PEG - Utilização em processos de separação · suas propriedades químicas, nomeadamente a cor, temperatura de fusão, viscosidade e solubilidade, que variam de acordo com a sua

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

PEG - Utilização em processos de separação

Projeto FEUP 2015/2016 - MIEQ :

Professor João Bastos

Equipa 8021:

Supervisor: Professora Eugénia Macedo Monitor: Margarida Brito

Estudantes & Autores:

Adriana Pereira [email protected] Inês Almeida [email protected]

Ana Eulálio [email protected] Gabriel Martinho [email protected]

Ana Verdade [email protected] Pedro Cerqueira [email protected]

mailto:[email protected]







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Resumo

O PEG é um polímero de condensação que apresenta várias aplicações, consoante as

suas propriedades químicas, nomeadamente a cor, temperatura de fusão, viscosidade e

solubilidade, que variam de acordo com a sua massa molecular relativa.

Neste relatório, faz-se particular referência ao PEG 8000 e à sua aplicação em

processos de separação em sistemas de duas fases aquosas, finalizando com a

apresentação da sua implementação a nível industrial, por ser um composto atrativo e de

baixo custo, bem como a sua importância económica e social.

Palavras-Chave

PEG; sistemas de duas fases aquosas; solvente; biomoléculas


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Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer à nossa supervisora, a Professora Eugénia Macedo, pelo

esclarecimento de alguns conceitos relacionados com o tema do nosso projeto e pela sua

valiosa orientação ao longo da realização do mesmo.

Importa destacar, também, o contributo da nossa monitora, Margarida Brito, pelos

seus conselhos, tendo por base a experiência pessoal quando participou no Projeto FEUP.

Finalmente, não poderíamos deixar de agradecer à própria Faculdade de

Engenharia, na medida em que esta nos disponibilizou os mais variados recursos, que se

provaram extremamente úteis aquando da realização do nosso projeto.


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Índice

Resumo .......................................................................................................................... 2

Palavras-Chave .............................................................................................................. 2

1. Introdução ................................................................................................................... 5

2. Informações gerais sobre o PEG ................................................................................ 6

2.1 Propriedades Físicas do PEG ............................................................................... 7

2.2 Sínteses do PEG ................................................................................................... 8

2.3 Vantagens da utilização do PEG ........................................................................... 9

3. Processos de separação em que o PEG é utilizado .................................................. 10

3.1. PEG 8000........................................................................................................... 11

4. Implementação a nível industrial ............................................................................... 11

4.1 Aplicações do PEG ............................................................................................. 12

4.1.1 Usos médicos ............................................................................................... 12

4.1.2 Usos ao nível da biologia .............................................................................. 13

4.1.3 Usos ao nível da química .............................................................................. 13

4.1.4 Usos comerciais ........................................................................................... 14

4.1.5 Usos a nível industrial ................................................................................... 15

5. Importância económica e social ................................................................................ 16

5.1 Importância económica ....................................................................................... 16

5.2 Importância Social ............................................................................................... 18

6. Conclusões ............................................................................................................... 19

7. Referências bibliográficas ......................................................................................... 20


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1. Introdução

No âmbito da Unidade Curricular Projeto FEUP, este relatório pretende explorar e

caracterizar o composto polietilenoglicol (daqui em diante designado por PEG) e algumas

das suas utilizações, especificamente em processos de separação de biomoléculas. Irá

também abordar-se a importância económica e social deste polímero e a sua

implementação na indústria.

O PEG está presente em diversos produtos domésticos, como pastas de dentes,

lubrificantes, cosméticos e laxantes. Apresenta baixa toxicidade e é estável em condições

normais de pressão e temperatura (25oC, 1 atm). Este polímero está disponível em

diferentes formas e massas moleculares, apresentando propriedades vantajosas,

nomeadamente baixa toxicidade, flexibilidade, fácil manutenção, fácil reprodução artificial, e

características físicas diferentes consoante a sua massa molecular, daí as suas variadas

aplicações.

Para além de todas estas propriedades, o facto de apresentar baixo custo, faz do PEG

um dos compostos mais usados a nível dos processos de separação de duas fases

aquosas.


