Strategia sperimentale per la progettazione ottimale di unità di ultrafiltrazione per il recupero di biopimeri alimentari da soluzioni molto viscose

Abstract

Questa tesi di dottorato ha riguardato l’identificazione di un appropriato modello matematico del processo di recupero per ultrafiltrazione (UF) di due biopolimeri di interesse alimentare (alginato di sodio e pectina) da soluzioni acquose molto viscose in un impianto da banco, appositamente allestito e provvisto di un modulo tubolare ceramico. All’aumentare della concentrazione di entrambi i soluti nel retentato (cBR ) a 7‐ 10 kg m‐3, il flusso di permeazione limite (JP∞) si riduceva a valori di 25‐40 dm3 m‐2 h‐1, indipendenti dalla velocità superficiale nel modulo (vS). Si è verificato che la variazione di pendenza nel diagramma JP∞‐log(cBR) corrispondeva alla transizione fra regime di moto turbolento e laminare. Ricorrendo a due regressioni empiriche adimensionali fra i numeri modificati di Sherwood, Reynolds e Schmidt, valide nei regimi di flusso anzidetti, è stato possibile sia simulare abbastanza bene alcuni test di validazione condotti in modalità batch nell’impianto da laboratorio, sia ricostruire i valori di JP∞ rilevati da altri ricercatori usando moduli commerciali tubolari ceramici od in polietersulfone. Queste regressioni empiriche potrebbero essere utilizzate come equazioni di progetto per ulteriori esercizi di scaling‐up dei processi di UF esaminati, mentre la strategia sperimentale qui delineata permetterebbe di determinare facilmente i parametri basilari per progettare od ottimizzare unità di UF.

This PhD thesis was directed to identify a comprehensive mathematical model of the ultrafiltration (UF) recovery of a couple of target food biopolymers (i.e. sodium alginate and pectin) from highly‐viscous model solutions using a laboratory‐scale plant, appropriately assembled and equipped with a ceramic UF tubular module. As the concentration of both solutes in the retentate (cBR) increased up to 7‐10 kg m‐3, the limiting permeation flux (JP∞) decreased to values of 25‐40 dm3 m‐2 h‐1, that were quite independent of the feed superficial velocity (vS). It was proved that the change in slope of the plot JP∞‐vs.‐log(cBR) was due to the transition from turbulent to laminar flow regime. By resorting to two dimensionless empirical regressions among the modified Sherwood, Reynolds and Schmidt numbers, valid in the laminar or turbulent flow regime, it was possible to achieve quite a satisfactory simulation of a few independent validation tests performed in the batch mode in the laboratory‐scale plant, as well as to reconstruct the JP∞ values observed by other authors using commercial ceramic or polyethersulphone tubular modules. Thus, use of such empirical regressions might be recommended as design tools for further scaling‐up exercises of these UF processes, whereas the experimental strategy here set up may be used to assess the basic parameters for designing or optimising UF units.