Adsorption of food dyes onto chitosan: Optimization process and kinetic

Adsorption of food dyes acid blue 9 and food yellow 3 onto chitosan was optimized. Chitosan was obtained from shrimp wastes and characterized.Afull factorial design was used to analyze the effects of pH, stirring rate and contact time in adsorption capacity. In the optimal conditions, adsorption kinetics was studied and the experimental data were fitted with three kinetic models. The produced chitosan showed good characteristics for dye adsorption. The optimal conditions were: pH 3, 150rpm and 60 min for acid blue 9 and pH 3, 50rpm and 60 min for food yellow 3. In these conditions, the adsorption capacities values were 210mgg−1 and 295mgg−1 for acid blue 9 and food yellow 3, respectively. The Elovich kinetic model was the best fit for experimental data and it showed the chemical nature of dyes adsorption onto chitosan.

Avaliação da hidrólise alcalina da quitina e elaboração de filmes de quitosana para aplicação na adsorção do corante têxtil reativo preto 5

Nesta pesquisa, diferentes amostras de quitosana foram produzidas por diferentes condições de hidrólise alcalina da quitina. A partir das amostras de quitosana foram produzidos filmes,sendo estes aplicados na adsorção do corante têxtil reativo preto 5 e os resultados foram comparados com os dos seus respectivos pós. Os valores das massas molares da quitosana aumentaram em função do aumento do diâmetro da quitina e diminuíram com o aumento da relação de solução NaOH:quitina, da concentração de NaOH e tempo de reação, e ficaram na faixa de 100 a 200 kDa. Um comportamento inverso foi observado para o grau de desacetilação da quitosana, e seus valores variaram de 65 a 95%. Quanto aos filmes biopoliméricos elaborados, os que apresentaram melhores valores quanto as suas propriedades mecânicas e de permeabilidade ao vapor de água foram os filmes produzidos com quitosana de mais elevada massa molar e menor grau de desacetilação. A fim de avaliar o comportamento dos filmes em processos de adsorção, estes foram aplicados na remoção do corante reativo preto 5 (RB5) em diferentes condições de pH (4, 6 e 8). Após, foram escolhidos quatro filmes de quitosana (FQ), com diferentes graus de desacetilação e massas molares, que foram comparados com as quitosanas na forma de pó (PQ) no estudo de adsorção. Este foi realizado sob diversas condições experimentais (pH, temperatura e taxa de agitação) através das isotermas de equilíbrio, da termodinâmica e da cinética. Análises de interação e ciclos de adsorção-dessorção também foram realizados. Verificou-se que PQ e FQ com grau de desacetilação de 95% e massa molar de 100 kDa foram os adsorvente mais adequados, apresentando mais de 99% de remoção do corante RB5 em pH 4,0. Para ambos, PQ e FQ, o modelo de Langmuir foi o mais adequado para representar os dados de equilíbrio. As capacidades máximas de adsorção foram 654,3 e 589,5 mg g-1 para PQ e FQ, respectivamente, obtidos a 298 K. O processo de adsorção foi espontâneo, favorável e exotérmico. A adsorção de RB5 para PQ e FQ seguiu o modelo cinético de Elovich,e ocorreram interações eletrostáticas do PQ-RB5 e do FQ-RB5. Os filmes de quitosana foram reutilizados três vezes, enquanto que a quitosana em pó não pode ser reutilizada.

Purificação, modelagem e simulação da adsorção de bioprodutos por troca iônica em coluna de leito expandido

