Downstream processing
CEBI_E7_3: Filtración
Fundamento y
objetivos
• La filtración es un proceso de separación en el cual se fuerza a pasar una mezcla sólido-líquido a través de un medio poroso, donde se depositan o quedan atrapados los sólidos. Al sólido retenido en el filtro se le denomina “residuo”o “torta”. Al líquido clarificado se le denomina “efluente” o “filtrado”. – Recuperar sólidos de una lechada con alto
contenido de sólidos→”filtración de la torta”.
– Clarificar un líquido en este caso la alimentación tiene baja concentración de sólidos ≤ 1% p/p→el filtrado es el producto principal.
Algunas aplicaciones en
la bio-industria
• Recuperación de sólidos cristalinos.
• Recuperación de células de un medio.
• Clarificación de líquido y gases.
• Esterilización
Mecanismos de
filtración • Filtración en superficie.
Las partículas son
retenidas en la superficie
externa del filtro por una
acción de screening
Filtración en profundidad. Las partículas penetran en los poros del medio filtrante y son retenidas por: •Interceptación directa •Impacto inercial, o •Interceptación difusional
Medios Filtrantes
• La función principal es actuar como barrera a la materia particulada al inicio de la filtración. Una vez que ha comenzado a formarse la torta, esta se convierte en la princilpal barrera y el medio pasa a ser un soporte. – Filtro de papel
– Material tejido (lienzo, fibra sintética, fibra de vidrio)
– Almohadillas filtrantes no-tejidas.
– Vidrio fritado o perforado
– Malla metálica
– Cerámicos
– Membranas sintéticas
Almohadillas de filtros no tejidos: Ejemplos: Barbijos,Filtros aire acondicionado,
Vidrio fritado o perforado
Malla metálica o material desplegado
Fuerza impulsora
• La filtración es
impulsada mediante
la aplicación de una
diferencia de presión
a través del medio
filtrante Desde el punto de vista de la seguridad es preferible el vacío a la presurización debido que el riesgo a la explosión es muy superior al riesgo de implosión y por otro lado es relativamente facil generar vacío a través de una bomba de vacío o de un ejector. Por otro lado, la máx. caída de presión que podemos lograr está restrigida a 1 atm
FILTRACION
a DP = Cte
a V (t) = Cte
Filtración a presión
constante
• Nos referimos al proceso de filtración donde la fuerza
impulsora (caída de presión a través del medio filtrante)
se mantiene constante.
• Si consideramos un liquído Newtoniano libre de
partículas que hacemos pasar a través de un filtro. El
caudal que atraviesa puede calcularse a través de la ley
de Darcy.
𝑄 =𝑘 𝐴 ∆𝑃
𝜇 𝑙
Q: velocidad de filtración volumétrica (m3/s) k: permeabilidad de la ley de Darcy (m2) A: área del medio filtrante (m2) DP: caída de presión a través del medio filtrante (Pa) m: viscosidad (kg/m s) l: espesor del medio filtrante (m)
𝑄 =𝑘 𝐴 ∆𝑃
𝜇 𝑙
RM: Resistencia del medio (m-1)
V(t): volumen acumulado de filtrado (m3)
Graficando V(t) en función del tiempo, t y
conociendo el area del filtro,
La viscosidad del fluido y la diferencia de
presión aplicada se puede determinar de la
pendiente la resistencia del medio filtrante, RM
Qué pasa cuando las
partículas forman una “torta”?
• La capa de torta que se va formando sobre el
medio filtrante agrega una resistencia al flujo del
filtrado. De manera que la ecuación pasa a ser:
𝑄 = 𝑑𝑉(𝑡)
𝑑𝑡=
𝐴 ∆𝑃
𝜇 (𝑅𝑀 + 𝑅𝐶(𝑡))
RC: resistencia de la torta (1/m). Esta resistencia aumenta con el espesor de partículas depositadas que a su vez, es proporcional al caudal de alimentación al filtro y por lo tanto proporcional al volumen de filtrado V(t).
