Estudio de la separación mediante electrodiálisis de citrato y nitrato presentes en biorreactores para la producción de ácidos orgánicos

Abstract

[ES] En el presente Trabajo Fin de Grado se analiza el transporte de aniones citrato y nitrato a través de una membrana de intercambio aniónico AMV-N en sistemas de electrodiálisis. La separación de aniones citrato y nitrato se estudia intentando facilitar la obtención de compuestos orgánicos de base en la industria química, como el ácido cítrico. Con este fin, se definen brevemente conceptos de electroquímica, así como las técnicas empleadas con frecuencia en el laboratorio para la caracterización de sistemas electroquímicos. Adicionalmente, dada la importancia de los ácidos orgánicos en el entorno químico, se proporciona información acerca del ácido cítrico. Complementando a esas explicaciones teóricas, se han realizado ensayos de cronopotenciometría con ácido cítrico y citrato de sodio, en presencia o en ausencia de nitrato de sodio y, a dos concentraciones distintas (0.05M y 0.1M). Estas concentraciones han sido elegidas buscando aquellas más comunes que se dan en los fermentadores para la producción de ácido cítrico. Además, se han realizado ensayos de electrodiálisis de larga duración para los sistemas más concentrados (0.1M). De este modo, se ha logrado analizar: el efecto del pH en los diferentes sistemas de estudio; el efecto de la presencia de un ion competidor; la evolución de la concentración de citrato y nitrato; y, el voltaje de membrana. Por otro lado, partiendo del hecho de que para el proceso se requiere aplicar mucha energía, se calcula el consumo específico que requiere el transporte de dichos iones en ambos sistemas citrato de sodio y ácido cítrico. Finalmente, tras los resultados experimentales, se ha comprobado que, aplicando las condiciones adecuadas, la electrodiálisis es una técnica factible para separar los iones citrato y nitrato de los caldos de fermentación.

[EN] In the present Final Degree Project, the transport of citrate and nitrate anions through an AMV-N anion exchange membrane in electrodialysis systems is analyzed. The separation of citrate and nitrate anions is studied in order to facilitate the production of platform organic compounds in the chemical industry, such as citric acid. To this end, electrochemical concepts are briefly defined, as well as the techniques frequently used in the laboratory for the characterization of electrochemical systems. Additionally, given the importance of organic acids in the chemical industry, some information about citric acid is provided too. Complementing these theoretical explanations, chronopotentiometric tests have been carried out with citric acid and sodium citrate, in the presence or absence of sodium nitrate and, at two different concentrations (0.05M and 0.1M). These concentrations have been chosen by looking for the most common ones that occur in fermenters for citric acid production. In addition, long term electrodialysis tests have been performed for the most concentrated systems (0.1M). In that way, it has been possible to analyze: the effect of pH in the different systems; the effect of the presence of nitrate; the evolution of the concentration of citrate and nitrate; and the membrane voltage. Also, given the fact that the process requires a lot of energy, the specific consumption required for the transport of these ions in both sodium citrate and citric acid systems is calculated. Finally, after the experimental results, it has been proved that, applying the appropriate conditions, electrodialysis is a feasible technique to separate citrate and nitrate ions from fermentation broths.