separaciÓn industrial de proteÍnas mediante … · interÉs industrial de las proteÍnas...

SEPARACIÓN INDUSTRIAL DE PROTEÍNAS MEDIANTE

MEMBRANAS

SEPARACIÓN INDUSTRIAL DE SEPARACIÓN INDUSTRIAL DE PROTEÍNAS MEDIANTE PROTEÍNAS MEDIANTE

MEMBRANASMEMBRANAS

Silvia ÁlvarezSilvia Álvarez

Dpto. Ing. Química

Dy Nuclear

Universidad Politécnica de Valencia

I Q NDpto. Ing. Química

Dy Nuclear


I Q NDpto. Ing. Química

Dy Nuclear


I Q NDepartamento de Ingeniería Química y NuclearDepartamento de Ingeniería Química y Nuclear

Universidad Politécnica de ValenciaUniversidad Politécnica de Valencia

Francisco A. Riera, Ricardo ÁlvarezFrancisco A. Riera, Ricardo ÁlvarezDepartamento de Ingeniería Química y Departamento de Ingeniería Química y

Tecnología del Medio AmbienteTecnología del Medio AmbienteUniversidad de OviedoUniversidad de Oviedo

ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓNÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN

IntroducciónIntroducción

Interés de la separación de proteínasInterés de la separación de proteínas

Métodos de fraccionamiento de proteínasMétodos de fraccionamiento de proteínas

Fundamentos de los procesos de Fundamentos de los procesos de membranasmembranas

Aplicación de los procesos de membranas a la Aplicación de los procesos de membranas a la separación de proteínas: resultados separación de proteínas: resultados experimentalesexperimentales

Conclusiones Conclusiones PROMETEO

Procesos de Membrana,Tratamiento de Efluentes

y Optimización

Grupo de I+D+IPROMETEO


y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

INTERÉS INDUSTRIAL DE LAS PROTEÍNASINTERÉS INDUSTRIAL DE LAS PROTEÍNAS

Propiedades de las proteínasPropiedades de las proteínasNuticionalesNuticionalesBiológicasBiológicasFuncionalesFuncionales

EmulsificaciónEmulsificaciónGelificaciónGelificaciónFormación de espumas, etcFormación de espumas, etc..

Fuentes de proteínasFuentes de proteínasDe origen vegetalDe origen vegetal

SojaSojaCáscara de arrozCáscara de arrozSalvado y gluten de maíz, Salvado y gluten de maíz, etc.etc.

De origen animalDe origen animalLactosueroLactosueroSangre de mataderoSangre de mataderoResiduos de industrias de Residuos de industrias de pescado (harineras, etc.), pescado (harineras, etc.), etc.etc.

Aplicaciones de las proteínasAplicaciones de las proteínasIndustria Industria alimentariaalimentariaIndustria Industria famaceúticafamaceúticaMedicina, etc.Medicina, etc. PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

LACTOSUERO COMO FUENTE DE PROTEÍNASLACTOSUERO COMO FUENTE DE PROTEÍNAS

Componente Lactosuero dulce Lactosuero ácidoAcidez (pH) 5.6 - 6-1 4.7Agua (%) 93.2 - 93.6 93.2Sólidos totales (%) 6.4 - 6.8 6.8Contenido en sólidos (%)

Lactosa 4.9 - 5.1 4.3 - 4.4Proteínas 0.8 - 0.9 0.8Materia Grasa 0.3 0.1Ácido láctico 0.2 0.5 - 0.6Cenizas 0.6 0.7

Minerales: Ca, P, Fe, K, Na, Cl, MgVitaminas: A, Tiamina, Riboflavina, Niacina, Acido Pantoténico y nicotínico, B6

Composición química del lactosuero en base líquida

Composición de sólidos del

lactosuero dulce72%

12%3% 9% 0%4% Lactosa

ProteínasMateria GrasaAcido lácticoCenizasVitaminas

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

PRODUCCIÓN Y APLICACIONES DEL PRODUCCIÓN Y APLICACIONES DEL LACTOSUEROLACTOSUERO

ProductoProductoMundoMundo

((MkgMkg/año)/año)EuropaEuropa

((MkgMkg/año)/año)EspañaEspaña

((MkgMkg/año)/año)AsturiasAsturias

((MkgMkg/año)/año)

LecheLecheQuesoQuesoLactosueroLactosuero

41100041100013 70013 700116 000116 000

134 000134 0004 4704 470

38 00038 000

5 0005 000200200

1 7001 700

65065021.721.7184.4184.4

APLICACIONES ACTUALESAPLICACIONES ACTUALES

Clarificación/separación MG/Clarificación/separación MG/PasteurizaciónPasteurizaciónConcentración:Concentración:

