RESUMO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS DE PURIFICAÇÃO DE METABOLITOS

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUIMICA
ENGENHARIA BIOQUÍMICA
RESUMO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS DE PURIFICAÇÃO DE METABOLITOS
MANAUS
2017
Marco Antônio Alcântara Rocha – 21453438
RESUMO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS DE PURIFICAÇÃO DE METABOLITOS
Trabalho apresentado na disciplina eng. Bioquímica, orientado pelo professor, Paulo Simonet para a aquisição da nota parcial do período 2017/2
MANAUS 
2017
Considerações Iniciais
Este trabalho tem como objetivo resumir determinados processos industriais de purificação de metabolitos requeridos na disciplina de Engenharia Bioquímica orientada pelo professor Paulo Simonet. Com intuito de assimilar o conteúdo e maior aprendizado na disciplina. Realizado através de uma pesquisa de textos acadêmicos e de informação de sites.
Os metabolitos são um produto do metabolismo de moléculas capazes de produzir, degradar e transformar diversas substancias, geradas através de rotas de reações chamadas de rotas metabólicas. Podendo ser utilizados na indústria em diversas aplicações como antibióticos na indústria farmacêutica, além de fragrâncias, sabor, tintura, pigmentos, inseticidas e aditivos de alimento com aplicações na agricultura e na indústria. Logo, necessitam de processos de fabricação e purificação, para que possam ser utilizados na indústria.
Os processos industriais de purificação de metabolitos consistem em obter somente o produto desejado de determinado metabolismo, ou seja, retirar a maior parte de impurezas, contaminantes e subprodutos. Que não serão utilizados na indústria, a fim de obter um metabolito com um alto rendimento. Logo, as propriedades desse metabolito surtiram maior efeito em concentrações menores e terão menos distúrbios ou problemas causados pelos contaminantes presentes anteriormente. Utilizando uma combinação de técnicas que exploram as diferentes propriedades do metabolito alvo para isolá-lo dos demais.
Fundamentação Teórica
Esse trabalho irá abordar alguns desses processos de purificação em escala industrial, são as cromatografias por afinidade, fase reversa, troca iônica, interação hidrofóbica e contracorrente, que é uma técnica que utiliza solubilidade, tamanho e massa, em processos de separação-purificação de misturas, através da distribuição desses componentes em uma fase estacionaria e outra fase móvel, com a retenção e liberação da molécula-alvo em um determinado período de tempo para a separação da molécula-alvo.
Utiliza-se uma matriz com grupos químicos adequados e suficientes de modo a que o ligando esteja acoplado e fixo, que seja estável durante a ligação da macromolécula de interesse e sua retirada e com fraca interação com outras macromoléculas e boas propriedades de fluxo. Com ligandos de natureza química determinadas de acordo com composto que será purificado e braços espaçadores entre a matriz e os ligandos.
Outros processos de purificação são a nano e ultrafiltração, que conseguem através da filtração por membrana, separar partículas microscópicas. A extração de óleo por arraste de vapor é mais um processo de purificação, que se baseia como o próprio nome diz na utilização do vapor na retirada de óleo. Por último, a partição líquido-líquido, utiliza a diferença de solubilidade dos componentes para purificação por meio de solventes.
Cromatografia por afinidade.
A cromatografia por afinidade é uma técnica que utiliza propriedades físico químicas para separação dos componentes da mistura, envolvendo a ligação covalente de um reagente (fase móvel), chamado de ligante de afinidade, com um suporte (fase estacionária). Esse ligante de afinidade pode ser vários metabolitos, como anticorpos, enzimas, substratos, etc. Enquanto o suporte é um sólido como a agarose ou microesferas de vidro que possuem a capacidade de se ligar com o reagente requerido no processo.
Assim, quando o reagente que se quer purificar em determinada amostra passa pela fase estacionária, fica retido nesse suporte por possuir uma afinidade pela fase estacionário, enquanto os outros reagentes da amostra passam adiante no processo e são descartados. Fazendo com que a fase móvel fique retida na fase estacionária purificada por meio de suas capacidades de reagirem, ou seja, sua afinidade. Para retirada desse reagente purificado utiliza-se uma substância que reage com a fase estacionária e remove a fase móvel do suporte ou utilizando uma mudança de pH no processo. Obtendo a substância requerida purificada ao final do processo, a partir dessa cromatografia que tem como vantagem o alto poder de seletividade.
Cromatografia em fase reversa.
A cromatografia em fase reversa tem como base nas forças de repulsão de fases com polaridades diferentes. Para que haja a purificação do metabolito por uma fase estacionária apolar e fase móvel polar, sendo assim o inverso da cromatografia normal, com a fase estacionário polar e móvel apolar.
Assim, os componentes de caráter polar da amostra são retirados do processo mais rapidamente, enquanto seu restante permanece. Assim, o metabolito contido na amostra fica retido na fase estacionária por interação apolar, enquanto seus contaminantes polares são retirados por repulsão. Podendo ser retirado do processo o metabolito, pela adição de um solvente apolar, adição de sais que alteram a tensão superficial ou então é variação de pH, que afeta a interação do composto com a fase estacionário a partir da neutralização do composto.