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Figura 1 – Alguns PEG’s à temperatura ambiente

2. Informações gerais sobre o PEG

Existem diferentes tipos do composto PEG, cuja fórmula molecular geral é

HO(CH2CH2O)nH, que diferem entre si no número de monómeros que o constituem e, por

conseguinte, na sua massa molecular, que é tanto maior quanto maior for o número de

monómeros que constituem o polímero.

As diferentes aplicações do PEG variam, entre outros fatores, com a variação das

suas propriedades físicas (por exemplo, viscosidade), que derivam diretamente da a

dimensão da cadeia do polímero. O PEG é um líquido viscoso transparente para massas

moleculares relativas (M) inferiores a 200 g/mol, uma substância cerosa para valores de M

entre 200 e 2000 g/mol e um sólido branco opaco e cristalino para valores superiores de M

(ver figura 1) [1].


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2.1 Propriedades Físicas do PEG

Os PEG’s são solúveis na maioria dos solventes orgânicos, como o benzeno (C6H6),

o tetracloreto de carbono (CCl4), o clorofórmio (CHCl3), a dimetilformamida (C3H7NO) e o

acetonitrilo (CH3CN). O PEG é solúvel em água, mas a sua solubilidade diminui com o

aumento do valor de M. A tabela 1 apresenta, de forma sumária, algumas propriedades

fisico-químicas de vários PEG’s. [2]

Os PEG’s sofrem oxidação a temperaturas acima de 310°C, podendo libertar

monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), o que representa um certo risco na

sua utilização, e é destruído quando sujeito a agitação a alta velocidade. Este composto

forma complexos com metais alcalinos e alcalino-terrosos, o cloreto de mercúrio(II) (HgCl2),

a tioureia (CH4N2S) e o ácido poliacrílico ((C3H4O2)n).


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Fig. 2 – Equação química da síntese do PEG

Fig. 3 – Diagrama processual da síntese do PEG

2.2 Sínteses do PEG

O PEG é produzido pela interação entre o óxido de etileno (C2H4O) e três moléculas: a

água, o etilenoglicol (C2H4(OH)2) ou oligómeros de etilenoglicol. A reação é catalisada por

ácidos ou bases, como o hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH) ou o

carbonato de sódio (Na2CO3).

Trata-se de um polímero de condensação, ou seja, é obtido por meio de reações entre

monómeros, onde ocorre libertação de uma molécula de uma substância (geralmente, a

água). Estes polímeros de condensação são, por norma, mais estáveis e menos suscetíveis

de se ramificar, o que é muito importante para os diferentes usos que o composto pode ter.

O iniciador do processo de polimerização é também um fator que influencia o tipo de

PEG obtido, assim como as suas propriedades físicas.


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2.3 Vantagens da utilização do PEG

Os PEG’s são geralmente adotados por satisfazerem os requisitos das indústrias,

devido à sua não toxicidade, baixa viscosidade (em PEG’s de baixo peso molecular),

densidade e solubilidade. PEG’s com massas moleculares relativas mais elevadas, como o

PEG 8000 (refere-se, precisamente, à sua massa molecular relativa), têm vários usos,

nomeadamente nas indústrias alimentar, tintureira e farmacêutica. Importa destacar,

igualmente, a utilidade do PEG 8000 em processos de separação, nomeadamente em

sistemas de duas fases aquosas, como se verá mais à frente [3]

O PEG apresenta diversas características que representam sérias vantagens na sua

utilização e são determinantes para a variedade de utilidades que tem. Dessas, destacam-

se as seguintes:

● O facto de não ser tóxico nem imunogénico pois pode ser conjugado com moléculas

sem interferir com as suas funções celulares ou provocar respostas imunológicas;

● Ser hidrofílico, ou seja, solúvel em água, dado que a sua ligação a determinadas

biomoléculas diminui a agregação e aumenta a solubilidade;

● Ser flexível pois promove o aumento da área de superfície e a conjugação de

moléculas. [4]


10


Fig. 4 – PEG num sistema de duas fases aquosas

3. Processos de separação em que o PEG é utilizado

O PEG é utilizado maioritariamente em sistemas de duas fases aquosas ou

bifásicos. Estes sistemas têm sido muito explorados na área da pesquisa bioquímica para a

separação e purificação de macromoléculas, células e partículas celulares. Existem dois

tipos de sistemas de que o PEG faz parte: polímero-sal ou polímero-polímero e ocorrem

quando se dissolvem, num meio aquoso, dois componentes incompatíveis. [5] [6]

