Informe práctica 1 reconocimiento de equipos Laboratorio de bioseparaciones
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Instituto Politécnico Nacional Unidad Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Guanajuato (UPIIG) Programa Académico: Ingeniería Biotecnológica Informe Práctica 1: Reconocimiento de Equipos Alumnos: • Medina Cariño Julia Andrea • Muñoz Alvizo Cesar Ulises • Nicasio Aguirre Ada Victoria • • • Padilla Romo Fernando Ramirez Salgado Raul Alejandro Ramos Izaguirre Verónica del Carmen • Vadillo Noguerón Karime Paulina Grupo: 6BM1 Profesores: Pérez Aguilar Luis Miguel María Lourdes Mejía Farfán Fecha de entrega: 27 de febrero de 2021 RESUMEN Las bioseparaciones son fundamentales en los bioprocesos, ya que dan un enriquecimiento del producto objetivo, hay una reducción de volumen, se remueven impurezas específicas, mejoran la estabilidad y previenen la degradación del producto. En el presente trabajo se recopila información y aspectos importantes de los equipos empleados para las operaciones de osmosis inversa, destilación, extracción líquidolíquido, extracción sólido-líquido, intercambio iónico y secado, ubicados en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la UPIIG. Se mencionan las funciones y principales partes de los equipos, así como sus características y especificaciones técnicas; se señalan algunas aplicaciones para cada equipo; se describe la metodología experimental planteada para la práctica y se discuten los resultados obtenidos del análisis llevado a cabo, resaltando el efecto que tienen ciertas variables y la importancia que tiene el reconocimiento de dichos equipos en nuestra formación ingenieril. INTRODUCCIÓN La biotecnología ha tenido un gran impacto en distintas áreas a lo largo de estos últimos años, teniendo un importante enfoque en la optimización de los bioprocesos para la producción y obtención de fármacos, alimentos, proteínas de interés, etc. Las bioseparaciones juegan un papel muy importante en los bioprocesos, tanto del punto de vista técnico como económico, este tipo de operaciones son necesarias para la recuperación de los caldos biológicos, así como la obtención de los productos de interés. (Tejeda, 2011). Ósmosis inversa La ósmosis inversa es una operación unitaria que consiste en la separación de iones de una disolución acuosa a través de una membrana semipermeable con la acción de la presión osmótica. Una de las principales aplicaciones es la desalinización del agua de mar para obtener agua potable. Algunos de los equipos a utilizar en esta operación son: • • • Unidad de placas y marcos. Unidad tubular. Unidad con membranas enrolladas en espiral. (Geankoplis, 2006). Destilación La destilación es una operación unitaria que consiste en la separación de los componentes de una mezcla en base a sus diferentes presiones de vapor. Entre más lejanas sean las temperaturas de ebullición de los componentes, será más fácil de realizar la operación. Algunos de los equipos utilizados en esta operación son: • • Columnas flash. Columna de destilación con platos. • Columna de destilación extractiva. (Del Rio, 2016). Extracción sólido líquido La extracción sólido líquido es una operación unitaria que consiste en separar un soluto de una fase solida mediante un disolvente líquido. La fase solida se pone en contacto con una fase liquida en el que esta arrastra el soluto separándolo del material sólido. Algunos de los principales equipos a utilizar para este tipo de extracción son: • • • Extractor de lecho fijo. Extractor de lecho móvil: Bollman y Hildebrandt. Extractor con agitación de sólido. (Geankoplis, 2006). Extracción líquido líquido La extracción líquido líquido es una operación unitaria que consiste en recuperar un soluto de una solución a partir de un disolvente, en el que el soluto debe presentar una alta afinidad por el disolvente. La operación ocurre en dos pasos, el primero consiste en realizar una mezcla de la solución con el disolvente y el segundo consiste en la separación de la mezcla en dos fases liquidas inmiscibles. Existen distintos equipos para la separación por extracción, estos se pueden clasificar por el tipo de operación: continuos o por lotes, del continuo puede ser por etapas o por contacto diferencial, también se puede clasificar por separación de fases ya sea por gravedad o por centrifuga. Algunos de los equipos a utilizar son: • Mezclador sedimentador separado. • Mezclador sedimentador integrado. • Mezcladores sedimentadores conectados a contracorriente. • Columnas de extracción empacadas. • Columnas de aspersión. • Columnas de platos perforados. (Tejeda, 2011). Intercambio iónico El intercambio iónico es un fenómeno que consiste en el intercambio reversible de iones en una disolución por iones soportados en un material sólido. Entre los principales equipos que utilizan esta operación son: • • • Columna de intercambio iónico positivo. Columna de intercambio iónico negativo. Cromatógrafos de intercambio iónico. (Díez, 1994). Secado El secado es el último paso en la recuperación de ciertos productos, consiste en la reducción del solvente en el producto por medio de la evaporación