Obtenção e análise da sericina de alta massa molar mediante extração aquosa e ultrafiltração e a avaliação do seu potencial biossortivo

Orientadora : Profª Drª Agnes de Paula ScheerOrientador : Prof. Dr. Marcelino Luis GimenesTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa: Curitiba, 06/12/2013Inclui referênciasResumo: A sericina é uma proteína hidrofílica constituinte do casulo do bicho-da-seda que, durante o processo de degomagem da seda, é descartada como resíduo industrial. Entretanto, possui em sua composição grande parcela de aminoácidos polares que podem ser utilizados no desenvolvimento de biomateriais e produtos de alto valor agregado. Este trabalho apresenta o estudo da obtenção da sericina de alta massa molar por meio de extração aquosa e fracionamento por ultrafiltração; e a avaliação do potencial da sericina como biossorvente aplicado ao tratamento do corante sintético Bordeaux S e de cobre. Os processos de extração foram conduzidos variando a temperatura (80 °C e 120 °C), concentração de Na2CO3 (0 e 0,5 %). Foram avaliados o perfil de aminoácido e o comportamento reológico das soluções obtidas durante a extração em meio aquoso. Soluções contendo sericina obtida pela extração aquosa a 120 °C foram processadas em ultrafiltração com membranas de polissulfona de retenção nominal de 50 kDa em reciclo total, batelada, diafiltração e batelada associada a retrolavagem. As variáveis do processo que influenciam no fluxo de permeado foram avaliadas por meio de operação em reciclo total Do processo em batelada, foram estimados os mecanismos resistivos e mensuradas as perdas de massa por acúmulo na membrana. Sericina em pó, obtida mediante extração aquosa e desnaturação a frio foi utilizada como biossorvente para remoção de corante sintético Bordeaux S e do íon metálico de cobre. A biossorção do corante sintético foi conduzida em batelada, avaliando o pH, as cinéticas e processos de equilíbrio nas temperaturas de 20, 30 e 40 °C. A biossorção de íons cobre foi conduzida em batelada, avaliando o pH, as cinéticas e processo de equilíbrio nas temperaturas de 20, 40 e 60 °C. A extração da sericina por meio aquoso possibilitou um rendimento de extração de 23,99 ± 0,96 % a 120 °C e o perfil de massa molar obtida apresentou distribuição com predominância na faixa de 100 a 200 kDa; enquanto a extração com Na2CO3 proporcionou rendimento de extração de 30,04 ± 0,83 % com distribuição de massa molar inferior a 100 kDa. A reologia das soluções aquosas de sericina sugere comportamento pseudoplástico com aumento da viscosidade ao longo do tempo até agregação da sericina na forma de gel forte. O perfil de aminoácidos apresentou composição majoritária de aminoácidos polares, contendo serina (21,56 %), ácido aspártico (14,0 %), arginina (11,95 %), e glicina (23,2 %). O processo de ultrafiltração promoveu a remoção de sericina de baixa massa molar na corrente de permeado, entretanto, observou-se queda de fluxo da ordem de 90 %. O processo de batelada associada à retrolavagem permitiu a recuperação parcial de fluxo, entre 20 % a 24 % por ciclo. O mecanismo de bloqueio de poros predominante no processo de batelada foi o de bloqueio parcial de poros. As perdas de massa de sericina devido à retenção na membrana foram da ordem de 78,8 % e 81,4 % do montante presente na batelada; nas concentrações iniciais de sericina de 1,0 g L-1 e 3,0 g L-1, respectivamente. A sericina desnaturada mediante processo de congelamento e descongelamento apresentou morfologia não porosa e área superficial média de 18,52 m² g-1. O processo de biossorção de corante Bordeaux S ocorre em pH inferior a 3,5. A capacidade de biossorção obtida para sericina variou entre 192,03 ± 2,46 a 214,06 ± 2,46 mg g-1, para as temperaturas entre 20 e 40 °C. A partir da análise termodinâmica, constatou-se que o processo de biossorção do corante Bordeaux S com a sericina é espontâneo, com energia de Gibbs variando entre -14,19 a -13,46 kJ mol-1; exotérmico e de natureza física com a entalpia de -0,27 kJ mol-1; e processo sem a mudança conformacional, com entropia estimada em 46,12 J mol-1 K-1. O processo de biossorção de cobre foi favorável para pH acima do ponto isoiônico (entre 3,2 e 3,3), com a capacidade de biossorção entre 15,72 ± 0,42 a 21,77 ± 0,22 mg g-1, para temperaturas entre 20 e 60 °C. A partir da análise termodinâmica, constatou-se que o processo de biossorção de cobre com a sericina é espontâneo, com energia de Gibbs variando entre -6,31 a -3,45 kJ mol-1; exotérmico e de natureza química com entalpia de -27,80 kJ mol-1; e processo com aumento do grau de ordenação da superfície ocasionado pela complexação do