UNIVERSIDAD DE BURGOS

ANLISIS DE UN PROCESO DE ULTRAFILTRACIN EXTRACTIVA DE

AMINOCIDOS UTILIZANDO CONTACTORES DE FIBRAS HUECAS

TESIS DOCTORAL

Pedro Snchez Estivalles

Julio 2007

UNIVERSIDAD DE BURGOS

SECRETARA

La presente Tesis Doctoral queda registrada en el folio n del correspondiente Libro de Registros, con el n .

Burgos, a de de 2007

NDICE RESUMEN

ABSTRACT

1. INTRODUCCIN...................................................................................................... 11

1.1. OBJETIVOS ................................................................................................................. 4

2. LOS AMINOCIDOS ................................................................................................. 7

2.1. PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS. .......................................................... 10 2.2. FUENTES NATURALES. FABRICACIN Y PROCESADO........................... 12 2.3. RECUPERACIN ............................................................................................... 13 2.3.1 Extraccin con disolventes ........................................................................... 14 2.3.2. Electrodilisis ............................................................................................... 16 2.3.3. Precipitacin................................................................................................. 17

2.4. APLICACIONES ................................................................................................. 19 2.5. -FENILGLICINA............................................................................................... 20 2.6. CIDO ASPRTICO .......................................................................................... 22

3. EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO......................................................................... 25

3.1. CONCEPTOS GENERALES............................................................................... 27 3.2. CARACTERSTICAS DEL DISOLVENTE ....................................................... 28 3.3. PRDIDAS DE DISOLVENTE........................................................................... 30 3.4. EQUILIBRIOS DE EXTRACCIN DE AMINOCIDOS................................. 31 3.4.1. Extraccin por formacin de pares inicos.................................................. 33

3.5. ETAPA DE REEXTRACCIN ........................................................................... 37

4. CONTACTORES DE MEMBRANA ........................................................................... 39

4.1. DEFINICIN Y TIPOS DE MEMBRANAS....................................................... 41 4.2. MECANISMOS DE TRANSPORTE DE MATERIA.......................................... 43 4.2.1. Transporte pasivo ......................................................................................... 43 4.2.2. Transporte activo .......................................................................................... 44

4.3. CONTACTORES DE MEMBRANA DE FIBRAS HUECAS............................. 45 4.4. FUNDAMENTOS TERICOS DE LA EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO EN

CONTACTORES DE MEMBRANA DE FIBRAS HUECAS ............................ 47 4.4.1. Transferencia de materia.............................................................................. 51 4.4.2. Coeficientes de transferencia de materia ..................................................... 52 4.4.3. Analogas con los equipos convencionales................................................... 55 4.4.4. Correlaciones de transporte ......................................................................... 56

5. PARTE EXPERIMENTAL........................................................................................... 61

5.1. PRODUCTOS UTILIZADOS.............................................................................. 64 5.2. DISPOSITIVOS EXPERIMENTALES ............................................................... 67 5.2.1. Equipo utilizado en la etapa de extraccin y de rextraccin........................ 67

5.2.2. Equipo utilizado en el proceso en el proceso integrado de extraccin-reextracion. ................................................................................................... 70

5.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .............................................................. 71 5.3.1. Determinacin del pH................................................................................... 71 5.3.2. Determinacin de la concentracin de aminocido ..................................... 72 5.3.3. Determinacin de densidad y viscosidad de la fase orgnica...................... 73 5.3.4. Lavado y secado de los mdulos de membrana........................................... 74 5.3.5. Experiencias de extraccin de -fenilglicina: optimizacin de las

condiciones hidrodinmicas y efecto del tipo de diluyente. ......................... 74 5.3.6. Efecto del pH y de la adicin de sales sobre la solubilidad de la -

fenilglicina. ................................................................................................... 76 5.3.7. Experiencias de reextraccin de -fenilglicina............................................ 77 5.3.8. Experiencias de extraccin-reextraccin: optimizacin de las condiciones

hidrodinmicas. ............................................................................................ 78

6. RESULTADOS Y DISCUSIN.................................................................................... 83

6.1. ENSAYOS CON -FENILGLICINA .................................................................. 85 6.1.1. Extraccin con TOMAC-Tolueno ................................................................. 85 6.1.2. Extraccin con fase orgnica TOMAC-1-Decanol..................................... 102 6.1.3. Determinacin de la etapa controlante del proceso de extraccin. ........... 110 6.1.4. Etapa de reextraccin ................................................................................. 119 6.1.5. Proceso integrado de extraccin-reextraccin........................................... 125

6.2. ENSAYOS CON CIDO ASPRTICO............................................................ 139 6.2.1. Proceso integrado de extraccin-reextraccin........................................... 139

6.3. ENSAYOS CON MEZCLAS BINARIAS DE -FENILGLICINA Y CIDO ASPRTICO ..................................................................................................... 150

6.3.1. Proceso integrado de extraccin-reextraccin........................................... 150 6.4. SEPARACIN Y RECUPERACIN DE LOS AMINOCIDOS. ................... 165

7. CONCLUSIONES GENERALES .............................................................................. 169

8. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 173

9. NOMENCLATURA..................................................................................................... 185

RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo el estudio de la viabilidad de un proceso de extraccin-reextraccin liquido-liquido utilizando contactores de membranas de fibras huecas (ultrafiltracin extractiva) para la recuperacin de aminocidos de disoluciones acuosas diluidas. Este estudio de investigacin demuestra que la extraccin-reextraccin utilizando contactores de membrana es una alternativa adecuada a los proceso sde extraccin convencionales para la separacin, concentracin y fraccionamiento de aminocidos de corrientes de proceso donde estos solutos se encuentran en baja concentracin. La extraccin asistida con membranas es un proceso hbrido que integra en un solo dispositivo las dos etapas que se precisan en una operacin de extraccin o de reextraccin liquido-liquido: contacto entre las fases y separacin de las mismas, permitiendo trabajar con un volumen reducido de fase orgnica, aproximadamente 500 veces inferior al utilizado en la extraccin liquido-liquido convencional. Se han elegido -fenilglicina y cido asprtico como aminocidos modelo por su elevado inters industrial. En concreto, el aminocido monocarboxlico -fenilglicina es un biocompuesto utilizado principalmente como precursor en la sntesis de antibioticos -lactmicos, cefalosporinas y penicilinas sintticas fundamentalmente. Estos antibiticos son uno de los grupos de mayor produccin en la industria farmacutica. El cido asprtico es un aminocido dicarboxllico que se emplea como materia prima, junto con el aminocido -fenilalanina, para la sntesis del edulcorante hipocalrico aspartamo, ampliamente utilizado en la industria alimentaria y de bebidas refrescante. Este aminocido, se utiliza tambin en la industria farmacutica en la preparacin de caldos de fermentacin y en la obtencin de algunas penicilinas sintticas. La consecucin de este estudio se ha desarrollado siguiendo las etapas que se detallan a continuacin:

Seleccin del disolvente (diluyente y extractante) ms adecuado en funcin tanto de sus caractersticas como extractante como de sus propiedades fisico-qumicas.

Estudio del uso de contactores de membrana de fibras huecas como tcnica de extraccin no dispersiva para la recuperacin de los aminocidos arriba mencionados. Se analiz la influencia de la hidrodinmica (nmero de Reynolds) sobre el coeficiente global de transferencia de materia.

Puesta en marcha del proceso de reextraccin del aminocido desde la fase orgnica a la disolucin de reextraccin o stripping utilizando un mdulo de membranas de fibras huecas al objeto de obtener la mayor recuperacin posible del aminocido. Se estudi el efecto sobre el grado de recuperacin del soluto de la concentracin y tipo de agentes presentes en la fase reextractante.

Evaluacin de la viabilidad del proceso integrado de extraccin-reextraccin utilizando dos contactores de fibras huecas en serie y con corrientes paralelas. Este modo de operacin permite regenerar de forma continua la fase orgnica, y concentrar el soluto utilizando la relacin de volmenes y concentracin de fase reextractante adecuadas.

Determinacin de los coeficientes globales e individuales de transferencia de materia utilizando un modelo matemtico sencillo aplicado tanto a las etapas por separado como al proceso integrado. A su vez, se estimaron los valores de las resistencias a la transferencia de materia para cada una de las fases.

Estudio de la viabilidad tcnica del proceso integrado de extraccin-reextraccin de cido asprtico y fenilglicina desde sus mezclas binarias enfocado al fraccionamiento y recuperacin de los mismos. Este proceso tambin se model matemticamente.

ABSTRACT The performance of membrane contactors to carry out liquid-liquid extraction or back-extraction for the recovery of amino acids (-phenylglycine and aspartic acid) from dilute aqueous solutions has been investigated in the present work. The membrane assisted liquid extraction is a hybrid process which allows the integration in only one unit of the two steps involved in liquid-liquid extraction: phase contacting and phase separation, leading a reduced volume, 500 times minor to that of the conventional liquid-liquid extraction This study looks closely at two amino acid models in increasing use nowadays: -phenylglycine and aspartic acid. Phenylglycine is a bio-compound used in the pharmaceutical industry as precursor of the synthesis of -lactam antibiotics, as cephalosporines and synthetic penicillins. These antibiotics are, inside the pharmaceutical products, one of the groups with higher production volume. Aspartic Acid is a dicarboxylic amino acid mainly used as raw material together with the amino acid -phenylalanine for the synthesis of aspartame, artificial sweetener widely used in the food industry and refreshing drinks. This amino acid is also used in pharmacist applications (fermentation broths, penicillins synthesis, etc). It was shown that the extraction using membrane contactors it is an alternative adapted to recover and separate both amino acids, phenylglycine and aspartic acid from different process streams. In this study the following steps were undertaken:

The most suitable extraction system (extractant + diluent) was selected taking into account the extractant characteristics and its physic-chemical properties.

Membrane contactors as non dispersive technique for liquid-liquid extraction and liquid-liquid back-extraction were tested for the recovery of the aforementioned amino acids. The influence of hydrodynamics (Reynolds number) on the overall mass transfer coefficients was analyzed.

The stripping process (back-extraction) was carried out using membrane contactors, in order to recover the largest amount of amino acid. The effect of the stripping phase on the recovery yield was investigated.

The integrated process (extraction and simultaneous stripping) using two hollow fiber contactors in a series configuration was studied. This operating mode, allows regenerating the organic phase and concentrating the solute using the appropriate volumes and concentrations.