Vale ressaltar que por se basear na purificação por um solvente orgânico, pode ocorrer uma desnaturação do metabolito, uma vez que em contato como o solvente, a sua estrutura 3D pode ser comprometida.
Cromatografia por troca iônica.
Esse processo envolve a purificação de moléculas com base em sua carga, ocorrendo troca de íons entre um corpo sólido insolúvel (resina) por onde passa uma solução (amostra) contendo os íons a separar, possuindo dois tipos, troca de aníon, onde a fase estacionária se mantém positiva, retirando moléculas negativas e troca de cátion, em que a fase estacionária permanece negativa, purificando moléculas positivas.
O processo parte da utilização de uma amostra com a substância requerida com carga contrária a resina utilizada, essa amostra ao passar pela resina, em determinado pH para que possa ionizar o metabolito requerido, liga por interação iônica as moléculas com íons contrários a resina, enquanto as outras moléculas não interagem e são descartadas no processo. 
Após a interação dos íons da amostra com a resina, é utilizado um solvente no processo para liberar o metabolito requerido da resina. Ou então, varia o pH do processo para que não ocorra mais interação resina-metabolito requerido, e o mesmo seja retirado do sistema e possa der utilizado purificado. Após isso, as proteínas e as impurezas indesejáveis são lavadas da resina, para que o processo possa ser refeito.
Os metabolitos geralmente retirados no processo são os polipeptídios, proteínas e ácidos nucleicos. Possui uma alta capacidade, simplicidade e principalmente uma alta resolução. Sendo utilizado industrialmente em processos de fermentação, variação de alimentos, analise de qualidade e outros.
Cromatografia por interação hidrofóbica.
A cromatografia hidrofóbica se baseia nas propriedades hidrofóbicas do metabolito que se deseja purificar, a partir de uma interação reversível entre a superfície hidrofóbica do metabolito que deseja ser purificado e a fase estacionária hidrofóbica.
Essa interação hidrofóbica pode ocorrer por temperatura, concentração de sal ou pH:
Por aumento de temperatura, ocorre um aumento de energia cinética, aumentando as interações hidrofóbicas da proteína com a superfície da fase estacionária. Com a diminuição da temperatura elas deixam de interagir e são retiradas do processo.
Por concentração de sal, as proteínas são mantidas no suporte em altas concentrações de sal e retiradascom a diminuição desse sal.
Por pH, ocorre uma interação em determinado pH e com a alteração desse pH, ocorre a retirada das proteínas requeridas.
Esse processo possui como vantagem uma rápida separação, baixa degradação do produto, baixa exigência de solventes e altos níveis de purificação. 
Cromatografia contracorrente.
A cromatografia contracorrente é um processo de cromatografia de partição liquido-liquido, ou seja, utiliza dois líquidos imiscíveis (que não se misturam) sendo um como fase móvel e outro como fase estacionária. Então é distribuído o soluto nas fases de acordo com o coeficiente de partição. Sendo que esse coeficiente de partição é a relação entre as concentrações das moléculas de interesse no líquido mais denso e menos denso no equilíbrio. Assim, é colocado a amostra nessa mistura, enquanto o metabolito requerido é miscível em determinado líquido, os seus contaminantes são miscíveis no outro, após a extração do metabolito por solvente é obtido o metabolito purificado. Geralmente é utilizado extração múltipla para maior eficiência do processo.
É uma técnica com vantagens como a versatilidade de solventes, quantidades e tipos de amostras, rapidez, eficiência, boa resolução, entre outros. É muito utilizado na separação de produtos naturais por não utilizar suporte, sendo assim reversível e não degradando o produto final, além de permitir uma grande quantidade de amostra sem purificações prévias, baixo consumo de solventes e recuperação da amostra. 
A cromatografia contracorrente possui três tipos: a cromatografia contracorrente de gotículas, que utiliza a passagem de gotas da fase móvel para a fase estacionária, utilizando mais de dois solventes. a cromatografia contracorrente de rotação locular rotacional, que utiliza 16 colunas de vidro em determinada rotação e a cromatografia contracorrente de centrifuga de partição espiral ou de cartucho, que a fase estacionaria é mantida por força centrípeta enquanto a fase móvel é bombeada a alta velocidade.
Nano e ultrafiltração.
Os processos de nano e ultrafiltração fazem parte de processos de separação por membranas que são os mais utilizados para purificação de bioprodutos, a partir da diferença de pressão como força motriz. São processos similares a uma filtração normal com membranas sintéticas que selecionam o conteúdo que passa por elas. Assim, para cada natureza, tipo de soluto e presença ou não de partículas em suspenção, é utilizado membranas com distribuição de poros e tamanhos adequados.
