Filtración

Procesos Biotecnológicos I - Curso 2016
Teóricos Prof. G. Picó
Filtración
268
¿ 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
Algunas 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 y gases
4. Esterilización de líquidos
269
1
Filtración frontal
Clasificación de la filtración
Alimentación
(según el flujo)
Membrana
Filtrado
Filtración tangencial
Rechazo
Alimentación
Membrana
Filtrado
270
FILTRACION FRONTAL: 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
FILTRACION POR FORMACION DE TORTA O FILTRACION CONVENCIONAL
Torta
271
2
Teoría de la filtración:
el modelo
Presión externa P
R
resistencia
P
membrana
Gradiente de
presión
J flujo
El flujo (J) de líquido a través de la
membrana será:
J
( pT )
R
 Al gradiente de presión
J K
1/  a la resistencia de la membrana
1/ a la viscosidad del líquido
( pT )
R
272
Tipos de torta: residuo que se deposita sobre el filtro
A 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
Rtorta
V
 
A
compresible
 es
variable
Resistencia de la torta
 Resistencia específica
 cte
Rtorta   
V
A
273
3
Presión
Flujo (J)
-Filtración a presión constante:
-El caudal (J) disminuye con el tiempo.
Presión aplicada es constante
Caída de flujo
Formación de la torta
274
tiempo
1856, d’Arcy velocidad del flujo de aguas subterráneas en estratos del suelo cumplía con la
siguiente relación:
Donde:
 = velocidad del fluido,
K1 = coeficiente de permeabilidad del
lecho
ΔP = caída de presión a través del lecho
T
1
L = espesor del lecho poroso
vK
( p )
L
J
J
V
( p)
K
A
t
R
V
 vA
t
Permite calcular R
V
( p )
K
A
t
R
int egrando
dV  K
( p )
A dt
R
275
4
Presión
Flujo (J)
-Filtración a caudal constante:
-La presión debe aumentar al avanzar la filtración a J constante, para el
caso de torta incompresible:
Flujo constante
Aumento de la presión
Presión inicial
Formación de la torta
276
tiempo
El modelo en estudio
J K
PM
Area
Membrana
pT
A
 ( Rtorta  Rmedio)
( 7)
Torta PT
R medio es constante: filtro.
Pe: Presión
de entrada
P
Ps: Presión
de salida
R torta es constante o
variable
Fluido sucio
filtrado
277
5
J K
J
pT
A
 ( Rtorta  Rmedio)
( 7)
Rtorta   
V
pT
K
A
t
 ( Rtorta  Rm edio)
(9)
invirtiendo la ecuación
t
 Rtorta
 Rm edio


V K pT A K pT A
t

V
V
A
J
(10)
V 


A   Rm edio


K pT A
K pT A
V
( p)
K
A
t
R
  
t
 V
V
 dt   K
0
t
0
 dt 
0
V
(11)
V
pT A
 V
K
0
2
dV  
0
V
pT A
2
dV  
0
 Rmedio
K pT A
 Rmedio
K pT A
dV
(12)
278
dV
(12)
Donde p tiene signo negativo
, , A, , K y Rmedio son constantes. Integrando (12) t = 0 y t=t para V=0 y V= Vt
t  KoV
2
(t )
 B V(t )
Ko 
 