Este composto, como anteriormente referimos, tem características que o tornam

num dos produtos mais usados no mercado farmacêutico e, por sua vez, o condutor de

inúmeros estudos e investigações. Os sistemas mais estudados são os compostos por PEG

e dextrano (H(C6H10O5)xOH), ou por PEG e fosfato de potássio (KH2PO4). Para concentrações

definidas, formam‐ se duas fases líquidas, predominando cada um dos componentes numa

ou na outra fase. Normalmente o PEG, por causa da sua baixa densidade, é a camada mais

alta da mistura. [7]

Podemos ainda destacar que sistemas de duas fases aquosas (assim designados

pois 90% da sua composição é água) são processos de separação económicos por se

darem em condições PTN, são de fácil manutenção, conseguem ser reproduzidos a partir

de ensaios laboratoriais de rápida transferência de massa e rápido equilíbrio, obtendo-se

com pequenos gastos de energia. [8]


11


3.1. PEG 8000

Um dos PEG’s mais conhecidos é, como já foi referido na secção 2, o PEG 8000.

Trata-se de um composto sólido (pó cristalino), de massa molar média aproximadamente

igual a 8000 g/mol e com uma densidade de 1,27 g/mL à temperatura de 25ºC. Este

polímero tem um ponto de fusão que varia entre os 60 e os 63ºC e o seu pH varia entre os

5.5 e os 7.0 à temperatura de 25ºC. Quanto à solubilidade, este composto é solúvel em

água até 50 mg de composto por 1 mL de água, novamente à temperatura de 25ºC. [9] [10]

É, de longe, o PEG mais utilizado para processos de separação em sistemas de

duas fases aquosas.

4. Implementação a nível industrial

O PEG, tal como referido anteriormente, tem usos variados e características que tornam

a sua aplicação a nível industrial em uma de grande importância, sendo de maior relevância

a sua participação em sistemas de duas fases aquosas (SDFA).

Estes SDFA são cada vez mais necessários na indústria nos dias de hoje. Isto deve-se

ao desenvolvimento crescente da área biotecnológica, que por sua vez tornou importante a

separação e purificação eficaz de biomoléculas com minimização de perdas. Sendo o SDFA

uma técnica de separação que promove tais processos. [11]

Estes sistemas de PEG só começaram a ser desenvolvidos recentemente, no entanto,

as características que apresentam tornam-nos desejáveis para a indústria, como o seu

custo baixo, a sua seletividade e a grande diferença de viscosidade e densidade entre as

fases, que facilita o processo de extração.

Os benefícios que este processo de separação traz em comparação aos sistemas

tradicionais são notáveis. A extração com SDFA permite um isolamento rápido de

biomoléculas de misturas complexas cuja escala é fácil de aumentar, e que se dá num meio

aquoso, propício ao trabalho com compostos de ordem biológica. Isto favorece a

estabilidade das moléculas em comparação com os sistemas compostos por solventes

orgânicos usados tradicionalmente. No entanto, o seu uso na indústria é dependente dos

SDFA compostos por polímero/sal ou polímero/polímero, que só começaram a ser

empregues recentemente. [12]


12


Fig. 5 – Fármacos em que o PEG é utilizado

4.1 Aplicações do PEG

4.1.1 Usos médicos

Ao nível da medicina, O PEG é usado na fusão de linfócitos B com células mieloma

(células tumorais), na produção de anticorpos monoclonais, que são utilizados na

identificação de hormonas, vitaminas, agentes infeciosos, entre outros, sendo por isso um

composto muito utilizado em laboratórios de diagnóstico.

Já ao nível da indústria farmacêutica, o PEG é utilizado na maioria dos laxantes,

pois o polietileno glicol amolece a massa fecal por extração osmótica da água do canal

gastro intestinal. Além disso, em alguns medicamentos, o polietileno glicol ajuda à retenção

dos seus componentes no sangue, ou seja, o PEG faz com que o medicamento tenha uma

ação mais prolongada, aumentando assim os intervalos de dosagem, diminuindo, assim, a

probabilidade de ocorrência de efeitos secundários causados pelo medicamento. Por fim, o

PEG é ainda utilizado como solvente de líquidos orais e cápsulas suaves, ou misturado com

os restantes compostos de um determinado medicamento de forma a dar-lhe consistência,

sabor ou outras qualidades que facilitem o seu uso.

