SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

Procesos de Bioseparación

M.C. Guillermo Garibay Benítez

CO

NC

EP

TO

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 lainterfase 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 laproteína en la capa líquidaadyacente a la membranano puede crecer arriba decierto límite CG, en el cual lacapa se vuelve un gel.

De este punto en adelante elflux permanece constante,independientemente de unincremento de la presión.

Este fenómeno se le conocecomo polarización. El valormáximo y el valor de laconstante del flux para estecaso 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