UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE ARM ADAS-ESPE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA VIDA Y DE LA AGRICULTURA INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA DISEÑO DE PROCESOS
Integrantes: - Bryan Mangui Marianela Mariño Sofía Ocaña Santiago Salazar
Fecha: 9/05/2018
NCR:4225
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Operaciones básicas
Los bioprocesos generan productos útiles mediante el procesamiento de ciert os materiales de partida. Las operaciones o etapas individuales del proceso que cambian o separan componentes se denominan operaciones básicas. Aunque los objetivos específicos de los bioprocesos difieren para cada sector de la industria, cada esquema de proceso puede visualizarse como una seria de operaciones que aparecen una y otra vez en diferentes sistemas. El termino operación básica se refiere generalmente a las etapas físicas del procesos. Las transformaciones químicas o bioquímicas son objeto de la ingeniería de reacciones. Los caldos de fermentación son mezclas complejas de componentes que contienen productos en solución diluida. En el bioprocesamiento, cualquier tratamiento del caldo de cultivo después de la fermentación se conoce como procesamiento posterior. El propósito del procesamiento posterior es concentrar y purificar el producto para la venta; en la mayoría de los casos, esto solo requiere una modificación física. Aunque cada esquema de recuperación será diferente, el procesamiento posterior sigue una secuencia general de pasos. i.
Eliminación de células:
Un primer paso común en la recuperación del producto es la eliminación de las células del licor de fermentación. Esto es necesario si la biomasa en sí es el producto, o si el producto está contenido dentro de las células. La eliminación eli minación de células también t ambién puede ayudar a la recuperación del producto de la fase líquida. La filtración y la centrifugación son operaciones típicas de la unidad para la eliminación de células. ii.
Aislamiento primario:
Existe una amplia variedad de técnicas para el aislamiento primario de productos de fermentación a partir de células o caldo sin células. El método utilizado 'depende de las propiedades físicas y químicas del producto y el material circundante. El objetivo del aislamiento primario es eliminar componentes con propiedades significativamente diferentes de las del producto. Típicamente, los procesos para el aislamiento primario tratan grandes volúmenes de material y son relativamente no selectivos; sin embargo, se pueden lograr aumentos significativos en la calidad y concentración del producto. Las
operaciones unitarias como la adsorción, la extracción de líquidos y la precipitación se utilizan para el aislamiento primario. iii.
Purificación:
Los procesos para la purificación son altamente selectivos y separan el producto de las impurezas con propiedades similares. Las operaciones típicas de la unidad son cromatografía, ultrafiltración y precipitación fraccional. iv.
Aislamiento final:
La pureza final requerida depende de la aplicación del producto. La cristalización, seguida de centrifugación o filtración y secado, son operaciones típicas utilizadas para productos de alta calidad, como los productos farmacéuticos. El proceso de recuperación del producto puede constituir una parte sustancial del coste de producción total de producción del producto de fermentación. Por ejemplo, la relación del coste de fermentación y el de recuperación del producto es aproximadamente 60:40 para antibióticos como la penicilina. Para antibióticos más recientes, esta relación se invierte de manera que la recuperación del producto es más costosa que la fermentación. Muchos de los nuevos productos de biotecnología como las proteínas recombinantes y los anticuerpos monoclonales requieren procesos muy caros de tratamiento posterior que constituyen un 80-90% del coste total del proceso. Cuanto mayor es la concentración de partida más barato resulta el producto final. Cada etapa del proceso de recuperación incluye alguna pérdida. Si la concentración de partida es muy baja se necesitan más etapas de recuperación, y por lo tanto, mayores pérdidas y costes. 1. Filtración
En la filtración, las partículas sólidas se separan de una mezcla liquido-sólido forzando al fluido a pasar a través de un medio filtrante o tela filtrante que retiene las partículas. Los sólidos se depositan en el filtro y, a medida que el depósito o la torta de filtración aumentan en espesor, presentan una mayor resistencia a la filtración. La filtración se puede realizar usando equipos de vacío o de presión positiva. La diferencia de presión ejercida a través del filtro para separar el fluido de los sólidos se denomina caída de presión de filtración. La facilidad de filtración depende de las propiedades del sólido y el fluido; la filtración de sólidos incompresibles cristalinos en líquidos de baja viscosidad es relativamente sencilla. Por el contrario, los caldos de fe rmentación pueden ser difíciles de filtrar debido al pequeño tamaño y la naturaleza gelatinosa de las células y al comportamiento viscoso no newtoniano del caldo. La mayoría de las tortas de filtro microbiano son compresibles, es decir, la porosidad de la torta disminuye a medida que aumenta la caída de presión a través del filtro. Esto puede ser un problema importante que causa tasas de filtración reducidas y una mayor pérdida de producto. La filtración de caldos de fermentación generalmente se lleva a cabo en condiciones no asépticas; el proceso debe, por lo tanto, ser eficiente y confiable para evitar la contaminación indebida y la degradación de productos lábiles.