o sublimación. Existen distintos tipos de secadores, pero para los procesos biotecnológicos los más utilizados son los adiabáticos y no adiabáticos. Los secadores adiabáticos producen el secado utilizando un flujo de entrada de un gas caliente y seco. Entre los principales secadores adiabáticos se encuentran los de aspersión, instantáneos y de lecho fluidizado. Los secadores no adiabáticos requieren un sistema de calentamiento y en algunos casos se trabaja con sistemas de vacío. Entre los principales secadores no adiabáticos se encuentran los de charolas, doble cono, tambor rotatorio y liofilizador. (Tejeda, 2011). OBJETIVOS General Describir los principales equipos de bioseparaciones presentes en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, empleando la bibliografía disponible, con el fin de reconocer sus partes y funcionamiento, así como su importancia dentro de la industria biotecnológica. Específicos • Identificar las partes de los equipos de osmosis inversa, destilación, extracción sólido-líquido, extracción líquido-líquido, intercambio iónico y secado. • Analizar el efecto de las variables involucradas en cada bioseparación. • Discutir la importancia de los equipos descritos y su aplicación dentro de un proceso biotecnológico. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Unidad de Ósmosis inversa Figura 1. Equipo de laboratorio UPIIG usado para ósmosis inversa Para llevar a cabo la ósmosis inversa se cuenta con una planta piloto, que posee varios componentes en una sola estructura. Tabla 1. Características generales de la unidad de ósmosis inversa de UPIIG Marca Modelo Dimensiones Generatoris TA-OU-100/D Largo: 1.9 metros Profundidad: 1.1 metros Altura: 2.3 metros 100 L 220V, 60 Hz 5 Hp Capacidad total Alimentación eléctrica Motor Gabinete de control NEMA 4X Membrana de ósmosis inversa en espiral Diámetro: 4in, Longitud: 40 in Materiales Aluminio tipo industrial reforzado Base Cobre Sistema de tuberías PVC cédula 80 Sistema de tuberías Acero inoxidable Válvulas, bombas, manómetros En general, los componentes del equipo son de tipo industrial por lo que requiere poco mantenimiento. Unidad de Destilación Figura 2. Equipo de laboratorio UPIIG usado para destilación El presente equipo de destilación es una unidad piloto completamente instrumentada y resistente a solventes. Posee columnas intercambiables pudiendo usar una columna empacada o una columna de platos. Tabla 2. Características generales de la unidad de destilación de UPIIG Marca Modelo Dimensiones Generatoris PS-DA-480-DEL Largo: 2.3 metros Profundidad: 0.7 metros Altura: 2.7 metros Alimentación eléctrica 120 V, 60 Hz Gabinete de control centralizado tipo NEMA 4X Presión máxima de operación 4 kg/cm^2 Materiales Base Acero inoxidable, vidrio y materiales resistentes a solventes Depósitos de alimentación y Vidrio y acero inoxidable producto Columna de destilación Vidrio Capacidades Tanque de alimentación de 20 L mezcla Hervidor 10 L Unidad de Extracción Sólido-Líquido Figura 3. Equipo de laboratorio UPIIG usado para extracción sólido-líquido Es un soporte de experimentación que separa mezclas sólidas, eliminando los componentes solubles mediante un agente extractor. Tabla 3. Características generales de la unidad de extracción sólido-líquido de UPIIG Marca Gunt Modelo CE630 Sistema ajustado manualmente y regulado por software (gabinete de control) Corriente a contraflujo Caudal de agente de extracción mínimo (se puede ajustar para cada etapa) Capacidad aprox. de la tolva de alimentación 6 L/h 2kg Limitantes: ▪ ▪ ▪ El equipo es propenso a la formación de algas y lodo, por lo que se debe utilizar únicamente agua destilada. Tiene un máximo de tres etapas llevar a cabo el proceso de extracción sólidolíquido. No apto para uso industrial. Unidad de Extracción Líquido-Líquido Figura 4. Equipo encontrado en el laboratorio. Extracción Líquido-Líquido. Las características del equipo se encuentran enlistadas en la tabla 4 que se encuentra a continuación. Tabla 4. Equipo para extracción Líquido-Líquido Característica Descripción Marca Modelo Materiales Componentes Alimentación eléctrica Tuberías Columnas (dimensiones) Calefacción Dimensiones aproximadas Generatoris PS-EL-024/DEL Acero inoxidable, vidrio y materiales resistentes a solventes Unidad de proceso y un gabinete de control centralizado tipo NEMA 4X 120VAC, 60H PVC, cédula 80 Extracción: Diámetros: 40 mm (min), 50 mm (máx) Altura: 1500 mm Destilación: Diámetros: 30 mm (min), 50 mm (máx) Altura: 415 mm 945W Largo: 2.2 m Profundidad: 0.7 m Altura: 2.5 m Además, el equipo cuenta con 4 tanques, los cuales son descritos en la tabla 5. Tabla 5. Características de los tanques encontrados en el equipo de extracción líquido-líquido. Tanque Tanque primario de alimentación a columna de extracción Tanque secundario de alimentación a columna de extracción Tanque de recuperación de producto, fase extraída Tanque de recuperación de extracción para la fase refinada Capacidad (L) 20 Material Vidrio, con brida y tapa de acero inoxidable 20 Vidrio, con brida y tapa de acero inoxidable 20 Depósito de vidrio. Brida y tapa en acero inoxidable 20 Depósito en