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]
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PEG - Utilização em processos de separação
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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PEG - Utilização em processos de separação
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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PEG - Utilização em processos de separação
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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PEG - Utilização em processos de separação
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]
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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]
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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]
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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]
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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.
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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]
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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]
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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]
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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.
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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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