EvaporaciónEvaporaciónOIOICristalizaciónCristalizaciónSecadoSecado

DesmineralizaciónDesmineralizaciónIIIIEDED

Precipitación (T, pH)Precipitación (T, pH)OI/NFOI/NFDifusión de ionesDifusión de iones

Obtención de lactosa y derivadosObtención de lactosa y derivadosObtención de Concentrados de Obtención de Concentrados de Proteínas Lácteas (CPL)Proteínas Lácteas (CPL)

Coagulación/PrecipitaciónCoagulación/PrecipitaciónEDEDFiltración en fase de Filtración en fase de gelgelUFUF

PRINCIPALES PROTEÍNAS DEL LACTOSUEROPRINCIPALES PROTEÍNAS DEL LACTOSUERO

β-Lg (2.7-3.0 g/L)α-La (0.7-1.2 g/L)BSA (0.25-0.3 g/L)

Igs (0.65 g/L)PP (0.6-1.0 g/L)CMP (0.75 g/L)Lf (0.035 g/L)Lp (0.02 g/L)

44%

16%4%

10%

13%12%

~0%1%

En España (t/año)

51002040

1100510 59,5 34

β-Lgα-LaIgsBSALfLp

En Asturias (t/año)

553,2 221,4

12055,33,76,4

β-Lg

α-La

Igs

BSA

Lp

Lf

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

Total: 14 450 t/año Total: 1 560 t/año

PRINCIPALES PROTEÍNAS DEL LACTOSUEROPRINCIPALES PROTEÍNAS DEL LACTOSUEROPropiedades funcionales

0

20

40

60

80

100

BSA lgG

SolubilidadFormación de espumasFormación de emulsionesGelificación

β-Lg α-La

pH 4.6

Valor añadido

Proteína Precio (pts/kg)β-Lgα-La

LfLp

800 – 15002000 – 8000

40 000 – 120 000120 000

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

MÉTODOS DE FRACCIONAMIENTOMÉTODOS DE FRACCIONAMIENTO

Métodos clásicos

1. Separación por intercambio iónico2. Separación por cambios de pH3. Separación por modificación de temperatura4. Separación utilizando agentes de precipitación

Nuevos métodos

Técnicas con membranas

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

MEMBRANAS: FUNDAMENTOSMEMBRANAS: FUNDAMENTOSVENTAJAS:

Inversión menor que los procesos convencionalesInversión menor que los procesos convencionalesReducido consumo energético (no requieren cambio de fase, separaReducido consumo energético (no requieren cambio de fase, separación física)ción física)Menor producción de residuos por no requerir aditivosMenor producción de residuos por no requerir aditivosProcesos normalmente más sencillos que los convencionalesProcesos normalmente más sencillos que los convencionalesSistemas compactos y modularesSistemas compactos y modularesCondiciones de operación suaves (T ambiente)Condiciones de operación suaves (T ambiente)

Se evita la desnaturalización de las proteínas y pérdidas de aroSe evita la desnaturalización de las proteínas y pérdidas de aromasmasNo se alteran las propiedades organolépticas y funcionalesNo se alteran las propiedades organolépticas y funcionales

Fáciles de combinar con otros procesos de separación (procesos hFáciles de combinar con otros procesos de separación (procesos híbridos)íbridos)Pueden operar en continuoPueden operar en continuoLas propiedades de las membranas se pueden elegir o diseñar paraLas propiedades de las membranas se pueden elegir o diseñar para una una separación específica (material, tamaño de poro, etc.)separación específica (material, tamaño de poro, etc.)

LIMITACIONES:

Concentración por polarización y ensuciamientoConcentración por polarización y ensuciamientoLimitada vida media de las membranasLimitada vida media de las membranas PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

MEMBRANAS: FUNDAMENTOSMEMBRANAS: FUNDAMENTOS

Clasificación según la fuerza impulsora:

Presión

• Microfiltración (MF)• Ultrafiltración (UF)• Nanofiltración (NF)• Ósmosis inversa (OI)

Concentración

• Diálisis (D)• Diálisis Donnan o por difusión (DD)• Contactores de membranas (CM)

Presión parcial

• Separación de gases (SG)• Permeación de vapor (VP)• Pervaporación (PV)

Membrana

Alimentación

Retenido

Permeado

Potencial eléctrico

• Electrodiálisis (ED)PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

MEMBRANAS: FUNDAMENTOSMEMBRANAS: FUNDAMENTOS

< 0.001ÓSMOSIS INVERSA

0,001 – 0,01NANOFILTRACIÓN

0,005 – 0,2ULTRAFILTRACIÓN

0,05 - 2MICROFILTRACIÓN

TAMAÑO DE PORO (µm)

TECNOLOGIA DE MEMBRANA

PRESIÓN DE TRABAJO (bar)

