OPERACIONES UNITARIAS EN LOS BIOPROCESOS

Dr. Raymundo Erazo Erazo

OPERACIONES BSICAS

Operaciones Bsicas son aquellas etapas fsicas en los procesos, tambin llamadas Operaciones Unitarias.

Su objetivo principal en los Bioprocesos son el de la recuperacin de los principales compuestos creados en el proceso, sin producir algun cambio qumico o estructural en los mismos.

Al considerrseles en las etapas posteriores al Bioproceso, se deben evaluar parmetros tanto Econmicos, ya que su implementacin puede llegar a valer el 40% del total requerido como presupuesto.

C

Operaciones

Bsicas

Aislamiento Primario

Purificacin

Aislamiento

Final

Separacin

De Clulas

F

S

Filtracin La forma de la separacin depende de la naturaleza de la

partcula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actan sobre ella para separarlas. Las caractersticas de la partculas mas importantes a tener en cuenta son el tamao, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos: la viscosidad y la densidad.

FILTRACIN

FILTRACIN

Es la Operacin Unitaria en la que, partculas slidas (

semislidas) se separan de una mezcla lquido-slido, ya

que al fluido se le hace pasar a travs de un medio

filtrante que retiene a las partculas.

El sistema de filtracin va desde un simple colado hasta

separaciones altamente complejas; el fluido puede ser un

liquido o un gas; las partculas slidas pueden ser

gruesas o finas, rgidas o plsticas, redondas o

alargadas.

La suspensin de alimentacin puede llevar una fraccin

elevada o muy baja de slidos.

En algunos casos la separacin de las fases debe ser

prcticamente completa; en otros se desea una

separacin 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 partculas slidas que van formando la torta porosa, y a su vez, ser resistente y no presentar deformaciones al aplicar presiones para mantener el paso del lquido a travs del mismo.

Entrada de

Solucin

conteniend

o

partculas

slidas

Filtro

Tela

Filtrante

reteniendo

a

los slidos

Paso del

lquido

sin

partcula

s

Presin

a Vaco

TIPOS DE FILTRACIN

A Presin Constante, depende del control que tengamos sobre la cada de presin en el Filtro, y se aplica en la mayora de procesos.

A Velocidad Constante, depende de la resistencia del filtro, es decir que de acuerdo a la deposicin del slido se controla el ingreso de solucin.

Compresibilidad de la torta

En las tortas obtenidas por filtracin, la resistencia especifica de esta varia con la cada de presin producida a medida que esta se deposita; la torta se va haciendo mas densa a medida que la presin se hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con un tamao menor para que pase el flujo. Este fenmeno se conoce como compresibilidad de la torta.

Tortas muy compresibles sern aquellas que derivan de sustancias blandas y floculentas, en contraste con sustancias duras y granulares, como el azcar y los cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la presin (la velocidad es independiente de la presin).

No olvidar :

Lo que nos importa hallar es la Velocidad de Filtracin.

Como al inicio no existe Torta depositada, el fluido no tendr ninguna resistencia para pasar a travs del filtro, por lo que su velocidad ser mxima.

No aplicar alta presin, ya que en vez de mejorar la Filtracin, podramos estar saturando y hasta malogrando el filtro (partculas que rompen la malla y contaminan el fluido).

CENTRIFUGACIN

Se aplica en la separacin de materiales de diferentes densidades, de acuerdo a la Fuerza centrfuga. Se utiliza para:

Separar clulas de los caldos;

Recoger desechos;

Eliminar precipitados; y

Clarificar soluciones (consideradas como productos de venta)

Tambor Giratorio

Fuerza Centrfuga

Lquido ms

Denso

Lquido menos

Denso

rbol Propulsor

Alimentacin

H h

l L

Fundamento de la

Separacin

de dos fluidos

mediante la

fuerza centrfuga

Tipos de Centrfugas

Se clasifican por su estructura interna, material a tratar, velocidad de centrifugado, cristales a tratar, etc. Tambin consideramos qu tipo de Centrifugacin se tratar, como veremos a continuacin.

a)Centrifugacin Discontinua Es el tipo ms sencillo y usado a nivel

industrial. Consta de una cesta de 90, 120 o 150 cm ,

accionada por un motor- rbol que girar a 2000 RPM.

Es muy utilizado para lavar cristales, como en el caso de las refineras, azucareras, y la separacin de todos los productos cristalinos y granulares.

