Desenvolvimento de membrana cerâmica de ultrafiltração e aplicação na concentração de surfactina obtida utilizando manipueira como substrato

Abstract

O desenvolvimento de processos de separação mais econômicos e eficientes é fundamental para as indústrias que dependem desta operação unitária. Neste sentido, destaca-se a aplicação de membranas, visto a baixa demanda energética operacional, bem como a alta eficiência e seletividade, sendo assim possível substituir parcial ou integramente as dispendiosas técnicas convencionais de purificação. As membranas podem ser desenvolvidas a partir de diferentes materiais, geometrias, e métodos de produção. Dessa forma, é possível a obtenção de membranas com alta especificidade em relação a um determinado processo. As membranas cerâmicas têm se destacado frente as membranas poliméricas, pois apresentam vantagens como maior resistência química e vida útil, além de serem menos susceptíveis à incrustação de natureza orgânica, comum em diversas áreas. A surfactina é um dos surfactantes de origem biológica de maior relevância industrial, visto a elevada atividade tensoativa (superficial e interfacial), bem como propriedades biológicas específicas. Sua produção requer diversas etapas de processamento para separação e purificação a partir do meio de cultura. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar membranas cerâmicas, usando carvão ativado como agente formador de poros, para subsequente purificação da surfactina produzida a partir da manipueira como meio de cultura alternativo. Primeiramente, foram caracterizados os materiais utilizados na produção da membrana (alumina e carvão ativado) quanto ao tamanho de partículas. Na sequência, foram preparadas suspensões com diferentes concentrações de carvão e os tubos foram moldados utilizando a técnica de centrifugal casting, secados e sinterizados. A influência da concentração de carvão como agente formador de poros foi avaliada em relação à retração linear e diametral, morfologia, porosidade aparente, permeância hidráulica e retenção de proteína BSA. De acordo com os resultados obtidos, a membrana sem carvão ativado foi selecionada para a purificação de surfactina. O desempenho da purificação foi avaliado por meio do fluxo de permeado e pela relação surfactina/proteína no concentrado. A análise dos resultados demonstrou que o uso de carvão ativado levou ao aumento da porosidade e da permeância hidráulica das membranas, porém houve insatisfatória (< 90%) retenção do BSA. A membrana cerâmica preparada sem carvão ativado apresentou redução do fluxo de permeado desprezível ao purificar a surfactina até um fator de redução de volume igual a 2,0, quando o processo foi finalizado. A baixa redução no fluxo de permeado indica que o processo pode ser conduzido a um fator de redução de volume maior que o obtido, até que seja necessária a sua interrupção para limpeza. A membrana cerâmica foi capaz de reter 91,5% da surfactina presente e obter pureza de 35,2%. Para maior grau de pureza da surfactina, estratégias adicionais devem ser adotadas.

Abstract: Developing more cost-effective and efficient separation processes is critical for all industries. In this sense, the application of membranes stands out, given the low operational energy demand, as well as the high efficiency, making it possible to replace the expensive conventional purification techniques partially or fully. Membranes can be developed from different materials, geometries, and production methods. In this way, it is possible to obtain membranes with high specificity in relation to a given process. Regarding the base materials, membranes can be classified as organic (polymeric) or inorganic, with emphasis on ceramic membranes. Ceramic membranes have advantages such as greater chemical resistance and useful life, besides being less susceptible to fouling of organic nature when compared to polymeric membranes. Surfactin is one of the most industrially relevant surfactants of biological origin, given its high surfactant activity (surface and interfacial), as well as specific biological properties. Therefore, the objective of this work was to develop and characterize ceramic membranes incorporated with activated carbon as a pore-forming agent for subsequent purification of surfactin produced from cassava as an alternative culture medium. First, the materials used in the membrane preparation (alumina and activated carbon) were characterized in terms of particle size. Subsequently, suspensions with different concentrations of carbon were prepared and the tubes were molded using the centrifugal casting technique, dried, and sintered. The influence of carbon concentration as a pore-forming agent was evaluated in relation to linear and diametral shrinkage, morphology, apparent porosity, hydraulic permeance, and BSA protein retention. Finally, the without activated carbon membrane was selected for surfactin purification. Purification performance was evaluated through the permeate flux and the surfactin/protein ratio in the concentrate. The analysis of the results showed that the use of activated carbon led to an increase in the porosity and hydraulic permeance of the membranes, but there was unsatisfactory (< 90%) retention of BSA. The ceramic membrane prepared without activated carbon showed negligible permeate flux reduction when purifying surfactin to a volume reduction factor of 2.0. The low reduction in permeate flux indicates that the process can be carried out in longer times until it is necessary to interrupt the process for cleaning. The ceramic membrane was able to retain 91.5% of the surfactin present and obtain a purity of 35.2%. For higher surfactin purity, additional strategies must be adopted.