Extraction of phenolic compounds with aqueous two-phase systems

Abstract

Nos últimos anos, os sistemas aquosos bifásicos (ATPS), utilizando líquidos iónicos, têm revelado um enorme potencial no desenvolvimento de novas técnicas de separação e purificação de biomoléculas, mantendo as suas características funcionais intactas. Neste trabalho, os coeficientes de partição da vanilina e ácido gálico, dois compostos fenólicos com aplicações e propriedades antioxidantes bem conhecidas, foram determinados recorrendo a ATPS envolvendo líquidos iónicos. Foram avaliadas três condições no processo de partição da vanilina: natureza catiónica e aniónica do líquido iónico (LI), a temperatura de equilíbrio e a concentração de vanilina adicionada ao sistema. Todos os parâmetros demonstraram influenciar a partição da vanilina entre as duas fases aquosas. Para obter informação termodinâmica sobre o processo de partição, foram determinadas as funções termodinâmicas molares de transferência da vanilina. Os resultados indicaram que a partição da vanilina resulta essencialmente de um balanço de contribuições entálpicas e entrópicas, onde aniões e catiões mais complexos do LI desempenham um papel crucial. Foram também determinadas duas propriedades termofísicas para estes sistemas, viscosidade e densidade, às mesmas composições às quais se determinaram os coeficientes de partição. Na partição do ácido gálico, foram avaliados diferentes LIs e a influência do pH do meio aquoso por adição de sais inorgânicos distintos. Estes dois parâmetros demonstraram influenciar fortemente a capacidade de extracção dos ATPS estudados. Dada a escassez dos diagramas de fase envolvendo sistemas aquosos de LIs e Na2SO4, os diagramas ternários correspondentes a cada LI, e respectivas tie-lines e comprimentos destas, foram também determinados a 298 K. Em todos os sistemas estudados e em todas as condições testadas, tanto a vanilina como o ácido gálico, mostraram sofrer uma migração preferencial para a fase rica em LI. Com base neste trabalho, pode-se afirmar que os novos ATPS propostos apresentam uma elevada eficiência de extracção para compostos fenólicos constituindo assim uma nova plataforma para processos de separação.

ABSTRACT: In recent years, ionic-liquid-based aqueous two-phase systems (ATPS) have been object of great interest due to their potential for the design of new “green” separation processes, in particular for the purification and separation of biomolecules, maintaining their functional characteristics unchanged. In this work, the partition coefficients of vanillin and gallic acid, two well known phenolic compounds, were determined using improved ionic-liquid-based ATPS. Three parameters were evaluated in the vanillin partitioning process: the ionic liquid (IL) cation and anion nature, the temperature of equilibrium and the concentration of vanillin in the system. All parameters have shown to influence the vanillin partitioning. In an attempt to elucidate the thermodynamics of the partitioning process, the standard molar thermodynamic functions of transfer of vanillin were also determined. The results indicated that the partition of vanillin results from an interplay between enthalpic and entropic contributions where both the IL anion and more complex cations play an essential role. Moreover, viscosities and densities of both aqueous phases were experimentally measured at the mass fraction compositions for which the partition coefficients were determined. Regarding the partitioning of gallic acid, different ILs and the influence of the aqueous medium pH, achieved by the addition of distinct inorganic salts, were evaluated. These two parameters have shown to strongly influence the extraction ability by IL-based ATPS. Due to the lack of the ternary phase diagrams compositions containing ILs and the salt Na2SO4, the respective individual phase diagrams, tie-lines and tie-line lengths, were additionally determined at 298 K. In all systems and conditions tested, both vanillin and gallic acid preferentially migrated to the IL-rich phase. The new proposed ATPS present large extraction efficiencies for phenolic compounds and represent a new platform for separation techniques.