Estudio de los modelos y mecanismos de ensuciamiento de las membranas de ultrafiltración en la recuperación de compuestos fenólicos contenidos en las aguas residuales de la producción de aceite de oliva

Abstract

[ES] Los compuestos fenólicos han ido cobrando importancia en la sociedad y, por tanto, en la industria en los últimos años debido a sus propiedades beneficiosas para la salud: capacidad antiinflamatoria, prevención de enfermedades cardiovasculares y, sobre todo, capacidad antioxidante. Estas propiedades han hecho que industrias como la farmacéutica, la cosmética y la alimentaria se interesen en estos compuestos para la fabricación de sus productos. Por otro lado, el carácter fitotóxico de los compuestos fenólicos los pone en el foco como uno de los subproductos más contaminantes generados en la producción del aceite de oliva. Así, el interés en recuperar estos compuestos reside no solo en la economicidad, sino que además tiene un componente medioambiental. En virtud de los motivos expuestos anteriormente, la importancia de este Trabajo Fin de Máster reside en hacer del proceso de separación de los compuestos fenólicos, presentes en el agua residual del proceso de producción del aceite de oliva, mediante membranas de ultrafiltración un proceso eficiente. Para ello, es fundamental modelizar y predecir el descenso de la densidad de flujo de permeado que sufren las membranas debido a la acción del ensuciamiento. Una vez conocido el mecanismo de ensuciamiento predominante en las membranas, se pueden llevar a cabo acciones más certeras y precisas para evitar o disminuir el impacto del ensuciamiento en las membranas de UF en aras de aumentar la eficacia en la separación, de reducir los costes de mantenimiento y de aumentar la vida útil de la membrana. Por todo ello, en el presente Trabajo Fin de Máster se ha modelizado el ensuciamiento de membranas de ultrafiltración, tanto orgánicas como cerámicas (UH004, UP005, RC70PP, UH050, Inside Ceram 5, Inside Ceram 15 e Inside Ceram 50), empleadas en la recuperación de compuestos fenólicos procedentes del agua residual de segunda centrifugación del proceso de producción del aceite de oliva en dos fases (OOWW). Los resultados experimentales se obtuvieron a diferentes velocidades tangenciales (entre 1 y 4 m/s) y presiones transmembranales (entre 1 y 3 bar), de modo que también se analizó el efecto de las condiciones de operación en el ensuciamiento. Los modelos matemáticos que se han empleado para predecir el ensuciamiento de las membranas son el modelo de Hermia adaptado a flujo tangencial, el modelo Combinado y el modelo de Resistencias en Serie. La modelización del ensuciamiento se ha llevado a cabo empleando el algoritmo de Levenberg-Marquardt con el software Mathcad. Los resultados obtenidos de realizar el ajuste de los datos experimentales a los modelos matemáticos son muy buenos para todas las membranas. Los modelos Combinado y de Resistencias en Serie son los que mejor ajustan la variación de la densidad de flujo de permeado con el tiempo, siendo con el modelo de Hermia adaptado a flujo tangencial con el que se obtienen mayores desviaciones. Finalmente, con base en los resultados presentados se puede concluir que el ensuciamiento de las membranas de ultrafiltración estudiadas en este trabajo no se produce por la acción de un único mecanismo, sino por la combinación de varios mecanismos. No obstante, el mecanismo que tiene mayor influencia en el ensuciamiento de la membrana es función del tipo de membrana y de las condiciones de operación. Así, el mecanismo predominante en las membranas orgánicas es el bloqueo completo de poros, mientras que en las membranas cerámicas es la formación de torta. Respecto a las condiciones de operación, las membranas UH004 y UP005 obtienen mejores valores de ajuste para altas presiones. Por el contrario, las membranas RC70PP, UH050, Inside Ceram 5, Inside Ceram 15 e Inside Ceram 50 presentan mejores resultados para el rango de bajas y medias presiones. Por otro lado, todas las membranas, generalmente, presentan mejores valores de ajuste cuando trabajan con velocidades de flujo tangencial bajas.

[EN] Phenolic compounds have been gaining importance in society and, therefore, in industry in recent years due to their beneficial health properties: anti-inflammatory capacity, prevention of cardiovascular diseases and, above all, antioxidant capacity. These properties have made industries such as pharmaceuticals, cosmetics and food interested in these compounds for the manufacture of their products. On the other hand, the phytotoxic nature of phenolic compounds puts them in the spotlight as one of the most polluting by-products generated in the production of olive oil. Thus, the interest in recovering these compounds lies not only in economics, but also has an environmental component. Due to the reasons stated above, the importance of this Master's Thesis lies in making the process of separating the phenolic compounds, present in the residual water from the olive oil production process, by means of ultrafiltration membranes an efficient process. For this, it is essential to model and predict the decrease in the permeate flux density suffered by the membranes due to the action of fouling. Once the predominant fouling mechanism in the membranes is known, more accurate and precise actions can be carried out to avoid or reduce the impact of fouling on UF membranes in order to increase separation efficiency, reduce costs of maintenance and increase the useful life of the membrane. Therefore, in this Master's Thesis the fouling of ultrafiltration membranes, both organic and ceramic (UH004, UP005, RC70PP, UH050, Inside Ceram 5, Inside Ceram 15 and Inside Ceram 50), used in the recovery of phenolic compounds from the second centrifugation wastewater of the olive oil production process in two phases (OOWW). The experimental results were obtained at different tangential speeds (between 1 and 4 m / s) and transmembrane pressures (between 1 and 3 bar), so that the effect of operating conditions on fouling was also analysed. The mathematical models that have been used to predict membrane fouling are the Hermia model adapted to tangential flow, the Combined model and the Resistance-in-series model. The fouling modelling has been carried out using the Levenberg-Marquardt algorithm with Mathcad software. The results obtained from fitting the experimental data to the mathematical models are very good for all membranes. The Combined and Resistance-in-series models are the ones that best adjust the variation in the permeate flux density over time, with the Hermia model adapted to tangential flow with which greater deviations are obtained. Finally, based on the results presented, it can be concluded that the fouling of the ultrafiltration membranes studied in this work is not produced by the action of a single mechanism, but by the combination of several mechanisms. However, the mechanism that has the greatest influence on the fouling of the membrane is a function of the type of membrane and the operating conditions. Thus, the predominant mechanism in organic membranes is complete pore blocking, while in ceramic membranes it is cake formation. Regarding the operating conditions, the UH004 and UP005 membranes obtain better fitting values for high pressures. In contrast, RC70PP, UH050, Inside Ceram 5, Inside Ceram 15 and Inside Ceram 50 membranes show better results for the low and medium pressure range. On the other hand, all membranes generally have better fitting values when working with low tangential flow velocities.