SEPARACIÓN POR MEMBRANASProcesos de Bioseparación

M.C. Guillermo Garibay Benítez

CO

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EP

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S

Los procesos que utilizan membranas son de importancia en el campo de la separación y purificación de productos biotecnológicos.

Una membrana se define como una película de material con permeabilidad selectiva.

En procesos de separación por membranas, la fuerza conductora para el transporte de materiales se realiza a través de una diferencia de presión.

VENTAJAS

Selectividad Alta área superficial-por unidad de volumen Potencial para controlar el nivel de contacto y/o

mezcla entre dos fases. Operan a baja presión y temperatura. No requieren aditivos químicos. Minimizan la desnaturalización, inactivación o

degradación de productos biológicos

MATERIALES DE FABRICACIÓN PARA MEMBRANAS

Polietersulfonas Acetato de Celulosa Poliolefinas Polisulfonas Poliamidas

Óxidos de Zirconio, Titanio, Silicio y Aluminio

Nanomateriales

Polímeros OrgánicosInorgánicos (Membranas de Cerámica)

INTERVALOS DE OPERACIÓN EN PROCESOS DE MEMBRANA

MF: Microfiltración UF: Ultrafiltración NF: Nanofiltración RO: Osmosis Reversa

USOS ULTRAFILTRACIÓN

Concentración de Proteínas Recuperación de Virus Recuperación de Surfactina Clarificación de Jugos Remoción de especies de bajo peso

molecular Entre otros…

CONFIGURACIONES EN SISTEMAS DE MEMBRANA DE MF Y UF

Camino Cerrado (Dead End) Filtración Tangencial

En este modo de operación el fluido a ser filtrado fluye paralelamente a la superficie de membrana y es permeado a través de la membrana debido a una diferencia de presión.

FILTRACIÓN TANGENCIAL

A medida que la suspensión fluye dentro del tubo, el agua o fluido son removidos gradualmente, por lo que la suspensión se vuelve, progresivamente, más concentrada.

Separación en Membrana Tubular

Permeado: Fracción que pasa a través de la membrana

Retenido: Material retenido por la membrana

Concentración

CONFIGURACIONES DE MEMBRANA

Las membranas pueden ser cuadradas, circulares, arregladas en apilados horizontales o verticales

Un gran número de fibras huecas son conectadas a placas perforadas y el paquete entero es insertado en un recipiente o chaqueta

Configuración Marco-Placa

Configuraciones de Fibra Hueca

PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN PROCESOS DE MEMBRANA

DIFERENCIA DE PRESIÓN TRANSMEMBRANA (∆PTM Ó PTM) La fuerza conductora para el transporte del permeado a través de la

membrana es la caída de presión a través de la membrana Esta diferencia de presión es definida como:

Donde:

P1, P2 =Presión en el lado del retenido en el módulo de entrada y salida, respectivamente

P3 = Presión del lado del permeado (asumida uniforme)

Por lo tanto, la ecuación se utiliza de la siguiente manera:

FLUX (J) Un parámetro importante en la operación

será el flux, el cual está dado por la relación entre la velocidad de flujo y el área de membrana por tiempo.

Donde:

J = Flux a través de la membrana (flux de permeado), L/m2h ó mL/cm2s

Lp = Permeabilidad hidraúlica, m.s. -1 Pa -1

PERMEABILIDAD HIDRÁULICA

Si la membrana es considerada un medio perforado por capilares rectos paralelos de un radio r, luego, la permeabilidad hidráulica, basada en la ley de Poiseuille esta dada por:

Donde:

ε = Porosidad de la Membrana, adimensional

z = Grosor de la membrana, m

µ = Viscosidad del Permeado, Pa.s

EJEMPLO

Una membrana para MF fue examinada microscópicamente y se encontró que tiene cerca de 120,000 poros con un diámetro promedio de 0.8 μm por mm2 en la superficie de la membrana. Se desea estimar la permeabilidad hidráulica de la membrana al agua. El grosor de la membrana es de 160 μm.

POLARIZACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN

En ultrafiltración de proteínas la concentración de proteína cercana a la membrana es mayor que en el resto de la solución. Esta situación es llamada “polarización por concentración”.

CW: [Soluto] en la interfase de la membrana CB: [Soluto] en el fluido Cp: [Soluto] en el permeado x: Distancia desde la membrana

PTM

A: Comportamiento Teórico B: Comportamiento Típico observado en la realidad C: Comportamiento cuando el flux aumenta

Flux vs PTM de agua

Flux vs PTM De una solución de proteína de subproductos de la industria cervecera

(Tang D.S. 2009)

EJERCICIO Se realiza 3 corridas de ultrafiltración de una

solución de proteína con una membrana de 50 cm2 de área efectiva de filtración.

¿Cuál será el flux de cada corrida?

Corrida Vol (mL) Tiempo (min)

1 5 7.11

2 6 7.5

3 5 8.12

J = Flux (mL/cm2s)

Qp = Caudal del Permeado, (mL/s)

A = Área efectiva total de la membrana, (cm2)

COEFICIENTE DE TAMIZADO (SIEVIENG COEFFICIENT)

El coeficiente de tamizado (S) de una membrana con respecto a un soluto dado es definido como sigue:

Donde:Cperm = Concentración del Soluto en el Permeado

Cretn = Concentración del Soluto en el Retenido (medido en la interfase de la membrana)

% RECHAZO O RETENIDO

Para partículas considerablemente más grandes que el poro más ancho, el rechazo es total; S = 0

Partículas considerablemente más pequeñas que el poro más pequeño, estas no son retenidas; S = 1

Para solutos con tamaños de partícula cercanos al tamaño del poro; 0 < S < 1

La retención (R) esta definido como sigue:

R% = (1 – S) * 100

Una R = 95% es considerada como un retenido total

CONSIDERACIONES

Las membranas de MF o UF con un tamaño dado de poro, dejarán pasar o retener partículas de acuerdo a su tamaño.

El límite por tamaño para la permeación o retención no es exacto.

Partículas con diámetros cercanos al tamaño del poro serán retardados debido al efecto de las paredes del poro

TRANSPORTE DE SOLUTO

De acuerdo a la Ley de Fick para la difusión en contracorriente, la concentración de estado fijo puede ser escrita como sigue:

Donde: C = concentración de la proteína (Cw = en la

interfase de la membrana, CB = en la alimentación

J = flujo del solvente D = Difusividad del soluto en el solvente (m2

s-1) x = distancia de la membrana δ = grosor de la capa límite para la difusión

La integración de la ecuación anterior nos da

KL = coeficiente de transferencia de masa convectiva en la fase líquida.

D = Difusividad del soluto en el solvente (m2 s-1)

δ = grosor de la capa límite para la difusión C = concentración de la proteína (Cw = en la

interfase de la membrana, CB = en la alimentación

La concentración de la proteína en la capa líquida adyacente a la membrana no puede crecer arriba de cierto límite CG, en el cual la capa se vuelve un gel.

De este punto en adelante el flux permanece constante, independientemente de un incremento de la presión.

Este fenómeno se le conoce como polarización. El valor máximo y el valor de la constante del flux para este caso será:

La concentración de gelificación CG depende de las caracter y las condiciones de operación (fuerza iónica, temperatura, etc.)

POLARIZACIÓN

BIBLIOGRAFÍA

Zeki Berk, Food Process Engineering and Technology, (2009) Elsevier ISBN: 978-0-12-373660-4

Charcosset Catherine, Membrane processes in biotechnology: An overview, Biotechnology Advances, 24 (2006) 482-492

Tang D.S. et al, Recovery of protein from brewer’s spent grain by ultrafiltration Biochemical Engineering Journal 48 (2009) 1-5