Modelado termodinámico de equilibrio de fases para sistemas de extracción líquido-líquido con dos fases acuosas (ATPS)

Abstract

RESUMEN : Los sistemas ATPS han sido ampliamente utilizados para la separación y recuperación de productos biológicos, especialmente proteínas y bio farmacológicos de interés comercial tales como anticuerpos mononucleares, ADN, factores de crecimiento, entre otras. Dentro de las ventajas de esta técnica se incluye que el equilibrio de partición se alcanza muy rápido, de bajo costo, tiene alto potencial de reciclaje de los materiales utilizados para formar los sistemas, fácil de escalar y tiene capacidad de integración de procesos y operación continua. Dado que el comportamiento de la partición de las biomoléculas en sistemas ATPS es complejo, se deben realizar muchos ensayos laboriosos para la optimización de estos, acarreando mayores costos y encaminar de esta forma a la mayoría de las investigaciones en optimización de ATPS a que se centren en un factor una variable (OFAT), en el que se identifican factores específicos a estudiar, se selecciona uno manteniendo los demás factores constantes. Esto generalmente da como resultado condiciones óptimas deficientes y falsa; esta situación en la cual se basa más en la recolección de datos experimentales para sistemas particulares ha dejado relegado al estudio del modelado termodinámico más conveniente a de forma general en los sistemas ATPS. Es este el motivo fundamental del siguiente trabajo haciendo el aporte al estudio del modelado termodinámico de los sistemas ATPS, específicamente del sistema polietilenglicol/dextrano/agua. Como objetivo inicial se realizó una base de datos experimental con sistemas de los sistemas seleccionados a diferentes temperaturas y pesos moleculares, posterior se definió que los modelos termodinámicos más usados en la literatura son UNIQUAC y UNIQUAC-NRF. Con la base de datos experimental y los modelos elegidos se desarrollaron algoritmos ejecutados en Matlab que permitieron modelar los equilibrios a diferentes temperaturas y, optimizar los parámetros de interacción binaria correlacionando los datos experimentales y los calculados con el cálculo de la desviación de la raíz cuadrada media (RMSD), encontrando una importante correlación entre los datos experimentales y los calculados con los modelos termodinámicos. Por último, se usó el programa curve Fitting de Matlab para realizar regresiones a los parámetros de interacción binaria con la intención de evaluar el poder predictivo de los modelos termodinámicos y su efecto con la temperatura. Se tomaron dos modelos sustentados en los fundamentos teóricos de las fuerzas de interacción molecular que involucran las fuerzas de repulsión y de atracción en función del recíproco de la temperatura; estas regresiones se realizaron con datos a tres temperaturas y se compararon los resultados de los parámetros calculados con los obtenidos de la literatura.

ABSTRACT : ATPS systems have been widely used for the separation and recovery of biological products, especially proteins and biopharmaceuticals of commercial interest such as mononuclear antibodies, DNA, growth factors and others. Among the advantages of this technique include the partition equilibrium is reached very fast, low cost and has high recycling potential of the materials used to form the systems, easy to scale up, process integration capability and continuous operation. Since the partitioning behavior of biomolecules in ATPS systems is complex, many laborious tests must be performed to optimize them, leading to higher costs, thus most research in ATPS optimization focuses on a single variable factor (OFAT) in which specific factors to be studied are identified, one is selected and all other factors are held constant. This generally results in poor and false optimality conditions; this situation in which is based more on the collection of experimental data for particular systems has relegated the study of thermodynamic modeling more suitable for general ATPS systems. This is the fundamental reason for the following work, contributing to the study of the thermodynamic modeling of ATPS systems, specifically of the polyethylene glycol/dextran/water system. As an initial objective, an experimental database with systems of the selected systems at different temperatures and molecular weights was made, subsequently it was defined that the thermodynamic models for the modeling of the most used equilibria in the literature are UNIQUAC and UNIQUAC-NRF. With the experimental data base and the chosen models, algorithms executed in Matlab were developed that allowed modeling the equilibria at different temperatures and optimizing the binary interaction parameters by correlating the experimental data and those calculated with the root mean square deviation (RMSD) calculation, finding an important correlation between the experimental data and those calculated with the thermodynamic models. Finally, the MATLAB program curve Fitting was used to perform regressions to the binary interaction parameters to evaluate the predictive power of the thermodynamic models and their effect with temperature. Two models based on the theoretical foundations of molecular interaction forces involving repulsion and attraction forces as a function of the reciprocal of temperature were used. These regressions were performed with data at three temperatures and the results of the parameters calculated with the regression and those obtained from the literature were compared.