Los auxiliares de filtración, como la tierra de diatomeas, se han utilizado ampliamente en la industria de la fermentación para mejorar la eficacia de la filtración. La tierra de diatomeas, también conocida como kieselguhr, es el esqueleto fundido de las diatomeas. Los lechos empaquetados de kieselguhr granulado tienen una porosidad muy alta; solo alrededor del 15% del volumen total de kieselguhr empacado es sólido, el resto es espacio vacío. Tal alta porosidad facilita el flujo de líquido alrededor de las partículas y mejora la tasa de filtración a través del lecho de partículas. Los filtros se aplican de dos maneras. Como se muestra en la figura 1 (a), el coadyuvante de filtración se puede utilizar como una capa preliminar en el medio filtrante para evitar el bloqueo del filtro por sólidos que de otro modo se encajarían en los poros de la tela.
Figura 1. a) Filtración de torta con coadyuvante, b) Esquema de un filtro de tambor rotatorio Equipos de filtración
Los filtros de placa son adecuados para la filtración de pequeños lotes de fermentación; este tipo de filtro acumula gradualmente biomasa y debe abrirse periódicamente y eliminarse de la torta de filtración. Los procesos más grandes requieren filtros continuos. Los filtros de vacío de tambor giratorio, como el que se muestra en la figura 1 (b), son los dispositivos de filtración más ampliamente utilizados en la industria de la fermentación. Un tambor horizontal de 0,5-3 m de diámetro se cubre con un paño de filtro y se gira lentamente a 0,1-2 rpm. La tela se sumerge parcialmente en un recipiente agitado que contiene material para filtrar. Cuando una sección del tambor entra al líquido, se aplica un vacío desde el interior del tambor. Se forma una torta en la superficie de la tela mi entras el líquido pasa a través de tuberías internas hacia un tanque de recolección. A medida que el tambor gira fuera del depósito, la superficie del filtro se aplica líquido de lavado que se aspira a través de la tela y se recoge en un tanque de retención separado. Después del lavado, la torta se deshidrata mediante la aplicación continuada del vacío. Teoría de la filtración
La teoría de la filtración se usa para estimar la tasa de filtración. Para una caída de presión dada a través del filtro, la tasa de filtración es mayor justo cuando comienza el filtrado. Esto se debe a que la resistencia a la filtración es mínima cuando no hay sólidos depositados. La orientación de las partículas en el depósito inicial de la torta es muy importante y puede influir significativamente en la estructura y la permeabilidad de todo el lecho filtrante. La caída excesiva de presión y las altas velocidades iniciales de filtración pueden provocar el taponamiento de la tela filtrante y una resistencia muy alta al flujo. La resistencia al flujo debido a la tela filtrante se puede considerar constante si las partículas no penetran en el material; la resistencia debido a la torta aumenta con el grosor. La velocidad de filtración se mide generalmente como la velocidad a la que se recoge el líquido filtrado. La tasa de filtración viene dada por la siguiente expresión:
Donde A es el área del filtro, V es el volumen del filtrado, t el tiempo de filtración, Δp es la caída de presión a través del filtro, µ es la viscosidad del fluido, Mc la masa total de solidos la torta, α es la resistencia especifica media de la torta y r m incluye el efecto de la tela filtrante y de cualquier partícula introducida en el filtro. Sil la torta filtrante es incompresible, la resistencia especifica de la torta α no varía con la caída de presión a través del filtro. Sin embargo, las tortas de los caldos de fermentación raramente son incomprensibles. Por ello, a medida que las tortas se van comprimiendo, la velocidad de filtración disminuye. Para una torta comprensible, α puede relacionarse con Δp de manera empírica:
