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SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE
BIOPRODUTOS - EQE735
Teoria, prática e perspectivas de espalhamento de raios-x e
nêutrons para caracterizações de biomassa lignocelulósicas.
Mestrando: Leilivan Pimentel
Docente: Prof.DSc. DSc. Amaro Gomes Barreto Júnior
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Pós-Graduação em Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos - EQ/UFRJ
5 de novembro de 2020
SEPARAÇÃO E
PURIFICAÇÃO
DE
BIOPRODUTOS
- EQE735
Mestrando:
Leilivan
Pimentel
Docente:
Prof.DSc. DSc.
Amaro Gomes
Barreto Júnior
INTRODUÇÃO
Wide and small
angle
scattering
CONCLUSÃO
INTRODUÇÃO
I Celulose, lignina e hemiceluloses são os principais componentes das paredes
celulares da madeira. A celulose, parcialmente cristalina, confere à madeira
sua resistência e rigidez (VAINIO et al., 2004).
I A lignocelulose geralmente consiste em 40-50% de celulose, 25-30% de
hemiceluloses e 15-20% de lignina e outros componentes extraíveis.
I A celulose é um polímero linear de glicose unidos por ligações glicosídicas
β-(1->4),
I A hemiceluloses são um heteropolímero ramificado de D-xilose, L-arabinose,
D-manose, D-glicose, D-galactose e ácido D-glucurônico.
I A lignina é um copolímero aleatório de três unidades monoméricas de
fenilpropano diferentes, ou seja, álcool sinapílico, álcool coniferílico e álcool
para-cumarílico (CHENG et al., 2015).
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INTRODUÇÃO
Wide and small
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CONCLUSÃO
INTRODUÇÃO
Fonte:Tribot et al. (2019).
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INTRODUÇÃO
Wide and small
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CONCLUSÃO
INTRODUÇÃO
I Complexa, heteropolimérica, tridimensional, amorfa, com ligações cruzadas e
cadeia ramificada (PARK et al., 2018);
I Protolignina é predominantemente linear e composta de repetições de
unidades envolvendo majoritariamente ligações intermoleculares β − O − 4
(PARK et al., 2018).
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INTRODUÇÃO
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CONCLUSÃO
INTRODUÇÃO
I As são obtidas por diferentes processos e podem ser classificadas em:
I Lignina Kraft (KL),
I Lignina de soda,
I Lignosulfonatos (LS),
I Ligninas Organosolve (OS),
I Lignina de explosão a vapor e
I Lignina de hidrólise enzimática(EHL).
I Cada uma das classes de lignina está associada a mudanças específicas na
estrutura e propriedades químicas (BEISL; MILTNER; FRIEDL, 2017).
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CONCLUSÃO
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INTRODUÇÃO
Wide and small
angle
scattering
CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
I O espalhamento de baixo ângulo (SAS) é subutilizado para caracterização de
biomassa;
I WAS inclui WAXS e espalhamento de nêutrons de ângulo amplo (WANS)
I SAS inclui SAXS e espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS)
.
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INTRODUÇÃO
Wide and small
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CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
I O WAS mede estruturas de tamanhos da ordem de 0,1 nm;
I SAS mede estruturas da ordem de 1 nm a 100 nm;
I USAXS e USANS estendem as escalas de comprimento medidas para 1000
nm.
Em comparação com o espalhamento de raios-X, o espalhamento de nêutrons
causa pouco ou nenhum dano de radiação e, o mais importante, tem a capacidade
de destacar uma estrutura particular em amostras de biomassa usando variação de
contraste.
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CONCLUSÃO
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WAS, a estrutura sob investigação é o arranjo periódico de átomos em cristais. A
forma da rede, também chamada de fator de rede, gera reflexos sob um ângulo de
espalhamento distinto e em uma direção distinta. A relação entre o ângulo de
espalhamento e a forma da rede pode ser entendida em termos da lei de Bragg
(eq.1):
sinθ = γd (1)
onde 2θ é o ângulo de espalhamento e γ é o comprimento de onda do raio-x ou
feixe de nêutrons. A distância d representa o período de repetição na estrutura ou
o espaçamento entre os planos cristalográficos (BEISL; MILTNER; FRIEDL,
2017).
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CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
Figura: Espectro WAXS de Avicel e celulose regenerada.
Fonte:Cheng et al. (2015)
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Wide and small
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CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
I Em contraste com o WAS, a técnica do SAS é usada para estudar estruturas
de tamanho na ordem de 1 a mais de 100 nm.
I E A relação entre o ângulo de espalhamento e o tamanho das estruturas
medidas também pode ser entendida em termos da lei de Bragg.
I A distância d, tamanho das estruturas, é inversamente proporcional ao
ângulo de espalhamento 2θ.
Figura: Regiões do perfil SAXS e dados que podem ser extraído.
Fonte:Boldon, Laliberte e Liu (2015).
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Wide and small
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CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
I SAS detecta a estrutura na escala nanométrica apenas se houver contraste
suficiente entre a estrutura e a mídia circundante.
I A intensidade SAS da radiação espalhada pela parede celular da planta pode
ser escrita como eq.2:
I Onde q é o vetor de onda do feixe espalhado e está relacionado ao ângulo de
espalhamento 2θ e comprimento de onda por q = 4πsinθ/λ. O contraste de
espalhamento é dado por ρbiopolimero − ρmatrix sendo que ρ representa a
densidade de elétrons em experimentos de espalhamento de raios-x e a
densidade de comprimento de espalhamento (SLD) em experimentos de
espalhamento de nêutrons. O SLD é obtido como a soma dos comprimentos
de espalhamento, b, para todos os átomos em um volume arbitrário, V,
dividido pelo volume (BOLDON; LALIBERTE; LIU, 2015).
I(q) = Io(ρbiopolimero − ρmatrix )2 |
∫
v
exp(iqr)d3r |2 (2)
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Wide and small
angle
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CONCLUSÃO
Wide and small angle scatterings
I O espalhamento de estruturas porosas é tipicamente caracterizado pelo
espalhamento dependente da lei de potência, que pode ser analisado por duas
abordagens diferentes.
I Para um sistema bifásico ideal (tendo uma interface nítida), a lei de Porod
prevê que I(q) diminui com q4 para q grande. A constante de
proporcionalidade, B, está relacionada à área de superfície específica, S, e
I(q) por eq.3:
I(q) = 2π(∆ρ)
2S
q4 =
B
q4 (3)
Onde ∆ρ é o contraste de espalhamento. I(q) está em uma escala absoluta. Este
método pode ser aplicado a qualquer sistema bifásico com uma interface suave.
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