Dissertationen zum Thema „Aqueous ionic liquid“

Mestrado em Engenharia Química
O principal objetivo do presente trabalho é estudar a aplicação dos líquidos iónicos (LIs) na formação de sistemas aquosos bifásicos (SAB) e avaliar a sua capacidade para extrair compostos bioativos. Deste modo, este estudo foca essencialmente a procura de sistemas mais benignos, através da aplicação de sais orgânicos, e uma melhor compreensão dos mecanismos que regem a partição de biomoléculas entre as duas fases destes sistemas. Os SAB constituídos por LIs apresentam uma grande aplicabilidade na extração e purificação de uma vasta gama de compostos, sendo capazes de preservar as suas características. Assim, com o intuito de fomentar os estudos efetuados nesta área, e de melhorar a performance destes sistemas, iniciou-se o presente trabalho com a caracterização de SAB compostos por vários LIs e o sal orgânico citrato de potássio. O conjunto de LIs selecionados permitiu estudar o efeito da natureza do anião e do catião central sobre a capacidade de formação destes sistemas. Adicionalmente analisou-se o efeito do tamanho da cadeia alquílica do catião imidazólio e o efeito do pH. A extração de um conjunto de alcaloides foi efetuada, não apenas para verificar a aplicabilidade dos SAB compostos por LIs e um sal orgânico, mas também para estudar o efeito da agregação dos LIs, e o seu consequente impacto na partição de diferentes biomoléculas. Os resultados obtidos mostraram que a agregação dos LIs tem um efeito significativo e permite uma manipulação das extrações. Por fim, investigou-se a aplicabilidade dos SAB compostos por LIs na extração e concentração de compostos que apresentam riscos para a saúde humana. Normalmente, a baixa concentração do bisfenol A (um disruptor endócrino) nos fluídos humanos dificulta a sua deteção através de técnicas analíticas convencionais. Estudou-se o efeito do catião central e otimizaram-se as condições de extração. Os resultados obtidos demonstraram uma elevada capacidade de extração por parte dos SAB selecionados e a possibilidade de concentrar até 100 vezes o bisfenol A presente nos fluidos biológicos.
The main objective of the present work is to study the application of ionic liquids (ILs) in the formation of aqueous two-phase systems (ATPS) and to evaluate their capability in the extraction of bioactive compounds. This study is essentially focused on the finding of more benign systems, making use of organic salts, and in the gathering of a deeper understanding on the mechanisms which rule the partitioning of biomolecules between the coexisting phases of ATPS. IL-based ATPS display a widespread applicability in the extraction and purification of a large range of compounds, while preserving their characteristics. Thus, with the purpose of fostering the studies conducted in this area and to improve the performance of these systems, this work starts with the characterization of ATPS composed of several ILs and the organic salt potassium citrate. The selected ILs allowed the study of the effect of the anion nature and cation core towards the phase diagrams behavior. Additionally, it was analyzed the influence of the imidazolium cation alkyl side chain length, as well as the pH, in the formation of these systems. The extraction of a series of alkaloids was carried out not only to verify the applicability of ATPS formed by imidazolium-based ILs and an organic salt, but also to study the effect of the ILs self-aggregation and subsequent impact on the partitioning pathway of different biomolecules. The obtained results show that the self-aggregation of ILs has a significant effect and allows tailored extractions. Finally, the actual applicability of IL-based ATPS in the extraction and concentration of compounds of human concern from biological fluids was investigated. Usually, the low concentrations of bisphenol A, an endocrine disruptor, in human fluids make it difficult to detect via conventional techniques. The effect of the IL cation core was investigated and the extraction conditions were optimized. The results showed a high extraction efficiency and concentration up to 100-fold of bisphenol A from biological fluids.

Mestrado em Engenharia Química
The main objective of this work consists on the development of a more benign and efficient technique for the extraction of added-value compounds from biomass. In particular, the use of ionic liquids (ILs) for the extraction of caffeine from spent coffee was investigated. This compound display important properties with relevance in food, pharmaceutical, cosmetic and agrochemical industries. Spent coffee grounds (SCG) are a waste product without commercial value, being thus a raw material with virtually no cost and with a huge potential of value-added compounds able to be extracted. To this end, solid-liquid extractions from biomass were carried out using aqueous solutions of various ILs as well as mixtures of ILs and salts. As a first attempt, several protic Ils (PILs) were synthesized and characterized. These were chosen since they have unique characteristics that facilitate their recovery as well as the separation of the extracted components. The results obtained indicate that triethanolammonium acetate is the best candidate to extract caffeine. More specifically, at the concentration of 2 M, a temperature of 358 K (85°C), a solid-liquid ratio of 0,1 and 45 minutes of extraction time, it was achieved a value of extracted caffeine of 3.01% (w/w). Aqueous solutions of different aprotic ILs, with a common cholinium cation, were also investigated for the extraction of caffeine. A factorial planning was carried out in order to identify the optimum operating conditions. The optimum operating conditions for caffeine extraction with aqueous solutions of cholinium bicarbonate were obtained in the following conditions: time of 30 minutes, temperature of 323 K (50°C), solid-liquid ratio of 0.05 and LI concentration of 1.5 M, where the value of caffeine extraction obtained was of 1.85% (w/w). Mixtures of salts with hydrotropic characteristics with ILs were finally investigated for the extraction of caffeine in order to combine the properties of both classes of compounds. It has been found that the compounds containing the tosylate anion have a higher ability to extract caffeine. In addition, the LI 1-butyl-3-methylimidazolium tosylate or an equimolar mixture of sodium tosylate with 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, lead to similar values of extracted caffeine. More specifically, for a concentration of 1M, the value obtained for the extraction of caffeine was of 3.50% (w/w), at a temperature of 348 K (75°C), extraction time of 30 minutes and solid-liquid ratio of 1:10. In summary, this thesis describes the application of aqueous solutions of ILs foreseeing the development of more efficient and sustainable extractive processes.
O principal objetivo desta dissertação recai sob o estudo de técnicas de extração alternativas de compostos de valor acrescentado a partir de biomassa, mais benignas e eficientes do que as habitualmente utilizadas. Em particular, estudou-se a utilização de soluções aquosas de líquidos iónicos (LIs) para a extração de cafeína a partir de borras de café. O interesse da extração deste composto deve-se às suas propriedades e consequente interesse pelas indústrias alimentar, farmacêutica, cosmética e agroquímica. De salientar ainda que as borras de café são um produto residual sem valor associado, constituindo uma matéria-prima praticamente sem custos e com um enorme potencial de compostos químicos de valor acrescentado passíveis de serem extraídos. Para tal, efetuaram-se extrações do tipo sólido-líquido a partir de borras de café utilizando várias soluções aquosas de LIs, assim como misturas de LIs com sais. Começou-se pela síntese de líquidos iónicos próticos (LIPs) e sua caracterização. A utilização de LIPs prende-se com o facto de possuírem características muito singulares que facilitariam a recuperação bem como a separação dos compostos extraídos. Os resultados obtidos mostraram, que dos LIPs sintetizados, o mais promissor na extração de cafeína foi o acetato de trietanolamina. Mais concretamente, para uma concentração de 2 M, uma temperatura de 358 K (85˚C), uma razão sólido-liquido de 0,1 e um tempo de extração de 45 minutos, conseguiu-se obter uma percentagem de cafeína extraída de 3,01% (m/m). Também se estudou a otimização da extração da cafeína de borras de café utilizando como solvente soluções aquosas de diferentes LIs apróticos, com o catião colínio em comum, em que se recorreu a um planeamento fatorial por forma a obter o ponto ótimo de extração, relativamente à temperatura, razão sólido-liquido, tempo e concentração do LI. Verificou-se que o ponto ótimo de operação para a extração de cafeína com soluções aquosas de bicarbonato de colínio ocorre para um tempo de 30 minutos, um temperatura de 323 K (50ºC), uma razão sólido-liquido de 0,05 e concentração de LI de 1,5 M, onde a extração de cafeína obtida foi de 1,85% (m/m). Foram também testadas misturas de sais com atividade hidrotrópica com LIs apróticos, com um catião imidazólio em comum, a fim de conjugar as propriedades de ambos os compostos de forma a potenciar a extração de cafeína. Constatou-se que os compostos (sal ou LI) que contêm o anião tosilato tem capacidade de extrair uma maior percentagem de cafeina. Os valores de extração obtidos, utilizando o LI tosilato de 1-butil-3-metilimidazólio ou uma mistura equimolar de tosilato de sódio com cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio, foram semelhantes, sendo que para a concentração de 1M a extração de cafeina foi de 3,50 % (m/m), a uma temperatura de 348 K (75ºC), tempo de 30 minutos e razão sólido-liquido de 1:10. Em suma, esta tese descreve a aplicação de soluções aquosas LIs visando o desenvolvimento de processos extrativos mais eficientes e sustentáveis.

The thesis presents investigations on the process intensification behaviour in small scale separators operating in plug (segmented) flow. The continuous extraction behaviour, as well as the hydrodynamic characteristics of the liquid-liquid flow in microchannels is numerically and experimentally studied. The interphase mass transfer process using the extractant species Europium (III) as tracer was observed and quantified. The Eu(III) microfluidic extraction from nitric acid solutions was carried out in 0.2 mm and 0.5 mm channels using an ionic liquid solution (0.2M n-octyl(phenyl)-N,Ndiisobutylcarbamoylmethyphosphine oxide (CMPO) -1.2M Tributylphosphate) (TBP)/1-butyl- 3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]amide; ([C4min][NTf2]) as the extraction phase. Distribution and mass transfer coefficients were found to have maximum values at nitric acid concentration of 1M. Mass transfer coefficients were higher in the small channel, where recirculation within the plugs and interfacial area are large, compared to the large channel for the same mixture velocities and phase flow rates. Within the same channel, mass transfer coefficients decreased with increasing residence time indicating that significant mass transfer takes place at the channel inlet where the two phases come into contact. The experimental results were compared with previous correlations on mass transfer coefficients in plug flows. To better characterize the microfluidic flow, bright field Micro-Particle Image Velocimetry and high speed imaging were employed to measure velocity profiles and to obtain the geometric characterstics of the plug flow for the 1M HNO3 solution that was used in the extraction experiments. Correlations regarding film thickness, plug velocity and plug length are developed based dimensionless parameters. It was found that the liquid film surrounding the plug is largely affected by the changes in the front cap for the range of Capillary numbers studied (0.0224< Ca <0.299), while the droplet volume is highly dependent on the channel diameter as well as the mixture velocity. The volume-of-fluid (VOF) method is then used to model the velocities and pressure distribution in the plug flow in the channel and shows good agreement with experimental results and previous models. These features will help in optimizing the microfluidic plug flow for mixing, as well as mass and heat mass transfer enhancement. The mass transfer profiles of the extractant species Eu(III) are also studied using Laser Induced Fluorescence. Recirculation patterns appear in the dispersed aqueous phase from the plug formation stage, and 30-50 % of the mass transfer occurs during plug formation, where new interfaces are formed and mixing is enhanced from the recirculation pattern, especially at high Umix. After experiencing convection and normal diffusion extraction equilibrium achieved, the fluorescent signal in the ionic liquid phase is very strong as Eu(III) transfers into it. The correlations proposed on the hydrodynamics and observations of the mass transfer characteristics during plug flow will contribute to the development of microfluidic devices.

The formation of lipid bilayer membranes between droplets of ionic liquid is presented as a means of forming functional bimolecular networks for use in sensor applications. Ionic liquids are salts that have a number of useful properties, such as low melting points making them liquid at room temperature and exceedingly low vapor pressure. Ionic liquids have seen recent popularity as environmentally friendly industrial solvent alternatives. Our research demonstrates that it is possible to consistently form lipid bilayers between droplets of ionic liquid solutions. Analysis shows that the ionic liquids have negligible effects on the physical stability and electrical properties of the bilayer. It is also shown that the magnitude of the conductance levels of Alamethicin peptide are altered by some ionic liquids.
Master of Science

Injection of a mixture of HAuCl4 and cellulose dissolved in the ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium chloride [Bmim]Cl into aqueous NaBH4 leads to colloidal gold nanoparticle/cellulose hybrid precipitates. This process is a model example for a very simple and generic approach towards (noble) metal/cellulose hybrids, which could find applications in sensing, sterile filtration, or as biomaterials.

Superoxide (O2•-) is the key discharge intermediary driving many non-aqueous metal-oxygen (M-O2) battery chemistries.1–4 Characteristic dioxygen (O2x, where x = -2, -1, 0, +1) stretching vibrations (νO-O) have been well documented spectroscopically in numerous chemically unique systems.5–8 Therefore, the O2•- intermediary can be used as a diagnostic molecule to spectroscopically probe electrolyte effects on O2 reduction-evolution reaction (OR/ER) processes at the electrode/electrolyte interface, providing fundamental insight into non-aqueous M-O2 reaction mechanisms. However, it is first important to understand the vibrational spectra of O2x, though a concise overview of the large amount of empirical data in different chemical environments is lacking. Herein, reviewing the spectroscopy of O2•- and other O2x species gave a good spectroscopic grounding that supported in situ spectroscopic studies of OR/ERs in novel ionic liquid (IL) based electrolytes. Fundamental studies of OR/ERs at the roughened gold (rAu) model electrode interface in a variety of IL electrolytes using in situ surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) were performed to study IL cation and anion effects on the chemical nature of O2•-. Analysis of νO-O and IL vibrational peak intensities and Stark shifts provided valuable information about electrolyte interactions. Furthermore, IL:solvent (IL:sol) blended electrolytes were studied to determine the effect of the solvent and salt additives on the properties of the IL electrolyte. Overall, four key parameters were shown to affect the chemical nature of O2•- at the electrode/electrolyte interface, the: (1) IL cation, (2) IL anion, (3) solvent additive Gutmann acceptor/donor number (AN/DN) and (4) the electrode potential. To optimise various physicochemical properties of the electrolyte, A general heuristic methodology for “tailoring”, screening and optimising the electrolyte was developed and a series of novel electrolytes were formulated. These novel electrolytes showed improved O2 reduction reaction (ORR) electrochemistry and exceptional stability in contact with lithium metal (Li-metal) with good physicochemical properties. Our study provides valuable information for the design and tailoring of novel IL based electrolytes for Li and other M-O2 batteries.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental
The main objective of the present work is the application of aqueous biphasic systems (ABS) with ionic liquids (ILs) in the extraction of pharmaceutical wastes. Nowadays, after their expiration date time recovered medicine waste are incinerated, destroying most of the valuable compounds present, with only a minor thermic valorisation. Therefore the development of new processes that allow this wastes valorization is crucial to create a more environmentally friendly process and the use of wastes as a source of raw materials. The development of new ABS with ILs and their study allowed the optimization of the extraction of paracetamol and caffeine. Finally the application of this simple and fast process to a medical waste (ALGIK) resulted in a complete extraction of both paracetamol and caffeine.
Este trabalho tem como objetivo estudar a aplicação de sistemas aquosos bifásicos (SAB) com líquidos iónicos (LIs) na extração de compostos ativos de resíduos farmacêuticos. Atualmente os medicamentos fora do mercado são recolhidos e incinerados, sendo por isso a totalidade dos compostos ativos de interesse perdidos por combustão completa. Apesar da valorização energética destes resíduos há grandes perdas ao nível dos vários compostos presentes. Deste modo o desenvolvimento de novos processos simples de extração com vista a’ valorização dos compostos ativos presentes nos mesmos é de grande importância, minimizando os impactos ambientais e permitindo a utilização destes resíduos como fonte de matérias primas. Foi possível desenvolver novos SAB com LIs e proceder ao estudo e otimização dos mesmos na extração de cafeína e paracetamol. Por fim o processo otimizado foi aplicado a um resíduo medicamentoso (ALGIK). O resultado obtido demonstra uma completa extração dos compostos ativos com os SAB utilizados.

