Procesos Biotecnológicos I - Curso 2018 Teóricos Prof. G. Picó Filtración La filtration se aplica a sistemas donde la fase solida no excede mas del 1-2-%. 278
Qué se entiende por Operación Unitaria de Filtración? Pasar una fase liquida a través de una pared que tiene poros. De manera que algunas partículas son retenidas por su tamaño lgunas de las aplicaciones en la bio industria son: 1. Recupero de cristales. 2. Recupero de células de un medio de fermentación 3. Clarificación de líquidos separación de biomasa 4. Esterilización de líquidos 279
Filtración frontal limentación Clasificación de la filtración (según el flujo) Membrana Filtrado Filtración tangencial Rechazo limentación Membrana Filtrado 280
FILTRCION FRONTL: Según la forma de retención que presenta el filtro: a) suspensión que contiene grandes cantidades de sólidos insolubles se separan formándose una torta en la parte anterior del medio. Conociéndose el proceso como filtración por torta o de torta. b) clarificación o filtración de lecho profundo, en esta se quitan pequeñas cantidades de un sólido insoluble FILTRCION POR FORMCION DE TORT O FILTRCION CONVENCIONL Torta 281
Teoría de la filtración forntal: el modelo Presión externa P R resistencia membrana P Gradiente de presión El flujo (J) de líquido a través de la membrana será: l gradiente de presión J flujo pt J ( ) R pt J = K ( ) R 1/ a la resistencia de la membrana 1/ a la viscosidad del líquido 282
Tipos de torta: residuo que se deposita sobre el filtro medida que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta por lo que la resistencia al paso de fluido es cada vez mayor, No compresible compresible R torta V = es variable Resistencia de la torta Resistencia específica cte R torta V = 283
Flujo (J) Presión -Filtración a presión constante: -El caudal (J) disminuye con el tiempo. Presión aplicada es constante Caída de flujo Formación de la torta tiempo 284
1856, d rcy velocidad del flujo de aguas subterráneas en estratos del suelo cumplía con la siguiente relación: J = p v K ( ) T = 1 L V t ( p) = K R V J = = t Donde: = velocidad del fluido, K1 = coeficiente de permeabilidad del lecho ΔP = caída de presión a través del lecho L = espesor del lecho poroso v Permite calcular R V ( p) = K t R int egrando ( p) dv = K R dt 285
Flujo (J) Presión -Filtración a caudal constante: -La presión debe aumentar al avanzar la filtración a J constante, para el caso de torta incompresible: Flujo constante umento de la presión Presión inicial Formación de la torta tiempo 286
El modelo en estudio rea P M Membrana Torta P T J = K ( R torta p + T R medio ) (7) Ps: Presión de salida P Pe: Presión de entrada Fluido sucio R resistencia del medio es constante: filtro. R resistencia de la torta es constante o variable filtrado 287
(10) (9) ) ( p K R p K R V t ecuación invirtiendola R R p K t V J T medio T torta medio torta T + = + = = (11) p K R p K V V t T medio T + = V R torta = (7) ) ( R R p K J medio torta T + = (12) 0 0 2 0 dv p K R dv p K V dt V T medio V T t + = R p K t V J ) ( = = 288
t 0 dt = V 0 V K p T 2 dv + V 0 R K p medio T dv (12) Donde p tiene signo negativo,,,, K y R medio son constantes. Integrando (12) t = 0 y t=t para V=0 y V= Vt t + Ko = R = KoV 2 ( t) B V 2 ( t ) K p K p T y B Ko torta B medio = medio T t V t = KoV ( t) + B 12 289
PRESION (en bar) Filtración sin formación de tortas: Membranas 1 10 100 200 Filtración tangencial (según el tamaño de la partículas que atraviesan la membrana) Iones metálicos Granos de Hollin Células OSMOSIS INVERS Proteínas Virus Bacterias NNO FILTRCIÓN ULTR FILTRCIÓN MICROFILTRCIÓN FILTRCIÓN 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Tamaño de las partículas (m) 290
FUNDMENTO DE L FILTRCION TNGENCIL filtración tangencial o filtración por rechazo, incluye la micro, nano y ósmosis inversa) donde se separan moléculas en solución de su solvente. Vo Volumen total o caudal entrada Vf Volumen total Filtrado o caudal filtrado (RECHZO) Vr Volumen total rechazado o caudal rechazado
Variables que interesan conocer en la filtración tangencial Volumen de Concentración o Relación de concentración: ( en cuanto se redujo el volumen que entro (Vo)al filtro.) V concentración = Vo/ Vr >> 1(balance de volúmenes o caudales) Capacidad de concentración de un soluto Haciendo el balance de masa para un soluto mo = mf + mr= Vo Co = Vf Cf + Vr Cr Yr (%) = {1- (VfCf)/(Vo Co)} Si Cf = 0 Y =100% retiene todo el soluto
El coeficiente de retención ( R ) depende de la membrana y del soluto (peso molecular ) y se define como: R= (Cr-Cf) / Co Se demuestra que la concentración de un soluto en el retenido depende de su concentración inicial y del coeficiente de retención (R): Cr = Co Vo Vr R Variable de Fraccionamiento Se aplica para los solutos que pasan a través de la membrana (aparecen en el filtrado). Y (%) filtrado) = Cf Vf/ CoVo Si Cf es 0 Y (%) filtrado = 0
