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OPERACIONES UNITARIAS EN LOS BIOPROCESOS
Dr. Raymundo Erazo Erazo
OPERACIONES BÁSICAS
Operaciones Básicas son aquellas etapas físicas en los procesos, ó también llamadas Operaciones Unitarias.
Su objetivo principal en los Bioprocesos son el de la recuperación de los principales compuestos creados en el proceso, sin producir algun cambio químico o estructural en los mismos.
Al considerárseles en las etapas posteriores al Bioproceso, se deben evaluar parámetros tanto Económicos, ya que su implementación puede llegar a valer el 40% del total requerido como presupuesto.
C
Operaciones
Básicas
Aislamiento Primario
Purificación
Aislamiento
Final
Separación
De Células
F
S
Filtración La forma de la separación depende de la naturaleza de la
partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan sobre ella para separarlas. Las características de la partículas mas importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos: la viscosidad y la densidad.
FILTRACIÓN
FILTRACIÓN
Es la Operación Unitaria en la que, partículas sólidas (ó
semisólidas) se separan de una mezcla líquido-sólido, ya
que al fluido se le hace pasar a través de un medio
filtrante que retiene a las partículas.
El sistema de filtración va desde un simple colado hasta
separaciones altamente complejas; el fluido puede ser un
liquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser
gruesas o finas, rígidas o plásticas, redondas o
alargadas.
La suspensión de alimentación puede llevar una fracción
elevada o muy baja de sólidos.
En algunos casos la separación de las fases debe ser
prácticamente completa; en otros se desea una
separación parcial, por lo que se han desarrollado
numerosos filtros para las diferentes situaciones.
El medio filtrante tiene el trabajo de retener y soportar a las partículas sólidas que van formando la torta porosa, y a su vez, ser resistente y no presentar deformaciones al aplicar presiones para mantener el paso del líquido a través del mismo.
Entrada de
Solución
conteniend
o
partículas
sólidas
Filtro ó
Tela
Filtrante
reteniendo
a
los sólidos
Paso del
líquido
sin
partícula
s
Presión
a Vacío
TIPOS DE FILTRACIÓN
• A Presión Constante, depende del control que tengamos sobre la caída de presión en el Filtro, y se aplica en la mayoría de procesos.
• A Velocidad Constante, depende de la resistencia del filtro, es decir que de acuerdo a la deposición del sólido se controla el ingreso de solución.
Compresibilidad de la torta
• En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia especifica de esta varia con la caída de presión producida a medida que esta se deposita; la torta se va haciendo mas densa a medida que la presión se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamaño menor para que pase el flujo. Este fenómeno se conoce como compresibilidad de la torta.
• Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azúcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presión (la velocidad es independiente de la presión).
No olvidar :
• Lo que nos importa hallar es la Velocidad de Filtración.
• Como al inicio no existe Torta depositada, el fluido no tendrá ninguna resistencia para pasar a través del filtro, por lo que su velocidad será máxima.
• No aplicar alta presión, ya que en vez de mejorar la Filtración, podríamos estar saturando y hasta malogrando el filtro (partículas que rompen la malla y contaminan el fluido).
CENTRIFUGACIÓN
Se aplica en la separación de materiales de diferentes densidades, de acuerdo a la Fuerza centrífuga. Se utiliza para:
Separar células de los caldos;
Recoger desechos;
Eliminar precipitados; y
Clarificar soluciones (consideradas como productos de venta)
Tambor Giratorio
Fuerza Centrífuga
Líquido más
Denso
Líquido menos
Denso
Árbol Propulsor
Alimentación
H h
l L
Fundamento de la
Separación
de dos fluidos
mediante la
fuerza centrífuga
Tipos de Centrífugas
Se clasifican por su estructura interna, material a tratar, velocidad de centrifugado, cristales a tratar, etc. También consideramos qué tipo de Centrifugación se tratará, como veremos a continuación.
a)Centrifugación Discontinua Es el tipo más sencillo y usado a nivel
industrial. Consta de una cesta de 90, 120 o 150 cm ,
accionada por un motor- árbol que girará a 2000 RPM.
Es muy utilizado para lavar cristales, como en el caso de las refinerías, azucareras, y la separación de todos los productos cristalinos y granulares.
Motor
Eléctrico
Árbo
l
Tambor
de Freno
Cesta
Fondo
Plano Cesta
Autodescarg
a
Salida de
Líquido
La suspensión de alimentación es
bien espesa. Cuando empieza a
formarse la torta y esta debido a su
grosos empieza a desprenderse del
tamiz, se para el equipo y se lava
con agua.