近年発酵生産が注目されているコハク酸の抽出分離法についてイオン液体を含む液膜法及び水性２相抽出法を用いて研究した．イオン液体を含む含浸型液膜により，受容相に塩酸水溶液を用いることでコハク酸の上り坂輸送を達成できた．次にイオン液体を含む高分子溶媒膜によるコハク酸の透過を検討した．最適な条件は含浸液膜と異なり，透過にはコハク酸の各化学種が関与していた．最後に水溶性有機溶媒やイオン液体を用いた水性２相抽出法によるコハク酸の抽出を行った．塩および糖を相分離剤とすることで，発酵液で想定されるコハク酸の80％以上の抽出が達成できた．
Succinic acid is widely used in many industrial sectors; pharmacy, textile, food, etc. The bio-production of succinic acid from renewable resource was desired because the petrochemical production of succinic acid became costly. In this study, the extraction and separation techniques of succinic acid by liquid membranes (LMs) and aqueous two-phase system (ATPS) containing ionic liquids (ILs) were exploited. The permeation mechanisms and optical conditions were elucidated.
博士(工学)
Doctor of Philosophy in Engineering
同志社大学
Doshisha University

Mestrado em Bioquímica - Métodos Biomoleculares
The increased inefficiency of antibiotics observed in the past few years, derived from the growing number of drug-resistant organisms and the appearance of individuals with impaired immune system, led to a significant research on antibodies for use in passive immunotherapy. Antibodies obtained from the egg yolk of immunized hens, immunoglobulin Y (IgY), are a promising alternative to mammalian antibodies. They can be obtained in higher titres and by less invasive techniques, thus opening the door for a new kind of more economic biopharmaceuticals. However, the available techniques for the IgY extraction and purification are time-consuming, labor intensive, low yielding, provide low-purification levels, are of high cost and cannot easily be scaled-up for industrial applications. In this work, ABS composed of C6H5K3O7 and ILs synthetized by the combination of anions with buffer capacity (Good’s buffers), with the tetrabutylphosphonium ([P4444]+) and tetrabutylammonium ([N4444]+) cations, were investigated. The use of different ILs allowed the study of the cation and anion nature on the phase diagrams behaviour and thus on their ability to form ABS. Further, the ability of these systems as an alternative purification platform for IgY, by a selective extraction, was studied. The complete extraction and purification of IgY was not achieved in a single with the investigated ABS. However, the study of the proteins profile of the coexisting phases allowed to conclude that all proteins migrate for the top phase during the partitioning process, and that a complex between the ILs and the different proteins present in the water-soluble fraction of proteins from egg yolk was formed. Still, the results obtained reveal that the system composed of 20.1 wt % [N4444][CHES] + 16.9 wt % C6H5K3O7 is the most promising ABS for the IgY extraction.
Recentemente, a utilização de anticorpos para imunoterapia passiva tornou-se uma área de investigação atrativa. Tal facto deve-se à diminuição da eficiência dos antibióticos pelo aumento do número de organismos resistentes. Os anticorpos obtidos a partir da gema do ovo de galinhas imunizadas, imunoglobulinas Y (IgY), são uma alternativa viável e promissora aos anticorpos de mamíferos. Estes apresentam inúmeras vantagens, dado que podem ser obtidos em maior quantidade e serem recolhidos por técnicas menos invasivas. Apesar das vantagens apresentadas, as técnicas disponíveis para a extração e purificação de IgY são demoradas, trabalhosas, apresentam baixo rendimento, levam a baixos fatores de pureza, apresentam custos elevados e não são facilmente aplicáveis a nível industrial. Assim, o principal objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de uma plataforma de purificação alternativa para a extração e purificação de IgY, utilizando sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos com capacidade tampão. Neste trabalho foram estudados SAB constituídos por C6H5K3O7 e líquidos iónicos, sendo os últimos sintetizados pela combinação de aniões com capacidade tampão (Good’s buffers), com os catiões tetrabutilamónio ([N4444]+) e tetrabutilfosfónio ([P4444]+). Os líquidos iónicos utilizados permitiram o estudo da influência do anião e do catião nos diagramas de fase, ou seja sob a capacidade dos diferentes líquidos iónicos para formar SAB. De seguida, foi testada a capacidade destes sistemas como uma plataforma alternativa para a extração seletiva, e posterior purificação, de IgY. A purificação de IgY não foi conseguida num único passo de extração com os sistemas estudados. No entanto, o estudo do perfil proteico de ambas as fases dos sistemas permitiu concluir que, durante a partição, todas as proteínas migraram para a fase superior e que houve formação de um complexo entre o IL e algumas das proteínas constituintes da fração aquosa proteica da gema do ovo. Os resultados obtidos revelaram que, entre os vários SAB estudados, o mais promissor para a extração de IgY, é aquele constituído por 20.1 (m/m) % [N4444][CHES] + 16.9 (m/m) % C6H5K3O7.

Cette thèse concerne l’étude de la réaction photoélectrochimique de réduction du CO2 (PEC CO2RR) sur le semi-conducteur de type p CuCo2O4 en abordant le rôle cocatalytique des RTIL à base d'imidazolium par microscopie photoélectrochimique à balayage (SPECM). Le CuCo2O4 a été étudié dans différents électrolytes supports, notamment une solution aqueuse, une solution de mélange binaire (25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O et 25 vol.% [C4mim][BF4]/H2O) et des liquides ioniques pur pour explorer par SPECM le rôle des RTIL dans les performances des PEC. Un courant de photoréduction significativement amélioré sous l'éclairage UV-vis et visible est obtenu dans une solution à 25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O. Seul le CO généré par la PEC CO2RR a été détecté sur une fibre optique à double sonde - ultra-microélectrode (OF-UME) développée au laboratoire et sur une électrolyse en volume sous illumination. La formation de CO à des potentiels plus positifs que la valeur thermodynamique est rapportée ici et il est clairement indiqué que la réduction directe du CO2 à la surface de l'électrode n'est pas le mécanisme. Un schéma de réaction possible pour la PEC CO2RR par l'intermédiaire de [C2mim]+ est proposé. Ainsi, nos résultats ont démontré pour la première fois le rôle cocatalytique de [C2mim]+ pour le PEC CO2RR. En outre, la CO2RR électrochimique a également été étudiée sur divers catalyseurs de métaux de transition, d'azote et de carbone (M–N–Cs). 25%Fe25%Co–N–C a montré la meilleure performance parmi les M–N–Cs étudiés. La présence de sites Co a fourni un effet synergique pour la génération de microcubes distribués riches en Fe, qui agissent comme des sites actifs dans la CO2RR électrochimique
This thesis studies photoelectrochemical CO2 reduction reaction (PEC CO2RR) on p-type semiconductor CuCo2O4 addressing the cocatalytic role of imidazolium based RTILs by scanning photoelectrochemical microscopy (SPECM). CuCo2O4 was studied in different solvent supporting electrolyte systems including: aqueous solution (0.1 M KHCO3 and 0.1 M Na2SO4), binary mixture solution (25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O and 25 vol.% [C4mim][BF4]/H2O) and pure RTILs ([C2mim][BF4], [C4mim][BF4]) to explore by SPECM the role of RTILs in CuCo2O4 semiconductor PEC performance. Significantly enhanced photoreduction current under both UV-vis and visible light illumination is reported in 25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O solution. Only CO generated from PEC CO2RR was detected using an in-situ detection method based on a home-made dual tip optical fiber-ultramicroelectrode (OF-UME) and from bulk electrolysis under illumination. The formation of CO at potentials more positive than the thermodynamic value clearly points out that direct CO2 reduction on the electrode surface is not the mechanism. A possible reaction scheme for the PEC CO2RR mediated by [C2mim]+ is proposed. Thus, our results have demonstrated for the first time the cocatalytic role of [C2mim]+ for the PEC CO2RR. In addition, electrochemical CO2RR has also been studied on various synthesized transition metal–nitrogen–carbon catalysts (M–N–Cs) by rotating disk electrode. 25%Fe25%Co–N–C exhibited the best performance among the studied M–N–Cs in this thesis. The presence of Co sites in that catalyst provided synergic effect for the generation of distributed Fe-rich microcubes, which act as active sites in electrochemical CO2RR

Doutoramento em Engenharia Química - Bioengenharia
Devido às suas propriedades únicas, sendo a sua capacidade de tailoring uma das mais importantes, os líquidos iónicos são atualmente considerados potenciais substitutos dos solventes orgânicos voláteis comumente utilizados pela indústria, o que levou a uma investigação crescente da sua aplicação em diversas áreas. Contudo, para além da utilização de líquidos iónicos hidrofóbicos na formação de sistemas bifásicos com água e/ou em meios aquosos, na última década, introduziram-se os líquidos iónicos hidrofílicos como constituintes de sistemas aquosos bifásicos – sistemas do tipo líquidolíquido compostos por duas fases aquosas e mais benignos – conduzindo a uma melhor performance de extração e seletividade para um vasto número de compostos. Tendo em conta todas estas vantagens, esta tese tem como objetivo o estudo científico e tecnológico de sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, envolvendo o desenvolvimento de novos processos de separação mais eficientes. Com o intuito de desenvolver plataformas de extração/separação mais eficientes, este trabalho inicia-se com o estudo de novos compostos e suas misturas na formação de sistemas aquosos bifásicos. A caracterização das propriedades das fases em equilíbrio e a descrição dos mecanismos que regem a formação destes sistemas, bem como a partição de diversos solutos entre as fases, são temas abordados no segundo capítulo. Por último, e como um exemplo de possível aplicação destes novos sistemas, estudou-se a sua utilização na extração e pré-concentração de compostos que apresentam riscos para a saúde humana e ambiente. A elevada versatilidade dos sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, bem como a sua elevada performance na extração dos mais diversos compostos, foram aqui demonstrados, confirmando o potencial destes sistemas como processos de separação alternativos. No entanto, e como comprovado neste trabalho, ainda é necessário prosseguir com a investigação em sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, principalmente visando o seu scale-up e utilização final pela indústria.
Due to their unique properties, being one of the most important their tailoring ability, ionic liquids (ILs) have been investigated in several fields and proposed as alternatives to hazardous volatile organic compounds commonly used by industries. In addition to the use of hydrophobic ILs in the formation of biphasic systems with water and/or in aqueous media, in the past decade, hydrophilic ILs were introduced as phase-forming components of aqueous biphasic systems (ABS) – more benign liquid-liquid systems composed of two aqueousrich phases – able to provide improved extraction performance with increased selectivity for a large range of compounds. Based on these advantages, this thesis aims to gather a deeper scientific and technological knowledge on ILbased ABS, through the development and characterization of novel and more efficient separation processes. Aiming at developing ABS with tailored and better extraction performance, this work starts with a comprehensive investigation on the use of new phaseforming components and their mixtures, and their impact on the formation of liquid-liquid systems. The characterization of the properties of the coexisting phases and the description of the mechanisms which rule the formation of ILbased ABS, as well as the partition behavior of several solutes between the phases, are addressed in the second chapter. Finally, the use of these novel IL-based systems in the extraction and pre-concentration of compounds of human and environmental concern is addressed as a main example of these systems applications. The high versatility of IL-based ABS, as well as their high extraction performance and selectivity, were here demonstrated, confirming their potential within separation processes. Nevertheless, and as proved in this work, additional research on IL-based ABS is still required so that these systems can be finally scaled-up and used by industries.

Doutoramento em Engenharia Química
Cancer is worldwide a major cause of death, with ca. 14 million new diagnosed cases each year. Therefore, the search for more efficient early-stage diagnosis methods is crucial aiming at increasing the treatment rate and survival of patients, as well as to decrease the expenses associated to advanced treatment. Prostate specific antigen (PSA) and lactate dehydrogenase (LDH) are proteins commonly found in human fluids (urine and serum), and have been considered as cancer biomarkers and in the monitoring of cancer treatment. However, due to their low concentration and the complexity of biological matrices with a large amount of other metabolites present (proteins, DNA, RNA), the pretreatment of samples for their concentration and purification is usually applied. In this work, alternative pretreatment techniques based on aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids (ILs) have been studied to extract, concentrate and purify proteins that can be used as cancer biomarkers, such as PSA and LDH. To this end, several preliminary works were performed to identify the most promising phase-forming components and conditions to create ABS that could be used for the extraction of proteins. These works comprise studies on the extraction of amino acids and model proteins in ABS, followed by investigations on their use with more complex matrices. Finally, ABS were investigated for the extraction and concentration of tumor biomarkers, namely PSA and LDH. In summary, the versatility of ILs allows the tailoring of the ABS extraction and concentration capacity, selectivity, and/or induced precipitation of cancer biomarkers from human fluids. The systems here developed are a viable and efficient alternative for the pretreatment of biological samples (serum and urine), thus contributing to the development of early-stage methods of cancer diagnosis.
O cancro é mundialmente uma das principais causas de morte, com cerca de 14 milhões de novos casos diagnosticados por ano. Neste sentido, o desenvolvimento de métodos de diagnóstico mais eficientes em estágio inicial da doença é crucial para auxiliar o tratamento e aumentar a taxa de sobrevida dos pacientes, além de diminuir as despesas associadas aos tratamentos avançados. O antígeno específico da próstata (PSA) e a lactato desidrogenase (LDH) são proteínas comumente encontradas nos fluidos humanos (urina e soro) e têm sido alvo de atenção como biomarcadores do cancro e na monitorização do seu tratamento. No entanto, devido à sua baixa concentração e à complexidade das matrizes biológicas com uma grande quantidade de outros metabólitos presentes (proteínas, DNA, RNA), é geralmente aplicado um ou mais passos de pré-tratamento de amostras. Neste trabalho, foram estudadas técnicas alternativas de pré-tratamento baseadas em sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos (LIs) para extrair, concentrar e purificar proteínas que podem ser usadas como biomarcadores de cancro, como a PSA e LDH. Para este fim, foram realizados vários trabalhos preliminares para identificar os componentes e condições de formação mais promissores para criar SAB que possam ser utilizados para a extração de proteínas. Estes trabalhos contemplam a utilização de SAB para a extração de aminoácidos e proteínas modelo, assim como a utilização de SAB em matrizes mais complexas. Finalmente, os SAB foram aplicados para a extração e concentração de biomarcadores tumorais, nomeadamente PSA e LDH. Em suma, com este trabalho verificou-se que a versatilidade dos LIs permite adaptar a capacidade de extração e concentração, seletividade, e/ou precipitação induzida de biomarcadores de cancro a partir de fluidos humanos. Os sistemas aqui desenvolvidos são uma alternativa viável e eficiente para o pré-tratamento de amostras biológicas (soro e urina), contribuindo assim para o desenvolvimento de métodos de diagnóstico de cancro precoces.

