INGENIERIA DE LOS ALIMENTOS 3FCAG-ESIAADSORCION1. DEFINICIONEs operacin de separacin de uno o varios componentes que se da por resultado de la atraccin entre las molculas presentes en la superficie de un slido adsorbente y de una mezcla de fluidos.Este proceso es altamente selectivo, la cantidad adsorbida depende en gran medida de la naturaleza del adsorbente, del tratamiento previo al que se halla sometido a la superficie del mismo y de la naturaleza de la sustancia adsorbida.Este proceso es muy semejante al de absorcin, con la diferencia de que en lugar de mezclarse completamente en la otra fase para estar en forma homognea en su nuevo estado, simplemente se adhiere a la superficie el slido adsorbente.En los procesos de adsorcin hay dos aspectos que deben ser considerados:1)El efecto de la adsorcin sobre la energa interfacial del sistema en el equilibrio (termodinmica)2)La rapidez del proceso de adsorcin( cintica)El grado de solubilidad de una sustancia disuelta es el factor ms importante para determinar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsores. Cuanta mayor atraccin tiene una sustancia por el disolvente menos posibilidad tiene de trasladarse a la interfase para ser adsorbida.1.1 Lnea de operacinEs la forma como ocurre la adsorcin, cada punto indica como el soluto de la solucin baja y el soluto del absorbente aumenta.Curva de equilibrio: significa cada punto que el adsorbente ya no capta ms adsorbato y la adsorcin se detiene existiendo en este punto de determinacin una concentracin dada de soluto en la solucin una concentracin dada de soluto en el adsorbente.La curva que sale de grafico C Vs H es un paraboloide desde el punto de vista de la geometra que debe segn la siguiente ecuacin:Y = m. Xn

(Ec. De Frendlich)

Donde m y n = son constantes de adsorcin que dependen de la caractersticas de adsorcin y tipo de adsorbente que se le est usando.1.2 La adsorcin en solucionesEs la que ms ocurre en la industria alimentaria. Corresponde al tipo de adsorcin en la interfase liquido-solido (solucin adsorbente), este proceso ocurre generalmente en la refinacin de aceites, decoloracin de azcar, clarificacin de bebidas

El tiempo para que el absorbente y solucin liquido alcance un considerable equilibro (estado en el cual el adsorbente ya no puede absorber ms soluto) mantenindose la concentracin del soluto constante tanto en la solucin como el adsorbente.Para alcanzar el equilibrio que ocurre al cabo de un tiempo depender de los siguientes factores:1. Concentracin de absorbente (mayor adsorcin, menor tiempo para alcanzar equilibrio) 1. Tamao de partcula del absorbente (mayor tamao, menor tiempo para alcanzar equilibrio)1. Grado de viscosidad de la solucin (mayor viscosidad, mayor tiempo para alcanzar equilibrio. 1. Intensidad de agitacin (mayor agitacin, mayor tiempo para alcanzar el equilibrio)

1.3 Factores que afectan la adsorcin -Solubilidad: menor solubilidad, mejor adsorcin-Estructura molecular: ms ramificada, mejor adsorcin-Peso molecular: grandes molculas, mejor adsorcin -Problemas de difusin interna: pueden alterar la norma-Polaridad: menor polaridad, mejor adsorcin-Grado de saturacin: insaturados, mejor adsorcin2. TIPOS DE ADSORCION2.1 Adsorcin fsicaCuando las fuerzas son debido a las fuerzas de Van del Waals como las interacciones tipo dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido o fuerzas de dispersin, se usa el termino de adsorcin fsica o fisisorcin, en este tipo de adsorcin, la molcula adsorbida no est fija en un lugar especfico de la superficie de la superficie, sino est libre de trasladarse en la interface. Existe adsorcin fsica en caso de un vapor un aire usando entre adsorbente y adsorbente como SILICA GEL (capta humedad), Predominan fuerzas de VAR DERWALS (fuerza de covalente. Es muy rpida y reversible. El adsorbato puede ser retirado del adsorbente bajo la presin externa recuperndose de esta forma el absorbente.

Se caracteriza por: El calor de adsorcin es de 5-10 Kcal/mol La adsorcin solo es apreciable a temperaturas inferiores a la de ebullicin de las sustancias que se absorbe Los incrementos en la cantidad de sustancias adsorbidas son ms amplios, a medida que se amplan los incrementos de presin d gas que se absorbe. La cantidad de adsorcin sobre una superficie depende ms de la sustancia que se adsorbe, que es el adsorbente. Se forman capas mltiples adsorbidas.

