"PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE GASES DE ANESTESIA USANDO CONTACTORES DE MEMBRANAS E SUAS APLICAÇÕES"

Domínio técnico

O presente pedido diz respeito a um processo de remoção de compostos tóxicos, nomeadamente dióxido de carbono, presentes em correntes de gás em circuitos de anestesia.

Antecedentes

Um gás de anestesia é geralmente composto por cerca de 70% de óxido nitroso (N ₂ 0) , 22-29% de oxigénio e 1-8% de hidrocarbonetos halogenados. Após a respiração, o dióxido de carbono (CO ₂ ) presente na mistura gasosa atinge um teor de 5% devendo ser removido para valores inferiores 0.5%, tornando possível a recirculação desse gás ao paciente sob anestesia .

Atualmente a remoção de CO ₂ de correntes de gases de anestesia é feita através do uso de um absorvente constituído por hidróxido de cálcio (CaOH ₂ ) . Este absorvente promove a seguinte reação com o CO ₂ :

CaOH ₂ (s) + C0 ₂ (g) ► Ca(C0 ₃ ) (s) + H ₂ 0(g,l) na qual o hidróxido de cálcio reage com o dióxido de carbono formando carbonato de cálcio e água. Apesar de ser o absorvente mais utilizado em circuitos de anestesia para a remoção de C0 ₂ , o hidróxido de cálcio apresenta uma elevada sensibilidade reativa aos agentes anestésicos.

Os agentes anestésicos mais utilizados são hidrocarbonetos fluorados, como por exemplo, sevoflurano, isoflurano, desflurano, os quais podem reagir quimicamente com o hidróxido de cálcio, podendo formar subprodutos potencialmente tóxicos para o paciente.

Foram propostas na literatura algumas soluções para minimizar a ocorrência de reações secundárias entre o absorvente e o agente anestésico. A patente MX 2009006916A sugere a utilização de um absorvente de CO ₂ com a composição 70-90% de hidróxido de cálcio (livre de hidróxido de potássio e hidróxido de sódio), 0,1-17% de hidróxido de lítio e 5-25% de água. A patente US 5,390,667 sugere a utilização de um absorvente de CO ₂ constituído por óxido de magnésio, hidróxido de magnésio, ou hidrocarboneto de magnésio, com uma pequena quantidade de água .

Todas as soluções mencionadas anteriormente baseiam-se em sistemas de absorção, isto é não há regeneração simultânea do absorvente, o que implica a substituição do absorvente quando saturado e um elevado custo associado à eliminação de resíduos hospitalares contaminados.

Mais recentemente, a patente US 2004/0103898 sugere a construção de um tubo para adaptar a circuitos de anestesia, que deverá conter uma membrana e um absorvente de CO ₂ (sem especificar qual a composição deste absorvente nem o material da membrana) , sendo, no entanto, mais uma vez, um sistema apenas de absorção, o qual não assegura a sua regeneração in-situ .

Como referido anteriormente, os agentes anestésicos utilizados mais frequentemente são hidrocarbonetos fluorados, podendo originar a formação de compostos potencialmente tóxicos quando combinados com o absorvente. O Xenon, por outro lado, é considerado o gás anestésico ideal. A sua utilização faz com que não ocorram praticamente efeitos secundários (em particular no sistema cardiovascular), é inodoro, e permite uma rápida indução. Para além disso, não reage quimicamente com qualquer substância, não apresentando o problema de formação de compostos potencialmente tóxicos para o paciente. No entanto, o elevado custo da cirurgia quando se utiliza Xenon comparado com os restantes agentes anestésicos, tem limitado a sua utilização. Por isso, é premente encontrar processos alternativos eficientes para recuperar e reciclar gases de anestesia e, em particular Xenon, de uma forma eficiente e com baixo custo.

Trabalhos recentes propõem o uso de membranas para absorção de C0 ₂ , usando soluções de sais de amino ácidos com polietileno glicol e glicerol, mas estes processos necessitam de regeneração térmica, o que condiciona a sua utilização em ambiente hospitalar (Portugal, A. F., F. D. Magalhães, A. Mendes, Carbon dioxide removal from anaesthetic gas circuits using hollow fiber membrane contactors with amino acid salt solutions J. Memb Sei. 339 (2009) 275-286) .

Alguns Líquidos Iónicos (Lis) apresentam uma elevada solubilidade ao CO ₂ , o que os torna bons candidatos como absorventes de CO ₂ de correntes gasosas, para além de terem uma pressão de vapor muito baixa, o que garante a não ocorrência de perdas por evaporação para a atmosfera.