The values of the mass transfer coefficients (overall and individual) were estimated by using an easy mathematic model. The resistances to the mass transfer for each of the phases were also calculated.

The viability of the integrated process of recovery and separation of -phenylglycine and aspartic acid from the dilute binary mixtures was studied. The values of the mass transfer coefficients (overall and individual) were also estimated by using a similar mathematic model.

1. INTRODUCCIN

Introduccin 3

La consecucin de esta Tesis Doctoral se ha centrado en el avance cientfico y tecnolgico de la nueva tecnologa hbrida de ultrafiltracin extractiva empleando contactores de membrana que consiste en un proceso de extraccin reactiva con disolventes asistida con membranas y aplicada a la concentracin y separacin de aminocidos de disoluciones acuosas altamente diluidas. En esta investigacin se ha estudiado la viabilidad tcnica del proceso de separacin y/o fraccionamiento de los aminocido modelo fenilglicina y cido asprtico. El elevado consumo de aminocidos en las industrias biotecnolgicas alimentarias y farmacutica se debe fundamentalmente a su uso como materias primas en la fabricacin de muchos alimentos, analgsicos y frmacos. En concreto, el aminocido -fenilglicina se emplea como precursor en la sntesis de antibiticos -lactmicos, tales como las cefalosporinas y penicilinas sintticas que constituye uno de los grupos con mayor volumen de produccin del sector farmacutico. El cido asprtico junto con la fenilalanina se emplean en la sntesis de aspartamo, edulcorante hipocalrico ampliamente utilizado en bebidas refrescante, alimentos, caramelos y frmacos. Este aminocido, se utiliza tambin en la industria farmacutica en la preparacin de caldos de fermentacin y en la obtencin de algunas penicilinas sintticas. En general, la produccin industrial de aminocidos se realiza principalmente por fermentacin microbiana, biosntesis o bien mediante la hidrlisis de protenas. En todos los casos se obtienen aminocidos a bajas concentraciones en disoluciones acuosas diluidas y en presencia de un elevado nmero de compuestos qumicos similares, por lo que su separacin y posterior purificacin utilizando mtodos tradicionales (cristalizacin, adsorcin, resinas de intercambio inico o extraccin con disolventes) es un proceso muy complejo, cuyo coste puede llegar a alcanzar hasta el 50% del coste total de produccin. Por otra parte, su recuperacin desde corrientes de proceso, caldos de fermentacin o corrientes residuales, en donde se encuentran en baja concentracin y en presencia de un elevado nmero de compuestos qumicos similares, es compleja y presenta un gran reto industrial. El inters de su recuperacin reside en su valor potencial, tanto alimentario como farmacolgico, a la vez que se disminuye el riesgo de contaminacin medioambiental ya que su vertido aumenta considerablemente la emisin de nitrgeno, nutriente que puede producir la eutrofizacin del cauce receptor (crecimiento de algas provocando la asfixia masiva de la vida acutica). Como alternativa, en los ltimos aos, se han desarrollado procesos nuevos y en otros caso procesos hbridos de los convencionales con el fin de disminuir los costes de operacin y mejorar el rendimiento de recuperacin y de purificacin de los aminocidos. El inters de la tecnologa hbrida de ultrafiltracin extractiva con mdulos de membrana de fibras huecas reside en las ventajas que aporta frente a los procesos convencionales, siendo capaz de reunir en un nico proceso las ventajas de las tcnicas de extraccin con disolventes y de concentracin con membranas, aumentando la eficacia de la separacin (procesos ms

4 Introduccin

selectivos) y disminuyendo considerablemente los costes de operacin (varios procesos en uno). Adems, est enmarcada dentro de la denominacin de tecnologas limpias que implica bajo consumo energtico y de reactivos, logrndose la reutilizacin de todos los productos y la obtencin de menos residuos y contaminantes que con los procesos convencionales, contribuyendo as a la sostenibilidad del medio ambiente. Los mdulos o contactores de membrana de fibras huecas (MFH) son unidades compactas de membranas micro/ultra porosas (ms de 2000) que permiten poner en contacto la fase alimentacin y el disolvente manteniendo la interfase inmovilizada en el interior de los poros hidrofbicos de la membrana, como consecuencia de una diferencia de presiones a ambos lado de la membrana, y evitando as el contacto directo de las fases y la formacin de emulsiones. En estos mdulos una de las fases circula por el interior de las membranas y la otra por la carcasa, al estilo de un intercambiador de calor. Los coeficientes de transferencia de materia son similares a los obtenidos con las tcnicas de extraccin convencional pero el mayor rea interfacial por unidad de volumen permite trabajar con un equipo mucho ms pequeo (unas 500 veces menor) alcanzando altas velocidades de separacin. El rendimiento de la extraccin puede ser del orden de 1200 veces los obtenidos con la extraccin convencional, siempre que las condiciones de operacin sean las adecuadas. Los parmetros a optimizar son: el tipo de material que configura la membrana, tipo y concentracin de la solucin extractante, flujos de ambas corrientes y configuracin de las mismas en corrientes paralelas o en contracorriente. Las limitaciones del proceso son las inherentes a la polarizacin de la concentracin y al ensuciamiento de la membrana. Otra ventaja importante de esta tecnologa es que la etapa de reextraccin se puede integrar al proceso de extraccin incorporando un segundo mdulo en serie, cuyas corrientes de entrada sean la fase orgnica cargada con el soluto procedente de la etapa de extraccin y la solucin de reextraccin o stripping. Esta configuracin asegura que no tenga lugar la saturacin del agente extractante, ya que se regenera continuamente en el mdulo de reextraccin, lo que permite la reduccin del volumen de fase orgnica a utilizar. 1.1. OBJETIVOS

El presente trabajo de investigacin est enfocado al estudio del proceso de recuperacin de -fenilglicina y cido asprtico de disoluciones acuosas diluidas empleando como tcnica de extraccin no dispersiva la tecnologa hbrida de ultrafiltracin extractiva con contactores de membranas de fibras huecas, tratando de cubrir los siguientes objetivos parciales:

1. Optimizacin de la velocidad de transferencia de materia del proceso de extraccin de -fenilglicina empleando contactores de membrana de fibras huecas. Evaluacin

Introduccin 5

de la influencia de la hidrodinmica (nmero de Reynolds) de las fases, acuosa y orgnica, y del tipo de diluyente empleado en la fase orgnica.

2. Puesta en marcha del proceso de reextraccin de -fenilglicina desde la fase de orgnica, donde se encuentra como sal de amonio cuaternaria, hacia la fase de reextraccin (stripping) al objeto de obtener la mayor recuperacin posible del aminocido. Efecto de la concentracin de iones cloruro en la fase stripping sobre el grado de recuperacin del aminocido.

3. Evaluacin de la viabilidad del proceso integrado de extraccin-reextraccin -fenilglicina utilizando dos contactores de fibras huecas en serie y con corrientes paralelas. Estudio del modo de operacin, relacin de volmenes y concentracin de iones cloruro en la fase reextractante que permitan regenerar de forma continua la fase orgnica y concentrar el aminocido.

4. Determinacin de los coeficientes globales e individuales de transferencia de materia utilizando un modelo matemtico sencillo aplicado tanto a las etapas de extraccin y de reextraccin de -fenilglicina por separado como al proceso integrado. Estimacin de los valores de las resistencias a la transferencia de materia para cada una de las fases.

5. Estudio del proceso integrado de extraccin-reextraccin de cido asprtico bajo las mismas condiciones hidrodinmicas. Modelizacin matemtica de los resultados enfocada a la estimacin de los coeficientes de transferencia de materia (individuales y globales) y a determinacin de las etapas limitantes del proceso.

6. Comparacin de resultados del proceso integrado de extraccin-reextraccin de ambos aminocidos en estudio (cido asprtico y -fenilglicina).

7. Estudio de la viabilidad tcnica del proceso integrado de extraccin-reextraccin de cido asprtico y fenilglicina desde sus mezclas binarias enfocado al fraccionamiento y recuperacin de los mismos. Modelizacin matemticamente de los resultados y clculo de los coeficientes de transferencia de materia.

2. LOS AMINOCIDOS

Los aminocidos 9

Las protenas, agregados macromoleculares que constituyen el 50 % o ms del peso seco de las clulas vivas, son esenciales en funciones biolgicas de biocatlisis (enzimas), inmunolgicas (anticuerpos), genticas (nucleoprotenas) y de neurotransmisin, en procesos de transporte (hemoglobina, citocromos), en el almacenamiento de molculas o iones (ferritina), y participan activamente en la estructura del hueso, el cartlago, la piel o actan como hormonas liberadas por glndulas especficas. Se puede considerar que los componentes bsicos de las protenas son los aminocidos, aproximadamente veinte las constituyen habitualmente y estn unidas por enlaces peptdicos en un orden predeterminado genticamente. Desde el descubrimiento y caracterizacin en 1806 del primer aminocido, la L-asparagina, tuvieron que pasar mas de cien aos hasta que en 1935 se aisl el vigsimo, la L-treonina, aminocido de elevada importancia nutricional por estar asociado al crecimiento. Desde el punto de vista de la qumica de alimentos, los aminocidos, peptidos y protenas proporcionan los elementos necesarios para la sntesis proteica e influyen directamente en la estructura y cualidades organolpticas de numerosos alimentos. En general las protenas influyen directamente en las propiedades fsicas de los alimentos por su alta capacidad para formar o estabilizar geles, espumas, masas, emulsiones y estructuras fibrilares. Mientras que los aminocidos y pptidos contribuyen directamente en el sabor de los alimentos y son precursores de los componentes aromticos y las sustancias coloreadas formadas por reaccin trmica y enzimtica que tienen lugar en la obtencin, preparacin, maduracin y almacenamiento de los mismos. Adems, se utilizan como suplemento alimentario para diabticos, hipertensos o pacientes que presentan insuficiencia digestiva a las protenas. (Belitz H.-D. et al., 1997; Linden G. et al., 1996). La frmula general de un - aminocido se puede escribir como: donde el asterisco significa la existencia de un carbono asimtrico y por lo tanto todos los aminocidos, excepto la glicina, tienen dos ismeros enantimeros pticamente activos designados por D y L. Los aminocidos de las protenas son todos de la forma L, debido a que las clulas poseen enzimas estereoespecficas que sintetizan nicamente estos esteroismeros, eliminndose si existen los esteroismeros D va renal, y evitando as, una posible sntesis de pptidos txicos. A pesar de todo, en las clulas existe una cierta cantidad de D-aminocidos aunque nunca formando parte de las protenas. Otra caracterstica importante es su carcter anfotrico, las molculas de aminocidos tienen al menos dos cargas elctricas iguales, de signo opuesto debidas al grupo amino y al carboxilo. La cadena lateral de los aminocidos, R, puede ser desde un protn como en el caso del aminocido ms sencillo (glicina), hasta un resto aliftico, aromtico o heterocclico

R *CH COO-

NH3

+

10 Los aminocidos

portador de otros grupos funcionales. Es importante para las interacciones intra/inter-moleculares de las protenas y segn las caractersticas de sta se puede realizar la siguiente clasificacin:

- Aminocidos con cadena lateral sin carga y apolar: glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, fenilalanina, triptfano, metionina.

