Separation of triterpenic acids by simulated moving bed chromatography

Abstract

A exploração de compostos, subprodutos e resíduos naturais é um passo chave para a obtenção de um futuro sustentável. A valorização e comercialização destes materiais dependem da aplicação de técnicas adequadas de conversão e separação/purificação que permitam obter os níveis desejados de pureza e produtividade. Os ácidos triterpénicos, particularmente os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico, são compostos de elevado valor que têm atraído interesse devido às suas já reportadas propriedades nutraceuticas e farmacológicas. Estes triterpenoides estão presentes em diversas fontes vegetais mas podem ser encontrados com abundâncias consideráveis na casca do eucalipto (decídua e externa), um resíduo comum da indústria da pasta e papel. O isolamento dos ácidos triterpénicos é uma tarefa difícil devido às suas semelhantes estruturas moleculares, especialmente no caso dos ácidos oleanólico e ursólico, que são isómeros de posição. O leito móvel simulado (simulated moving bed, SMB) é uma técnica cromatográfica de separação contínua e em contracorrente que maximiza a força diretriz de transferência de massa permitindo a separação de moléculas mesmo quando as seletividades se aproximam de um. Por exemplo, é frequentemente utilizada no isolamento de enantiómeros. No SMB clássico a separação de dois componentes é efetuada em quatro zonas, os caudais e concentrações de alimentação são fixos e as portas de entrada/saída são comutadas simultaneamente. Recentemente, novas implementações tais como a modificação da concentração ou caudais da alimentação, a utilização de tempos de comutação variáveis e a introdução de novas zonas para separação multicomponente, têm permitido a obtenção de maior flexibilidade e melhor performance. Uma revisão profunda destes modos de operação foi feita durante esta tese. A modelação e otimização são passos essenciais no dimensionamento e desenvolvimento de qualquer processo e particularmente importantes no SMB. Como ponto de partida para o estudo do fracionamento de ácidos triterpénicos por leito móvel simulado, modelos fenomenológicos conhecidos foram aplicados para desenvolver de um simulador SMB. Durante este trabalho uma estratégia de otimização de unidades de SMB foi desenvolvida combinando as metodologias de desenho de experiências e respostas de superfície com simulações computacionais, com o objetivo de obter condições de operação ótimas com baixa complexidade e um esforço computacional reduzido. Esta técnica de otimização foi aplicada ao estudo da separação dos enantiómeros de óxido de trans-estilbeno, usando informação da literatura, e posteriormente comparada com outros procedimentos de determinação de condições de operação ótimas. Esta técnica permitiu purezas acima de 99.5 % para ambos enantiómeros, necessitando de um baixo número de simulações. A separação de ácidos triterpénicos foi inicialmente estudada à escala analítica, através de uma série de ensaios cromatográficos em diferentes condições para seleção de fase móvel e estacionária apropriada. Os melhores resultados foram obtidos com uma coluna Apollo C18 usando metanol/água 95/5 (%,v/v) e os parâmetros de equilíbrio e transporte foram determinados através de experiências de rutura com os compostos puros. Esta informação foi utilizada com sucesso na simulação da separação de uma mistura ternária, cujos resultados foram validados com experiências de rutura ternárias. A separação em SMB de uma mistura representativa de um extrato natural contendo os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico foi desenhada utilizando um processo em dois passos: inicialmente o ácido betulínico foi isolado dos ácidos oleanólico e ursólico e, de seguida, os ácidos oleanólico e ursólico foram fracionados. Esta separação foi otimizada usando a metodologia de desenho de experiências e respostas de superfície combinada com simulações rigorosas e permitiu demonstrar que é possível produzir os ácidos betulínico, oleanólico e ursólico com purezas de 99.4 %, 99.1 %, e 99.4 %. Os polímeros molecularmente impressos (molecularly imprinted polymers, MIPs) são sintetizados para possuírem centros ativos altamente seletivos para moléculas alvo, tornando-os adsorventes muito promissores. Vários MIPs foram sintetizados por polimerização por precipitação usando diferentes formulações. Após a preparação, estes polímeros foram caracterizados por microscopia eletrónica de varrimento e os mais promissores, em termos de características morfológicas, foram diretamente testados através de experiências de adsorção. Os resultados revelam que o material “MIP1b” exibe selectividade infinita para o ácido oleanólico, a molécula alvo usada na sua síntese. Em conjunto com a sua capacidade de adsorção – superior à da previamente estudada fase C18 – estes resultados demonstram o elevado potencial do polímero “MIP1b” para aplicação na separação dos ácidos triterpénicos. Investigação adicional é necessária neste tópico onde diferentes técnicas de separação podem ser antecipadas. Este trabalho culminou com o dimensionamento e montagem de uma unidade laboratorial de leito móvel verdadeiro baseada num sistema de uma-válvula-ST por coluna recentemente patenteado, que permite à unidade operar sobre diferentes estratégias de operação e configurações.

