Clase1_centrifugacion

Separación Sólido-LíquidoSeparación y Procesos Biotecnológicos ¿Cuáles son las etapas en las cuales hay una Separación Sólido-Líquido? Caldo de Fermentación Con Células Células Separación de Células Sin Células ‡Células inmovilizadas ‡Células retenidas Rompimiento Células Separación Material Intracelular (Desechos) Precipitación Ácidos Nucleicos, Proteasas Tratamiento de cuerpos incluidos Sobrenadante Concentración Purificación Alta Resolución Permite ‡Altos niveles de pureza ‡Estabilidad del producto Refinamiento Caldo de Fermentación Con Células Células Separación de Células Sin Células ‡Células inmovilizadas ‡Células retenidas Rompimiento Células Separación Material Intracelular (Desechos) Precipitación Ácidos Nucleicos, Proteasas Tratamiento de cuerpos incluidos Sobrenadante Concentración Purificación Alta Resolución Permite ‡Altos niveles de pureza ‡Estabilidad del producto Refinamiento Procesos de Separaciones Sólido-Líquido ¿ Cuándo se utiliza la separación sólido-líquido? . Procesos de Separaciones Sólido-Líquido ¿ Cuándo se utiliza la separación sólido-líquido? ‡ ‡ ‡ ‡ Separación de células Separación de desechos celulares Recuperación de cuerpos incluidos ¿ Qué son? Concentración . Procesos de Separaciones Sólido-Líquido ¿ Cuándo se utiliza la separación sólido-líquido? ‡ ‡ ‡ ‡ Separación de células Separación de desechos celulares Recuperación de cuerpos incluidos ¿ Qué son? Concentración . o intactos Fragmentos de m. Sustrato insoluble residual Sustrato soluble residual Metabolitos intermedios Productos deseados Otros productos solubles .e glucano.o ¿Por qué? Ingredientes insolubles del medio. i.PProcesos de Separaciones Sólido-Líquido ¿ Cuándo se utiliza la separación sólido-líquido? ‡ ‡ ‡ ‡ Separación de células Separación de desechos celulares Recuperación de cuerpos incluidos ¿ Qué son? Concentración ¿Qué contiene la suspensión proveniente del fermentador? Fase sólida ‡ ‡ ‡ ‡ Fase líquida ‡ ‡ m. ¿ Cuáles son las operaciones unitarias utilizadas para la separación sólido-líquido? ¿ Cuáles conocen sus ecuaciones de diseño? . ¿ Cuáles son las operaciones unitarias utilizadas para la separación sólido-líquido? Sedimentación ‡ Filtración ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ Operaciones auxiliares Coagulación Floculación Microfiltración Ultrafiltración Diálisis Centrifugación Sí Sí Operaciones de membrana Extracción líquido-líquido . Centrifugación Operación unitaria utilizada para la separación: sólido-líquido líquido-líquido . También se emplea en la remoción de desechos celulares. Es una de las principales operaciones utilizadas en la separación de células desde caldos biológicos. especialmente cuando los caldos no son fáciles de filtrar. separación de precipitados proteicos y recuperación de productos insolubles (cuerpos incluidos) Diferentes escalas Escala Laboratorio Escala Industrial .CENTRIFUGACIÓN Centrifugación utiliza la diferencia de densidad entre los sólidos y el fluido que lo rodea. . Fuerza Cuando se utiliza la centrifugación la diferencia entre la densidad los sólidos (células o partículas) y el caldo.Centrifugacíón v/s Sedimentación Cuando la suspensión se encuentra detenida los sólidos más densos comienzan a decantar bajo: .Un campo centrífugo el proceso se llama centrifugación. proceso llamado sedimentación.La acción de la fuerza de gravedad. se incrementa por la acción de la fuerza centrífugas que se generan por las altas velocidades de rotación de los equipos. El proceso de separación es más rápido . Ejemplos de Centrifugas . Tipo Tubular . De Discos . 