- Aminocidos con cadena lateral sin carga y polar: serina, treonina, cistena, tirosina, asparagina, glutamina.

- Aminocidos con cadena larga cargada: cido asprtico, cido glutmico, histidina, lisina, y arginina.

y desde el punto de vista nutricional se pueden clasificar como:

- Aminocidos esenciales para la vida humana: valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, triptfano, metionina, treonina, histidina, lisina, arginina.

- Aminocidos no esenciales pero s necesarios para el buen funcionamiento del organismo: glicina, alanina, prolina, serina, cistena, tirosina, asparagina, glutamina, cido asprtico, cido glutmico.

Todos los aminocidos esenciales estn disponibles comercialmente y su inters comercial es creciente, principalmente debido a su uso como potenciadores del sabor y edulcorantes en la industria alimentaria. El desarrollo reciente de nuevos alimentos, edulcorantes y antibiticos ha fomentado el consumo de aminocidos tales como el cido glutmico, cido asprtico, fenilglicina, fenilalanina, etc. 2.1. PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS. Los aminocidos son slidos, forman estructuras cristalinas muy variadas, tienen puntos de fusin elevados entre 200 y 300 C, y generalmente se descomponen antes de alcanzar el punto de fusin. Todos los -aminocidos, excepto la glicina, contienen al menos un tomo de carbono asimtrico y se caracterizan por su capacidad para hacer girar la luz a la derecha (+) o a la izquierda (-), dependiendo del disolvente y del grado de ionizacin. La denominacin D o L se refiere nicamente a la configuracin absoluta del aminocido y no tiene nada que ver con el sentido de giro del plano de la luz polarizada. Con la representacin de Fisher y por analoga con el D- y L-gliceraldehido, los estereoisomeros de los -aminocidos se pueden expresar de forma general con la siguiente representacin.

Los aminocidos 11

L-aminocido D-aminocido Siendo la forma L de estos aminocidos la mas demandada industrialmente por su intervencin en la fabricacin de proteinas. Su solubilidad en agua es muy variada, depende del pH de la disolucin y aumenta al aumentar la temperatura y al adicionar cidos o lcalis en presencia de otros aminocidos. Como regla general, se puede considerar que son mas solubles en agua los aminocidos que tienen grupos polares adicionales, por ejemplo OH, -SH, -COOH, -NH2. En disolucin acuosa, debido a su carcter anfotrico, sufren una disociacin dependiente del pH: (cido) (base) Las constantes de disociacin del aminocido se expresan mediante las siguientes relaciones de equilibrio:

[ ] [ ]

[ ]COOH)R(CHNHCOO)R(CHNHH

K3

3

1a+

++

= (2.1)

[ ] [ ]

[ ]KH H NCH R COO

H N CH R COOa2

2

3

=

+

+

( )

( ) (2.2)

Generalmente, se expresan en trminos de pK, y pueden tener dos o ms pKs dependiendo del nmero de grupos de disociacin en la molcula. Muchos aminocidos en solucin estn presentes en su forma anfotrica, es decir con carga elctrica neta cero. El pH al cual la carga elctrica neta de una molcula de aminocido es cero se denomina punto isoelctrico, pI, y se expresa como:

H2N CH COO-

R

forma aninica

H3N+ CH COOH

R

forma catinica

H3N+ CH COO-

R

forma anftera o neutra

+ H+ + H+

- H+ - H+

H

NH3

+ C COO- R

H

COO- C NH3

+ R

12 Los aminocidos

pIpK pKa a

=

+1 22

(2.3)

Es importante destacar que la solubilidad de cada aminocido es mnima en su pI. En caso de que los aminocidos contengan un grupo ionizable en su cadena lateral, cidos monoamino dicarboxlicos como el cido glutmico o el cido asprtico y cidos diamino monocarboxlicos como la lisina presentan una constante de disociacin adicional Ka3. En este caso el punto isoelctrico se calcula por la semisuma del pK del grupo de la cadena lateral y del pK del grupo con valor ms prximo. (Herrera E.,1993) Debido al carcter anftero de los aminocidos, estos tienen caractersticas tanto de cidos como de bases orgnicas, proporcionando las siguientes aplicaciones (Douglas M.C., 1974; Berlitz.H.D.,1997):

1. Por tratamiento con cidos fuertes y calor se produce su esterificacin. Los esteres de los aminocidos se condensan con NH3 o aminas formando amidas cidas.

2. En disoluciones alcalinas reaccionan con cloruros o con anhdridos cidos para formar compuestos aclicos.

3. Los -aminocidos reaccionan en exceso de cido nitroso para formar cidos -hidroxlicos (reaccin de Van Slyke).

4. Al calentar los aminocidos en disolventes orgnicos como queroseno se produce su descarboxilacin formndose las correspondientes aminas.

5. Con agentes oxidantes son fcilmente oxidados, formando los correspondientes cidos con un tomo menos de carbono.

6. Los aminocidos en disolucin neutra reaccionan con la ninhidrina (2,2dihidroxi-1,3-indanediona) causando su descarboxilacin oxidativa, formando complejos de color rojo o violeta. Esta reaccin permite su determinacin colorimtrica.

7. Reaccionan con los isocianatos dando carbamoilderivados que calentados en medio cido se ciclan dando 2,4-dioxoimidazolidinas (hidantonas).

2.2. FUENTES NATURALES. FABRICACIN Y PROCESADO

La produccin de aminocidos se realiza mediante un amplio abanico de tecnologas que incluyen la extraccin de hidrolizados de protenas, la sntesis qumica, la fermentacin directa y la biotransformacin de precursores con clulas o enzimas. La mayora de los aminocidos se extraen de los hidrolizados de protenas, sin embargo, todava es dificil su

Los aminocidos 13

aislamiento en forma pura ya que se encuentran en presencia de compuestos orgnicos similares. Se han establecido diversos mtodos qumicos para la sntesis de -aminocidos, por ejemplo, la aminacin de cidos carboxlicos -halogenados o de -cetocidos. De esta manera se han logrado sintetizar qumicamente con xito diversos aminocidos como D,L-alanina, D,L-triptfano, glicina y D,L-metionina. Sin embargo, en muchos casos, la sntesis qumica proporciona solamente la mezcla racmica D,L del -aminocido, por lo que es preciso realizar la separacin por resolucin ptica. Esta tcnica puede realizarse de dos formas: por mtodos fsicos o qumicos que aplican las propiedades de los estereoismeros, tales como los mtodos cromatogrficos o los mtodos de cristalizacin, y por mtodos biolgicos tales como fermentacin o procesos enzimticos, basados en el comportamiento caracterstico de los aminocidos en las clulas vivas en presencia de enzimas. Existen procesos de fermentacin o biotransformacin para todos los aminocidos, excepto para la glicina, L-cistena y la L-cistina, pero no todos ellos son viables comercialmente,por ejemplo: L-asparragina, L-cistina, L-cistena, L-leucina y L-tiroxina En los enzimticos, los substratos sintetizados qumicamente se convierten en el aminocido correspondiente por accin cataltica de un enzima. Los mtodos enzimticos no proporcionan elevados rendimientos y no siempre se obtienen los aminocidos con la pureza necesaria para su uso final. Destacar que los aminocidos obtenidos por mtodos enzimticos son la L-alanina, cido L-asprtico, L-metionina, D-fenilglicina, etc. (Kirk-Othmer, 1992).

2.3. RECUPERACIN Los aminocidos se encuentran presentes en caldos de fermentacin o en corrientes de procesado en baja concentracin y en presencia de otros compuestos qumicos similares. Su separacin y purificacin son etapas cruciales en la optimizacin del proceso productivo de las industrias biotecnolgicas. El nmero de etapas necesario para la recuperacin de aminocidos y bioproductos depende de la materia prima utilizada, de la concentracin y propiedades fisico-qumicas del producto y del grado de purificacin necesario. Las operaciones unitarias de recuperacin de aminocidos pueden agruparse en las siguientes categoras (Blanch H.W. et al., 1996; Liddell J.M., 1994):

- Etapas iniciales. Se realiza la separacin de materiales insolubles tales como la biomasa celular, las protenas agregadas y los nutrientes insolubles, empleando como operaciones de separacin la sedimentacin, centrifugacin y filtracin.

14 Los aminocidos

- Etapas intermedias. Hacen referencia al aislamiento del producto de inters, eliminando las impurezas. En esta categora se emplean operaciones de extraccin, ultrafitracin, intercambio inico, cromatografa, dilisis y electrodilisis.

- Purificacin final. Los productos farmacuticos, teraputicos y alimentarios requieren una pureza elevada. En esta etapa se requieren operaciones de cristalizacin y precipitacin, llevadas a cabo por modificacin del pH del medio, adicin de sales o de disolventes orgnicos, que producen una variacin drstica de la solubilidad del aminocido. El proceso de purificacin finaliza con el secado del producto.