2.2 Adsorcin qumicaCuando las fuerzas son enlaces covalentes se aplica el trmino de adsorcin qumica o quimisorcin, en este el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos de adsorbente, se asemeja a una reaccin qumica y requiere una transferencia de electrones entre adsorbantes y adsorbato, es decir, es el resultado de la interaccin qumica entre el slido y la sustancia adsorbida.Es particularmente importante en la catlisis heterognea, la forma ms comn en la industria, donde un catalizador solido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reaccin en lecho fluido. La adsorcin del reactivo por la superficie del catalizador crea un enlace qumico, alterando la densidad electrnica alrededor de la molcula reactiva y permitiendo reacciones que normalmente no se produciran en otras circunstancias. Existen reacciones qumicas entre adsorbente y adsorbato (caso de ablandamiento de agua dura usando ZEOLITA como adsorbente). Predomina fuerzas covalentes inicas fundamentalmente, pueden ser muy lenta. Es irreversible generalmente. El adsorbato no puede ser retirado con facilidad en muchos casos implica liberacin de calor, es decir exotrmicos.

Se caracteriza: El calor latente de adsorcin es mayor de 20 Kcal/mol La adsorcin se realiza a temperaturas elevadas Los incrementos en la cantidad de sustancia adsorbida son menos amplios a medida que se amplan los incrementos del gas que se adsorbe La cantidad de adsorcin depende a la vez de la sustancia que se adsorbe y del adsorbente La adsorcin da lugar a lo sumo, a una monocapa 3. ADSORBENTEAdsorbente: solido sobre el que se retiene el componente transferible de la fase fluida.Adsorbato: es el componente transferido desde la fase fluida a la superficie del adsorbente.3.1 Naturaleza de los adsorbentesLos slidos adsorbentes por lo general se utilizan en forma granular, varan de tamao desde 12mm de dimetro hasta granos tan pequeos de 50 .La superficie significativa no es la superficie total de las partculas granulares que generalmente se utilizan, sino la superficie mucho mayor de los poros internos de las partculas.Son slidos porosos generalmente, el tamao oscila entre pulg a 50 micras1u = 3.977x10-5Tienen aspecto granular (forma de mxima porosidad) algunos son pulverulentos (presenta mayor rea de expansin)Deben tener propiedad de ingeniera es decir que no afecten a la cada de presin cuando actan como lecho fijo. Deben tener tambin propiedad de fluido cuando est realizando un proceso adsorbido y se tenga que transportar la solucin que se est transportando

3.2 Materiales de adsorbentes Tierras de Fuller Arcillas activadas Bauxita Carbon de hueso Alumina Carbones decolorantes Adsorbentes polimricos sintticos Silica Mallas moleculares Biomasas residuales3.3 Aplicaciones Se emplea ste proceso de adsorcin como separacin son: purificacin de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azcar, en la deshumidificacin de gasolinas, o en el secado de aire. Otra aplicacin muy extendida es la obtencin de nitrgeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbn molcular, especialmente manufacturado para ese propsito.3.4 Evaluacin de adsorbentesLa forma generalmente usada para evaluar un adsorbente suele ser midiendo las concentraciones del mismo antes y despus de la adsorcin.Hay otras formas como son:a) Si el adsorbato procede de un gas o vapor: existen dos mtodos fsicos.-Midiendo presin de vapor del adsorbente ante y despus de la adsorcin.-Por aumento de peso del adsorbente.El mtodo qumico implica realizar un anlisis qumico luego de su uso.b) Si el adsorbato procede de una solucin: hay mtodos fsicos que son: colorimetra y conductimetra.-El mtodo qumico implica un anlisis qumico luego de su uso.

3.5 Recuperacin de adsorbentes y/o adsorbatos (Mecanismos de desorcin)

La desorcin es til para recuperar el adsorbato (caso de un solvente como el benceno atrapado por un absorbente) o recuperar el absorbente (caso SILICA GEL) para luego reutilizarlo. Los mtodos de desorcin son:

a) Pasando una corriente de aire a otro gas sobre la adsorbente a fin de invertir el equilibrio de adsorcin (corriente arrastra adsorbato) producindose desequilibrio. Este mtodo es til con el adsorbato es un gas.b) Pasando por el lecho del adsorbente saturado una corriente de una sustancia que se absorbe mejor que el adsorbato (frecuentemente de vapor de agua que desplaza el adsorbato) este mtodo es til para solucin.c) Por tratamiento qumico (usando una sustancia que destruya al adsorbato sin alterar el adsorbente).d) Por calentamiento; la elevacin de temperatura favorece la desorcin, caso de vapores como el benceno que se desea