The exploitation of natural compounds, by-products and residues is a key strategy for the pursuit of a sustainable future. The effective valorization and commercialization of these materials depends on the application of adequate conversion and separation/purification techniques that can provide desired levels of purity and productivity. Triterpenic acids, particularly betulinic, oleanolic, and ursolic acids, are high value molecules that have attracted considerable interest due to their reported nutraceutical and pharmacological properties. These triterpenoids are present in diverse vegetable sources but significant abundances are found in Eucalyptus bark (deciduous and external), a common residue from the paper and pulp industry. The isolation of triterpenic acids is a difficult task due to their similar molecular structures, particularly in the case of oleanolic and ursolic acids, which are positional isomers. The simulated moving bed (SMB) technology is a countercurrent continuous chromatographic technique that maximizes the mass transfer driving force, thus allowing the separation of compounds even when selectivities approach one. For instance, it is often used for enantiomers isolation. In a classic SMB, the separation of two components is accomplished across four zones, the flow rates and feed concentrations are fixed, and the inlet/outlet ports are switched synchronously. Recently, new implementations and modifications, such as the modulation of feed concentration or flow rates, variable switch times and additional zones for multicomponent separations, enabled better flexibility and performances to be achieved. A thorough review of these modes of operation was performed in this thesis. Modeling and optimization are necessary steps for the design and development of any process, being particularly important in SMB. As the starting point for the study of the fractionation of triterpenic acids by simulated moving bed, well know phenomenological models were applied to develop a SMB simulator. During this work, an optimization strategy of SMB units was developed combining the design of experiments and response surface methodologies (DoE-RSM) with computer simulations, aimed at providing good operating conditions with low complexity and reduced computational effort. This optimization technique was applied to the separation of trans-stilbene oxide (TSO) enantiomers using data from the literature and compared with other existing procedures for the determination of the best operation conditions. It allowed purities above 99.5 % for both TSO enantiomers while requiring a small number of simulations. The separation of triterpenic acids was initially studied at analytical scale, through a series of chromatographic assays under different conditions, to select appropriate mobile and stationary phases. Best results were obtained using an Apollo C18 column and methanol/water 95/5 (%, v/v), and equilibrium and mass transport parameters were determined through breakthrough experiments with pure compounds. This information was then successfully applied in the simulation of a ternary mixture separation, whose results were validated with ternary breakthrough measurements. The SMB separation of a representative natural extract containing betulinic, oleanolic and ursolic acids was designed using a two-step process: firstly, betulinic acid was isolated from oleanolic and ursolic acids, and secondly, oleanolic and ursolic acids were fractionated. This separation approach was optimized using DoE-RSM combined with rigorous simulations, and it was demonstrated that it is possible to produce betulinic, oleanolic and ursolic acids with purities of at least 99.4 %, 99.1 %, and 99.4 %. Molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthesized to possess binding sites highly selective to specific molecules, making them very promising adsorbents. Several MIPs were synthetized by precipitation polymerization using different formulations. After preparation, these polymers were characterized by scanning electron microscopy and the most successful ones, in terms of morphological features, were directly tested carrying out batch adsorption experiments. The results disclosed that “MIP1b” material exhibits infinite selectivity for oleanolic acid, the template molecule used in its synthesis. Together with its adsorption capacity – even higher than that of the previously studied C18 phase – these results demonstrate the high potential of “MIP1b” polymer for application on the separation of triterpenic acids. Additional research is required in this topic, where distinct separation approaches may be anticipated. This PhD work culminated in the design and assembling of a laboratory simulated moving bed unit based on a recently patented system using a one- ST valve per column valve scheme, thus allowing the SMB to run under several operation strategies and configurations.