A continuacin se describen brevemente alguna de las tcnicas ms utilizadas para la separacin y purificacin de aminocidos:

2.3.1 Extraccin con disolventes

La extraccin es una tcnica muy utilizada en la separacin de aminocidos. La extraccin reactiva de aminocidos con disolventes conlleva la transferencia desde los caldos de fermentacin o corrientes de procesado hacia una fase orgnica, que contiene generalmente un extractante selectivo, seguida de la reextraccin y concentracin del producto en una fase acuosa de reextraccin, donde se obtiene el producto concentrado. La recuperacin final normalmente se lleva a cabo mediante precipitacin, cristalizacin o evaporacin. Algunos ejemplos de la utilizacin de esta tecnologa para la recuperacin de aminocidos son: extraccin de -fenilglicina, utilizando TOMAC como agente extractante (Ruiz M.O. et al., 2002-a, 2002-b), extraccin de L-fenilalanina con Aliquat 336 (Escalante H. et al., 1998; Scarpello J.T. y Stuckey D.C., 2000), extraccin de cido asprtico (Su-Hsia L et al, 2006). Otra aplicacin de la extraccin con disolventes es la extraccin mediante micelas inversas. Las micelas inversas son microgotas de disolucin acuosa, dispersas en una fase orgnica continua y estabilizadas por un surfactante. Esta tecnologa ha sido aplicada a la extraccin de protenas (Goto M. et al., 1997) y de aminocidos (Dzygiel P. y Wieczorek P., 2000; Nishiki T. et al., 2000). Las unidades de proceso donde se realiza convencionalmente la extraccin son bateras de mezcladores-sedimentadores o torres de extraccin. Uno de los requisitos necesarios en estos equipos es la existencia de una diferencia de densidades entre las fases en contacto para que se produzca la separacin de las mismas. La extraccin con disolventes por contacto directo de las fases presenta la limitacin de la formacin de emulsiones estables que evitan la posterior separacin de las fases, provocando la prdida del producto de inters en la formacin de terceras fases. En las torres de extraccin, adems, existen problemas relacionados con la inundacin de la torre y la formacin de caminos preferentes.

Los aminocidos 15

Como alternativa a los procesos convencionales se pueden utilizar procesos hbridos de extraccin con membranas con diferentes tecnologas:

Microfiltracin / ultrafiltracin de emulsiones y soluciones coloidales Se fundamenta en la accin de tamizado impuesta por la membrana para separar el permeado, formado por la fase de refinado, del retenido, formado principalmente por la fase de extracto. En el caso de la microfiltracin se utilizan membranas de estructura simtrica, con tamao de poro comprendido entre 0,05 m y 10 m, y la diferencia de presin intermembranal suele ser inferior a 2 bar. Las membranas de ultrafiltracin son asimtricas, con tamao de poro entre 0,05 m y 1 nm. La diferencia de presin transmembranal suele ser inferior a 5 bar. Algunas aplicaciones de la filtracin con membranas a la recuperacin de bioproductos han sido: recuperacin de cido valrico por ultrafiltracin (Rodrguez M. et al., 1996; Rubio B. et al., 2000) y ultrafiltracin de protenas (Douglas B.B. et al., 1999). Las tcnicas de filtracin con membranas tienen como principales inconvenientes el ensuciamiento de la membrana y la polarizacin por concentracin.

Contactores de membrana Es la tecnologa que se ha aplicado en este estudio y se presenta detalladamente en el apartado 4.3.

Membranas lquidas Las membranas lquidas consisten en una pelcula lquida que separa dos fases entre s. Estas fases pueden ser bien lquidas o gaseosas. La fuerza impulsora del transporte es un gradiente de potencial qumico. La separacin de los distintos componentes se va a producir debido a diferencias de solubilidad y difusividad en la membrana lquida (Mulder M., 1991). Fundamentalmente hay dos tipos de membranas lquidas (Mulder M., 1991):

- Membranas lquidas soportadas (SLM) o membranas lquidas

inmovilizadas. La membrana lquida se encuentra ocupando los poros de una matriz polimrica. La funcin de esta matriz es nicamente la de actuar como soporte para la pelcula lquida.

16 Los aminocidos

- Membranas lquidas en emulsin (ELM). Estas membranas consisten en una emulsin con un tamao de gota comprendido entre 0,5 y 10 m, producidas por agitacin de dos fases inmiscibles, la cual se estabiliza por adicin de un agente surfactante. Esta emulsin se vierte sobre una disolucin acuosa que contiene el soluto de inters, para formar una emulsin acuosaorgnicaacuosa, donde la fase orgnica acta como membrana lquida. La figura 2.1. muestra una representacin esquemtica de la preparacin de este tipo de membranas.

Figura 2.1. Preparacin de una membrana lquida en emulsin. Algunas de las aplicaciones de las membranas liquidas han sido la recuperacin de aminocidos (Calzado J.A. et al., 2000; Dzygiel P. y Wieczorek P., 2000; Coelhoso I.M. et al., 2000; Kertesz R. Et al., 2005), penicilina V (Cascaval D. et al., 2000), penicilina G (Lazarova Z. Et al.,2002), fenol (Urtiaga A.M. et al., 1992), cido ctrico (Basu R. y Sirkar K.K., 1991) y metales (Urtiaga A. Et al., 2005; Fonts C. et al., 2000). A pesar de que la tecnologa de membranas lquidas ha sido muy estudiada durante los ltimos aos, es difcil su utilizacin a escala industrial debido a sus limitaciones, como la tendencia al hinchamiento y posterior ruptura de las membranas, en el caso de las ELM o la inestabilidad de la SLM.

2.3.2. Electrodilisis

En este proceso se utilizan membranas intercambiadoras de iones para eliminar solutos cargados de disoluciones acuosas. Entre el nodo y el ctodo se colocan de forma alterna un nmero determinado de membranas intercambiadoras de aniones y de cationes. Estos sistemas utilizan una corriente elctrica para transportar los iones a travs de la membrana.

aceite

agua

emulsin

agua - aceite

surfactante

emulsin

agua - aceite - agua

Los aminocidos 17

La electrodilisis se aplica a la separacin de aminocidos. Debido a su carcter anfotrico, a pH alto los aminocidos tienen carga negativa y migrarn hacia el nodo y a pH bajo los aminocidos cargados positivamente migrarn hacia el ctodo. Si el pH es igual al punto isoelctrico del aminocido, el aminocido no migrar. As los diferentes aminocidos pueden ser separados ajustando el pH de la disolucin que los contiene (Mulder M., 1991). Esta tecnologa ha sido aplicada a la separacin de cido glutmico, metionina y L-lisina utilizando dos tipos de membranas cargadas inicamente (Kikuchi et al., 1995). El principal inconveniente de la electrodilisis es que las membranas tienden a presentar problemas de hinchamiento permitiendo, as, el paso de solutos a travs de las membranas por mecanismos de difusin. Otro problema habitual es el inherente a la electrolisis del agua, disminuyendo la eficacia de la separacin. Adems las membranas deben tener elevada conductividad elctrica junto con una buena resistencia mecnica, lo que eleva los costos del proceso.

2.3.3. Precipitacin

La precipitacin es una tcnica comnmente utilizada en la purificacin de protenas, aminocidos, antibiticos y biopolmeros. La tendencia de los aminocidos y protenas a precipitar depende de varios factores, como son el disolvente (concentracin de sal, constante dielctrica, pH, ), la temperatura, la forma, tamao y carga de la protena (Blanch H.W. y Clark D.S., 1996). Una de las estrategias ms comunes de producir la precipitacin de aminocidos y protenas es alterando las propiedades del disolvente. Los mtodos de precipitacin ms comunes se describen a continuacin:

a) Variacin del pH del medio El pH del medio es un factor decisivo en la solubilidad. Para valores de pH superiores o inferiores al punto isoelctrico, la molcula de aminocido se encuentra cargada y las molculas de agua reaccionan con estas cargas favoreciendo la solubilizacin. Cuando el pH del medio se encuentra prximo al punto isoelctrico las interacciones con el agua y sus cargas netas son mnimas, pudiendo conducir a su precipitacin (Cheftel J-C. et al., 1989). La etapa final de recuperacin de aminocidos puede llevarse a cabo por precipitacin, llevando la disolucin a pHs cercanos al punto isoelctrico, donde la solubilidad es mnima, y el aminocido precipita.

b) Salting-out

Foster P.R. (1994) estudi el efecto de la adicin de sales a disoluciones de protenas, comprobando que a bajas concentraciones la solubilidad de las protenas en disoluciones acuosas aumentaba por efecto salting-in y disminua para elevadas concentraciones, por

18 Los aminocidos

efecto salting-out. Las sales neutras tienen, en general una doble influencia sobre la solubilidad. A concentraciones bajas actan disminuyendo las interacciones electrostticas aminocido-aminocido y aumentado la solubilidad. A concentraciones ms altas, las sales neutras disminuyen la solubilidad de los aminocidos y protenas como consecuencia de la tendencia de los iones salinos a la hidratacin. Segn la serie de Hofmeister, los iones pueden clasificarse como sigue:

SO42-

Los aminocidos 19

2.4. APLICACIONES Los aminocidos se utilizan como materias primas en la industria alimentaria, farmacutica, qumica y cosmtica. En la industria alimentaria se emplean los aminocidos y sus derivados para edulcorar, salar, modificar o aumentar el sabor de los alimentos. Cada aminocido y derivado tiene un sabor caracterstico: dulce, amargo, agrio, salado. El D-glutamato es inspido y los steres de metil o etil glicina poseen un sabor muy salado. La glicina y alanina son dbilmente dulces pero el aspartamo sintetizado a partir de los aminocidos L-cido asprtico y L-fenilalanina es un edulcorante artificial 200 veces ms dulce que la sacarosa. Tambin la D-alanina junto con el cido asprtico forman un edulcorante 12 veces ms dulce que el aspartamo (Kirk-Othmer, 1992). Adems, muchos piensos no contienen los aminocidos esenciales necesarios para el crecimiento equilibrado del ganado, y normalmente, es necesario introducir suplementos alimenticios que contengan los aminocidos esenciales, los ms frecuentes son: DL-metionina, L-lisina, L-treonina (Kirk-Othmer, 1992). En medicina, en pre- y post-operatorios, se estn utilizado transfusiones de aminocidos para mantener el nivel de nitrgeno necesario para el funcionamiento metablico. (Kirk-Othmer, 1992). En la industria farmacutica se utilizan con distintos fines. La L-glutamina y sus derivados se utilizan como remedio en lceras de estmago o duodenales, el L-DOPA (L-3-(3,4-dihidroxifenil)alanina) es una droga muy efectiva en el tratamiento del Parkinson, el L-triptfano y el 5-hidroxi-L-triptfano se emplean en antidepresivos, el aspartato de potasio se utiliza para mejorar el equilibrio salino del metabolismo y el aspartato de calcio para suplir las deficiencias de calcio en el organismo. La p-hidroxi-D-fenilglicina, D-fenilglicina, D-cisteina y el cido D-asprtico son importantes como precursores de antibiticos -lactamicos, tales como penicilinas o cefalosporinas (Kirk-Othmer, 1992, 1995; Nitta H. et al., 1997).