A produção de proteínas através de microrganismos tornou-se uma técnica muito importante na obtenção de compostos de interesse da indústria farmacêutica e alimentícia. Extratos brutos nos quais as proteínas são obtidas são geralmente complexos, contendo sólidos e células em suspensão. Usualmente, para uso industrial destes compostos, é necessário obtê-los puros, para garantir a sua atuação sem interferência. Um método que vem recebendo destaque especialmente nos últimos 10 anos é o uso da cromatografia de troca iônica em leito expandido, que combina em uma única etapa os passos de clarificação, concentração e purificação da molécula alvo, reduzindo assim o tempo de operação e também os custos com equipamentos para realização de cada etapa em separado. Combinado a este fato, a última década também é marcada por trabalhos que tratam da modelagem matemática do processo de adsorção de proteínas em resinas. Está técnica, além de fornecer informações importantes sobre o processo de adsorção, também é de grande valia na otimização da etapa de adsorção, uma vez que permite que simulações sejam feitas, sem a necessidade de gasto de tempo e material com experimentos em bancada, especialmente se é desejado uma ampliação de escala. Dessa forma, o objetivo desta tese foi realizar a modelagem e simulação do processo de adsorção de bioprodutos em um caldo bruto na presença de células, usando inulinase e C-ficocianina como objeto de estudo e purificar C-ficocianina utilizando resina de troca iônica em leito expandido. A presente tese foi então dividida em quatro artigos. O primeiro artigo teve como objeto de estudo a enzima inulinase, e a otimização da etapa de adsorção desta enzima em resina de troca iônica Streamline SP, em leito expandido, foi feita através da modelagem matemática e simulação das curvas de ruptura em três diferentes graus de expansão (GE). As máximas eficiências foram observadas quando utilizadas maiores concentrações de inulinase (120 a 170 U/mL), e altura de leito entre 20 e 30 cm. O grau de expansão de 3,0 vezes foi considerado o melhor, uma vez que a produtividade foi consideravelmente superior. O segundo artigo apresenta o estudo das condições de adsorção de C-ficocianina em resina de troca iônica, onde foi verificado o efeito do pH e temperatura na adsorção e após construída a isoterma de adsorção. A isoterma de adsorção da C-ficocianina em resina Streamline Q XL feita em pH 7,5 e a 25°C (ambiente), apresentou um bom ajuste ao modelo de Langmuir (R=0,98) e os valores qm (capacidade máxima de adsorção) e Kd (constante de equilíbrio) estimados pela equação linearizada da isoterma, foram de 26,7 mg/mL e 0,067mg/mL. O terceiro artigo aborda a modelagem do processo de adsorção de extrato não clarificado de C-ficocianina em resina de troca iônica Streamline Q XL em coluna de leito expandido. Três curvas de ruptura foram feitas em diferentes graus de expansão (2,0, 2,5 e 3,0). A condição de adsorção de extrato bruto não clarificado de C-ficocianina que se mostrou mais vantajosa, por apresentar maior capacidade de adsorção, é quando se alimenta o extrato até atingir 10% de saturação da resina, em grau de expansão 2,0, com uma altura inicial de leito de 30 cm. O último artigo originado nesta tese foi sobre a purificação de C-ficocianina através da cromatografia de troca iônica em leito expandido. Uma vez que a adsorção já havia sido estudada no artigo 2, o artigo 4 enfoca na otimização das condições de eluição, visando obter um produto com máxima pureza e recuperação. A pureza é dada pela razão entre a absorbância a 620 nm pela absorbância a 280 nm, e dizse que quando C-ficocianina apresenta pureza superior a 0,7 ela pode ser usada em como corante em alimentos. A avaliação das curvas de contorno indicou que a faixa de trabalho deve ser em pH ao redor de 6,5 e volumes de eluição próximos a 150 mL. Tais condições combinadas a uma etapa de pré-eluição com 0,1M de NaCl, permitiu obter C-ficocianina com pureza de 2,9, concentração 3 mg/mL, e recuperação ao redor de 70%.

Modelagem aplicada ao processo de biofixação de CO2 por microalgas

A fixação biológica de dióxido de carbono por microalgas é considerada a melhor forma de fixar CO2. Dentre os microrganismos utilizados destaca-se Spirulina platensis devido às suas altas taxas de fixação de CO2 e variedade de aplicações da biomassa gerada. A aplicação de modelos e simulações pode auxiliar na previsão de custos e na escolha das condições ideais de cultivo. Este trabalho teve como objetivo etsabelecer um modelo cinético no qual a iluminância é o fator limitante para o crescimento da microalga Spirulina platensis. A fim de validar o modelo proposto foi utilizada a microalga S. platensis, cultivada em meio Zarrouk modificado (NaHCO3 1,0 g.L-1 ), em biorreator aberto tipo raceway de 200L, mantido a 30°C, sob iluminação natural. A concentração celular variou de 0,19 a 0,34 g.L-1 e a velocidade específica de crescimento celular obtida a partir da regressão exponencial das curvas de crescimento de cada período iluminado variou de 0,55 a 0,59 d-1 . O modelo proposto gerou dados estimados satisfatórios (r2 =0,97). De acordo com os dados obtidos 16,2% da biomassa é consumida durante o período não iluminado.

Chitosan scaffold as an alternative adsorbent for the removal of hazardous food dyes from aqueous solutions

Hypothesis: The dye adsorption with chitosan is considered an eco-friendly alternative technology in relation to the existing water treatment technologies. However, the application of chitosan for dyes removal is limited, due to its low surface area and porosity. Then we prepared a chitosan scaffold with a megaporous structure as an alternative adsorbent to remove food dyes from solutions. Experiments: The chitosan scaffold was characterized by infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and structural characteristics. The potential of chitosan scaffold to remove five food dyes from solutions was investigated by equilibrium isotherms and thermodynamic study. The scaffold–dyes interactions were elucidated, and desorption studies were carried out. Findings: The chitosan scaffold presented pore sizes from 50 to 200 lm, porosity of 92.2 ± 1.2% and specific surface area of 1135 ± 2 m2 g 1. The two-step Langmuir model was suitable to represent the equilibrium data. The adsorption was spontaneous, favorable, exothermic and enthalpy-controlled process. Electrostatic interactions occurred between chitosan scaffold and dyes. Desorption was possible with NaOH solution (0.10 mol L 1). The chitosan megaporous scaffold showed good structural characteristics and high adsorption capacities (788–3316 mg g 1).

