Caracterização de membranas de ultrafiltração modificadas pelo método mussel-inspired

Abstract

Os processos de separação com membranas estão cada vez mais presentes na indústria. No setor de alimentos, a ultrafiltração (UF) é considerada um processo consolidado principalmente no setor de laticínios uma vez que apresenta alta capacidade de separação, concentração e purificação de proteínas do soro de leite. Entretanto, esta tecnologia apresenta limitação no seu desempenho devido à tendência de decaimento do fluxo permeado ao longo do tempo de filtração e dos fenômenos de incrustação como a camada polarizada e o fouling. Como os efeitos da incrustação são consequência da interação soluto/membrana e não podem ser totalmente eliminados, estudos que visam a minimização destes fenômenos indesejáveis são constantemente abordados. Dentro desse contexto, o presente trabalho tem como objetivo melhorar a propriedade anti-fouling de membranas de UF de polietersulfona (PES), usadas na concentração de soluções proteicas, pela modificação da superfície das membranas (MSM) pelo método mussel-inspired (MI). Este é baseado na codeposição, em única etapa, de dopamina (DA) e de polímeros hidrofílicos como a polietilenoimina (PEI) e a polivinilpirrolidona (PVP). Para tanto, membranas de UF com diferente massa molecular de corte (MMC 20, 30 e 50 kDa) foram modificadas avaliando diferentes tempos de deposição e concentrações de DA/PEI. Com a melhor combinação obtida nas modificações realizadas, a PEI foi substituída pela PVP para a posterior avalição do desempenho das membranas modificadas com este polímero. Os efeitos das diferentes modificações na membrana foram avaliados em relação a sua capacidade de absorver água, ângulo de contato, adsorção proteica e desempenho no processo de permeação avaliado por meio da permeabilidade hidráulica inicial, fluxo permeado de uma solução de albumina de soro bovino (BSA), retenção da proteína pela membrana e recuperação da permeabilidade hidráulica inicial. As membranas modificadas que apresentaram o melhor desempenho de permeação foram caracterizadas por diferentes técnicas, como microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de infravermelho, potencial zeta, massa de polímero aderida a superfície da membrana e reuso da membrana na filtração de solução proteica. Os resultados indicam que períodos muito longos de reação, apesar de aumentar o grau de hidrofilicidade, afetam o desempenho de filtração, uma vez que a permeabilidade hidráulica decai significativamente. Entretanto, períodos curtos não se mostraram eficientes em relação à queda da adsorção de proteína na superfície da membrana. O resultado da modificação é afetado pela MMC da membrana uma vez que a modificação que apresentou melhor desempenho ocorreu na membrana de maior MMC. O excesso de DA na solução de reação se mostrou prejudicial, já o aumento de PEI influenciou de modo positivo, obtendo excelentes melhoras no desempenho do processo de filtração. Assim, o melhor resultado foi obtido com a membrana de 50 kDa, modificada com12 horas de reação com uma solução de DA/PEI com razão mássica de 0,5:4,0 mg.mL-1. Nessas condições de reação foi avaliada a substituição da PEI por PVP, obtendo-se resultados semelhantes aos das membranas modificadas com PEI, mostando que o PVP é uma alternativa potencial na modificação de membranas pelo método MI.

Abstract : Membrane separation process appears increasingly present in the industries. At the food area, ultrafiltration (UF) is considered a consolidated process mainly in the dairy sector due to the high capacity of separation, concentration and purification of whey protein. However, this technology presents some limitations due to drawbacks as permeate flux decline during the filtration and the fouling phenomena. Since the fouling effects are a consequence of the membrane/solute interaction and may not be totally eliminated, studies focusing in minimize these undesirable phenomena are constantly approached. In this context, the present work aims to improve the antifouling property of the polyethersulfone (PES) UF membranes used in the concentration of protein solution by using the mussel-inspired membrane surface modification method (MI) with dopamine (DA) and hydrophilic polymers as polyethyleneimine (PEI) and polyvinylpyrrolidone (PVP). In the membrane modification process, UF membranes with different molecular weight cut-off (MWCO - 20, 30, 50 kDa) were modified by its immersion in solutions with different concentrations of DA/PEI and depositions time. To the DA/PVP membrane modification process, polymers concentration, deposition time and membrane MWCO used were based on the best results achieved in the assays carried out with the membranes modified with DA/PEI solutions. The effects of the different membrane modifications were evaluated by the water uptake capacity, contact angle analysis, protein adhesion assays and by the membrane performance that includes initial hydraulic permeability, flux of the bovine serum albumin (BSA) solution, protein retention and initial hydraulic permeability recovery. In order to characterize the membranes that presented the better result in the permeation assays, analysis as scanning electron microscopy, infrared spectroscopy Fourier transform, zeta potential, polymer weight gain after membrane modification and membrane permeation reuse were carried out. The results indicated that long periods of modification, although increases the hydrophilicity of the membranes, affects the membrane permeation performance decreasing the hydraulic permeability significantly, however, short periods of modification did not show good results in the protein adsorption experiments. Membranes with higher MWCO presented better performance in the filtration of the protein solution. The DA excess in the modification solution was harmful to the results of the permeation, in turn, with the increasing of the PEI amount better results were found. Therefore, in this study, to the PES UF membranes, the better results found were with membranes with MWCO of 50 kDa modified by 12 hours of reaction in a DA/PEI solution of 0.5:4.0 mg.mL-1, respectively. In this reaction conditions, PEI was substituted by PVP in the modification solution. The membranes modified with DA and PVP presented similar results to the membranes modified with DA and PEI, proving to be a good alternative in the modification by the MI method.