En la industria de cosmticos, los aminocidos y sus derivados se utilizan para controlar o neutralizar las variaciones de pH en la piel y los efectos bacterianos. Por ejemplo, la serina se utiliza en cremas o lociones faciales y el glutamato de glucosa se emplea en champs y cremas como compuesto humectante del pelo y de la piel (Kirk-Othmer, 1992). En la industria qumica los aminocidos se emplean en campos muy diversos. Actualmente en relacin a la proteccin del medioambiente, se presta especial atencin a los poli-aminocidos, que son polmeros biodegradables. Entre otras utilidades estos polmeros se utilizan en la produccin del cuero sinttico y los polmeros biodegradables poli-(L-cido asprtico-co-PEG) con aplicacin en el campo de la biomedicina. Algunos derivados de aminocidos se emplean como agentes de limpieza, por ejemplo en la eliminacin de aceites de efluentes industriales se emplea un derivado del cido glutmico. (Kirk-Othmer, 1992).

20 Los aminocidos

2.5. -FENILGLICINA -fenilglicina o cido -aminofenilcetico, es un aminocido de frmula molecular C8H9NO2 y cuya frmula estructural es: R : A temperatura ambiente es un slido de color blanco, de peso molecular 151,16 g/mol, que contiene un 63,56% de carbono, un 6,00% de hidrgeno, 9,27% de nitrgeno y un 21,17% de oxgeno. En disolucin acuosa el aminocido -fenilglicina, como todos los aminocidos, sufre una disociacin dependiente del pH que se puede representar por el siguiente equilibrio qumico: A+ A+/- A- donde Ka1 y Ka2 son las constantes de disociacin del aminocido calculadas con las ecuaciones 2.5 y 2.6 y cuyos valores en terminos de pK son de pKa1 = 1,71 y pKa2 = 9,00 (Ruiz M. O., 2000).

+

++

=

A

HAK

/

1a (2.5)

+

+

=/2a A

HAK (2.6)

CH

H3N+

COO-

CH

H2N

CO2-

CH

H3N+

CO2H

CH

H3N+

CO2-

Ka1 Ka2

H+ H+

Los aminocidos 21

As, la concentracin total del aminocido es suma de la concentracin de las tres especies presentes en disolucin acuosa, como se muestra en la ecuacin 2.7.

++++=

AAAACCCC / (2.7)

Combinando las ecuaciones 2.5.-2.7. se obtienen las expresiones 2.8.,2.9. y 2.10. para estimar respectivamente la concentracin de las especies A+, A+/- y A- del aminocido -fenilglicina presentes en la disolucin acuosa para cualquier valor de pH. ( )211 pKapKapH2pKapHAA 10101/CC ++=+ (2.8) ( )pHpKapKapHAA 12/ 10101/CC ++=+ (2.9) ( )pHpKapH2pKapKaAA 221 10101/CC + ++= (2.10) La contribucin de cada especie depende nicamente del pH del medio acuoso por ejmplo la forma aninica del aminocido es despreciable en disoluciones cidas con un pH < pKa1 y la catinica es despreciable a un pH > pKa2. El aminocido DL-fenilglicina sublima a 255 C. Su miscibilidad en agua es limitada y depende de la temperatura de operacin y del pH. Adems, es levemente soluble en disolventes orgnicos comunes y soluble en lcalis. Se dispone comercialmente de los ismeros D y L, as como de su mezcla racmica (DL). La mezcla racemica D,L del aminocido -fenilglicina es industrialmente producida por hidrlisis de -aminofenilacetonitrilo con cido clorhdrico diluido y por fermentacin de esta se obtiene su ismero D (Kirk-Othmer, 1992; Kim M.G. et al., 1996). Por sntesis qumica enzimtica se obtiene directamente el esteroismero D - -fenilglicina a partir de D,L-fenilhidantona (Roche Molecular Biochemicals, 2000; Rai R. et al., 1998; Sudge S.S. et al., 1998). Roche Molecular Biochemicals sintetiza la D-fenilglicina por sntesis qumica enzimtica, a partir de la 5-D,L-fenilhidantona. La D,L-fenilhidantona es producida por tratamiento del benzaldehido con bicarbonato amnico y cianuro de sodio. La D,L-fenilhidantona se convierte selectivamente en el enatiomero D a pH 8,5 y 50C. Por hidrlisis de la D-fenilhidantona se obtiene la D-N-carbamoil-fenilglicina, la cual por diazotacin qumica produce la D-fenilglicina (Roche Molecular Biochemicals, 2000; Rai R. y Taneja V., 1998; Sudge S.S. et al., 1998).

22 Los aminocidos

Bossi A. et al. (1998) han estudiado la produccin de D-fenilglicina a partir de la mezcla racmica D,L-fenilglicina por atrapamiento isoelectrnico con Penicilina G Acilasa (PGA), utilizando un electrolizador de multicompartimento con membranas isoelctricas (MIER). El principal consumo industrial de -fenilglicina y derivados se atribuye a la industria farmacutica para la produccin de antibiticos -lactmicos como son las cefalosporinas. (Kim M.G. et al., 1996; Kirk-Otmer, 1992; Wegman M. A. et al, 2001). 2.6. CIDO ASPRTICO cido asprtico, cido asparagnico o acido aminosuccinico, es un aminocido de formula molecular C4H7NO4 y cuya frmula estructural es: R: A temperatura ambiente es un slido en forma de cristales incoloros, de peso molecular 133,11g/mol, y un punto de fusin de 280 C que contiene un 36,09 % de carbono, un 5.30 % de hidrgeno, 10.52 % de nitrgeno y un 48.08 % de oxgeno. En disolucin acuosa este aminocido, como todos los aminocidos, sufre una disociacin dependiente del pH que se puede representar por el siguiente equilibrio qumico: A+ A+/- A- A2- donde Ka1, Ka2 y Ka3 son las constantes de disociacin del aminocido calculadas con las ecuaciones 2.11 - 2.13 y cuyos valores en terminos de pK son de pKa1 = 2.1 pKa2 = 3.9 y pKa3 = 9.8 (Cardoso., 2001).

CH

H3N+

COOH

CH2

COO-

Ka1

H+

Ka2

H+

CH

H3N+

COOH

CH2

COOH

CH

H2N

COOH

CH2

COO-

CH

H2N

COO-

CH2

COO-

Ka3

H+

CH

H3N+

COOH

CH2

COO-

CH2

COO-

Los aminocidos 23

+

++

=

A

HAK

/

1a (2.11)

+

+

=/2a A

HAK (2.12)

+

=

A

HAK

2

3a (2.13)

As, la concentracin total de cido aspartico, es suma de la concentracin de las cuatro especies presentes en disolucin acuosa, como se muestra en la ecuacin 2.14 +++=

++ 2AAAAACCCCC / (2.14)

Combinando las ecuaciones 2.11.-2.14. se obtienen las expresiones 2.15-2.18 para estimar respectivamente la concentracin de las especies A+, A+/-, A- y A2- del aminocido cido asprtico presentes en la disolucin acuosa para cualquier valor de pH.

( )321211 pKapKapKapH3pKapKapH2pKapHAA 1010101/CC +++=+ (2.15)

( )32112/ pKapKapKapH2pHpKapKapHAA 1010101/CC +++=+ (2.16)

( )3221 pKapHpHpKapH2pKapKaAA 1010101/CC + +++= (2.17)

( )pHpKapHpKapKapH3pKapKapKaAA 3223212 1010101/CC +++ +++= (2.18) La contribucin de cada especie depende unicamente del pH del medio acuoso por ejmplo la forma aninica con dos cargas negativas del aminocido es despreciable en disoluciones cidas con un pH por debajo que el pKa1 y la catinica es despreciable cuando el pH es al menos un orden de magnitud mayor que el pKa2. El cido asprtico presenta una solubilidad elevada en agua y es altamente insolubre en disolventes organicos comunes tales como alcoholes y eter. La mezcla racemica DL del

24 Los aminocidos

aminocido presenta una densidad de 1,663 g/cm3 a 12 C y un punto de fusin de 280 C para la mezcla racemica, de 269 C para la forma D y de 251 C para la forma L. Se dispone comercialmente de los isomeros D y L, asi como la mezcla racemica (DL). Las fuentes naturales de produccin del cido asprtico, son la caa y remolacha azucarera y habitualmente se obtiene como isomero L (Hawley, 1993). Se sintetiza industrialmente por va quimica mediante un proceso de hidrlisis de asparagina con amoniaco y fumarato de dietilo. Como alternativa se emplea la via enzimatica a partir de fumarato de amonio uitilizando aspartasa microbiana soportada sobre gel de poliacrilamida que permite adems la produccin del aminocido en continuo (Linden, G. et al., 1996). Las aplicaciones del cido asprtico son muchas y muy varadas, entre otras son de destacar que se emplea en la preparacin de medios de cultivo, en detergentes, fungicidas y germicidas (Nath M. et al., 1998). En el campo alimentario se emplea como materia prima junto con el aminocido -fenilalanina para la sntesis de aspartamo, edulcorante artificial ampliamente utilizado en la industria alimentaria y de bebidas refrescantes (Linden G. et al., 1996, Lin S.H. et al., 2006). En la industria farmacutica el cido asprtico se emplea principalmente en la produccin de aspartato clcico y de potasio (Nitta H. et al., 1997). El cido asprtico tambin se utiliza en la sntesis de polmeros biodegradables para la produccin de cuero sinttico y los polmeros biodegradables poli-(L-cido asprtico-co-PEG) con aplicacin en el campo de la medicina (Liu Z:H: et al., 1998; Won C. et al., 1998).

3. EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO

Extraccin Lquido-Lquido 27

3.1. CONCEPTOS GENERALES

La extraccin lquido-lquido o extraccin con disolventes, es una tcnica de separacin ampliamente utilizada, tanto a nivel de laboratorio como industrial, para la separacin y/o concentracin de productos y bioproductos de procesos de fermentacin y corrientes residuales (Eyal A.M. et al., 1995; Kertes A.S. et al., 1986; Tamada J.A. et al., 1990 a). Se presenta como una alternativa a los procesos de separacin convencionales. Las ventajas de utilizar un proceso de extraccin con disolventes dependen de encontrar un disolvente selectivo para el producto de inters que implique, adems, mnimas prdidas del mismo en la fase de refinado, seguido de un proceso adecuado para su recuperacin desde la fase de extracto, con el menor coste econmico. En este proceso de separacin una mezcla o disolucin en estado lquido se pone en contacto con un segundo lquido, denominado disolvente, inmiscible o parcialmente miscible con la disolucin, provocando que el o los componentes deseados de la mezcla se transfieran preferentemente al disolvente. A continuacin, ambas fases se decantan y posteriormente los compuestos extrados se separan de la fase disolvente mediante destilacin, reextraccin con otro disolvente u otras tcnicas. La extraccin con disolventes se emplea en procesos industriales cuando es el nico posible o bien resulta el ms econmico. Su uso queda restringido a las separaciones que no pueden llevarse a cabo de forma adecuada en una nica etapa, ya que esta tcnica precisa de una segunda etapa de separacin para recuperar los componentes extrados de la fase disolvente. (Hampe M. J., 1986; Kertes A. S. et al., 1986). Cuando un soluto A se distribuye entre dos fases lquidas, su concentracin en las fases en equilibrio est relacionada por el coeficiente de reparto, D:

)w(A

)o(A

C

CD = (3.1)

donde CA(o) es la concentracin del soluto en el extracto o fase orgnica y CA(w) en el refinado o fase acuosa. Puesto que la actividad de cada componente debe ser la misma en ambas fases en el equilibrio, se cumple que:

)w(A)w(A)o(A)o(A CC = (3.2) siendo A(o) y A(w) los coeficientes de actividad en las fases extracto y refinado, respectivamente. Por tanto,

)o(A

)w(AD

= (3.3)

28 Extraccin Liquido-Liquido

Con aquellos disolventes que proporcionan coeficientes de distribucin menores de la unidad, se precisan relaciones elevadas de disolvente / alimentacin. Para alcanzar la separacin, resulta por tanto ms ventajoso que los valores de D sean razonablemente elevados, empleando una relacin volumtrica disolvente / alimentacin menor que la unidad y permitiendo simultneamente la separacin y concentracin de los productos extrados. (King C.J. et al., 1988; Cockrem M.C.M. et al., 1989). El fundamento de la extraccin con disolventes es la interaccin, en mayor o menor grado, entre el soluto y el disolvente. La existencia de un coeficiente de actividad diferente a la unidad en la fase extracto indica algn grado de interaccin molecular entre ambos. Aunque no existe una lnea divisoria clara, se pueden clasificar dichas interacciones en dos grandes categoras:

- Interacciones fsicas, que implican puentes de hidrgeno o interacciones dipolo-dipolo.

- Interacciones qumicas, que suponen la formacin de uno o ms compuestos qumicos de estequiometra definida.

Cuando la interaccin es de naturaleza puramente fsica, la recuperacin del soluto del extracto se realiza generalmente por un mtodo fsico, destilacin normalmente, modificndose la miscibilidad relativa de las dos fases en funcin de la concentracin de soluto. Cuando la interaccin es qumica, la extraccin tiene lugar en virtud de la formacin de compuestos de estequiometra definida, hay una limitacin en el grado de extraccin (o cantidad mxima que puede ser extrada con una cantidad dada de disolvente) que corresponde al agotamiento del disolvente. En este caso, la recuperacin del soluto exige invertir la interaccin o desplazar el equilibrio de reaccin, lo que suele llevarse a cabo modificando las condiciones qumicas, por ejemplo, poniendo en contacto el extracto con una fase acuosa de diferente pH o bien modificando la temperatura. En el aspecto econmico, esta forma de recuperacin del disolvente suele ser ms costosa que el proceso trmico.

3.2. CARACTERSTICAS DEL DISOLVENTE

El disolvente a utilizar puede ser una especie qumica sencilla, aunque no suele ser el caso ms frecuente en extraccin lquido-lquido, ya que es difcil encontrar un disolvente puro que rena la capacidad de extraer selectivamente al soluto y las propiedades fsicas necesarias para producir una adecuada separacin de las fases y la posterior reextraccin del soluto (Munson C.L. et al., 1984). Generalmente, la especie activa se emplea disuelta en otro lquido, denominndose extractante al compuesto activo y diluyente a la sustancia que lo disuelve. La disolucin de

Extraccin Lquido-Lquido 29

extractante en el diluyente es el disolvente y constituye la fase orgnica (Tamada J.A. et al., 1990 c; Baldwin W.H. et al., 1974). El diluyente debe disolver selectivamente, no slo al extractante, sino tambin a la especie solutoextractante formada durante la extraccin, evitando la aparicin de una tercera fase. La formacin de esta depende de las caractersticas del extractante, del diluyente y del soluto a extraer y, en cualquier caso, es ms frecuente que se produzca a valores elevados de soluto en el disolvente. En el caso que este problema no pueda evitarse mediante la eleccin de otro diluyente, es posible adicionar un tercer componente que mejore la solubilidad y que se conoce con el nombre de modificador (Hartl J. et al., 1990). Otro parmetro de gran importancia en muchas aplicaciones es la selectividad del extractante, de forma que no es suficiente un disolvente con elevada capacidad de extraccin, sino que ste ha de proporcionar adems cierto grado de separacin o purificacin del producto de inters con respecto a otros solutos presentes. La selectividad del extractante por un soluto A frente a otro B se mide mediante el factor de separacin, :

)w(B)o(A

)o(B)w(A

B

A

D

D

== (3.4)

El factor de separacin puede variar significativamente si se modifican las concentraciones de los solutos. Este es el caso de sistemas que implican interacciones qumicas, cuando la cantidad total de solutos en el sistema es elevada y superior al extractante presente, entonces, se produce una competencia entre los solutos por el extractante disponible. Los procesos de extraccin pueden clasificarse atendiendo al mecanismo de la reaccin de extraccin o a la naturaleza del extractante o disolvente (Kertes A.S. et al., 1986; Schgerl K. et al., 1992). La seleccin del disolvente para una determinada aplicacin, en muchos casos, implica un compromiso entre propiedades de naturaleza muy diferente resultando difcil encontrar el disolvente adecuado (Hanson C., 1979). La importancia relativa de los diversos factores vara segn sea la aplicacin (Hampe M.J., 1986). Algunos de los parmetros que deben considerarse en la seleccin de un disolvente son los siguientes:

- Capacidad. Determinada por el valor del coeficiente de reparto. Generalmente, se seleccionan los disolventes que pueden cargar elevadas concentraciones de soluto, para reducir la cantidad de disolvente a emplear, el tamao del equipo e incluso disminuir los costes de su recuperacin.

- Selectividad. El disolvente debe ser selectivo para el soluto deseado, evitando la coextraccin de impurezas. As se reduce o elimina la etapa de lavado de la fase extracto.

30 Extraccin Liquido-Liquido

- Solubilidad. El disolvente debe ser insoluble o poco soluble con la fase refinado y debe formar un complejo con el soluto soluble en el diluyente y evitar la formacin de terceras fases.

- Reversibilidad. Debe ser posible invertir el proceso de extraccin para recuperar el disolvente, bien sea por mtodos fsicos o qumicos. Este parmetro es bastante importante desde el punto de vista econmico.

- Disponibilidad. El disolvente debe estar disponible en cualquier momento y tener ms de un suministrador.

- Propiedades fsicas. Un valor razonablemente elevado de la tensin superficial mejora la separacin de las fases. Por otro lado, una viscosidad baja proporciona mejor transferencia de materia y buena separacin reduciendo, adems, la energa requerida para el bombeo de las fases.

- Seguridad. Toxicidad e inflamabilidad son parmetros a tener en cuenta.

- Coste. El disolvente debe ser lo ms barato posible. De todas formas, esto no suele ser crtico ya que algunos de los otros factores pueden tener una influencia mucho mayor sobre los costes globales.

3.3. PRDIDAS DE DISOLVENTE

El disolvente contenido en la fase refinado encarece el proceso de extraccin y puede ser txico. Es necesario tanto que la cantidad de disolvente perdido en el refinado sea pequea, como que la separacin y recuperacin de este disolvente sea un proceso fcil y barato y esto requiere que el valor del disolvente perdido en la fase de refinado sea bastante inferior al valor del soluto. Cockrem et al. cuantifican este dato en un 5 % (Cockrem M.C.M. et al., 1989). Para reducir las prdidas de disolvente es necesario que el disolvente sea poco soluble en agua. En general, la solubilidad de una sustancia orgnica en agua aumenta con al polaridad de la molcula. Hay que tener en cuenta que cuando existen fuertes interacciones entre un extractante y un soluto, la solubilidad del complejo puede ser mayor que la del disolvente puro. Cockrem et al. en un estudio sobre los factores que intervienen en la seleccin de un disolvente para la extraccin de solutos de disoluciones acuosas, relaciona la miscibilidad de las fases con la solubilidad del disolvente en agua y con la selectividad, demostrando que cuando las prdidas de disolvente son bajas, es decir para disolventes poco solubles en agua, la solubilidad del agua en el disolvente es tambin baja y por tanto el coeficiente de distribucin para el agua ser pequeo, y la selectividad elevada. En este mismo trabajo, los autores consideran que las prdidas de disolvente y el coeficiente de distribucin para el soluto son los dos principales factores a considerar en la seleccin del disolvente, mientras que la selectividad solamente tiene importancia en el caso de que dicho coeficiente de

Extraccin Lquido-Lquido 31

distribucin sea bajo. Asimismo, contemplan que la selectividad es un parmetro importante en el diseo del equipo de secado del extracto (Cockrem M. C.M. et al., 1989). La recuperacin del disolvente contenido en la fase de refinado se puede realizar por diversos mtodos. Los ms frecuentes se exponen a continuacin brevemente:

- Desorcin con vapor de agua a presin atmosfrica. Se utiliza cuando el disolvente es suficientemente voltil, obtenindose una corriente por cabezas que es una solucin acuosa concentrada en el disolvente, apta para ser recirculada al proceso de extraccin.

- Desorcin con vapor de agua empleando vaco. El coste extra del proceso a vaco puede ser compensado por la economa que supone el no precalentar el refinado, como en el caso anterior. Su uso est justificado porque frecuentemente la volatilidad relativa de los disolventes respecto del agua, es mayor a baja temperatura.

- Desorcin con gas inerte. Evita el consumo energtico que supone el proceso con vapor.

- Reextraccin con un disolvente no polar. Requiere un nuevo proceso de extraccin con un nuevo disolvente que presente baja solubilidad con el agua, pero elevada capacidad por el primer disolvente.