Electron-impact ionization of low-temperature water ice leads to H+, H2+, and H+(H2O)n=1-8 desorption. The threshold energy for ESD of H2+ from CI and H3O+ from PASW and ASW is 22 ± 3 eV. There is also a H2+ yield increase at 40 ± 3 eV and a 70 ± 3 eV threshold for ESD of H+(H2O)n=2-8 from PASW and ASW. H2+ production and desorption involves direct molecular elimination and reactive scattering of an energetic proton. Both of these channels likely involve localized two-hole one-electron and/or two-hole final states containing 4a1, 3a1 and/or 2a1 character. The 70 eV cluster ion threshold implicates either an initial (2a1-2) state localized on a monomer or the presence of at least two neighboring water molecules each containing a single hole. The resulting correlated two-hole or two-hole, one-electron configurations are localized within a complex and result in an intermolecular Coulomb repulsion and cluster ion ejection. The changes in the yields with phase and temperature are associated with structural and physical changes in the adsorbed water and longer lifetimes of excited state configurations containing a1 character. The dependence of the ESD cation yields on the local potential has been utilized to examine the details of HCl interactions on low temperature ice surfaces. The addition of HCl increases cluster ion yields from pure ice while decreasing H+ and H2+ yields. These changes reflect the changes in the local electronic potential due to the changing bond lengths at the surface of the ice as HCl ionizes and the surrounding water molecules reorient to solvate the ions. This work has been extended to ionic solutions at higher temperatures using a liquid jet and ultraviolet photoionization to interrogate the surface of aqueous ionic interfaces. Desorption of protonated water clusters and solvated sodium ion clusters were measured over a range of concentrations from NaCl, NaBr, and NaI solutions. The flux dependence indicated a multiple photon process and the proposed mechanism involves a Coulomb explosion resulting from the repulsion of nearby ions. The surface is investigated with regard to its importance in heterogeneous atmospheric chemistry.

Mestrado em Biotecnologia - Industrial e Ambiental
Tipicamente, apenas um dos enantiómeros é responsável pelo efeito pretendido de um fármaco, sendo que o outro pode levar a respostas menos potentes ou até mesmo indesejadas. As entidades reguladoras praticam políticas restritas em relação à comercialização de fármacos como misturas racémicas. Assim, a indústria farmacêutica tem enfrentado desafios relacionados com o desenvolvimento de métodos para produção de fármacos oticamente puros. No entanto, e considerando a dificuldade acrescida na produção de enantiómeros puros por síntese direta, a síntese de misturas racémicas seguida da sua purificação surge como uma alternativa mais barata, simples e flexível. Os sistemas aquosos bifásicos (SABs) e os sistemas de duas fases sólida-líquida (SDFSL) são técnicas alternativas mais biocompatíveis que têm sido utilizados como técnicas de separação enantiosseletiva de fármacos e/ou aminoácidos com enantiosseletividades bastante promissoras. Para além disso, apresentam benefícios de custo, rapidez, simplicidade e versatilidade de operação e possibilidade de aumento de escala. Este trabalho foca-se no desenvolvimento de SABs e SDFSL constituídos por seletores quirais que possam atuar simultaneamente como solvente. Numa primeira abordagem o objetivo foi desenvolver novos SABs quirais, mais biocompatíveis, simples e eficientes. Para tal, SABs constituídos por açúcares, aminoácidos e líquidos iónicos quirais foram aplicados na resolução enantiomérica de ácido mandélico racémico. O sistema mais promissor, composto por [C1Qui][C1SO4] + K3PO4, obteve um excesso enantiomérico de -33.4%. Numa segunda abordagem, foi possível criar uma alternativa mais simples e mais eficiente recorrendo a SDFSL. Com estes sistemas, foi obtido o valor mais elevado de excesso enantiomérico deste trabalho, de 49.0%, através da precipitação enantiosseletiva do R-ácido mandélico por interação com [N4444][D-Phe].
Conventionally, only one of the enantiomers is responsible for the intended effect of a drug, whilst the other may lead to a less potent or even undesired response. Regulation entities are very strict regarding the commercialization of racemic drugs. Thus, pharmaceutical industry has been facing challenges related to the creation of methods to produce optically active drugs. However, considering the increased difficulty in the production of pure enantiomers by direct synthesis, the synthesis of racemic mixtures followed by their purification appears as a cheaper, simpler and more flexible alternative. Aqueous biphasic systems (ABS) and solid-liquid biphasic system (SLBS) are more biocompatible alternatives that have been used to separate racemic drugs and amino acids with promising enantioselectivities. Furthermore, these are cost-effective, quick, simple and operationally flexible. This work intended to develop ABS and SLBS using chiral selectors that can simultaneously act as solvents. In a first attempt, chiral ABS of better biocompatibility, simplicity and efficiency were developed. For that purpose, ABS constituted by sugars, amino acids and chiral ionic liquids (CILs) were applied for chiral resolution of racemic mandelic acid (MA). The most promising ABS was a system composed of [C1Qui][C1SO4] + K3PO4 which yielded the maximum enantiomeric excess of -33.4%. In a second approach, it was possible to create a simpler and more efficient technique resorting to SLBS. The enantiomeric excess value of 49.0% was achieved, by the enantioselective precipitation of the R-MA caused by interactions with [N4444][D-Phe].

Pretretament is an essential and expensive processing step for the manufacturing of ethanol from lignocellulosic raw materials. Ionic liquids are a new class of solvents that have the potential to be used as pretreatment agents. The attractive characteristics of ionic liquid pretreatment of lignocellulosics such as thermal stability, dissolution properties, fractionation potential, cellulose decrystallisation capacity and saccharification impact are investigated in this thesis. Dissolution of bagasse with 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([C4mim]Cl) at high temperatures (110 �‹C to 160 �‹C) is investigated as a pretreatment process. Material balances are reported and used along with enzymatic saccharification data to identify optimum pretreatment conditions (150 �‹C for 90 min). At these conditions, the dissolved and reprecipitated material is enriched in cellulose, has a low crystallinity and the cellulose component is efficiently hydrolysed (93 %, 3 h, 15 FPU). At pretreatment temperatures < 150 �‹C, the undissolved material has only slightly lower crystallinity than the starting. At pretreatment temperatures . 150 �‹C, the undissolved material has low crystallinity and when combined with the dissolved material has a saccharification rate and extent similar to completely dissolved material (100 %, 3h, 15 FPU). Complete dissolution is not necessary to maximize saccharification efficiency at temperatures . 150 �‹C. Fermentation of [C4mim]Cl-pretreated, enzyme-saccharified bagasse to ethanol is successfully conducted (85 % molar glucose-to-ethanol conversion efficiency). As compared to standard dilute acid pretreatment, the optimised [C4mim]Cl pretreatment achieves substantially higher ethanol yields (79 % cf. 52 %) in less than half the processing time (pretreatment, saccharification, fermentation). Fractionation of bagasse partially dissolved in [C4mim]Cl to a polysaccharide rich and a lignin rich fraction is attempted using aqueous biphasic systems (ABSs) and single phase systems with preferential precipitation. ABSs of ILs and concentrated aqueous inorganic salt solutions are achievable (e.g. [C4mim]Cl with 200 g L-1 NaOH), albeit they exhibit a number of technical problems including phase convergence (which increases with increasing biomass loading) and deprotonation of imidazolium ILs (5 % - 8 % mol). Single phase fractionation systems comprising lignin solvents / cellulose antisolvents, viz. NaOH (2M) and acetone in water (1:1, volume basis), afford solids with, respectively, 40 % mass and 29 % mass less lignin than water precipitated solids. However, this delignification imparts little increase in saccharification rates and extents of these solids. An alternative single phase fractionation system is achieved simply by using water as an antisolvent. Regulating the water : IL ratio results in a solution that precipitates cellulose and maintains lignin in solution (0.5 water : IL mass ratio) in both [C4mim]Cl and 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate ([C2mim]OAc)). This water based fractionation is applied in three IL pretreatments on bagasse ([C4mim]Cl, 1-ethyl-3-methyl imidazolium chloride ([C2mim]Cl) and [C2mim]OAc). Lignin removal of 10 %, 50 % and 60 % mass respectively is achieved although only 0.3 %, 1.5 % and 11.7 % is recoverable even after ample water addition (3.5 water : IL mass ratio) and acidification (pH . 1). In addition the recovered lignin fraction contains 70 % mass hemicelluloses. The delignified, cellulose-rich bagasse recovered from these three ILs is exposed to enzyme saccharification. The saccharification (24 h, 15 FPU) of the cellulose mass in starting bagasse, achieved by these pretreatments rank as: [C2mim]OAc (83 %)>>[C2mim]Cl (53 %)=[C4mim]Cl(53%). Mass balance determinations accounted for 97 % of starting bagasse mass for the [C4mim]Cl pretreatment , 81 % for [C2mim]Cl and 79 %for [C2mim]OAc. For all three IL treatments, the remaining bagasse mass (not accounted for by mass balance determinations) is mainly (more than half) lignin that is not recoverable from the liquid fraction. After pretreatment, 100 % mass of both ions of all three ILs were recovered in the liquid fraction. Compositional characteristics of [C2mim]OAc treated solids such as low lignin, low acetyl group content and preservation of arabinosyl groups are opposite to those of chloride IL treated solids. The former biomass characteristics resemble those imparted by aqueous alkali pretreatment while the latter resemble those of aqueous acid pretreatments. The 100 % mass recovery of cellulose in [C2mim]OAc as opposed to 53 % mass recovery in [C2mim]Cl further demonstrates this since the cellulose glycosidic bonds are protected under alkali conditions. The alkyl chain length decrease in the imidazolium cation of these ILs imparts higher rates of dissolution and losses, and increases the severity of the treatment without changing the chemistry involved.

Ionic liquids and deep eutectic solvents are areas of great interest to non-aqueous reaction systems. They can be fine-tuned for an array of properties and are often less harmful than other, organic, solvents. This research focused specifically on self-assembly in ionic liquids and deep eutectic solvents with an eye to understand self-assembly processes. Not only does this work offer industrial applications, for isolated reaction systems and batteries, it also provides an interesting insight into the possibility of non-aqueous life-forms. If compartmentalisation can occur without water, then perhaps so too can the other requirements of life. Ionic liquid nanostructure significantly affected phospholipid self-assembly with more nanostructure resulting in more curved micellar phases, rather than the lamellar phases observed in water and less structured ILs. This held true for both zwitterionic lipids and ionic surfactants, demonstrated by microscopy, small angle neutron and x-ray scattering. Phospholipids formed swellable lamellar phases in all fourteen of the deep eutectic solvents tested. Examination of lipid transition temperatures by polarising optical microscopy demonstrated that the components of the solvent could influence lipid behaviour and stability, solvents with long alkyl components acted as cosurfactants. Tethered lipid membranes and electrical impedance spectroscopy demonstrated that membranes could exist, and form, in a pure IL environment (ethanolammonium formate). This is the first time such a technique has been used to study membranes in an IL and offers unparalleled opportunities for further research. Furthermore, this technique was used to demonstrate the continued function of a membrane transporter, valinomycin, in ethanolammonium formate. Valinomycin continued to transport potassium with an extremely high selectivity over sodium. These results show that compartmentalisation, and even protein function, can continue even in the absence of water.

Mestrado em Engenharia Química
The main objective of this work conveys on the study of reversible aqueous two-phase systems (ATPS), constituted by ionic liquids (ILs), and their potential application for the selective separation of dyes mainly used in the textile industry. The textile manufacturing is one of the main industries which discharges a heavy load of chemicals, especially large contents of dyes during the dying process through wastewaters, which results in severe environmental and economic concerns. In this context, this work focuses on the applicability of reversible ATPS, as well as on the development of more benign systems than those studied hitherto, as an alternative technique for the removal of dyes from wastewaters. Additionally, special attention was also given to the understanding of the molecular mechanisms which rule the partitioning of dyes between the coexisting phases of ATPS. IL-based ATPS display a widespread applicability in the extraction, concentration and purification of a large range of compounds, including dyes. Thus, this work started with investigations on the extraction of a set of dyes (chloranilic acid, indigo blue and sudan III) using more conventional ATPS composed of ILs and an organic/inorganic salt. At this stage, the influences of the IL chemical structure, the salting-out ability of the salt employed and the consequent pH of the aqueous medium were evaluated by the dyes extraction efficiencies. The results obtained reveal that a proper selection of the IL and salt can lead to the complete extraction of the three dyes studied for the IL-rich phase in a single-step procedure. After demonstrating the high capacity of ATPS formed by ILs to extract dyes from aqueous phases, it was studied the applicability of pH-triggered reversible ATPS in the selective separation of organic and inorganic dyes (sudan III and pigment blue 27). The reversibility of this type of ATPS was achieved by the manipulation of the speciation of the organic salt used. The results obtained confirm the reversibility behaviour of ATPS by a pH-driven phenomenon, at least for three times, as well as their selective separation capability with both dyes being extracted for opposite phases. Finally, and after demonstrating the existence of reversible pH-triggered ATPS, mixtures of a polymer and cholinium-based ILs combined with anions derived from carboxylic acids were investigated, foreseeing the search of more benign and biocompatible systems. The reversibility of these systems was achieved with the speciation of the IL anion as a function of the pH. These systems were finally evaluated in what concerns their performance for the extraction and selective separation of dyes (sudan III, pigment blue 27 and pigment 29), and the study revealed that IL-polymer systems are capable of selectively extract organic and inorganic dyes for opposite phases.
O principal objetivo do presente trabalho recai no estudo de sistemas aquosos bifásicos (SAB) reversíveis, constituídos por líquidos iónicos (LIs), bem como na sua potencial aplicação para a separação seletiva de corantes utilizados maioritariamente pela indústria têxtil. Esta é uma das principais indústrias que liberta uma grande quantidade de produtos químicos, destacando-se a descarga de elevadas quantidades de corantes através dos respetivos efluentes aquosos, o que é motivo de elevada preocupação tanto a nível ambiental como económico. Este trabalho centra-se no estudo da aplicabilidade de SAB reversíveis, através de variações de pH do meio aquoso, assim como na procura de SAB constituídos por LIs mais benignos que os estudados até ao momento, como uma técnica alternativa para a remoção de corantes de efluentes aquosos. Adicionalmente, também se deu um especial destaque à interpretação dos mecanismos que regem a partição de corantes entre as duas fases neste tipo de sistemas. Os SAB constituídos por LIs apresentam uma grande aplicabilidade na extração e purificação de uma vasta gama de compostos, incluindo corantes. Assim, iniciou-se o presente trabalho com a extração de um conjunto de corantes (ácido cloroanílico, azul indigo, sudão III) utilizando SAB mais convencionais e constituídos por LIs e um sal orgânico/inorgânico. Nesta etapa avaliou-se o efeito da estrutura química do LI sobre a capacidade de extração, assim como o efeito do sal e consequente pH do meio. Os resultados obtidos revelaram que uma seleção adequada do LI e do sal pode conduzir à extração completa dos três corantes estudados e num único passo operacional. Após demonstrar a elevada capacidade de SAB constituídos por LIs para extrair corantes de fases aquosas, estudou-se a aplicabilidade de SAB reversíveis, por variações de pH, na separação seletiva de corantes orgânicos e inorgânicos (sudão III e pigmento azul 27). A reversibilidade deste tipo de SAB foi conseguida com a manipulação da especiação do sal orgânico utilizado. Os resultados obtidos confirmaram a reversibilidade dos SAB, pelo menos até três vezes, por variação do pH, assim como uma capacidade de extração seletiva de cada um dos corantes para fases opostas. Por fim, e após confirmada a existência de SAB reversíveis, estudaram-se misturas de um polímero e LIs da família das colinas com aniões derivados de ácidos carboxílicos com o intuito de encontrar sistemas mais benignos e biocompatíveis. A variação do pH e reversibilidade neste tipo de sistemas foi conseguida com a especiação do anião do LI. Estes sistemas foram finalmente avaliados no que respeita à sua capacidade de extração e separação seletiva de corantes (sudão III, pigmento azul 27 e pigmento 29), e o estudo revelou que os sistemas LI-polímero conduzem a uma extração seletiva entre os corantes orgânicos e os pigmentos inorgânicos.

