Laboratorio de membranas y su aplicación en la industria
Por Susana Paz
México, DF. 21 de abril de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Desarrollar una infraestructura que permita estudiar procesos que involucran membranas, tanto en investigación como en desarrollo tecnológico, es el principal objetivo del Laboratorio de Estudios de Procesos de Membranas del Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas (Ciatec).
Liderado por la investigadora Juliette Alexandra Lambert, se trata de un proyecto activo desde octubre de 2014 que surgió con el propósito de responder a las necesidades de las empresas de tener un colaborador público para poder desarrollar proyectos en este ámbito.
Si bien existen diversos grupos de investigación en varias instancias académicas del país, la demanda creciente del sector industrial por estas tecnologías impone el atender y fortalecer este campo de estudio a nivel nacional, aseveró la especialista.
El proyecto de construcción inició en mayo de 2014 y en abril del presente año está por concluirse. El laboratorio atiende tres tipos de procesos: filtración, ósmosis inversa y electrodiálisis y está equipado en consecuencia. Tiene sistemas de filtración frontal a escala laboratorio y tangencial a escala piloto y tres pilotos de electrodiálisis convencional y de membranas bipolares.
“Cuenta con equipos para trabajar diversos procesos, entre ellos los de microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa; para ello se cuenta con celdas para trabajar en modo frontal y tangencial. Se construyeron nuevos pilotos para trabajar procesos derivados de la electrodiálisis. Adicionalmente, gracias a la ayuda por parte del Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Guanajuato (Concyteg), se trabaja ahora en el proceso de destilación por membrana con diferentes conceptos y aplicaciones”, expresó la investigadora.
Membranas y procesos
Juliette Alexandra Lambert es doctora en Ingeniería de Procesos por la Escuela Central de París y tiene un doctorado en Química en la Universidad de Guanajuato (UGTO). Desde noviembre de 2013 es investigadora en el Ciatec, perteneciente al Sistema de Centros Públicos de Investigación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).
Para la especialista, la definición es simple: “Una membrana es una barrera selectiva que separa dos medios. Por un lado se tiene una fase con compuestos que se quieren separar, y por el otro lado el producto purificado. Se pueden tratar desde líquidos, gases o sólidos, porque las membranas pueden ser diseñadas para retener especies muy variadas, desde por ejemplo bacterias, macromoléculas, iones, gases, etc. Según los tipos de compuestos a retener o separar, se elige el tipo de proceso y las membranas que se usan.”
Según explicó la investigadora, los procesos se clasifican por el tipo de fuerza que permite a las especies atravesar la membrana; puede ser una diferencia de presión, de temperatura, de potencial eléctrico, etc.
Por ejemplo, los procesos de filtración basados en una diferencia de presión emplean membranas con tamaño de poro, desde el micrómetro en microfiltración que permite la retención de bacterias, hasta el nanómetro en nanofiltración que permite la retención de cationes. Los procesos de electrodiálisis emplean una diferencia de potencial eléctrico para separar especies cargadas, y los procesos de destilación por membrana se basan en una diferencia de temperatura para lograr el transporte de solvente, agua generalmente, en fase vapor.
Según la experta, se distinguen las membranas por diferentes características físico-químicas. Por ejemplo, en procesos de filtración, el tamaño de poro o porosidad de la membrana permite la separación de especies de diferentes tamaños. En procesos de electrodiálisis, la carga ocasionada por la presencia de grupos funcionales en la estructura polimérica de la membrana permite separar cationes y aniones.
El jugar con las diferentes características de una membrana y conjuntarlas con un tipo de fuerza motriz da lugar a un proceso particular, como por ejemplo la nanofiltración que permite, bajo una diferencia de presión, desmineralizar agua gracias a una membrana con tamaño de poro nanométrico y carga superficial.
Dividir los procesos por membranas en categorías no es sencillo, aseguró la investigadora, pues lo que realmente importa es el objetivo que se quiere lograr y reunir los elementos necesarios para llevarlo a cabo, sin perder de vista el costo-beneficio del proceso.
“Por ejemplo, en el caso de la electrodiálisis convencional, se aplica como fuerza motriz una diferencia de potencial para lograr que especies que tengan una carga eléctrica migren, y la conformación de compartimientos asociados a cierto apilamiento de membranas intercambiadoras de cationes y aniones permite la desalación de la concentración de soluciones”, dijo.
