Separación de mezclas de ácido láctico mediante nanofiltración: parámetros de operación y modelado

Abstract

La purificación de ácido láctico, representa una de las etapas más críticas y costosas en las biorrefinerías, limitando a menudo la sostenibilidad del proceso global. Este trabajo se centra en la evaluación de una membrana cerámica de nanofiltración (TiO₂/Al₂O₃, 200 Da) como alternativa tecnológica para la separación y concentración de ácido láctico. Se emplearon disoluciones sintéticas de ácido láctico, lactato de calcio y mezclas multicomponente para analizar sistemáticamente la influencia de la presión de operación, la composición de la mezcla y el pH de la alimentación sobre el rendimiento del proceso. Los resultados demuestran que el pH es la variable de control dominante. La operación a pH básico o neutro, donde el de ácido láctico se encuentra en su forma iónica (lactato), induce repulsión electrostática con la membrana, lo que eleva la retención de forma significativa. Por el contrario, a pH ácido la separación es ineficiente. El análisis del ensuciamiento, validado mediante un modelo de flujo límite, confirmó que las condiciones ácidas conducen a un alto ensuciamiento irreversible (β), mientras que las condiciones básicas garantizan una operación estable. Se observó una relación inversa entre flujo y retención, pues para la mezcla compleja, el pH básico provocó una disminución del flujo, mientras que para el lactato de calcio se mejoró la retención sin alterar la productividad. Se concluye que la estrategia más eficaz y prometedora es la conversión del ácido a su sal (lactato de calcio) y la operación del sistema a pH básico, ya que esta aproximación ofrece el mejor balance entre alta retención y flujo estable, validando su potencial para una futura implementación industrial.

The purification of lactic acid represents one of the most critical and costly stages in biorefineries, often limiting the sustainability of the overall process. This work focuses on the evaluation of a ceramic nanofiltration membrane (TiO₂/Al₂O₃, 200 Da) as a technological alternative for the separation and concentration of lactic acid. Synthetic solutions of lactic acid, calcium lactate, and multicomponent mixtures were used to systematically analyze the influence of operating pressure, mixture composition, and feed pH on process performance. The results demonstrate that pH is the dominant control variable. Operating at a basic or neutral pH, where lactic acid exists in its ionic form (lactate), induces electrostatic repulsion with the membrane, leading to a significant increase in retention. Conversely, separation at acidic pH is inefficient. The analysis of fouling, validated by a boundary flux model, confirmed that acidic conditions lead to high irreversible fouling (β), whereas basic conditions ensure stable operation. A notable trade-off between flux and retention was observed: for the complex mixture, basic pH caused a collapse in flux, while for calcium lactate, retention was improved without sacrificing productivity. It is concluded that the most effective and promising strategy is the conversion of the acid to its salt form (calcium lactate) and operating the system at a basic pH. This approach offers the best balance between high retention and stable flux, validating its potential for future industrial implementation.