Recuperación de ácido láctico, ácido cítrico y betaína de melazas azucareras mediante un proceso combinado de extracción con tensioagentes y ultrafiltración

Resum

La finalidad de esta Tesis Doctoral es el estudio de separación de betaína, ácido láctico y ácido cítrico de mezclas sintéticas y melazas industriales de remolacha azucarera utilizando la tecnología híbrida de ultrafiltración con tensioagentes (UFM), y el tratamiento posterior de la fracción retenida para obtener la separación de los bioactivos y del tensioagente para su reutilización. La UFM es una tecnología híbrida emergente que combina en un solo paso la extracción selectiva del bioactivo dentro de los agregados supramoleculares de los tensioagentes, micelas o niosomas, y su concentración por ultrafiltración. La UFM es una tecnología limpia que se presenta como una alternativa plausible a los procesos convencionales de separación por su elevada capacidad de extracción, comparable a los procesos de extracción líquido-líquido, pero sin la necesidad de usar disolventes orgánicos, además de presentar elevada selectividad hacia compuestos de naturaleza hidrófila como los estudiados en esta Tesis Doctoral. Los tensioagentes utilizados fueron dodecilsulfato sódico (SDS) y bromuro de cetiltributilamonio (CTAB) para los sistemas micelares y sorbitan monooleato (Span 80) y poli (óxido de etileno)20 sorbitan monooleato (Tween 80) para los sistemas con niosomas. Se ha realizado la evaluación crítica de la viabilidad técnica y optimización de cara a la aplicación de esta tecnología en el aprovechamiento y valorización de corrientes residuales de la industria azucarera, que presentan un elevado potencial por poseer una concentración elevada de bioactivos ampliamente utilizados en el sector alimentario, cosmético y farmacéutico. En concreto, los ácidos láctico y cítrico se emplean como conservantes, antioxidantes y aditivos alimentarios que mejoran el sabor y calidad del alimento y la betaína es un aditivo esencial en preparados farmacéuticos para la reducción de los niveles de homocisteína, en protectores gástricos y renales, y en numerosos preparados cosméticos. En esta memoria se presentan los resultados de equilibrio obtenidos por UFM centrífuga y su modelización para la determinación de los coeficientes de distribución del bioactivo entre las pseudofases micelar y acuosa. Los estudios cinéticos de concentración se realizaron mediante UFM tangencial con membranas cerámicas y disoluciones acuosas complejas. Se ha analizado y optimizado el efecto de parámetros como: la concentración de tensioagente y de los biocompuestos, pH, temperatura, presión transmembranal, geometría y corte molecular de la membrana. Se dispone de esta manera de un estudio general para su aplicación al sustrato industrial, y que muestra los factores clave a considerar para su posible cambio de escala. Se ha desarrollado un modelo matemático que considera que la membrana cerámica proporciona la completa retención de las micelas presentes en la disolución alimentación (Rim = 1), sin retención de los mónomeros de tensioagente (RSw = 0) y con un rechazo constante de los monómeros de los bioactivo (RBw ¿ 0). Este modelo proporcionó una estimación satisfactoria de la composición de las pseudofases y de la retención a lo largo del tiempo de operación de los tensioagentes y bioactivos en estudio, para todos los experimentos de UFM tangencial con SDS y CTAB. Bajo las condiciones de operación y proceso seleccionadas como óptimas, se ha realizado la aplicación de la tecnología de UFM con SDS a melazas industriales y melazas industriales decoloradas con carbón activo, así como la comprobación de la adecuación del modelo desarrollado con disoluciones sintéticas. Además, se recogen los estudios de tratamiento al retenido de ultrafiltración para la recuperación de los bioactivos y la separación del tensioagente SDS para su reutilización. El estudio con melaza industrial reveló la necesidad de adicionar NaCl y basificar con NaOH a pH>12 para obtener la separación de fases a 4.5 ºC. Después de la separación de las fases, más del 93% del SDS inicial se recuperó como precipitado y los bioactivos se recuperaron concentrados en un el sobrenadante libre de SDS, con los siguientes valores referidos a la melaza industrial: 80% de betaína, 75% de ácido láctico y 66% de ácido cítrico en el sistema con pH inicial 3.3 y 89% de betaína y 54% de cada ácido en el sistema con pH inicial 1 Los resultados obtenidos al utilizar SDS como extractante selectivo en sustitución de los disolventes orgánicos, junto con su pequeña perdida en el permeado (<6%), justifican la utilización de esta tecnología, que combina la UFM y la reextracción a baja temperatura, desde un punto de vista sostenible, técnico y económico. La última parte del estudio que se presenta en esta memoria contiene los resultados de formulación y caracterización de niosomas obtenidos, por aplicación directa de ultrasonidos a disoluciones acuosas que contienen, Tween 80 o Span 80 como tensioagentes no iónicos encapsulantes. El estudio se realizó con distintas formulaciones que incorporan modificadores de membrana como colesterol, Tomac y SDS y en presencia de ácido láctico o ácido cítrico. Se trata de un estudio inicial que permite alcanzar resultados sobre la influencia de variables en la formulación, al objeto de poder utilizar estas estructuras como agentes selectivos de extracción en medios acuosos y su posterior concentración y separación mediante tecnologías con membranas, similares a las estudiadas en esta tesis doctoral.