5 .5 .10 torta firme torta firme lodo lodo lodo torta firme torta firme .20 < 10 < 10 <1 1-5 2 .200 0.20 1 .10 1 .Comparación entre los diferentes tipos de centrífuga Comparación entre los diferentes tipos de centrifuga Características manejables de la Alimentación ipo de Centrifuga amaño de artícula micras Contenido ólidos % rue a de edimentación a 1 000 rue a de Consistencia min de los Sólidos Tubular Cámara Múltiple Discos y boquillas Discos Tazón abierto Discos y boquillas Discos Intermitentes Tazón Sólido 01 .15 .200 0.200 2 .5 .20 2 .200 0.5 .5.10 1 .200 0.10 1 .5.000  1-5 2 .000 0. Comparación entre los diferentes tipos de centrífuga Características de Procesamiento ipo de Centrifuga todo de descarga de sólidos Capacidad la ado de torta Flu o de la limentación min Fuerza g ima Tubular Cámara M ltiple Discos y boquillas Discos Tazón abierto Discos y boquillas Discos Intermitentes Tazón Sólido Decantadora Intermitente Intermitente Continuo Intermitente Intermitente Intermitente Intermitente Continuo Ninguna Ninguna Moderada Ninguna Ninguna Ninguna Ninguna Moderada 8 .8 .250 500 .1.000 .000 3. 8 .100 12.1.000 3.000 .000 .570 14.3.000 0.8 .780 5.800 2.9.5 .16.000 .500 3.1.7.500 5.000 .335 5.3.8.8 .5 .000 1.8.000 .16.000 1.800 3.000 .38 .500 5.200 . Características de la materia celular ¢ ¦  ¢ §  © ¦¥ ¢¤ £ ¢¡ i de C l ulas ama . 100's 1010-1200 Media ¦ ¡ ¢ ¡ ¢ ¢¨       r ces i i c de e araci .3 1050-1080 1050.100's 0. Microfiltracion.1 . Micro-filtracion Filtraci n Centrifugacion Levaduras 5 . Partici n en dos fases Centrifugacion.10 Hongos Filamentosos Plantas Células Animales Floculos de Células Desechos celulares 1 x 100's 1050 .1080 1010-1200 Variable Baja Proteínas Preci itadas 0. Centrifugacion a baja velocidad Fotaci n Centrifugracion.40 10 .100 10 .1090 Media Filtraci n al vacío 1 .1090 1050 . Sedimentaci n Centrifugracion.1090 Alta Centrif aci n.Qm e sidad m3 eiste cia al es uer de C rte Bacteria 0. Microfiltracion.5 . Ultrafiltracion 1010 .1090 Baja Muy Baja Microfiltracion.4 1050 . FB. Fuerza de Flotación La partícula es acelerada por la fuerza de flotación.V: densidad de la partícula y del fluido a: aceleración del campo al cual está sometido la partícula . que es la resultante de la diferencia de densidades entre la partícula y el fluido (FB). Según Newton (suponiendo partículas esféricas): Empuje G F B T ™ d ! 6 3 (V s  V ) ™ a ( ) Donde d: diámetro de la partícula Vs.SEDIMENTACION DE SOLIDOS Una partícula al moverse en un medio continuo e infinito se ve afectada por 2 fuerzas. la partícula al moverse se ve retardada por la fuerza de roce. FD. que se opone al movimiento. Según la Ley de Stoke FD ! 3 ™ T ™ d ™ Q ™ v Donde Q= viscosidad del medio v = velocidad de la partícula (2) E G .Fuerza de Roce Por otra parte. la partícula se moverá a una velocidad constante. igual a la velocidad terminal cuando: FB = FD Estas condiciones se cumplen cuando: Casi siempre se cumple en sistemas biológicos F T ™ d ! 6 3 ( ) Re ! d ™v™ V Q 1 B (V s  V ) ™ a ! FD ! 3 ™ T ™ d ™ Q ™ v . cuando el sistema alcance el equilibrio.Debido a estas 2 fuerzas. g (5) ds distancia que debe recorrer vg ! ! ts tiempo que demora en sedimentar (5a) . v d 18 2 ( s ) ™ a (4) depende del campo al cual se encuentre sometida Si es campo gravitacional (sedimentación) d 2 vg ! (V 18 Q s  V ).A partir de ( ) se puede determinar la velocidad terminal. 