Microfiltração tangencial de soluções de gelatina e estratégias para o controle de incrustações

Abstract

No processo industrial de produção de gelatina, o extrato obtido de tecidos conjuntivos de animais deve passar por um processo de clarificação antes da concentração e secagem. A clarificação é usualmente conduzida em filtros de terra diatomácea, que apresentam como principal desvantagem a geração de grande quantidade de resíduo sólido. Os processos de separação com membranas, particularmente a microfiltração, apresentam-se como uma tecnologia atraente para aplicação na clarificação de gelatina, devido à flexibilidade de operação, alta seletividade e baixo consumo energético. Contudo, as maiores limitações desta tecnologia são os fenômenos de polarização de concentração e incrustação, que levam a um rápido declínio do fluxo permeado e aumento da retenção de gelatina. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver melhorias no processo de clarificação de gelatina por microfiltração, por meio da aplicação de campo magnético na solução de gelatina e de modificações da superfície da membrana utilizando polímeros hidrofílicos, visando minimizar as incrustações causadas pelo acúmulo de proteína durante o processo. Os ensaios de permeação foram realizados utilizando solução de gelatina suína na concentração de 1,5% a 40 °C. As permeações foram realizadas em uma célula de escoamento tangencial com membranas de PVDF (0,2 µm), PES (0,45 µm) e acetato de celulose (0,2 e 0,45 µm). A alimentação foi permeada em membranas novas e com a superfície modificada, na ausência e presença de um campo magnético, perpendicular à superfície da membrana. Soluções de alimentação foram pré-tratadas magneticamente (indução magnética) com campos magnéticos obtidos por ímãs permanentes de densidade de fluxo de 0,7 T e 1,34 T. A modificação da superfície da membrana foi inspirada na composição de proteínas adesivas em mexilhões. Este método utiliza dopamina, que pode polimerizar espontaneamente em polipodamina (PDA) por meio de atmosfera oxidante em condições alcalinas e formar revestimentos hidrofílicos, que aderem a diferentes materiais. As membranas foram avaliadas quanto à carga por meio do potencial zeta, morfologia por microscopia eletrônica de varredura, composição química por meio de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR). O desempenho das membranas foi avaliado por testes de permeabilidade a água e a solução de gelatina, avaliando-se o fluxo e a retenção de proteína. As estratégias para minimizar as incrustações apresentaram melhores resultados para as membranas de menor tamanho de poro (Nadir, MV020, PVDF, 0,2 µm) e (Advantec, AC020, acetato de celulose, 0,2 µm). Os melhores resultados sugerem que o emprego do campo magnético e a modificação de superfícies inspirada na capacidade adesiva dos mexilhões empregando a menor relação mássica de 0,5:1 mg.mL-1 de dopamina/polietilenoimina (DA/PEI), podem ser consideradas estratégicas para reduzir a incrustação no processo de MF da solução de gelatina.

Abstract : In the industrial process of gelatin production, the extract obtained from connective tissues of animals must undergo a process of clarification before concentration and drying. The clarification is usually conducted in diatomaceous earth filters, which have as main disadvantage the generation of large amount of solid residue. The separation processes with membranes, particularly microfiltration, are an attractive technology for application in gelatin clarification, due to the flexibility of operation, high selectivity and low energy demand. However, the main limitation of technology is the concentration polarization and fouling of the membrane, which leads to a rapid decay of the permeation flux by the accumulation of solute in the surface and pores of the membrane. In this context, the present work aims to develop improvements in the gelatin clarification process by microfiltration, through the application of magnetic field in the gelatin solution and modifications of the surface of the membrane using hydrophilic polymers, aiming to minimize fouling. Permeation tests were performed using a 1.5% swine gelatin solution at 40 °C. The permeations were performed in a tangential flow cell with membranes of PVDF (0.2 µm), PES (0.45 µm) and cellulose acetate (0.2 e 0.45 µm). The feed was permeated through new membranes and through membranes with the modified surface, in the absence and presence of a magnetic field perpendicular to the surface of the membrane. Feed solutions were also pretreated magnetically (magnetic induction) with magnetic fields obtained by permanent magnets with flow density of 0.7 T and 1.34 T. The membrane surface modification was inspired by the composition of adhesive proteins in mussels. This method uses dopamine, which can spontaneously polymerize into polypodamine (PDA) through an oxidizing atmosphere under alkaline conditions and form hydrophilic coatings, which adhere to different materials. The membranes were evaluated for surface charge by zeta potential, scanning electron microscopy morphology and chemical composition by infrared Fourier transform (FT-IR) spectroscopy. The performance of the membranes was evaluated by water permeability tests and gelatin solution, evaluating the flux and the retention of protein. The strategies to minimize scale showed better results for the smaller pore size membrane (Nadir, MV020, PVDF, 0.2 µm) and (Advantec, AC020, cellulose acetate, 0.2 µm). The best results suggest that the use of the magnetic field and the surface modification inspired by the adhesive capacity of the mussels employing the lowest mass ratio 0.5:1 mg.mL-1 of dopamine/polyethyleneimine (DA/PEI), can be considered strategic to reduce fouling in the MF of the gelatin solution.