Doutoramento em Engenharia Química
The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.
O principal objetivo desta tese recai sobre a utilização de líquidos iónicos (LIs) como uma nova classe de solventes para a extração de compostos de valor acrescentado a partir da biomassa. Nestes compostos estão incluídos os compostos fenólicos (vanilina e ácidos gálico, siríngico e vanílico), alcaloides (cafeína) e aminoácidos (L-triptofano). O interesse da extração destes compostos naturais está relacionado com as suas excelentes propriedades e consequente interesse para aplicação nas indústrias alimentar, de cosmética e farmacêutica. De forma a desenvolver uma técnica de extração/purificação mais benigna e eficiente do que as habitualmente utilizadas, foram estudados vários sistemas aquosos bifásicos (SABs) constituídos por LIs e sais orgânicos/inorgânicos. Foi também criada uma escala de polaridades para os LIs, através da determinação de parâmetros solvatocrómicos, para se poder avaliar a afinidade de diferentes LIs para compostos de valor acrescentado. Para além do uso de SABs, realizaram-se extrações do tipo sólido-líquido a partir de biomassa e utilizando soluções aquosas de LIs. Neste contexto, otimizou-se a extração da cafeína, quer de sementes de guaraná quer de borras de café, utilizando um planeamento fatorial para o efeito. Mostrou-se ainda que em ambos os tipos de extrações estudados é possível recuperar os compostos de valor acrescentado e reciclar as soluções de LI e sal utilizadas durante o processo extrativo. Por fim, com o propósito de explorar a recuperação dos compostos de valor acrescentado utilizando técnicas mais simples e sustentáveis, foram determinadas as solubilidades do ácido gálico, vanilina e cafeína em diversas soluções aquosas de LIs e sais. Foi possível demonstrar que os LIs atuam como hidrótropos e, deste modo, pode-se utilizar água como um anti-solvente adequado. Esta tese descreve a aplicação de LIs no desenvolvimento de processos extrativos mais eficientes e sustentáveis.

Mestrado em Química Analítica e Controlo de Qualidade
O objectivo principal deste trabalho é estudar o equilíbrio de fases de líquidos iónicos em sistemas aquosos bifásicos. Para isso foram estudadas as solubilidades mútuas entre água e líquidos iónicos hidrofóbicos, e foi criado um modelo que descreve esta propriedade. Além disso, foram realizados e estudados sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos hidrofílicos e o sal inorgânico K3PO4. Os líquidos iónicos são sais compostos por iões grandes que não formam uma rede cristalina bem definida, e assim permanecem líquidos à temperatura ambiente ou perto desta. Estes compostos são solventes interessantes, em reacções orgânicas convencionais do tipo liquido-liquido e em processos de separação, devido às suas propriedades termofísicas, à sua grande capacidade de solvatação e à sua pressão de vapor desprezável. Em particular, o conhecimento de solubilidades mútuas com água é muito importante para a extracção de compostos orgânicos em meios aquosos, uma vez que são necessários líquidos iónicos com baixa solubilidade na água, e para tal o conhecimento das solubilidades mútuas é de elevada importância. Com este propósito, as solubilidades mútuas entre a água e os líquidos iónicos foram determinadas no intervalo de temperatura entre 288,15 K até 318,15 K e à pressão atmosférica. Os líquidos iónicos seleccionados permitiram o estudo da influência da estrutura do catião e do anião. De forma a complementar este estudo foi criado um modelo QSPR de forma a prever as solubilidades mútuas entre a água e os líquidos iónicos a 303,15 K. Os sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos podem ser de especial interesse em aplicações de biotecnologia na separação e purificação de biomoléculas vitais. Assim, foi realizado um estudo sistemático envolvendo um grande número de líquidos iónicos baseados no catião imidazólio afim de se obter nova informação acerca da capacidade dos líquidos iónicos promoverem a formação de sistemas aquosos bifásicos e extraírem biomoléculas. Com este propósito, foi avaliada a influência da natureza do anião, bem como a estrutura do catião. Foram determinados diagramas de fase com líquidos iónicos, água e K3PO4, assim como as respectivas linhas de equilíbrio. Como complemento, os sistemas aqui estudados foram também caracterizados pelo seu potencial em extrair aminoácidos, para o qual o L-triptofano foi seleccionado como uma biomolécula modelo. ABSTRACT: The main goal of this work is to study the behavior of ionic liquids in aqueous biphasic systems. For that purpose it was studied the mutual solubilities of water and hydrophobic ionic liquids and created a model to describe that property. In addition, aqueous biphasic systems employing hydrophilic ionic liquids and an inorganic salt, K3PO4, were carried and analyzed. Ionic liquids are salts composed of large ions that cannot easily form an ordered crystal and thus remain liquid at or near room temperature. Their intrinsic thermophysical properties, their high solvating ability and their negligible vapour pressures make them interesting solvents in conventional organic liquid-phase reactions and in separation processes. In particular, the knowledge of their mutual solubilities with water is very important for the extraction of organic products from chemical reactions that proceed in aqueous media and in liquid-liquid extractions from aqueous phases since ionic liquids with low solubility in water are required, and therefore the knowledge of their mutual solubilities with water is highly important. With that aim, the mutual solubilities between water and hydrophobic ionic liquids were determined from temperatures ranging from 288.15 K to 318.15 K and at atmospheric pressure.The selected ILs allowed the study of the cation and anion structure influence. In order to complement this experimental approach, a QSPR model was built to predict mutual solubilities between water and ionic liquids at 303.15 K. Aqueous biphasic systems containing ionic liquids could be especially interesting in biotechnological applications for the separation and purification of vital biomolecules. Therefore, a systematic study involving a large number of imidazolium-based ILs was conducted to provide new information related to the ionic liquids ABS promoting capability and extraction ability. For that purpose, the influence of the anion nature as well as the cation structure composing the ionic liquids were evaluated. Phase diagrams of the aqueous biphasic systems formed by ionic liquids and K3PO4, and the respective tie-lines, were measured. In addition, the aqueous biphasic systems here investigated were also characterized according to their extractive potential of aminoacids, where Ltryptophan was selected as a model biomolecule.

Controlled radical polymerizations (CRPs) are among the most powerful methods to obtain polymers with well-defined properties and high value. Atom transfer radical polymerization (ATRP) is the most used technique in both academia and industry in the field of CRP, thanks to its versatility and simple setup. In ATRP, a metal complex in a low oxidation state, MtzLm (typically a copper-amine system, [Cu(I)L]+) reacts with a dormant polymeric chain Pn-X (where X = Cl, Br) to produce radicals Pn-*. Such radicals can propagate the polymeric chain by addition to a monomer in the bulk of the solution. In this process, the copper complex is oxidized and binds to X-, generating the deactivating species [X-Cu(II)L]+, which can trap the propagating radicals. ATRP equilibrium is well shifted towards the dormant species Pn-X, so that Pn-* concentration is very low and the probability of bimolecular radical-radical termination is minimized. Macromolecular growth begins essentially at once for all chains thanks to the utilization of very efficient alkyl halides (RX) as polymerization initiators. In such conditions, chain growth is homogenous and it is possible to obtain polymers with predetermined molecular weight, narrow molecular-weight distribution, and high C-X chain end fidelity. ATRP allows constructing macromolecules with specific composition, architecture and position of functional groups. The aim of this thesis is to contribute to both the understanding and development of ATRP catalyzed by copper complexes, using electrochemical methods as both analytical tools and instruments to carry out and control the polymerization. The work focused on both thermodynamic and kinetic properties of ATRP catalytic systems, and the use of such systems to efficiently control macromolecular growth. The investigated ATRP systems can be considered "green" for several reasons: (i) most of the work regarded the study and development of the reaction in water, a solvent generally characterized by high catalytic activity but poor polymerization control; (ii) electrochemical methods for catalyst regeneration (electrochemically mediated ATRP, eATRP) allowed carrying out the polymerization with low amounts of copper complexes; (iii) ionic liquids, a new class of non-flammable and easily recyclable solvents, were explored as potential media for eATRP; (iv) the mechanism of ATRP mediated by organic catalysts (metal-free ATRP) was investigated and defined. A fundamental characteristic of Cu(I) catalysts is their reactivity towards the Pn-X (or initiator RX) bond cleavage, with generation of propagating radicals Pn-*. Any detailed investigation of catalyst reactivity in water was impossible up to now, because of their extremely high reactivity in this solvent. For this purpose, it was necessary to develop a set of electrochemical transient methods, which involve active [Cu(I)L]+ complex generation, and analysis, in the proximity of the electrode surface. Such techniques allowed measuring kact (ATRP activation rate constant) values spanning a broad interval covering 5 orders of magnitude. This permitted the study of the most active and latest developed catalysts and initiators, in common polar and active solvents such as water and DMSO. kact correlates linearly with both ATRP equilibrium constant (KATRP) and RX bond dissociation free energy. Such correlations help to predict the reactivity of new catalyst/initiators and to select rationally polymerization conditions. ATRP catalysts were investigated in the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium triflate. Both Cu/L speciation and reactivity were found to be suitable with a well-controlled polymerization process. Overall, thermodynamic and kinetics aspects of ATRP catalysts in ionic liquids appear to be similar to that observed in common organic solvents (e.g. CH3CN, DMF). In water, copper catalysts are not only characterized by an extreme reactivity, but also by their involvement in side reactions that can undermine efficiency of ATRP equilibrium (e.g. complex decomposition in both acid and basic environment and dissociation of the halide ion from the deactivating complex [X-Cu(II)L]+). Quantification of such reactions allowed defining stability intervals of most used ATRP catalysts in water. Defined limits of control were tested by carrying out an extensive series of polymerizations of the monomer oligo(ethyleneoxide) methylether methacrylate (OEOMA). Polymerizations were conducted with electrochemical (re)generation of the active [Cu(I)L]+ complex (eATRP). Exceptionally active catalysts such as Cu/Me6TREN (Me6TREN = tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine) provided fast and controlled polymerizations with slow Cu(I) regeneration; inexpensive systems such as Cu/PMDETA (PMDETA = N,N,N-,N--,N---pentamethyl diethylenetetramine) needed a large X- excess in order to prevent [X-Cu(II)L]+ dissociation. Pyridinic complexes, such as Cu/TPMA (TPMA = tris(2-pyridylmethyl)amine), were stable down to extremely acidic pH (ca. 1). Overall, these results allowed unprecedented control over conditions of macromolecular growth in water. In addition, they opened a new avenue for the polymerization of acidic monomers, a class of building blocks currently considered to be problematic, or even impossible, to be polymerized by ATRP. The main reason preventing ATRP of methacrylic acid was a cyclization reaction involving the chain end, with the terminal halogen as leaving group. Simple strategies, described in chapter 4, allowed dramatically improving conversion and control over MAA polymerization. Such conditions allowed synthesis of well-controlled high molecular weight poly(methacrylic acid), PMAA, with degree of polymerization > 1000. Simple (poly)halogenated organic initiators such as 2-bromoisobutyric acid, 2,2-dichloropropionic acid, and trichloroacetic acid were used to produce linear, telechelic, and three-arm star PMAA, respectively. An electrochemical switch, used to repeatedly stop and reactivate the growing chains, confirmed the "livingness" of the process. Electrochemically mediated atom transfer radical polymerization allowed exceptional control over Cu(I) (re)generation. Its main limitations are the relatively complicated reaction setup and the requirement of both working and counter electrodes made of platinum, an expensive and rare metal. To overcome these limits, first several alternative noble and non-noble metals were tested as cathode materials. Carbon materials (e.g. glassy carbon), noble metals (Au, Ag) and non-noble metals and alloys (stainless steel, nickel-chromium, titanium) could efficiently control aqueous eATRP of OEOMA. The system setup was simplified by switching from potentiostatic conditions (three-electrode setup under fixed potential) to galvanostatic conditions (two-electrode setup with fixed current). Moreover, reaction setup was further simplified with the use of a sacrificial counter electrode directly immersed in the polymerization media. This solution allowed avoiding separation of anodic and cathodic compartments. These results can allow easier implementation and scale-up of electrochemically mediated ATRP. Catalysis in the absence of transition metals is important in fine electronics and biomedical applications. It has recently been shown that some derivatives of phenothiazine (PTZ) could mediate well-controlled metal-free ATRP of methacrylates, with generation of controlled polymers with living characteristics. In this case, a phenothiazine derivative in the excited state (PTZ*, obtained through UV light absorption) can activate the Pn-X bond generating the propagating radicals (Pn-*) and the radical cation PTZ-*+. Experimental rate constant of Pn-X activation by PTZ* (7x109 M-1 s-1) was compared to the value calculated using Marcus theory for electron transfer and its successive developments (2x1010 M-1 s-1). The good agreement between the two values proved that the reaction between PTZ* and Pn-X involves an outer sphere electron transfer with simultaneous C-X bond breaking. This system is radically different from traditional Cu-mediated ATRP, which involves an inner sphere electron transfer. In addition, reactivity in metal-free ATRP is regulated by completely different parameters (excitation wavelength, lifetime and quantum efficiency of excited states). In particular, in metal-free ATRP fast activation of the C-X bond is hindered by low lifetime of PTZ* excited state. Regarding deactivation of propagating radicals, cyclic voltammetry evidenced excellent correlation between stability of the radical cation PTZ-*+ and efficiency of deactivation. The favored pathway for radical deactivation is the termolecular encounter of Pn-*, PTZ-*+ and X-, which is severely hampered by the low likelihood of three-center reactions. As a result, metal-free ATRP is mediated by a slow activation-deactivation process, which currently limits control over macromolecular growth. Such results are fundamental for the design of optimal reaction conditions and for the development of more effective catalysts
Le polimerizzazioni radicaliche controllate (Controlled Radical Polymerization, CRP) sono tra le più potenti ed efficaci metodologie per ottenere materiali polimerici avanzati con proprietà ben definite ed alto valore aggiunto. La polimerizzazione radicalica a trasferimento di atomo (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP) è la tecnica più utilizzata in ambito accademico e industriale nel campo delle CRP, grazie alla sua versatilità e facilità di applicazione. In ATRP, un complesso metallico a basso stato di ossidazione MtzLm (tipicamente, un complesso rame-ammina, [Cu(I)L]+) reagisce con una catena polimerica dormiente Pn-X (dove X = Cl, Br) per produrre i radicali Pn-*. Questi accrescono la catena per addizione al monomero nel bulk della soluzione. Nel processo, il complesso di rame si ossida e coordina lo ione alogenuro X-, generando la specie disattivante [X-Cu(II)L]+, in grado di catturare i radicali propaganti. Normalmente, l'equilibrio ATRP è fortemente spostato verso lo stato dormiente Pn-X, cosicchè la concentrazione di Pn-* è molto bassa e la probabilità di terminazione radicalica bimolecolare è minima. Si tratta quindi, per molti aspetti, di una polimerizzazione "vivente". La crescita di tutte le macromolecole inizia circa contemporaneamente grazie all'utilizzo di efficienti alogenuri alchilici (RX) come iniziatori polimerici. In queste condizioni, la crescita delle catene è omogenea e permette di ottenere polimeri con pesi molecolari predeterminati, stretta distribuzione delle lunghezze di catena e alta conservazione della funzionalità C-X terminale. Con questa tecnica è quindi possibile generare macromolecole con specifiche composizioni, architettura e posizione dei gruppi funzionali. Lo scopo di questa tesi è contribuire alla comprensione e allo sviluppo di ATRP catalizzata da complessi di rame, utilizzando metodologie elettrochimiche sia come strumenti di indagine, sia come strumenti di controllo della polimerizzazione. Per molti aspetti, i sistemi ATRP indagati posso essere definiti sistemi "green": (i) la maggior parte del lavoro ha riguardato lo studio e lo sviluppo della reazione in acqua, un solvente dove i complessi sono molto attivi ma il controllo sulla polimerizzazione risulta particolarmente difficile; (ii) metodologie elettrochimiche per la rigenerazione del catalizzatore hanno permesso di condurre la polimerizzazione riducendo drasticamente la concentrazione di rame; (iii) sono state esplorate le potenzialità dei liquidi ionici, materiali non infiammabili e facilmente riciclabili, come potenziali solventi per ATRP mediata elettrochimicamente; (iv) è stato indagato il meccanismo della catalisi ATRP in assenza di catalizzatori metallici, "metal-free" ATRP. Una caratteristica fondamentale dei catalizzatori di rame(I) è la loro reattività nel rompere il legame Pn-X e generare i radicali propaganti Pn-*. Lo studio dettagliato dell'attività dei catalizzatori di rame in acqua è risultato finora impossibile a causa dell'estrema attività degli stessi. E' stato quindi necessario sviluppare un set di metodologie elettrochimiche transienti, che sfruttano la generazione e l'analisi del complesso attivo di rame nell'immediato intorno dell'elettrodo. Queste tecniche hanno permesso di ampliare l'intervallo di kact(costante di attivazione ATRP) analizzabili di ben 5 ordini di grandezza, rendendo quindi possibile lo studio della reattività dei più recenti e attivi catalizzatori e iniziatori utilizzati, in comuni solventi polari molto attivi (come acqua e DMSO). I risultati permettono di correlare la costante di velocità di attivazione con la costante di equilibrio ATRP, KATRP. Inoltre, è possibile prevedere la reattività dei sistemi catalitici da semplici dati di energia di legame (di Pn-X), e progettare in modo razionale le ottimali condizioni di polimerizzazione. Le proprietà dei catalizzatori di rame sono state studiate nel liquido ionico 1-butyl-3-methylimadazolium triflate. Speciazione e reattività dei complessi sono risultate compatibili con un efficiente reazione ATRP. Questo particolare solvente risulta simili ad un comune solvente organico (e.g. acetonitrile, DMF) sia per quanto riguarda gli aspetti termodinamici che cinetici dei catalizzatori ATRP. In acqua, i catalizzatori di rame non sono solo caratterizzati da una estrema reattività, ma anche dalla propensione ad essere coinvolti in reazioni collaterali all'equilibrio ATRP. Queste comprendono la decomposizione del complesso, sia in ambiente acido che basico, e la dissociazione dello ione alogenuro dal complesso disattivante [X-Cu(II)L]+. La quantificazione di tali reazioni ha permesso di stabilire con precisione gli intervalli di stabilità dei più comuni catalizzatori utilizzati. I limiti di controllo dell'ATRP acquosa sono quindi stati testati tramite un'estesa serie di polimerizzazioni del monomero "modello" oligo(ethyleneoxide) methylether methacrylate (OEOMA). Le sintesi sono state condotte tramite rigenerazione elettrochimica del catalizzatore attivo, [Cu(I)L]+ (eATRP). Il range di catalizzatori Cu/L disponibili è stato esteso, includendo catalizzatori estremamente attivi come Cu/Me6TREN (Me6TREN = tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine), o sistemi molto economici ed interessanti dal punto di vista industriale come Cu/PMDETA (PMDETA = N,N,N-,N--,N---pentamethyl diethylenetetramine). Inoltre, è stata confermata la particolare stabilità dei leganti piridinici come Cu/TPMA (TPMA = tris(2-pyridylmethyl)amine) fino a pH estremamene acidi (ca. 1). Quest'ultimo risultato ha aperto la strada per la polimerizzazione di monomeri acidi (acido acrilico, AA, e metacrilico, MAA). La polimerizzazione dei monomeri acidi è da sempre considerata uno dei maggiori limiti dell'ATRP. I risultati hanno mostrato la presenza di una ciclizzazione a carico della terminazione di catena, con l'alogeno terminale come gruppo uscente (e quindi perdita della funzionalità attiva C-X). Tre strategie sono state applicate con successo per ridurre l'impatto negativo di questa reazione e ottenere la polimerizzazione controllata di MAA: (i) utilizzare la funzionalità C-Cl come terminazione di catena, un gruppo più stabile di C-Br; (ii) abbassare ulteriormente il pH per convertire completamente gli ioni carbossilato in acidi carbossilici, nucleofili più deboli; (iii) accelerare la velocità di polimerizzazione per diminuire il contributo relativo della ciclizzazione (reazione parassita). Una volta trovate le condizioni ottimali, è stata esplorata la sintesi di acido polimetacrilico ad alto peso molecolare (grado di polimerizzazione > 1000) e con architetture controllate (polimeri lineari, telechelici e stelle a tre braccia). La polimerizzazione radicalica a trasferimento d'atomo mediata elettrochimicamente permette eccellente controllo sulle condizioni di reazione. Uno dei suoi limiti è però quello di utilizzare sia elettrodo lavorante, sia controelettrodo in platino, un metallo estremamente costoso e raro. Per superare questa limitazione, diversi materiali sono stati testati come catodi per eATRP. Sono state individuate le condizioni ottimali per poter utilizzare sia materiali carboniosi (glassy carbon), sia metalli o leghe di metalli non-nobili (acciaio, nichel-cromo, titanio). Inoltre, la reazione è stata ulteriormente semplificata usando un sistema a due elettrodi in condizioni galvanostatiche (corrente fissata), in presenza di un controelettrodo sacrificale in alluminio, direttamente immerso nell'ambiente di reazione. Quest'ultima soluzione permette di evitare la separazione tra compartimento anodico e catodico. Un altro importante obiettivo di questo progetto di dottorato riguarda la definizione del meccanismo della polimerizzazione radicalica a trasferimento d'atomo catalizzata da molecole organiche (derivati della fenotiazina, PTZ), quindi effettuata in assenza di metalli (metal-free ATRP). In questo caso, una fenotiazina in stato eccitato (per assorbimento di radiazione UV, PTZ*) attiva il legame Pn-X generando i radicali propaganti (Pn-*) e il radicale catione PTZ-*+. La costante di velocità di attivazione sperimentale di Pn-X da parte di PTZ* (7x109 M-1 s-1) è stata confrontata con quella calcolata utilizzando la teoria di Marcus per il trasferimento elettronico e i suoi successivi sviluppi (2x1010 M-1 s-1). Il buon accordo tra i due dati ha dimostrato che questa reazione coinvolge un trasferimento elettronico a sfera esterna tra PTZ* e Pn-X, con simultanea rottura del legame C-X. Si tratta quindi di un sistema chiaramente diverso da ATRP mediata da complessi di rame, che prevede un trasferimento elettronico a sfera interna. Differenti sono anche i parametri che regolano l'attività del catalizzatore (frequenza di eccitazione, tempi di vita ed efficienza quantica di fluorescenza, etc.). In particolare, la veloce attivazione del legame C-X è impedita dal breve tempo di vita di PTZ*. Per quanto riguarda la disattivazione dei radicali propaganti, in primo luogo, tramite voltammetria ciclica è stata trovata un'ottima correlazione tra la stabilità del radicale catione PTZ-*+ e l'efficienza di disattivazione. Successivamente, è stata confrontata la velocità relativa di un'ampia gamma di possibili reazioni di disattivazione. Da questo studio cinetico è emerso che la reazione favorita riguarda l'incontro termolecolare di Pn-*, PTZ-*+ e X-. L'efficienza di disattivazione è bassa a causa della bassa probabilità dell'incontro a tre centri. Nel complesso, ATRP mediata in assenza di metalli è catalizzata da un lento processo di attivazione/disattivazione, che correntemente limita il controllo della crescita polimerica. Questi risultati sono necessari per il design di condizioni di reazione ottimali e per la sintesi di catalizzatori più efficaci

