Modificação de membrana de ultrafiltração pelo método mussel-inspired e seu efeito na filtração de solução proteica

Abstract

A ultrafiltração é um processo de separação com membranas (PSM) bastante consolidado na indústria de alimentos, principalmente no setor de lacticínios, pela separação e concentração de proteínas do soro do leite. Porém, esse processo apresenta algumas desvantagens, como a incrustação (fouling), devido à interação do soluto com a superfície da membrana e, como consequência, gera decaimento do fluxo ao longo da filtração, acarretando maiores custos operacionais para as indústrias. Os efeitos da incrustação são irreversíveis, mas existem alguns métodos que visam minimizá-los. Dentre os métodos estudados, um deles tem chamado atenção pela sua simplicidade, versatilidade e estabilidade. Esse método, chamado mussel-inspired, baseia-se na deposição de dopamina (DA) na superfície de membranas, podendo ligar-se a outros polímeros hidrofílicos por codeposição, visando obter redução das interações entre a sua superfície e o soluto devido à melhora das suas propriedades hidrofóbicas, refletindo na eficiência e no desempenho do processo. Com base nisso, avaliou-se neste estudo, o desempenho de membrana de ultrafiltração, com massa molecular de corte (MMC) de 50 kDa, de polietersulfona (PES), modificada pela imersão em solução contendo 2 mg.mL^(-1) de DA e diferentes concentrações (2, 4 e 16 mg.mL^(-1) ) de polivinilpirrolidona (PVP), com tempo de deposição de 2h. As membranas modificadas e a membrana controle (sem modificação), foram submetidas a ensaios de filtração com água e caracterização por ângulo de contato. A membrana modificada que obteve maior permeabilidade hidráulica e menor ângulo de contato, foi utilizada para testes de filtração com solução proteica de albumina do soro bovino (2,5 g. "L" ^"-1" e pH 6,5). A recuperação do fluxo permeado, foi avaliado após os procedimentos de limpeza química e física. A membrana modificada com maior concentração de PVP (2,0:16,0 mg.m"L" ^"-1" ) apresentou os melhores resultados de permeabilidade hidráulica, ângulo de contato e fluxo de permeado na filtração de solução proteica, sendo em torno de 200 % maior que a membrana controle. Esses resultados indicam que a modificação da membrana de ultrafiltração com revestimento de DA e PVP resultou em uma membrana com maior caráter hidrofílico e excelente desempenho na filtração de solução proteica.

Ultrafiltration is established membrane separation process in the food industry, especially in the dairy sector, where it is used to isolate and concentrate whey proteins. However, this process, has some disadvantages such as fouling, which is the accumulation of particles on the membrane due to the interaction between solute and membrane, and as a consequence, generates a decay in permeate flux through the membrane and in its performance, and increasing operational costs for industries. The effects of fouling are irreversible, but there are some methods that aim to minimize them. Among the methods studied, one of them has drawn the attention for its simplicity, versatility and stability. This method, called mussel-inspired, is based on the codeposition of dopamine (DA) and hydrophilic polymers, on the membrane surface, aiming to reduce the undesirable interactions between the surface and the solute due to the improvement of their hidrophilic propertiers, thereby increasing their efficiency in the process performance. Based on this, this study evaluates the performance of an ultrafiltration membrane, with molecular weight cut-off (MWCO) of 50 kDa, modified through immersion in a solution containing 2 mg.mL^(-1) of DA e different concentrations (2, 4 e 16 mg.mL^(-1)) of polyvinylpyrrolidone (PVP), with a deposition time of 2 h. The modified membranes and the control membrane (unmodified) were submitted to water filtration tests and characterized by contact angle. The modified membrane that showed the best hydraulic permeability and lowest contact angle was then used for filtration tests with a bovine serum albumin protein solution (2.5 g. "L" ^"-1" and pH 6.5). The flux recovery was evaluated after chemical and physical cleaning procedures. The results showed that the modified membrane with the highest PVP concentration (2.0: 16.0 mg.L-1) presented the best results of hydraulic permeability, contact angle and permeate flux in the filtration of protein solution, around 200% greater than the control membrane. These results indicate that the modification of the ultrafiltration membrane with DA coating and highest PVP concentration resulted in a membrane with a higher hydrophilic character and excellent performance in the filtration of protein solution.