Estudio de ultrafiltración de efluentes de hidrólisis para componentes de bajo peso molecular

Alumno investigador: Miguel Ángel Peñaloza Rodríguez

Departamento o Instituto Universitario: Instituto de Bioeconomía.

Tareas realizadas:

Durante el desarrollo del proyecto, se investigó la valorización del agua residual generada tras la hidrólisis de zanahoria en el laboratorio de PressTech. Esta corriente, rica en azúcares disueltos, fue tratada mediante un tren secuencial de membranas de ultrafiltración (UF) con cortes moleculares de 30, 10, 5 y 1 kDa, seguido de una etapa final de ósmosis inversa (OI), llamado en su conjunto tren de filtración.

Se diseñó el protocolo experimental, se realizaron tres ensayos (dos sin aditivos y uno con carbonato de sodio al 2,91 % p/p, este último debido a que presenta interés en investigaciones futuras), y se implementaron estrategias de diafiltración y reutilización de permeados. Se monitorizaron variables clave como concentración de azúcares, sólidos disueltos totales (TDS), conductividad eléctrica, aniones, pH y evolución de caudales. También se evaluó la colmatación de membranas y se establecieron procedimientos de limpieza y control operativo.

Los azúcares presentes en cada corriente (alimentación, permeado, rechazo, etc.) se cuantificaron mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), utilizando una columna específica para azúcares y detección por índice de refracción.

Objetivos alcanzados:

Se analizaron tanto los permeados como los rechazos de cada etapa mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para azucares, cromatografía iónica para aniones y gravimetría para sólidos totales disueltos (TDS). Los resultados mostraron una disminución progresiva de estos componentes en los permeados al avanzar hacia membranas de menor corte molecular, y una mayor concentración en los rechazos. En la etapa final de ósmosis inversa, se registraron concentraciones de 0.023 g/kg de azucares y 7.53 mg/kg de aniones en el permeado, junto con una conductividad eléctrica de 23.33 μS/cm.

El efluente fue sometido a fraccionamiento secuencial mediante el tren de ultrafiltación y OI. Se evaluaron variables operativas como la presión (2.25 bar para membranas de 30, 10 y 5 kDa; 1.5 bar para 1 kDa y OI), el caudal de permeado y el grado de concentración alcanzado en cada etapa. Se observó que la mayor retención de compuestos se produjo en la etapa de OI, alcanzando concentraciones de 0.44 g/kg para azucares, 44.37 mg/kg para aniones en el rechazo final.

Se desarrolló un sistema de filtración en serie eficiente para el tratamiento de efluentes de hidrólisis de biomasa, optimizado mediante el control de variables críticas como el área de membrana, presión de operación y equilibrio de flujos. El sistema, compuesto por membranas de 30, 10, 5 y 1 kDa, y una etapa final de ósmosis inversa, permitió concentrar compuestos de bajo peso molecular y reducir significativamente la carga de sólidos disueltos. Su efectividad fue validada mediante análisis de azúcares, aniones, TDS y conductividad, demostrando su potencial para aplicaciones en procesos de valorización de aguas residuales.

Sectores de aplicación:

Industria agroalimentaria, valorización de corrientes secundarias ricas en azúcares u otros nutrientes. Tratamiento y reutilización de aguas residuales industriales. Tratamiento de aguas altamente salinas. Biotecnología ambiental y procesos de economía circular. Diseño de trenes de separación sostenibles. Fabricación de concentrados naturales para alimentos o bioproductos. Además, los resultados pueden extenderse a la separación de
fracciones en biorrefinerías y al tratamiento de aguas residuales generadas en procesos enzimáticos o fermentativos.

Metodología utilizada:

Se realizaron tres ensayos utilizando agua de hidrólisis de zanahoria como material de partida: Ensayos 1 y 2: sin aditivos. Ensayo 3: agua tratada con Na₂CO₃ al 2,91 % p/p.
Condiciones experimentales:
Alimentación inicial previamente centrifugada, libre de sólidos. Secuencia de filtrado: 30 kDa → 10 kDa → 5 kDa → 1 kDa →OI. Cada rechazo fue sometido a diafiltración con agua tipo III (proporción 1:4). Los permeados de la diafiltración se reutilizaron para lavar los rechazos de la etapa siguiente. Presión de operación: 2,25 bar (30, 10 y 5 kDa) y 1,5 bar (1 kDa y OI). Control mediante válvula de rechazo y regulación de bomba.
Variables monitorizadas:
Azúcares (g/kg) cuantificados por HPLC. Conductividad eléctrica (μS/cm o mS/cm). Sólidos disueltos totales (TDS, g/kg). Concentración de aniones (mg/kg). pH. Caudales (mL/min) y colmatación.

Opinión sobre la experiencia investigadora desarrollada:

Se adquirió conocimiento profundo sobre procesos de separación por membranas, incluyendo su diseño, operación, limitaciones (como la colmatación) y estrategias de mejora (como la diafiltración y reutilización de permeados).

El uso de técnicas analíticas avanzadas como HPLC, que permitió cuantificar con precisión los azúcares presentes, reforzo el valor científico del estudio. Se desarrollaron habilidades prácticas en el manejo de equipos de laboratorio, interpretación de datos experimentales y resolución de problemas operativos. La posibilidad de aplicar conocimientos teóricos a una situación real con potencial de aprovechamiento industrial aportó gran valor a la formación investigadora, fomentando una visión crítica, sostenible y aplicada de la ingeniería química.