3.6 Retentividad de un adsorbenteSe refiere a la capacidad de captar absorbato por un absorbente y retenerloLa retentividad se calcula con la expresin:R= a-d/ aA= cantidad adsorbidaD=CANTIDAD DISORBIDASe puede deducir de todo esto que cuando se trata de recuperar un adsorbente valioso como el solvente benceno interesara una adsorbente con la mnima retentividad por otro lado cuando se trate de que el adsorbente retenga el maxi de adsorbato interesara un absorbente de mxima retentividad.3.7 Clases de adsorbenteLos hay tipo carbones: pueden ser de origen animal o vegetal, hay cerca de 80 tipos de carbones. Ejemplo: carbn activado vegetalTierras: tierras de Fuller,de Batan ,Bentonitas,etc.Geles: geles, inorgnicos, como el Silica gel, alumina.

4. TECNOLOGA ACTUAL

Una de las aplicaciones ms conocidas de la adsorcin en el mundo industrial, es la extraccin de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a travs de un lecho de almina activa u otros materiales con efecto de adsorcin a la molcula de agua.

Hay tres tipos de adsorbentes de uso actual: Carbones activados Materiales polimricos sintticos materiales carboneos

4.1 Carbn activado

El carbn activado como el que se muestra abajo, es el adsorbente ms antiguo y ms utilizado. Es natural, para usos mltiples y se utiliza mucho como adsorbente base.

4.2 Los adsorbentes carboneos

Presentan una matriz de carbn en una manera no muy convencional. Uno o ms adsorbentes carboneos exticos han sido recientemente desarrollados como lo es el conocido fulereno, tambin conocido como futboleno.

4.3 Adsorbentes polimricos sintticos

Como el que se muestra debajo en el centro, son de resina con tecnologa de intercambio inico. Los adsorbentes polimricos tienen una estructura porosa arreglada en una matriz tridimensional.

4.4 Otra tecnologa innovadora de aplicacin actual para adsorcin

Es el uso de micelas. Se denomina micela al conglomerado de molculas que constituye en una de las fases de los coloides. Es el mecanismo por el cual el jabn solubiliza las molculas insolubles en agua, como las grasas. Sin embargo en el caso de las micelas la adsorcin ocurre alrededor del conglomerado y generalmente el adsorbato es agua mientras que el material adsorbedor es hidrofbico y se encuentra en el centro.

Los adsorbentes tienen un amplio rango de usos y variedades. Algunos carbones activados son usados en la defensa militar contra la guerra. Cartuchos de carbn activado se colocan en mscaras antigases para adsorber los gases dainos. El carbn activado tiene 1 000 000 de millas cuadradas de rea superficial por kilogramo de adsorbente.La silica gel, contenida en los paquetes de la imagen se utiliza como agentes desecantes en las industrias de alimentos y electrnica.

Otros ejemplos de adsorbentes incluyen las tierras de fuller y bauxita. Las tierras de fuller son utilizadas en las refineras petroleras, y tambin se utilizan para purificar aceites animales y vegetales. La bauxita es un adsorbente utilizado para deshidratar gaseosas.

Ventajas:

El carbn activado es econmico. Puede ser diseado para aplicaciones especficas. Es posible regenerarlo despus de la fisisorcin

Desventajas:

Componentes no deseados pueden ser adsorbidos en la superficie del adsorbente en el lugar del adsorbato deseado. La regeneracin no es posible despus de la quimisorcin.

5. EQUIPOS DE ADSORCIN QUE SE UTILIZAN ACTUALMENTE

5.1 Adsorbedores de columna en contactoLos adsorbedores de columna de contacto se utilizan en la purificacin de soluciones.

Los adsorbedores de columna de contacto pueden operar en dos modos: como lechos empacados arreglados fijos, o lechos empacados en movimiento o de pulso.

La operacin de lecho de empaque fijo que se muestra en la imagen es la forma ms antigua de adsorcin por columna de contacto. El adsorbente de empaque se coloca dentro de la columna y la solucin que se va a tratar fluye por encima, a travs, y alrededor de l. El lecho empacado debe ser sacado para reemplazarlo o regenerarlo al utilizarse.

En un adsorbedor de lecho de empaque en movimiento o de pulso la solucin no tratada entra al adsorbedor por el fondo y fluye hacia arriba de la columna. Al mismo adsorbente freso entra al adsorbedor desde arriba de la columna y sale por el fondo. El adsorbente utilizado es continuamente removido mientras que el adsorbente fresco es continuamente agregado, permitiendo una operacin ms eficiente.

