filtracin y microfiltracin

FILTRACIÓN Y MICROFILTRACIÓN
• Fundamentos - Modelos
• Teoría General de la filtración – Ley de Darcy
• Balances de materia en los procesos de filtrado
• Pretratamiento de las muestras
• Equipamiento para filtración
• Lavado de la torta de filtrado
• Microfiltración
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FILTRACIÓN:
Proceso a través del cual se separan sólidos presentes
en un líquido, forzando el paso de dicho líquido a través
de un soporte sólido.
Modelos de Filtración
Distintos modelos se han propuesto para describir la
física del proceso de filtración:
1. Formación de la “torta de filtrado”
Es el modelo más simple y el más frecuentemente
empleado. Se asume que los sólidos se depositan sobre
un medio filtrante formando una capa porosa de
permeabilidad constante.
Si el flujo (dV/dt) es constante, la caída de presión se
incrementará linealmente en forma proporcional a la
cantidad de sólido depositado.
El modelo funciona bien con la mayoría de los sólidos.
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2. Filtración “Bloqueante”
Este modelo contempla la caída de presión a causa de
que pequeñas partículas de sólido obstruyen los poros
(por ej partículas gelatinosas retenidas en un tamiz
describen tal comportamiento).
Los poros pueden ser parte de la matriz filtrante o de la
torta que se va formando.
Si el flujo se mantiene constante, la caída de presión
ocurre en forma exponencial a medida que el número de
poros libres se va acercando en forma asintótica a cero.
3. Filtración de “lecho profundo”
El ejemplo típico son los filtros de arena para clarificar
agua, los cuales retienen las partículas en suspensión.
El efecto típico observado es la adhesión de sólidos a
los granos que constituyen las placas del filtro,
semejante a lo que ocurre sobre carbón activado.
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Cuando el lecho del filtro se ha saturado de sólidos, la
concentración de sólidos saliendo del lecho alcanza
progresivamente a la de la solución de alimentación.
4. Filtración de “Flujo cruzado”
En esta metodología, la muestra fluye tangencial a la
superficie del filtro, de manera tal de prevenir la
formación de la torta.
El volumen de líquido que atraviesa el medio de filtrado
es pequeño. Con el tiempo, una fina capa de sólidos se
forma en la superficie.
Luego de un período inicial, se establece un equilibrio
dinámico entre el transporte convectivo de sólidos en la
superficie y la remoción de los mismos por turbulencia y
difusión.
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LEY de DARCY
La ley relaciona la velocidad de fluido que atraviesa un
lecho poroso con la caída de presión que esto provoca a
través de la expresión:
kΔp
v=
ul
donde:
v es la velocidad del liquido
Δp es la caída de presión a través del lecho
k es la cte de permeabilidad de Darcy
u es la viscosidad del líquido
l es el espesor de la capa
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Ley de Darcy
Expresión similar a la Ley de Ohm:
- Directamente proporcional a la diferencia de presión
(Δp)
- Inversamente proporcional a la resistencia (l/k)
FILTRACIÓN BATCH – EXPRESIÓN
Δp
1 dV
=
A dt u( RM + Rc )
TORTAS INCOMPRESIBLES
El espesor de la torta será:
- directamente proporcional al volumen de filtrado
- inversamente proporcional al área de filtrado
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Deducción de expresiones - Cálculo del t de filtrado:
TORTAS COMPRESIBLES
En general, la mayoría de las tortas de filtrado de origen
biológico son compresibles.
Para estimar el efecto de la compresibilidad del material,
se asume que la resistencia de la torta (α) es función de
la caída de presión durante el filtrado:
α = α’ (Δp)s
α: es una cte relacionado principalmente con el tamaño
y la forma de las partículas que componen la torta.
s: es la compresibilidad de la torta. Varía entre:
0
material rígido, torta incompresible
aprox. 1
material altamente compresible
En la práctica, se considera que s varía entre 0.1 – 0.8
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De la gráfica de log α en función del log Δp se puede
conocer el valor de s.
Cuando el material a tratar posee un valor grande de s
es necesario realizar un tratamiento previo de la
muestra:
CALENTAMIENTO: es el tratamiento más simple y
económico. En algunos casos se aprovecha no sólo
para mejorar el manejo de la torta, sino también para
pasteurizarla.
COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN: consiste en el
agregado de electrolitos para promover la coagulación y
floculación inicial de la muestra.
Disminuyen
la
repulsión
electrostática
que
habitualmente existe entre las partículas coloidales. Esto
hace que predominen las fuerzas de atracción.
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- Los ácidos y bases cambian el pH y con ello la
carga de las partículas, lo cual puede favorecer o
no la filtración.
- Los polielectrolitos sintéticos reducen la repulsión
electrostática y forman puentes entre partículas
adyacentes. Esto hace que se formen partículas
más
grandes
que
luego
precipitan
(Ej.:
poliacrilamidas, poliaminas, etc.)
ADSORCIÓN (USO DE COADYUVANTES): es material
habitualmente utilizado para disminuir la compresibilidad
de
los
caldos
miceliales,
además
de
evitar
el
taponamiento de los poros de la matriz filtrante.