Donde s es la comprensibilidad de la torta y α’ es una constante que depende en gran medida del tamaño y morfología de las partículas depositadas en la torta. El valor de s es cero para solidos incomprensibles, mientras que se acerca a la unidad para materiales altamente comprensibles, α está también relacionado con la propiedad media de las partículas en la torta por la expresión:
Donde k v es un factor que depende de la forma de las partículas, a es la superficie especifica de las partículas, ε es la porosidad de la torta.
Siempre es útil considerar diferentes métodos que pueden mejorar la velocidad de filtración. De la relación entre variables existentes en la ecuación puede adoptarse varias estrategias: i.
Aumentar el área de filtración
ii.
Aumentar la caída de presión
iii.
Disminución de la masa de la torta
iv.
Reducir la viscosidad del liquido
v.
Reducir la resistencia especifica de la torta
La integración de la ecuación permite el calcular el tiempo necesario para la filtración. Antes de la integración es necesario utilizar la expresión de sólidos en función del volumen filtrado:
Reemplazando:
Integrando:
Donde
Y,
2. Centrifugación
Separar materiales de densidad diferente, tamaño grande y viscosidad del líquido baja. Favoreciendo también radio grande de centrifuga y alta velocidad de giro. En un bio procesos, separa las células del caldo de fermentación, eliminando desechos, para recoger
precipitados y preparar medios de fermentación. Efectiva para partículas pequeñas no filtrables. El lodo de células concentrado y espeso, tiene más líquido que la torta filtrada. Se utilizan centrifugas esterilizables cuando hay recirculación en el fermentador para prevenir contaminación del producto. Centrifugas industriales generan calor debido al rozamiento, se hace necesaria una ventilación. Centrifugas de giro rápido generan aerosoles que causan infecciones o alergias, se hace necesarias cabinas aislantes. Problemas a nivel industrial: la tensión mecánica aumenta en proporción al radio, disminuyendo velocidades, descargas continuas también la afectan. Equipos de centrifugación. De acuerdo a su estructura interna:
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De cesta tubular.- Industria farmacéutica y alimentos. Entra el flujo de alimentación a presión por abajo, adquiere velocidad (13 y 16 mil veces la gravedad) y asciende a través de la cesta. Cuando ésta gira, las partículas son lanzadas y colisionan con las paredes. Se recoge el l íquido por arriba y los sólidos por separado. Ultracentrífuga.- Producción de vacunas, aislamiento de enzimas y purificación de ARN polimerasa. Cesta tubular estrecha. Recuperar precipitados finos de soluciones de alta densidad, romper emulsiones y separar coloides (ribosomas o mitocondrias). Fuerzas de 105 y 106 veces la gravedad, opera de forma discontinua. Accionada por turbina de aire, opera a baja presión para reducir la generación de calor. De discos.- Simple sólidos extraídos manualmente, de descarga continua con boquillas y de descarga intermitente con válvulas, descarga automática concentra sólidos en la periferia y los descarga mediante dispositivo. Los discos se separan por 0,3mm, giran con la cesta y dividen el líquido en finas capas. La alimentación es por el inferior, asciende por los agujeros de los discos. Desarrollan entre 5000 y 15000 veces la fuerza de la gravedad. Para mayor eficiencia se recomiendo 0,01-0,03 kg/m3 de diferencia de densidades y 0,5um mínimo de diámetro de partícula.