vidrio. Brida y tapa en acero inoxidable. Unidad de Intercambio Iónico Figura 5. Equipo utilizado en el laboratorio para el intercambio iónico A continuación, se presentan las especificaciones técnicas encontradas para este equipo en la tabla 6 que se encuentra a continuación. Tabla 6. Características del equipo. Intercambio iónico. Característica Marca Modelo Alimentación eléctrica Dimensiones aproximadas Descripción Generatoris TA-RI-040/DEL 120VAC, 60 Hz Largo: 1.2 m Profundidad: 0.8 m Altura: 2.2 m En las siguientes tablas, se describen la capacidad de los tanques encontrados, así como las dimensiones de las columnas. Tabla 7. Tanques del equipo para intercambio iónico Tanque Alimentación Alimentación de ácido Alimentación de base Recuperación de agua tratada Recuperación de ácido – base Capacidad (L) 100 20 20 100 20 Tabla 8. Columnas del equipo para intercambio iónico Columna Resina catiónica Dimensiones Diámetro: 50 mm. Altura: 70 cm. Resina aniónica Resina catiónica intercambiable Resina aniónica intercambiable Diámetro: 50 mm. Altura: 70 cm. Diámetro: 25 mm. Altura: 70 cm. Diámetro: 25 mm. Altura: 70 cm. Unidad de secado Figura 6. Equipo similar al encontrado al laboratorio de Operaciones Unitarias. Por último, el siguiente equipo es el utilizado para la operación de secado, cuyas características se encuentran a continuación. Tabla 9. Características del equipo utilizado para el secado Características Descripción Marca Modelo Dimensiones Peso Alimentación eléctrica Ventilador Gunt CE130 2540 x 750 x 1350 mm 125 kg 230 V / 50-60 Hz 950 rpm, 700 m3/h (potencia de transporte), 33W, 0.2 A. Calefactor 500 – 3500 W Canal de secado 2540 x 390 x 390 mm (exterior) 350 x 350 mm (interior) Bandejas de secado (AlMg3) 400 x 300 x 15 mm El equipo además cuenta con algunos auxiliares, los cuales se mencionan en la siguiente tabla. Tabla 10. Equipos adicionales. Equipo Balanza digital Anemómetro Temperatura de servicio Descripción 5 – 8000 g (medición) Rango de medida: 0.2-2.5 m/s -20°C a 85°C MATERIALES En la siguiente tabla (Tabla 11) se describe el material y equipos utilizados para esta práctica, así como las capacidades de dichos. Tabla 11. Equipos analizados en la Práctica 1. Equipo Unidad de Osmosis Inversa Generatoris TAUP-100/DEL Capacidad Cantidad 100 L 1 Unidad de destilación Generatoris PS-DA480/DEL Unidad de extracción Sólido-Líquido Gunt CE630 Unidad de extracción Líquido-Líquido Generatoris PS-EL-024/DEL Unidad de Intercambio Iónico Generatoris TARI-040/DEL Unidad de Secado Gunt CE130 Tanque: 20 L Hervidor: 10 L 1 - 1 Tanques: 20 L 1 Alimentación: 100 L Alimentación de ácido/base: 20 L - 1 1 METODOLOGÍA En la Fig. 7 se presenta el diagrama de flujo donde se describe la metodología utilizada en la práctica de Reconocimiento de Equipos. Fig. 7 Diagrama de Flujo de la Práctica de Reconocimiento de Equipos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN • Resultados Se presentan algunas partes de equipos comunes en procesos de bioseparaciones: El primer equipo para analizar será el encargado de realizar ósmosis inversa, representado mediante las siguientes 5 imágenes: 1. 2. 3. 4. 5. 1 2 3 Bomba multietapa Rotámetro Válvula de regulación Sensor de nivel Manómetro 4 5 Figura 8. Primera parte del equipo de osmosis inversa 6. Tanque con serpentín de cobre. 7. Válvula de succión de la bomba. 8. Tanque de 100 L. 6 8 7 Figura 9. Segunda parte del equipo de osmosis inversa 9 11 9. Sensor de temperatura. 10. Válvula de bola. 11. Membrana de separación 12. Válvula de bola de acero inoxidable 10 12 Figura 10. Tercera parte del equipo de osmosis inversa 13. Recipiente para conductividad 14. Válvula de aguja medición de Figura 11. Cuarta parte del equipo de osmosis inversa 15. 16. 17. 18. Contactor Fuente de poder: Portafusibles Clemas Figura 12. Quinta parte del equipo de osmosis inversa El siguiente equipo por analizar es el equipo de destilación, el cual será descrito mediante las siguientes 4 imágenes. 1. Hervidor 2. Tanque de Alimentación 3. Mantilla de calentamiento 4. Serpentín de enfriamiento de fondos 5. Bomba dosificadora 6. Válvula de bola de descarga 7. Balón de alimentación Figura 13. Primera parte del equipo de destilación. 8. 9. 10. 11. Columna de platos Manómetro en U Columna empacada Sensor de temperatura Figura 14. Segunda parte del equipo de destilación. 12. Serpentín de condensación Figura 15. Tercera parte del equipo de destilación. 13. Rotámetro 14. Válvula de ¼” 15. Válvula de aguja 16. Indicador de presión 17. Válvula de bola 18. Recibidor para destilado 19. Válvula de bola Figura 16. Cuarta parte del equipo de destilación. producto El tercer equipo para analizar es el equipo de extracción liquido-liquido mediante 2 ilustraciones: 1. Hervidor 2. Balón de obtención de producto destilado 3. Mantilla de calentamiento 4. Válvula de descarga de producto 5. Válvula de descarga de fondos 6. Serpentín de condensación 7. Columna de destilación 8. Serpentín de enfriamiento de producto Figura 17. Primera parte del equipo de extracción líquido-líquido 9. Sensor de nivel 10. Electroválvula 11. Recibidor de fase extraída 12. Columna de extracción 13. Recibidor de fase refinada 14. Tanque de alimentación 15. Bomba dosificadora 16. Balón de alimentación Figura 18. Cuarta parte del equipo de extracción liquido-liquido. Para el sistema de extracción sólido-líquido solo se utilizó una imagen de referencia para describir el equipo. 