Tierra de Diatomeas (Kieselguhr): se obtienen del
esqueleto de algas y plantas acuáticas depositadas
hace mucho tiempo.
Perlitas: rocas volcánicas.
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- son lechos empaquetados que poseen elevada
porosidad. Esto facilita el flujo de líquido alrededor de
las partículas y mejora la velocidad de filtración.
Se pueden aplicar de dos maneras:
- pre-recubrimiento del medio filtrante para evitar el
taponamiento o bloqueo del filtro por parte de los sólidos
en suspensión.
- el coadyuvante puede también añadirse al caldo de
fermentación para aumentar la porosidad de la torta a
medida que se va formando. Sólo recomendable para
productos de fermentación extracelulares.
Desventajas:
- encarece el proceso
- luego hay que eliminar el Kieselguhr
- hace más difícil la deposición del material
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CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS
1. Según el producto deseado sea la torta o el líquido
filtrado.
2. De acuerdo al ciclo de operación: por lotes o
continuos.
3. De gravedad o aquellos en los que se aplica presión o
vacío.
4. Según la colocación mecánica del medio filtrante: en
serie en forma de placas sumergidas; sobre cilindros
giratorios que penetran en la suspensión.
EQUIPAMIENTO
1. Filtro de lecho.
Es el tipo de filtro más sencillo. Las capas inferiores
suelen estar compuestas de piezas de grava sobre una
placa perforada. Por encima de la grava hay arena, que
es el medio de filtración real.
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La filtración ocurre hasta que las partículas retenidas
obstruyen el lecho de arena y la veloc. Se hace muy
baja. Allí, se suspende el flujo y se introduce agua en
dirección contraria.
Este tipo de filtro suele utilizarse para clarificar líquidos
(separar pequeñas cantidades de sólidos presentes en
grandes cantidades de agua).
2. Filtro prensa de placas y marcos:
Estos filtros consisten en placas y marcos alternados
con una tela filtrante a cada lado de las placas. Las
placas poseen incisiones para drenar el filtrado en cada
placa.
La filtración continúa hasta que los marcos quedan
completamente llenos de sólidos.
Es posible que tenga una descarga abierta para cada
marco.
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- Se operan fácilmente, son muy versátiles y se pueden
utilizar bajo altas presiones si fuese necesario, con
soluciones viscosas o con tortas de alta resistencia.
- Suele tener la desventaja de ser costoso, tiempos
muertos en el desarme para extraer las tortas.
3. Filtros de hojas:
Es más eficiente y económico para el manejo de
grandes cantidades de lodos y para un lavado con
cantidades pequeñas de agua.
Las hojas se cuelgan en paralelo en un tanque cerrado;
la suspensión entra el tanque y la presión hace que
llegue a la tela filtrante.
El agua de lavado sigue la misma trayectoria de la
suspensión. En determinadas ocasiones se hace pasar
una corriente de aire para ayudar a desprender la torta.
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Entre las desventajas aparecen las dificultades de la
operación por lotes, su funcionamiento es cíclico. Suele
emplearse para volúmenes de producción modestos.
4. Filtros rotatorios continuos:
Los filtros anteriores tienen las desventajas asociadas a
los procesos intermitentes, y es difícil utilizarlos en
procesos de gran capacidad.
El diseño varía ampliamente. Este equipo filtra, lava y
descarga la torta con un régimen continuo.
LAVADO DE LA TORTA
Luego del filtrado, la torta queda enriquecida con medio
líquido que es removido mediante lavado, generalmente
con H2O.
Podemos considerar el proceso en 2 etapas:
1. El H2O de lavado remueve el líquido atrapado en los
poros.
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2. Luego existe una difusión de soluto fuera de la
biomasa en la torta, lo cual enriquece la recuperación
del producto deseado.
Factores Involucrados:
1. Fracción de material que permanece soluble luego del
lavado (determinará el vol. de líquido requerido).
2. la velocidad a la que el líquido de lavado atraviesa la
torta (determinará el tiempo dedicado al lavado).
Analizamos ambos por separado.
MICROFILTRACIÓN:
Forma parte de los procesos definidos dentro de la
metodología conocida como ULTRAFILTRACIÓN, los
cuales involucran aquellos procesos de filtración en los
cuales no hay formación de torta.
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El proceso sugiere la utilización de un flujo tangencial
cruzado a lo largo de la superficie del filtro, el cual
disminuye la formación de la torta.
Existen algunos puntos claves que definen el proceso:
- La membrana: son finas y microporosas. Los poros
suelen ser pequeños y están monodispersos.
- Contrariamente a la Filtración convencional, las
membranas poseen elevada resistencia al flujo y muy
baja permeabilidad.
- Purga periódica: es por ello que el proceso suele estar
seguido por filtración convencional o centrifugación.
- La forma del filtro: el flujo por unidad de área es más
bajo, por lo que se diseñan filtros de geometrías
especiales. Ver diseños.
Flujo cruzado: el proceso involucra la presencia de un
flujo que cruza en forma perpendicular a la superficie de
la membrana.
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Dicho flujo es esencial ya que disminuye en gran
medida el desarrollo de la torta sobre la sup. de la
membrana, la cual se conoce como “Concentración de
Polarización”.
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