3.4. EQUILIBRIOS DE EXTRACCIN DE AMINOCIDOS

La extraccin con disolventes es una tcnica muy utilizada en la separacin de aminocidos. La extraccin de aminocidos conlleva la transferencia desde los caldos de fermentacin o corrientes de procesado hacia la fase orgnica, que contiene o no un extractante reactivo, seguida de la reextraccin donde se obtiene el producto concentrado. La recuperacin final normalmente se lleva a cabo mediante precipitacin, cristalizacin o evaporacin. Los sistemas de extraccin, para la recuperacin de aminocidos de corrientes acuosas, pueden clasificarse en funcin de la naturaleza del extractante y del tipo de interacciones que ste ocasiona:

- Extraccin mediante solvatacin con agentes hidrocarbonados que poseen tomos de oxgeno en su molcula. Se incluyen dentro de esta categora los hidrocarburos alifticos y aromticos, dada la similitud de los procesos involucrados.

- Extraccin mediante solvatacin con extractantes organofosforados que poseen tomos de oxgeno en su molcula. Los extractantes son xidos de fosfina, fosfinatos, fosfonatos, fosfatos y steres fosfricos, fosfnicos y fosfnicos.

32 Extraccin Liquido-Liquido

- Extraccin mediante formacin de pares inicos o transferencia de protones. Los extractantes son aminas alifticas de elevado peso molecular (aminas primarias, secundarias, terciarias de cadena larga y sales de amonio).

La ltima categora supone interacciones inicas entre el extractante y el soluto, y por tanto la existencia de reaccin qumica, mientras que las dos primeras implican la solvatacin del soluto mediante enlaces donadores, los cuales deben diferenciarse de los enlaces covalentes fuertes y de las interacciones inicas. La diferencia entre las dos primeras categoras reside en la intensidad de los enlaces solvatantes y en la especificidad de stos, as los extractantes organofosforados producen enlaces solvatantes fuertes y especficos, pudindose considerar la existencia de una reaccin qumica con el soluto de inters (Abbasian K. et al., 1989). Los estudios publicados (Kertes A.S. et al., 1986; Schgerl K. et al., 1992) indican que los sistemas convencionales de extraccin, que utilizan agentes hidrocarbonados como alcoholes, cetonas o steres inmiscibles en agua, son relativamente ineficaces para la recuperacin de aminocidos de disoluciones acuosas diluidas, como son los caldos de fermentacin y las corrientes residuales. Por lo general, los aminocidos no pueden extraerse eficazmente con disolventes no polares o de baja polaridad, ya que en fase acuosa las especies de los aminocidos presentan carga, positiva la especie catinica, negativa la especie aninica o ambas la especie anftera, reducindose considerablemente la solubilizacin del aminocido en este disolvente no polar (Schgerl K. et al., 1992). Un buen punto de partida para el desarrollo de nuevos procesos de extraccin es la identificacin de nuevos y ms potentes extractantes. En este grupo se pueden incluir los compuestos organofosforados y las aminas alifticas de elevado peso molecular, desarrollados inicialmente para la separacin de metales en la industria nuclear (Baldwin W.H. et al., 1974) y de uso reciente en la recuperacin de cidos carboxlicos (Clark G.A. et al., 1987; Ruiz M.O., 2002), en la eliminacin de contaminantes de efluentes industriales y de alcantarillado (Salazar E. et al., 1992) y en la extraccin de aminocidos (Ruiz M.O., 2002; Escalante H. et al., 2000; Schgerl K. et al., 1992;Gonzalez M.J., 2006). Por medio de la extraccin reactiva con compuestos organofosforados y aminas alifticas de elevado peso molecular, puede aumentarse considerablemente el coeficiente de distribucin y el rendimiento de diversos procesos de recuperacin. Sus ventajas son (Schgerl K., 1987):

- La capacidad de carga del disolvente puede incrementarse considerablemente permitiendo el uso de menores relaciones de flujo disolvente / agua.

- La selectividad de la recuperacin puede aumentar.

- Las velocidades de extraccin son elevadas, requirindose equipos de pequeo tamao para lograr rendimientos importantes.

Extraccin Lquido-Lquido 33

- Los productos de inters pueden concentrarse hasta un punto que haga ms econmicamente viable su purificacin posterior.

Una ventaja adicional introducida por algunos extractantes (Amberlita LA-2, Tomac, TBP, TOPO, Alamina 336, etc...) es su baja solubilidad en agua, que evita un tratamiento trmico o qumico adicional del refinado de extraccin (Golob J. et al., 1981). Los compuestos organofosforados se han aplicado extensamente en la extraccin de metales de aguas residuales cidas procedentes de las industrias nucleares y son altamente eficaces en la recuperacin de cidos orgnicos de disoluciones acuosas diluidas (Ruiz M.O., 2003; Ruiz M.O., 2005; Schgerl K. et al., 1992; Wardell J.M. et al., 1978). La extraccin de aminocidos con extractantes cidos P-O es posible siempre que simultneamente exista transferencia de protones. Por lo general los aminocidos en disolucin acuosa a pH menor o igual a pKa1 se pueden extraer con extractantes catinicos, como por ejemplo el cido di-(2-etilhexil)fosfrico (D2EHPA), producindose en la interfase una reaccin de intercambio inico entre la forma catinica del aminocido y el protn del extractante catinico (Itoh H. et al., 1990; Kelly N.A. et al., 1998; Cascaval D. et al., 2001; Kelly N. et al., 1998; Lin J:S: et al.,2006). A pHs intermedios, donde predomina la forma anftera del aminocido, se pueden extraer con extractantes bsicos como los fosfatos (Schgerl K. et al., 1992), cumplindose la misma secuencia de extraccin.

3.4.1. Extraccin por formacin de pares inicos

En este apartado se incluyen los sistemas donde se produce una interaccin entre especies neutras o aninicas, en fase acuosa, y la sal de una base orgnica o su catin, en fase orgnica. La extraccin debida a tales interacciones se considera una extraccin de asociados inicos (Marcus Y. et al., 1969; Marcus Y. et al., 1982).

a) Extraccin con aminas alifticas de cadena larga primarias, secundarias y terciarias

Las aminas de elevado peso molecular se emplean como extractantes debido a que el grupo polar amino se orienta hacia la fase acuosa, mientras que la parte orgnica mantiene la amina solubilizada en la fase orgnica. Dado que el tomo de nitrgeno posee pares electrnicos no compartidos, se protona fcilmente en medio cido, y la amina protonada con carga positiva puede formar sales o complejos con aniones procedentes de la fase acuosa.

En la extraccin de cidos con aminas de elevado peso molecular, se considera que se transfiere un protn, formndose un par inico cido-amina o la sal de amonio, segn la reaccin:

34 Extraccin Liquido-Liquido

++ )o()w()o( ARHHAR (3.5)

donde R es una alquilamina de elevado peso molecular, insoluble en agua y la sal de amonio RH+A- es un par inico cido-amina, polar con una elevada constante de asociacin inica, caracterstica de pares inicos, formado por iones voluminosos no hidratados en un medio no inico. (Puttermans M. et al., 1984 a-c; Puttermans M. et al., 1985). La sal de amonio puede intervenir, en condiciones experimentales adecuadas, en reacciones de intercambio inico con otros solutos de inters en forma aninica de la siguiente manera:

++ ++ )w()o()w()o( ABRHBARH (3.6)

Esta reaccin de intercambio tiene lugar fcilmente en disoluciones cidas y bajo ciertas condiciones, en disoluciones neutras o incluso bsicas dependiendo del valor de la constante de disociacin de los solutos y siempre que el complejo formado sea lo suficientemente fuerte para evitar la hidrlisis del catin amonio. Por otro lado, si la concentracin de soluto en fase orgnica es elevada, se producen asociaciones moleculares ms complejas, producindose agregados dipolares, que hacen necesario modelos ms complejos para describir el proceso de extraccin (Tamada J.A. et al., 1990a-b).

Los aminocidos prcticamente no se extraen con aminas alifticas primarias, secundarias o terciarias, ya que el mecanismo de extraccin implica la transferencia previa del protn y posteriormente la extraccin del anin del aminocido, proceso imposibilitado por el carcter anfotrico de los aminocidos en disolucin acuosa. As el nico enlace de hidrgeno que pueden formar el tomo de nitrgeno de la amina y el grupo cido del aminocido, sin previa transferencia del protn, es demasiado dbil para producir la transferencia del aminocido de la fase acuosa a la orgnica (Schgerl K. et al., 1992).

b) Extraccin con sales de amonio cuaternarias

Las sales de amonio, son altamente insolubles en agua, producen reacciones de intercambio inico y son extractantes eficientes en la recuperacin de especies aninicas tales como Cl-, Br- vanadio, iridio, sales de cidos minerales, enzimas, hormonas (Galan B. et al., 1994) y aminocidos (Schgerl K. et al., 1992; Haensel R. et al.,1986; Thien M.P. et al., 1988; Chan C.C. et al., 1993, Escalante H. et al., 1998;

Uddin M.S. et al., 1990; Uddin M S. et al., 1992, Ruiz M.O., 2002; Gonzalez M.J.,

2006). Generalmente, poseen baja selectividad, ya que pueden producir varias reacciones de intercambio inico simultaneas con diferentes especies aninicas presentes en la fase acuosa (Salazar E. et al., 1992).

