Separacin Slido-LquidoSeparacin y Procesos Biotecnolgicos

Cules son las etapas en las cuales hay una Separacin Slido-Lquido?

Procesos de Separaciones Slido-Lquido

Cundo se utiliza la separacin slido-lquido?

Procesos de Separaciones Slido-Lquido

Cundo se utiliza la separacin slido-lquido?

Separacin de clulas Separacin de desechos celulares Recuperacin de cuerpos incluidos Qu son?Concentracin

Procesos de Separaciones Slido-Lquido

Cundo se utiliza la separacin slido-lquido?Separacin de clulas Separacin de desechos celulares Recuperacin de cuerpos incluidos Qu son?Concentracin

PProcesos de Separaciones Slido-Lquido Cundo se utiliza la separacin slido-lquido?Separacin de clulas Separacin de desechos celulares Recuperacin de cuerpos incluidos Qu son?ConcentracinQu contiene la suspensin proveniente del fermentador? m.o intactosFragmentos de m.o Por qu?Fase slida Ingredientes insolubles del medio, i.e glucano.Sustrato insoluble residualSustrato soluble residualFase lquida Metabolitos intermediosProductos deseadosOtros productos solubles

Cules son las operaciones unitarias utilizadas para la separacin slido-lquido? Cules conocen sus ecuaciones de diseo?

Cules son las operaciones unitarias utilizadas para la separacin slido-lquido?Sedimentacin CentrifugacinFiltracinOperaciones auxiliares Coagulacin FloculacinOperaciones de membrana MicrofiltracinUltrafiltracinDilisisExtraccin lquido-lquido SS

Centrifugacin

Operacin unitaria utilizada para la separacin:slido-lquido lquido-lquido

CENTRIFUGACIN

Centrifugacin utiliza la diferencia de densidad entre los slidos y el fluido que lo rodea.

Es una de las principales operaciones utilizadas en la separacin de clulas desde caldos biolgicos, especialmente cuando los caldos no son fciles de filtrar.Tambin se emplea en la remocin de desechos celulares, separacin de precipitados proteicos y recuperacin de productos insolubles (cuerpos incluidos)

Centrifugacn v/s Sedimentacin

Cuando la suspensin se encuentra detenida los slidos ms densos comienzan a decantar bajo:

- La accin de la fuerza de gravedad, proceso llamado sedimentacin.

Un campo centrfugo el proceso se llama centrifugacin. FuerzaCuando se utiliza la centrifugacin la diferencia entre la densidad los slidos (clulas o partculas) y el caldo, se incrementa por la accin de la fuerza centrfugas que se generan por las altas velocidades de rotacin de los equipos. El proceso de separacin es ms rpido