Na nanofiltração a membrana é capaz de reter partículas com dimensões de até 10-8 metros, as partículas nessa escala são de moléculas com a média da massa molar e é utilizada no abrandamento de água dispensando a necessidade da utilização de sal, descoloração e eliminação de micropoluentes. Porém, possui um rendimento menor de retenção de partículas do que o processo de osmose reversa.
Enquanto a ultrafiltração, utiliza membranas microporosas anisotrópicas, com diâmetro de poros entre 1 e 500nm, maiores que a nanofiltração, sendo capaz de reter apenas partículas maiores até macromoléculas em solução e permeável aos outros solutos menores, porém retendo mais partículas comparada a microfiltração. A ultrafiltração é bastante utilizado na purificação de enzimas e proteínas.
Extração de óleo por arraste a vapor.
Para a extração de óleo essencial é necessário uma preparação e trituração do material, para que haja uma maior superfície de contato entre o óleo produzido pelas células vegetais e o vapor que irá arrastar esse óleo. Após a preparação, o vapor de água produzido por uma caldeira arrasta o óleo e subprodutos das células vegetais, por meio de um choque térmico causado pelo vapor que vaporiza o óleo e seus contaminantes, para um condensador que resfria esse vapor que vira uma mistura liquida de óleo, contaminantes e água. Assim, o óleo essencial produzido por meio desse método é imiscível na água, realizando uma decantação para separação dessas duas fases, e a mistura restante é separada através das diferenças de polaridade e densidades dessas substâncias, em um vaso separador.
Partição líquido – líquido. 
Consiste no mesmo processo da cromatografia contracorrente, porém com uma purificação de baixa resolução, ou seja, não utiliza os mecanismos de cromatografia, sendo apenas o processo mais simples de purificação liquido-liquido.
Utiliza dois líquidos imiscíveis, normalmente água e um solvente orgânico, em que a substância requerida terá preferência em se dissolver, podendo ser retirado por um funil de separação. É utilizado em produção de compostos orgânicos finos, processamento de perfumes, minérios e outros.
Possui como vantagens a realização a temperatura ambiente, utilização de solventes seletivos e com alta extração, e evita a desnaturação de enzimas e proteínas pelo controle de pH, forças iônicas e temperatura. Entretanto, gera produtos intermediários, necessitando de mais processos de separação na purificação do metabolito e regeneração dos líquidos.
 
Considerações Finais
Nesse trabalho, foi analisado os processos industriais de purificação de metabolitos, havendo uma separação desses processos em cromatografias com o princípio de retenção e liberação do metabolito, através da fase móvel e estacionaria, para que haja uma separação do metabolito e liberação do mesmo de forma purificada. Havendo vários tipos de cromatografias diferentes analisadas, com suas determinadas peculiaridades e aplicações.
Outro processo analisado foi a purificação por arraste de vapor, que se baseia na vaporização do óleo pelo vapor para purificação de metabolitos de células vegetais. Foi visto também a purificação por nano e ultrafiltração baseadas na retidão de impurezas por membranas e por último a partição liquido-liquido, que se baseia na solubilidade do metabolito em líquidos imiscíveis, purificando-o de suas impurezas.
Desse modo, foi analisado que existe uma grande variação de processos de purificação industriais, porém o que deve ser analisado para seu uso é o grau de pureza, custo, maquinário necessário, reversibilidade do processo, resolução e quantidade utilizada. Tudo isso deve ser visto para que se tenha uma aplicação com uma alta eficiência e menor custo na indústria.
Referências
COLLINS G. L; Introdução a métodos de cromatografia. Ed. 7, UNICAMP, Campinas, SP. 1997.
SKOOG; WEST; HOLLER; COLLINS; fundamentos de química analítica. ed. 8; Thomson, São Paulo, 2006.
Purificação de produtos Biotecnológicos. Disponível em: <https://pt.slideshare.net/EvaneideFerreira/purificacaodeprodutosbiotecnologicos3> Acesso em: 29/10/2017.
Purificação de proteínas. Disponível em: <http://graduacao.iqsc.usp.br/files/Aula05BioqI-PurProteinas.pdf> Acesso em: 28/10/2017.
Cromatografia por afinidade. Disponível em: <https://pt.scribd.com/doc/114746078/Cromatografia-Por-Afinidade> Acesso em: 28 / 10 / 2017. 
Cromatografia por afinidade. Disponível em: <www.prac.ufpb.br/anais/IXEnex/iniciacao/documentos/.../5.../5CCENDBMMT02.pdf> Acesso em: 28 / 10 / 2017. 
Cromatografia por interação hidrofóbica. Disponível em: <https://docslide.com.br/documents/cromatografia-de-interacao-hidrofobica-e-cromatografia-por-afinidade.html > Acesso em: 28/10/2017.
Óleos essenciais. Disponível em: <http://www.oleosessenciais.org/metodos-de-extracao-de-oleos-essenciais/> Acesso em: 29/10/2017.
Cromatografia contracorrente. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010040422005000600009> Acesso em: 29/10/2017.