métodos convencionales de limpieza

APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO CONVENCIONALES DE LIMPIEZA EN MEMBRANAS
UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA LÁCTEA
Autora: María José Corbatón Báguena
macorba@posgrado.upv.es
Directoras de Tesis Doctoral: Silvia Álvarez Blanco y María Cinta Vincent Vela
Programa de Doctorado en Ingeniería y Producción Industrial
ANTECEDENTES
OBJETIVO PRINCIPAL
• Por 1 kg de queso producido, se generan 9 L de lactosuero líquido.
Proponer, ensayar y optimizar
técnicas no convencionales de
limpieza de membranas de
ultrafiltración utilizadas en la
industria láctea.
PROBLEMA: DQO ≈ 60000 mg O2/L
• Composición típica del lactosuero dulce (pH ≈ 6):
GRASA = 0.30%
Alto valor añadido
PROTEÍNAS = 0.90%
Estudiar el ensuciamiento
depositado y/o adsorbido
sobre las membranas.
LACTOSA = 5.08%
SALES MINERALES = 0.40%
AGUA = 93.32%
Determinar la influencia de
las condiciones de operación
sobre la eficacia del proceso
de limpieza.
Analizar el ajuste de
modelos matemáticos a
los datos experimentales
durante el ensuciamiento.
• Por ello, las industrias lácteas tratan de recuperar las proteínas del lactosuero
mediante distintos procesos, entre ellos, la ultrafiltración.
Relacionar los tipos de
membranas y los tipos de
ensuciamiento con la
técnica de limpieza más
efectiva.
Para alcanzar estos objetivos, se llevarán a cabo las siguientes tareas, utilizando:
• 3 disoluciones modelo de lactosuero
Proteína de lactosuero: Seroalbúmina bovina (BSA)
Proteína + sales minerales: BSA + CaCl2
Concentrado de proteínas de lactosuero (WPC)
• 4 membranas diferentes
Cerámicas monotubulares de 15 y 50 kDa (TAMI Industries)
Orgánicas planas de 5 y 30 kDa (Microdyn Nadir)
PROBLEMA: Las proteínas ensucian las membranas
• Los métodos convencionales de limpieza de membranas pueden llegar a
dañarlas, disminuyendo su vida útil.
SOLUCIÓN: Métodos alternativos de limpieza
TAREA 1. Limpieza de membranas mediante disoluciones salinas
Efecto del tipo de sal
Eficacia de limpieza (%)
100
Una vez seleccionada la • La concentración de NaCl en la disolución de limpieza
sal, se estudia el efecto de • La temperatura de la disolución de limpieza
Limpieza a 1 bar, 4.2 m/s, 25 ºC, 15 kDa
Eficacia
Impacto ambiental
Coste
80
60
40
• La velocidad tangencial durante la etapa de limpieza
• Relación de la eficacia de limpieza en
función de las condiciones de operación
• Determinación
óptimas
de
las
condiciones
• Evaluación económica de la técnica
20
0
Agua
Na2SO4
KCl
NaCl
NH4Cl
NaNO3
Agente de limpieza (concentración de sal: 100 mM)
TAREA 2. Modelización del ensuciamiento de las membranas
Evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo
50
20
40
15
10
50
Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 5 kDa
0
25
50
20
75
100
70
70
60
60
100
50
80
40
60
30
30
40
20
20
50
30
40
10
125
80
40
20
30
80
Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 15 kDa
0
Tiempo (min)
25
50
75
100
125