Teoría de la centrifugación
La efectividad depende de la velocidad que alcanzan las partículas. Ley de Stoke (gravedad)
− 2 =
Velocidad terminal de la centrifuga La relación entre
− 2 2 =
y , se denomina efecto centrifugo o número g
=
Centrifugas de industriales de 300 a 16000 Z, centrifugas de laboratorio Z de 500000. La sedimentación sucede cuando las partículas que se alejan del centro de rotación, chocan con las paredes, aumentando la velocidad angular, el tamaño de la partícula, la
diferencia de densidades y disminuyendo la viscosidad, se mejora la velocidad de sedimentación. Además del tiempo de exposición suficiente. El factor sigma es el rendimiento, en centrifugas continuas es
cumplen con una misma efectividad ∑
∑ = 2 . Si dos equipos
= ∑, se puede hacer un cambio de escala.
El rendimiento de cualquier equipo puede desviarse de las predicciones teóricas por ejemplo por la forma, distribución de tamaño de partículas, distribución no uniforme del flujo, interacción entre partículas durante sedimentación. Para una centrifuga de discos
(−) ∑ = 2 (2 )
Para una centrífuga de cesta tubular
∑ = 2 (322 2) aproximarse a ∑ = 2
Ejemplo 2. Recuperación de células en una centrífuga de discos
Una centrifuga de discos opera en continuo a 5000 rpm para la separación de levadura de panadería. Con una velocidad de alimentación de 60 L/min, se recupera el 50% de las células. A velocidad de centrifugación constante, la recuperación de sólidos es inversamente proporcional al caudal. a) ¿Qué caudal se necesitará para alcanzar una recuperación del 90% de las células si la velocidad de centrifugación se mantiene a 5000 rpm?
50% × 60 /min = 33.31 / 90%
b) ¿Qué velocidad de operación se necesitará si se desea alcanzar una recuperación del 90% con un caudal de 60L/min? Recuperación del 90% con Q=33.31 L/min y =5000rpm
= ∑ = 33,3 / = 0,56 ∑ 60 / 2
2
Se utiliza la misma centrifuga y los parámetros geométricos son iguales ∑ ∑ = 0,56 Por lo tanto
=
2 (5000 )2 2 2 = 0,56 = 0,56 = 4,46 × 107 2
2 = 6680
3. Dispersión de células
Centrifugación y filtración para recuperar el producto de los caldos de fermentación. La biomasa es un subproducto. Este método sirve para desprender el material deseado como enzimas y proteínas recombinantes que permanecen en la biomasa. Métodos mecánicos como molienda con abrasivos, agitación a elevada velocidad, bombeo a alta presión y ultrasonidos. Métodos no mecánicos como el choque osmótico, congelación y descongelación, digestión enzimática de paredes celulares, disolvente y detergentes.
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Homogenización de alta presión Fuerzas de cizalla altas para dispersar células. Incorpora una válvula ajustable con una restricción a través de la cual las células son forzadas a pasar a 550 atm. Con organismos filamentosos se producen taponamientos.
Relación de la dispersión de células en el equipo:
− =
Rm cantidad máxima de proteínas para la sepración R cantidad de proteína obtenida N número de pasos a través del equipo K constante de velocidad, dependiente de temperatura P presión de operación α medida de resistencia de células a dispersión Temperaturas hasta 50°C, pero se recomienda enfriar el equipo a 0-4°C para minimizar la desnaturalización. Etapa ideal
Operaciones para la separación primaria de productos, se basa en la transferencia de materia en diferentes fases para alcanzarla. Equipo consta de etapas donde las fases entran en contacto. La efectividad de cada una depende del diseño del equipo, propiedades físicas y relaciones de equilibrio. Dos líquidos inmiscibles entran con caudales volumétricos diferentes. Cada una con concentración única de A, concentraciones de no equilibrio. Mezcla vigorosa (fuerza impulsora para el cambio de concentración). A se transfiere. La mezcla va a un sedimentador donde hay separación gracias a la gravedad. Sale un líquido ligero u otro pesado, con concentraciones de A diferentes, cercanas al equilibrio. Cambio de concentración en etapa real menor a la ideal. Requiere más etapas de separación. En etapa ideal, las dos corrientes de salida están en equilibrio y no se produce más transferencia de materia de A aunque se pongan en contacto nuevamente las fases. Usada para diseño de operaciones básicas, balances de materia, de energía y relaciones de equilibrio entre fases.