O PEG é ainda utilizado em bancos de sangue como um potenciador para melhorar

a deteção de antigéneos e anticorpos (que permitem verificar a compatibilidade entre

diferentes amostras de sangue). [13]


13


Fig. 6 – Processo de conservação e restauro do navio Mary Rose, em que foi utilizado PEG

4.1.2 Usos ao nível da biologia

Neste aspeto, o PEG é normalmente utilizado como um agente precipitante no

isolamento de DNA de um plasmídeo, assim como na cristalização de proteínas.

No caso mais concreto da microbiologia, o PEG é, também, utilizado como um

agente precipitante, neste caso utilizado para concentrar os vírus. [13]

4.1.3 Usos ao nível da química

A sua elevada solubilidade faz com que o PEG seja um composto bastante utilizado

em inseticidas, herbicidas e pesticidas. Além disso, como é um composto inerte, o PEG não

prejudica o ambiente. O polietilenoglicol é também muito utilizado na cromatografia de

gases como uma fase polar estacionária.

O PEG é ainda utilizado no restauro e conservação de ruínas e destroços

submarinos que tenham sido recuperados visto este permitir que a madeira permaneça

dimensionalmente estável, evitando, assim, deformações que comprometam os destroços.


14


Fig. 7 – Usos comerciais do PEG (balas de paintball e cremes, respetivamente)

O PEG é frequentemente utilizado como composto de calibração interna em

espectrometrias de massa devido ao seu padrão de fragmentação característico, o que

permite um ajuste preciso e reprodutível.

Por fim, alguns segmentos de polímero derivados do PEG conferem flexibilidades

em fibras elásticas e poliuretanos espumados. [13]

4.1.4 Usos comerciais

O PEG é utilizado como base de muitos cremes e lubrificantes sexuais

(frequentemente em combinação com a glicerina). Além disso o polietilenoglicol é ainda

muito utilizado em pastas de dentes como um dispersante, assim como um dos principais

componentes das balas de paintball.

Já os polímeros de menor massa molecular (por exemplo, PEG 400) são utilizados

em algumas impressoras como solventes de tinta e/ou lubrificantes para cabeças de

impressão.

Por fim, o PEG é ainda usado como um agente inibidor da formação de espuma em

alguns alimentos. [13]


15


Fig. 8 – Fabrico de pneus

4.1.5 Usos a nível industrial

O PEG é utilizado numas vasta gama de produtos tais como lubrificantes têxteis ou

na impressão, rolamento e em componentes de polição de metais. É ainda utilizado em

solução aquosa ou hidrocarbonada, principalmente como agente de libertação ou anti-

aderente em diversas aplicações. Em particular, o polietilenoglicol utilizado na indústria

automóvel, mais concretamente no fabrico de pneus. [13]

Os PEG’s 200, 300, 400 e 600 são utilizados como plastificantes em adesivos para

aumentar a lubricidade e adicionar humidade, de modo a manter a resistência da ligação

húmida. Os PEG’s de diferentes massas moleculares são utilizados em cerâmica,

cumprindo funções de ligantes, plastificantes e lubrificantes, sendo os primeiros de elevada

massa molecular (PEG 335, 4000 e 8000) e os últimos de baixa massa molecular (PEG

200, 300, 400 e 600).

Devido às suas propriedades higroscópicas (elevada capacidade de absorção da

água), o PEG pode ser utilizado como agentes anti-estáticos, pois este tem a capacidade de

reduzir a estática, absorvendo a água. [13]


16


Fig. 9 – Mercado global do PEG de acordo com as suas aplicações, 2012-2020 (dados em milhares de toneladas

Ainda dentro dos usos do PEG na indústria encontra-se a extração de enzimas. Este

é um método de interesse, devido à sua facilidade, eficácia e custo reduzido. Este método

consiste na adição de PEG em certas concentrações a uma mistura de enzimas e

proteínas. Isto gera a precipitação, por exclusão da água superficial da estrutura proteica,

sendo a enzima depois recuperada por centrifugação. [14]

O PEG é ainda utilizado na produção de tintas de base aquosa, papel e cerâmicas.