Ejemplos de Centrifugas

Tipo Tubular

De Discos

Comparacin entre los diferentes tipos de centrfuga

Hoja1

Comparacin entre los diferentes tipos de centrifuga

Caractersticas manejables de la Alimentacin

Tipo deTamao deContenidoPrueba dePrueba de

CentrifugaPartculaSlidosSedimentacinConsistencia

micras%a 1.000 G (min)de los Slidos

Tubular01 - 200< 0.52 - 20torta firme

Cmara Mltiple0.5 - 5.0001 - 52 - 20torta firme

Discos y boquillas0.5 - 2002 - 201 - 10lodo

Discos Tazn abierto0.5 - 200< 101 - 10lodo

Discos y boquillas0.5 - 200< 101 - 10lodo

Discos Intermitentes0.15 - 200< 11 - 10torta firme

Tazn Slido2 - 5.0001 - 5torta firme

Decantadora2 - 5.0002 -60lodo - torta

Hoja2

Hoja3

Comparacin entre los diferentes tipos de centrfuga

Hoja1

Comparacin entre los diferentes tipos de centrifuga

Caractersticas de Procesamiento

Tipo deMtodo deCapacidadFlujo de laFuerza g

Centrifugadescarga delavado deAlimentacinMxima

slidostortaL/min

TubularIntermitenteNinguna8 - 10012,000 - 16,000

Cmara MltipleIntermitenteNinguna1.5 - 3355,000 - 9,000

Discos y boquillasContinuoModerada3,8 - 3,7805,000 - 8,500

Discos Tazn abiertoIntermitenteNinguna3,8 - 1,5005,000 - 7,000

Discos y boquillasIntermitenteNinguna3,8 - 57014,000 - 16,000

Discos IntermitentesIntermitenteNinguna0,38 - 1,5005,000 - 8,000

Tazn SlidoIntermitenteNinguna1,5 - 250500 - 800

DecantadoraContinuoModerada3, 8 - 1,8002,000 - 3,200

Adaptada de: Meir, 1988

Carctersticas de la materia celular

Tipo de ClulasTamaoDensidadReistenciaProceso Tipico de

( m m )(g/ m3)al esfuerzo deSeparacin

Corte

Bacteria0.5 - 31050-1080AltaCentrifugacion;

1050- 1090Micro-filtracion

Levaduras5 - 101050 - 1090Filtracin

Centrifugacion

Hongos1 x 100's1050 - 1090MediaFiltracin al vaco

Filamentosos

Plantas1 - 1001050 - 1090BajaMicrofiltracion;

centrifugation a baja velocidad

Fotacin

Clulas Animales10 - 40Muy Baja

Floculos de Clulas10 - 100's1010 - 1080VariableCentrifugracion;

Sedimentacin

Desechos celulares0.41010-1200BajaCentrifugracion;

Microfiltracion;

Particin en dos fases

Protenas Precipitadas0.1 - 100's1010-1200MediaCentrifugacion;

Microfiltracion;

Ultrafiltracion

Hoja2

Hoja3

Caractersticas de la materia celular

Hoja1

Comparacin entre los diferentes tipos de centrifuga

Caractersticas manejables de la Alimentacin

Tipo deTamao deContenidoPrueba dePrueba de

CentrifugaPartculaSlidosSedimentacinConsistencia

micras%a 1.000 C (min)de los Slidos

Tubular01 - 200< 0.52 - 20torta firme

Cmara Mltiple0.5 - 5.0001 - 52 - 20torta firme

Discos y boquillas0.5 - 2002 - 201 - 10lodo

Discos Tazn abierto0.5 - 200< 101 - 10lodo

Discos y boquillas0.5 - 200< 101 - 10lodo

Discos Intermitentes0.15 - 200< 11 - 10torta firme

Tazn Slido2 - 5.0001 - 50 - 0torta firme

Decantadora2 - 5.0002 -600 - 0lodo - torta

Caractersticas de Procesamiento

Tipo deMtodo deCapacidadFlujo de laFuerza g

Centrifugadescarga delavado deAlimentacinMxima

slidostorta1/mla

TubularIntermitenteNinguna8 - 10012,000 - 16,000

Cmara MltipleIntermitenteNinguna1.5 - 3355,000 - 9,000

Discos y boquillasContinuoModerada3,8 - 3,7805,000 - 8,500

Discos Tazn abiertoIntermitenteNinguna3,8 - 1,5005,000 - 7,000

Discos y boquillasIntermitenteNinguna3,8 - 57014,000 - 16,000

Discos IntermitentesIntermitenteNinguna0,38 - 1,5005,000 - 8,000

Tazn SlidoIntermitenteNinguna1,5 - 250500 - 800

DecantadoraContinuoModerada3, 8 - 1,8002,000 - 3,200

Adaptada de: Meir, 1988

Carctersticas de la materia celular

Tipo de ClulasTamaoDensidadReistenciaProceso Tipico de

( m m )(g/ m3)al esfuerzo deSeparacin

Corte

Bacteria0.5 - 31050-1080AltaCentrifugacion;

1050- 1090Micro-filtracion

Levaduras5 - 101050 - 1090Filtracin

Centrifugacion

Hongos1 x 100's1050 - 1090MediaFiltracin al vaco

Filamentosos

Plantas1 - 1001050 - 1090BajaMicrofiltracion;

Clulas Animales10 - 40Muy BajaCentrifugacion a baja velocidad

Fotacin

Floculos de Clulas10 - 100's1010 - 1080VariableCentrifugracion;

Sedimentacin

Desechos celulares0.41010-1200BajaCentrifugracion;