Igualmente há misturas eutécticas que asseguram uma afinidade elevada para o CO ₂ e volatilidade negligenciável. A presente invenção propõe um processo integrado (absorção e regeneração in-situ) para a purificação de gases de anestesia e remoção de CO ₂ combinando a capacidade de líquidos iónicos ou misturas eutéticas com especificidade para solubilizar dióxido de carbono com o uso de uma enzima, anidrase carbónica, que catalisa a reação de conversão do CO ₂ em bicarbonato, de acordo com a seguinte reação :

C0 ₂ + H ₂ 0 ₄ ^► HC0 ₃ ^~ + H ⁺

Assim, em adição ao transporte de CO ₂ pela fase líquida seletiva, o mecanismo adicional de conversão enzimática em bicarbonato aumenta a força motriz de transporte, melhorando consideravelmente a transferência total de CO ₂ . A anidrase carbónica é reconhecida pela comunidade científica como tendo a capacidade para catalisar de forma reversível a reação de conversão de dióxido de carbono em bicarbonato .

Sumário

É objetivo do presente pedido a descrição de um processo de purificação de gases de circuitos de anestesia utilizando contactores de membranas. Este processo é caracterizado por fazer contactar uma corrente gasosa, constituída por gases de anestesia e por gases exalados pelo sujeito anestesiado, num contactor de membranas, assegurando a solubilização e difusão dos compostos gasosos tóxicos para uma fase líquida recetora que integra a enzima anidrase carbónica dispersa num líquido iónico ou numa mistura eutética, com afinidade para o dióxido de carbono, permitindo a sua subsequente remoção desta fase líquida, num segundo contactor de membranas. Assim, o referido processo permite a recirculação da corrente de gás de anestesia purificada ao sujeito sob intervenção e a recirculação da fase liquida recetora, livre de CO ₂ (à saída do segundo contactor), ao primeiro contactor.

As principais vantagens são:

a. Eliminação de problemas de toxicidade, causados pelos sistemas atuais de purificação de gases em circuitos de anestesia .

b. Regeneração in-situ e à temperatura ambiente da fase líquida usada para solubilização dos gases tóxicos.

c. Equipamento compacto (contactores de membranas) adequado para utilização em ambiente hospitalar.

Neste contexto, o presente pedido descreve um processo de remoção de dióxido de carbono presente na corrente gasosa em circuitos de anestesia, compreendendo os seguintes passos :

- admissão de uma corrente gasosa, compreendendo gases de anestesia e gases exalados pelo sujeito anestesiado, a pelo menos um primeiro contactor de membranas, no qual ocorre a solubilização e difusão do dióxido carbono para uma fase líquida recetora;

- admissão da fase líquida recetora proveniente do primeiro contactor, a pelo menos um segundo contactor de membranas no qual ocorre a dessorção do dióxido de carbono;

- recirculação da corrente gasosa proveniente do primeiro contactor à corrente gasosa de anestesia a ser administrada ao sujeito; - recirculação da fase liquida recetora proveniente do segundo contactor ao primeiro contactor.

Numa forma de realização preferencial, a fase liquida recetora compreende um liquido iónico ou uma mistura eutéctica .

Numa outra forma de realização preferencial, a fase liquida recetora compreende ainda uma enzima anidrase carbónica imobilizada, cu a concentração varia entre 0.001% (p/p) a 0.1% (p/p) .