K pT A
Ko torta
t
 KoV
Vt
(t )
2
y B
 Rmedio
K pT A
B medio
B
12
279
6
Filtración sin formación de tortas: Membranas
Iones
metálicos
Células
Granos de Hollin
Virus
Bacterias
INVERSA
100
200
Proteínas
OSMOSIS
NANO
FILTRACIÓN
10
ULTRA
FILTRACIÓN
MICROFILTRACIÓN
FILTRACIÓN
1
PRESION (en bar)
(según el tamaño de la partículas que atraviesan la membrana)
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Tamaño de las partículas (m)
280
FILTRACION EMPLEANDO MEMBRANAS
Sirve para separar
1- partículas contenidas en un liquido.
2. Partículas contenidas en solución de un soluto.
3. Solutos solubles en solventes (agua de sal)
4. Solutos de soluto (mezcla de dos solutos diferentes en
solución
281
7
APLICACIONES
Concentración de soluciones
Esterilización (eliminación de bacterias y virus)
Fraccionamiento de mezclas de solutos en solución
Desalinización del agua de mar o de pozo
Clarificación
¿ COMO FUNCIONAN ?
Tamaño del soluto
Carga eléctrica del soluto
Capacidad de difusión
Forma de la molécula del soluto
281
MEMBRANAS: Según su estructura se clasifican en:
SIMETRICAS:
Tienen similar composición y morfología en toda
su masa.
ASIMETRICAS
ESTAN FORMADOS POR DOS O MAS PLANOS
DE diferentes composición y morfología
283
8
MATERIAL EMPLEADO PARA CONSTRUIR LAS
MEMBRANAS
Acetato de celulosa
Poliamidas
Poli eter sulfonato
Fluoruro de polivinillo
Poli acrilo nitrile
MEMBRANAS INORGANICAS:
cerámicas,
vidrio
carbon pirolizado
Acero inoxidables
284
Iones
metálicos
Células
Granos de Hollin
Virus
Bacterias
INVERSA
100
200
Proteínas
OSMOSIS
NANO
FILTRACIÓN
10
ULTRA
FILTRACIÓN
MICROFILTRACIÓN
FILTRACIÓN
1
PRESION (en bar)
La ultrafiltración:
Unas de las operaciones unitarias mas empleadas en este
momento:
1- concentrar soluciones de macromoléculas, PASO FINAL DE
UN DONSTREAM PROCESSES
2- separación de poblaciones de moléculas
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
285
Tamaño de las partículas (m)
9
FUNDAMENTO DE LA ULTRA FILTRACION
filtración tangencial o filtración por rechazo, incluye la micro, nano y ósmosis
inversa) donde se separan moléculas en solución de su solvente.
FILTRACION POR MEMBRANA:
micro, nano y ultra filtración
RETENIDO
membrana
FILTRADO
286
Ensuciamiento o fouling de la membrana
Acumulación de sustancias sobre la superficie de la membrana y los poros, lo
cual resulta en un deterioro del funcionalismo de la membrana.
SON RESPONSABLES
Partículas coloidales
Sustancias orgánicas
Sales inorgánicas pocos solubles
Crecimiento bacteriano
287
10
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
288
LIMPIEZA
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.
289
Detergentes
11
Diferentes tipos de membranas
Micro fotografia de una membrana
Membranas para escalado
Para escala de lab.
290
291
12
Osmosis inversa
Filtros de lab
Ultrafiltración en el lab.
292
Filtro rotatorio
Grandes volumenes
Secado
Lavado
Torta
V
Cuchilla
rascadora
V
V
P
V
P
Filtrado
V
Tela filtrante
V
293
13
Filtro de placas: para jugos y vino
294
Equipo de osmosis inversa
de laboratorio o familiar
Planta de osmosis inversa de 50 m3/hora
295
14
OPERACIÓN UNITARIA DE CAMBIO DE TAMAÑO
DE LA MATERIA
Teóricos 2016- Prof. Picó
MOLIENDA Y PULVERIZACION
296
PULVERIZACION DE SOLIDOS
Proceso de reducción de tamaño de las partículas por medio mecánico
El tamaño de las partículas de los sólidos determinan sus
propiedades físicas y especialmente sus cualidades para
diferentes empleos
297
15
OBJETIVOS DE LA PULVERIZACION
# DOTAR AL SOLIDO DE UNA GRANULOMETRIA SIMILAR PARA EVITAR LA
SEGREGACION EN LAS MEZCLAS
# INCREMENTAR LA SUPERFICIE ESPECIFICA DE LAS PARTICULAS
(aumentar una serie de propiedades físicas. Ej: Adsorción)
# Que todas las partículas tengan el mismo tamaño
# Dar esfericidad a las partículas facilitando su manipulación
# Facilitar su disolución
298
Tamaño de la partícula
Pulverización grosera
Pulverización intermedia
Pulverización fina
Pulverización ultrafina
850 m
75 – 850 m
75 m
< 1 m
(generalmente se llega por medios mecánicos hasta 38 m)
299
16
300
Distribución del tamaño de las partículas
301
17
A mayor tiempo de tratamiento se logra menor tamaño y menor
pausidispersidad
302
SEPARACION POR TAMAÑO DE PARTICULA
Tamización
Limite de tamaño de partícula 38 um
Elutriación
Sedimentación al revés
Pártículas pequeñas
Pártículas grandes
303
18
Separador Ciclónico
Sedimentación
304
CÓMO SE NOMBRA EL TAMAÑO DE LA LUZ DE MALLA
‘número de mesh’
significa malla en inglés,
es la cantidad de hilos por pulgada lineal que tiene la malla, pero manteniendo
constante la superficie abierta,
