Applications of a liquid membrane in Taylor flow regime (LMTF) on separation processes and design of fermentation hybrid systems

In this book, it is shown a proof of concept and the performance assessment of a novel liquid membrane in Taylor flow applied to the lactic acid (LA) removal. Liquid-liquid equilibria (LLE) of potential membrane phases for LA removal were experimentally measured and a LLE model is proposed to fit the values of the of the distribution coefficient and chemical equilibrium constants for this kind of systems. Additionally, molecular toxicity tests of the potential liquid membranes on the lactic acid bacteria Lactobacillus casei ATCC 393 were carried out in order to have a membrane phase for LA removal with a good compromise between a high value of the chemical equilibrium constant and a relatively low molecular toxicity. The performance of the liquid membrane in Taylor flow (LMTF) in terms of hydrodynamics and mass transfer was tested for LA removal. The LA removal is favored at low injection times and high droplet velocities by providing the suitable space-time to achieve the mass transfer at the operating conditions used. A semi-empirical model for calculation of the overall volumetric mass transfer coefficients (OVMTC) was developed and their empirical parameters were fitting by using the experimental results. The LMTF was integrated with a batch lactic acid fermentation in order to remove the LA during fermentation. This hybrid process was experimentally assessed in terms of LA productivity and yields comparing it with a conventional batch fermentation. The LA produced increases by 41%, the glucose consumption increases by 68% and the biomass production increases by 12%. The glucose consumption is higher than LA and biomass production, which is in agreement with the effect of the membrane phase on Lactobacillus casei ATCC 393 which promotes the glucose consumption instead of biomass and LA production. The model for the hybrid process was developed using material balances and the model of the OVMTC of the LMTF for LA removal. The model shows some slight differences as compared with experimental results because the model does not take into account the toxicity effects of the membrane phase on the lactic acid bacteria. In the model is included a LMTF system with multi-channels. The effect of the number of channels of theLMTF is modeled and its impact on productivity, fermentation time, and final biomass concentration are analyzed. From the experimental results, it can say that the LMTF is a promising technology for removal of LA, from both aqueous lactic acid solutions and fermentation broths. The LMTF can be integrated with fermentation processes to remove metabolites and enhance both LA and biomass productivity, however molecular toxicity issues could reduce LA to glucose yield. Within this book, every section of each chapter is self-contain and can be read independentlyEn éste libro se presentan la prueba de concepto y la evaluación de desempeño de una nueva membrana líquida en flujo de Taylor aplicada a la remoción de ácido láctico (AL). Experimentalmente se midieron los equilibrios líquido-líquido (ELL) de fases membranas potenciales para la remoción de AL y se propuso un modelo de ELL para ajustar los valores de coeficiente de distribución y de la constante de equilibrio químico para este tipo de sistemas. Adicionalmente, se realizó la evaluación de toxicidad molecular de las membranas liquidas potenciales sobre la bacteria ácido láctica Lactobacillus casei ATCC 393 con el fin de obtener una fase membrana para la remoción de AL con un alto valor de la constante de equilibrio químico y una baja toxicidad molecular. Se evaluó el desempeño de la membrana líquida en flujo de Taylor (MLFT) en términos hidrodinámicos y la transferencia de masa para la remoción de AL. Se observó que la remoción de AL es favorecido a bajos volúmenes de inyección y altas velocidades de las gotas siempre y cuando se proporcione un tiempo espacial suficiente para alcanzar la trasferencia de masa a la condición de operación usada. Se desarrolló también un modelo semi-empírico para calcular los coeficientes globales volumétricos de trasferencia de masa (CGVTM), en el cual se ajustan los parámetros empíricos usando los resultados experimentales. El sistema de MLFT se integró con una fermentación ácido láctica en batch con el fin de remover el AL durante la fermentación. El sistema híbrido antes mencionado, fue evaluado experimentalmente en términos de la productividad y rendimientos, comparándolos con los de una fermentación convencional en batch. Se observó que incrementaron el AL producido en un 41%, el consumo de glucosa un 68% y la producción de biomasa un 12%. El consumo de glucosa es mayor que el AL y la biomasa producidos, lo que está en concordancia con el efecto de la fase membrana sobre la bacteria ácido láctica Lactobacillus casei ATCC 393, el cual promueve el consumo de glucosa en lugar de la producción de AL. Se desarrolló un modelo para el sistema híbrido usando los balances de materia para el biorreactor y el modelo de CGVTM de la MLFT para la remoción de AL. Se observan algunas diferencias entre los valores predichos por el modelo y los obtenidos experimentalmente debido a que el modelo no tiene en cuenta loes efectos tóxicos de la fase membrana sobre la bacteria ácido láctica usada. El modelo también incluye un sistema multicanal para la MLFT. Se modela el efecto del número de canales de la MLFT y se analiza su impacto en la productividad, tiempo de fermentación y concentración final de biomasa. A partir de los resultados experimentales, se puede decir que la MLFT es una tecnología prometedora para la remoción de AL, tanto de una solución acuosa como de la caldos de fermentado. El sistema de MLFT puede ser integrado con un proceso de fermentación para remover los metabolitos y mejorar la productividad tanto de AL como de biomasa, sin embargo, los efectos de toxicidad molecular podrían reducir el rendimiento de AL a glucosa. Cada sección de capítulo dentro de éste libro esta auto-contenida y puede leerse independientementeDoctorad