Extraccin Lquido-Lquido 35

La extraccin de especies aninicas, con sales de amonio, depende de la concentracin de extractante - diluyente, de la temperatura del proceso y especialmente del pH y de la concentracin total de soluto en fase acuosa. El pH tiene un efecto relevante en la distribucin de las especies aninicas y es la variable principal que permite dirigir, en funcin del pK del soluto, la afinidad del extractante por un soluto determinado (Salazar E. et al., 1992). Los aminocidos en disolucin acuosa sufren una disociacin dependiente del pH. As, para aminocidos monocarboxlicos a pH menor o igual a su pKa1 los aminocidos se encuentran preferentemente en forma catinica y a pH mayor a su pKa2 preferentemente en su forma aninica. Por tanto, para que la reaccin de intercambio inico tenga lugar es necesario tamponar o basificar la disolucin acuosa y obtener mayoritariamente la especie aninica del aminocido o del cido. Es aconsejable, que el valor del pH de la fase acuosa, en todo el proceso de extraccin, sea al menos dos unidades superior al pKa2 del aminocido (Schgerl K. et al., 1992). Algunos autores (Schgerl K. et al., 1992; Haensel R. et al., 1986; Galan B. et al., 1994; Ruiz M.O., 2002; Escalante H. et al., 1998) consideran que el proceso de extraccin de un aminocido monocarboxlico HA, con una sal de amonio, R+X-, consta de las siguientes etapas:

i) Ionizacin del soluto en fase acuosa tamponada o basificada a pH > pKa2:

+ + )w()w()w( AHHA (3.7)

ii) Reaccin de intercambio inico del soluto con el extractante:

++ ++ )w()o()w()o( XARAXR (3.8)

iii) Coextraccin de los iones hidroxilo (OH-) o de otras especies aninicas (P-)

presentes en la fase acuosa:

++ ++ )w()o()w()o( XPRPXR (3.9)

Las constantes de equilibrio de las Ecs. (3.8) y (3.9) se expresan en funcin de las actividades de las especies y son las siguientes:

Ka a

a aK Kep

R A X

R X Ap p

o w

o w

= =

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.10)

36 Extraccin Liquido-Liquido

Ka a

a aK Keh

R P X

R X Ph h

o w

o w

= =

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.11)

donde Kp y Kh son las relaciones de equilibrio expresadas en trminos de concentracin definidas como:

[ ] [ ][ ] [ ]KR A X

R X Ap

o w

o w

=

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.12)

[ ] [ ][ ] [ ]KR P X

R X Ph

o w

o w

=

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.13)

y Kp y Kh son las relaciones de los coeficientes de actividad segn se muestra a continuacin:

K pR A X

R X A

o w

o w

=

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.14)

K hR P X

R X P

o w

o w

=

+

+

( ) ( )

( ) ( )

(3.15)

Algunos trabajos recogidos en la bibliografa (Haensel R. et al., 1986; Calvarin L. et al., 1992; Ruiz M.O., 2002; Molinari R. et al., 1992; Yang S.T. et al., 1991) suponen que las actividades de las especies orgnicas son proporcionales a las concentraciones, por tanto, los coeficientes de actividad permanecen constantes y pueden englobarse en la constante de equilibrio. En este supuesto, las constantes de equilibrio aparentes para las reacciones globales de extraccin pueden escribirse en trminos de concentracin como se muestra en las Ecs. (3.12) y (3.13). En el caso de aminocidos dicarboxlicos, como es caso del cido asprtico, el proceso de extraccin sigue la misma secuencia mostrada en las ecuaciones 3.7-3.9 cuando la especie mayoritaria del aminocido es la especie A-, como sucede para valores de pH comprendidos entre pKa2 y pKa3. Sin embargo, cuando la especie mayoritaria del aminocido es la especie A2- como sucede para valores de pH mayores que el pKa3 consta de las siguientes etapas:

Extraccin Lquido-Lquido 37

i) Ionizacin del aminocido en fase acuosa tamponada o basificada a pH >

pKa3:

+ + 2 )w()w()w( AHAH (3.16)

ii) Reaccin de intercambio inico del aminocido con el extractante:

+

+ ++ )w(2)o(2

2)w()o( X2ARAXR2 (3.17)

iii) Coextraccin de los iones hidroxilo (OH-) o de otras especies aninicas

(P-) presentes en la fase acuosa:

++ ++ )w()o()w()o( XPRPXR (3.9)

Con lo expuesto anteriormente, las constantes de equilibrio aparentes para las reacciones globales de extraccin pueden escribirse en trminos de concentracin como se muestran en las ecuaciones 3.18 y 3.13:

[ ] [ ][ ] [ ]

)w(

22

)o(

)w(2

)o(

22

pAXR

XARK

+

+

= (3.18)

[ ] [ ][ ] [ ]

)w()o(

)w()o(h

PXR

XPRK

+

+

= (3.13)

3.5. ETAPA DE REEXTRACCIN

Un proceso prctico de recuperacin de un soluto, empleando como tcnica de separacin la extraccin con disolventes, se ha de realizar, al menos, en dos etapas. La primera corresponde a la extraccin del soluto para obtener un extracto, cargado con el soluto, y un refinado acuoso relativamente libre de soluto. La segunda etapa es la reextraccin y consiste en transferir el soluto desde el extracto a otra fase producto (stripping), regenerndose la fase disolvente que se recircula a la etapa anterior. Cuando se utilizan como extractantes sales de amonio cuaternarias, el aminocido se puede reextraer de la fase orgnica por reaccin qumica. La sal de amonio del aminocido (R+A-

38 Extraccin Liquido-Liquido

) presente en la fase orgnica puede sufrir una reaccin de intercambio inico con un cido fuerte, segn la reaccin:

++ ++ ABRBAR (3.19) donde B- es la especie no protonada de un cido fuerte. La reextraccin del soluto de inters y la regeneracin del extractante es simultanea, empleando cidos fuertes que posean el contra-ion de la sal de amonio. En trabajos anteriores realizados en nuestro laboratorio se ha estudiado la reextraccin de -fenilglicina y de cido asprtico de disoluciones orgnicas, donde se encuentra en forma de sal de amonio, utilizando cido clorhdrico como agente de reextraccin (Ruiz M.O., 2000; Burgos L., 2001). El proceso de reextraccin tiene lugar mediante intercambio del anin cloruro por el aminocido en forma anionica segn la siguiente reaccin:

++ ++ )o()s()s()o( ClQAClAQ (3.20)

Debido al pH cido del medio, simultneamente tiene lugar la protonacin del aminocido pasando este a su forma catinica:

++

++

)s(H/H

)s( AHAA (3.21)

donde los subndices s y o hacen referencia a la fase acuosa de reextraccin y orgnica respectivamente y Ks es la constante de equilibrio expresada en trminos de concentracin y que debe ser igual al inverso de la constante de equilibrio del proceso de extraccin, Kw. La formacin de la especie catinica del aminocido favorece el proceso de reextraccin, ya que hace desaparecer la forma aninica del medio, desplazando el equilibrio hacia la reextraccin. A su vez por contener la disolucin de reextraccin el contrain cloruro se regenera simultneamente el agente de extraccin TOMAC (cloruro de trialquilmetilamonio).

4. CONTACTORES DE MEMBRANA

Contactores de Membrana 41

4.1. DEFINICIN Y TIPOS DE MEMBRANAS

A pesar de que es difcil dar una definicin de membrana, una membrana puede definirse de forma general como una barrera permeoselectiva entre dos fases, donde el termino selectivo es inherente a la membrana o al proceso de membrana (Mulder M., 1991). El papel principal de la membrana es el de actuar como barrera selectiva, permitiendo el paso de ciertos componentes y reteniendo el resto. En este sentido una membrana puede ser definida como una regin de discontinuidad interpuesta entre dos fases (Hwang S.T. y Kammermeyer K., 1975), o como una fase que acta como barrera para evitar el movimiento global de materia, pero permite el paso restringido y/o regulado de una o ms especies a su travs (Lakshminarayanaiah N., 1984). Los procesos de membranas pueden ser considerados como mtodos de separacin relativamente nuevos. En los ltimos aos se han desarrollado diferentes materiales microporosos. Este hecho ha contribuido a la aparicin de nuevas tecnologas de separacin, con lo que los procesos de separacin basados en la tecnologa de membranas van aumentando en su importancia y diversidad de aplicaciones. El desarrollo de los procesos de membranas puede ser visto como una primera generacin donde se encuentran la microfiltracin (MF), ultrafiltracin (UF), hiperfiltracin (HF) o osmosis inversa (RO), electrodilisis (DE) y dilisis, y una segunda generacin donde aparecen la separacin de gases (GS), pervaporacin (PV), destilacin con membranas (MD) y la separacin mediante membranas lquidas (LM) (Mulder M., 1991). Las membranas pueden clasificarse desde varios puntos de vista:

Segn el estado fsico en el que se encuentra la membrana: gaseosas, lquidas, slidas o combinaciones de estas.

Naturaleza de la membrana: biolgicas (vivas o sin vida) y sintticas (orgnicas o inorgnicas). Las membranas biolgicas difieren de las sintticas tanto estructural como funcionalmente.

Estructura de la membrana: porosa, no porosa, lquidas y con morfologa especfica.

Aplicacin de la membrana: separaciones en fase gaseosa, separaciones gas-lquido, separaciones lquido-lquido.

42 Contactores de Membrana

Mecanismo de accin de la membrana: tamizado, disolucindifusin o ambos.

Capacidad de modificar la naturaleza fsica y/o qumica del permeado: activas y pasivas (Lloyd D.R., 1985).

En general, las membranas sintticas se dividen en orgnicas (polimricas o lquidas) e inorgnicas (cermicas, vidrios porosos, grafito, xidos de metales). A pesar de que las membranas sintticas pueden ser de muy diversos materiales, los polmeros constituyen el grupo ms numeroso dentro de las membranas disponibles comercialmente. Los polmeros son compuestos de elevado peso molecular constituidos a partir de un nmero determinado de unidades bsicas. El nmero de unidades estructurales bsicas, que forman la cadena molecular se conoce como el grado de polimerizacin. Las operaciones de contacto lquido-lquido y gas-lquido se han llevado a cabo tradicionalmente utilizando algn tipo de torre, columna o mezclador. Generalmente el principal objetivo del diseo de estos aparatos es maximizar la velocidad de transferencia de materia, para lo que se requiere el mayor rea interfacial posible. En las columnas de relleno es necesario tanto una seleccin del material de relleno, como una distribucin uniforme de los fluidos a la entrada del relleno. Alternativamente, para equipos con movimientos internos el objetivo del diseo es minimizar el tamao de las gotas de la fase dispersa y maximizar el nmero de gotas (Gabelman A. y Hwang S-T., 1999). A pesar de que las columnas y otros contactores lquido-lquido tradicionales han sido la base de la industria qumica durante dcadas, una importante desventaja es la interdependencia de los flujos de ambas fases en contacto, lo que a veces conlleva dificultades como las emulsiones, formacin de espumas, descargas, caminos preferentes e inundaciones. Una tecnologa alternativa que evita estas desventajas y ofrece un rea interfacial substancialmente mayor es el contacto sin dispersin de las fases utilizando una membrana micro, ultra o nanoporosa. Utilizando una configuracin de membrana adecuada, como la de fibras huecas o de membranas plana, los fluidos en contacto flu