En la operacin de adsorcin de arreglo de columnas de empaque de lecho fijo, estas pueden ser arregladas en serie o paralelo, y pueden funcionar en modalidad de flujo hacia arriba o hacia abajo.En las columnas de contacto en modo de serie el efluente del primer empaque pasa a un segundo empaque. Si es necesario, lechos adicionales se pueden colocar en serie. El primer lecho empacado se quita para reactivacin cuando el adsorbente se satura con adsorbato. El siguiente empaque en la secuencia asume el rol principal y un empaque fresco se adiciona a la posicin final.

En las operaciones de empaque en paralelo el efluente de todas las columnas es tratado antes de descargarse. Los lechos de empaques en paralelo son removidos de la operacin por etapas para que el sistema siga funcionando y tambin para poder variar parmetros de descarga.

Las operaciones de lecho empacado de pulso estn restringidas a la operacin de flujo hacia arriba. Equipo adicional es requerido para reciclar el adsorbente, el cual permite una operacin ms eficiente.

Se desea utilizar un adsorbente tan pequeo como sea posible. A tamaos pequeos el rea de superficie, y por lo tanto el radio del rea de contacto del empacamiento de adsorbato, es mayor. Esto aumenta la tasa de adsorcin. Sin embargo, las partculas de adsorbente no deben ser muy pequeas porque obstruirn el flujo correcto de la solucin a travs de la columna.

Ventajas: Series de lechos fijos tienen mayor eficiencia que una sola columna de lecho fijo Los lechos fijos en paralelo aseguran que la corriente cuente con la concentracin de contaminantes requeridos En los empaques de lechos de pulso o dinmicos no se requiere apagar el equipo para reponer o regenerar el adsorbente. Desventajas: Se requiere equipo adicional para los lechos de pulso La operacin en lechos en paralelo es ineficiente Los lechos fijos requieren que se pause el proceso para reemplazar el empaque5.2 Adsorbedores de lechada de contacto

Los adsorbedores de lechada de contacto utilizan una lechada adsorbente en polvo para adsorber el material deseado. Debajo se muestran unos adsorbedores de lechada de contacto que se utilizan en la produccin de cido clorhdrico.

En los adsorbedores de lechada de contacto el polvo de adsorbente se mezcla con la solucin que ser tratada y la mezcla es luego agitada. La agitacin distribuye al adsorbente a travs de la solucin. El adsorbente es despus removido de la solucin purificada por filtracin. La adsorcin de lechado de contacto puede ser llevada a cabo de varias formas: en una sola etapa (batch), mltiples etapas (mltiple batch), mltiples etapas a contracorriente y de forma continua

En el tratamiento batch de una sola etapa el adsorbente fresco se pone en contacto con el fluido en un contenedor completamente mezclado. Despus del tiempo de contacto requerido, el adsorbente es separado del fluido por filtracin. En este punto, el fluido purificado es de la calidad deseada y el adsorbente utilizado es desechado o regenerado.

En un batch de tratamiento de etapas mltiples la solucin pasa por muchas etapas individuales. El efluente de una etapa entra mientras la solucin es tratada en la siguiente etapa. En este tipo de tratamiento, Tambin conocido como tratamiento dividido, cada etapa implica una parte de la separacin total.

En las etapas mltiples a contracorriente la separacin por adsorcin es un sistema de dos pasos. Involucra el contacto entre la solucin sin tratar con un adsorbente utilizado una nica vez el cual, despus de este segundo uso, es desechado o regenerado.

El fluido parcialmente tratado es entonces puesto en contacto con el adsorbedor fresco el cual, despus de la separacin, se convierte en el adsorbente que va a tratar una nueva solucin de alimentacin en el batch.

En un adsorbedor de lechada de contacto continuo una serie de tanques agitados son utilizados para alcanzar un flujo uniforme. La adsorcin toma lugar mientras que el adsorbente y solucin viajan a travs de una serie de tanques. Cuando la concentracin deseada ha sido alcanzada, el adsorbente es filtrado de la solucin purificada.

Algunas aplicaciones comunes de la adsorcin por lechada de contacto se incluyen en la purificacin del agua, aplicaciones farmacuticas, y en decoloracin. Debajo se muestra un sistema de carbn activado para recuperacin de COV`S.