dJ
 K J  J ss J 2n
dt
120
Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 30 kDa
0
25
Tiempo (min)
Modelos matemáticos de ultrafiltración:
1) Hermia adaptados a filtración tangencial
140
BSA + CaCl2
WPC 22.2 g/L
WPC 33.3 g/L
WPC 44.4 g/L
BSA
50
J (L/m2·h)
J (L/m2·h)
60
25
BSA + CaCl2
WPC 22.2 g/L
WPC 33.3 g/L
WPC 44.4 g/L
BSA
J (L/m2·h)
70
J (L/m2·h)
30
60
J (L/m2·h)
80
BSA + CaCl2
WPC 22.2 g/L
WPC 33.3 g/L
WPC 44.4 g/L
BSA
J (L/m2·h)
35
• Predicción del descenso de la densidad
de flujo de permeado con el tiempo
• Obtención de los mecanismos
ensuciamiento predominantes
de
20
75
100
125
Tiempo (min)
n = 2: bloqueo completo
n = 1.5: bloqueo estándar
n = 1: bloqueo intermedio
n = 0: formación de torta
2) Combinado
J combinado  J bloqueo completo  1   J formación torta
3) Resistencias en serie
J
P
· Rm  R' a 1  exp bt   R g


α : fracción de poros bloqueada; b: velocidad de adsorción; J: densidad de flujo de permeado; Jss: densidad de flujo de permeado en estado estacionario; K: parámetro característico; R’a : resistencia por adsorción; Rg: resistencia de la torta; Rm: resistencia de la membrana; t: tiempo
Ánodo: electrodo de Ti-Ir (MAGNETO)
TAREA 3. Limpieza de membranas mediante campos electromagnéticos
Cátodo: membrana cerámica
Se estudia el efecto de
• El potencial del campo eléctrico aplicado
• Relación de la eficacia de limpieza en función de
las condiciones de operación
• La temperatura de la disolución de limpieza
• Determinación de las condiciones óptimas
• Evaluación económica de la técnica
Módulo de membranas de Plexiglas®
RESULTADOS OBTENIDOS Y PREVISTOS
UTILIDADES DE LA INVESTIGACIÓN
TAREA 1:
• Altas temperaturas y velocidades tangenciales favorecen la limpieza de las membranas, mientras que existe un valor
óptimo de concentración de NaCl para llevar a cabo la limpieza de manera efectiva.
• Se obtienen las condiciones de operación óptimas para cada una de las membranas y disoluciones alimento estudiadas.
• Se confirman los resultados con otras disoluciones procedentes de la industria alimentaria: disoluciones de pectinasas y
aguas residuales del prensado de aceitunas.
• Desarrollo y optimización de nuevas metodologías de
limpieza de membranas de ultrafiltración menos dañinas a
largo plazo con las membranas y con un menor impacto
medioambiental.
TAREA 2:
• Los mecanismos de ensuciamiento responsables del descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo son el
bloqueo completo y la formación de torta.
Rechazo: corriente acuosa concentrada en
proteínas que permite la posterior recuperación de
las mismas para ser utilizadas en distintas
industrias (por ejemplo, farmacéutica).
TAREA 3:
• Altos potenciales de campo eléctrico aplicado y temperaturas suaves favorecen la limpieza de las membranas.
• Se obtienen las condiciones de operación óptimas para cada una de las membranas y disoluciones alimento estudiadas.
Permeado: corriente acuosa con lactosa, sales y una
concentración de proteínas despreciable.
PUBLICACIONES
• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Sep. Purif. Technol. 125 (2014) 1-10.
• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Sep. Purif. Technol. 132 (2014) 226233.
• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Desalination 360 (2015) 87-96.
• M.-J. Corbatón-Báguena, A. Gugliuzza, A. Cassano, R. Mazzei, L. Giorno, J. Membr. Sci. 486 (2015)
207-214.
• Obtención de dos corrientes
AGRADECIMIENTOS
• Ministerio de Economía y Competitividad (proyecto CMT2010-20186, becas BES-2011-044112 y
EEBB-I-14-09011).
• Dra. Lidietta Giorno, ITM-CNR, Università della Calabria.
• Dr. Valentín Pérez Herranz y Dra. Emma Ortega Navarro, Grupo IEC, Dpto. de Ingeniería Química y
Nuclear, UPV.
• Empresa MAGNETO Special Anodes B.V., Holanda.
II Encuentro de Estudiantes
de Doctorado de la UPV