Es decir que cuanto más grande es el mesh más finos deberán ser los hilos.
305
19
Tamaño de la partícula
306
Las principales clases de máquinas para molienda son:
A) Trituradores (Gruesos y Finos)
307
20
B) Molinos (Intermedios y Finos).
C) Molinos Ultrafinos.
308
Operaciones Unitarias de separación
Teóricos 2016
Centrifugación
309
21
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
% contenido de sólido
< 0, 001- 0,1 %
Sedimentación (Vol >>>>)
Filtración (Operaciones con membrana) (Vol >>>)
Centrifugación (Vol >)
<1%
>>5- 20 %
311
22
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
23
47
314
Centrifuga de tornillo
Para líquidos con más de 40% de sólidos
315
24
Teóricos Procesos Biotecnológicos I
2016
Operación Unitarias de Conservación
Esterilización
316
Esterilización
destrucción o eliminación de cualquier tipo de vida microbiana
incluyendo las formas esporuladas de hongos y bacterias.
Significa el nivel más alto de seguridad y, por tanto, de
letalidad
317
25
Metodos de esterilización
Fisicos
Luz
Químicos
Calor Radiación
Filtración
Fisicos-Químicos
Liquidos:
Aldehidos
Halogenos
UV
Ionizante
Membranas
Agua oxigenada
No
ionizante
Vidrio
sinterizado
Detergentes
Gases:
Calor seco
Formaldehido
Aire caliente
Oxido de etileno
Flameado
Luz IR
Calor Humedo
Vapor a 120°C
Ebullición
318
Luz UV
Radiación con emisión de energía desde
300 nm en adelante
¿Cómo actua?
Produce cambios irreversibles en
el DNA
La luz Uv no destruye las
esporas
319
26
Calor
Húmedo (vapor) 120ºC
Seco
¿Cómo actua?
Desnaturaliza en forma
irreversible macromoléculas:
DNA y proteínas
Destruye las esporas
Es el método mas empleado en Procesos
Biotecnológicos, simplemente se hace pasar
vapor a 120°C (2 - 4 atm)
320
Calor Humedo:
Fue la primera Operación Unitaria aplicada para conservar alimentos
mediante calor (sin saber porqué) 1808-1810
Mientras Napoleón se preparaba para su campaña contra Rusia,
ofreció un premio de 12,000 francos.
Nicolás Appert, fabricante de dulces, fue premiado por su
descubrimiento en 1809.
Inglaterra: 1811 cambio los frascos de vidrio por contenedores de hierro (enlatados de carne)
En 1810, Peter Durand Cubrió las latas de hierro, que eran
propensos a la oxidación, con un recubrimiento delgado de
estaño (que no se vea perjudicado por el agua), e inventó
la "lata".
321
27
322
Radiación
Rayos gamma:
-alto contenido de energía (Co60)
-son difíciles de controlar se emiten en todas direcciones.
-un producto se puede empaquetar primero y después esterilizar.
Rayos catódicos (Radiación con haz de electrones):
- Se usan para material quirúrgico, medicamentos y otros materiales.
- se puede esterilizar después de empaquetado.
323
28
Filtración
Emplea filtros de poro 0,2 a 0,45 m
¿ En que sistemas se emplea ?
Líquidos que no se pueden calentar:
Medios de cultivos
Soluciones de macromoléculas
324
Metodos químicos de esterilización
Liquidos:
H2O2
glutaldehido
Aldehidos
Halogenos
Agua oxigenada
Detergentes
Gases:
Oxido de etileno
Formaldehido
Oxido de etileno
Detergentes: cloruro de
benzilalconio
325
29
326
327
30
La eliminación de microorganismos en alimentos
TYNDALIZACION
cuando las sustancias no pueden calentarse por
encima de 100° C
Consiste en el calentamiento del material de 80
a 100° C hasta 1 hora durante 3 días .
Las esporas resistentes germinarán durante los
períodos de incubación y en la siguiente
exposición al calor las células vegetativas son
destruidas
328
Pausterización
Objetivos:
es reducir la cantidad inicial de micro organismos.
- es una aplicación de calor suave,
-de manera que no se modifiquen las propiedades del producto
- a diferencia de la esterilización por calor, que es un tratamiento mucho
más agresivo.
329
31
Tipos de pasteurización
LTH (low temperature holding): (también se denomina VAT Pasteurization) 62 °C por
tiempos largos hasta 30 minutos.
- se emplea para tratamiento de alimentos envasados, por ejemplo: salsa de tomate,
mermeladas y todo alimento que se expende en lata.
330
Para el caso de la leche:
HTST
331
32
UHT (ultra high temperature):
leche, se suele llegar a 125°C, (presión 2-4- atm) durante 2 segundos,
esta es la que se emplea en la leche que consumimos, ya sea fresca o larga
vida.
- Esta última tiene a su vez un proceso denominado de micronización, en
donde se logra que todos los glóbulos de grasa tengan un tamaño uniforme, lo
cual le da más estabilidad
332
Las variables que caracterizan un proceso de esterilización
Cinética de muerte microbiana No número inicial de microorganismos
N
k N
t
0
 N 
  k t
log 
 No 
t  DT 
37 °C
log (N / No)
N  No ekt
 N 