Motor

Elctrico

rbo

l

Tambor

de Freno

Cesta

Fondo

Plano Cesta

Autodescarg

a

Salida de

Lquido

La suspensin de alimentacin 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

Elctrico

Freno

la Centrfuga suspendida por resortes es

usado en los laboratorios farmacuticos.

Por tener una abertura superior, permite

fcil carga y lavado. Es ms pequea y es

ms estable, a la vez que permite mayores

velocidades.

Centrfuga Suspendida

por Resortes

Conclusiones

En general estos equipos se usan para separaciones difciles.

Tambin cuando el espesor del sedimento recogido alcanza la posicin del lquido, lo disolver y por ende disminuye la eficacia.

La Efectividad del Proceso depende de la Velocidad de Centrifugado

SEDIMENTACIN

Sedimentador comn

Se empieza agregando

carga por medio de

una boquilla de entrada

hasta tener el nivel lmite

Luego, se deja esperar hasta

que los slidos por efecto de la

gravedad se depositen en la base del tanque

Salida de Claros

Deposicin de slidos

TIPOS DE SEDIMENTACIN

1.1. Sedimentacin de partculas discretas

La sedimentacin de partculas discretas no floculantes puede analizarse mediante las leyes clsicas formuladas por Newton y Stokes. La ley de Newton proporciona la velocidad final de una partcula como resultado de igualar el peso efectivo de la partcula a la resistencia por rozamiento o fuerza de arrastre.

La fuerza de arrastre por unidad de rea depende de la velocidad de la partcula, de la densidad y la viscosidad del fluido, y del dimetro de la partcula. El coeficiente de arrastre CD (adimensional), viene definido por la Ecuacin:

Donde: CD = coeficiente de arrastre. A = rea transversal al flujo o rea de la proyeccin de la

partcula sobre el plano normal a v. V = velocidad de la partcula.

1.2. Sedimentacin Floculenta

En soluciones relativamente diluidas, las partculas no se comportan como partculas discretas sino que tienden a agregarse unas a otras durante el proceso de sedimentacin.

Conforme se produce la coalescencia o floculacin, la masa de partculas va aumentando, y se deposita a mayor velocidad.

La medida en que se desarrolle el fenmeno de floculacin depende de la posibilidad de contacto entre las diferentes partculas, que a su vez es funcin de la carga de superficie, de la profundidad del tanque, del gradiente de velocidad del sistema, de la concentracin de partculas y de los tamaos de las mismas.

El efecto de estas variables sobre el proceso slo se puede determinar mediante ensayos de sedimentacin.

1.3. Sedimentacin Zonal

El fenmeno de sedimentacin que ocurre cuando se introduce en un cilindro graduado una suspensin concentrada, con concentracin inicialmente uniforme.

Debido a la alta concentracin de partculas, el lquido tiende a ascender por los intersticios existentes entre aqullas. Como consecuencia de ello, las partculas que entran en contacto tienden a sedimentar en zonas o capas, manteniendo entre ellas las mismas posiciones relativas.

Este fenmeno es conocido como sedimentacin retardada.

Conforme van sedimentando las partculas, se produce una zona de agua relativamente clara por encima de la regin de sedimentacin.

Conforme pasa

el tiempo se va formando una regin

clara sin slidos en la superficie

Zona Clara de Lquido

sin slidos

1.4. Sedimentacin por Compresin

El volumen necesario para el fango de la regin de compresin tambin suele determinarse mediante ensayos de sedimentacin. Se ha comprobado que la velocidad de sedimentacin en esta regin 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 fenmeno puede expresarse mediante la siguiente ecuacin:

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 suspensin dada.

La sedimentacin, se produce debido a la accin de la fuerza de la gravedad dentro de un campo de aceleraciones constante. La eliminacin de partculas sedimentables tambin puede llevarse a cabo aprovechando las propiedades de un campo de aceleraciones variable.

Para la eliminacin de arenas del agua residual se han desarrollado numerosos aparatos que aprovechan tanto la accin de las fuerzas gravitacionales, como la accin de la fuerza centrfuga 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 t) 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, tambin tangencialmente. La arena se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento.

Sedimentacin Acelerada

Lleno el depsito, se deja reposar el lodo durante un tiempo.

El material espesado se descarga por el fondo, mediante una

vlvula, la solucin clarificada se decanta, bien sea bajando el

extremo de un sifn flexible (en las paredes).