4. Extracción líquida en dos fases acuosas
Aislar productos farmacéuticos de fuentes animales o vegetales. Se recuperan por transferencia a un disolvente apropiado. El equipo más simple, es el embudo de separación a escala de laboratorio. Mediante agitación el soluto diluido se transfiere de un disolvente a otro. Se interrumpe la agitación, se deja separar. La fase con el soluto concentrado se lleva a purificación (precipitación o cristalización).
= , si K>1, el componente A se concentra en la fase
Coeficiente de reparto
superior, K<1, A se concentra en la fase inferior. Directamente relacionado con la afinidad bioespecífica por un polímero y la energía libre superfi cial de los componentes. La distribución se ve afectada por el tamaño, carga eléctrica e hidrofobicidad de las partículas.
= = , donde Vu es el volumen +
El rendimiento en fase superior es
de la fase superior, Vl de la fase inferior, Vo el volumen inicial de la solución con el producto.
= = +
El rendimiento en fase inferior es Rendimiento máximo
= +
y
Factor de purificación o concentración parte inferior,
= + = , cuando el producto se distribuye en la
= , cuando el producto se distribuye en la fase superior.
Ejemplo 3. Recuperación de enzimas mediante extracción acuosa
Se utiliza la extracción en dos fases acuosas para la recuperación de α-amilasa de una solución. Se añade una mezcla de polietilenglicol-dextrano y la solución se separa en dos fases. El coeficiente de reparto es 4,2. Calcular la máxima recuperación posible de enzima cuando: a) La relación de volumen de las fases superior e inferior es 5 Como el coeficiente de reparto es mayor a 1, la enzima prefiere la parte superior. El rendimiento en equilibrio se calculará para la fase superior.
=
+ = + ,
× 100 = 95%
b) La relación de volumen de las fases superior e inferior es 0,5
, × 100 = 68% = ,+ ,
Un aumento en el volumen relativo de la fase de extracción favorece la recuperación del producto deseado .
5. Adsorción
La adsorción es un fenómeno superficial donde los componentes de un gas o líquido se concentran en la superficie de partículas sólidas o en la interfase de líquidos. Es le resultado de las fuerzas electrostáticas, de Van der Walls, de reacción o cualquier otra fuerza de unión entre átomos individuales iones o moléculas.
Puede distinguirse 4 tipos de adsorción.: de intercambio, física, química y no especifica. En el bioproceso se emplea varias operaciones diferentes de adsorción para la obtención de productos médico y farmacéuticos. La adsorción de inter cambio iónico se utiliza para la recuperación de aminoácidos, proteínas, antibióticos y vitaminas. La adsorción sobre carbono activo es un gran método para la obtención de acido cít rico y se utiliza tmbn para el tratamiento de aguas residuales. La adsorción presenta mayor selectividad, pero menor capacidad que la extracción. Este proceso es idóneo para el aislamiento de proteínas. La sustancia que va a ser concentrada en la superficie se denomina adsorbato mientras que el mat erial al que se une el adsorbato es el adsorbente. El material adsorbente ideal prosee una alta superficie pro unidad de volumen lo cual se alcanza si el sólido tiene un entramado de finos poros en el interior. Para la adsorción de moléculas biológicas se utilizan normalmente carbones y resinas sintéticas basadas en polímeros de estireno, divinilbenceno o acrilamida. Una operación típica de adsorción consta de las siguientes etapas: 1. Etapa de adsorción o de contacto: el soluto se une a la resina de adsorción 2. Etapa de lavado: para eliminar el material residual que no se haya adsorbido 3. Desorción o elución de adsorbato en un diluyente apropiado Las condiciones de desorción deben ser capaces de vencer las fuerzas físicas o iónicas con las cuales se une el adsorbato a la resina. 4. Lavado para eliminar el eluyente residual 5. Regeneración de la resina de adsorción para retomarla a su condición inicial La resina debe cambiarse tras varios ciclos de regeneración Relaciones de equilibrio para la adsorción.