Cesta
Motor
Eléctrico
Freno
la Centrífuga suspendida por resortes es
usado en los laboratorios farmacéuticos.
Por tener una abertura superior, permite
fácil carga y lavado. Es más pequeña y es
más estable, a la vez que permite mayores
velocidades.
Centrífuga Suspendida
por Resortes
Conclusiones
• En general estos equipos se usan para separaciones difíciles.
• También cuando el espesor del sedimento recogido alcanza la posición del líquido, lo disolverá y por ende disminuye la eficacia.
• La Efectividad del Proceso depende de la Velocidad de Centrifugado
SEDIMENTACIÓN
Sedimentador común
Se empieza agregando
carga por medio de
una boquilla de entrada
hasta tener el nivel límite
Luego, se deja esperar hasta
que los sólidos por efecto de la
gravedad se depositen en la base del tanque
Salida de Claros
Deposición de sólidos
TIPOS DE SEDIMENTACIÓN
1.1. Sedimentación de partículas discretas
La sedimentación de partículas discretas no floculantes puede analizarse mediante las leyes clásicas formuladas por Newton y Stokes. La ley de Newton proporciona la velocidad final de una partícula como resultado de igualar el peso efectivo de la partícula a la resistencia por rozamiento o fuerza de arrastre.
La fuerza de arrastre por unidad de área depende de la velocidad de la partícula, de la densidad y la viscosidad del fluido, y del diámetro de la partícula. El coeficiente de arrastre CD (adimensional), viene definido por la Ecuación:
Donde: CD = coeficiente de arrastre. A = área transversal al flujo o área de la proyección de la
partícula sobre el plano normal a v. V = velocidad de la partícula.
1.2. Sedimentación Floculenta
En soluciones relativamente diluidas, las partículas no se comportan como partículas discretas sino que tienden a agregarse unas a otras durante el proceso de sedimentación.
Conforme se produce la coalescencia o floculación, la masa de partículas va aumentando, y se deposita a mayor velocidad.
La medida en que se desarrolle el fenómeno de floculación depende de la posibilidad de contacto entre las diferentes partículas, que a su vez es función de la carga de superficie, de la profundidad del tanque, del gradiente de velocidad del sistema, de la concentración de partículas y de los tamaños de las mismas.
El efecto de estas variables sobre el proceso sólo se puede determinar mediante ensayos de sedimentación.
1.3. Sedimentación Zonal
El fenómeno de sedimentación que ocurre cuando se introduce en un cilindro graduado una suspensión concentrada, con concentración inicialmente uniforme.
Debido a la alta concentración de partículas, el líquido tiende a ascender por los intersticios existentes entre aquéllas. Como consecuencia de ello, las partículas que entran en contacto tienden a sedimentar en zonas o capas, manteniendo entre ellas las mismas posiciones relativas.
Este fenómeno es conocido como sedimentación retardada.
Conforme van sedimentando las partículas, se produce una zona de agua relativamente clara por encima de la región de sedimentación.
Conforme pasa
el tiempo se va formando una región
clara sin sólidos en la superficie
Zona Clara de Líquido
sin sólidos
1.4. Sedimentación por Compresión
El volumen necesario para el fango de la región de compresión también suele determinarse mediante ensayos de sedimentación. Se ha comprobado que la velocidad de sedimentación en esta región es proporcional a la diferencia entre la altura de la capa de fango en el tiempo t y la altura del fango transcurrido un periodo de tiempo prolongado.
Este fenómeno puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
Donde:
Ht = altura del fango en el tiempo t.
H = altura del fango tras un prolongado periodo de
tiempo, p.c. 24 horas.
H2= altura del fango en el tiempo t2.
i= constante para una suspensión dada.
La sedimentación, se produce debido a la acción de la fuerza de la gravedad dentro de un campo de aceleraciones constante. La eliminación de partículas sedimentables también puede llevarse a cabo aprovechando las propiedades de un campo de aceleraciones variable.
Para la eliminación de arenas del agua residual se han desarrollado numerosos aparatos que aprovechan tanto la acción de las fuerzas gravitacionales, como la acción de la fuerza centrífuga y las velocidades inducidas.
