Separation and purification of galactoolisaccharides by nanofiltration

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Andrea Limoeiro CarvalhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Galacto-oligossacarídeos (GOS) são oligossacarídeos não digeríveis que apresentam propriedades prebióticas, pois auxiliam na proliferação de bifidobactérias no cólon. Os GOS podem ser obtidos pela reação de transgalactosilação da galactose catalisada pela enzima ?-galactosidase a partir de substratos ricos em lactose. Neste processo, as misturas de açúcares obtidas após a síntese contêm além dos GOS, mono- e dissacarídeos residuais. Portanto, uma alternativa interessante para aumentar a participação dos GOS no mercado de alimentos funcionais e também incrementar seu valor comercial é sua separação dos demais açúcares. Para tal finalidade, os processos de separação por membranas de nanofiltração podem ser empregados. Estes apresentam vantagens em relação aos processos cromatográficos como a economia de energia e a simplicidade de operação e de ampliação de escala. Deste modo, o objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para purificação de GOS utilizando membranas de nanofiltração. A partir de uma solução modelo contendo GOS, lactose, glicose e galactose, as membranas de nanofiltração NP010 e NP030 constituídas de polietersulfonas com massa molecular de corte de 1000 e 400 Da, respectivamente, e as membranas Desal 5-DK, Desal 5-DL e Desal 5-HL ambas constituídas de poliamidas aromáticas com massa molecular de corte de 150-300 Da foram utilizadas em um sistema de escala laboratorial que simula um processo de filtração tangencial na pressão de 3 MPa a 30°C. A membrana NP030 foi selecionada, pois apresentou nestas condições o maior fator de purificação (FP) de 1,68±0,06, diferindo-se estatisticamente das demais membranas testadas. Após a etapa de seleção, foi conduzido um delineamento composto 22, com faces centradas e tréplicas nos pontos centrais, totalizando 11 ensaios, variando a pressão de operação do sistema (2 a 4 MPa) e a temperatura do processo (15 a 55°C). A pressão de 3 MPa e a temperatura de 35°C resultaram nos maiores valores de FP (>1,77). Em seguida, um processo de diafiltração descontínua foi realizado com a finalidade de aumentar a pureza da solução retida e verificou-se que após a 1º etapa de diafiltração o valor de FP (~1,87) manteve-se constante até o 4º ciclo de diafiltração. As análises das micrografias obtidas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostram que a membrana NP030 apresenta deposições de solutos e adesão de micro-organismos na superfície filtrante após sua utilização e lavagem com água, indicando a necessidade de um controle das incrustações e do biofouling para sua reutilização. As micrografias obtidas através de MEV do suporte da membrana indicaram uma possível compactação física. Como etapa subsequente, foi realizada uma validação industrial do processo, utilizando uma unidade piloto de filtração de fluxo tangencial com um módulo espiral da membrana NP030. Foi possível observar que a solução final retida apresentou após 3900 s um valor de FP de 2,55 e uma recuperação de GOS de 97,82%. Foi possível identificar os mecanismos de incrustações dos poros através dos valores dos coeficientes cinéticos de adsorção e pode-se concluir que as incrustações da galactose e da glicose correspondem a um modelo padrão de bloqueio dos poros, enquanto que para os GOS e a lactose a um modelo de bloqueio parcial. Foi estimado o tamanho médio dos poros de permeção da membrana NP030, sendo possível afimar que a probabilidade dos poros de permeação da membrana estarem contidos no intervalo entre 1,94-3,47 nm é de 68,2%. Com estes resultados, pode-se afirmar que as membranas de nanofiltração podem ser utilizadas como uma etapa inicial na purificação dos GOS obtidos através de síntese enzimática. Para obtenção de uma solução com pureza comercial, outras técnicas de purificação deveram ser aplicadas após a nanofiltraçãoAbstract: Galactooligosaccharides (GOS) are oligosaccharides that present non-digestible prebiotic properties because they assist in the proliferation of bifidobacteria in the human colon. GOS may be obtained by the transgalactosylation reaction of galactose catalyzed by the ?- galactosidase enzyme from substrates rich in lactose. In this process the mixtures of sugars obtained after synthesis contain not only GOS, but also mono-and disaccharide residues. Thus, an interesting alternative to increase the participation of GOS in the functional foods market and also enhance its commercial value is its separation from other sugars. For this purpose, separation processes utilizing nanofiltration membranes may be employed. These processes have advantages over chromatographic processes including energy saving and simplicity of operation and scale increase. The objective of this study was therefore to develop a methodology for purification of GOS using nanofiltration membranes. From a solution containing GOS, lactose, glucose and galactose, the nanofiltration membranes NP010 and NP030, composed of polyethersulfones with molecular weight cut-offs of 1000 Da and 400, respectively, as well as the membranes Desal 5-DK, Desal 5-DL and Desal 5-HL made of aromatic polyamides with molecular mass cut-offs of 150-300 Da were used in a system that simulates a laboratory scale cross-flow filtration process at a pressure of 3 MPa at 30°C. The NP030 membrane was selected because at these conditions it presented the highest purification factor (PF) of 1.68±0.06, statistically different from the other membranes tested. After the selection step, a compound 22 design was conducted with centered faces and triplicate of the central points, totaling 11 assays, varying the operating pressure of the system (2 to 4 MPa) and the process temperature (15 to 55°C). The pressure of 3 MPa and temperature of 35°C resulted in the highest PF values (>1.77). Then a discontinuous diafiltration process was carried out in order to increase the purity of the retained solution, where it was found that after the 1st diafiltration step the PF (~1.87) remained constant until the 4th diafiltration step. Analyses of the micrographs obtained by scanning electron microscopy (SEM) showed that membrane NP030 presents deposits of solutes and adhesion of microorganisms on the filter surface after use and washing with water, indicating the need for control of fouling and biofouling for reuse. The SEM micrographs of the membrane support indicated a possible physical compaction. In a subsequent step, an industrial validation of the process was performed using a pilot tangential flow filtration unit with a model NP030 spiral membrane. It was observed that the final solution retained after 3900 s presented a PF value of 2.55 and a recovery of 97.82% GOS. It was possible to identify the fouling mechanisms of the pores using values of the kinetic adsorption coefficients and it could be concluded that galactose and glucose fouling corresponded to a standard blocking model of the pores, while for lactose and GOS a partial blocking model. The average pore size of the NP030 membrane was estimated, thus it was possible to affirm the probability of the membrane permeation pores in the interval between 1.94-3.47 nm, which was 68.2%. Based on these results, nanofiltration membranes may be used as an initial step in purification of GOS obtained by enzymatic synthesis. To obtain a solution with commercial purity, other purification techniques should be applied after nanofiltrationMestradoEngenharia de AlimentosMestre em Engenharia de Alimento