Las relaciones de equilibrio determinan la cantidad de material que puede adsorberse en una determinada superficie. Los datos de equilibrio de la adsorción se denominan isotermas de adsorción. Para el adsorbato A una isoterma indica la concentración de A en la fase adsorbida frente a la concentración de A en la fase sin adsorber a una determinada temperatura. Las isotermas son útiles para la selección del adsorbente y para medir los niveles de rendimiento del sistema. Una de las isotermas de adsorción más sencilla es la isoterma de Langmuir, la cual se expresa de la siguiente manera:
C*AS: es la concentración de equilibrio o carga de A en el adsorbato con unidades ( kg de soluto / kg de solido)
CASm : es la carga máxima de adsorbato correspondiente al recubierto total mediante una monocapa de todos los centros de adsorción posibles. C*A: es la concentración de equilibrio de soluto en la fase de fluido(kg/m3) K A: constante La adsorción de tipo Langmouir se aplica a sistemas:
Las moléculas adsorbidas forman solo una monocapa en la superficie Todos los centros del adsorbente tienen la misma posibilidad de adsorción No existen interacción entre las moléculas adsorbidas en centros adyacentes.
En muchos casos reales no se cumplen las tres condiciones a la vez. Hay algunos adsorbente comerciales que presenta superficies irregulares y sus cetros de adsorción no serán todos iguales. De la misma manera en muchos casos reales si van a existir interacción entre las moléculas adsorbidas. En sistemas liquido-solido se utilizan ampliamente isotermas Freudlich:
Esta ecuación se aplica a una gran variedad de antibióticos hormonas y esteroides.K F y n son constantes características de cada sistema de adsorción. Las dimensiones de K F dependen de las dimensiones de C* AS y C* A y del valor de n. Si la adsorción es favorable n>1 o si es desfavorable n<1. Existen muchas otras isotermas de adsorción que dan lugar a curvas C* AS vs C*A. Pero en todas ellas los datos de equilibrio de adsorción deben calcularse experimentalmente ya que aún no se conocen con exactitud los mecanismos de adsorción. EJEMPLO 4: Recuperación de anticuerpos mediante adsorción.
Un licor libre de fermentación de células contiene 8*10-5 mol/litro de inmunoglobulina G se pretende recuperar al menos el 90% de este anticuerpo mediante adsorción en una resina sintética no polar. Los datos de equilibrio experimentales se ajustan a la siguiente expresión:
∗ = 55 ∗ 10−∗ ∗ es mol de soluto adsorbido por cm3 de adsorbente y ∗ es la concentración de Donde soluto en la fase líquida en mol/litro. ¿Qué cantidad mínima de resina se necesita para tratar 2 m3 de licor de fermentación en un tanque agitado de una etapa?
