Lipase immobilization on a-alumina membrane for oil fouling control and self-cleaning properties

Abstract

A imobilização de enzimas em membranas inorgânicas é uma tarefa desafiadora que geralmente requer várias etapas, usa produtos químicos tóxicos e é feita ex situ (fora do sistema de filtração por membrana). O desenvolvimento de um método de imobilização in situ é essencial para facilitar a ampliação do processo. Assim, esse estudo desenvolveu um método in situ de apenas uma etapa para imobilizar a lipase Eversa Transform 2.0 (ET2) em uma membrana de a-alumina e também avaliou o controle de incrustação de óleo e a capacidade de autolimpeza da membrana após filtração de efluente oleoso . Primeiramente, a tradicional imobilização enzimática em cerâmica por silanização com 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) foi comparada à técnica inovadora de revestimento com polidopamina (PDA). Nesses testes iniciais, a modificação foi feita por aplicação da membrana nas soluções (imobilização ex situ). Uma vez que o uso de PDA foi comprovado na maior atividade hidrolítica da membrana em relação ao óleo de soja (1845 ± 283 µmol·min-1·m-2), uma abordagem convencional de duas etapas (polimerização de PDA seguida de imobilização enzimática) foi comparado a um método de apenas uma etapa (polimerização e imobilização simultâneas). A estratégia de uma etapa incluiu carga enzimática (3,1 ± 0,1 g·m-2), atividade hidrolítica (1986 ± 40 µmol·min-1·m-2) e atividade específica da enzima (641 ± 18 µmol· min-1·g-1) semelhantes às do método de duas etapas. O método de uma etapa evita o tempo de imobilização em 33%, o consumo de produtos químicos em 25% e a geração de efluentes em 50% em comparação com o método de duas etapas. Usando uma abordagem de uma etapa, o ET2 foi imobilizado na membrana in situ, ou seja, através da recirculação da solução de alteração pelo sistema de filtração. A imobilização in situ mostrou-se viável, e otimizando a concentração de cloridrato de dopamina (DA) e ET2 na solução para 0,3 mg·mL-1 e 4 mg·mL-1, respectivamente, uma membrana modificada afetada por uma carga enzimática de 10 g·m-2 o que resultou em maior hidrofilicidade e na maior atividade hidrolítica obtida (38 mmol·min-1·m-2). O controle de incrustação foi avaliado pela filtração de uma emulsão de óleo de soja, e a membrana modificada mostrou uma forte resistência à incrustação (redução da permeabilidade à água pura de 43% após a filtração) em comparação com a membrana sem modificação (redução de 83 %), ou que se deve, principalmente, à maior hidrofilicidade após a imobilização da enzima. Depois da filtração, a capacidade de autolimpeza da membrana foi avaliada usando diferentes soluções, temperaturas e tempo. Água deionizada a 40 °C por 6 h resultou em uma recuperação da permeabilidade à água pura de 97%, principalmente devido à hidrólise do óleo incrustado pela ET2 imobilizada. Depois de algum tempo, as enzimas perdem sua atividade e precisam ser remanescentes, e como uma das principais vantagens do uso de membranas cerâmicas é sua reusabilidade e resistência química,testou-se também a regeneração da membrana por calcinação e limpeza química. Os resultados demonstraram que, após cinco ciclos de modificação-regeneração, não foram observadas alterações morfológicas ou químicas na superfície da membrana. A imobilização enzimática in situ e a regeneração química são grandes vantagens que podem facilitar o aumento da escala do processo. A reutilização da membrana juntamente com a modificação de uma etapa usando PDA pode reduzir custos e tornar o processo mais sustentável.

Abstract: Enzyme immobilization on inorganic membranes is a challenging task that generally is multi-step, time-consuming, uses toxic chemicals, and is done ex-situ (outside the membrane filtration system). Developing an in-situ immobilization method is essential to facilitate the scale-up of the process. Therefore, this study aimed to develop a one-step in-situ method to immobilize the lipase Eversa Transform 2.0 (ET2) on an a-alumina membrane and evaluate the membrane oil fouling control and self-cleaning capacity after oil-water emulsion filtration. First, the traditional enzyme immobilization on ceramics by silanization using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) was compared to the innovative and greener technique of polydopamine coating (PDA). In these first tests, the modification was done by immersing the membrane in the solutions (ex-situ immobilization). Since the use of PDA resulted in the highest membrane hydrolytic activity toward soybean oil (1845 ± 283 µmol·min-1·m-2), the conventional two-step approach (PDA polymerization followed by enzyme immobilization) was compared to a one-step method (simultaneous polymerization and immobilization). The one-step strategy achieved similar enzyme loading (3.1 ± 0.1 g· m-2), membrane hydrolytic activity (1986 ± 40 µmol·min-1·m-2), and enzyme-specific activity (641 ± 18 µmol·min-1·g-1) to those of the two-step method. The one-step method reduced the immobilization time by 33%, the chemical consumption by 25%, and the wastewater generation by 50% compared to the two-step method. Using the one-step approach, ET2 was immobilized on the membrane in situ, i.e., by recirculating the modification solution in the filtration system. The in-situ immobilization proved to be feasible, and by optimizing the dopamine hydrochloride (DA) and ET2 concentration in the solution to 0.3 mg·mL-1 and 4 mg·mL-1, respectively, the modified membrane reached an enzyme loading of 10 g·m-2 which resulted in an improved water affinity and in the highest membrane hydrolytic activity (38 mmol·min-1·m-2). The membrane fouling control was evaluated by the filtration of a soybean oil in water emulsion, and the modified membrane showed a strong fouling resistance (pure water permeance reduction of 43% after the emulsion filtration) compared to the pristine membrane (reduction of 83%), which is mainly due to the higher hydrophilicity after enzyme immobilization. After oil-water emulsion filtration, the membrane's self-cleaning capacity was evaluated using different cleaning solutions, temperatures, and time. Cleaning with deionized water at 40 °C for 6 h resulted in a pure water permeance recovery of 97%, mainly due to the fouled oil hydrolysis by the immobilized ET2. After some time, the enzymes eventually lose their activity and need to be replaced, and since one of the main advantages of using ceramic membranes is their reusability and chemical resistance, membrane regeneration by calcination and chemical cleaning was also tested. The results showed that, after five modification-regeneration cycles, no morphological or chemical changes were observed in the membrane surface. The in-situ enzyme immobilization and chemical regeneration are huge advantages that can facilitate the scale-up of the process. Reusing the membrane coupled with the one-step modification using PDA can reduce costs and make the process more environmentally friendly.