Les systèmes biphasiques aqueux//liquides ioniques (LI) étudiés, sont composés d’acides HCl, HNO3 ou HClO4 et de LI hydrophobes constitués d’un cation imidazolium [Cnmim+] et d’un anion bis(trifluoromethylsulfony)amide [Tf2N-]. La RMN quantitative est développée pour le dosage du cation (1H) et de l’anion (19F) du LI. Des échanges ioniques entre les solutions acides et le LI sont mis en évidence. L’extraction des anions des acides minéraux par [C4mim]|Tf2N] s’effectue dans l’ordre Cl-
The studied aqueous//ionic liquid (LI) biphasic systems are composed of HCl, HNO3 or HClO4 acids and hydrophobic LI constituted by an imidazolium cation [Cnmim+] and a bis(trifluoromethylsulfony)amide anion [Tf2N-]. Quantitative NMR is developed for the determination of the cation (1H) and the anion (19F) of LI. Ionic exchanges between acidic solutions and LI are highlighted. The extraction of anions from mineral acids by [C4mim]|Tf2N] is performed in the order Cl-

Doutoramento em Química
Ionic liquids are a class of solvents that, due to their unique properties, have been proposed in the past few years as alternatives to some hazardous volatile organic compounds. They are already used by industry, where it was possible to improve different processes by the incorporation of this kind of non-volatile and often liquid solvents. However, even if ionic liquids cannot contribute to air pollution, due to their negligible vapour pressures, they can be dispersed thorough aquatic streams thus contaminating the environment. Therefore, the main goals of this work are to study the mutual solubilities between water and different ionic liquids in order to infer on their environmental impact, and to propose effective methods to remove and, whenever possible, recover ionic liquids from aqueous media. The liquid-liquid phase behaviour of different ionic liquids and water was evaluated in the temperature range between (288.15 and 318.15) K. For higher melting temperature ionic liquids a narrower temperature range was studied. The gathered data allowed a deep understanding on the structural effects of the ionic liquid, namely the cation core, isomerism, symmetry, cation alkyl chain length and the anion nature through their mutual solubilities (saturation values) with water. The experimental data were also supported by the COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS), and for some more specific systems, molecular dynamics simulations were also employed for a better comprehension of these systems at a molecular level. On the other hand, in order to remove and recover ionic liquids from aqueous solutions, two different methods were studied: one based on aqueous biphasic systems, that allowed an almost complete recovery of hydrophilic ionic liquids (those completely miscible with water at temperatures close to room temperature) by the addition of strong salting-out agents (Al2(SO4)3 or AlK(SO4)2); and the other based on the adsorption of several ionic liquids onto commercial activated carbon. The first approach, in addition to allowing the removal of ionic liquids from aqueous solutions, also makes possible to recover the ionic liquid and to recycle the remaining solution. In the adsorption process, only the removal of the ionic liquid from aqueous solutions was attempted. Nevertheless, a broad understanding of the structural effects of the ionic liquid on the adsorption process was attained, and a final improvement on the adsorption of hydrophilic ionic liquids by the addition of an inorganic salt (Na2SO4) was also achieved. Yet, the development of a recovery process that allows the reuse of the ionic liquid is still required for the development of sustainable processes.
Devido às suas propriedades ímpares, nos últimos anos, os líquidos iónicos têm sido propostos como solventes alternativos aos solventes orgânicos voláteis e nefastos para o meio ambiente. Uma vez que os líquidos iónicos não são voláteis, e na maioria das vezes são líquidos a temperaturas próximas da temperatura ambiente, os processos industriais em que estes foram incluídos apresentaram melhorias significativas. Apesar desta classe de solventes não contribuir para a poluição atmosférica, uma vez que apresentam pressões de vapor negligenciáveis, os líquidos iónicos podem, no entanto, contaminar o meio ambiente através de descargas sobre os efluentes aquosos. Neste sentido, os principais objetivos deste trabalho consistem no estudo das solubilidades mútuas entre diversos líquidos iónicos e água, de forma a depreender sob o seu impacto ambiental, e na proposta de métodos eficientes para remover, e sempre que possível, recuperar os líquidos iónicos de meios aquosos. O equilíbrio líquido-líquido dos sistemas constituídos por líquidos iónicos e água foi determinado no intervalo de temperaturas entre (288.15 e 318.15) K. No entanto, para os líquidos iónicos com temperaturas de fusão superiores à temperatura ambiente, este intervalo foi mais estreito. Através dos resultados obtidos das solubilidades mútuas (valores de saturação), foi possível alcançar uma melhor perceção dos efeitos estruturais dos líquidos iónicos sob o equilíbrio de fases, nomeadamente a família, isomerismo, simetria e comprimento da cadeia alquílica do catião, e a natureza do anião. Os dados experimentais foram também suportados pelo modelo COSMO-RS (COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents), e em alguns sistemas também foi aplicada simulação molecular dinâmica de forma a obter informação sobre os mesmos ao nível molecular. Por outro lado, foram estudados dois métodos diferentes de forma a remover e recuperar os líquidos iónicos de soluções aquosas: um com base em sistemas aquosos bifásicos, onde foi possível a recuperação quase completa de líquidos iónicos hidrofílicos (que são aqueles que a temperaturas próximas da ambiente são completamente miscíveis com água), pela adição de agentes de salting-out fortes (Al2(SO4)3 ou AlK(SO4)2); e outro focado na adsorção de líquidos iónicos a carvão ativado. O primeiro método, além de permitir a remoção dos líquidos iónicos de soluções aquosas, permite também a recuperação do mesmo e a reutilização dos restantes componentes do sistema. No entanto, no estudo da adsorção, apenas foi alcançada a etapa de remoção do líquido iónico. Contudo, foi possível compreender os efeitos estruturais do líquido iónico aquando do processo de adsorção, e também conseguir uma melhoria na adsorção de líquidos iónicos hidrofílicos pela adição de um sal inorgânico. Ainda assim, é necessário estudar com mais enfoque o processo de recuperação que permita, por sua vez, a reutilização do líquido iónico visando o desenvolvimento de processos sustentáveis.

Mestrado em Engenharia Química
Este trabalho visa o tratamento de efluentes aquosos contaminados com líquidos iónicos (LIs). Os LIs são sais que a temperaturas inferiores a 373 K e à pressão atmosférica permanecem no estado líquido. Isto deve-se ao tamanho e assimetria dos iões envolvidos na composição dos LIs que os faz apresentar propriedades distintas dos sais convencionais. Dado a serem compostos por iões, os LIs podem ser sintetizados consoante uma determinada finalidade e/ou propriedades necessárias para uma aplicação específica. Por apresentarem pressões de vapor desprezáveis, estes não poluem a atmosfera e têm sido, por isso, considerados solventes menos agressivos para o meio ambiente. No entanto, estes compostos apresentam um solubilidade não desprezável em água, o que por outro lado, pode conduzir à poluição de efluentes aquosos quando se antecipa, num futuro próximo, o uso destes solventes à escala industrial. Neste trabalho foram estudados dois processos de remoção e recuperação de LIs de fases aquosas: adsorção (para o caso de LIs hidrofóbicos, e logo, pouco solúveis em água e com uma concentração baixa nos efluentes aquosos); e sistemas aquosos bifásicos (para os LIs hidrofílicos, miscíveis com água, e que apresentam concentrações mais elevadas nos efluentes aquosos). Para o estudo do processo de adsorção o adsorvente usado foi o carvão ativado, à temperatura de 308.0 K e à pressão atmosférica. Os resultados obtidos mostram que os LIs hidrofóbicos podem ser removidos de efluentes aquosos por adsorção. O processo fundamentado em sistemas aquosos bifásicos foi estudado à temperatura de 298 K e à pressão atmosférica utilizando como sal comum o Na2CO3. As eficiências de recuperação dos diversos LIs foram sempre superiores a 90 %.
This work aims the treatment of aqueous effluents contaminated with Ionic Liquids (ILs). ILs are salts that remain liquid at temperatures lower than 373 K and at atmopsheric pressue due to the size and asymmetry of the ions involved in the IL composition, and which allow them to present different melting temperatures when compared with conventional salts. Since ILs are exclusively composed of ions, they can be prepared according to a given application and/or with designed properties. ILs present negligible vapour pressures, and thus, they do not contribute to atmospheric pollution. Hence, based on this property, ILs have been considered new solvents with less hazardous characteritics to the environment. Nevertheless, ILs display a non-negligible solubility in water which could lead, on the other hand, to the contamination of aqueous effluents, especially when the large-scale application of these solvents is envisaged in a near future. In this work, two processes for the separation and recovery of ILs from aqueous phases were studied: adsorption (for hydrophobic ILs that present a low solubility in water and therefore a low concentration in aqueous effluents); and aqueous biphasic systems (for hydrophilic ILs which are miscible with water and present higher concentrations in the aqueous streams). For the adsorption process, activated charcoal was studied as the main adsorbent, at 308.0 K and atmospheric pressure. The gathered results indicate that hydrophobic ILs can be removed from aqueous effluets by adsorption. For the process based on aqueous biphasic systems, the studies were conducted at 298 K and atmospheric pressure, and making use of a common salt – Na2CO3. The recovery efficiencies of all ILs were always higher than 90 %.