Un homogenado proveniente de un bio reactor, se le separa por centrifugación la fracción de solida compuesta por levaduras. Se requiere concentrar la solución obtenida de manera que de 100 L iniciales, se obtengan 5 L finales. El liquido a concentrar contiene: proteínas 1 mg/l polisacáridos 25 mg/l glucosa 2 g/l La membrana empelada en este proceso según catalogo tiene los siguientes valores de retención: 1 para proteínas, 0,6 para polisacáridos y 0 para glucosa. a) Cual será la concentración de proteína, polisacárido y glucosa en el concentrado. b) qué fracción de polisacárido del homogenado es retenida en el concentrado Relación de concentración = Vo/ Vr = 100L/5 L = 20 Cr = Co Vo Vr R 17
Cr = Co Vo Vr 1 Cr = Co Vo Vr 0.6 Cr = Co Vo Vr 0 Cr = para proteínas = 20 mg /L Para polisacáridos = 151 mg/l Para glucosa =0 qué fracción de polisacárido del homogenado es retenida en el concentrado Cantidad inicial de polisacárido= 100 L 25 mg/l = 2500 mg Cantidad final en el concentrado= 5L. 151 = 755 Fraccion de polisacárido retenida= 755/ 2500 = 0,30 18
FILTRCION EMPLENDO MEMBRNS Sirve para separar Concentración de soluciones Esterilización (eliminación de bacterias y virus) Fraccionamiento de mezclas de solutos en solución de diferente masa molecular Desalinización del agua de mar o de pozo 292
FCTORES QUE FECTN EL FLUJO DEL PERMEDO: 1- Presión J = P π Rp + R g J flujo, P presión externa aplicada, presión osmótica de la solución a ultra filtrar, Rp resistencia producida por la sobre concentración de soluto sobre la membrana Rg resistencia producida por la capa de moléculas formada sobre la membrana 293
2- Concentración y tipo de biomasa en la fase que fluye l aumentar la masa molecular disminuye el flujo 294
MOVIMIENTO DEL LIQUIDO SOBE EL FILTRO agitación Como se puede mantener un buen valor de flujo Disminuyendo la CONCENTRCION DE POLRIZCION DISMINUYENDO EL ENSUCIMIENTO DE L MEMBRN 1- creando turbulencia sobre el liquido que esta sobre le membrana 2- mediante un puso oscilatorio del flujo 3- inyectando burbujas de aire 295
Diferencia entre la filtración frontal y tangencial 23
Ensuciamiento o fouling de la membrana cumulación de sustancias sobre la superficie de la membrana y los poros, lo cual resulta en un deterioro del funcionalismo de la membrana. SON RESPONSBLES Partículas coloidales Sustancias orgánicas Sales inorgánicas pocos solubles Crecimiento bacteriano 298
Existen dos tipos diferenciados de ensuciamiento: -externo o reversible. Las sustancias se depositan sobre la membrana. - interno o irreversible. Las sustancias taponan los poros del interior de la membrana. Consecuencia: disminución del flujo 299
LIMPIEZ Métodos físicos más empleados son el lavado en contracorriente (backflushing) y la creación de turbulencia. retrolavado (backwash), se invierte el flujo por uno dos segundos cada pocos minutos; backshock se invierte el flujo cada pocos segundos durante menos de un segundo. La creación de la turbulencia colabora con reducir el ensuciamiento ya que dificulta la deposición de los sólidos sobre la membrana. son únicamente útiles para el ensuciamiento externo. Ensuciamiento interno de membranas: Metodos químicos lavado con enzimas, generalmente proteasas para digerir las proteínas desnaturalizadas y agregados de estas depositados sobre los canales. Detergentes 300
MEMBRNS: Según su estructura se clasifican en: SIMETRICS: Tienen similar composición y morfología en toda su masa. SIMETRICS ESTN FORMDOS POR DOS O MS PLNOS DE diferentes composición y morfología 296
MTERIL EMPLEDO PR CONSTRUIR LS MEMBRNS cetato de celulosa Poliamidas Poli eter sulfonato Fluoruro de polivinillo Poli acrilo nitrile MEMBRNS INORGNICS: cerámicas, vidrio carbon pirolizado cero inoxidables 297
Diferentes tipos de membranas Micro fotografia de una membrana Para escala de lab. Membranas para escalado 301
Osmosis inversa Filtros de lab Ultrafiltración en el lab. 302
Equipo de osmosis inversa de laboratorio o familiar Planta de osmosis inversa de 50 m3/hora 303
Operaciones Unitarias de separación Teóricos 2018 Centrifugación 309
El tamaño de la partícula decide!!!! 310
Cuáles son las operaciones unitarias utilizadas para la separación sólido-líquido? El volumen decide y también la concentración de partículas Operación Unitaria Sedimentación (Vol >>>>) % contenido de sólido < 0, 001-0,1 % Filtración (Operaciones con membrana) (Vol >>>) < 1 % Centrifugación (Vol >) >>5-20 % 311
Tipos de Centrifugas: Carga y descarga manual Para líquidos con menos de 5% de sólidos 312
Centrifugas a discos Carga continua para líquidos que contienen hasta 40% de sólidos 313
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Centrifuga de tornillo Para líquidos con más de 40% de sólidos 315