dos extratos. O planejamento experimental (DoE) é convertido em um esquema de pipetagem que especifica os volumes das soluções estoque a serem adicionados às amostras de extrato vegetal. As amostras de extrato vegetal são preparadas a partir de folhas de tabaco colhidas, utilizando tampões que correspondem às condições a serem testadas no DoE.

Enquanto se agita o extrato, são preparadas alíquotas com volume pré-definido. Isso garantirá distribuição homogênea das partículas em todas as amostras. Tampão de extração é adicionado a cada alíquota de modo que todas as amostras tenham o mesmo volume após a adição do estoque de floculante.

O volume da solução estoque definido no DoE é adicionado à amostra sequencialmente, conforme indicado pela ordem aleatória de execução. O polímero é distribuído homogeneamente por toda a amostra agitando-se o tubo imediatamente após a adição do polímero, o que também garantirá a reprodutibilidade dos resultados de floculação. O método pode ser facilmente modificado para testar combinações de floculantes ou a adição repetida do mesmo floculante.

Mas isso deve ser implementado no planejamento de experimentos (DoE). A formação de flocos geralmente requer um tempo de incubação de três a 30 minutos. É necessário seguir os tempos de incubation definidos no DoE para obter resultados reprodutíveis.

A velocidade de sedimentação dos flocos ou a turbidez dos filtrados e as capacidades dos filtros podem ser utilizadas para avaliar o desempenho do floculante. Também é importante confirmar que os polímeros não interferem em produtos como proteínas. Uma vez confirmada a qualidade dos dados, as informações podem ser transferidas para o software de planejamento de experimentos (DoE).

Os dados experimentais são analisados utilizando as ferramentas integradas ao software de DoE, incluindo transformação de dados, seleção de fatores e ferramentas de controle de qualidade. Além de usar essas ferramentas, o modelo final também deve estar de acordo com as leis básicas da física e da termodinâmica. Uma vez confirmada a qualidade do modelo, ele pode ser usado para prever as condições ótimas para a floculação.

Com base nas previsões do modelo, o espaço de projeto pode ser reduzido à região mais relevante, para a qual um novo planejamento de experimentos (DoE) pode ser estabelecido, repetindo o procedimento descrito anteriormente. Os resultados podem então ser confirmados em escala piloto ou de produção. Neste estudo representativo, o desempenho de 23 floculantes sintéticos diferentes e quatro naturais foi testado quanto à sua capacidade de flocular extratos de folhas de tabaco utilizando uma abordagem de DoE.

Levando em consideração parâmetros específicos do polímero, como concentração e tipo de polímero, bem como parâmetros do processo, como tempo de incubação, temperatura, pH e condutividade do tampão. Com a sequência de quatro delineamentos IV-ótimos aninhados, incluindo um total de cerca de 200 alíquotas de 20 mL de extrato, descobrimos que o Polymin P foi o floculante mais eficaz para extratos de tabaco na faixa de pH de quatro a oito, desde que a temperatura estivesse entre quatro e 30 graus Celsius. Um tempo de incubação de 15 minutos foi suficiente para a floculação, mas a eficácia diminuiu em condutividades superiores a 40 mS por cm.

No entanto, a abordagem de DoE mostrou que o Catiofast VSH era complementar ao Polymin P, alcançando uma floculação eficaz em condutividades superiores a 40 mS por cm. Quando esses floculantes foram introduzidos no processamento a jusante de extratos de tabaco, a capacidade dos filtros de profundidade utilizados aumentou de 3,2 a 5,7 vezes, reduzindo proporcionalmente o custo dos produtos nesta etapa. Confirmamos que os floculantes não reduziram a recuperação de proteínas-alvo, incluindo um anticorpo monoclonal, uma proteína fluorescente, uma lectina e diferentes candidatos a vacinas.

As condições ideais de floculação também foram confirmadas em uma batelada em escala piloto de 100 L. Os resultados do delineamento experimental (DoE) também foram transferidos com sucesso para extratos de tabaco preparados com prensa helicoidal, em vez de homogeneizador baseado em lâminas, destacando a ampla aplicabilidade das informações obtidas. Também adaptamos o método para testar combinações de floculantes, que apresentaram eficácia semelhante.

Após assistir a este vídeo, você deverá compreender como montar experimentos de floculação para extratos vegetais utilizando uma abordagem de DoE.