Cuando la solucin decantada comienza a mostrar turbidez, se

detiene la decantacin

CONCLUSIONES FINALES

Las habilidad de la Sedimentacin, Centrifugacin y Filtracin, son que bajo su control podemos obtener el nivel deseado de liberacin de lquidos.

El agua contenida en una clula contenida en una solucin, puede ser clasificada como libre, flocs, capilar, etc. El agua libre puede ser extrada por cualquiera de estos mtodos.

Para soluciones diluidas Microbianas, el efecto partcula-partcula, atraccin, choque, etc.; no son influyentes en los resultados

observados.

Las Tres Operaciones, al tener el mismo objetivo y guindose casi por las mismas leyes, pueden acoplarse en equipos.

El Espesador de Filtro: El alimento llega al depsito y la solucin de descarga a travs de un medio filtrante son descargados

peridicamente mediante raspadores mecnicos sobre el lado

opuesto del filtro, por aire agua a baja presin. El precipitado forma

el sedimento.

FLOTACIN

La flotacin es una operacin unitaria que se emplea para la separacin de partculas slidas o lquidas de una fase lquida.

La separacin se consigue introduciendo finas burbujas de

gas, normalmente aire, en la fase lquida. Las burbujas se adhieren a las partculas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partcula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del lquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partculas cuya densidad es mayor que la del lquido, adems de favorecer la ascensin de las partculas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua.

En el tratamiento de aguas residuales, la

flotacin se emplea para la eliminacin de la materia

suspendida y para la concentracin de los fangos

biolgicos.

La principal ventaja del proceso de flotacin frente al

de sedimentacin consiste en que permite eliminar

mejor y en menos tiempo las partculas pequeas o

ligeras cuya deposicin es lenta. Una vez las partculas

se hallan en superficie, pueden recogerse mediante n

rascado superficial.

DESCRIPCIN

La aplicacin prctica de la flotacin se limita, en

la actualidad, al uso del aire como agente responsable

del fenmeno. Las burbujasse aaden, o se induce su

formacin, mediante uno de los siguientes mtodos:

1.Inyeccin de aire en el lquido sometido a presin y

posterior liberacin de la presin a que est sometido

el lquido (flotacin por aire disuelto).

2.Aireacin a presin atmosfrica (flotacin por

aireacin).

3.Saturacin con aire a la presin atmosfrica, seguido

de la aplicacin del vaco al lquido (flotacin por

vaco).

En todos estos sistemas, es posible mejorar el

grado de eliminacin y rendimiento mediante la

introduccin de aditivos qumicos.

Flotacin por aire disuelto

En los sistemas FAD (Flotacin por Aire

Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a

una presin de varias atmsferas, y a continuacin

se libera la presin hasta alcanzar la atmosfrica. En

las instalaciones de pequeo tamao, se puede

presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la

totalidad del caudal a tratar, aadindose el aire

comprimido en la tubera de aspiracin de la bomba.

El caudal se mantiene bajo presin en un

caldern durante algunos minutos, para dar tiempo a

que el aire se disuelva. A continuacin, el lquido

presurizado se alimenta al tanque de flotacin atravs

de una vlvula reductora de presin, lo cual provoca

que el aire deje de estar en disolucin y que se formen

diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de

lquido.

En las instalaciones de mayor tamao, 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 flotacin,lo que provoca que el

aire deje de estar en disolucin y entre en contacto

conlas partculas slidas a la entrada del tanque.

Flotacin por aireacin

En los sistemas de flotacin por aireacin, las

burbujas de aire se introducen directamente en la fase

lquida por medio dedifusores o turbinas sumergidas.

La aireacin directa durante cortos periodosde tiempo

no es especialmente efectiva a la hora de conseguir

que los slidos floten.

Flotacin por vaco

La flotacin por vaco consiste en saturar de aire el

agua residual (1) directamente en el tanque de

aireacin, o (2) permitiendo que el aire penetre en el

conducto de aspiracin de una bomba.

Al aplicar un vaco parcial, el aire disuelto abandona la

solucin en forma de burbujas diminutas. Las burbujas

y las partculas slidas 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.

LIXIVIACIN

La Lixiviacin Bacteriana, tambin conocida como

Biolixiviacin, Biohidro-metalurgia o Biooxidacin de

Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural

de disolucin que resulta de la accin de un grupo de

bacterias - principalmente del gnero Thiobacillus - con

habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo

la liberacin de los valores metlicos contenidos en

ellos.

