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

Bueno Zabala, Karen Alejandra (2018) Efecto de la membrana en recuperación de jarabes de glucosa in situ a partir de residuos agroindustriales. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín.

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Resumen

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., Abstract: Glucose syrups can be getting from starch hydrolysis. This method has been used during centuries ago with the disadvantages as the enzyme inhibition and purification process. A way to decrease the disadvantages is with the process called In Situ Product Recovery – ISPR, consisting of the integration between hydrolysis process and membranes. The previous articles have used continuous substrate feed and they show more efficiency compared with fed-batch. Also, others articles with different kind of enzymes have showed that the enzymes can be immobilized by membrane fouling. So far, there is not an explanation about the reaction inside the membrane and the parameters that affect the glucose syrup production on ISPR process. The objective for this research was establish of the effect from immobilized enzymes by fouling of the membrane in the design of starch hydrolysis process and in situ glucose syrup recovery. There were five stages present in every chapter. The first chapter presents a review about the operation parameters of the enzymatic hydrolysis and separation with membranes. The pH and temperature are the common parameters between both process and they can affect the enzyme immobilization during the operation ISPR. The second stage evaluated the enzymatic hydrolysis for the liquefaction and saccharification process with pure wheat starch and its application with an agro-industrial waste. A response surface design was applied to get the best conditions for the glucose syrup production and a fed-batch empiric model with pH, temperature and enzyme/substrate rate. The third stage shows an enzymatic hydrolysis kinetic model review in batch process. The most completely model has the effect on the oligosaccharides production, temperature and enzyme inactivation for the liquefaction and saccharification process. The model improved with the addition of pH effect and validate with well adjust parameters. The fourth stage evaluated the common parameters between enzymatic hydrolysis and membrane process. To identify the effect to use membranes with enzymatic hydrolysis, ISPR process operated in diafiltration semi-continuous mode avoid adding new substrate and enzymes that they can increase the glucose syrup production. Innovate contribution of this research is the use of submerge membranes PVDF in 1.5L volume reactor, there are not any report. Statistical design of Box-Baken was applied with pH and temperature parameters to get the best conditions and maximize the glucose syrups. Also, this stage shows that the enzymes are immobilized in/on the membrane when ISPR process has operated. With the enzymes immobilized in/on the membrane, the last stage shows a new heterogeneous model. This model identified the internal and external mass transfer by enzymes immobilized in/on the membrane with Michaels-Menten kinetic. The model was validated with pure wheat starch and an agro-industrial waste. This new heterogeneous model presents a new contribution for the scientific community because it is more complete than others basic models reported. Also, this model can be used in others systems with enzymes immobilized and free in the same reactor. In general, the results of this research allow establish the effect of enzymes immobilized by fouling of the membrane during the ISPR operation in diafiltration mode, submerges membranes and PVDF material. This contribution will allow a specific analysis effect of internal and external mass transfer, different with the other research focus in the efficiency of the process

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Ruiz Colorado, Angela Adriana
Información adicional:Línea de Investigación: Generación de productos de valor agregado a partir de residuos agroindustriales y procesos intensificados usando tecnología de membranas Doctora en Ingeniería. Área de Énfasis Sistemas Energéticos
Palabras clave: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
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 63 Agricultura y tecnologías relacionadas / Agriculture
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering
Unidad administrativa:Sede Medellín > Facultad de Minas > Escuela de Química y Petróleos
Código ID:65799
Enviado por : Magíster Karen Alejandra Bueno Zabala
Enviado el día :18 Septiembre 2018 19:46
Ultima modificación:27 Febrero 2019 16:57
Ultima modificación:27 Febrero 2019 16:57
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