Ventajas: El contacto contracorriente puede bajar los costos de operacin No es necesario apagar el equipo para mantener el catalizador fresco Desventajas: Los procesos de etapas mltiples son ms caros que etapas individuales Se requiere equipo de filtracin adicional Sin regeneracin, el uso de adsorbedores de polvo de lechada de contacto pueden resultar caros

6. LA ADSORCION A NIVEL INDUSTRIALBalance de materia en la adsorcin .hay 2 tipos de adsorcin que se aplican en la industria,el mtodo por contacto en done el adsorbente y la solucin estn en contacto todo el tiempo ,este es el mas usado.El otro mtodo es percolacin ,aqu el adsorbente y la solucin que tambin puede ser un gas estn en cntacto solo un instante.Se hara el balance de materia mas usado en la industria alimentaria que es el de mtodo por contacto(adsorbato y solucin en contacto todo el tiempo)

DONDE:L= Kg de adsorbenteXo= kg de soluto/ kg de adsorbenteG= kg de solucinYo=kg de soluto /kg de solucinM= kg de mezcladoXo= kg soluto/kg mezclaL1=kg de adsorbenteX1=kg soluto/kg de solventeG1= solucinY1=kg de soluto/kg de solucin6.1 Balance total de materia(TODO LO QUE ENTRA ES GUAL A LO QUE SALE)L+G=L1+G1BALANCE PARCIAL DEL SOLUTOL Xo + GYo = L1 Y1 +G1Y1BALANCE EN EL TANQUE DE ADSORCIONL +G =MBALANCE DE SOLUTOLXo + GYo =MXmBalance en el flitroM= L1 + G1BALANCE DE SOLUTOMXm =L1 X1 + G1Y17. ISOTERMA DE ADSORCIN DE LANGMUIRLa isoterma de Langmuir o ecuacin de adsorcin de Langumir relaciona la adsorcin de molculas en un medio que se encuentra encima de la superficie solida a una temperatura constante. La ecuacin fue determinada por Irving Langmuir por concentraciones tericas en 1916. Es una ecuacin mucho ms exacta para las isotermas de adsorcion del tipo 1.

Los gases, al ser adsorbidos por la superficie del slido, forman nicamente una capa de espesor monomolecularAdems, visualiz que el proceso de adsorcin consta de dos acciones opuestas, una de condensacin de las molculas de la fase de gas sobre la superficie, y una de evaporacin de las situadas en la superficie hacia el gas. Cuando principia la adsorcin, cada molcula que colisiona con la superficie puede condensarse en ella, pero al proseguir esta accin, cabe esperar que resulten adsorbidas aquellas molculas que inciden en alguna parte de la superficie no cubierta todava, pero adems una molcula es capaz de liberarse por la agitacin trmica escapndose hacia el gas. Cuando las velocidades de condensacin y de liberacin se hacen iguales entonces se establece el equilibrio.

Segn las velocidades de adsorcin y desorcin para dar una expresin que represente el equilibrio de adsorcin suponiendoV=Volumen de gas adsorbido en el equilibrio por gramo de adsorbente a una presin PVm0Volumen de gas necesario para cubrir 1gr de adsorbente con una monocapa completa

7.1. La velocidad de adsorcin depende de: Velocidad a que las molculas de gas chocan con la superficie del solido que es proporcional a la presin De la probabilidad de un sitio De un trmino de activacin donde E es la energa de activacin para la adsorcin7.2. La velocidad de Desorcin Depende de: De la fraccin de superficie cubierta De un trmino de activacin , donde E es la energa para la desorcin

K= constante de proporcionalidadSuponiendo que el calor de adsorcin es independiente del estado de recubrimiento

Donde a es una constante que depende de la temperatura, pero no del recubrimiento de la superficie, pero no del recubrimiento de la superficie. Sustituyendo:

O

O bien,

Es decir, una representacion de P/V frente a P debe dar una linea recta de pendiente y una ordenada en el origen

EjerciciosLa adsorcion del cloruro de etilo por muestra de carbn a 0C medida a diferentes presiones proporciona los siguientes datosP (mmHg)V (cm3)

1003.8

2004.0

3004.3

4004.7

5004.8

Se procede a seguir la isoterma de Langmuir, recordando que:

Isoterma de Langmuir

Por lo tantoY (P/V)X (P)

26.3157895100

50200

69.7674419300

85.106383400

104.166667500

Dnde:

Procedemos a realizar los siguientes clculos de acuerdo a la recta:Para el clculo de la constante a de Langmuir

Calculo de Vm (volumen de gas correspondiente al recubrimiento)

Calculo de a

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