Production of kaolin hollow fiber membranes towards different applications: bacteria removal and pectin purification

Abstract

Este trabalho avaliou o uso do caulim, um material cerâmico de baixo custo, para a produção de membranas com geometria de fibra oca e distribuição assimétrica de tamanho dos poros. As membranas produzidas foram utilizadas como barreira de filtração para retenção bacteriana. Além disso, nanopartículas de prata (AgNPs) foram impregnadas nas membranas de caulim para melhorar a remoção bacteriana presente em solução aquosa. Em outra perspectiva, as membranas de caulim, com e sem óxido de grafeno (GO) depositado na superfície da membrana, foram propostas para serem utilizadas na purificação de pectina. Para esta aplicação, a pectina foi extraída a partir de cascas de laranja pelo processo convencional de extração. Em relação à produção de fibra oca de caulim, a morfologia e características da membrana foram influenciadas pelo tamanho de partícula, taxa de extrusão, tipo de solvente e temperatura de sinterização. O aumento da temperatura de sinterização até 1250 °C causou modificações na fase cristalográfica do caulim bruto, que foram atribuídas principalmente a transformações de quartzo e caulinita em fases de mulita e cristobalita. As AgNPs foram impregnadas com sucesso na fibra oca de caulim na concentração de 0,51 ± 0,04 mg cm-1. A membrana de caulim permitiu um valor de redução log10 (LRV) de 2,47 ± 0,05 e 3,72 ± 0,13 para filtrações de soluções aquosas com E. cloacae e E. coli, respectivamente. Para a membrana de fibra oca de caulim impregnada com AgNPs, o valor de LRV aumentou para 4,38 ± 0,83 e 4,35 ± 0,25 para filtrações de soluções aquosas com E. cloacae e E. coli, respectivamente. Assim, a ação sinérgica das membranas de caulim impregnadas com AgNPs possibilitou uma redução bacteriana superior a 99,9%. Logo, membranas de caulim foram aplicadas com sucesso para remoção bacteriana de soluções aquosas. Com o objetivo de obter uma condição ótima para a extração de pectina a partir de casca laranja, foi aplicado um delineamento composto central para verificar a influência da temperatura e do tempo de irradiação na extração de pectina em um processo assistido por micro-ondas. Foi encontrado um ponto ótimo de extração (134°C e 7,5 min). Usando a abordagem da função de desejabilidade, os valores ótimos de teor de ácido galacturônico, grau de esterificação, teor de metoxila foram alcançados para extrações assistidas por micro-ondas a 140 °C e 5,6 min. No entanto, o rendimento de pectina foi reduzido para 22,73% nestas condições. Assim, extrações de pectina sob aquecimento de micro-ondas a 134°C e 7,5 min são sugeridas para obter o rendimento máximo de pectina, enquanto os parâmetros de qualidade de pectina ótimos são alcançados a 140°C e 5,6 min. Um processo de extração convencional foi aplicado para comparação, mas em maior tempo de extração (180 min) e menor temperatura (90 °C), a pectina extraída convencionalmente apresentou qualidade inferior, com teor de ácido galacturônico de 74,92 ± 0,14% e teor de metoxila de 7,35 ± 0,11%. Portanto, o processo assistido por micro-ondas permite extrair pectina de alta qualidade com considerável economia de energia. Como próximo passo, foi realizada uma purificação da pectina utilizando a fibra oca de caulim produzida e fibras ocas de caulim revestidas com óxido de grafeno de espessura de 143 nm. A amostra de pectina extraída convencionalmente das cascas de laranja foi constituída predominantemente de ácido galacturônico (68,69 ± 1,75%). A pectina extraída apresentou grau de esterificação inferior a 50% e, portanto, pode ser considerada pectina de baixo teor de metoxila. A purificação deste extrato utilizando a fibra oca de caulim e a membrana revestida com GO, deu origem às pectinas com maior quantidade desse monossacarídeo (75,91 ± 0.43% and 82,12 ± 0,47%), respectivamente. Assim, este estudo evidenciou a potencial aplicação de processos de filtração de fluxo cruzado para a purificação de pectina usando membranas de fibra oca de caulim puras e revestidas com GO.