Ainda numa outra forma de realização preferencial, o liquido iónico apresenta uma estrutura Q ⁺ X ^~ , em que a unidade catiónica Q ⁺ é selecionada do grupo compreendendo imidazólio, pirazólio, piridinio, pirrolidinio, efedrinio, morfolineo, piperazineo, triazólio, tiazólio, benzotriazólio, oxazólio, tetrazólio, sulfónio, amónio, fosfónio ou guanidinio, ou contendo um grupo amina terciária pendente e em que unidade aniónica X ^~ é selecionada do grupo compreendendo halogeneto, tetracloreto de alumínio, tetracloreto de ferro, perclorato, nitrato, cianeto, dicianamida, tiocianato, tricianometanide, formato, acetato, trifluoroacetato, tricloroacetato, propionato, butanoato, octanoato, metilsulfato, etilsulfato, propilsulfato, butilsulfato, octilsulfato, tosilato, benzenosulfonato, mesilato, triflato, sulfato, hidrogenossulfato, carbonato, bis (trifluorometil-sulfonil ) imida, carborane, sacarinato, acesulfanato, hexafluorofosfato, fosfato, dihidrogenofosfato, hidrogenofosfato, tetrafluoroborato, tetrafenilborato . Numa forma de realização preferencial, a mistura eutética compreende uma combinação de colina com um composto selecionado do grupo que compreende ureia, tioureia, metilureia, 1 , 3-dimetilureia, 1 , 1-dimetilureia, acetamida, benzamida, etilenoglicol , glicerol, 2,2,2- trifluoroacetamida, imidazole, ácido adipico, ácido benzóico, ácido cítrico, ácido malónico, ácido oxálico, ácido fenilacético, ácido fenilpropiónico, ácido sucínico, ácido levulínico, xilitol, sorbitol, ácido tartárico ou isosurbida ou pela combinação de ureia metilureia, 1,3- dimetilureia, ou 1 , 1-dimetilureia, e colina, cloreto de trietil-cloroetilamónio, cloreto de dimetil-benzil- hidroxietilamónio cloreto de trifenil-metilfosfónio e dicloreto de zinco.

Numa outra forma de realização preferencial, a temperatura de operação da fase líquida recetora varia entre 10°C e 100°C, encontrando-se preferencialmente à temperatura ambiente .

Ainda numa outra forma de realização preferencial, os dois contactores são contactores de membrana cujo diâmetro de poro se encontra entre os 20nm e 500nm.

Numa forma de realização preferencial, as membranas dos dois contactores são poliméricas ou inorgânicas ou compreendendo simultaneamente materiais poliméricos e materiais inorgânicos, sendo módulos do tipo tubular, de fibras capilares, de fibras ocas, módulos planos ou módulos espirais. É ainda objetivo deste pedido a utilização deste processo na área da medicina, preferencialmente nas intervenções médicas nas quais o sujeito se encontra anestesiado.

Descrição geral

0 presente pedido propõe um processo integrado (absorção e regeneração simultâneas) usando contactores de membranas, de forma a obter um sistema médico compacto que permite reciclar gases de anestesia ao paciente, durante o processo de intervenção médica.

Nesta configuração, a corrente de gás que contém C0 ₂ contacta com uma solução constituída por líquidos iónicos ou misturas eutéticas com uma actividade em água adequada e a enzima anidrase carbónica. O CO ₂ é transportado seletivamente da corrente gasosa de anestesia através da solução constituída por líquidos iónicos ou misturas eutéticas contendo a enzima anidrase carbónica.

Esta solução é regenerada à temperatura ambiente o que se traduz numa não acumulação de CO ₂ na solução absorvente, evitando a sua saturação (como acontece nas soluções propostas anteriormente) . Não são necessárias temperaturas elevadas para regenerar o líquido iónico ou a mistura eutética, porque a pressão reduzida ou o gás de arraste usado no circuito de permeado permite a libertação do dióxido de carbono capturado. Por outro lado, a corrente de gás tratada, com um teor de dióxido de carbono adequado, pode ser recirculada ao paciente. Este sistema evita completamente a contaminação do gás tratado pois o líquido iónico ou a mistura eutética têm uma pressão de vapor negligenciável. Recentemente foi demonstrado na literatura a capacidade do liquido iónico ( [C ₄ MIM] [ f ₂ N] ) de solubilizar a enzima anidrase carbónica, tendo sido observado o aumento do coeficiente de solubilidade do CO ₂ em 30% para uma pequena concentração da enzima (0.1 mg/g liquido iónico) ( Neves, Luisa, C. Afonso, I. M. Coelhoso, J. Crespo, Integrated CO _∑ capture and enzymatic bioconversion in supported ionic liquid membranes _r Sep. Purif. Tech. (2012), 97, 34-41) .

