Desarrollo de un sistema basado en Arduino para el seguimiento de la operatividad de membranas de microfiltración

Abstract

This Degree Thesis focuses on the design, implementation, and validation of an automated data acquisition system for the monitoring of operational variables applied to a laboratory-scale microfiltration unit. The developed system enabled continuous recording of key process parameters, such as pressure, temperature, feed tank level, and inlet and permeate flow rates, providing a solid experimental basis for the analysis of hydraulic behavior and filtration system performance. One of the main focuses of this work was the development of a low-cost data acquisition system based on an Arduino microcontroller and commercial sensors, capable of being integrated into a small-scale microfiltration system. The experimental system was evaluated through laboratory-scale tests using a tubular microfiltration membrane and employing tap water and UHT milk as feed streams, with the aim of analyzing the process behavior when treating fluids with different physicochemical properties. During the experiments, a mean operating pressure of 0.47 bar was applied, resulting in an average permeate flux of 28.4 LMH. The results obtained with water showed a clear and approximately linear relationship between the applied pressure and the permeate flux, in agreement with the theoretical framework of membrane filtration. In the case of milk microfiltration, the appearance of a limiting flux regime was observed, characteristic of complex fluids, in which an increase in transmembrane pressure did not lead to a significant increase in performance, as a consequence of fouling phenomena and material accumulation on the membrane surface. Overall, the results confirm the viability of the developed system for the reliable monitoring of laboratory-scale microfiltration processes.

Aquest Treball de Fi de Grau (TFG) va abordar el disseny, la implementació i la validació d'un sistema automatitzat d'adquisició de dades per a la monitorització de variables operatives aplicat a un equip de microfiltració a escala de laboratori. El sistema desenvolupat va permetre registrar de manera contínua paràmetres clau del procés, com ara la pressió, la temperatura, el nivell del dipòsit d'alimentació i el cabal d'entrada i de permeat, proporcionant una base experimental sòlida per a l'anàlisi del comportament hidràulic i del rendiment del sistema de filtració. Un dels eixos principals del treball va ser el desenvolupament d'un sistema d'adquisició de dades de baix cost, basat en un microcontrolador Arduino i sensors comercials, capaç d'integrar-se en un sistema de microfiltració de petita escala. El sistema experimental es va avaluar mitjançant assaigs a escala de laboratori utilitzant una membrana tubular de microfiltració i emprant aigua de xarxa i llet UHT com a corrents d'alimentació, amb l'objectiu d'analitzar el comportament del procés davant fluids amb propietats fisicoquímiques diferents. Durant els assaigs es va treballar amb una pressió mitjana d'operació de 0,47 bar, a partir de la qual es va obtenir un flux mitjà de permeat de 28,4 LMH. Els resultats obtinguts amb aigua van mostrar una relació clara i aproximadament lineal entre la pressió aplicada i el flux de permeat, en coherència amb el marc teòric de la filtració per membranes. En el cas de la microfiltració de llet, es va observar l'aparició d'un règim de flux límit, característic de fluids complexos, en el qual l'augment de la pressió transmembrana no va comportar un increment significatiu del rendiment, com a conseqüència dels fenòmens d'embrutiment i acumulació de matèria sobre la superfície de la membrana. En conjunt, els resultats obtinguts confirmen la viabilitat del sistema desenvolupat per a la monitorització fiable de processos de microfiltració a escala de laboratori.

Este Trabajo de Fin de Grado (TFG) abordó el diseño, la implementación y la validación de un sistema automatizado de adquisición de datos para la monitorización de variables operativas aplicado a un equipo de microfiltración a escala de laboratorio. El sistema desarrollado permitió registrar de forma continua parámetros clave del proceso, como la presión, la temperatura, el nivel del depósito de alimentación y el caudal de entrada y de permeado, proporcionando una base experimental sólida para el análisis del comportamiento hidráulico y del rendimiento del sistema de filtración. Uno de los ejes principales del trabajo fue el desarrollo de un sistema de adquisición de datos de bajo coste, basado en un microcontrolador Arduino y sensores comerciales, capaz de integrarse en el sistema de microfiltración de pequeña escala. El sistema experimental se evaluó mediante ensayos a escala de laboratorio utilizando una membrana tubular de microfiltración y empleando agua de red y leche UHT como corrientes de alimentación, con el objetivo de analizar el comportamiento del proceso frente a fluidos con propiedades fisicoquímicas diferentes. Durante los ensayos se trabajó con una presión media de operación de 0,47 bar, a partir de la cual se obtuvo un flux medio de permeado de 28,4 LMH. Los resultados obtenidos con agua mostraron una relación clara y aproximadamente lineal entre la presión aplicada y el flux de permeado, en coherencia con el marco teórico de la filtración por membranas. En el caso de la microfiltración de leche, se observó la aparición de un régimen de flux límite, característico de fluidos complejos, en el que el aumento de la presión transmembrana no conllevó un incremento significativo del rendimiento, como consecuencia de los fenómenos de ensuciamiento y acumulación de materia sobre la superficie de la membrana. En conjunto, los resultados obtenidos confirman la viabilidad del sistema desarrollado para la monitorización fiable de procesos de microfiltración a escala de laboratorio.

Objectius de Desenvolupament Sostenible::12 - Producció i Consum Responsables

Objectius de Desenvolupament Sostenible::12 - Producció i Consum Responsables