𝑄 = 𝑑𝑉(𝑡)
𝑑𝑡=
𝐴 ∆𝑃
𝜇 𝑅𝑀 + 𝛼 𝐶𝑠 𝑉(𝑡)𝐴
a: resistencia específica de la torta (m/kg) CS: masa de sólidos de la torta por unidad de volumen de filtrado (kg/m3). Separando variables, integrando y sabiendo que la condición inicial V(t) = 0 cuando t = 0. Entonces:
𝑡 =𝜇
𝐴 ∆𝑃 𝛼 𝐶𝑆 𝑉(𝑡)2
2 𝐴+ 𝑅𝑀 𝑉(𝑡)
𝑡 = 𝐾𝑝 𝑉(𝑡)2 + 𝐵 𝑉(𝑡)
𝐾𝑝 = 𝜇 𝐶𝑆 𝛼
2 ∆𝑃 𝐴2
Constante de la torta
(s/m6)
𝐵 = 𝜇 𝑅𝑀
∆𝑃 𝐴 Constante del medio
filtrante (s/m3)
Se puede linealizar la expresión: 𝑡
𝑉(𝑡)= 𝐾𝑝 𝑉 𝑡 + 𝐵
Cuando se acumula una cantidad significativa de torta, puede suceder que la resistencia del medio filtrante se vuelva despreciable frente a la de la torta
Filtración a caudal
constante
• Se refiere al proceso de filtración donde el
caudal se mantiene constante ajustando
adecuadamente la caída de presión a lo largo
del proceso
𝑄 =𝐴 ∆𝑃(𝑡)
𝜇 𝑅𝑀 + 𝛼 𝐶𝑠𝑄 𝑡
𝐴
∆𝑃 𝑡 =𝜇 𝛼 𝐶𝑆 𝑄2
𝐴2 𝑡 +
𝜇 𝑄 𝑅𝑀
𝐴
Reacomodando:
Este término suele ser despreciable comparado con la resistencia de la torta
Mejorando la eficiencia
de la filtración
• La eficiencia de la filtración depende de la acumulación de torta sobre el medio filtrante, debido a que ello aumenta la resistencia de la misma. Una de las maneras de resolver este problema es reducir la resistencia específica de la torta mediante: – Pre-tratamiento de la alimentación.
• Precalentamiento
• Agregado de coagulantes o floculantes
– Coadyuvantes o agentes filtrantes (tierras de diatomeas)
– Una alternativa muy empleada para evitar que se bloqueen los poros del medio filtrante, es preparar una precapa de agentes de filtración sobre el medio filtrante.
Precapa de tierra
filtrante
Modos de operación
• Acumulación y remoción de torta en modo batch. Para pequeña y mediana escala – Embudo filtrante.
– Filtro prensa
– Filtro de hojas a presión
– Filtro de hojas al vacio
• Acumulación y remoción de torta en modo continuo. – Interesan los solidos→se concentran filtrando y evitando que se
forme una torta: • Por remocion de la torta en forma continua utilizando paletas
raspadoras que van limpiando la superficie del filtro.
• Por filtracion en flujo cruzado.
– Interesa el filtrado→lavado de la torta para aumentar el rendimiento.