Neste processo, propõe-se a dispersão da enzima, anidrase carbónica em líquidos iónicos ou misturas eutéticas com elevada afinidade para remover seletivamente CO ₂ . Através do ajuste da atividade adequada em água é possível dispersar a enzima anidrase carbónica (AC) num líquido iónico ou mistura eutética. Os líquidos iónicos, compostos consistindo inteiramente de espécies iónicas, possuem uma estrutura geral Q ⁺ X ^~ , quirais ou aquirais, sendo Q ⁺ um catião orgânico e X ^~ um anião inorgânico ou orgânico. A unidade catiónica Q ⁺ é uma unidade preferencialmente do tipo imidazólio, pirazólio, piridínio, pirrolidínio, efedrínio, morfolíneo, piperazíneo, triazólio, tiazólio, benzotriazólio, oxazólio, tetrazólio, sulfónio, amónio, fosfónio ou guanidínio, e a unidade aniónica X ^~ é um halogeneto, tetracloreto de alumínio, tetracloreto de ferro, perclorato, nitrato, cianeto, dicianamida, tiocianato, tricianometanide, formato, acetato, trifluoroacetato, tricloroacetato, propionato, butanoato, octanoato, metilsulfato, etilsulfato, propilsulfato, butilsulfato, octilsulfato, tosilato, benzenosulfonato, mesilato, triflato, sulfato, hidrogenossulfato, carbonato, bis (trifluorometil-sulfonil ) imida, carborane, sacarinato, acesulfanato, hexafluorofosfato, fosfato, dihidrogenofosfato, hidrogenofosfato, tetrafluoroborato, tetrafenilborato . Por apresentarem uma pressão de vapor muito baixa podem ser usados quer em membranas liquidas suportadas quer em contactores de membranas, obtendo-se membranas ou soluções extremamente estáveis quando em contacto com correntes gasosas. 0 uso de líquidos iónicos ou misturas eutéticas com pressão de vapor muito baixa, com a particularidade de concentrarem e solubilizarem CO2 , promovem o ambiente perfeito para a enzima, assegurando uma elevada concentração local de CO2 e o nível de água necessário que garante uma adequada atividade e estabilidade da enzima. Deste modo, além da maior solubilidade do CO2 num LI ou mistura eutéctica seletivo, o mecanismo adicional da conversão enzimática de CO2 em bicarbonato aumenta a força motriz de transporte, e melhora significativamente a transferência de massa global de CO2. Esta concepção permite ainda ultrapassar os problemas de perda de absorvente por evaporação que ocorrem quando se usam soluções aquosas. A utilização de um contactor de membranas caracterizado por uma elevada área de transferência de massa num reduzido volume permite o desenvolvimento de um equipamento compacto, adequado para uso hospitalar e permite a recirculação ao paciente dos gases de anestesia.

Neste processo são utilizados preferencialmente líquidos iónicos ou misturas eutéticas com elevada afinidade para o CO2 · Em experiências recentes foi desenvolvida uma gama de líquidos iónicos baseados no catião imidazólio com grande afinidade para CO2. A mistura eutética compreende uma combinação de colina um ou mais compostos selecionados do grupo que compreende ureia, tioureia, metilureia, 1,3- dimetilureia, 1 , 1-dimetilureia, acetamida, benzamida, etilenoglicol , glicerol, 2 , 2 , 2-trifluoroacetamida, imidazole, ácido adipico, ácido benzóico, ácido cítrico, ácido malónico, ácido oxálico, ácido fenilacético, ácido fenilpropiónico, ácido sucinico, ácido levulinico, xilitol, sorbitol, ácido tartárico ou isosurbida ou pela combinação de ureia, metilureia, 1 , 3-dimetilureia, ou 1,1- dimetilureia, e colina, cloreto de trietil- cloroetilamónio, cloreto de dimetil-benzil- hidroxietilamónio cloreto de trifenil-metilfosfónio e dicloreto de zinco. Esta afinidade pode ainda ser melhorada através da síntese de líquidos iónicos baseados no catião imidazólio, pirazólio, piridínio, pirrolidínio, efedrínio, morfolíneo, piperazíneo, triazólio, tiazólio, benzotriazólio, oxazólio, tetrazólio, sulfónio, amónio, fosfónio, ou guanidínio, contendo um grupo amina terciária pendente. A utilização destes catiões permite a absorção seletiva de CO ₂ devido à presença do catião orgânico e assegurar que o grupo contendo a amina terciária actue como contra-ião do anião bicarbonato produzido enzimaticamente .

Esta tecnologia permite resolver o problema de remoção de compostos tóxicos presentes em circuitos de anestesia, preferencialmente o CO ₂ , de uma forma eficiente e sustentável, sendo o líquido iónico ou a mistura eutética, regenerados por dessorção do C02 usando pressão reduzida ou um gás de arraste (Figura 1) .

Breve descrição das figuras

Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo a figura, a qual, representa realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem limitar o objeto do presente pedido.