A series of hydrophobic ionic liquids (ILs) have been employed to extract acetic acid from aqueous solutions at 101.3 KPa. This study was carried out using tetradecyltrihexylphosphonium cation ([P666, 14]+) combined with two series of anions: benzoate and long-chain carboxylate based anions. For comparison, the extraction of organic solvent MTBE was also investigated. The long-chain carboxylate based ILs showed a larger two phase region and high extraction efficiency. [The performance of a selection of inorganic salts, organic salts, and ILs in the extractive distillation for the (HOAc + H20) system was analyzed by vapour-liquid equilibrium under atmospheric pressure. The results indicate that the inorganic salts showed a salting-out effect of acetic acid while all the organic salts and ILs presented salting-out effect of water. All the ILs investigated showed a notable salting-out effect of wate which implied that an IL might be a promising additive in extractive distillation processes. Supported materials were investigated in extractive distillation for the (HOAc + H20) system. The performance of a selection of organic and ILs functionalized supports was analyzed by vapour-liquid equilibrium at 101.3 kPa. Leaching problem of the imidazolium based IL tethered support, blockage problem of the powder support and the saturation of the support during continuous distillation are still the challenging parts in this work. The UNIFAC method was employed to correlate and predict the LLE and VLE data for IL/salt modified systems. The results illustrated that the UNIF AC model has the ability to correlate and predict both VLE and LLE in mixtures containing ILs or salts with satisfactory accuracy. In addition, the ability of a commercial process simulator (Aspen Plus), to model phase equilibrium for the ternary systems of (HOAc + H20 + IL/salt) was examined. The physico-chemical properties of the investigated ionic liquids were characterized as a function of temperature.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Molecular
Aiming at finding more biocompatible and environmentally-benign separation processes, aqueous biphasic systems composed of ionic liquids can be envisaged as an alternative and advantageous approach for the extraction and purification of the most diverse biomolecules. In this work, the main goal consisted on the study of the ability of polysaccharides, as a benign alternative over inorganic salts typically used, to form aqueous biphasic systems with ionic liquids. To this aim, the phase diagrams and respective compositions of the two phases in equilibrium for ternary systems consisting of several ionic liquids, water, and polysaccharides were determined at 298 K. By the combination of different families of ionic liquids, achieved by a representative variety of cations and anions, with dextrans and maltodextrins, it was possible to infer on the effect of the IL structural characteristics, as well as on the polysaccharides molecular weight through the formation ability of aqueous two-phase systems. Finally, and to ascertain on the potential application of these new systems such as extraction techniques, some of them were also used and evaluated regarding their aptitude to extract amino acids. The use of polysaccharides, namely dextran and maltodextrin, as salting-out molecules to form aqueous biphasic systems with ionic liquids was the main focus of this work. It was demonstrated here, for the first time, that a new class of aqueous biphasic systems composed of ionic liquids and polysaccharides can be formed while contributing to the development of more efficient and sustainable separation and purification techniques. These systems can be also seen as promising routes in the improvement of biotechnological processes which increasingly tend to be decisive in industry.
No âmbito da procura de processos de separação mais biocompatíveis e amigos do ambiente, os sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos constituem uma abordagem alternativa e vantajosa para a extração e purificação das mais diversas biomoléculas. Neste trabalho pretendeu-se estudar especificamente a capacidade de polissacarídeos, como uma alternativa mais benigna face aos sais normalmente utilizados, para formar sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos. Para tal, determinaram-se os diagramas de fase e composições das duas fases em equilíbrio para diversos sistemas ternários formados por líquidos iónicos, água e polissacarídeos a 298 K. O estudo destes novos sistemas, combinando diferentes famílias de líquidos iónicos representados por uma variedade alargada de catiões e aniões, com dextranas e maltodextrinas, permitiu avaliar o efeito das características estruturais dos líquidos iónicos, bem como da massa molecular dos polissacarídeos, na capacidade de formação de sistemas de duas fases aquosas. Por fim, e para suportar a sua aplicação como novas técnicas de extração, alguns destes sistemas foram também avaliados no que respeita à sua capacidade para extrair aminoácidos. A utilização de polissacarídeos, nomeadamente de dextrano e maltodextrina, enquanto moléculas indutoras de salting-out para formar sistemas aquosos bifásicos com líquidos iónicos, constituiu o foco principal deste trabalho. Pela primeira vez foi mostrado que existe uma nova classe de sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos e polissacarídeos contribuindo assim para o desenvolvimento de técnicas de separação e purificação de uma forma mais eficiente, sustentável e ecológica. Estes sistemas poderão ainda ser vistos como vias promissoras no melhoramento de processos biotecnológicos que tendem a ser cada vez mais decisivos na indústria.

Mestrado em Bioquímica Clínica
This work addresses the design of novel aqueous micellar two-phase systems (AMTPS) using ionic liquids (ILs) as a new class of co-surfactants for extractive processes and the assessment of their potential of application to the extraction of diverse (bio)molecules. Firstly, the coexistence curves of AMTPS based on the surfactant Triton X-114 and distinct ILs composed of imidazolium, phosphonium and quaternary ammonium structures were determined. These allowed the investigation of the impact of IL absence/presence, concentration and structural features on the behavior of the coexistence curves. The designed AMTPS were then used to carry out partition studies involving two model (bio)molecules, the protein Cytochrome c and the dye Rhodamine 6G. It was shown that the presence of ILs as co-surfactants is able to enhance not only the partition coefficients, but also the selectivity parameters of the process. These AMTPS were also applied to the extraction of the natural colorant curcumin from its vegetal extract with complete recovery into the micelle-rich phase however, there are interactions, yet unknown, affecting curcumin extraction. Finally, the new AMTPS were proposed as suitable techniques to be used in the domain of analytical chemistry. Hence, they were used in the extraction of tenofovir disoproxil fumarate, an antiretroviral, in order to facilitate its detection. After optimizing several operational parameters, it was possible to attain extraction efficiencies up to 100%. As the current techniques may present low efficiencies and require the use of organic solvents, AMTPS are envisaged as more sustainable approaches.
Este trabalho visa o desenvolvimento de novos sistemas micelares de duas fases aquosas (SMDFA) usando líquidos iónicos (LIs) como co-surfactantes e a avaliação da sua capacidade extractiva para várias (bio)moléculas. Numa primeira abordagem, foram determinadas as curvas binodais, usando o Triton X-114 como surfactante e LIs pertencentes às famílias imidazólio, fosfónio e amónio quaternário. Deste modo, foi possível estudar o efeito da ausência/presença de vários LIs, bem como da sua concentração e componentes estruturais, no comportamento das curvas binodais. Posteriormente, os SMDFA foram aplicados em estudos de partição pela utilização de duas moléculas modelo, a proteína citocromo c e o corante rodamina 6G. Verificou-se que a presença de LIs como co-surfactantes aumenta não só os coeficientes de partição, mas também a seletividade do processo extrativo. Os novos SMDFA foram aplicados à extração do corante natural curcumina, a partir do extrato vegetal com recuperação completa na fase rica em micelas, embora existam interações ainda desconhecidas a afetar a estrutura da curcumina. Por fim, os SMDFA desenvolvidos foram propostos como métodos alternativos para o pré-tratamento de amostras, no contexto da química analítica. Estes foram usados na reconcentração do antiretroviral tenofovir disoproxil fumarato na fase orgânica, permitindo a sua posterior quantificação e análise. Após otimização das condições operacionais, os resultados obtidos mostraram eficiências de extracção de 100%.

Dans cette thèse, des simulations DFT-MD couplées à des techniques inno-vantes de métadynamique, sont appliquées pour acquérir une compréhensionglobale des interfaces aqueuses d'oxyde de cobalt Co3O4 et CoO(OH) dansla catalyse de la réaction d'évolution de l'oxygène (OER), et ainsi éventuellement aider à la conception de nouveaux catalyseurs basés sur des matériaux non précieux, un domaine clé de la recherche scientifique et technologique, particulièrement important pour l'économie de l'hydrogène, pour les technologies vertes dans une période de temps avec une demande toujours plus croissanteen énergie verte. Dans cette thèse, nous révélons étape par étape les mécanismes de l'OER sur les électrocatalyseurs aqueux d'oxyde de cobalt Co3O4 etCoO(OH) via de nouvelles techniques de métadynamique.Jusqu'à présent, la littérature n'a jamais pris en compte les modificationsau niveau atomique de la structure des électrodes ainsi que de l'eau interfaciale dans leur modélisation des processus OER. Ce manque de connaissances représente clairement un obstacle important au développement de catalyseurs améliorés, qui pourrait être surmonté en utilisant des méthodes capables de suivre les caractéristiques catalytiques de l'OER à l'échelle atomique. Pour la première fois, nous montrons combien il est important de prendre en considération la présence de l'environnement aqueux dans la caractérisation structurale des surfaces du catalyseur, c'est-à-dire (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) dans ce travail. Une caractérisation détaillée des propriétés chimiques et physiques des interfaces aqueuses est fournie (la structure, la dynamique, la spectroscopie, le champ électrique), pour les surfaces (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) en contact avec l'eau liquide.Une étude détaillée de l'OER est présentée non seulement du point de vue descatalyseurs, mais aussi en abordant le rôle de l'environnement de l'eau dans leprocessus catalytique, ce qui n'a pas été fait auparavant dans la littérature. En conséquence, l'OER en phase gazeuse et en phase liquide sont étudiés ici auxinterfaces aqueuses (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) en adoptant une nouvelleapproche de métadynamique d'échantillonnage amélioré, capable d'identifieret caractériser les mécanismes de réaction chimique et d'intégrer pleinement lerôle des degrés de liberté du solvant, permettant ainsi de dévoiler des réactivités chimiques d'une complexité remarquable. L'énergétique, la cinétique et la thermodynamique derrière l'OER sont donc trouvées à ces surfaces d'oxyde de cobalt à l'interface avec l'eau
In this thesis, DFT-MD simulations, coupled with state-of-the-art metadynamics techniques, are applied to gain a global understanding of Co3O4 and CoO(OH) cobalt oxide aqueous interfaces in catalyzing the oxygen evolution reaction (OER), and hence possibly help in the design of novel catalysts basedon non-precious materials, a current key field of research in science and technology, especially of importance for the hydrogen economy, for green technology in a period of time with an ever more growing demand in green-energy. In this thesis, we step-by-step reveal the OER mechanisms on spinel Co3O4 andCoO(OH) cobalt aqueous electrocatalysts carefully and rationally via novelmetadynamics techniques.Up to now, the literature has never taken into account the atomistic modifications on the electrode structure as well as on the interfacial water into their modeling of OER processes. Such lack of knowledge clearly represents a significant hurdle toward the development of improved catalysts, which couldbe overcome by employing methods able to track the catalytic features of theOER at the atomistic scale. For the first time, we show how important itis to take into consideration the presence of the liquid water environment inthe structural characterization of catalyst surfaces, i.e. for (110)-Co3O4 and(0001)-CoO(OH) in this work. A detailed characterization of chemical andphysical properties of the aqueous interfaces is provided (i.e. structure, dynamics, spectroscopy, electric field), for the (110)-Co3O4 and (0001)-CoO(OH)aqueous surfaces.A study of the OER is presented not only by looking at the catalysts, butalso by addressing the role of the water environment in the catalytic process,not done before in literature. Accordingly, both gas-phase and liquid-phaseOER are here investigated at the (110)-Co3O4 and (0001)-CoO(OH) adoptinga novel enhanced sampling metadynamics approach able to address a widerange of chemical reaction mechanisms and to fully include the role of thesolvent degrees of freedom, allowing to unveil reaction networks of remarkablecomplexity. The energetics, kinetics and thermodynamics behind the OER aretherefore found at these cobalt oxide surfaces

A series of hydrophobic ionic liquids (ILs) have been employed to extract acetic acid (AcOH) or formaldehyde (HCHO) from aqueous solutions at atmosphere pressure. The ILs, mainly trihexyl(tetradecyl)phosphonium ([P6,6,6,14]+) carboxylate based ILs, were tested as a function of the anion chain length, which ranges from isobutyrate ([IB]-) to dodecanoate ([D]-). Most of these ILs show a large two-phase region and high extraction efficiency. Furthermore, tetraoctylphosphonium ([P8,8,8,8]+) and trihexyl(tetradecyl)ammonium ([N6,6,6,14]+) based ILs were also investigated to study the effect of the cation on extraction performance. Besides pure IL extraction, the mixture of IL and other chemicals, such as matched carboxylic acid, alkane and ester, were also investigated on extraction. The matched carboxylic acid could enhance the extraction performance and thus could be called ‘enhancer’. A balance point could be found for the ratio IL/enhancer to obtain a better extraction in each {H2O + AcOH + IL/enhancer} system, compared with the corresponding pure IL liquid-liquid equilibrium (LLE). Several ILs, including [P6,6,6,14]+ based ILs and imidazolium based ILs, were investigated on extraction of HCHO. Among these ILs, the imidazolium based ILs performed better than the [P6,6,6,14]+ based ILs in terms of two-phase region, hydrophobicity of IL-rich phase and partition coefficient/relative selectivity. The UNIQUAC method was employed to correlate the LLE data for pure IL systems. Some physical property data, such as density and viscosity, of ILs were correlated. The Joback group contribution method was used to predict the heat capacities of some ILs in this work. These correlations with low deviations made it possible for ILs to be further studied in Aspen process modelling.