Los principios en los que se basa uno de estos aparatos, conocido como Teacup separator (separador en forma de taza de té) a primera vista, el separador tiene forma de cilindro achatado . El agua residual se introduce tangencialmente cerca del fondo del cilindro, y se extrae por la parte superior del mismo, también tangencialmente. La arena se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento.
Sedimentación Acelerada
Lleno el depósito, se deja reposar el lodo durante un tiempo.
El material espesado se descarga por el fondo, mediante una
válvula, ó la solución clarificada se decanta, bien sea bajando el
extremo de un sifón flexible (en las paredes).
Cuando la solución decantada comienza a mostrar turbidez, se
detiene la decantación
CONCLUSIONES FINALES
Las habilidad de la Sedimentación, Centrifugación y Filtración, son que bajo su control podemos obtener el nivel deseado de liberación de líquidos.
El agua contenida en una célula contenida en una solución, puede ser clasificada como libre, flocs, capilar, etc. El agua libre puede ser extraída por cualquiera de estos métodos.
Para soluciones diluidas Microbianas, el efecto partícula-partícula,
atracción, choque, etc.; no son influyentes en los resultados
observados.
Las Tres Operaciones, al tener el mismo objetivo y guiándose casi por
las mismas leyes, pueden acoplarse en equipos.
El Espesador de Filtro: El alimento llega al depósito y la solución de
descarga a través de un medio filtrante son descargados
periódicamente mediante raspadores mecánicos sobre el lado
opuesto del filtro, por aire ó agua a baja presión. El precipitado forma
el sedimento.
FLOTACIÓN
La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida.
La separación se consigue introduciendo finas burbujas de
gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua.
En el tratamiento de aguas residuales, la
flotación se emplea para la eliminación de la materia
suspendida y para la concentración de los fangos
biológicos.
La principal ventaja del proceso de flotación frente al
de sedimentación consiste en que permite eliminar
mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o
ligeras cuya deposición es lenta. Una vez las partículas
se hallan en superficie, pueden recogerse mediante ún
rascado superficial.
DESCRIPCIÓN
La aplicación práctica de la flotación se limita, en
la actualidad, al uso del aire como agente responsable
del fenómeno. Las burbujasse añaden, o se induce su
formación, mediante uno de los siguientes métodos:
1.Inyección de aire en el líquido sometido a presión y
posterior liberación de la presión a que está sometido
el líquido (flotación por aire disuelto).
2.Aireación a presión atmosférica (flotación por
aireación).
3.Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido
de la aplicación del vacío al líquido (flotación por
vacío).
En todos estos sistemas, es posible mejorar el
grado de eliminación y rendimiento mediante la
introducción de aditivos químicos.
Flotación por aire disuelto
En los sistemas FAD (Flotación por Aire
Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a
una presión de varias atmósferas, y a continuación
se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En
las instalaciones de pequeño tamaño, se puede
presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la
totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire
comprimido en la tubería de aspiración de la bomba.
El caudal se mantiene bajo presión en un
calderín durante algunos minutos, para dar tiempo a
que el aire se disuelva. A continuación, el líquido
presurizado se alimenta al tanque de flotación através
de una válvula reductora de presión, lo cual provoca
que el aire deje de estar en disolución y que se formen
diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de
líquido.
En las instalaciones de mayor tamaño, se
recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el
15 y el 120 por 100), el cual se presuriza, y se
semisatura con aire. El caudal recirculado se mezcla
con la corriente principal sin presurizar antes de la
entrada al tanque de flotación,lo que provoca que el
aire deje de estar en disolución y entre en contacto
conlas partículas sólidas a la entrada del tanque.
Flotación por aireación
En los sistemas de flotación por aireación, las
burbujas de aire se introducen directamente en la fase
líquida por medio dedifusores o turbinas sumergidas.
La aireación directa durante cortos periodosde tiempo
no es especialmente efectiva a la hora de conseguir
que los sólidos floten.
Flotación por vacío
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el
agua residual (1) directamente en el tanque de
aireación, o (2) permitiendo que el aire penetre en el
conducto de aspiración de una bomba.
Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la
solución en forma de burbujas diminutas. Las burbujas
y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden
entonces a la superficie para formar una capa de
espuma que se elimina mediante un mecanismo de
rascado superficial.
LIXIVIACIÓN
La Lixiviación Bacteriana, también conocida como
Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de
Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural
de disolución que resulta de la acción de un grupo de
bacterias - principalmente del género Thiobacillus - con
habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo
la liberación de los valores metálicos contenidos en
ellos.
