Efecto de la membrana en recuperación de jarabes de glucosa in situ a partir de residuos agroindustriales

Los jarabes de glucosa se pueden obtener a partir de la hidrólisis del almidón. Esta técnica ha sido utilizada durante muchos siglos presentando como principal desventaja la inhibición de enzimas y necesitar una posterior purificación de los jarabes obtenidos. Una de las maneras de disminuir estas desventajas es la integración del sistema de reacción de hidrólisis enzimática junto con la separación de producto por medio de membranas, llamado “In Situ Product Recovery (ISPR)”. Los estudios reportados utilizando ISPR, se han enfocado en la alimentación continua de sustrato y han observado un incremento de las eficiencias comparados con producción en discontinuo. Además, otros estudios con diferentes enzimas han reportado que existe inmovilización en las membranas por mecanismos de ensuciamiento. Sin embargo, hasta el momento no se han explicado las reacciones que ocurren en la membrana y los parámetros de operación que afectan la producción de jarabes de glucosa en el proceso ISPR. Esta investigación tuvo como propósito establecer el efecto de las enzimas inmovilizadas por ensuciamiento de la membrana en el diseño del proceso de hidrólisis enzimática y recuperación de jarabe de glucosa in situ. Se realizaron cinco etapas presentadas en cada capítulo. En la primera etapa se realizó una revisión conceptual de los parámetros de operación de los procesos de hidrólisis enzimática y separación con membranas, identificando el pH y la temperatura como parámetros en común que pueden afectar la inmovilización de las enzimas durante la operación del ISPR. La segunda etapa evaluó el proceso de hidrólisis enzimática para la licuefacción y sacarificación del almidón de trigo y su aplicación en un residuo agroindustrial. Se llevaron a cabo diseños estadísticos de superficie de respuesta, encontrándose las mejores condiciones para la producción de glucosa y un modelo empírico en modo discontinuo evaluando los parámetros de operación como pH, temperatura y relación enzima/sustrato. En la tercera etapa se realizó una revisión de los diferentes modelos cinéticos planteados para la hidrólisis enzimática en procesos discontinuos. Se seleccionó el modelo más completo reportado en literatura, el cual plantea los efectos de la producción de los diversos oligosacáridos, temperatura e inactivación enzimática para los procesos de licuefacción y sacarificación. Se adicionó el efecto del pH y se validó el modelo presentando un buen ajuste de parámetros. Teniendo claro el comportamiento de la hidrólisis enzimática en procesos discontinuos, se realizó la etapa cuatro, evaluando los parámetros en común de la hidrólisis enzimática y el proceso de membranas. Para poder identificar el efecto que genera el uso de membranas en la hidrólisis enzimática, se operó el sistema en modo de diafiltración discontinua, evitando el ingreso de nuevo sustrato y enzimas que puedan influenciar en el incremento de la producción de glucosa. Como aporte novedoso de investigación, se utilizaron membranas sumergidas con material PVDF en un reactor de 1,5L, las cuales no han sido reportadas hasta el momento. Se realizó un diseño estadístico de Box-Baken observando los efectos de pH y temperatura que mejoran la producción de jarabes de glucosa, analizando la respuesta de estos parámetros respecto al flux de las membranas. Esta etapa permitió obtener las mejores condiciones que maximizan la producción de jarabes de glucosa y se validó que existe inmovilización de enzimas en las membranas al operar el proceso ISPR. Con la validación de las enzimas inmovilizadas, se realizó la última etapa en la que se plantea un modelo heterogéneo, identificando los efectos de transferencia de masa interna y externa por las enzimas inmovilizadas en la membrana, y el aporte de las enzimas libres en el proceso ISPR. Se utilizó como base el modelo de hidrólisis enzimática para la sacarificación de la etapa tres, que incluye la producción de los diversos oligosacáridos, efectos de temperatura, inactivación enzimática y pH. Posteriormente se realizó la cinética del almidón de trigo puro y un residuo agroindustrial, validando el modelo heterogéneo. Este nuevo modelo heterogéneo planteado presenta un nuevo aporte a la comunidad científica, siendo más completo que los modelos básicos de Michaels-Menten que se han reportado. Además, este modelo se puede aplicar a otros sistemas con enzimas inmovilizadas y libres en el mismo reactor. En general, los resultados de esta investigación permitieron establecer el efecto de las enzimas inmovilizadas por ensuciamiento de la membrana durante la operación del proceso ISPR en modo de diafiltración, con membranas sumergidas y utilizando el material PVDF. Este aporte permitirá complementar un análisis específico de los efectos de transferencia de masa y no únicamente enfocándose en las eficiencias del proceso como lo reportado en estudios con alimentación continua.

• Autores: Bueno Zabala, Karen Alejandra
• Tipo de recurso: Doctoral thesis
• Fecha de publicación: 2018
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/64786
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/64786; http://bdigital.unal.edu.co/65799/
• Palabra clave: 6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; 63 Agricultura y tecnologías relacionadas / Agriculture; 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering; Biorreactor de membranas; Hidrólisis enzimática; Inmovilización; Jarabes de glucosa; Modelo heterogéneo; Residuo agroindustrial; Agro-industrial waste; Enzymatic hydrolysis; Glucose syrups; Heterogeneous model; Immobilization; Membrane bioreactor
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