Ionic liquids aqueous solutions as sustainable solvents in separation processes

Abstract

This work is focused on the development of sustainable and cost-effective solvents and separation processes, particularly by applying aqueous solutions of ionic liquids (ILs). It is shown the potential of ILs aqueous solutions as alternative solvents to extract value-added compounds from biomass, avoiding the use of the commonly applied volatile organic solvents, and their use as phase-forming components of aqueous biphasic systems (ABS) to develop reversible and/or integrated separation platforms. In the first set of results, it is demonstrated the high performance of ILs aqueous solutions to extract caffeine and hydroxymatairesinol (HMR) from spent coffee grounds (SCG) and Norway spruce knots, respectively. In the first work it is shown the relevance of the hydrotropy concept as the major factor behind the improved extraction performance of ILs aqueous solutions, whereas in the second work biocompatible ILs were applied and proposed to be used directly with the biomass extracts in nutraceutical and cosmetic applications. Still focused on the use of ILs aqueous solutions, these were then explored in the creation of reversible aqueous biphasic systems (ABS) as alternative separation platforms, followed by the development of integrated production-separation strategies. Transitions from monophasic to biphasic regimes were shown to occur by changes in pH and temperature (applied as external stimulus). Examples on their use in the separation of mixtures of amino acids and of nucleic acids from proteins are given. Finally, it is shown the applicability of reversible ABS as integrated production-separation processes. pH-driven ABS were applied in the production of hydroxymethylfurfural (HMF) from fructose at acidic media, followed by their separation at alkaline conditions (inducing the two phases separation). On the other hand, and taking advantage of the biocompatible nature of the ABS phase-forming components, thermoreversible ABS were used in biocatalytic processes. A reaction catalysed by laccase occurs in the homogenous solution, after which small temperature changes induce the two-phase formation and the complete separation of the enzyme from the respective product. These systems also allow the recovery and reuse of the ABS phases, contributing towards the development of sustainable production and separation processes. Although additional research on these solvents and systems scale-up feasibility is still required, the results here presented unveil the relevance of IL aqueous solutions as alternative solvents and on the development of efficient separation processes

Este trabalho compreende o desenvolvimento de solventes e processos de separação sustentáveis, eficientes e rentáveis, através da aplicação de soluções aquosas de líquidos iónicos (LIs). Em particular mostra-se o potencial de soluções aquosas de LIs como solventes alternativos para a extração de compostos de valor acrescentado a partir de biomassa, evitando portanto a utilização de solventes orgânicos voláteis, assim como a sua utilização na formação de sistemas aquosos bifásicos (SAB) como processos de separação. No primeiro conjunto de resultados demonstra-se que soluções aquosas de LIs apresentam uma elevada capacidade para extrair cafeína e hidroximatairesinol (HMR) de borras de café e de nós de abeto da Noruega, respetivamente. O primeiro trabalho nesta vertente mostra a importância do conceito de hidrotropia, atuando como o principal fator responsável pelo elevado desempenho das soluções aquosas de LIs na extração de compostos de valor acrescentado a partir de biomassa, enquanto que o segundo trabalho demonstra a utilização de LIs biocompatíveis, permitindo a utilização direta dos extratos de biomassa em aplicações nutracêuticas e de cosmética. As soluções aquosas de LIs também foram estudadas na criação de SAB reversíveis, como plataformas de separação alternativas, assim como no desenvolvimento de sistemas integrados de reação-separação. As respetivas transições de fase ocorrem por aplicação de estímulos externos, tais como pH e temperatura, e a sua aplicação foi demonstrada na separação de misturas de aminoácidos, e ácidos nucleicos e proteínas. Por fim, demonstra-se a utilização de SAB reversíveis como processos integrados de produção e separação. Os SAB reversíveis obtidos por alterações de pH foram aplicados na produção de hidroximetilfurfural (HMF) a partir de frutose em meio ácido, seguido da sua separação em condições alcalinas (induzindo a formação de duas fases). Por outro lado, e tirando partido da natureza biocompatível dos constituintes dos SAB, estudaram-se SAB reversíveis através da alteração da temperatura em processos biocatalíticos. A reação ocorre em meio homogéneo, catalisada pela lacase, onde pequenas alterações de temperatura induzem a formação de duas fases e a completa separação da enzima do respetivo produto. Estes sistemas permitem também a recuperação e reutilização das fases/constituintes dos SAB, contribuindo para o desenvolvimento de processos sustentáveis. Embora seja ainda necessária investigação adicional sobre a viabilidade destes solventes e sistemas para aplicação em larga escala, os resultados aqui apresentados mostram a relevância de soluções aquosas de LIs como solventes alternativos e no desenvolvimento de processos de separação