Microfiltracion;

Particin en dos fases

Protenas Precipitadas0.1 - 100's1010-1200MediaCentrifugacion;

Microfiltracion;

Ultrafiltracion

Hoja2

Hoja3

SEDIMENTACION DE SOLIDOS

Una partcula al moverse en un medio continuo e infinito se ve afectada por 2 fuerzas.Fuerza de Flotacin

La partcula es acelerada por la fuerza de flotacin, FB, que es la resultante de la diferencia de densidades entre la partcula y el fluido (FB). Segn Newton (suponiendo partculas esfricas):

EmpujeGDonde d: dimetro de la partcula rs,r: densidad de la partcula y del fluidoa: aceleracin del campo al cual est sometido la partcula

(1)

Por otra parte, la partcula al moverse se ve retardada por la fuerza de roce, FD, que se opone al movimiento. Segn la Ley de Stoke

Fuerza de RoceDonde = viscosidad del mediov = velocidad de la partcula

A partir de (3) se puede determinar la velocidad terminal.

depende del campo al cual se encuentre sometida (4)

Ejemplo 1Sedimentacin de clulas inmovilizadas

Muchas clulas animales son cultivadas en la superficie de micro-esferas Esas esferas (microcarrier) tienen una densidad de 1.02 g/cm3 y un dimetro de 150 m. Un fermentador 50 litros es usado para el crecimiento de estas clulas en los microcarrier para producir una vacuna. Despus que las clulas han crecido, la agitacin es detenida y los microcarrier comienzan a sedimentar. El estanque tiene una razn entre altura y dimetro de 1,5.El flujo libre de microcarrier tiene una densidad de 1.00 g/cm3 y una viscosidad de 1,1 cP. ( 0.011 [g/cm sec] )Calcule el tiempo de sedimentacin de estos microcarrier suponiendo que sedimentan a su velocidad terminal.

Si es un campo centrfugo (6)

Se pueden correlacionar las 2 velocidades

Factor G

(Distinto a la eficiencia granulomtrica)Se define el factor G para caracterizacin y escalamiento de centrfugas es una medida relativa de la velocidad de sedimentacin de una partcula en un campo centrfugo con respecto a su gravitacional.

Generalmente las condiciones de operacin de definen en funcin de los G que se deben aplicar.

ECUACION DE DISEO Existe un movimiento en la direccin r

CENTRIFUGA DE BOTELLAS (laboratorio)Integrando(10)(11)(12)

Ejemplo 2 Centrifugacin discontinua de Clulas de levadura

Una centrfuga, que utiliza botellas, es usada para colectar las clulas de levadura luego de una fermentacin. Durante la centrifugacin la distancia entre la superficie del lquido y el eje de rotacin (eje axial) es 3 cm y la distancia entre el fondo del cilindro al eje axial es 10 cm. Las clulas de levadura se pueden asumir como partculas esfricas con un dimetro de 8.0 m y una densidad de 1.05 g/cm3. El fluido tiene propiedades similares al agua pura. ( Densidad 1.00 g/cm3 y una viscosidad de 0.01 g/cm sec)La centrifuga est operando a 500 rpmDetermine el tiempo que tomar una separacin completa de las levaduras.

ECUACIONES DE DISEO Existe un movimiento en la direccin z y rMovimiento en Direccin z(7)

Q: Flujo de alimentacin

R1,R3 : Radio del nivel del lquido, Radio de la centrfuga

CENTRIFUGA TUBULAR

Movimiento en Direccin radial r(8)

Q: Flujo de alimentacin

R1,R3 : Radio del nivel del lquido, Radio de la centrfuga

El movimiento combinado

(9)

Dependiendo de los valores de vg y Q depender la posicin de la partcula en la centrfuga.Se puede calcular un flujo ptimo para que una partcula que ingresa por el centro, slo se pegue a la pared al final. Tal que:

z = Lr = R3

As se determina la ecuacin de diseo de una centrfuga tubular:

(10)

Simplificando

As se determina la ecuacin de diseo de una centrfuga tubular.