00 g/cm3 y una viscosidad de 1.1 cP. la agitación es detenida y los microcarrier comienzan a sedimentar. Un fermentador 50 litros es usado para el crecimiento de estas células en los microcarrier para producir una vacuna.5. ( 0. Después que las células han crecido.011 [g/cm sec] ) a) alcule el tiempo de sedimentación de estos microcarrier suponiendo que sedimentan a su velocidad terminal. .Ejemplo 1 Sedimentación de células inmovilizadas Muchas células ani al s son cul ivadas en la super icie de micro-esferas Esas esferas (microcarrier) ienen una densidad de 1. El flujo li re de microcarrier tiene una densidad de 1. El estanque tiene una razón entre altura y diámetro de 1.02 g/cm3 y un diámetro de 150 Qm. : velocidad angular de rotación 2 ™ T ™ n rad n: revoluciones por minuto .2 ™ r (6) Donde r : radio desde el centro de la centrífuga a la posición donde se encuentra la partícula .Si es un campo centrífugo vr [g d2 (Vs 18 V ) ™ . ( ) 60 s dr Distancia que se debe recorrer ! [g ! dt Tiempo que demora en recorrerla (6a) . Se pueden correlacionar las 2 velocidades . 2 . ! g dt .r dr [ g ! vg . .r G! ! vg g 2 [g Generalmente las condiciones de operación de definen en función de los ´Gµ que se deben aplicar. .Factor ´Gµ (Distinto a la eficiencia granulométrica) Se define el factor ´Gµ para caracterización y escalamiento de centrífugas es una medida relativa de la velocidad de sedimentación de una partícula en un campo centrífugo con respecto a su gravitacional. . dr ´ r ! vg ™ ( g ) ´ dt R1 o ( ) Integrando 2 ¨ R3 ¸ .2 ! vg ™ ( g ( ) .ECUACION DE DISEÑO CENTRIFUGA DE BOTELLAS (laboratorio) Existe un movimiento en la dirección r dr d2 vr ! [ g ! (Vs ! dt 18 ™ R3 2 t r ™ .2 ) V ) ™ r ™ . ln© ¹ ! v g ™ ( ) ™ t ©R ¹ g ª 1º ( 2) . 0 Qm y una densidad de 1.01 g/cm sec) La centrifuga está operando a 500 rpm 1.Ejemplo 2 Centrifugación discontinua de Células de levadura Una centrífuga. El fluido tiene propiedades similares al agua pura. Determine el tiempo que tomará una separación completa de las levaduras.00 g/cm3 y una viscosidad de 0. ( Densidad 1. . es usada para colectar las células de levadura luego de una fermentación. que utiliza botellas.05 g/cm3. Durante la centrifugación la distancia entre la superficie del líquido y el eje de rotación (eje axial) es 3 cm y la distancia entre el fondo del cilindro al eje axial es 10 cm. Las células de levadura se pueden asumir como partículas esféricas con un diámetro de 8. R : Radio del nivel del líquido.ECUACIONES DE DISEÑO CENTRIFUGA TUBULAR Existe un movimiento en la dirección z y r Movimiento en Dirección ´zµ dz Q Q vz ! ! ! dt A T ™ ( R32  R12 ) Q: Flujo de alimentación (7) R . Radio de la centrífuga   . 2 T ™ ( Ro2  R12 ) ! ! ! vg ( )™ dz v z dz g Q dt (9) .Movimiento en Dirección radial ´rµ dr d 2 r ™ .2 2 ( V s  V ) ™ r ™ .R : Radio del nivel del líquido. ! vg ( ) vr ! [ g ! ! dt 18Q g Q: Flujo de alimentación R . Radio de la centrífuga El movimiento combinado  (8) dr dr dt [ g r ™ . Dependiendo de los valores de vg y Q dependerá la posición de la partícula en la centrífuga. Tal que: z=L r=R Así se determina la ecuación de dise o de una centrífuga tubular: . 2 T ™ L ™ ( R32  R12 ) Q ! vg R g ln 3 R1 ! ( ) . Se puede calcular un flujo óptimo para que una partícula que ingresa por el centro. sólo se pegue a la pared al final. ( 7) ar Característica de la centrífuga y condiciones de operación Parámetro de dise o Flujo Función de la partícula " ® ™T ™ ™ R ™ . ¾ 2 Q ! vg ™ ¯ ¿ ! vg ™ 7Tubu g ° À 2 2 .Simplificando ( R32  R12 ) ! 