– Dentro de esta categoria tenemos • Filtros continuos horizantales
• Filtros de tambor rotatorios
Equipos para
filtración
• Filtro prensa . Ver armado manual
• Filtro de disco rotatorio continuo
• Filtro de tambor rotatorio
Filtro prensa
Filtro de disco
Filtro de tambor
Filtro de Tambor Cálculo
𝑡 = 𝐾𝑃 × 𝑉2 + 𝐵 × 𝑉
𝑓 × 𝑡𝐶 =𝜇 × 𝐶𝑆 × 𝛼
2 × ∆𝑃 × 𝐴2× 𝑉2
𝑓 × 𝑡𝐶
𝑡𝐶2 =
𝜇 × 𝐶𝑆 × 𝛼
2 × ∆𝑃 × 𝐴2×
𝑉2
𝑡𝐶2
𝑉
𝐴 × 𝑡𝐶=
2 × 𝑓 × ∆𝑃
𝑡𝐶 × 𝜇 × 𝐶𝑆 × 𝛼
Tiempo de formación
de la torta
Fracción del tambor
que se encuentra
sumergida
Tiempo de un ciclo
Micro, Ultra, Nano y Osmosis Inversa
Filtración en Flujo
Tangencial ‘ TFF
Tangential Flow Filtration
Volum e Filtered
filt
rate
flu
x r
ate
Diferencia con la
filtración normal
Single Pass Filtration
Volume Filtered
filt
rate
flu
x r
ate
Rango Operativo de TFF
0.001 0.01 0.1 1.0
Ultrafiltration Microfiltración
Tamaño del poro (micrones)
10 3
10 7 10
5
Peso molecular Aprox. (proteína globular)
Nanofiltración
Osmosis Inversa
.
TFF DEF
Perfiles de flujo/presión
para DEF* y TFF DEF: “Dead end Filtartion”
Tiempo Tiempo
Flujo (permeado)
Presión
Configuración Típica del
Sistema de TFF
Presión de alimentación
Presión de salida
Filtrado o
permeado
Bomba
Adición de buffer
Concentrado, retenido o rechazo
Tanque de
recirculación Cartucho de
micro o
ultrafiltración
Válvula de contrapresión
Alimentación
El permeado o el
retenido pueden
contener el
producto
Principios Operativos
de TFF Variables Involucradas
Las 2 Variables Operativas mas Importantes Usadas en Filtración Tangencial
son:
Trans-membrane Pressure (TMP)
TMP = [(PF + PR) / 2] - PP
Cross Flow (CF)
CF = Retentate Flow Rate
CF PF - PR D P PF = Presión de Alimentación
PR = Presión de Retenido
PP = Presión de Filtrado
Retenido
PR
Filtrado
PP
Membrana
Alimentación.
PF
Principios Operativos de
TFF
Variables Involucradas
P1
Diferencial de presión
(ΔP) = P1-P2
P2
Si la viscosidad es constante, el Δp y el CF son proporcionales
Si el CF es constante, el Δp y la viscosidad son proporcionales.
Si el Δp constante, la viscosidad y el CF son proporcionales.
Si el lumen es constante, el Δp y el largo de fibra son proporcionales.
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
Caída de Presión (DP) Resistencia al flujo en los canales
función de la viscosidad, flujo, geometría del canal
DP = (30 - 20) = 10 psi
Pre
sió
n, psi
30
20
Entrada Salida
DP = 10 psi
Presión de Transmembrana (TMP)
TMP = (Pin + Pout) - Pperm
2
TMP = (30 + 20)/2 - 2 = 23 psi
30
20
2
Inlet Outlet
TMP = 23 psi Permeate
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
Términos usados en TFF y sus Definiciones
•Flux, J
”Capacidad de Producción" de la membrana
Flux = Caudal de permeado = Volumen
Area de membrana (tiempo) x (área)
Unidades = litros/m2 x hr (LMH)
•Rechazo, r Capacidad de la Membrana para retener un Soluto
r = 1 - Conc. De soluto en Permeado = 1 - Cp
Conc. Soluto en Retenido Cr
•Dalton, unidad de medida, 1/16 de la masa del átomo de Oxígeno
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
Flux versus Temperatura
Corrección por
Desvío:
Flux(T1)=Flux (T2) x T1
T2
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
34 Concentration
Flux
Flux versus Concentración
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
Polarización de la Concentración
• Diferencial de Concentración (gradiente) del soluto
rechazado entre la región cercana a la superficie de la
membrana y el flujo principal.