1. Transportador en espiral para material de extracción 2. Elemento calefactor y alimentación de material de extracción. 3. Extractor carrusel 4. Unidad de manejo de carrusel 5. Recipiente de extracción de residuos 6. Recipiente de extracción 7. Bomba de escape para recipiente de extracción 8. Bomba de proceso 3 9. Bomba de proceso 2 10. Bomba de proceso 1 11. Recipiente de agente extracción 12. Válvulas de selección de modo 13. Cabina de control con controles 14. Esquema de proceso Figura 19. Equipo de extracción solido-liquido. Para la descripción del equipo de intercambio iónico se hará mediante 3 imágenes 1. Columna Catiónica de Intercambio Iónico 2” DN 2. Columna Aniónica de Intercambio Iónico 2” DN 3. Válvula de 3 vías 4. Válvula de bola Figura 20. Primera parte del equipo de intercambio iónico 5. Columna Aniónica de Intercambio Iónico 1” DN 6. Columna Catiónica de Intercambio Iónico 1” DN 7. Recipiente de muestreo Figura 21. Segunda parte del equipo de intercambio iónico 8. Bomba dosificadora 9. Tanque de 100 L 10. Tanque de 20 L Figura 22. Tercera parte del equipo de intercambio iónico Por último, se describirá el equipo de secado mediante una sola imagen. Figura 23. Equipo de secado 1. Ventilador 2. Carcasa 3. Armario de mando 4. Canal de secado con ventana 5. Tapa trasparente 6. Soporte de material a secar con bastidor 7. Anemómetro 8. Registro del sensor de temperatura / humedad 9. Temperatura T1-sensor de humedad 1 10. Balanza digital 11. Conexión del elemento calefactor Se dará una descripción de elementos que se consideran más importantes en cada uno de los equipos: • Ósmosis inversa: Membrana de separación: Una de las membranas más importantes para muchos otros procesos de ósmosis inversa es la de acetato de celulosa. La membrana asimétrica se fabrica como película compuesta en la cual una capa densa y delgada de cerca de 0.1 a 10 .um de espesor con poros extremadamente finos está sostenida sobre una capa mucho más gruesa (50 a 125 .um) de esponja microporosa con poca resistencia a la permeación • Extracción liquido-liquido -Columnas de extracción La mezcla líquida por separar se transporta desde el depósito de alimentación a la parte inferior de la columna de extracción con una bomba. Desde allí fluye a contracorriente del disolvente, que es transportado por una bomba al interior de la columna de relleno, por la parte superior de la misma. La mezcla por separar está formada por el soluto y el líquido portador. El líquido portador y el disolvente no son miscibles entre sí. Por esta razón se forma una frontera entre fases en la columna. Esta frontera se puede ajustar con dos válvulas. Dentro de la columna de relleno tiene lugar la transferencia del soluto al disolvente. • Intercambio iónico: Los dos métodos principales de trabajo que el intercambio iónico encuentra para ser aplicado al tratamiento de aguas y aguas residuales son: procesos intermitentes y columnas. El proceso intermitente consiste en añadir una cantidad de resina en el volumen de agua que deba tratarse y agitar la mezcla hasta que alcance el equilibrio iónico. Este proceso se utilizaría con éxito en caso de que el ión liberado por la resina sea a su vez liberado de la solución; por ejemplo, esto ocurre cuando el ión liberado es el H+ o el OH y se combina con el ión OHo H+ para formar agua respectivamente. • • Destilación ➢ Una columna cilíndrica en la que se mezclan las dos fases íntimamente para favorecer la transferencia de los componentes de una fase a otra, hasta llegar al equilibrio. ➢ Un hervidor en la base, que es donde se le suministra calor a la columna para que la mezcla a separar hierva ascendiendo el vapor por la columna. ➢ Un condensador en la parte superior de la columna, donde el vapor procedente de la columna se condensa, retirándose parte del líquido condensado como producto destilado, D, y devolviéndose otra parte a la columna como reflujo, L, Secado En el canal de secado con ventana es donde se produce la operación de secado del material. El material sólido está colocado en las bandejas y en todo momento se puede mirar por la tapa trasparente. Las bandejas están colocadas con unos soportes de material a secar con bastidor que están en todo momento colocadas encima de la balanza para controlar su peso. • Discusión Puesto que la ósmosis inversa es un proceso impulsado por una diferencia de presión, el monitoreo de esa variable es un parámetro crucial en un proceso que requiera esta separación. Para que la ósmosis inversa ocurra se debe de aplicar una diferencia de presión a través de la membrana, el agua contenida en la alimentación es forzada para permear a través de la membrana, es decir, se requiere una presión mayor a la presión osmótica en el lado de la alimentación. (Schrotter, 2010). El equipo de ósmosis inversa del Laboratorio de Operaciones Unitarias es un sistema de recirculación. Gray (2004) señala que, una ósmosis inversa estándar, sin recirculación de concentrado puede proporcionar separaciones de alta calidad, pero normalmente es ineficiente en su utilización de energía, de agua de alimentación y, además, disminuye la vida media de la membrana, en cambio, un sistema de ósmosis inversa de recirculación es más eficiente en el uso de agua de alimentación e incrementa la vida de la membrana. De acuerdo con McMordie et al (2013), en el sistema de ósmosis inversa se requieren bombas lo suficientemente potentes como para alcanzar la presión requerida y la tasa de flujo del sistema y válvulas para controlar los flujos y presiones en el sistema. Señala también que las tasas de flujo son parámetros clave en el funcionamiento del sistema, ya que un flujo muy alto a través del tanque podría resultar en una alta caída de presión y posible daño estructural de la membrana y un flujo muy bajo resultaría en una acumulación de sólidos excesiva en la superficie de la membrana, disminuyendo la tasa de recuperación. Inicialmente, la ósmosis inversa se comenzó a aplicar con líquidos mediante el tratamiento de aguas, posteriormente, dicha tecnología se ha utilizado incluso para tratar agua de mar y aguas residuales. Entre las nuevas aplicaciones se encuentra la separación de componentes del aire o la separación selectiva de un contaminante. (Oruna, 2012). Duperly et al (2006), destacan una de las aplicaciones de la extracción líquido-líquido, la cual es la separación del Bario presente en una muestra acuosa mediante la utilización de una fase orgánica compuesta de DEPHA. Se obtuvo la eficiencia de recuperación y la constante de equilibrio químico. Dicho parámetro es útil para establecer la viabilidad del proceso industrial. Esta separación es relevante, ya que el bario es un metal pesado que ha sido denominado como nocivo y peligroso. Las variables que influyen en la eficiencia de este método son: 1) la selectividad del disolvente extractante; 2) el pH de la muestra, pues puede presentan diferentes formas más o menos polares; 3) la fuerza iónica; 4) la relación entre el volumen de disolvente extractante y la muestra acuosa; 5) número de extracciones realizadas. De acuerdo con Sánchez (2015), las resinas de intercambio iónico son comercializadas como esferas o gránulos de diferente tamaño y distribución granulométrica, dependiendo de la aplicación. De estas resinas los fabricantes proporcionan normalmente tres parámetros específicos relacionados con las dimensiones de la resina: el rango de tamaños de partícula, tamaño efectivo de la partícula y coeficiente de uniformidad. El tamaño es importante ya que: - - La tasa de intercambio iónico disminuye al aumentar el tamaño de las esferas. La pérdida de carga a lo largo del lecho de esferas aumenta al reducirse al tamaño de las partículas, sometiendo a éstas a condiciones que pueden provocar su ruptura. Puesto que estas circunstancias son opuestas, es crucial determinar el tamaño óptimo de las partículas para una columna y régimen hidráulico dados. Sánchez (2015), refiere otra variable que debe considerarse al diseñar un proceso de intercambio iónico: la capacidad intercambiadora de la resina, que es una medida de la cantidad de iones que puede intercambiar en condiciones de trabajo concretas. La selectividad de la resina también es importante, ya que nos indica la afinidad intrínseca hacia las especies iónicas en la disolución a tratar. Alfonso Zerquera et al (2000), mencionan una de las aplicaciones que tienen dichas resinas de intercambio iónico, la cual, es prolongar la liberación de fármacos. Se estudiaron los factores que afectan la formación de resinatos, la liberación de los principios activos y las combinaciones de procesos para potencializar la utilidad de los resinatos. Según Durán y Ruiz (2015), un extractor tipo carrusel opera de tal forma que la materia sólida gira en torno a un conjunto de compartimientos que van girando de forma continua y se ponen en contacto a contracorriente con el solvente, que se hace circular empleando bombas. El extractor sólido – líquido del Laboratorio de Operaciones Unitarias es de tipo carrusel. Dos variables importantes a la hora de diseñar un proceso en el extractor sólido – líquido es el tiempo de residencia, que es el tiempo total que el material sólido permanece en el extractor y el tamaño de partícula. Se conoce que entre menor sea el tamaño de partícula, menor será el tiempo de contacto requerido (Durán y Ruiz, 2015). Dichos autores, Durán y Ruiz (2015), destacan a su vez la aplicación de los equipos de contacto sólido líquido, siendo esta la biomasa de tipo agrícola, particularmente los desechos de semillas y conchas de frutas, las cuales tienen fines utilitarios dentro de la industria cosmética y de conversión de energía. El secador de sólidos que se tiene en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la UPIIG es un secador de bandejas, en esas bandejas se carga el material sólido que se secará. De acuerdo con Axtell & Jones (2004), el requerimiento básico de cada bandeja es que contenga el material de secado sin malograrlo para que permita un flujo de