0 – 4

2 – 10

10 – 25

20 – 100

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

MEMBRANAS: FUNDAMENTOSMEMBRANAS: FUNDAMENTOSProcesos con membranas cuya fuerza impulsora es el gradiente de presión

ColoidesMicroorganismos

Ultrafiltración

Microfiltración

Macromoléculas

Moléculas pequeñasSales divalentesNanofiltración

Sales monovalentesÓsmosis inversa

AguaPROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

FACTORES QUE DETERMINAN LA FACTORES QUE DETERMINAN LA VIABILIDAD DEL PROCESO DE MEMBRANASVIABILIDAD DEL PROCESO DE MEMBRANAS

GRADO DE PUREZADE LAS PROTEÍNASSELECTIVIDAD

22

11

/CRCP/CRCPψ =

GRADO DE RECUPERACIÓNDE LAS PROTEÍNASRENDIMIENTO

% Recuperado en el producto

DISMINUCIÓN DEL TAMAÑODE LA PLANTA/TIEMPO DE

OPERACIÓN

DENSIDAD DE FLUJODE PERMEADO

J (L/h m2) PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

VARIABLES A ESTUDIARVARIABLES A ESTUDIAR

Tipo de membranaTipo de membranaMaterial Material GeometrGeometrííaaTamaTamañño de poroo de poro

Condiciones de operaciónCondiciones de operaciónTemperaturaTemperaturaCaudalCaudalPresiPresióónnpHpHFuerza iFuerza ióónicanicaFactor de concentraciFactor de concentracióónnModo de operaciModo de operacióón n ((diafiltracidiafiltracióónn, , batchbatch, etc.), etc.)

Protocolo de limpiezaProtocolo de limpiezaPROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS DEL PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS DEL LACTOSUEROLACTOSUERO

Peso molecular de las proteínasPuntos isoeléctricos de las proteínas

0 2 4 6 8 10pH

α-Laβ-LgBSAIgGLfLp

Prot

eína

s

0

50000

100000

150000

200000

Peso molecular

α-La β-Lg BSA Igs Lf Lp

Proteína

Convencionalmente:Separación adecuada solamente si la relación entre los

pesos moleculares de los solutos es ≥ 10PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

FILTRACIÓN TANGENCIAL DE ALTO FILTRACIÓN TANGENCIAL DE ALTO RENDIMIENTO (HPTFF)RENDIMIENTO (HPTFF)

Seleccionando adecuadamente las condiciones de operación (pH y fuerza iónica) es posible separar proteínas de similar peso

molecular

Proteína cargada: Rodeada de nube de iones = doble capa difusa

Espesor de la doble capa difusa = longitud de Debye

LD = 0.304 (I)-1/2 I : Fuerza iónica (mol/L)

A mayor valor de LD mayor valor del volumen hidrodinámico

Ref = rs + 0.045 z2 LD/rs rs : radio de proteína neutraz: carga superficial

Regla:

Valor reducido de la fuerza iónica (mayor Ref)

Valor del pH próximo al pI de la proteína de menor peso molecular (Ref reducido) y alejado del pI de la proteína de mayor peso molecular (Ref elevado)

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE HPTFFHPTFF

Proteína Peso molecular (g/mol)

M1/M2 pI ∆pI

IgGBSAHemoglobina

155 00069 00069 000

2.2

1.0

74.77.1

2.3

2.4

Separación de BSA e IgG, Saksena and Zydney, 1994 (membrana: 100 kg/molde polietersulfona (PES))

RESULTADOSI : 1.5 mM NaCl pH : 4.8 ψ : 50I : 1.5 mM NaCl pH : 7.2 ψ ≤ 2

Separación de BSA y hemoglobina, van Eijdhoven et al., 1995 (membrana: 100 kg/mol de polietersulfona)

RESULTADOSI : 2.0 mM NaCl pH : 7.1 ψ : 70I : 100 mM NaCl pH : 7.1 ψ ≈ 1

SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE HPTFF: RESUMEN DE RESULTADOSHPTFF: RESUMEN DE RESULTADOS

Proteína en retenido

Proteína en permeado

M1/M2 ∆pI Selectividad Membrana Referencia

BSA Lisozima 4.8 6.2 170 PTTK 30 kg/molPS, Millipore

Iritani et al.,1995

BSA Mioglobina 3.9 2.2 25 Diaflo YM30 celulosa, Amicon

Nakatsuka y Michaels, 1993

BSA Hemoglobina 1.0 2.2 70 Omega 100g/mol PES, Filtron

van Eijdhoven et al., 1995

BSA (dímero)

BSA (monómero)

