Modification of polysulfone ultrafiltration membranes with polydopamine deposition and dextran grafting for enhanced whey protein filtration

Abstract

Bu çalışmada, 10 kDa ve 100 kDa ticari polisülfon (PSF) membranların protein kirlenme direncini artırmak için iki farklı yüzey modifikasyon yöntemi geliştirilmiştir. İlk yöntemde, oksijen gaz akışı altında ve klasik polimerizasyon yaklaşımı kullanılarak dopamin kaplama yapılmıştır. 1 g/L peynir altı suyu çözeltisi ön işlemden geçirildikten sonra dopaminle modifiye edilmiş membranlardan süzülmüştür. Oksijen gaz akışı altında 10 dakikada dopamin ile kaplanan 10 kDa PSF membranı %18'lik bir akı düşüşü ve en yüksek akı geri kazanım oranı (%86) ile minimum kirlenme göstermiştir. Öte yandan, benzer koşullarda dopaminle kaplanan 100 kDa PSF membranı kaplanmamış haline göre daha fazla kirlenmiştir. Klasik yöntemle kaplanan dopamin her 2 PSF membranında kirlenme dirençlerini iyileştirememiştir. Tezde uygulanan ikinci yöntemde, PSF membranları farklı dekstran konsantrasyonları kullanılarak ve farklı kaplama sürelerinde dekstran aşılama ile modifiye edilmiştir. Bu membranlardan peynir altı suyu ön işlemden geçirilmeden filtrelenmiştir ve 20 mg/mL dekstran konsantrasyonu ile 2 saatlik bir aşılama süresi optimum aşılama koşulları olarak belirlenmiştir. Bu koşullar altında, 10 kDa membran %16,6 akı azalması ve %55,2 akı geri kazanım oranı, 100 kDa membran ise %55,9 akı azalması ve %91,3 akı geri kazanım oranı göstermiştir. 100 kDa ve 10 kDa dekstran aşılı membranların seri bağlanması durumunda en yüksek protein konsantrasyon faktörü (10) elde edilmiş, bu konfigürasyon 10 kDa aşılı membranın akı geri kazanım oranını %55'ten %83'e çıkarmıştır. Tüm membranlar SEM-EDX, zeta potansiyeli, AFM, TGA, XPS, FTIR-ATR, yüzey serbest enerjisi ve temas açısı ölçümleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Dekstran aşılanmış ve PDA kaplanmış membranların alkali ortamlarda stabil olmadığı görülmüştür.

This study developed two surface modification methods to improve the protein fouling resistance of 10 kDa and 100 kDa commercial polysulfone (PSF) membranes. In the first method, dopamine coating was applied under oxygen backflow and using the classical polymerization approach. 1 g/L defatted whey solution was filtered through dopamine-modified membranes. The 10 kDa PSF membrane demonstrated minimal fouling with a flux decline of 18% and the highest flux ratio (86%) when coated with dopamine for 10 minutes under oxygen backflow. On the other hand, the 100 kDa PSF membrane experienced more fouling when subjected to the exact coating conditions. Dopamine coating using the classical method did not improve the fouling resistances of 10 kDa and 100 kDa membranes. The second method modified PSF membranes with dextran grafting at different dextran concentrations and coating times. Membranes were exposed to untreated whey solution, and a 2-hour grafting time with 20 mg/mL dextran concentration was determined as the optimal condition. Under these conditions, the 10 kDa membrane showed a 16.6% flux decline and 55.2% FRR, while the 100 kDa membrane had a 55.9% flux decline and 91.3% FRR. Combining 100 kDa and 10 kDa dextran grafted membranes in series provided the highest protein concentration factor (10) and increased the FRR of the 10 kDa grafted membrane from 55% to 83%. All membranes were characterized using SEM-EDX, zeta potential, AFM, TGA, XPS, FTIR- ATR, surface free energy, and contact angle measurements. Dextran grafted layer and PDA coating were not stable in alkaline environments.