aire máximo a través de este. La clave del secado se encuentra en la utilización de aire caliente a aproximadamente 80°C, que se hace pasar a través del secador para así obtener un secado efectivo del producto. Por tanto, las variables de mayor importancia a la hora de diseñar un proceso de secado es el flujo de aire caliente y la disposición de los sólidos en la bandeja. El Sistema de Destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la UPIIG es una torre de destilación de platos. Según Kolmetz & Dwijayanti (2011), cada plato en una columna de destilación está diseñada para promover el contacto entre el vapor y el líquido en la etapa, para que así ocurra transferencia de masa y de calor. En el interior de la columna se producen corrientes ascendentes de vapor y descendentes de líquido que están en íntimo contacto, el vapor asciende por la fuerza de una ligera diferencia de presiones de plato a plato, generada por el calderín, donde la presión es más elevada (Pérez, 2007). Una fracción del vapor escapa de la cima de la columna y es devuelto al estado líquido en el condensador, parte de este líquido regresa a la columna como reflujo y el resto del producto superior es el destilado. Lutze (2014), señala que la destilación puede aplicarse en la Biotecnología blanca para: - Purificación de producto, como en la separación de alcoholes y agua. Recuperación de solvente o sustrato, como el reciclado de glucosa. En la Biotecnología roja se utiliza para: - Recuperación de solvente o sustrato. Limitado para la recuperación del producto, debido a sus altos puntos de ebullición y en la alta similitud de los componentes a separar. Un ejemplo sería la purificación de ácidos grados omega 3. CONCLUSIÓN Se describieron los principales equipos empleados en las bioseparaciones de osmosis inversa, destilación, extracción sólido-líquido, extracción líquido-líquido, intercambio iónico y secado, encontrados en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de nuestra unidad académica, a partir del análisis colaborativo del material bibliográfico de apoyo proporcionado. Se identificaron las partes y el funcionamiento de cada uno de estos equipos, así como el efecto que tienen algunos parámetros y variables como la presión, pH, tamaño de partícula, tiempo de retención, entre otras. Se discutió la importancia y aplicación de dichos equipos en nuestra área profesional. CUESTIONARIOS Osmosis inversa 1) Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema Figura 24. Proceso de osmosis inversa De acuerdo con el Manual Pedagógico, Técnico y de Uso del Equipo de Osmosis Inversa, de la marca Generatoris, en un proceso con recirculación dentro de la osmosis inversa, están implicadas una etapa demezclado y una etapa deseparación. Por tanto, los balances quedan de la siguiente forma: Balances totales: mA + mE= mB; mC =mE+ mD Balances parciales: mA Wi(A) + mE Wi(E) = mB Wi(B); mC Wi(C) =mE Wi(E)+ mD Wi(D) Por otro lado, los procesos con recirculación se caracterizan por la denominada "relación de recirculación", que expresa, normalmente, la relación entre los flujos de reciclo y de alimentación fresca: R=mE/mA 2) ¿Cuál es el principio de la osmosis inversa? La ósmosis inversa separa un soluto de una solución, obligando al disolvente a fluir a través de una membrana mediante la aplicación de una presión mayor que la presión osmótica normal. En la ósmosis inversa las moléculas de soluto son de aproximadamente el mismo tamaño que las del disolvente. Esos procesos de separación basados en diferencia de presión a través de una membrana combinan la adaptabilidad con la simplicidad técnica. (Generatoris S.A de C.V., s/f). 3) ¿Cuáles son las aplicaciones más comunes? Relacionarlas con el sistema De acuerdo con García (2002), el equipo de ósmosis inversa se utiliza para las siguientes aplicaciones: • • • • Desalinización de aguas Obtención de agua ultrapura Concentración de azúcares, leche y zumo de frutas Tratamiento de aguas Además del acondicionamiento de aguas para calderas. Geankoplis (2006), nos muestra las siguientes aplicaciones de la ósmosis inversa en la industria: • • • • Desalinización de agua de mar o agua salobre para producir agua potable Concentración de jugos de fruta y leche Recuperación de proteínas y azúcar del suero del queso Concentración de enzimas Destilación 1) Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema De acuerdo con McCabe (2007), los balances de materia para una columna de platos son los siguientes: Si la columna se alimenta con F mol/h de concentración X F y genera D mol/h del producto destilado de concentración XD, y B mol/h de producto residual de concentración XB, es posible escribir dos balances globales de materia independientes. Balance total de materia F=D+B Balance del componente A F XF = D X D + B XB Eliminando B de estas ecuaciones se obtiene 𝐷 𝑋𝐹 − 𝑋𝐵 = 𝐹 𝑋𝐷 − 𝑋𝐵 Eliminando D resulta 𝐵 𝑋𝐷 − 𝑋𝐹 = 𝐹 𝑋𝐷 − 𝑋𝐵 Estas dos últimas ecuaciones son aplicables para todos los valores de los flujos de vapor y líquido en el interior de la columna. Por su parte, la magnitud D es la diferencia entre las velocidades de flujo de las corrientes que entran y