Mestrado em Bioquímica - Bioquímica Clínica
Theobromine is an alkaloid present in cocoa and it is used in the treatment of atherosclerosis, hypertension, angina, among others. Due to its importance, the aim of this work consists on the development of an efficient and sustainable technology for the extraction of theobromine from cocoa beans. For the development of a purification technique for theobromine extracted from cocoa, aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids (ILs) were initially studied to infer on the most promising systems. Cholinium-based ILs, based on a non-toxic and biocompatible cation, were used combined with two polymers (PPG 400 and PEG 400) and an inorganic salt (K3PO4). The respective phase diagrams at 298 K and atmospheric pressure were determined, as well as their extraction efficiencies for theobromine. The results obtained indicate that K3PO4 has a greater ability to induce the formation of ABS compared to PEG 400 and PPG 400. ABS consisting of K3PO4 also have a high potential for the extraction of theobromine, with extraction efficiencies ranging between 96.4 and 99.9 %. Based on the most promising ILs for the purification step, they were further used in aqueous solution to extract theobromine from cocoa beans, with extraction yields ranging between 4.5% and 6.5 wt%. Finally, ABS were applied to the aqueous solutions containing theobromine from the cocoa extract, with extraction efficiencies ranging between 96.7 and 99.0%.
A teobromina é um alcaloide utilizado no tratamento de aterosclerose, hipertensão, angina, entre outros. Dada a sua importância medicinal, o principal objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de uma técnica eficiente e sustentável para extrair teobromina das sementes de cacau. Visando o desenvolvimento de uma técnica de purificação para o extrato obtido a partir do cacau, primeiramente estudaram-se sistemas aquosos bifásicos (SABs) constituídos por líquidos iónicos (LIs) para inferir sobre os sistemas mais promissores. Foram utilizados LIs à base do catião colínio, catião não tóxico e biocompatível, em conjunto com 2 polímeros (PPG 400 e PEG 400) e um sal inorgânico (K3PO4) para a formação de SABs. Determinaram-se os diagramas de fase, à temperatura de 298 K e à pressão atmosférica, assim como as eficiências de extração destes sistemas para a teobromina. Os resultados obtidos indicam que o K3PO4 apresenta uma maior capacidade de induzir a formação de SABs do que o PPG 400 e o PEG 400. Os SABs constituídos por K3PO4 também demonstraram ter um grande potencial para a extração da teobromina, com eficiências de extração entre 96,4 e 99,9 %. Tendo por base os LIs mais promissores para a etapa de purificação, estes foram posteriormente utilizados em solução aquosa para a extração de teobromina a partir das sementes de cacau, tendo sido obtidos valores de extração de teobromina entre 4,5 e 6,5 (m/m) %. Por fim, procedeu-se à utilização de SABs como método de purificação a partir da solução aquosa contendo o extrato, e obtiveram-se valores de eficiências de extração entre 96,7 e 99,0 %.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental
The main objective of the present thesis consists on the development of an analytical preconcentration technology for the concomitant extraction and concentration of human pollution tracers from wastewater streams. Due to the outstanding tunable properties of ionic liquids (ILs), aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs can provide higher and more selective extraction efficiencies for a wide range of compounds, being thus a promising alternative to the volatile and hazardous organic solvents (VOCs) typically used. For that purpose, IL-based ABS were employed and adequately characterized as an one-step extraction and concentration technique. The applicability of IL-based ABS was verified by their potential to completely extract and concentrate two representative pharmaceutical pollution tracers, namely caffeine (CAF) and carbamazepine (CBZ), from wastewaters. The low concentration of these persistent pollutants (usually found in μg·dm-3 and ng·dm-3 levels, respectively) by conventional analytical equipment does not permit a proper detection and quantification without a previous concentration step. Preconcentration methods commonly applied are costly, timeconsuming, with irregular recoveries and make use of VOCs. In this work, the ABS composed of the IL tetrabutylammonium chloride ([N4444]Cl) and the salt potassium citrate (K3[C6H5O7]) was investigated while demonstrating to be able to completely extract and concentrate CAF and CBZ, in a single-step, overcoming thus the detection limit of the applied analytical equipment. Finally, the hydrotropic effect responsible for the ability of IL-based ABS to extract and concentrate a wide variety of compounds was also investigated. It was shown that the IL rules the hydrotropic mechanism in the solubility of CAF in aqueous solutions, with an increase in solubility up to 4-fold. Moreover, the proper selection of the IL enables the design of the system that leads to a more enhanced solubility of a given solute in the IL-rich phase, while allowing a better extraction and concentration. IL-based ABS are a promising and more versatile technique, and are straightforwardly envisaged as selective extraction and concentration routes of target micropollutants from wastewater matrices.
A presente tese tem como objetivo o desenvolvimento de uma tecnologia de pré-concentração para uma avaliação correta da presença de marcadores de poluição antropogénica em águas residuais. Devido à capacidade excecional que os líquidos iónicos (LIs) apresentam no que respeita ao ajuste das suas propriedades físicas e químicas, os sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por LIs providenciam eficiências de extração mais elevadas e específicas para os mais variados compostos, e substituindo o uso de solventes orgânicos voláteis (SOV). Deste modo, SAB constituídos por LIs foram estudados e caracterizados neste trabalho como uma técnica de extração e concentração simultâneas. Numa primeira etapa, os SAB constituídos por LIs foram estudados como potenciais plataformas para extrair e concentrar dois fármacos geralmente usados como marcadores de poluição humana, nomeadamente cafeína (CAF) e carbamazepina (CBZ). A presença destes dois poluentes persistentes em concentrações reduzidas (na ordem dos μg·dm-3 e ng·dm-3, respetivamente) nas águas residuais não permite uma correta deteção e quantificação pelos equipamentos normalmente utilizados para o efeito, sem que haja uma etapa prévia de concentração. Contudo, os métodos de pré-concentração normalmente aplicados apresentam várias desvantagens, tais como um custo elevado, um tempo laboral moroso, taxas de recuperação irregulares e o uso de SOV. Assim sendo, estudou-se um SAB constituído pelo LI cloreto de tetrabutilamónio ([N4444]Cl) e pelo sal biodegradável citrato de potássio (K3[C6H5O7]) para extrair e concentrar CAF e CBZ num único passo, superando assim os baixos limites de deteção do equipamento analítico utilizado para a quantificação de marcadores de poluição humana. Por último, foi estudado o efeito hidrotrópico providenciado pelos LIs que se refletem na capacidade destes sistemas para extrair e concentrar os mais variados compostos. Verificou-se que o LI é responsável pelo efeito hidrotrópico, permitindo um aumento da solubilidade da CAF em soluções aquosas, e até de 4 vezes. Além disso, uma escolha adequada do LI permite definir um sistema específico para melhorar a solubilidade de um composto na fase rica em LI, garantindo portanto o desenvolvimento de uma plataforma para extração e concentração com elevada eficiência. Os SAB constituídos por LIs foram aqui demonstrados como uma técnica alternativa mais versátil e promissora para a extração e concentração simultâneas, permitindo uma monitorização adequada de compostos vestigiais em matrizes das águas residuais.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental
Significant improvements in human health have been achieved through the increased consumption of pharmaceutical drugs. However, most of these active pharmaceutical ingredients (APIs) are excreted by mammals (in a metabolized or unchanged form) into the environment. The presence of residual amounts of these contaminants was already confirmed in aqueous streams since treatment processes either wastewater treatment plants (WWTPs) or sewage treatment plants (STPs) are not specifically designed for this type of pollutants. Although they are present in aqueous effluents, they are usually at very low concentrations, most of the times below the detection limits of analytical equipment used for their quantification, hindering their accurate monitoring. Therefore, the development of a pre-concentration technique in order to accurately quantify and monitor these components in aqueous streams is of major relevance. This work addresses the use of liquid-liquid equilibria, applying ionic liquids (ILs), for the extraction and concentration of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) from aqueous effluents. Particularly, aqueous biphasic systems (ABSs) composed of ILs and potassium citrate were investigated in the extraction and concentration of naproxen, diclofenac and ketoprofen from aqueous media. Both the extraction efficiency and concentration factor achievable by these systems was determined and evaluated. Within the best conditions, extraction efficiencies of 99.4% and concentration factors up to 13 times were obtained.
As melhorias significativas alcançadas nas condições de vida dos seres humanos têm sido acompanhadas por um aumento no consumo de compostos farmacêuticos. No entanto, a maioria destes ingredientes farmacêuticos ativos (IFA) acabam por ser excretados pelos mamíferos (numa forma inalterada ou metabolizados) para o ambiente. A presença de quantidades residuais destes contaminantes já foi confirmada em correntes aquosas de abastecimento, uma vez que os processos de tratamento em estações de tratamento de águas residuais (ETARs) e estações de tratamento de esgoto (ETEs) não são projetados especificamente para este tipo de poluentes. Estes poluentes estão presentes em baixas concentrações nos efluentes aquosos (entre μg.L-1 e ng.L-1) e, por vezes, próximo dos limites de deteção do equipamento analítico utilizado dificultando a sua monitorização. Consequentemente, o desenvolvimento de uma técnica de pré-concentração assume uma enorme relevância a fim de quantificar com precisão e exatidão estes poluentes em correntes aquosas. Este trabalho aborda a utilização de equilibrio líquidolíquido, utilizando líquidos iónicos (LIs) como solventes, para a extração e concentração de fármacos anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) a partir de correntes aquosas. Particularmente, foram estudados sistemas aquosos bifásicos (SAB) compostos por LIs e citrato de potássio na extração e concentração de naproxeno, diclofenaco e cetoprofeno. Avaliou-se quer a eficiência de extração quer o fator de concentração alcançado com este tipo de sistemas. Nas melhores condições estudadas, a eficiência de extração e o fator de concentração alcançados são de 99,4% e 13 vezes, respetivamente.

Mestrado em Bioquímica - Bioquímica Clínica
Prostate cancer (CaP) is the third most common cancer-related cause of death in men. Currently, there are no effective therapeutic options for the treatment of advanced prostate cancer and its early detection is pivotal and can increase the curative successful rate. The quantification of prostate specific antigen (PSA) levels in serum remains the most commonly used screening approach. Nevertheless, most of the PSA assays currently applied present several drawbacks, namely a time-consuming sample processing, the identification and characterization of specific antibodies and the need of highly trained technical operators. Therefore, in order to develop an efficient method to extract and concentrate PSA from human fluids and also to overcome the limitations of traditional analytical equipment, in this work, aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids (ILs) were employed as an extraction and concentration liquid-liquid technique. Since the commercially available cancer biomarkers are highly cost products, bovine serum albumin (BSA) was selected as a model protein to infer on the best ABS and their further application on the extraction/concentration of PSA. In this work, two types of ABS were studied: ILs + organic salts and ILs + polymers. First, ABS constituted by a biodegradable organic salt (K3C6H5O7) and a new type of ILs composed of anions with buffer capacity (Good’s buffers) combined with the tetrabutylammonium ([N4444]+) and tetrabutylphosphonium ([P4444]+) cations were studied. ABS formed by polypropylene glycol with a molecular weight of 400 g·mol-1 (PPG4 00) and several cholinium-based ILs, including the Good’s buffers anions, were also evaluated The selected ILs allowed the study of the effect of the anion and cation nature on the phase diagrams behaviour, and thus on their ability to form two-phase systems, as well as the investigation on their potential to extract and concentrate BSA (and thus PSA) from aqueous solutions. According to the obtained results, the complete extraction of BSA was achieved in a single step in various systems. Amongst the several ABS evaluated, those composed of K3C6H5O7 + [N4444][Tricine] and PPG 400 + [Ch][Tricine] were considered the most effective for the extraction (allowing complete extractions). However, ABS composed of polymers did not allow to achieve the concentrations factors initially expected and, therefore, ABS constituted by ILs and K3C6H5O7 are the best alternative and proved to be a promising concentration and extraction technique that may, in the near future, be implemented previously to the clinical analysis of PSA. Finally, in order to support this statement, the ABS formed by K3C6H5O7 and [N4444][Tricine] was used in the extraction of PSA and where it was confirmed the complete extraction of the cancer biomarker for the IL-rich phase.
cancro da próstata representa, nos dias de hoje, a terceira causa de morte mais comum entre os homens, sendo que, atualmente, não existe nenhum tratamento eficaz quando o tumor é diagnosticado já num estado avançado. Face a esta incapacidade, um diagnóstico precoce é essencial no sentido de aumentar a taxa de sucesso do tratamento. A quantificação do biomarcador Antigénio Prostático Específico (PSA) em soro continua a ser o tipo de rastreio mais utilizado uma vez que se trata de um método simples. No entanto, a maioria dos métodos de quantificação de PSA disponíveis no mercado apresentam diversas desvantagens, entre elas, o processamento extensivo da amostra, a necessidade de identificação e caracterização de anticorpos específicos e pessoal técnico altamente especializado. Neste sentido, com o objetivo de desenvolver um método eficiente para a extração e concentração de PSA a partir de fluidos humanos, e que permita ultrapassar os limites de deteção de equipamentos analíticos tradicionais, estudaram-se sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos (LIs) como uma técnica de extração e concentração do tipo líquido-líquido. Uma vez que os biomarcadores associados a tumores comercialmente disponíveis são produtos de elevado custo, foi selecionada uma proteína modelo (albumina do soro bovino, BSA) para o estudo de otimização de SAB e posterior aplicação na extração/concentração de PSA. Neste trabalho, foram estudados dois tipos de SAB: LIs + sais orgânicos e LIs + polímeros. Primeiramente foram avaliados SAB constituídos por um sal orgânico e biodegradável (K3C6H5O7) e uma nova classe de LIs com aniões com capacidade tampão (Good’s buffers) combinados com os catiões tetrabutilamónio ([N4444+]) e tetrabutilfosfónio ([P4444]+). De seguida, foram avaliados SAB formados pelo polímero polipropileno glicol com massa molecular de 400 g∙mol-1 (PPG 400) e líquidos iónicos constituídos pelo catião colínio ([Ch]+) e uma vasta panóplia de aniões, incluindo os Good’s buffers. Os LIs selecionados permitiram estudar o efeito do anião e do catião sobre os diagramas de fase, ou seja a sua capacidade para formar um sistema de duas fases aquosas, assim como avaliar a sua potencialidade para extração e concentração de BSA (e posteriormente PSA) a partir de soluções aquosas. De acordo com os resultados obtidos foi possível, num único passo, alcançar a extração completa da BSA. Entre os vários SAB avaliados, os constituídos por K3C6H5O7 + [N4444][Tricina] e PPG 400 + [Ch][Tricina] foram considerados os sistemas mais eficazes para a etapa de extração (atingindo extrações completas). No entanto, os SAB compostos por polímeros não permitem atingir os níveis de concentração esperados, pelo que os sistemas constituídos por LIs e K3C6H5O7 são os SAB de eleição e provaram ser uma técnica promissora de extração e concentração que poderá no futuro ser implementada previamente às análises clínicas de PSA. Por fim, com o intuito de suportar esta afirmação, utilizou-se um SAB constituído por K3C6H5O7 e [N4444][Tricine] para extrair PSA onde foi possível confirmar a extração completa para a fase rica em LI.