Remoção de corantes alimentícios em sistema aquoso binário utilizando quitosana modificada com cianoguanidina como adsorvente

Os estudos de adsorção de corantes alimentícios de soluções aquosas geralmente estão voltados para a remoção de um corante específico, porém, as misturas binárias são mais realistas para simular efluentes industriais. A adsorção de corantes com quitosana é considerada uma tecnologia alternativa eco amigável, e quando a estrutura da quitosana é modificada quimicamente, resulta em um adsorvente mais adequado. A reticulação da quitosana com cianoguanidina apresenta vantagens, como melhoria na estabilidade em soluções ácidas e diminuição do custo do adsorvente. Nesta pesquisa, o objetivo do trabalho foi modificar a quitosana com cianoguanidina para remoção de corantes alimentícios em sistema aquoso binário. A fim de verificar o comportamento dos adsorventes na operação de adsorção, foram preparadas amostras de quitosana com diferentes graus de desacetilação (75%, 85% e 95%), e após, foram realizadas modificações destas amostras com cianoguanidina. Os adsorventes foram caracterizados e aplicados para a adsorção de azul indigotina e amarelo tatrazina em sistema aquoso binário e em sistema simples. O efeito do pH e do grau de desacetilação foram verificados para a remoção dos corantes por quitosana com e sem modificação em sistema simples e binário. Curvas de equilíbrio foram obtidas em diferentes temperaturas e o modelo estendido de Langmuir foi ajustado aos dados experimentais. O comportamento cinético foi avaliado através dos modelos pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e Avrami. Os parâmetros termodinâmicos foram determinados e estudos de dessorção do adsorvente foram realizados. O pH mais adequado foi 3, e o melhor grau de desacetilação foi 95% para ambos os sistemas aquosos e adsorbatos. As capacidades de adsorção da quitosana sem e com modificação não apresentaram diferença significativa. O modelo de Langmuir estendido apresentou ajuste adequado às curvas de equilíbrio e as máximas capacidades de adsorção foram 595,3 e 680,0 mg g-1, obtidas à 25ºC, para o os corantes azul indigotina e amarelo tatrazina, respectivamente. O modelo de Avrami foi o que melhor se ajustou aos dados cinéticos de adsorção. A dessorção do adsorvente foi possível por dois ciclos, mantendo sua capacidade de adsorção em 209,7 mg g-1 no primeiro ciclo e 200,2 mg g-1 no segundo ciclo. A quitosana modificada com cianoguanidina apresentou-se como um adsorvente promissor para a remoção de corantes alimentícios em sistema binário.

Secagem convectiva da microalga spirulina platensis: avaliação das propriedades físicas e bioquímicas

O objetivo no presente estudo foi investigar a operação de secagem da microalga Spirulina platensis em camada delgada através da modelagem matemática e otimização da operação, avaliando as características do produto final através de análises físico-químicas. Foram analisados os dados da umidade de equilíbrio para a isoterma de adsorção a 10, 20 e 30°C e de dessorção a 40, 50 e 60°C, através dos modelos de GAB e BET. O calor isostérico foi determinado pela aplicação da equação de Clausius-Clapeyron. O modelo de GAB apresentou melhor ajuste aos dados experimentais. Os valores da área superficial calculados pelos modelos de GAB e BET foram próximos. O calor isostérico e a entropia diferencial da isoterma de dessorção apresentaram comportamento similar. A teoria da compensação entalpia-entropia foi aplicada nas isotermas, indicando que são controladas pela entalpia. A cinética de secagem foi analisada na faixa de temperatura de 50-70°C, através dos modelos de Lewis, Henderson e Pabis, Henderson, Page e Overhults. O modelo de Henderson e Pabis foi escolhido por apresentar maior significado físico para estimar o valor de difusividade efetiva (Def), sendo os valores encontrados na faixa de 5,54 - 6,60×10-11 m 2 /s, para as temperaturas de 50 e 60°C, respectivamente, e de 1,58×10-10 m2 /s para a temperatura de 70°C. A energia de ativação apresentou um valor de 47,9 kJ/mol. A secagem alterou a cor quando comparada ao material in natura. A secagem foi otimizada na faixa de espessuras e temperaturas do ar de secagem de 3-7 mm e de 50-70ºC, respectivamente, através da metodologia de superfície de resposta para ácido tiobarbitúrico (TBA) e perda de ficocianina no produto final. A melhor condição de secagem foi a 55°C e a 3,7 mm, apresentando uma perda de ficocianina de aproximadamente 37% e valor de TBA de 1,5 mgMDA/kgamostra. Nesta condição de secagem, a composição de ácidos graxos da microalga Spirulina não apresentou diferença significativa (P > 0,05) em relação a microalga in natura.