“Estado Estacionario” entre mecanismos de transporte
opuestos del soluto:
• Transporte convectivo a la superficie de la membrana
• Flujo difusivo desde la superficie de la membrana
Principios Operativos de TFF
Variables Involucradas
36
CROSSFLOW
FLUX
Bulk Concentración Cb
Superfricie de la Membrana
CONCENTRATION POLARIZATION
Concentration de pared Cw
Concepto de Fouling
• Término que refiere a la caída de flujo del permeado
(Flux) en el tiempo por la interacción (adsorción &
deposición) entre el soluto o partículas y la
membrana.
– Es 'irreversible’ durante el proceso –
El Flux original no puede ser reestablecido
revirtiendo las condiciones operativas del
proceso..
Sólo puede revertirse por limpieza.
Concepto de Fouling
•Proteína adsorbida a la Superficie de la membrana
•Los Poros se Obstruyen
•Cae el Flux
•Cae Tambien el Flux de Agua Post Proceso Indicando el
grado de Fouling
Dispositivos de Membranas Más
Utilizados en Bioprocesos
40
Dispositivos de Membranas Más
Utilizados en Bioprocesos
SPIRAL CASSETTE
HOLLOW FIBER
El espacio entre las membranas que están en contacto directo con el
concentrado, estan sostenidas con una malla tejida, esto limita las
partículas suspendidas a ~5% sólidos )
Diseño interno del Cassette de TFF
Screen Channel
Membrane
Screen
Filtrado
Alimentación
Malla
Filtrado
Retenido
Filtrado
Cassette de TFF y Soporte
Cartucho de Fibras Huecas
Process
Feed
Permeate
Concentrate
Membrane
El Lumen de la fibra hueca (Hollow fiber lumens) son
autoportantes y ofrecen un camino al fluído sin
obstáculos.
El proceso de formación de la fibra asegura un esfuerzo
de corte uniforme a lo largo de la misma.
CARTUCHO DE FIBRAS HUECAS EN
EQUIPO ESCALA INDUSTRIAL
Fotografías Cortesía Biogénesis Bagó S.A.
Diseño interno del Cartucho
espiral de TFF
La salida de permeado
puede ser de ambos lados
del cartucho, posee mallas
de separación entre las
capas de la mebrana
enrrollada en forma espiral.
El espesor de la malla
separadora varía
dependiendo de las
propiedades del fluído a
procesar.
Cartucho espiral de TFF
Cartuchos espirales en
equipo escala industrial
Concentración
Purificación
Diafiltración
Configuraciones Típicas de
Sistemas Concentración de enzimas
Configuraciones Típicas de Sistemas
Proceso en 2 pasos, típico de
vacunas bacterianas
Retentate
Pump
Valve
Pressure
Gauge
Feed
Feed Reservoir
Microfiltration
Clarification
Retentate
Pump
Valve
Pressure
Gauge
Feed
Reservoir
GE cartridge
CFP-1-E-65
GE Cartridge Filter
UFP-10-E-75 Ultrafiltration
Concentration
Diafiltration buffer
Retentate
Pump
Valve
Pressure
Gauge
Feed
Feed Reservoir
Permeate
Permeate
Amersham
Cartridge Filter
Configuraciones Típicas de Sistemas
Proceso en 2 pasos, segregados
Técnica de
concentración usada
en dónde se deben
alcanzar altos factores
de concentración y el
volumen muerto del
sistema no lo permite.
Beneficio: recuperar la
mayor cantidad de
producto concentrado.
Pump
Valve
Pressure
Gauge
Feed
Permeate
Amersham
Cartridge Filter
Permeate
Tubing Clamp
or Valve
Concentrate
Configuraciones Típicas de
Sistemas
Feed and Bleed
Técnica usada para
obtención de agua
libre de pirógenos
por filtración
molecular
Normalmente se
utilizan 5- 10 Kd
NMWCO.
TFF
Ventajas:
• No requiere
coadyuvantes
• Mantenimiento de
la esterilidad.
• Facilidad de
escalado
Desventajas:
• Elevada
concentración de
sólidos (célula).
• Sensibilidad de
membrana (pH, DP,
sanitizantes,
solventes).
• Ensuciamiento
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