Extração e purificação de 2,3-butanodiol utilizando sistemas aquosos bifásicos e processos de separação por membranas

Abstract

O 2,3-butanodiol (2,3-BDO) é um composto versátil, utilizado na indústria de alimentos, química e farmacêutica. O interesse na produção biotecnológica do 2,3-BDO é crescente e o Brasil tem uma posição estratégica dentro desse contexto, pois possui biomassa em abundância gerada pela agroindústria. O processo dowstream do 2,3-BDO é uma tarefa desafiadora devido à complexidade do meio fermentado e as propriedades físico-químicas do 2,3-BDO. Com base no exposto o objetivo desse trabalho foi propor um processo de extração e purificação para o 2,3-BDO. Pela primeira vez estudou-se a viabilidade da extração do 2,3-BDO em sistema aquoso bifásico (SAB) formado por PEG-sal e posterior purificação utilizando processos de separação por membranas. Para investigar o desempenho da extração do 2,3-BDO no SAB foi analisado se o tipo de sal (citrato de sódio, sulfato de amônio e fosfato de potássio), a massa molar do PEG 4000 e 6000 Da e as concentrações desses constituintes mudariam os valores do coeficiente de partição (K) e da recuperação do 2,3-BDO (YT %) no sistema. Os resultados obtidos nesse estudo evidenciaram que a extração de moléculas no SAB é um fenômeno complexo. Vários fatores contribuíram para a extração do 2,3-BDO, entre eles o poder de solvatação do sal, a concentração dos constituintes no sistema e a menor massa molar do PEG 4000 que possivelmente interferiram na viscosidade das fases e consequentemente na transferência de massa do 2,3-BDO no sistema. A melhor condição para a extração do 2,3-BDO foi no SAB constituído por 36,22 % (m/m) de PEG 4000 e 4,47 % (m/m) de fosfato de potássio, a recuperação chegou a 94,2 % ± 0,31 e coeficiente de partição foi expressivo 2,37 ± 0,04. Para a etapa seguinte, de purificação do 2,3-BDO extraído no SAB foram selecionadas três membranas, a NP010, UH004 e BW30. A membrana NP010 foi identificada como a mais adequada para a etapa de separação pois apresentou alta rejeição ao PEG 4000, 87,0 %. A membrana BW30, utilizada na etapa de concentração do 2,3-BDO também apresentou um bom desempenho, pois além de apresentar uma alta seletividade, exibiu fluxo permeado praticamente constante ao longo do tempo. Por fim, com este estudo foi possível concluir a associação do SAB com a tecnologia de separação por membranas é uma proposta promissora de processo downstream do 2,3-BDO, uma vez que ambas operações unitárias apresentaram resultados efetivos dentro das aplicações propostas por esse trabalho.

Abstract: The 2,3-Butanediol (2,3-BDO) is a versatile compound used in the food, chemical, and pharmaceutical industry. The interest in the biotechnological production of 2,3-BDO is growing. Brazil has a strategic position within this context, as it has abundant biomass generated by agribusiness. The 2,3-BDO downstream process is a challenging task due to the complexity of the fermented medium and some physicochemical properties of 2,3-BDO. The objective of this work was to propose an extraction and purification process for 2,3-BDO. Thus an integrated process comprising an aqueous two-phase system (ATPS) and membrane separation processes has been studied for the first time. The feasibility of the extraction was investigated through the partition coefficient (K) and recovery (YT %) of 2,3-BDO by varying some parameters of the system, such as the phase-forming salts (sodium citrate, ammonium sulfate, and potassium phosphate), the molar mass of the poly(ethylene) glycol (PEG 4000 and 6000Da) and the concentrations of these constituents of the ATPS. The results showed that the extraction of molecules in the ATPS is a complex phenomenon, and the solvation ability of the salt, the concentration of constituents in the system, and the molar mass of PEG on the extraction of 2,3-BDO have effects on the extraction. The highest values of the 2,3-BDO extraction were obtained in ATPS based on PEG 4000 36.22% (w / w) and potassium phosphate 4.47% (w / w), for which the recovery reached 94,2% ± 0.31, and partition coefficient was 2.37 ± 0.04 (137%). Three commercial membranes were selected, UH004, NP010 e BW30 for the purification step of 2,3-BDO extracted in the ATPS. The NP010 membrane was identified as the most suitable for the separation step because presenting high rejection to PEG 4000, 87.0%. The BW30 membrane exhibited a high selectivity, good permeate flow, which did not suffer a significant reduction over time in the 2,3-BDO concentration step. In this study, it was possible to conclude that an integrated process comprising of an aqueous two-phase system (ATPS) and membrane separation processes proved efficient in 2.3-BDO downstream process.