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 conseguido através da criação de um projeto experimental para identificar os polímeros e parâmetros mais eficazes que controlam a agregação dessas partículas dispersas. A segunda etapa define o fluxo de trabalho, que corresponde às operações unitárias usadas em uma aplicação em grande escala.

Em seguida, extratos de folhas são preparados para floculantes sob várias condições e analisados para medir a turbidez e a recuperação do produto. Os resultados mostram as condições ideais de floculação e polímeros com base em uma avaliação do modelo de design de experimentos, que encurtamos para DoE. A principal vantagem desta técnica em comparação com a clarificação tradicional usando apenas filtração em profundidade é que a capacidade do filtro pode ser aumentada várias vezes, reduzindo os custos gerais do processo.

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

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

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

O volume da alíquota deve ser pequeno o suficiente para permitir um alto rendimento da amostra. O desempenho do equipamento de laboratório deve estar correlacionado com o dos dispositivos em escala de processo. As plantas são cultivadas de uma maneira que representa o processo final.

E todas as utilidades são preparadas antes de iniciar os experimentos de extração e floculação. As soluções-mãe de floculante são preparadas cuidadosamente, tendo em conta qualquer pré-diluição pelo fabricante. A escolha da mesma concentração de material para todos os floculantes simplifica a pipetagem subsequente, reduzindo a probabilidade de erros.

Os componentes tampão, pH e condutividade para cada solução reserva de floculante fresco são preparados para corresponder às condições dos extratos. O esquema DoE é convertido em um esquema de pipetagem que estabelece os volumes de soluções de estoque a serem adicionados às amostras de extrato vegetal. As amostras de extrato vegetal são preparadas a partir de folhas de tabaco colhidas usando os tampões que correspondem às condições a serem testadas no DoE.

Enquanto agita o extrato, são preparadas alíquotas correspondentes ao volume pré-definido. Isso garantirá uma distribuição homogênea de partículas em todas as amostras. Adiciona-se tampão de extracção a cada alíquota de modo a que cada amostra tenha o mesmo volume após a adição de um estoque de floculante.

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

Mas isso deve ser implementado no DoE. A formação de flocos normalmente requer de três a 30 minutos de tempo de incubação. Aderir aos tempos de incubação definidos no DoE é necessário para obter resultados reprodutíveis.

Tanto a velocidade de sedimentação dos flocos quanto a turbidez dos filtrados e as capacidades do filtro podem ser usadas para avaliar o desempenho do floculante. Confirmar que os polímeros não interferem em produtos como proteínas também é importante. Uma vez confirmada a qualidade dos dados, as informações podem ser transferidas para o software DoE.

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

Com base nas previsões do modelo, o espaço de design pode ser reduzido à região mais relevante para a qual um novo DoE pode ser configurado, repetindo o procedimento descrito anteriormente. Os resultados podem então ser confirmados na 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 usando uma abordagem DoE.

Levando em consideração parâmetros específicos do polímero, como concentração e tipo de polímero, mas também parâmetros do processo, como tempo de incubação, temperatura, pH do tampão e condutividade. Com a sequência de quatro experimentos IV-ótimos aninhados, incluindo um total de cerca de 200 alíquotas de extrato de 20 mL, descobrimos que o Polymin P era 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 DoE mostrou que o Catiofast VSH foi complementar ao Polymin P, alcançando floculação efetiva 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 implantados aumentou de 3,2 a 5,7 vezes, reduzindo o custo dos produtos para esta etapa de acordo. Confirmamos que os floculantes não reduziram a recuperação de proteínas-alvo, incluindo um anticorpo monoclonal, uma proteína de fluorescência, uma lactina e diferentes candidatos a vacinas.

As condições ideais de floculação também foram confirmadas em um lote de escala piloto de 100 L. Os resultados do DoE também foram transferidos com sucesso para extratos de tabaco preparados com uma prensa de rosca em vez de um homogeneizador baseado em lâmina, destacando o quão amplamente aplicáveis as informações coletadas podem ser. Também adaptamos o método para testar combinações de floculantes que funcionaram igualmente bem.

Depois de assistir a este vídeo, você deve entender como configurar experimentos de floculação para extratos de plantas usando uma abordagem DoE.