El tratamiento enzimático disminuye las incrustaciones de la membrana durante el proceso [Carneiro et al. 2002], debido a que se reduce el fenómeno de la polarización de la concentración y la formación de la capa de gel; al igual que se aumenta el flux de permeado durante el proceso, el cual puede relacionarse con la presencia de las enzimas que no fueron inactivadas y que presentan una actividad residual cuando la temperatura del proceso alcanza la temperatura óptima de acción [Matta et al. 2004].
3.2 SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL JUGO MICROFILTRADO
Con el tratamiento enzimático se reduce la viscosidad, el contenido de sólidos suspendidos en el jugo [Carneiro et al. 2002; Matta et al. 2004]. La reducción de la viscosidad altera el comportamiento reológico del jugo durante la microfiltración, el cual cambia de pseudoplástico a Newtoniano [Matta et al. 2004.
La licuefacción enzimática con pectinasas y celulasas no solo afecta los valores de los sólidos insolubles suspendidos (SIS), sino también la capacidad de hinchamiento de los polisacáridos insolubles residuales degradados, resultando en una concentración mucho más alta de compuestos polisacáridos para la misma masa de SIS.
3.3 TEORÍA DE LA FILTRACIÓN
La teoría de la filtración tradicional se describe por la ley de Darcy [Jegatheesan et al. 2009] en donde el flux de permeado es función de la presión transmembranaria y de la resistencia total: Flux de permeado tm m t P 1 dV J A dt R Ec (1)
En términos generales, la Rt se define como:
Resistencia total ad b g f m t R R R R R R Ec (2)
Como se puede ver en la ecuación 1, éste es un modelo simple que describe en forma sencilla la relación caudal de filtración - presión transmembrana. Lo importante de este modelo es que se puede utilizar para estudiar la influencia de la estructura de la membrana sobre la morfología de la capa de torta que se forma durante la clarificación de jugos de frutas [Riedl et al. 1998], y para determinar el desempeño de membranas cerámicas de micro y ultrafiltración al considerar que la Rt aumenta proporcionalmente con el volumen
resistencia total como la resistencia reversible e irreversible de colmatación disminuyen a medida que aumenta la concentración de la alimentación.
Puesto que la determinación de la Rt depende de la forma como se considere, es decir, se
pueden considerar todas o algunas de las resistencias que la constituyen, o adicionar otras. [Ushikubo et al. 2007] consideraronque la resistencia total se determina por la suma de las tres primeras resistencias (Rm, Rf y Rg); experimentalmente [Chiampo and Conti 1999]
encontraron que el proceso de ultrafiltración de jugos de pulpa de fruta es controlado por la resistencia de la capa de gel (Rg) que se forma sobre la superficie de la membrana, cuya
resistencia la correlacionaron con la caída de presión transmembranaria mediante la ecuación para torta filtrante
Rg a
P n
en donde los valores de a y n dependen sólo de la clase de fruta; por otro lado, [Llanos et al. 2009] observaron que durante la ultrafiltración con membranas cerámicas de polímeros solubles en agua (ethoxylated polyethylenimine), la resistencia de la membrana siempre es mucho mayor que la suma de las resistencias de polarización y de colmatación, lo que implica que la resistencia de la membrana es la que gobierna el flux de permeado a través del sistema, en este caso tan solo se consideraría la resistencia de la membrana.El análisis de resistencia hecho por [Jiraratananon and Chanachai 1996] se basó en el estudio de la reversibilidad e irreversibilidad de la capa polarizada que crea la resistencia al flujo, en donde la resistencia reversible de la capa polarizada consistió de la polarización de la concentración de la capa y de la película depositada o del gel precipitado como resultado de la máxima solubilidad de las macromoléculas presentes en el jugo analizado, mientras que la resistencia irreversible se conformó por la resistencia semirreversible de la capa polarizada y por la resistencia a la colmatación o capa adsorbida que no se removió limpiando la membrana con agua. En otros estudios, [Jiraratananon et al. 1998] expresaron la resistencia total de la membrana como la suma de la resistencia de la membrana (Rm), la
resistencia de la colmatación externa (Ref) y la resistencia debida a la colmatación interna
(Rif) la cual surgió del taponamiento interno de los poros de la membrana. Tanto la (Ref)
como la (Rif) se calcularon a partir de los datos del flux de la solución y del flux de agua
antes y después de estar limpia la membrana; del análisis de los datos experimentales, encontraron que al utilizar suspensiones coloidales de dextran y PEG, el flux de permeado disminuyó gracias a la colmatación externa debida a la polarización de la concentración y por el depósito de partículas sobre la superficie de la membrana, mientras que el proceso de bloqueo de poro de una suspensión de bentonita siguió el modelo de torta filtrante.