salen por la parte superior de la columna. El balance de materia alrededor del condensador y del acumulador conduce a D= Va – La Un balance total de materia alrededor de esta superficie de control conduce a D= Vn+1 – Ln Balances similares para el componente A dan lugar a las ecuaciones D XD= Va Ya – La Xa = Vn+1 Yn+1 – LnXn En la sección inferior de la columna, las velocidades netas de flujo también son constantes pero su sentido es descendente. La velocidad neta de flujo de material total es igual a B, y la del componente A es B xb. Se aplican las siguientes ecuaciones: B= Lb – Vb = Lm – Vm+1 B XB= LbXb – VbYb= LmXm – Vm+1 Ym+1 Finalmente, la ecuación para la línea de operación en la sección de agotamiento queda como 𝑦𝑚+1 = 𝐿𝑚 𝐵𝑋𝐵 𝑋𝑚 − 𝐿𝑚 − 𝐵 𝐿𝑚 − 𝐵 Por otro lado, este mismo autor menciona respecto a los balances de energía que las variaciones reales en las corrientes V y L en una columna de destilación dependen de las entalpías de las mezclas del líquido y del vapor. El balance de entalpía para todo el sistema es F HF + qr = D HD + BHB + qc El balance de entalpía para la sección de rectificación es: Vn+1 Hy,n+1 = Ln Hx,n + DHD + qc Para la sección de agotamiento, el balance queda Vm+1 Hy,m+1 = LmHx,m + qr - BHB 2) ¿Cuál es el principio de la destilación? La destilación es un proceso de separación en el que se ponen en contacto una mezcla en fase líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido, pero que no se encuentra inicialmente en equilibrio. A consecuencia de ello el vapor se condensa parcialmente y el líquido se vaporiza parcialmente, de forma que, tras el contacto entre ambas fases, el vapor se enriquece en el componente más volátil y el líquido en el menos volátil. Este proceso depende de la distribución de las sustancias entre una fase gaseosa y una líquida, y se aplica a los casos en que todos los componentes están presentes en las dos fases. (Generatoris S.A de C.V., s/f). 3) Importancia de la presión de vapor y las ecuaciones fundamentales del equilibrio termodinámico De acuerdo con Casillas (2014), en la destilación la fase vapor ocurre por la adición de calor al líquido, en el que el vapor y el líquido están compuestos de las mismas sustancias, por lo tanto, son químicamente similares. Así, la separación depende únicamente de las presiones de vapor de las sustancias. De acuerdo con Leal (2017), para la destilación el equilibrio termodinámico requiere tres condiciones: 1) equilibrio térmico, misma temperatura en ambas fases; 2) equilibrio mecánico, misma presión en ambas fases; 3) equilibrio químico, igualdad de fugacidad en cada componente de la mezcla. La ecuación fundamental de equilibrio puede ser expresada en términos de fugacidad y depende del grado de idealidad. Mezcla con idealidad: fiV *yi *P=fiL *xi *P Donde yi, xi y P representan la composición de la fase vapor, composición de la fase líquida y la presión del sistema. 4) ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema. Según Rojas (s/f), algunas aplicaciones de las torres de destilación son: • • • en la industria petroquímica, para generar gases ligeros, queroseno, diesel, aceite lubricante y asfalto en la purificación de solventes en la separación de aire licuado Extracción líquido-líquido 1) Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema. Según el Manual Pedagógico, Técnico y de Uso del Equipo de Extracción LíquidoLíquido, de la marca Generatoris, para la extracción en una sola etapa Figura 25. Extracción líquido- líquido por una etapa Balance de materia total F + S = M1 = E1 + R1 Balance de materia por componente F xF+ S yS= M1 xM1= E1 y1+ R1 x1 Para la extracción en varias etapas Figura 26. Extracción líquido-líquido por varias etapas Balance de materia total Rn-1 + Sn= En+ Rn= Mn Balance de materia por componente Rn-1· xn-1+ SnYS= MnxMn= Enyn+ Rnxn 2) ¿Cuál es el principio de la extracción líquido-líquido? La extracción líquido-líquido es una técnica de separación en la que las dos fases implicadas son líquidas, una de las cuales se añade y no se forma “in situ”; las fuerzas puestas en juego son fundamentalmente de tipo físico, basándose la separación en procesos de distribución y pudiéndose aplicar relaciones termodinámicas .La distribución líquido-líquido es un proceso de transferencia de una o varias sustancias desde una fase líquida a otra también líquida inmiscible con la primera. (Generatoris S.A de C.V., s/f). 3) Importancia de la presión de vapor y las ecuaciones fundamentales del equilibrio termodinámico De acuerdo con Casillas (2014), la extracción líquido líquido se realiza cuando no se puede realizar otro método de separación. La destilación depende de las presiones de vapor de las sustancias debido a que estas son químicamente similares, por el contrario, la extracción líquido líquido no depende de las presiones de vapor sino más bien del tipo de químico debido a que las sustancias son muy distintas químicamente. De acuerdo con Tejeda (2011), el coeficiente de partición o de distribución del equilibrio termodinámico se define como la relación de las concentraciones de soluto en el equilibrio y se representa de la siguiente manera: 𝐾𝑃 = 𝑥 𝑦 Donde KP es el coeficiente de partición, y es la fracción mol de soluto en la fase inferior (fase correspondiente a la alimentación) y x fracción mol de soluto en la fase superior (fase rica en solvente). Esta ecuación se conoce como Ley de la Distribución de Nerst y establece que en el equilibrio hay una relación de las actividades de los solutos en las dos fases para cierta temperatura. 4) ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema Trilleros Villaverde (2015), señala que algunas aplicaciones industriales de la extracción líquido-líquido incluyen: • • • • • Proceso de purificación de antibióticos, como la penicilina Extracción de compuestos aromáticos y naftenicos Separación de metales pesados Eliminación de sustancias orgánicas de alto punto de ebullición Extracción química de productos agrícolas Extracción sólido-líquido 1) Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema De acuerdo con Jebavy, F (s/f) en su manual técnico para el equipo de extracción sólido-líquido, cuando se trabaja a contracorriente se definen los siguientes balances: Figura 27. Extracción sólido-líquido a contracorriente El balance de materia total es mF+ mc = mE,1 + mR,e = mM El balance por componente es mF XF+ mc Yc = mE,1 YE,1 + mR,e XR,e 2) ¿Cuál es el principio de la extracción sólido-líquido? La extracción sólido-líquido implica disolver los componentes solubles de las mezclas sólidas utilizando un agente de extracción. En la forma más simple de este método, el material de extracción y el agente de extracción se mezclan bien. El agente de extracción y la sustancia utilizable disuelta se eliminan y procesan (Jebavy, F., s/f). 3) Menciona las ecuaciones fundamentales del equilibrio termodinámico De acuerdo con Castelló (2020), la etapa de equilibrio es la etapa de contacto en la que la disolución que se obtiene (fase líquida) tiene la misma disolución que la solución retenida por el sólido y se expresa de la siguiente manera: xs xd = ys yd 4) ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema. Según Castelló (2020), el equipo de extracción sólido-líquido, se puede emplear para diversas aplicaciones como: • • • • Recuperación de carotenoides Extracción de glicósidos cianogénicos Extracción de aceite Extracción de cafeína Intercambio iónico 1) Listar los balances de materia y energía que puedan desarrollarse en el sistema. De acuerdo con Geankoplis (2006), el intercambio iónico puede considerarse como un caso especial de adsorción. Teniendo en cuenta lo anterior, los balances de materia resultan en: Balance general FeCe + Se me = FsCs + Ss ms Suponiendo que Fe=Fs=F y que Se=Ss=S, el balance queda F Ce + S me= F Cs + S ms El balance por componente (soluto) F Ysoluto,e + Se msoluto,e = F Ysoluto,s + S msoluto,s 2) ¿Cuál es el principio del Intercambio iónico? Los procesos de intercambio de iones son básicamente reacciones químicas entre iones en solución y iones en una fase sólida insoluble. Las técnicas que se usan en el intercambio de iones se parecen tanto a las que se utilizan en la adsorción, que para la mayoría de los fines de ingeniería, el intercambio de iones se puede considerar como un caso especial de adsorción. En el intercambio de iones, el sólido elimina ciertos iones, pero como se debe conservar su electroneutralidad, libera iones de reemplazo a la solución. (Geankoplis, 2006). 3) Menciona las ecuaciones de equilibrio termodinámico. De acuerdo con Orduño (1999), las resinas actúan como electrolitos en el que solamente cationes o aniones se encuentran disponibles para una reacción química. En el caso de una resina de intercambio catiónico acido fuerte (R-H) se pone en contacto con una solución que contiene aniones B+, ocurre un intercambio de iones B+ por H+ logrando el equilibrio según la siguiente reacción: 𝑅 − 𝐻 + 𝐵 + ↔ 𝑅𝐵 − 𝐻 Ene el que la constante de equilibrio termodinámico se expresa como: 𝐾𝑎 = 𝑎𝐻 + ∗ 𝑎𝑅𝐵 𝑎𝐵+ ∗ 𝑎𝑅𝐻 Donde aH+ y aB+ representan la actividad de los iones en la fase acuosa y aRH y aRB las actividades de los iones en la resina. 4) ¿Cuáles son las aplicaciones industriales más comunes? Relacionarlas con el sistema El intercambio iónico es operación unitaria de amplias aplicaciones, entre las que se pueden mencionar: • • • • • Tratamiento de agua, ablandamiento y desmineralización En la industria azucarera, para la decoloración de jarabes y recuperación de azúcar en melazas En la industria química, para la recuperación y eliminación de metales En la industria farmacéutica, para la extracción y purificación de antibióticos En la industria biotecnológica, para la inmovilización de enzimas. (Ávila, 2014). BIBLIOGRAFÍA • • • • • • • • • • Alfonso Zerquera, H., Pérez Ramos, G., Díaz Alfonso, I., Alba Delgado, S., & Armas y Leyva, R. (2000). Resinas de intercambio iónico para prolongar la liberación de los fármacos. Revista Cubana De Farmacia, 34(3). Retrieved from http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S003475152000000300007&script=sci_arttext&tlng=pt Ávila, B.R. (2014). El Intercambio Iónico, su Descripción y Comportamiento Químico. Instituto Politécnico Nacional. 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