O PEG é utilizado tanto em Portugal como no resto do mundo. Um exemplo de uma

empresa que produz e vende PEG 8000 é a empresa DOW sobre o nome CARBOWAX ™,

a um preço atrativo para uso industrial.

5. Importância económica e social

5.1 Importância económica

Devido às propriedades químicas do PEG, tais como a solubilidade em solventes

orgânicos e à sua não toxicidade e, consequentemente, um baixo impacto ambiental, é

esperado um acentuado crescimento no mercado global do PEG até 2020. Economias

emergentes, como China, Índia e Brasil, desempenham um grande papel no crescimento

deste mercado.

Sendo usado em áreas como a medicina, indústria e a farmácia, é expectável que o seu

crescimento se dê de acordo com o descrito no gráfico 1 até ao ano de 2020. [15]


17


Como se pode ver no gráfico, até 2020 é esperado que o mercado global passe de

cerca de 400 000 toneladas em 2012 para quase 600 000 toneladas, um crescimento de

50%. Apesar deste acentuado crescimento, podemos ver que a quota-parte correspondente

a cada setor se vai mantendo constante conforme o crescimento.

O seu vasto uso na produção de tintas de base aquosa, papel e cerâmicas e ainda na

área da construção justificam este crescimento.

O avanço tecnológico da fratura hidráulica (método que possibilita a extração de

combustíveis líquidos e gasosos do subsolo) resultou numa maior produção de

petroquímicos que permitem uma maior produção de PEG, fazendo com que este se torne

mais viável de um ponto de vista económico. Foi também desenvolvida a produção de PEG

a partir de cana de açúcar, pela empresa Acme-Hardesty, sendo esta uma solução

sustentável para a produção do mesmo, abrindo assim portas ao mercado biológico.

O preço de mercado de um quilograma de PEG varia conforme o seu tipo, podendo um

quilograma de PEG 4000 rondar os 65,90€ e a mesma quantidade de PEG 8000 chegar aos

71,90€, de acordo com os dados da distribuidora Sigma-Aldrich. [16]

Em suma, por ser um composto acessível, de baixo impacto ambiental e crucial em

rentáveis processos de separação de macromoléculas, o PEG ganha terreno no mercado

mundial, marcando assim a sua importância económica.


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5.2 Importância Social

Embora passe despercebido, o PEG tem um importante papel a nível social por ser

usado nos mais diversos produtos, desde comésticos a cerâmicas, substituindo assim

outros componentes mais caros, baixando os custos dos produtos em que é usado.

Devido à sua não toxicidade, um dos maiores contributos sociais provenientes do PEG é

o seu uso em laxantes. Há no mercado diversos medicamentos para a obstipação que têm

na sua constituição PEG, tais como GlycoLax e Fortrans, aos quais os pacientes reagem

bem.

Estão a ser realizados diversos estudos sobre o uso de diversas variantes do PEG no

tratamento de doenças, nomeadamente o PEG 8000, que já mostrou surtir efeito no

tratamento de cancro colorrectal. A introdução de PEG 2000 na corrente sanguínea de

porquinhos-da-índia após lesões na coluna ajudou a uma mais rápida recuperação dos

mesmos, devido à reparação de membranas nervosas. [17]

Tendo em conta estes dados, podemos inferir que a longo prazo o PEG vai assumir um

maior e mais destacado papel na sociedade.


19


6. Conclusões

O PEG é um polímero que apresenta inúmeros usos em diversas áreas da indústria,

nomeadamente na alimentar, na cosmética e na farmacêutica.

Apesar de ser um composto pouco conhecido pela população em geral, este projeto fez-

nos aperceber que tem uma grande importância económica e social, por se encontrar em

vários produtos do dia-a-dia.

Devido ao facto de termos encontrado, durante a elaboração do projeto, muitas

investigações e estudos sobre o tema, podemos prever que, a longo prazo, este produto vai

ter cada vez maior impacto na indústria mundial e, consequentemente, na vida das pessoas.


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7. Referências bibliográficas

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