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Habilitation Thesis
DOI
10.11606/T.3.2017.tde-24112017-091836
Document
Author
Full name
Pedro de Alcantara Pessoa Filho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Committee
Giudici, Reinaldo (President)
Aznar, Martin
Maciel, Maria Regina Wolf
Odloak, Darci
Tavares, Frederico Wanderley
Title in Portuguese
Aplicações da termodinâmica clássica ao estudo de sistemas de interesse em processos de recuperação e purificação de proteínas.
Keywords in Portuguese
Equilíbrio líquido-líquido
Equilíbrio sólido-líquido
Modelos matemáticos
Polímeros sintéticos
Proteínas
Sais
Termodinâmica química
Abstract in Portuguese
Esta tese apresenta algumas aplicações da Termodinâmica Clássica ao estudo de sistemas de interesse em operações de recuperação e purificação de proteínas, especificamente aqueles relacionados a operações de equilíbrio, como extração e precipitação. Estruturada em capítulos independentes, ela compreende seis estudos relacionados a esta temática geral. O primeiro trabalho descreve a aplicação de uma abordagem diferencial ao cálculo da pressão osmótica em sistemas de múltiplos solventes, no formalismo de Lewis & Randall, apresentando o desenvolvimento matemático e alguns estudos de caso. No segundo trabalho apresenta-se a descrição do equilíbrio líquido-líquido em sistemas aquosos bifásicos formados por copolímeros-bloco PEO-PPO-PEO e carbamato de amônio, estudando-se também a partição de algumas proteínas nestes sistemas. O terceiro trabalho apresenta um estudo sobre o equilíbrio sólido-líquido em sistemas contendo lisozima, sais e água, no qual se aplica uma análise específica aos dados experimentais que permite a determinação da composição da fase sólida. O quarto trabalho compreende um estudo sobre a precipitação de insulina usando dióxido de carbono em altas pressões como agente precipitante ácido, com a aplicação de um modelo termodinâmico adrede desenvolvido. O quinto trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de energia de Gibbs excedente específico para a modelagem de soluções de polieletrólitos, aplicado na correlação do coeficiente osmótico de soluções de polieletrólitos sintéticos com e sem a adição de sais e no cálculo do equilíbrio líquido-líquido em sistemas aquosos contendo um polieletrólito e um polímero neutro.Finalmente, no último trabalho é apresentada uma nova abordagem para a descrição da curva de solubilidade de proteínas em função do pH, que leva em conta a existência de moléculas com diferentes estados de ionização e que permite o cálculo do equilíbrio sólido-líquido a partir da estrutura primária da proteína e das constantes de equilíbrio dos grupos ionizáveis.
Title in English
Applications of classical thermodynamics to the study of equilibrium operations in protein downstream processes.
Keywords in English
Chemical thermodynamics
Liquio-liquid equilibrium
Mathematical models
Proteins
Salts
Solid-liquid equilibrium
Synthetic polymers
Abstract in English
This thesis presents some applications of Classical Thermodynamics to the study of equilibrium operations - such as liquid-liquid extraction and precipitation - of protein downstream processes. It comprises six independent chapters related to this general theme. The first chapter describes the application of a differential approach to the calculation of osmotic pressure in multisolvent systems within the Lewis & Randall framework; it presents the mathematical development and some examples of applications. In the second chapter the liquid-liquid equilibrium of aqueous two-phase systems formed by PEO-PPO-PEO block copolymers and ammonium carbamate and the partition of some proteins in these systems are described. The third chapter presents a study on the solid-liquid equilibrium of systems containing lysozyme, salts and water, with the application of a specific analysis of experimental equilibrium data which allows the determination of the solid phase composition. The fourth chapter presents a study on the precipitation of insulin using high-pressure carbon dioxide as an acid-precipitating agent, with the application of a thermodynamic model modified for the prediction of the underlying equilibria. The fifth chapter presents the development of an excess Gibbs energy model modified for the description of polyelectrolyte solutions, which was applied in the correlation of osmotic coefficients of polyelectrolyte solutions (with and without the addition of salts) as well as in the modeling of the liquid-liquid equilibrium of aqueous systems containing a polyelectrolyte and a neutral polymer.The last paper presents the development of novel thermodynamic relations for the solubility curves of proteins as a function of pH, which take into account the existence of molecules with different ionization states and allow the calculation of solid-liquid equilibrium from the primary structure of the protein and the equilibrium constants of ionizable groups.
 
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Publishing Date
2017-11-27
 
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