Uso de membranas antibióticas electrohiladas en aplicaciones medioambientales

Uso de membranas antibióticas electrohiladas en aplicaciones medioambientales

25/09/2015

Uso de membranas antibióticas electrohiladas en aplicaciones medioambientales



Autor: Antonio Rodríguez Fernández-Alba

Blog: www.madrimasd.org

Dr. Antonio Rodríguez Fernández-Alba, Universidad de Alcalá
 
 

Antecedentes

 
El bioensuciamiento es uno de los importantes desafíos que tiene que superar la tecnología de membranas para optimizar su uso en el tratamiento de aguas. Actualmente, la fabricación mediante electrohilado de fibras de diámetros en el rango de unidades-centenas de nanómetros y el potencial de la nanotecnología para producir nanopartículas funcionalizadas, han dado lugar a importantes avances en la creación de membranas biocidas liberadoras de metales, de aplicación en el tratamiento de aguas, que pueden considerarse un importante avance para resolver el problema del bioensuciamiento.
 
 

Tecnología de electrohilado

 
El electrohilado es la mejor tecnología disponible para la fabricación de fibras no tejidas, de diámetros en el rango de unidades-centenas de nanómetros. Es una tecnología conocida desde principios del siglo XX que, en los últimos años, con el desarrollo de la nanotecnología, ha adquirido una renovada importancia.
 
La elevada relación superficie/volumen, alta porosidad controlable, plasticidad para adaptarse a todo tipo de formas y tamaños, así como una gran capacidad de funcionalización, hacen que las ultradelgadas fibras electrohiladas tengan una gran potencial de aplicación en el campo de los nuevos materiales para su uso en la fabricación de textiles, medicina, medio ambiente, etc.
 
Las fibras se producen aplicando, mediante una fuente de alto voltaje, una carga eléctrica a una suspensión de un polímero que se encuentra en una jeringa o inyector, enfrentada a un sistema colector conectado a tierra. Cuando la intensidad del campo eléctrico generado supera la tensión superficial de la gota, que se encuentra en el extremo del inyector, la solución de polímero es proyectada hacia el colector en forma de hilo. En el trayecto, el solvente se evapora para dar lugar a la formación de una nanofibra que se deposita en el colector, formándose una membrana no tejida.
 
 

Bioensuciamiento

 
El bioensuciamiento -creación de biopelículas y producción de substancias poliméricas extracelulares (EPS) por parte de los microorganismos- es uno de los importantes problemas que condicionan el uso de membranas en el tratamiento de aguas. El bioensuciamiento origina una disminución de la velocidad superficial de filtración, lo que conduce a un aumento de la presión transmembrana y la necesidad de lavados a reflujo de la membrana y aplicación de biocidas químicos, con el fin de mantener las condiciones de operación del sistema filtrante. Estas acciones elevan los costes de operación como consecuencia del mayor coste en energía, productos químicos, paradas y puesta en marcha del equipo de filtración y mayor frecuencia de renovación de membranas.
 
El Departamento de Ingeniería Química de la UAH ha utilizado la tecnología del electrohilado para producir membranas con capacidad biocida, induciendo el empaquetamiento de nanopartículas de sepiolita y sílice modificadas (Dasari et al., 2012; Quirós et al., 2015) y estructuras tipo MOFs (Aguado et al., 2014; Quirós et al., 2015) con 4-methil-5-imidazolecarboxaldehido como ligandos orgánicos, que soportan iones metálicos de Ag, Cu y Co, en los poros de fibras de PLA (ácido poliláctico), biopolímero biodegradable que se obtiene a partir de recursos renovables ricos en almidón.
 
 

Resultados

 
El comportamiento de las membranas se valoró en un dispositivo de filtración tangencial, con recirculación, utilizando suspensiones de Saccharomyces cerevisiae, Pseudomona putida y Staphylococcus aureus de alta densidad óptica. En ciclos de trabajo de 48 h, los índices de filtración normalizados mejoraron en un 50 %, respecto de los obtenidos con las membranas no revestidas con nanopartículas, siendo consecuencia de la inhibición del bioensuciamiento, como se comprobó mediante las imágenes de microscopía TEM de las membranas, a diferentes tiempos de proceso, y la cuantificación de los microorganismos viables mediante ATP-luciferasa.
 

Existen desafíos importantes, como la evaluación de los lixiviados de metales o mejorar las características mecánicas de las membranas de fibras electrohiladas, para su uso en instalaciones de gran escala, que pueden ser resueltos o minimizados en un futuro próximo teniendo en cuenta el potencial de la nanotecnología para desarrollar partículas que reduzcan la liberación de metales o lo hagan en forma de especies menos agresivas para el medio ambiente; el creciente desarrollo de la tecnología del electrohilado, que ya permite la combinación de materiales hilables y no hilables mediante la tecnología “core-shell”; así como el impulso de  la UE para el desarrollo de estos nuevos materiales biocidas en proyectos como CEREAL, donde diferentes centros de investigación (Universidad de Almería, Universidad de Alcalá, Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging, Luleå University of Technology, Lappeenranta University of Technology, y RWTH Aachen University) implementan estrategias para mejorar la calidad y seguridad del empaquetado de frutas y vegetales cortados, siendo, una de sus propuestas, el desarrollo de membranas biocidas electrohiladas.
 
 
Bibliografía
 
Aravind Dasari, Jennifer Quirós, Berta Herrero, Karina Boltes, Eloy García-Calvo, Roberto Rosal. Antifouling membranes prepared by electrospinning polylactic acid containing biocidal nanoparticles, Journal of Membrane Science, 405-406 (2012)134-140
Jennifer Quirós, Karina Boltes, Sonia Aguado, Roberto Guzman de Villoria, Juan José Vilatela, Roberto Rosal. Antimicrobial metal–organic frameworks incorporated into electrospun fibers, Chemical Engineering Journal, 262 (2015)189-197
Jennifer Quirós, João Borges, Karina Boltes, Ismael Rodea-Palomares, Roberto Rosal, Antimicrobial electrospun silver-, copper- and zinc-doped polyvinylpyrrolidone nanofibers. J. Hazard. Mater., 299 (2015) 298–305
 Sonia Aguado, Jennifer Quirós, Jerome Canivet, David Farrusseng, Karina Boltes, Roberto Rosal. Antimicrobial activity of cobalt imidazolate metal–organic frameworks, Chemosphere, 113 (2014)188-192
 CEREAL. Improved and resource efficiency throughout the post-harvest chain of fresh-cut fruits and vegetables SUSFOOOD-ERANET
 

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