Mestrado em Bioquímica - Bioquímica Clínica
Nowadays, antioxidants present a great relevance in a variety of applications used by the pharmaceutical and the cosmetic industries. The antioxidants are able to inhibit or to retard the oxidation of other compounds, and mainly the oxidation caused by free radicals, and that is the reason of their importance in the industry and their incorporation into a variety of products. For the utilization of antioxidants in effective quantities, it is necessary to either chemically synthesize them, what is expensive and may causes problems due to their non-natural origin, or to extract them from their natural sources (biomass). Conventional methods for the extraction of antioxidants and the following purification are normally expensive and time-consuming. Therefore, other extraction methods, like the liquid-liquid extraction using aqueous biphasic systems (ABS), have been studied. In this work, the use of ABS based on ionic liquids (ILs) and polymers is proposed as an alternative for the conventional systems that are mostly composed of polymers and inorganic salts. The use of ILs allows the tuning of the properties of the extraction systems by variation of their ions and so to increase the extraction efficiencies. In this work, it is shown, for the first time, that poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) and poly(vinyl alcohol) (PVA) of different molecular weights form ABS with phosphonium-based and imidazolium-based ILs. The respective phase diagrams were determined at 25 °C to define the minimum concentrations that are necessary for the formation of two aqueous phases. Finally, the ability of these systems as liquid-liquid extraction systems was evaluated. To this end, the partition coefficients and extraction efficiencies of several antioxidants (gallic acid, vanillin, vanillic acid and syringic acid) using the studied systems were determined. Extraction efficiencies ranging from 75% to 95 % were obtained for the different systems, thus demonstrating their capability for extracting purposes. In general, the most efficient system for the extraction of antioxidants was that composed of the IL 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([C4mim][CF3SO3]) and the PVA of 9,000-10,000 g.mol-1 (PVA9) for the extraction of all the studied antioxidants.
Atualmente os antioxidantes apresentam uma relevância elevada numa vasta gama de aplicações utilizadas pela indústria farmacêutica e de cosmética. Os antioxidantes são capazes de inibir ou de retardar a oxidação de outros compostos, principalmente a oxidação causada por radicais livres, e daí o seu destaque na indústria e da sua incorporação nos produtos mais variados. No entanto, para a utilização de antioxidantes em quantidades eficazes, é necessário sintetizá-los quimicamente, o que é dispendioso e pode acarretar problemas devido à sua origem não natural, ou extraí-los das suas fontes naturais (biomassa). Os métodos convencionais para a extração e posterior purificação de antioxidantes são normalmente dispendiosos e morosos. Neste sentido, têm vindo a ser estudados outros métodos de extração, e mais recentemente, a extração líquido-líquido recorrendo a sistemas aquosos bifásicos (SAB). Neste trabalho propõe-se a utilização de SAB constituídos por líquidos iónicos (LIs) e polímeros como alternativa aos sistemas convencionais maioritariamente formados por polímeros e sais inorgânicos. A utilização de LIs permite afinar as propriedades dos sistemas extrativos por variação dos iões que os compõem, e portanto, aumentar as eficiências de extração. Neste trabalho foi demostrada, pela primeira vez, a formação de SAB constituídos por polivinilpirrolidona (PVP) e álcool polivinílico (PVA) de várias massas moleculares e LIs das famílias dos fosfónios e dos imidazólios. Os respetivos diagramas de fase foram determinados a 25 ºC de modo a inferir sobre as concentrações mínimas necessárias para a formação de duas fases aquosas. Por fim, estes sistemas foram avaliados quanto à sua capacidade como sistemas de extração do tipo líquido-líquido. Para tal, determinaram-se os coeficientes de partição e as eficiências de extração para vários antioxidantes (ácido gálico, vanilina, ácido vanílico e ácido siríngico) utilizando os diversos sistemas estudados. Obtiveram-se eficiências de extração que variaram entre 75 % e 95 %, o que demonstra a viabilidade destes sistemas na extração de antioxidantes. De um modo geral, o sistema mais eficiente para extrair antioxidantes é composto pelo LI 1-butil-3-metilimidazólio trifluorometanosulfonato ([C4mim][CF3SO3]) juntamente com o PVA de 9.000-10.000 g.mol-1 (PVA9) para todos antioxidantes estudados.

Mestrado em Biotecnologia Industrial e Ambiental
Atualmente verifica-se um interesse crescente na extração de compostos provenientes de recursos naturais, abundantes e renováveis. As macroalgas constituem uma grande parte da matéria-prima marinha barata e renovável, apresentando na sua constituição diversos compostos bioativos de elevado valor acrescentado, nomeadamente as ficobiliproteínas. Este tipo de investigação é crucial para países como Portugal que, dada a sua vasta área costeira, têm a vantagem de possuir uma extensa oferta de biomassa marinha, permitindo a sua valorização. Contudo, os métodos de extração e purificação convencionais têm de ser melhorados e otimizados, visto serem estas as etapas responsáveis pelos maiores custos associados à comercialização destes compostos. Assim, este trabalho objetiva o desenvolvimento de sistemas micelares de duas fases aquosas usando líquidos iónicos como co-surfatantes para a avaliação do seu potencial como método de purificação de ficobiliproteínas. Numa primeira fase, este trabalho pretende alargar o conjunto de sistemas micelares de duas fases aquosas, dado o número muito reduzido destes sistemas em literatura. Desta forma, diversos copolímeros serão usados como surfatantes não-iónicos em combinação com duas famílias distintas de líquidos iónicos (imidazólios e fosfónios), atuando estes como co-surfatantes, na criação de sistemas micelares de duas fases aquosas convencionais e mistos para posteriormente serem aplicados na extração de ficobiliproteínas, em particular da R-ficoeritrina, a partir de algas vermelhas da espécie Gracilaria sp. Os principais resultados obtidos neste trabalho apresentam-se como promissores, uma vez que foi possível obter recuperações de R-ficoeritrina de cerca de 80% e seletividades entre 10 e 15, a partir do uso de amostras reais e, portanto mais complexas.
Nowadays, the extraction of natural compounds from renewal and abundant resources has raised the industrial interest. In this sense, macroalgae constitute a large part of cheap and renewable marine source of biomass that have shown great potential as a platform for the recovery of several high-added value compounds, namely phycobiliproteins. This type of research is crucial for countries like Portugal, since it is possible to take advantage of their privileged geographical location to access the raw materials (seaweeds) and value them. However, the currently extraction and purification processes need to be improved and optimized since they are primarily responsible for some difficulties in the industrial implementation. Consequently, this work addresses the exploitation of novel aqueous micellar two-phase systems (AMTPS) using ionic liquids (ILs) as co-surfactants for the assessment of their potential in the extraction of phycobiliproteins. Moreover, this work intends to create fundamental knowledge through the design of new AMTPS since currently there is a flagrant lack of systems compared the great amount of surfactants available in the market. Thus, several copolymers were used as nonionic surfactants in combination with two distinct families of ILs, namely the imidazolium and phosphonium, acting as co-surfactants to create conventional and mixed AMTPS for the extraction of phycobiliproteins, in particular R-phycoerythrin, from the red macroalgae Gracilaria sp. The initial results are promising since real matrices are used instead of model molecules and it is possible to verify that R-phycoerythrin recoveries are already higher than 80% and selectivities up to 10 and 15.

Mestrado em Bioquímica - Métodos Biomoleculares
Antibodies are glycoproteins that belong to the family of immunoglobulins (Ig). They are found in plasma and extracellular fluids of vertebrates and are produced by B cells to identify and to neutralize pathogens and foreign molecules (antigens) in our body. The production of monoclonal and polyclonal antibodies and their ability to bind to a specific antigen, allows their use in quantitative and/or qualitative analyses of specific antigens, in purification methods and in modulating physiological effects in research, diagnosis or therapy. Hen antibodies (IgY) have been studied for such type of applications because they can be produced at a lower cost and in larger amounts. The production of IgY for use in passive immunization has been suggested because there are many antibioticresistant microorganisms, diseases that do not respond to the applied drugs and individuals who are unable to respond to vaccination. The major objective of this work consists on the injection of hens with specific antigens (produced with the aid of fusion tags) which leads to a humoral immune response and to the production of hyperimmune eggs, which were followed a long time. Finally, the stability of IgY was evaluated in aqueous solutions of salts and polymers that could be used in the creation of aqueous biphasic systems for purification purposes.
Os anticorpos pertencem à família das Imunoglobulinas (Ig), e que se encontram no plasma e no fluído extracelular dos vertebrados, sendo produzidos pelas células B de modo a identificar e neutralizar as moléculas estranhas e patogénicas (antigénios) ao nosso organismo. A produção de anticorpos monoclonais e policlonais e a sua capacidade para se ligarem a antigénios específicos possibilitou a sua aplicação em análises quantitativas e/ou qualitativas, em métodos de purificação de antigénios e na modulação de efeitos fisiológicos em investigação, de diagnóstico ou terapêutica. Os anticorpos das aves (IgY) têm sido muito estudados neste tipo de aplicações por serem uma fonte mais económica e existirem em maior quantidade. A produção de IgY para aplicação em imunização passiva tem vindo a ser estudada nos últimos anos, e isto deve-se ao fato de existirem muitos microrganismos resistentes a antibióticos, doenças que não reagem aos fármacos aplicados e de indivíduos que são incapazes de responder ao método de vacinação tradicional. Para a produção de anticorpos específicos, expõem-se a ave a um determinado antigénio, através de injeção, levando posteriormente a uma resposta imunitária humoral e assim à produção de ovos hiperimunes. O grande objetivo deste trabalho consistiu na produção de ovos hiperimunes, na qual se acompanhou o perfil dos mesmos ao longo do tempo, seguido da avaliação da estabilidade de IgY em soluções aquosas de sais e polímeros utilizados em sistemas aquosos bifásicos que poderão ser estratégias promissoras para a sua purificação.

Mestrado em Bioquímica - Bioquímica Clínica
According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.
De acordo com dados disponibilizados pela Organização Mundial de Saúde, cerca de 8,2 milhões de pessoas morrem anualmente com cancro. A elevada taxa de mortalidade associada ao cancro resulta da maioria dos pacientes não efetuar exames de rotina e porque a manifestação dos sintomas, na maioria dos casos, acontece quando o paciente já se encontra numa fase avançada da doença. Atualmente, o cancro da próstata representa a segunda maior causa de morte entre indivíduos do sexo masculino em todo o mundo. Tendo em conta que não existe cura para casos avançados de cancro da próstata, a estratégia passa por um diagnóstico precoce que permita aumentar a taxa de sucesso dos tratamentos. O antigénio prostático específico (PSA) é um biomarcador importante do cancro da próstata que pode ser detetado em fluidos biológicos, nomeadamente sangue, urina e sémen. No entanto, os kits comerciais disponíveis utilizam amostras de sangue e os métodos analíticos normalmente utilizados na sua deteção e quantificação requerem pessoal especializado, equipamento específico e um processamento extensivo das amostras, resultando em processos com um elevado custo associado. Assim, o objetivo deste mestrado passou por desenvolver um método simples, eficiente e menos dispendioso para a extração e concentração de PSA a partir de amostras de urina utilizando sistemas aquosos bifásicos (SAB) constituídos por líquidos iónicos. Numa fase inicial, determinaram-se os diagramas de fases de um conjunto de sistemas aquosos bifásicos constituídos por um sal orgânico e por líquidos iónicos. Em seguida, avaliou-se a capacidade dos mesmos para a extração do PSA. Os resultados obtidos demonstram que, nos sistemas em estudo, o antigénio prostático específico é totalmente extraído para a fase rica em líquido iónico num único passo. Por fim, averiguou-se a aplicabilidade dos SAB estudados para a concentração do PSA a partir de soluções aquosas e de urina. A baixa concentração deste biomarcador na urina (clinicamente significativo abaixo de 150 ng/mL) dificulta a sua deteção através de técnicas analíticas convencionais. Os resultados obtidos demonstraram que é possível extrair e concentrar PSA até 250 vezes, numa única etapa, sendo este detetável através de técnicas menos dispendiosas.

Mestrado em Biotecnologia - Biotecnologia Industrial e Ambiental
The immune system is able to produce antibodies, which have the capacity to recognize and to bind to foreign molecules or pathogenic organisms. Currently, there are a diversity of diseases that can be treated with antibodies, like immunoglobulins G (IgG). Thereby, the development of cost-efficient processes for their extraction and purification is an area of main interest in biotechnology. Aqueous biphasic systems (ABS) have been investigated for this purpose, once they allow the reduction of costs and the number of steps involved in the process, when compared with conventional methods. Nevertheless, typical ABS have not showed to be selective, resulting in low purification factors and yields. In this context, the addition of ionic liquids (ILs) as adjuvants can be a viable and potential alternative to tailor the selectivity of these systems. In this work, ABS composed of polyethylene glycol (PEG) of different molecular weight, and a biodegradable salt (potassium citrate) using ILs as adjuvants (5 wt%), were studied for the extraction and purification of IgG from a rabbit source. Initially, it was tested the extraction time, the effect on the molecular weight of PEG in a buffer solution of K3C6H5O7/C6H8O7 at pH≈7, and the effect of pH (59) on the yield (YIgG) and extraction efficiency (EEIgG%) of IgG. The best results regarding EEIgG% were achieved with a centrifugation step at 1000 rpm, during 10 min, in order to promote the separation of phases followed by 120 min of equilibrium. This procedure was then applied to the remaining experiments. The results obtained in the study of PEGs with different molecular weights, revealed a high affinity of IgG for the PEG-rich phase, and particularly for PEGs of lower molecular weight (EEIgG% of 96 % with PEG 400). On the other hand, the variation of pH in the buffer solution did not show a significant effect on the EEIgG%. Finally, it was evaluated the influence of the addition of different ILs (5% wt) on the IgG extraction in ABS composed of PEG 400 at pH≈7. In these studies, it was possible to obtain EEIgG% of 100% with the ILs composed of the anions [TOS]-, [CH3CO2]-and Cl-, although the obtained YIgG% were lower than 40%. On the other hand, the ILs composed of the anions Br-, as well as of the cation [C10mim]+, although not leading to EEIgG% of 100%, provide an increase in the YIgG%. ABS composed of PEG, a biodegradable organic salt and ILs as adjuvants, revealed to be an alternative and promising method to purify IgG. However, additional studies are still required in order to reduce the loss of IgG.
O sistema imunitário tem como ferramenta mais poderosa a produção de anticorpos, pois estes têm a capacidade de reconhecer e ligar-se a moléculas/organismos patogénicos. Atualmente, existem uma série de doenças que podem ser tratadas com anticorpos, nomeadamente com as imunoglobulinas G (IgG). Assim, o desenvolvimento de processos mais baratos e eficazes para a sua extração e purificação é uma área de interesse em biotecnologia. Os sistemas aquosos bifásicos (SAB) têm sido estudados para o efeito pois permitem a redução de custos e do número de passos envolvidos no processo, em comparação com os métodos convencionais. No entanto, os SAB tradicionais têm-se mostrado pouco seletivos, resultando em baixos fatores de purificação e rendimentos. Neste sentido, a incorporação de líquidos iónicos (LIs) nos SAB pode ser uma alternativa promissora para manipular a seletividade destes sistemas. Neste trabalho, estudaram-se SAB constituídos por polietileno glicol (PEG) de diferentes massas moleculares e um sal biodegradável (citrato de potássio), utilizando LIs como adjuvantes (5% m/m) para a extração de IgG de origem leporídea (coelho). Inicialmente, estudaram-se o tempo de extração, o efeito da variação da massa molecular do PEG em solução tampão de K3C6H5O7/C6H8O7 a pH≈7 e o efeito da variação de pH (5-9) sobre o rendimento (YIgG) e eficiência de extração (EEIgG%) de IgG. Os melhores resultados obtidos em termos de EEIgG% foram conseguidos com uma centrifugação a 1000 rpm durante 10 min para promover a separação de fases e equílibrio seguidos de 120 min de repouso. Este procedimento foi posteriormente aplicado aos restantes ensaios experimentais. Os resultados obtidos no estudo de PEGs de diferentes pesos moleculares revelaram uma elevada afinidade da IgG para a fase de PEG, principalmente com os PEGs de menor peso molecular (96% de EEIgG% com o PEG 400). Por outro lado, a variação de pH da solução tampão não mostrou um efeito significativo sobre a EEIgG%. Por fim, foi avaliada a influência da adição de vários LIs (5% m/m) na extração de IgG nos SABs compostos por PEG 400 a pH≈7. Nestes estudos foi possível obter uma EEIgG% de 100% com os LIs constituídos pelos aniões [TOS]-, [CH3CO2]- e Cl-, apesar dos YIgG% obtidos serem inferiores a 40%. Por outro lado, com LIs constituídos pelos aniões Br-, assim como pelos catião [C10mim]+, não se conseguiram obter valores de 100% para a EEIgG%, mas obtiveram-se melhores resultados em termos de YIgG%. Os SAB constituídos por PEG, um sal orgânico biodegradável e LIs como adjuvantes revelaram-se um método alternativo e promissor para a purificação de IgG. No entanto, são necessários ainda estudos adicionais de modo a reduzir a perda de IgG durante o processo.