Filtration properties of bacterial cellulose membranes

Abstract

Bacterial cellulose has the same molecular formula as cellulose from plant origin, but it is characterized by several unique properties including high purity, crystallinity and mechanical strength. These properties are dependent on parameters such as the bacterial strain used, the cultivation conditions and post-growth processing. The possibility to achieve bacterial cellulose membranes with different properties by varying these parameters could make bacterial cellulose an interesting material for membrane separation applications.

The aim of this study was to evaluate the possibilities of using bacterial cellulose membranes for membrane separation. The properties of unmodified bacterial cellulose membranes were compared to post-modified membranes. The pure water fluxes for the membranes were determined and the rejections of bovine serum albumin and polyethylene glycol, polyethylene oxides and blue dextrans of different molecular weights, for selected membranes, were determined. The morphology of the membranes was visualized by scanning electron microscopy and the surface chemistry was analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy.

The results from the filtration experiments conducted in this work indicate that bacterial cellulose membranes could have potential for use in membrane separation applications, but significant improvements would have to be made in terms of the pure water fluxes and pore sizes. The pure water flux for an unmodified bacterial cellulose membrane was 10.5 Lm-2h-1 which is significantly lower than for commercial membranes. For separations based on size exclusion, the pore sizes should be decreased if for instance protein separation would be the target. Modifying bacterial cellulose membranes to facilitate affinity separation could be a considerable option for size exclusion based separations.

Bakteeriselluloosan molekyylikaava vastaa kasviperäisen selluloosan molekyylikaavaa, mutta bakteeriselluloosalla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka eroavat merkittävästi kasviperäisen selluloosan ominaisuuksista. Näihin sisältyy esimerkiksi korkea puhtaus, kiteisyys ja mekaaninen kestävyys. Bakteeriselluloosan ominaisuuksiin pystyy vaikuttamaan esimerkiksi tuottavan bakteerin, kasvatusolosuhteiden ja kasvatuksen jälkeisen käsittelyn valinnalla. Mahdollisuus näiden ominaisuuksien muokkaamiseen tekee bakteeriselluloosasta potentiaalisesti mielenkiintoisen materiaalin kalvosuodatussovelluksissa käytettäväksi.

Tämän työn tavoitteena oli arvioida bakteeriselluloosan mahdollisuuksia kalvosuodatusmateriaalina. Muokkaamattomien bakteeriselluloosamembraanien ominaisuuksia verrattiin kasvatuksen jälkeen muokattujen membraanien ominaisuuksiin. Valikoiduille membraaneille määritettiin puhtaan veden vuot ja retentiot naudan seerumi albumiinille ja eri molekyylipainot omaaville polyetyleeniglykolille, polyetyleenioksideille ja dekstraaneille. Membraanien morfologiaa tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopian avulla ja membraanien pintakemiaa analysoitiin fotoelektronispektroskopialla.

Tästä työstä saatujen tuloksien perusteella, bakteeriselluloosamembraaneilla voisi olla potentiaalia kalvosuodatusmateriaaleina, mutta joitakin suodatusominaisuuksia kuten puhtaan veden vuota tulisi merkittävästi parantaa. Riippuen suunnitellusta käyttökohteesta, myös huokoskokoa tulisi todennäköisesti pienentää. Muokkaamattomalle bakteeriselluloosamembraanille määritetty puhtaan veden vuo oli 10,5 lm-2h-1. Tämä on merkittävästi alempi, kuin kaupallisten kalvojen vastaavat arvot. Membraanin ja erotettavan molekyylin vuorovaikutukseen perustuva erotus muokkaamalla bakteeriselluloosamembraaneja voisi olla varteenotettava vaihtoehto molekyylien kokoon perustuvalle erotukselle.