En trminos ms globales, se puede sealar que la

biolixiviacin es una tecnologa que emplea bacterias

especificas para lixiviar, o extraer, un metal de valor

como uranio, cobre, zinc, nquel y cobalto presente en

las menas o en un concentrado mineral.

El producto final de la biolixiviacin es una solucin

cida que contiene el metal valor en su forma soluble.

De otro lado, el trmino biooxidacin 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 tecnologa microbiana presenta ventajas sobre los mtodos no biolgicos, entre los que podemos encontrar:

Requiere poca inversin de capital (las bacterias pueden ser

aisladas a partir de aguas cidas de minas). Bajos costos de operacin necesarios para las operaciones

hidrometalrgicas en comparacin con los procesos convencionales.

Relativa ausencia de polucin o contaminacin ambiental

durante el proceso. El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja

ley en las minas los que no pueden ser econmicamente procesados por los mtodos tradicionales.

ABSORCIN

ABSORCIN

involucra la transferencia de un componente soluble, presente en la fase gaseosa, hacia un liquido absorbente de baja volatilidad.

La absorcin de gases es una operacin 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 solucin 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 direccin opuesta la operacin se conoce como desorcin.

Eleccin del disolvente para la absorcin.- si el propsito de la absorcin es producir el disolvente es especificada por la naturaleza del producto. Si la funcin 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 absorcin y disminuir la cantidad requerida de disolvente (disolventes de naturaleza qumica 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 absorcin.

ADSORCIN

ADSORCIN

ADSORCION.- la adsorcin implica la transferencia de un constituyente de un fluido a la superficie de una fase slida. Para que la separacin sea completa el constituyente debe separarse de la fase slida.

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 eliminacin de la humedad disuelta en gasolina, eliminacin de sabor y olor desagradable del agua y el fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos aromticos y parafinicos

Adsorbato: molcula o tomo que se adsorbe

Tipos de adsorcin.- se debe distinguir entre dos tipos de fenmenos de adsorcin:

Adsorcin fsica o de Van der Waals, fenmeno fcilmente reversible, es el resultado de las fuerzas intermoleculares de atraccin entre las molculas del slido y la sustancia adsorbida.

Quimisorcin, o adsorcin activada es el resultado de la interaccin qumica entre el slido y la sustancia adsorbida. La fuerza de adhesin es generalmente mayor que la observada en la adsorcin fsica. El calor que se libera es grande (parecido al calor de una reaccin) el proceso es frecuentemente irreversible. Este tipo de adsorcin se utiliza en la catlisis

Naturaleza de los adsorbentes.- los slidos adsorbentes por lo general se utilizan en forma granular, varan de tamao desde 12mm de dimetro hasta 50m.

Es esencial una gran superficie por unidad de peso para todos los adsorbentes tiles.

En adsorcin de gases la superficie significativa no es la superficie total de las partculas granuladas sino la superficie de los poros internos de las partculas.

Los principales adsorbentes de uso general son:

.Tierras de fuller

.Arcillas activadas

.Bauxita

.Alumina

.Carbn de hueso

.Carbones decolorantes

.Carbn adsorbente de gases

.Carbn de malla molecular

.Adsorbentes polimricos sintticos

.Silica gel

.Mallas moleculares

DESTILACIN

DESTILACIN

Es la operacin ms utilizada y consiste en separar 2 o ms componentes de una mezcla lquida aprovechando sus diferencias en cuanto a la presin de vapor. Si se tiene una sustancia lquida a una determinada temperatura. Parte de las molculas de esta sustancia debido a que no todas tienen la misma velocidad, rompen la atraccin de las molculas del lquido y pueden pasar a la fase gaseosa. En la fase gas no todas las molculas van a tener la misma energa. Aquellas molculas de las fase gaseosa con menor energa podrn ser atrapadas por el lquido y tendremos una situacin de equilibrio entre el lquido y el gas.

Destilacin

Proceso que consiste en calentar un lquido hasta que sus componentes ms voltiles pasan a la fase de vapor y, a continuacin, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma lquida por medio de la condensacin.

El objetivo principal de la destilacin es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales voltiles de los no voltiles.

La finalidad principal de la destilacin es obtener el componente ms voltil en forma pura.