Limpieza de membranas de ultrafiltración aplicadas en la industria alimentaria por medio de técnicas no convencionales y caracterización del ensuciamiento de las membranas

Abstract

[EN] In this PhD Thesis, the application of two non conventional techniques (saline solutions and electric fields) to clean ultrafiltration membranes that were previously fouled with whey model solutions was investigated. In addition, the membrane fouling caused by the different model solutions was studied as well. This fouling was characterised by fitting different semi-empirical mathematical models to the experimental data of permeate flux evolution with time.

Experiments were performed at a laboratory scale with four ultrafiltration membranes of different material (ceramic and organic) and molecular weight cut-off (5, 15, 30 and 50 kDa) and three different whey model solutions consisting of aqueous solutions of bovine serum albumin (BSA), BSA with CaCl2 and whey protein concentrate (WPC). Each experiment was divided in four steps: fouling with the model solution, first rinsing, cleaning and second rinsing. Experimental conditions during the first stage were the same in all the cases, so that it could be determined the influence of the experimental conditions during the cleaning step (type of saline solution, salt concentration, cleaning solution temperature, crossflow velocity and potential of the electric field) on the cleaning efficiency. The mathematical models considered were the Hermia's models adapted to crossflow filtration, a combined model based on Hermia's equations of complete pore blocking and cake formation and a resistance-in-series model.

The results obtained during the fouling step demonstrated that the mathematical models used were able to predict with high accuracy the permeate flux decline with time. The value of the model characteristic parameters and the fouling mechanisms mainly responsible for that decline were determined. Regarding the cleaning experiments for the membranes used, the results indicated that both, saline solutions and electric fields, were effective techniques to recover the membrane permselective properties when an optimal salt concentration range was considered.

[ES] En la presente Tesis Doctoral se investigó la aplicación de dos técnicas no convencionales (disoluciones salinas y campos eléctricos) para limpiar membranas de ultrafiltración que previamente habían sido ensuciadas con disoluciones modelo de lactosuero. Además, se estudió el ensuciamiento de las membranas causado por las diferentes disoluciones ensayadas, caracterizando el mismo mediante el ajuste de distintos modelos matemáticos semi-empíricos a los resultados experimentales de variación de la densidad de flujo de permeado con el tiempo.

Los ensayos se realizaron a escala de laboratorio con cuatro membranas de ultrafiltración de diferente material (cerámicas y orgánicas) y umbral de corte molecular (5, 15, 30 y 50 kDa) y con tres disoluciones modelo de lactosuero consistentes en disoluciones acuosas de seroalbúmina bovina (BSA), BSA con CaCl2 y concentrado de proteínas de lactosuero (WPC). Cada ensayo fue dividido en cuatro etapas: ensuciamiento con la disolución modelo, primer aclarado, limpieza y segundo aclarado. Las condiciones experimentales durante la primera etapa fueron las mismas en todos los casos, para poder evaluar la influencia de las condiciones experimentales durante la etapa de limpieza (tipo de disolución salina, concentración de sal, temperatura de la disolución, velocidad tangencial y potencial de campo eléctrico aplicado) en la eficacia del proceso de limpieza. Los modelos matemáticos considerados fueron los modelos de Hermia adaptados a flujo tangencial, un modelo combinado basado en las ecuaciones de Hermia de bloqueo completo de poros y formación de torta y un modelo de resistencias en serie.

Los resultados obtenidos durante la etapa de ensuciamiento demostraron que los modelos matemáticos utilizados son capaces de predecir con una elevada exactitud el descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo, determinándose el valor de los parámetros característicos de dichos modelos y los mecanismos de ensuciamiento responsables principalmente de dicho descenso. En cuanto a los ensayos de limpieza de las membranas utilizadas, los resultados indicaron que tanto las disoluciones salinas como los campos eléctricos son técnicas efectivas para recuperar las propiedades permselectivas de las membranas, utilizando un intervalo de concentración de sal óptimo.

[CA] En la present Tesi Doctoral es va investigar l'aplicació de dues tècniques no convencionals (dissolucions salines i camps elèctrics) per a netejar membranes d'ultrafiltració que prèviament havien sigut embrutades amb dissolucions model de sèrum de llet. A més, es va estudiar l'embrutament de les membranes causat per les diferents dissolucions assajades, caracteritzant el mateix mitjançant l'ajust de distints models matemàtics semi-empírics als resultats experimentals de variació de la densitat de flux de permeat amb el temps.

Els experiments es realitzaren a escala de laboratori amb quatre membranes d'ultrafiltració de diferent material (ceràmiques i orgàniques) i umbral de tall molecular (5, 15, 30 i 50 kDa) i amb tres dissolucions model de sèrum de llet consistents en dissolucions aquoses de seroalbúmina bovina (BSA), BSA amb CaCl2 i concentrat de proteïnes de sèrum de llet (WPC). Cada experiment fou dividit en quatre etapes: embrutament amb la dissolució model, primer aclarat, neteja i segon aclarat. Les condicions experimentals durant la primera etapa van ser les mateixes en tots els casos, per a poder evaluar la influència de les condicions experimentals durant l'etapa de neteja (classe de dissolució salina, concentració de sal, temperatura de la dissolució, velocitat tangencial i potencial de camp elèctric aplicat) en l'eficàcia del procés de neteja. Els models matemàtics utilitzats varen ser els models d'Hermia adaptats a flux tangencial, un model combinat basat en las equacions d'Hermia de bloqueig complet de porus i formació de torta i un model de resistències en serie.

Els resultats obtinguts durant l'etapa d'embrutament demostraren que els models matemàtics utilitzats són capaços de predir amb una elevada exactitud el descens de densitat de flux de permeat amb el temps, determinant-se el valor dels paràmetres característics dels citats models i els mecanismes d'embrutament responsables principalment del citat descens. En quant als experiments de neteja de les membranes utilitzades, els resultats indicaren que tant les dissolucions salines com els camps elèctrics són tècniques efectives per a recuperar les propietats permselectives de les membranes, utilitzant un interval de concentració de sal òptim.