APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO CONVENCIONALES DE …de Doctorado de la UPV OBJETIVO PRINCIPAL Proponer,...

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α : fracción de poros bloqueada; b: velocidad de adsorción; J: densidad de flujo de permeado; J ss : densidad de flujo de permeado en estado estacionario; K: parámetro característico; R’ a : resistencia por adsorción; R g : resistencia de la torta; R m : resistencia de la membrana; t: tiempo 20 40 60 80 100 120 140 20 30 40 50 60 70 80 0 25 50 75 100 125 J (L/m 2 ·h) J (L/m 2 ·h) Tiempo (min) BSA + CaCl WPC 22.2 g/L WPC 33.3 g/L WPC 44.4 g/L BSA 2 Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 30 kDa 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 0 25 50 75 100 125 J (L/m 2 ·h) J (L/m 2 ·h) Tiempo (min) BSA + CaCl WPC 22.2 g/L WPC 33.3 g/L WPC 44.4 g/L BSA 2 Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 15 kDa 20 30 40 50 60 70 80 10 15 20 25 30 35 0 25 50 75 100 125 J (L/m 2 ·h) J (L/m 2 ·h) Tiempo (min) BSA + CaCl WPC 22.2 g/L WPC 33.3 g/L WPC 44.4 g/L BSA 2 Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 5 kDa TAREA 2. Modelización del ensuciamiento de las membranas Evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo Modelos matemáticos de ultrafiltración: 1) Hermia adaptados a filtración tangencial 2) Combinado 3) Resistencias en serie g a m R bt exp ' R R · P J 1 torta formación completo bloqueo combinado J J J 1 n ss J J J K dt dJ 2 n = 2: bloqueo completo n = 1.5: bloqueo estándar n = 1: bloqueo intermedio n = 0: formación de torta APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO CONVENCIONALES DE LIMPIEZA EN MEMBRANAS UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA LÁCTEA Autora: María José Corbatón Báguena [email protected] Directoras de Tesis Doctoral: Silvia Álvarez Blanco y María Cinta Vincent Vela Programa de Doctorado en Ingeniería y Producción Industrial 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. RESULTADOS OBTENIDOS Y PREVISTOS 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. 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. 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. II Encuentro de Estudiantes de Doctorado de la UPV OBJETIVO PRINCIPAL Proponer, ensayar y optimizar técnicas no convencionales de limpieza de membranas de ultrafiltración utilizadas en la industria láctea. Estudiar el ensuciamiento depositado y/o adsorbido sobre las membranas. Analizar el ajuste de modelos matemáticos a los datos experimentales durante el ensuciamiento. Determinar la influencia de las condiciones de operación sobre la eficacia del proceso de limpieza. Relacionar los tipos de membranas y los tipos de ensuciamiento con la técnica de limpieza más efectiva. 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) 226- 233. 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. 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 + CaCl 2 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) UTILIDADES DE LA INVESTIGACIÓN 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. Obtención de dos corrientes Rechazo: corriente acuosa concentrada en proteínas que permite la posterior recuperación de las mismas para ser utilizadas en distintas industrias (por ejemplo, farmacéutica). Permeado: corriente acuosa con lactosa, sales y una concentración de proteínas despreciable. ANTECEDENTES Por 1 kg de queso producido, se generan 9 L de lactosuero líquido. PROBLEMA: DQO 60000 mg O 2 /L Composición típica del lactosuero dulce (pH 6): Por ello, las industrias lácteas tratan de recuperar las proteínas del lactosuero mediante distintos procesos, entre ellos, la ultrafiltración. 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 Alto valor añadido SALES MINERALES = 0.40% LACTOSA = 5.08% PROTEÍNAS = 0.90% GRASA = 0.30% AGUA = 93.32% 0 20 40 60 80 100 Eficacia de limpieza (%) Agente de limpieza (concentración de sal: 100 mM) Limpieza a 1 bar, 4.2 m/s, 25 ºC, 15 kDa Agua Na 2 SO 4 KCl NaCl NH 4 Cl NaNO 3 Eficacia Impacto ambiental Coste TAREA 1. Limpieza de membranas mediante disoluciones salinas Efecto del tipo de sal Una vez seleccionada la sal, se estudia el efecto de La concentración de NaCl en la disolución de limpieza La temperatura de la disolución de limpieza La velocidad tangencial durante la etapa de limpieza Relación de la eficacia de limpieza en función de las condiciones de operación Determinación de las condiciones óptimas Evaluación económica de la técnica Predicción del descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo Obtención de los mecanismos de ensuciamiento predominantes TAREA 3. Limpieza de membranas mediante campos electromagnéticos Se estudia el efecto de El potencial del campo eléctrico aplicado La temperatura de la disolución de limpieza Relación de la eficacia de limpieza en función de las condiciones de operación Determinación de las condiciones óptimas Evaluación económica de la técnica Ánodo: electrodo de Ti-Ir (MAGNETO) Cátodo: membrana cerámica Módulo de membranas de Plexiglas®
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  • 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

