Synthesis and characterization of mesoporous silica for the adsorption of biomolecules model (BSA, lysozyme and cellulase)

Part of the cost of production of biomolecules with high purity and yield depends on the separation and purification steps used. In these steps, it is usually necessary to use chromatography techniques and one of the factors that influence on its high performance is the development of stationary phases or suitable adsorbents. The present study investigates the adsorption of biomolecules three model (bovine serum albumin - BSA, lysozyme - LYS cellulase and - CEL) in mesoporous silica obtained from tri-block copolymers as agents drivers structure. We report different synthesis procedures aimed at modifying the surface chemistry and promoting textural changes, such as enlargement and/or pores, and the mesoscopic ordering. In the first part of this thesis were synthesized (i) SBA-15 by two different routes, sol-gel and hydrothermal and (ii) SBA-16 by hydrothermal. In the second part, SBA-15 samples with different pore sizes and channel length were s ynthesized using 1,3,5-trimethylbenzene (TMB), heptane and ammonium fluoride (NH4F). TMB was used to increase the pore diameter and heptane combined with NH4F to modify the size of the channels of SBA-15. In the third part of the work, the acidity of SBA-15 was modified by the addition of zirconium with three molar ratios Si/Zr distinct (5, 10 and 15). The adsorption of the three target biomolecules was studied by experiments in stirred tanks. The results indicate that for pure silicas, higher adsorption capacities are obtained when the pH is close to the isoelectric point of biomolecule. Very promising results for were found the adsorption of proteins on silicas with larger pore diameters (above 10 nm), up to hundreds of milligrams per gram of adsorbent. In the case of materials with zirconium, the best results were fou nd for the materials with the lowest amount of said heteroatom (Si/Zr = 15), which have similar texture to the original support. This suggests that there may be a moderate acidity which-enhances the adsorption of the studied biomolecules or excess zirconium atoms lead to steric hindrances causing a decrease in the adsorption capacity of the biomoleculeParte do custo de produção de biomoléculas com elevada pureza e o rendimento deste processo depende das etapas de separação e purificação utilizadas. Nestas etapas, geralmente é necessário utilizar técnicas de cromatografia e um dos fatores que influenciam no seu elevado desempenho é o desenvolvimento de fases estacionárias ou adsorventes adequados. O presente trabalho investiga a adsorção de três biomoléculas-modelo (albumina de soro bovino - BSA, lisozima - LYS e celulase – CEL) em sílicas mesoporosas obtidas a partir de copolímeros tribloco como agentes direcionadores estruturais. Relatam-se diferentes procedimentos de síntese que visam modificar a química da superfície e promover alterações texturais como, por exemplo, o alargamento e/ou encurtamento dos poros, bem como a sua ordenação mesoscópica. Na primeira parte da tese, foram sintetizadas (i) SBA-15 por duas rotas distintas, sol-gel e hidrotérmica, e (ii) SBA-16 por via hidrotérmica. Na segunda parte, amostras de SBA-15 com diferentes tamanhos de poros e comprimento de canais foram sintetizados utilizando 1,3,5-trimetilbenzeno (TMB), heptano e fluoreto de amônio (NH4F). O TMB foi utilizado para aumentar o diâmetro dos poros e o heptano combinado com NH4F, para modificar o tamanho dos canais da SBA-15. Já na terceira parte do trabalho, a acidez da SBA-15 foi modificada pela adição de zircônio com três razões molares Si/Zr distintas (5, 10 e 15). A adsorção das três biomoléculas-alvo foi estudada por experimentos em tanques agitados. Os resultados indicam que, para sílicas puras, maiores capacidades de adsorção são obtidas quando o pH está próximo ao ponto isoelétrico da biomolécula. Resultados muito promissores foram encontrados para a adsorção de proteínas sobre as sílicas com maior diâmetro de poros (acima de 10 nm), chegando a centenas de miligramas por grama de adsorvente. No caso dos materiais com zircônio, os melhores resultados foram encontrados para os materiais com a menor quantidade do referido heteroátomo (Si/Zr = 15), que apresentam textura similar ao suporte original. Isto sugere que pode haver uma acidez moderada ótima para a adsorção das biomoléculas estudadas ou que o “excesso” de átomos de zircônio leva a impedimentos estéricos que causam uma redução na capacidade de adsorção da biomolécul