De cualquier modo, lo más importante de considerar esta ecuación es estimar el valor real de cada una de las resistencias y determinar su evolución durante el proceso de microfiltración tangencial. Los valores de estas resistencias por lo general se obtienen a partir de datos experimentales, lo que hace que existan muchos criterios como los anteriormente mencionados a la hora de calcular la Rt.
3.4 MODELOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS EN LA MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL
La predicción del rendimiento y de la evolución del mecanismo de separación que tiene lugar durante la filtración con membranas requiere del uso de modelos matemáticos que permitan describir el sistema. Aunque los modelos que se han desarrollado han ayudado a entender los fenómenos que tienen lugar durante la filtración, cada uno de ellos tiene sus propias limitaciones, como por ejemplo: i) complejidad de las ecuaciones matemáticas involucradas, ii) válidos para estado estacionario y para ciertos alimentos bajo condiciones especiales de operación como también para jugos que presentan la misma concentración volumétrica inicial de partícula (Cb) [Vaillant et al. 2008]; iv) se han validado con equipos
muy pequeños en donde el permeado se recircula al tanque de alimentación para mantener constante el factor de reducción volumétrica (FRV).
Puesto que aún no se ha desarrollado un modelo matemático general que prediga la variación del flujo de permeado durante el proceso de microfiltración tangencial a diferentes parámetros de operación, según la composición de los compuestos potencialmente colmatantes contenidos en los jugos de frutas, en este aparte se hablará de algunos de los modelos existentes que describen de manera particular muchos de los mecanismos y fenómenos presentes durante la filtración, para lo cual, se tendrán en cuenta los modelos físicos, debido a que los modelos empíricos que se han desarrollado solo son útiles en la práctica y no ayudan a entender el proceso de microfiltración tangencial.
Los modelos aquí presentados se han clasificado según la gran división dada por [Ripperger and Altmann 2002], quienes clasificaron los modelos físicos en dos grandes grupos a saber: 1. Modelos macroscópicos (Difusión molecular, difusión de corte inducido, transporte difusivo de partículas) 2. Modelos microscópicos (transporte tangencial de partículas, transporte lateral de partículas, superposición de diferentes efectos). Los modelos macroscópicos consideran el sistema de partículas como un continuo, mientras que los modelos microscópicos consideran el comportamiento de una sola partícula durante la filtración. Ambos modelos reducen un gran número de parámetros influyentes sobre el proceso al tener en cuenta tres mecanismos físicos básicos (hidrodinámica de las partículas, difusión de partículas e interacción de partículas y efectos superficiales). Los modelos que se presentan a continuación son los más utilizados por diferentes investigadores, los cuales han sido validados por sus respectivos autores para diversas aplicaciones.
3.4.1 Modelo de resistencia
Se basa en la teoría de filtración descrita por la ley de Darcy (ecuación 1). El modelo de resistencia tiene la ventaja de incluir una descripción de las capas polarizadas no Newtonianas, soluciones concentradas de solutos, los cuales son capaces de formar estructuras vagamente limitadas, capas de torta sólida, de ser fácilmente extendidos para determinar la resistencia de colmatación con respecto al tiempo [Bowen and Jenner 1995], y de utilizarse con el fin de investigar las propiedades anti-colmatantes de membranas modificadas.