Separação de glicose, frutose, oligossacarídeos e dextranas utilizando zeólitas

Abstract

Dextrana-sacarase de Leuconostoc mesenteroids pode produzir, a partir de sacarose, dextrana na ausência de receptores, e oligossacarídeos na presença de maltose ou outros açucares como aceptores, tendo como subproduto a frutose. Entre as diversas cepas produtoras, Leuconostoc mesenteroids NRRL B-512F é mais estudada. O valor comercial destes produtos aumenta com a pureza, tornando interessante a sua recuperação e purificação. Para tal, técnicas cromotográficas de separação são aplicadas, em que zeólitas aluminosicatos cristalinos com elementos dos grupos IA e IIA, podem ser utilizadas como adsorventes. A zeólita de partida (forma sódica), Baylith WE-894, foi caracterizada, determinando sua composição, área superficial, tamanho e distribuição de poros e densidade. Zeólitas modificadas por troca Iônica com diferentes cátions de compensação (Ba²+, Ca²+, Sr²+ e K) foram obtidas, determinando os dados de equilíbrio para adsorção e seletividade da adsorção de frutose, bem como a descrição do equilíbrio da adsorção com modelos de isortemas, com íons Ba²+, com os dados ajustando-se melhor ao modelo linear. Esta zeólita apresentou alta capacidade de adsorção de frutose (K = 0,82), superior ao esperado para resinas de troca iônica, e baixa adsorção de glicose (K - 0,12). O comportamento da adsorção em coluna de leito fixo foi estudado, por análise frontal e respostas a pulsos cromatográficos, utilizando misturas de glicose e frutose. Foi possível confirmar a melhora do processo pela troca iônica, ao comparar-se com a zeólita de partida, tanto em termos de tempo de ruptura de análise frontal como em eficiência de separação nos perfis de eluição obtidos pela injeção de um pulso. O leito de zeólitas, foi caracterizado, determinando sua porosidade e as propriedades da zeólita modificada, incluindo composição e distribuição de tamanho de partícula. Foi avaliada a separação de misturas sintéticas em coluna de leito fixo (glicose-frutose e dextrana-frutose), verificando a influência dos parâmetros temperatura, concentração de componentes, relação entre o volume injetado na coluna e o volume da coluna (Vp/Vc), velocidade superficial e peso molecular da dextrana na eficiência de separação dos componentes, utilizando a análise de sensibilidade. A temperatura mostrou efeito pronunciado na separação de glicose-frutose, tendo um aumento desta melhorado a eficiência de separação. Já na separação de dextrana-frutose, temperatura e volume injetado mostraram um efeito pronunciado, sendo o peso molecular da dextrana também um importante fator a ser considerado no processo. Os melhores resultados na separação de glicose e frutose foram obtidos a 40ºC, 20 g/L de cada componente, velocidade superficial de 0,127 cm/mim (vazão de 0,1 mL/min) e Vp/Vc igual a 0,1 com uma eficiência de separação de 1,94. Na separação de dextrana-frutose os melhores resultados foram obtidos nas mesmas condições anteriores e um peso molecular de 9300 (menor valor utilizado), com eficiência de separação de 2,72. Em ambos os casos de separação, as eficiências de separação obtidas puderam ser consideradas elevadas, sobretudo no caso da separação dextrana-frutose, com valores muito superiores aos encontrados para resinas de troca iônica. Também foi estudada a separação dos produtos de reação obtidos pela ação da enzima dextrana-sacarase sobre sacarose na ausência e presença de aceptores, em coluna de leito fixo, a 40º C, Vp/Vc igual 0,1 e vazão de 0,1 mL/min, tendo-se obtido resultados promissores, sendo que o peso molecular dos produtos de síntese e sua concentração mostraram-se fatores importantes a serem considerados. Os parâmetros de equilíbrio, cinéticos e de transporte de frutose, glicose e dextrana 9300 em coluna de leito fixo a 40ºC foram determinados, calculando-se o coeficiente de partição foram 0,71 para frutose, 0,31 para glicose, com seletividade de 2,33; e 0,13 para dextrana 9300, com seletividade de 5,46. Com relação à dispersão axial esta mostrou-se dependente da velocidade intersticial. Os valores para difusividade efetiva foram 1,02.10-6 cm²/min para frutose, 5,59.10-7 cm²/min para glicose e 7,79.10-8 cm²/min para dextrana 9300.

Dextransucrase from leuconostoc mesenteroides synthesizes dextran from sucrose in the absence of aceptors, and oligosaccharides with maltose or other sugars as aceptors. Frutose is also produced as a by-product. Among several producer strains Leuconostoc mesenteroids NRRL B-512F is the most studied. The commercial value of these products increases with the purity. Therefore, it is interesting to recover and purify the products, using chromatographic techniques of separation. Zeolites, crystalline aluminosilicates with elements of the groups IA and IIA can be used as adsorbetns. No modified zeolite (sodium form), Baylith WE-894, was cgaracterized, an composition, superficial area, pore size distribution and density were determined. Modified zeolite by ion exchanging with different introduced cations (Ba²+, Ca²+, Sr²+ and K+) was obtained and its equilibrium data for pure fructose and gllucose adsorption in finite bath were evaluanet. The incluence of introduced cation on the adsorption capactity and selectivity in the fructose adsoption, as well as the description of the adsorption equilibrium through adequate isotherm model were studied. The best results were obtained with the zeolite changed with barium ions, whose data fitted well a linear model. This zeolite presented high fructose adsoption capacity (K = 0,82), higher than ion exchange resins according to the literatura, and low glucose adsorption capacity (K = 0,12). The adsorption in fixed bed column was studied, using both frontal analysis and pulse response techniques, with glucose-frutose mixtures. Modified zeólita was shown to be more efficient compared to the no-modifed zeolite (sodium form), in terms of breakthhrough time and separtion effiiency. The porosity of the zeolite, including composition and particle size distruibution, were determined. The separation of synthetic mixtures (glucose-fructose and dextran-fructose) in fixed bed column was evaluated. The influence of parameters such as temperature, of parameters such as temperature, components concetration, injected volume to column volume (Vp/Vc) ratio, superficial velocity and molecular weight in the separation efficiency was studied. The temperature has show to be the most significant parameter in the glucose-fructose separation. An incease on it leads to the improvement of the separtion efficiency. in the separation of dextran and fructose, the effect of temperature and injected volume has shown to be significant, whereas the molecular weight of the dextran was considered an important factor in the process. The best results in the separation of glucose and fructose were obtained at ºC, 20 g/L of each component, supercial velocity of 0.127 cm/min (flow rate of 0.1 mL/in) and Vp/Vc of 0.1, with a separation efficiency of 1.94. In the dextran-fructose separation the best results were obtained in the same previous conditions and with a dextran molecular weight of 9300, with a separation efficiency of 2,72. In both cases, the separation efficiencies were better than the ondes with ion exchange resins. Also, the separation of the products of dextransucrase action on sucrose, in the absence and presence of aceptors (glucose and maltose), was studied, leading to intesting result. The molecular weight and product concentration are important factos to be considered. The equilibrium, kinetic and transport parameterrs of fructose, glucose and dextran 9300 in fixed bed column at 40ºC were estimated and shown to be satisfactory. The values for the partition coefficients were 0.71 for frutose, 0.31 for glucose, with selectivity were 1.02.10-6 cm²/min for fructose, 5.59.10-7 cm²/min for glucose e 7.79.10-8 m²/min for dextran 9300.