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    BSA + CaClWPC 22.2 g/LWPC 33.3 g/LWPC 44.4 g/LBSA

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    Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 5 kDa

    TAREA 2. Modelización del ensuciamiento de las membranas

    Evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo

    Modelos matemáticos de ultrafiltración:

    1) Hermia adaptados a filtración tangencial 2) Combinado 3) Resistencias en serie gam Rbtexp'RR·

    PJ

    1 torta formacióncompleto bloqueocombinado JJJ 1

    nss JJJK

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    dJ 2

    n = 2: bloqueo completon = 1.5: bloqueo estándarn = 1: bloqueo intermedion = 0: formación de torta

    APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO CONVENCIONALES DE LIMPIEZA EN MEMBRANAS UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA LÁCTEA

    Autora: María José Corbatón Báguena [email protected]

    Directoras de Tesis Doctoral: Silvia Álvarez Blanco y María Cinta Vincent Vela

    Programa de Doctorado en Ingeniería y Producción Industrial

    AGRADECIMIENTOS

    • Ministerio de Economía y Competitividad (proyecto CMT2010-20186, becas BES-2011-044112 yEEBB-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 yNuclear, UPV.

    • Empresa MAGNETO Special Anodes B.V., Holanda.

    RESULTADOS OBTENIDOS Y PREVISTOS

    TAREA 1:

    • Altas temperaturas y velocidades tangenciales favorecen la limpieza de las membranas, mientras que existe un valoróptimo 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 yaguas residuales del prensado de aceitunas.

    TAREA 2:

    • Los mecanismos de ensuciamiento responsables del descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo son elbloqueo completo y la formación de torta.

    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.

    II Encuentro de Estudiantes de Doctorado de la UPV

    OBJETIVO PRINCIPAL

    Proponer, ensayar y optimizar técnicas no convencionales de limpieza de membranas de ultrafiltración utilizadas en la

    industria láctea.

    Estudiar el ensuciamientodepositado y/o adsorbidosobre las membranas.

    Analizar el ajuste demodelos matemáticos alos datos experimentalesdurante el ensuciamiento.

    Determinar la influencia delas condiciones de operaciónsobre la eficacia del procesode limpieza.

    Relacionar los tipos demembranas y los tipos deensuciamiento con latécnica de limpieza másefectiva.

    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) 226-233.

    • 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.

    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 + CaCl2Concentrado 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)

    UTILIDADES DE LA INVESTIGACIÓN

    • Desarrollo y optimización de nuevas metodologías delimpieza de membranas de ultrafiltración menos dañinas alargo plazo con las membranas y con un menor impactomedioambiental.

    • Obtención de dos corrientes

    Rechazo: corriente acuosa concentrada enproteínas que permite la posterior recuperación delas mismas para ser utilizadas en distintasindustrias (por ejemplo, farmacéutica).

    Permeado: corriente acuosa con lactosa, sales y unaconcentración de proteínas despreciable.

    ANTECEDENTES

    • Por 1 kg de queso producido, se generan 9 L de lactosuero líquido.

    PROBLEMA: DQO ≈ 60000 mg O2/L

    • Composición típica del lactosuero dulce (pH ≈ 6):

    • Por ello, las industrias lácteas tratan de recuperar las proteínas del lactosueromediante distintos procesos, entre ellos, la ultrafiltración.

    PROBLEMA: Las proteínas ensucian las membranas

    • Los métodos convencionales de limpieza de membranas pueden llegar adañarlas, disminuyendo su vida útil.

    SOLUCIÓN: Métodos alternativos de limpieza

    Alto valor añadido

    SALES MINERALES = 0.40%

    LACTOSA = 5.08%

    PROTEÍNAS = 0.90%GRASA = 0.30%

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    Agente de limpieza (concentración de sal: 100 mM)

    Limpieza a 1 bar, 4.2 m/s, 25 ºC, 15 kDa

    Agua Na2SO4 KCl NaCl NH4Cl NaNO3

    EficaciaImpacto ambientalCoste

    TAREA 1. Limpieza de membranas mediante disoluciones salinas

    Efecto del tipo de sal

    Una vez seleccionada lasal, se estudia el efecto de

    • La concentración de NaCl en la disolución de limpieza

    • La temperatura de la disolución de limpieza

    • La velocidad tangencial durante la etapa de limpieza

    • Relación de la eficacia de limpieza enfunción de las condiciones de operación

    • Determinación de las condicionesóptimas

    • Evaluación económica de la técnica

    • Predicción del descenso de la densidadde flujo de permeado con el tiempo

    • Obtención de los mecanismos deensuciamiento predominantes

    TAREA 3. Limpieza de membranas mediante campos electromagnéticos

    Se estudia el efecto de • El potencial del campo eléctrico aplicado

    • La temperatura de la disolución de limpieza

    • Relación de la eficacia de limpieza en función delas condiciones de operación

    • Determinación de las condiciones óptimas

    • Evaluación económica de la técnica

    Ánodo: electrodo de Ti-Ir (MAGNETO)

    Cátodo: membrana cerámica

    Módulo de membranas de Plexiglas®