Agregó que “si el objetivo es la desmineralización de un jugo, sin cambio de temperatura que pudiera afectar la calidad del producto y considerando el costo-beneficio asociado al proceso, la electrodiálisis es un candidato interesante. Pero si quiero tratar una salmuera para producir agua potable, aunque se pueda hacer también por electrodiálisis, el aspecto económico inclinará la balanza hacia la ósmosis inversa”.
Aplicaciones
La aplicación de las membranas en la industria es muy variada y toca un gran número de sectores. Según la investigadora, una de las grandes aplicaciones y la más conocida es la producción de agua potable por ósmosis inversa. En el laboratorio se pueden probar los diferentes procesos y desarrollar plantas piloto que sean específicas a las características de las aguas de la región.
“En el caso particular del proceso de electrodiálisis convencional, según el enfoque, se permite desmineralizar o concentrar. Esto tiene aplicación por ejemplo en la industria agroalimentaria para la desmineralización de jugos de fruta, del vino, entre otros”, expresó.
En el caso de la electrodiálisis de membranas bipolares, que permite la producción de ácidos y bases, señaló que una aplicación es la de producir ácido clorhídrico y sosa a partir de la sal.
“Una aplicación interesante de la electrodiálisis de membranas bipolares es que se pueden producir protones por disociación del agua de una manera controlada y precisa. Esto implica que este proceso se puede integrar a una línea industrial para tener un control in situ del pH muy preciso, sin ningún cambio de temperatura ni adición de químicos, con aplicaciones en el sector farmacéutico, por ejemplo”, aseveró.
Y dijo que actualmente uno de los temas trabajados en el laboratorio es la modificación superficial de membranas de ultrafiltración y electrodiálisis para la retención de metales preciosos, con el fin de recuperar soluciones diluidas con valor agregado.
Retos y servicios
Para Juliette Lambert, lo fundamental de su trabajo en el laboratorio es lograr su consolidación: “Tomar mayor experiencia en todos los procesos, ir formando personal especializado en el tema de procesos de membranas. Somos un centro de desarrollo tecnológico, pero además de eso prestamos servicios a la industria a través de proyectos de innovación y desarrollo. Nuestra labor es compartir estos conocimientos con el público en general y con la industria para la solución de problemas particulares”.
Según la especialista, se tienen aplicaciones muy amplias, desde tratamiento de fluidos de las industrias farmacéutica, agroalimentaria (tratamiento de la leche, el vino, el tequila, etc.), petroquímica (tratamiento de aguas de extracción secundaria), entre otros.
A su consideración, es necesario dar a conocer el potencial de estos procesos y brindar la opción de que las empresas que estén interesadas en implementarlos en su estructura tengan la oportunidad de probarlos primero, ver sus bondades y evaluar si tienen potencial para decidir una futura inversión.
“Un proceso de membranas que está muy en boga y que tiene aplicaciones, incluso dentro de las casas, es la ósmosis inversa. Empresas de diferente índole requieren de agua desionizada para sus procesos y dedican una inversión fuerte para integrar una planta de ósmosis. Posteriormente a su instalación, cuando la planta presenta algún problema en su funcionamiento, nosotros les podemos ofrecer una evaluación técnica libre de intereses comerciales, para que lleven a cabo las correcciones necesarias que más les beneficien”, señaló.
Un proyecto reciente en el laboratorio es la destilación por membrana. Este proceso, basado en una diferencia de temperatura, permite la producción de agua purificada; el objetivo es unir el método de destilación de membrana con el sistema de calentamiento solar, para poder desarrollar otros sistemas que permitan producir agua purificada a bajo costo energético.
“En este proyecto, tanto el proceso a nivel macro (la configuración de los reactores, sistemas de control de temperatura) como a nivel micro (las membranas, los fenómenos de transporte, etc.) y el punto de vista de la aplicación futura, sistemas de bombeo, de calentamiento, enfriamiento, son elementos que se empiezan a trabajar en el laboratorio”, comentó.
Para Juliette Alexandra Lambert, el siguiente paso es dar a conocer los procesos, mostrar la capacidad que tiene el laboratorio en términos de servicios y tecnología. En lo que se refiere a investigación, consciente de la importancia de compartir tanto los conocimientos como los medios para lograr avances significativos, se consolidarán las colaboraciones existentes, así como también se buscará ampliar la red de colaboración con otras instancias nacionales e internacionales.
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