2.0 ⎯ 32 Biomax100g/mol PES, Millipore

van Reis et al., 1997

IgG BSA 2.3 2.2 50 Omega 100g/mol PES, Filtron

Saksena y Zydney, 1994

Mioglobina

β-Lg

Citocromo C

α-La

1.3

1.3

2.0

0.5

40

55

Prototipo, Poliacrilonitrilo

Biomax 30g/molPES, Millipore

Yang y Tong, 1997Cheang y Zydney, 2003

SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE SEPARACIÓN DE PROTEÍNAS MEDIANTE MEMBRANAS Y PRECIPITACIÓNMEMBRANAS Y PRECIPITACIÓN

Whey Protein Fractionation: Membrane Processes for Production of High-Purity Proteins

Programa: Agricultural and Agro-Industries Research (AAIR)Contrato: AAIR-Project AIR2 - CT93 - 1207

Participantes:• Netherlands Institut for Dairy Research (NIZO), Ede, Holanda• Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Rennes, Francia• Université Pierre et Marie Curie, Paris (ENSCP), Francia• Université de Rennes I, Rennes, Francia• Laboratoire des Procedés de Separation, LRTL de Rennes, Francia• Université Paul Sabatier de Toulouse, Toulouse, Francia• Université de Besançon, Besançon, Francia• Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio

Ambiente, Universidad de Oviedo, Oviedo, España


Separación de α-La de β-Lg a escala de planta piloto

Lactosuero dulce(Gouda)

ConcentraciónUF

Clarificación

MF

Precipitación

Separación

MF+DF

ConcentraciónUF

α-La(BSA + Igs)

β-Lg(CMP, α-La)

UF: VCR= 4 - 5LactosaMinerales

Fosfolípidos

Acido cítrico

pH = 3.9T = 55 ºCt = 30 min

MEMBRALOX, 0.2 µmJ = 35- 40 L/h m2

v = 7 m/sT = 50 ºCVCR = 1.9

α-La : 73 - 81 %β-Lg : 7 %BSA : 70 - 100 %Igs : 100 %

MF: Alimentación 1: 23.8 kg/m3

Alimentación 2: 35.5 kg/m3

MEMBRALOX SCT 0.2 µmJ : 30-60 L/h m2

Lípidos / proteína : 1.1

Tr (α-La) : 0.85-1.0Tr (β-Lg) : 0.74-0.94Tr (BSA) : 0.99Tr (Igs) : 0.99-1.0

Tr (α-La) : 7 – 23 %Tr (β-Lg) : 27 – 58 %Tr (BSA) : 0 %Tr (Igs) : 0 %

β-Lg : 15.8 – 36.5 kg /m3

α-La : 0.9 - 1.3 kg /m3

Pureza β-Lg : 87 – 90 %Rendimiento : 84 – 90 %

Separación de α-La solubilizada de BSA+Igs a escala de planta piloto


α -LaBSA + Igs(β - Lg)

Disolución

Separación

MF

Separación

UF

Precipitado

α-La(BSA, Igs, β-Lg,

CMP)

α-La(BSA, Igs, β-Lg,

CMP)

pH: 7-5 (NaOH + 0.1 M NaCl)Solubilización : α-La : 69 - 100 %

BSA : 50 %Igs : 23 %

Tr (α-La) : 0.47Tr (β-Lg) : 0.38Tr (BSA) : 0.15Tr (Igs) : 0.13Tr (CMP) : 0.50

Tr (α-La) : 0. 09Tr (β-Lg) : 0.06Tr (BSA) : 0.01Tr (Igs) : ndTr (CMP) : ndPureza α-La : 74 %

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

La separación de proteínas tiene gran interés en diversos sectorLa separación de proteínas tiene gran interés en diversos sectores es industrialesindustriales

Las técnicas de membranas representan una alternativa fiable y Las técnicas de membranas representan una alternativa fiable y eficaz, con numerosas ventajas frente a los procesos convencionaeficaz, con numerosas ventajas frente a los procesos convencionalesles

Para la adecuada implantación de las tecnologías de membranas a Para la adecuada implantación de las tecnologías de membranas a la la separación de proteínas es necesario considerar numerosos factorseparación de proteínas es necesario considerar numerosos factores:es:

Tipo de membranas Tipo de membranas Condiciones de operación (Condiciones de operación (pHpH, fuerza iónica, etc.) , fuerza iónica, etc.) Protocolo de limpieza, etc.Protocolo de limpieza, etc.

La combinación de las técnicas de membranas con otras técnicas dLa combinación de las técnicas de membranas con otras técnicas de e separación (precipitación) ofrecen buenos resultados en la separseparación (precipitación) ofrecen buenos resultados en la separación ación de proteínasde proteínas

PROMETEO


y Optimización



y Optimización



y Optimización

Grupo de I+D+I

separaciÓn industrial de proteÍnas mediante … · interÉs industrial de las proteÍnas...

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