En términos más globales, se puede señalar que la
biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias
especificas para lixiviar, o extraer, un metal de valor
como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en
las menas o en un concentrado mineral.
El producto final de la biolixiviación es una solución
ácida que contiene el metal valor en su forma soluble.
De otro lado, el término biooxidación es un utilizado
para describir un proceso que emplea bacterias para
degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en
la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran
encapsulados.
• La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que podemos encontrar:
• • · Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser
aisladas a partir de aguas ácidas de minas). • • · Bajos costos de operación necesarios para las operaciones
hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales.
• • · Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental
durante el proceso. • • · El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja
ley en las minas los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.
•
ABSORCIÓN
ABSORCIÓN
• involucra la transferencia de un componente soluble, presente en la fase gaseosa, hacia un liquido absorbente de baja volatilidad.
• La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en contacto con un liquido, a fin de disolver de manera selectiva uno o mas componentes del gas y de obtener una solución de estos en el liquido. Por ejemplo el gas obtenido en los hornos de coque se lava con agua para eliminar el amoniaco.
• Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una sustancia en la corriente gaseosa al liquido. Cuando la transferencia de masa sucede en la dirección opuesta la operación se conoce como desorción.
• Elección del disolvente para la absorción.- si el propósito de la absorción es producir el disolvente es especificada por la naturaleza del producto. Si la función es eliminar alguna componente del gas existe la posibilidad de elegir.
• Se consideran las siguientes propiedades.
• Solubilidad del gas: debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente (disolventes de naturaleza química similar al producto).
• Volatilidad : el disolvente debe tener una presion baja de vapor.
• Costos : el disolvente debe ser barato.
• Viscosidad : se prefiere baja viscosidad debido a la rapidez en la absorción.
ADSORCIÓN
ADSORCIÓN
• ADSORCION.- la adsorción implica la transferencia de un constituyente de un fluido a la superficie de una fase sólida. Para que la separación sea completa el constituyente debe separarse de la fase sólida.
• La fase fluida puede ser un liquido o un gas.
• En separaciones gaseosas se utiliza para deshumidificar aire y otros gases, eliminar olores e impurezas y recuperar vapores valiosos de disolvente.
• En las fases liquidas se produce la eliminación de la humedad disuelta en gasolina, eliminación de sabor y olor desagradable del agua y el fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos aromáticos y parafinicos
• Adsorbato: molécula o átomo que se adsorbe
• Tipos de adsorción.- se debe distinguir entre dos tipos de fenómenos de adsorción:
• Adsorción física o de “Van der Waals”, fenómeno fácilmente reversible, es el resultado de las fuerzas intermoleculares de atracción entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida.
• Quimisorción, o adsorción activada es el resultado de la interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida. La fuerza de adhesión es generalmente mayor que la observada en la adsorción física. El calor que se libera es grande (parecido al calor de una reacción) el proceso es frecuentemente irreversible. Este tipo de adsorción se utiliza en la catálisis
• Naturaleza de los adsorbentes.- los sólidos adsorbentes por lo general se utilizan en forma granular, varían de tamaño desde 12mm de diámetro hasta 50m.
• Es esencial una gran superficie por unidad de peso para todos los adsorbentes útiles.
• En adsorción de gases la superficie significativa no es la superficie total de las partículas granuladas sino la superficie de los poros internos de las partículas.
• Los principales adsorbentes de uso general son:
• .Tierras de fuller
• .Arcillas activadas
• .Bauxita
• .Alumina
• .Carbón de hueso
• .Carbones decolorantes
• .Carbón adsorbente de gases
• .Carbón de malla molecular
• .Adsorbentes poliméricos sintéticos
• .Silica gel
• .Mallas moleculares
DESTILACIÓN
DESTILACIÓN
• Es la operación más utilizada y consiste en separar 2 o más componentes de una mezcla líquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presión de vapor. Si se tiene una sustancia líquida a una determinada temperatura. Parte de las moléculas de esta sustancia debido a que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las moléculas del líquido y pueden pasar a la fase gaseosa. En la fase gas no todas las moléculas van a tener la misma energía. Aquellas moléculas de las fase gaseosa con menor energía podrán ser atrapadas por el líquido y tendremos una situación de equilibrio entre el líquido y el gas.
• Destilación
• Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación.
• El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles.
• La finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura.