Solución:
La cantidad de resina necesaria es mínima en el equilibrio. Si se adsorbe el 90% del antibiótico, la concentración residual en el líquido es:
Sustituyendo este valor para C*A en la expresión de la isoterma se obtiene la carga de equilibrio de la inmunoglobulina:
La cantidad del anticuerpo adsorbido es:
Por lo tanto, la masa de la adsorbente necesaria es:
La cantidad mínima de resina necesaria es:
.∗ cm3 o 0.16 m3
Características del rendimiento de los adsorbentes en lecho fijo
Se han desarrollado varios equipos para las operaciones de adsorción entre los que se incluyen:
Reactores de lecho fijo Lecho móvil, Lecho fluidizado tanques agitados
De todos ellos el que más se utiliza son los reactores de lecho fijo por su mayor área de adsorción por unidad de volumen. Un adsorbente de lecho fijo es una columna o tubo vertical relleno de partículas de adsorbente. El líquido que contiene el soluto se hace pasar por el lecho y la cantidad de producto retenido aumenta con el tiempo. Al principio la resina situada en la parte superior absorbe rápidamente el soluto y la solución pasa a través de la columna libre de soluto y abandona el sistema con una concentración del efluente cercana a cero. Conforme continua el flujo de solución, la región del lecho donde existe la mayoría de adsorción (zona de adsorción) va descendiendo ya que la resina de la parte superior se va saturando de soluto en equilibrio con la concentración en el líquido C Ai.
Finalmente, la zona de adsorción alcanza el fondo del lecho, la resina está casi saturada y la concentración del efluente empieza a aumentar (este punto se llama punto de ruptura). Cuando la zona de adsorción para atreves del fondo del le cho la resina no puede adsorber más soluto y la concentración del efluente recobra su valor inicial. En este punto el lecho esta totalmente saturado de adsorbato y debe ser regenerado. La curva de r uptura muestra la concentración de soluto en el efluente o volumen de material procesado en función del tiempo. La forma de esta curva influye en el diseño y operación delos adsorbente en lecho fijo. La porción de la curva de ruptura entre dos tiempos la cantidad de soluto perdido en el efluente (área bajo la curva entre esos dos tiempos). Para evitar es to las operaciones de adsorción se paran generalmente antes de que el lecho este completamente saturado. Análisis ingenieril de los adsorbente de lecho fijo
En el diseño de un adsorbente de lecho fijo debe calcularse la cantidad de resina y el tiempo requerido para la adsorción de una determinada cantidad de soluto. Los procedentitos de diseño incluyen la predicción de la curva de ruptura y el tiempo de aparición del punto de ruptura. La forma de la curva de ruptura se ve afectada por factores como velocidad de alimentación, concentración del soluto en la alimentación, la naturaleza del equilibrio de adsorción y la velocidad de adsorción. Los cálculos para su diseño son mucho más complejos que para otras operaciones. Existen muchas incertidumbres asociadas al diseño y al cambio de escala de los sistemas de adsorción. Incluso en los sistemas de adsorción comerciales rara vez se alcanza el equilibrio de adsorción por lo que el rendimiento final se controla con la velocidad global de adsorción 6. Cromatografía
La cromatografía es una técnica analítica comúnmente utilizada para separar una mezcla de sustancias químicas en sus componentes individuales, de modo que los componentes individuales puedan analizarse a fondo. La base de la cromatografía es migración diferencial, es decir el retraso selectivo de las moléculas al pasar por un lecho de partículas de resina. Se pueden emplear diferentes tipos de cromatografía dependiendo del producto que se quiera separar de una mezcla, entre estas tenemos: Cromatografía de adsorción: El soluto interacciona con sitios activos de la superficie de la fase estacionaria (sólida). Intervienen fuerzas de van der Walls, enlaces de hidrógeno, etc. La elución se realiza por diferencia de polaridad de las moléculas. Cromatografía de reparto: Se basa en la diferencia de distribución del soluto entre dos disolventes inmiscibles entre sí. En este caso la elución se da por hidrofobicidad. Cromatografía de intercambio iónico: Existe una atracción electrostática entre el soluto y densos aglomerados de grupos cargados eléctricamente en el relleno de la columna. La elución se da con cambios de pH, o por gradientes salinos.
