Study of the solid-liquid equilibrium of systems containing amino acids and proteins.

A modelagem termodinâmica do equilíbrio sólido-líquido de sistemas que contêm aminoácidos e proteínas tem sido cada vez mais necessária para o desenvolvimento de equações que permitam um projeto mais racional e eficiente das operações unitárias encontradas nos processos de purificação destas moléculas, tais como a precipitação e a cristalização. Neste trabalho, é apresentada uma relação unívoca entre a solubilidade de proteínas e o pH; sendo necessários como parâmetros apenas informações sobre a estrutura primária e os valores das constantes de ionização de cada resíduo na cadeia protéica, considerando os diferentes estados de ionização que a proteína assume em solução. Esta relação foi aplicada a sistemas de insulina suína a três diferentes temperaturas, a sistemas de insulinas mutantes e a sistemas de b-lactoglobulina a diferentes concentrações de cloreto de sódio, resultando em uma bem sucedida correlação dos dados experimentais de solubilidade destes sistemas. Estudou-se também a não-idealidade de sistemas contendo aminoácidos, partindo de considerações sobre diferentes estados de ionização da molécula assim como feito para proteínas, mas adicionando um termo de não-idealidade, neste caso, um termo advindo do modelo de Pitzer para soluções eletrolíticas. Os sistemas, cujas curvas de solubilidade em função do pH foram estudadas, são: DL-Alanina, DL-Metionina, L-Isoleucina, L-Leucina, DL-Fenilalanina, também glicina e seus oligopeptídeos e moléculas com grupos b-lactâmicos tais como a ampicilina, que é um antibiótico, e o ácido 6-aminopenicilânico, que é um precursor na rota de produção da ampicilina. Uma interpretação através de termodinâmica estatística para o parâmetro de interação de Pitzer permitiu uma análise mais profunda dos resultados. Relações entre o segundo coeficiente virial osmótico, a solubilidade de proteínas e a concentração de agente precipitante foram desenvolvidas e aplicadas a sistemas de lisozima, ovalbumina e imunoglobulina humana. Os resultados desta aplicação mostraram quão profícua é a abordagem empregada.The thermodynamic modeling of solid-liquid equilibrium of systems containing amino acids and proteins has become increasingly necessary for a more rational and efficient design of unit operations found in the downstream processing of these molecules, such as precipitation and crystallization. In this work, an unequivocal relationship between the protein solubility and the pH is presented. The resulting equation accounts for the different ionization states that protein molecules may assume in solution, and is written as a function of the primary structure and values of the ionization constant of each residue in the protein chain. The model was applied to the solid-liquid equilibrium of porcine insulin solutions at three different temperatures, solutions of mutant insulin molecules and solutions of b-lactoglobulin at different sodium chloride concentrations. A very successful correlation of the experimental solubility data was obtained in all cases. The solubility of amino acids and b-lactam compounds was also studied through a similar approach, but in this case the non-ideality of the solutions was accounted for by introducing Pitzers model for electrolyte solutions. The compounds whose solubility curves as a function of the pH were modeled include the amino acids DL-Alanine, DL-Methionine, L-Isoleucine, L-Leucine, DL-Phenylalanine, Glycine and its oligopeptides, and b-lactam compounds such as ampicillin, which is an antibiotic, and 6-aminopenicillanic acid, which is a precursor in the ampicillin production route. The interpretation of the binary interaction parameter values through a statistical thermodynamic approach allowed a deeper analysis of the results. Finally, equations relating the osmotic second virial coefficient, the protein solubility and the concentration of precipitant agents such as salts were developed. The resulting equations were successfully applied to solutions containing lysozyme, ovalbumin and immunoglobulin, which shows that the considered approach is promising