Figura 1. Processo integrado de captura de gases tóxicos presentes em circuitos de anestesia com dois contactores de membranas em série. No primeiro contactor o CO2 presente no gás de anestesia é preferencialmente removido e no segundo contactor a fase liquisa receptora é regenerada no circuito, com um gás de arraste ou com pressão reduzida. Os números de referência são:

1 - corrente de admissão de gás de anestesia;

2 - sujeito ou paciente;

3 - gases de anestesia e gases exalados pelo sujeito

anestesiado, ricos em C0 ₂ , N ₂ 0 ou Xe;

4 - corrente gasosa de gases livre de CO2 ;

5 - primeiro contactor;

6 - corrente da fase liquida recetora com CO2 dissolvido;

7 - fase liquida recetora;

8 - segundo contactor;

9 - corrente da fase liquida recetora livre de CO2 ;

10 - condensador;

11 - bomba de vácuo;

12 - recuperação do CO2 ;

13 - corrente com gás de arraste.

Descrição de formas de realização

Fazendo referência às figuras, algumas formas de realização vão ser agora descritas de forma mais pormenorizada, as quais não pretendem contudo limitar o âmbito do presente pedido. O presente pedido descreve um processo para a remoção eficiente de compostos tóxicos, nomeadamente dióxido de carbono, presentes na corrente de gás em circuitos de anestesia, combinando a capacidade de líquidos iónicos ou de misturas eutéticas com especificidade para solubilizar dióxido de carbono com o uso de uma enzima, anidrase carbónica, que catalisa a reação de conversão do CO2 em bicarbonato .

Neste processo, a enzima anidrase carbónica é dissolvida num líquido iónico ou mistura eutética, que apresente elevada solubilidade ao CO2. De modo a assegurar a estabilidade e a atividade da enzima, é necessário que este líquido ou mistura contenha uma determinada atividade em água, com valores óptimos situados entre 0.2 e 0.8.

Neste processo, é utilizado um contactor de membranas caracterizado por uma elevada área de transferência de massa num reduzido volume. No processo integrado prevê-se a utilização de dois contactores (5 e 8), com membranas que podem ser poliméricas ou cerâmicas, com tamanho de poros que podem variar entre 0.02 micrómetros e 0.5 micrómetros. Este processo é caracterizado por fazer contactar uma corrente gasosa, constituída por gases de anestesia e por gases exalados pelo anestesiado rica em CO2 , N2O ou Xe (3), num contactor de membranas (5) assegurando a solubilização e difusão dos compostos gasosos tóxicos para uma fase líquida recetora (7) que integra a enzima anidrase carbónica dispersa num líquido iónico ou numa mistura eutética, com afinidade para o CO2 . A fase líquida na qual o CO2 se encontra dissolvido (6) é alimentada a um segundo contactor de membranas (8) operado a pressão reduzida utilizando um condensador (10) e uma bomba de vácuo (11), ou usando um gás de arraste com caudal controlado (13) . Neste segundo contactor (8), o CO ₂ é capturado (12) e separada da corrente de fase liquida recetora, que contém a enzima e o liquido iónico ou mistura eutéctica, livre de CO ₂ (9), sendo esta última recirculada para o primeiro contactor (5) . A corrente de gás tratada no primeiro contactor, livre de dióxido de carbono (4), pode ser recirculada para o paciente (2) . É ainda possível uma adição controlada de gás de anestesia (1) de forma a repor a composição do gás de anestesia a administrar ao paciente. Este sistema evita completamente a contaminação do gás tratado (e da corrente de dióxido de carbono) pois o líquido iónico ou mistura eutética têm uma pressão de vapor negligenciável. Não são necessárias temperaturas elevadas para regenerar o líquido iónico ou a mistura eutética, porque a utilização de pressão reduzida ou a utilização de gás de arraste no circuito de permeado permitem a libertação do dióxido de carbono capturado.

Exemplo 1

No líquido iónico l-butil-3-methilimidazolio bis (trifluoromethanosulfonil) imida, [C ₄ MIM] [ f ₂ N] com actividade em água igual a 0.753, foi dissolvida a enzima liofilizada anidrase carbónica, na concentração de 0.01% (p/p) . A fase líquida constituída por líquido iónico e enzima foi imobilizada numa membrana hidrofóbica de PVDF, com tamanho de poro igual a 0.22 micrómetros. Foram efectuados ensaios de permeabilidade aos gases puros, dióxido de carbono e xenon, à temperatura de 30°C, para a membrana hidrofóbica imobilizada com líquido iónico, e para a membrana hidrofóbica imobilizada com líquido iónico e enzima. Os resultados experimentais demonstraram um aumento médio de 90% na seletividade ideal C0 ₂ /Xe quando a enzima está presente na fase liquida imobilizada nos poros da membrana.