Emulsion-based greener membrane processes for bioprocessing and biomedical applications

Abstract

Membrane emulsification has emerged as a promising, energy-efficient alternative to traditional emulsification methods, offering precise control over droplet size and distribution. Its potential applications span a wide range of fields, from bioprocessing to biomedical engineering, where the demand for greener, more sustainable technologies has been growing. Traditional methods for many such processes often rely on approaches which are energy intensive, generate wastes and have limited control over product properties, presenting a critical gap in the development of more sustainable and efficient technologies. Despite advancements in membrane-based emulsification techniques, there remains a need for comprehensive research on their application to specific industrial processes. The integration of these techniques into such applications is still underexplored. Current approaches often lack the desired balance between efficiency, cost-effectiveness, and environmental sustainability. The research done in this PhD dissertation investigates the sustainable development of emulsions and emulsion-based products, containing functional compounds for a variety of industrially relevant applications. In this PhD dissertation, five distinct case studies were explored to demonstrate the feasibility of membrane emulsification as a greener alternative to traditional methods. The first case study focuses on the development of an emulsion-based supported liquid membrane for CO2 capture, addressing the need for more energy-efficient and scalable biogas purification processes. The second case study investigates the production of porous chitosan microparticles for drug delivery, which offers controlled drug release while maintaining high loading efficiency. The third study explores the extraction of polyhydroxyalkanoates (PHAs) from mixed microbial cultures, using novel deep eutectic solvents (DESs), addressing the major limitations of harsh solvent use in bioplastic extraction. The fourth case study investigates the formulation of nanoemulsions based on novel aroma-based DESs with antimicrobial properties, providing a greener alternative against microbial infections. In the fifth study, a novel ternary DES incorporating a natural antiviral drug with potential efficacy against SARS-CoV-2 virus was synthesized. Thereafter the DES was encapsulated in a biopolymer, using sustainable techniques, to produce nanoparticles which were tested for their cytocompatibility against human cell lines. This research thus fills critical gaps by developing both sustainable materials and processes with applications across key sectors in chemical and biological engineering.

A emulsificação com membranas é uma alternativa energeticamente eficiente aos métodos tradicionais de emulsificação, oferecendo controlo preciso sobre o tamanho e a distribuição das gotículas. As suas potenciais aplicações abrangem uma vasta gama de áreas, desde o bioprocessamento à biomédica, onde a procura por tecnologias mais verdes e sustentáveis tem vindo a crescer. Os métodos tradicionais dependem frequentemente de abordagens intensivas em energia, que geram resíduos e oferecem pouco controlo sobre as propriedades dos produtos, limitando o desenvolvimento de tecnologias mais sustentáveis e eficientes. Apesar dos avanços nas técnicas de emulsificação baseadas em membranas, ainda há necessidade de uma investigação mais abrangente sobre a sua aplicação e integração em processos industriais específicos. As abordagens atuais muitas vezes carecem do equilíbrio desejado entre eficiência, custo-benefício e sustentabilidade. Assim, a investigação realizada no âmbito desta dissertação foca-se no desenvolvimento sustentável de emulsões e produtos à base de emulsões, contendo compostos funcionais, para uma variedade de aplicações industrialmente relevantes. Nesta dissertação de doutoramento, foram explorados cinco casos de estudo para demonstrar a viabilidade da emulsificação com membranas como uma alternativa verde aos métodos tradicionais. O primeiro estudo foca-se no desenvolvimento de uma membrana líquida suportada à base de emulsões para captura de CO2, abordando a necessidade de processos de purificação de biogás mais eficientes e escaláveis. O segundo estudo investiga a produção de micropartículas porosas de quitosano para administração de medicamentos com libertação controlada, mantendo uma elevada eficiência de transferência. O terceiro estudo explora a extração de polihidroxialcanoatos (PHAs) de culturas microbianas mistas, utilizando novos solventes eutécticos profundos (DESs), abordando as principais limitações do uso de solventes agressivos na extração de bioplásticos. O quarto estudo investiga a formulação de nanoemulsões baseadas em novos DESs à base de aromas com propriedades antimicrobianas, fornecendo uma alternativa mais verde. No quinto estudo, foi sintetizado um novo DES ternário incorporando um fármaco antiviral natural com potencial eficácia contra o vírus SARS-CoV-2, que foi depois encapsulado num biopolímero, obtendo-se nanopartículas que foram testadas em linhas celulares humanas. Esta pesquisa preenche, assim, lacunas críticas ao desenvolver tanto materiais como processos sustentáveis com aplicações em setores-chave da engenharia química e biológica.