cobre nos aminoácidos polares, com entropia estimada em -70,48 J mol-1 K-1. O modelo cinético e de equilíbrio com melhores capacidades preditivas para a biossorção do corante Bordeaux S e do cobre foram os modelos de pseudo-segunda ordem e a isoterma de Langmuir, respectivamente.Abstract: Sericin is a hydrophilic protein, constituent of the silkworm cocoon that is removed through a degumming treatment of silk and regarded as waste. However, in its composition has large portion of polar amino acids that can be used in the development of biomaterials and products with high value. The objective of this study was to obtain sericin with high molecular weight by aqueous extraction process and ultrafiltration and to evaluate the sericin potential as biosorbent applied to water treatment of synthetic dye Bordeaux S and copper. The extraction process was done varying temperature between 80 and 120 °C, and Na2CO3 concentration between 0 and 0.5 g L-1. The amino acids profile and rheological behavior of aqueous solution of sericin solution were determinate. Aqueous solutions of sericin, obtained at 120 °C, were treated in ultrafiltration system with polysulfone membrane with nominal retention of 50 kDa in the different operation modes: batch, diafiltration and batch with back flushing. The processes variables which influence the permeate flux were evaluated by total recycling mode operation. From the batch mode operation, were evaluated the resistive mechanisms of permeate flux and loss of sericin due the membrane retention. Sericin powder, obtained from aqueous extraction and cold denaturation, was use as biosorbent to remove Bordeaux S synthetic dye and copper from wastewater. To the biosorption of the synthetic dye was studied the effect of pH at 20°C, kinetics and equilibrium at 20, 30 and 40 °C, while to the biosorption of cooper was studied the effect of pH at 20°C, kinetics and equilibrium at 20, 40 and 60 °C. Hot water extraction process of sericin showed yield of 23.99 ± 0.96 % at 120 °C and predominant molecular weight distribution between 100 at 200 kDa, while the extraction process with Na2CO3 showed yield of 30.04 ± 0.83 % a 120 °C and molecular weight distribution lower than 100 kDa. The aqueous sericin solutions showed pseudoplastic behavior, with viscosity increase over time until the formation of a strong gel structure. The amino acids composition showed high concentration of polar amino acids, with serin (21.56 %), aspartic acid (14.0 %), arginine (11.95 %) and glycine (23.2 %). Ultrafiltration process promoted the removal of sericin of low molecular weight by the permeate stream, however, was observed a decrease of permeate flux up to 90%. The batch operation mode with backflushing allowed the partial recovery of the permeate flux, between 24% and 20% per cleaning cycle. The predominant blocking pore mechanism in batch operation mode was the partial pore blocking and the loss of sericin due the membrane retention were estimated in up to 78.8 and 81.4 % of the initial amount of sericin in batch, for the treatment of sericin solutions with concentration of 1.0 and 3.0 g L-1, respectively. The sericin powder obtained by freezing and thawing processes showed nonporous morphology and average surface area of 18.52 m² g-1. The biosorption of Bordeaux S dye in sericin powder occurs into pH below 3.5. The maximum amount of Bordeaux S adsorbed in sericin ranged from 192.03 ± 2.46 to 214.06 ± 2.46 mg g-1, for temperatures ranging between 20 and 40 °C. By thermodynamics analysis, the process of Bordeaux S biosorption in sericin powder was spontaneous, with evaluated range Gibbs energy from -14.19 to -13.46 kJ mol-1; exothermal process and physical interactions, with enthalpy of -0.27 kJ mol-1; and process without significant conformational change, with entropy estimated at +46.12 kJ mol-1 K-1. The biosorption of copper ions in sericin was favorable only into pH above the isoionic point (pH between 3.2 and 3.35) with the amount of cooper adsorbed range from 15.72 ± 0.42 to 21.77 ± 0.22 mg g-1, at temperatures between 20 and 60 °C. According with thermodynamics analysis, the copper biosorption is a spontaneous process, with Gibbs energy variation between - 6.31 to -3.45 kJ mol-1; exothermic process and chemical interaction, with enthalpy of - 27.8 kJ mol-1; and process with significant change in superficial conformation due the complex bond between the polar amino acids and metal, with entropy estimated at - 70.48 kJ mol-1 K-1. The best fit model to kinetic and equilibrium data for Bordeaux S and copper adsorptions was the pseudo-second-order and Langmuir isotherm, respectively