Membrane fouling characterization by confocal scanning laser microscopy

Abstract

En sectores tan diversos como la industria alimentaria, la biotecnología y el tratamiento de aguas residuales, la filtración tangencial con membranas se viene utilizando de forma creciente en la separación, purificación y clarificación de distintas corrientes de proceso que contienen gran variedad de compuestos orgánicos. La limitación principal para el empleo industrial de las técnicas de separación por membranas es el ensuciamiento de éstas. El ensuciamiento se atribuye, de forma general, a la reducción en el diámetro de los poros, a su bloqueo y/o a la formación de un depósito en la superficie de la membrana. El avance en el desarrollo de técnicas para la caracterización, el control y la prevención del ensuciamiento de las membranas ha estado limitado por la falta de técnicas adecuadas y no invasivas para la medición del ensuciamiento. El objetivo principal del presente proyecto es desarrollar estrategias apropiadas para aplicar microscopía láser confocal de barrido (CSLM) al estudio del ensuciamiento de membranas de filtración, centrándose en el ensuciamiento causado por macromoléculas biológicas. En la tesis se han llevado a cabo experimentos de microfiltración (MF) de soluciones modelo puras y de mezclas de proteínas, polisacáridos y polifenoles. Las imágenes captadas mediante CSLM de las membranas al final de diferentes experimentos de filtración, han servido para obtener información cualitativa, sobre localización de las distintas moléculas, y cuantitativa, sobre la presencia individual de cada compuesto en el interior y la superficie de la membrana. Se han realizado también intentos de aplicación de visualización en línea mediante CSLM del proceso de microfiltración.

In fields such as the food and dairy industries, biotechnology, and the treatment of industrial effluents, pressure-driven membrane processes such as microfiltration are increasingly being used for the separation, purification and clarification of protein-containing solutions. A major limitation to the widespread use of membrane filtration, however, is fouling. Fouling is usually attributed to pore constriction, pore blocking or the deposition of cells and cell debris on the membrane surface and can lead to a reduction in the filtrate flux of more than an order of magnitude. Progress in developing a means for characterizing, controlling and preventing membrane fouling has been impeded by lack of suitable non-invasive fouling-measurement techniques. The main aim of this study is to develop suitable strategies for applying Confocal Scanning Laser Microscopy (CSLM) to characterise membrane fouling caused by biological macromolecules. Microfiltration experiments of single, binary and ternary model solutions of proteins, polysaccharides and polyphenols were carried out and CSLM images of the membranes at the end of the different filtration runs were obtained, in order to obtain quantitative and qualitative information about fouling patterns. Some trials of on-line monitoring of cross-flow microfiltration processes were also carried out.