Análisis de los flujos de permeación en un reactor de membrana con enzima inmovilizada

REGENHARDT, SILVINA; FENOGLIO, CECILIA; MAMMARELLA, ENRIQUE; RUBIOLO, AMELIA

Mar del Plata, Buenos Aires, Argentina

Congreso; VI Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2010

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

El suero de quesería es el mayor efluente de las industrias lácteas. Se caracteriza por su elevada demanda biológica de oxígeno (DBO) producto de su alto contenido de lactosa, entre un 4% y 8% (p/v). Además posee alrededor de un 1% de proteínas que en general, son recuperadas por ultrafiltración y se comercializan como concentrado de proteínas de suero o WPC. El permeado resultante aún representa un problema ambiental, debido a que contiene un alto tenor de lactosa en su composición. Este problema podría solucionarse si se hidroliza la lactosa presente mientras se realiza la recuperación de las proteínas. La hidrólisis de la lactosa puede realizarse por la vía química o enzimática, siendo esta última la más adecuada ya que permite trabajar a temperaturas y pH más suaves. La enzima utilizada es conocida como lactasa o b-galactosidasa. Una manera de minimizar el costo de la enzima y mejorar su estabilidad se logra inmovilizando la enzima sobre una membrana sintética. En un biorreactor de membrana, el catalizador se puede inmovilizar sobre la superficie de la membrana o bien puede estar adsorbido en ella; también es posible entramparlo dentro de la misma. El uso de reactores enzimáticos de membranas en lugar de las clásicas configuraciones de los reactores batch, de lecho fijo o fluidizado, presenta a su vez ventajas operativas adicionales. El ensuciamiento de la membrana y la disminución de la actividad del biocatalizador son los principales problemas que limitan la utilización de este tipo de reactores. El ensuciamiento de la membrana está directamente relacionado con la evolución temporal del flujo de permeado. En este trabajo se han analizado modelos matemáticos empíricos existentes en la literatura para simular el flujo de permeado producto de la concentración de proteínas de suero de quesería cuando se utiliza una membrana de polietersulfona con la enzima beta-galactosidasa inmovilizada en la misma. Fijados el pH en 6.9 y la temperatura en 55°C, de acuerdo a las condiciones utilizadas en la industria, se investigó como afecta la presión (100-300 kPa) en la caída del flujo de permeado. Se encontró que a partir de aproximadamente los 200 kPa, el flujo a tiempos largos de operación se vuelve independiente de la presión, siendo la transferencia de masa responsable de la disminución del flujo. Además, se analizó lo que ocurre con los flujos de permeado iniciales en función de la presión (0-500 kPa) y la temperatura (30-60°C). Se observó que el aumento de la temperatura incrementa los flujos iniciales y aumenta la solubilidad de las sales de calcio, a 40°C  se determinó que comienzan a depositarse sobre la membrana las sales de calcio. Se determinó que enzima ligada a la membrana no afecta el mecanismo de ensuciamiento de la misma, siendo el ensuciamiento producto de la interacción de las proteínas del suero con la membrana. Dos de los modelos estudiados reprodujeron significativamente los datos experimentales. Además, se analizó el mecanismo de ensuciamiento de la membrana, aplicando los modelos de bloqueo de poro propuestos por Hermia (1982). Para todas las situaciones analizadas se comprobó que el mecanismo de bloqueo estándar (n = 1,5) es el dominante en la primera etapa del proceso, para culminar con el mecanismo de formación de torta (n = 0). Este estudio puede ser utilizado para determinar los tiempos de limpieza de la membrana, como así también investigar las mejores posibilidades para prevenir el ensuciamiento excesivo de la membrana de manera tal que esto no interfiera de forma negativa en la reacción de hidrólisis de la lactosa presente en el suero.