Cromatografía en gel: Las moléculas se separan en una columna empacada con partículas de porosidad conocida. Las moléculas grandes se mueven a una velocidad mayor. La elución se da por el tamaño de las moléculas. Cromatografía de afinidad: Se da por una especificidad de enlaces de biomasa, es decir por uniones específicas entre proteínas y ligandos, esto da una excelente purificación. La elución se la hace por cambios de pH, fuerza iónica, o solución tampón.
Migración diferencial
Constituye la base de la cromatografía. Suponiendo una mezcla de componentes A y B que presentan diferentes afinidades de equilibrio para una determinada fase estacionaria; se hace pasar un pequeño volumen de mezcla por la columna, entonces A y B son retenidos. Cuando se hace pasar la solución de elución ambos serán alternativamente adsorbidos y desorbidos en posiciones inferiores de la columna mientras fluya el elu yente. Si B desorbe más fácilmente que A este pasa más rápido por la columna. Existen varios parámetros para caracterizar la migración diferencial. Ve: Volumen del eluyente necesario para transportar el soluto a través de la columna hasta que sale a su máxima concentración. Cada componente tiene su volumen de elución diferente. Vo: Volumen hueco. Volumen del líquido existente en la columna que no se encuentra en el interior de las partículas. k: Factor de capacidad δ: Selectivdad o retención relativa
Estas ecuaciones son válidas para todos los tipos de cromatografía revisadas excepto para la cromatografía de filtración por gel. Para la cromatografía en gel se tiene las siguientes ecuaciones:
donde: vT: Volumen total Vs: Volumen del gel V0:Volumen hueco
Vi: Volumen interno de los poros El volumen de eluyente para solutos parcialmente excluidos se calcula con la siguiente ecuación:
Donde: Kp: Coeficiente de reparto del gel. La fracción de volumen interno disponible para el soluto. Se calcula:
Donde: a: masa del gel seco Wr: Valor de ganancia de agua. Volumen de agua tomado por masa de gel s eco. Si el gel es suministrado ya mojado e hinchado se usa la siguiente ecuación:
:densidad del gel húmedo. :densidad del agua. EJEMPLO 5:
Para separar dos hormonas A y B se utiliza una columna de cromatografía de gel a escala piloto empaquetada con resina Sephacryl. La columna tiene 5 cm de diámetro y 0,3 m de − m3. El valor de ganancia de agua del gel es 3 altura. El volumen hueco es 1,9 x − Sephacrul seco. La densidad del gel húmedo es de 1,25x kg −. El x − coeficiente de reparto de la hormona A es 0,38 y el de la hormona B es 0,15. Si el caudal de eluyente es de 0,71l /h,¿cuál es el tiempo de retenció para cada hormona.
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Solución:
El volumen total de la columna se determina:
El volumen hueco ya nos da el enunciado:
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El volumen interno se calcula con la siguiente ecuación:
Se calcula los valores del volumen de elución usando kp para A y B
El tiempo de retención se calcula con la relación t=ve/Q, donde Q es el caudal:
CONCLUSIONES
Las operaciones básicas son procesos físicos e individuales los cuales buscan recuperar, concentrar y purificar el producto de interés a partir del caldo de fermentación. La filtración es una operación básica o proceso unitario que consiste en la separación de sólidos en una suspensión a través de un medio poroso o filtrante. La selección de un equipo de filtración en general requiere un estudio de las especifica ciones y objetivos del proceso junto con una evaluación de la capacidad y características del equipo de filtración. Para bioprocesos se deben tomar en cuenta varios aspectos como: la comprensibilidad de la torta, la viscosidad de la torta, localización del producto de interés, entre otros. La centrifugación y disrupción celular son procesos que se utilizan para aislar el producto deseado que se encuentra mezclado con el caldo de fermentación; el objetivo es realizar la operación con la mayor eficiencia y obtener pureza alta. Así como la extracción líquidolíquido que utiliza disolventes inmiscibles para la transferencia de materia que se desea separar.
La cromatografía es una técnica empleada para la resolución de mezclas y aislami ento de componentes, basada en la migración diferencial de los solutos sobre una fase estacionaria.