(17)

Caracterstica de la centrfuga y condiciones de operacinParmetro de diseoFlujo Funcin de la partcula

ECUACION DE DISEOEn un anlisis anlogo para centrfugas de disco se tiene como ecuacin de diseo:

ND : Nmero de discos.

Ms detalles ver desarrollo:CENTRIFUGA DE DISCOS(18)Belter P., Cussler E.L. and Hu Wei Shou "Bioseparations : Dowstream Processing forBiotechnology":, John Wiley and Sons , 1988.

Ejemplo 3 Centrifuga continua de Disco para ChlorellaClulas de Chlorella han sido cultivadas en un estanque abierto, las clulas sern cosechadas hacindolas pasar a travs de una centrfuga de discos.La velocidad de sedimentacin de estas clulas ha sido medida y es de 1.07 x 10-4 cm/seg.La centrfuga tiene 80 discos con un ngulo de 40, el radio externo es 15,7 cm y el dimetro interno de 6 cm.Se planea operar la centrfuga a 6000 r/min.Estime la cantidad de flujo que puede ser procesado en esta centrfuga.

Escalamiento de Centrifugacin

El diseo de centrfugas a gran escala involucra el uso de informacin de laboratorio para predecir el comportamiento de las centrfugas comerciales.

Mtodos que se pueden utilizar para tratar de adaptar los procesos de laboratorio a gran escala.a) Mtodos Cualitativosb) Mtodos Cuantitativos

a) Mtodos cualitativo (Estimacin Gruesa)Se establece un coeficiente de dificultad que tiene una separacin dada para lo cual se calcula un coeficiente entre G y el tiempo aplicado, ie, G tRo: radio caracterstico o mximo de la centrfuga.(19)

Existen valores caracterstico para cada variedad de biomasaSlido G t [sec] Clulas eucariontes0.3 10-6Cloroplastos0.3 10-6Desechos clulas eucariotes2.0 10-6Ncleo de clula2.0 10-6Protenas precipitadas9.0 10-6Bacterias18 10-6Mitocondrias18 10-6Desechos bacterias54 10-6Lisosomas1100 10-6Ribosomas1100 10-6Polisomas1100 10-6

A gran escala se debe mantener el mismo valor de G t, para ello se determina G o t y se selecciona que equipo puede ser til

b) Mtodo CuantitativoPara cada tipo de centrfuga se define segn una ecuacin del tipo:

Para comparar 2 centrfugas de diferente tipo se deben considerar factores de eficiencia y se debe cumplir:

Eficiencia, , para cada tipo de centrfuga, es:

TipoEficiencia [%]Botellas (lab)100Tubular80Discos55

(20)(21)

Ejemplo 4 EscalamientoSe han realizado pruebas de laboratorio para definir el parmetro de escalamiento para el procesamiento de una suspensin con material celular. En el experimento se procesaron 3.3 [lt/min] de una suspensin de clulas de E.coli , en una centrifuga tubular de 12.7 [cm] de radio interno y 73 [cm] de largo. Se utiliz una velocidad de rotacin de 16000 r.p.m.Se requiere seleccionar una centrfuga para procesar 800 [lt/hr] de la misma suspensin antes mencionada. Para ello se cuenta con las siguientes alternativas de centrfugas de discos.

Potencia

La potencia consumida por una centrifuga depender del caudal al tratar Q, de la velocidad angular W y del radio R.As su consumo energtico est dado por:

Potencia =a *Q* (W* R)2

Donde a es una constante que depende del tipo de centrifuga.

Costo de CentrifugasEl valor depende generalmente del S de la centrifuga, as

Variaciones en el tiempo de compra

Ct2 = Ct1 It2/It1

C: precio compra I: indice de costost1: base de costeo a tiempo t1 t2: tiempoINDICESChemical Eng Plant Cost IndexMarshall & Swift EquipmentCost Index Actualizacin de los costos con el tiempo

Referencias:Belter P., Cussler E.L. and Hu Wei Shou "Bioseparations : Dowstream Processing for Biotechnology":, John Wiley and Sons , 1988.Doran M." Bioprocess Engineering Principles", Academic Press, 1995.Tejeda, R.M.Montesinos, R.Guzmn "Bioseparaciones", Editorial Unison, 1995.