log 
 No 
k
50 °C
60 °C
tiempo
t es el tiempo necesario para reducir al 10
% la cantidad inicial de microorganismos
333
33
DEPENDE DE:
tiempo de termo destrucción: DT
tipo de micro organismo
[ DT] segundos o minutos
condiciones del medio: pH ,
temperatura, nutrientes del medio
z, incremento en la temperatura (
°C) necesarios para que el valor DT
se reduzca a la décima parte del
inicial.
z es una medida de la labilidad que
posee un micro organismo frente al
cambio de temperatura
334
335
34
OTRAS VARIABLES EMPLEADAS
PARA UN PROCESO GLOBAL DE CALENTAMIENTO
Tiempo de calentamiento tcal
Tiempo de retención tret
Tiempo de enfriamiento tenf.
to
ien
tam
am
ien
to
len
fri
ca
Temperatura ( °C)
en
Número de microorganismos viables
Temperatura de
esterilización deseada
100
thd
No
thd
Nf
tiempo
tiempo
Muerte microbiana =  (kcal + kret. +k enf.)
336
ESTERILIZACION QUÍMICA
CINETICA DE LA ESTERILIZACION QUÍMICA
DOSIS LETAL 50
DT es la concentración mínima de un sustancia necesaria
para reducir en un 50% la población de mico organismos.
DT dependerá del tipo de microorganismo
337
35
Equipos para esterilizar
Autoclave
Luz UV
estufa de aire seco
vapor a 120°C
filtro de 0,2 m de poro
cámara de óxido de etileno
338
36