2R R3 ln R1 donde R ! R3  R1 2 Así se determina la ecuación de dise o de una centrífuga tubular. ECUACION DE DISEÑO CENTRIFUGA DE DISCOS En un análisis análogo para centrífugas de disco se tiene como ecuación de dise o: ® ™ T ™ N D ™ . and Hu Wei Shou "Bioseparations : Dowstream Processing for Biotechnology":.. 2 ( R 3  R 3 ) cot U ™ ¾ 2 3 1 Q ! vg ™ ¯ ¿ ! v g ™ 7 Discos 3* g ° À ND : Número de discos. Cussler E. 1988.L. John Wiley and Sons . Más detalles ver desarrollo: ( 8) Belter P. . La velocidad de sedimentación de estas células ha sido medida y es de 1. Se planea operar la centrífuga a 6000 r/min. el radio externo es 15. . Estime la cantidad de flujo que puede ser procesado en esta centrífuga.cm/seg. .Ejemplo 3 Centrifuga continua de Disco para Chlorella Células de Chlorella han sido cultivadas en un estanque abierto.07 x 10. las células serán cosechadas haciéndolas pasar a través de una centrífuga de discos.7 cm y el diámetro interno de 6 cm. La centrífuga tiene 80 discos con un ángulo de 40°. Métodos que se pueden utilizar para tratar de adaptar los procesos de laboratorio a gran escala. a) Métodos Cualitativos b) Métodos Cuantitativos .Escalamiento de Centrifugación El dise o de centrífugas a gran escala involucra el uso de información de laboratorio para predecir el comportamiento de las centrífugas comerciales. ´G tµ . 2 ™ Ro ¾ G ™t ! ¯ ¿™t g À Ro: radio característico o máximo de la centrífuga.a) Métodos cualitativo (Estimación Gruesa) Se establece un coeficiente de dificultad que tiene una separación dada para lo cual se calcula un coeficiente entre ´Gµ y el tiempo aplicado. ie. ( 9) . para ello se determina ´Gµ o ´tµ y se selecciona que equipo puede ser útil . 2. 9. .Existen valores característico para cada variedad de biomasa Sólido Células eucariontes Cloroplastos Desechos células eucariotes Núcleo de célula Proteínas precipitadas Bacterias Mitocondrias Desechos bacterias Lisosomas Ribosomas Polisomas Gt [sec] . 8 8 54 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 A gran escala se debe mantener el mismo valor de ´G tµ. 2. b) Método Cuantitativo Para cada tipo de centrífuga se define según una ecuación del tipo: Tipo 1 Q ! v g ™ 7 Tipo 1 (2 ) Para comparar 2 centrífugas de diferente tipo se deben considerar factores de eficiencia y se debe cumplir: ¨ Q ¸ ¨ Q ¸ © ¹ !© ©L ™ 7 ¹ ©L ™ 7 ¹ ¹ ª º Tipo1 ª º Tipo 2 Eficiencia. es: Tipo Botellas (lab) Tubular Discos Eficiencia [ ] 8 55 (2 ) . L. para cada tipo de centrífuga. Propiedad Nº de discos Radio externo [cm] Radio interno [cm] Ángulo [º] Velocidad máxima Rotaci n [r.coli .m. Se requiere seleccionar una centrífuga para procesar 800 [lt/hr] de la misma suspensión antes mencionada.m.7 [cm] de radio interno y 73 [cm] de largo. en una centrifuga tubular de 12.p.3 [lt/min] de una suspensión de células de E.Ejemplo 4 Escalamiento Se han realizado pruebas de laboratorio para definir el parámetro de escalamiento para el procesamiento de una suspensión con material celular.] Opci n 1 33 35 15 51 5000 Opci n 2 50 35 15 51 6500 Opci n 3 66 35 15 51 5000 . Se utilizó una velocidad de rotación de 16000 r.p. En el experimento se procesaron 3. Para ello se cuenta con las siguientes alternativas de centrífugas de discos. de la velocidad angular .R)2 Donde E es una constante que depende del tipo de centrifuga. y del radio R.Potencia La potencia consumida por una centrifuga dependerá del caudal al tratar Q. . Así su consumo energético está dado por: Potencia !E*Q* (. así .Costo de Centrifugas El valor depende generalmente del 7 de la centrifuga. Actualización de los costos con el tiempo ‡ Variaciones en el tiempo de compra Ct2 = Ct1 It2/It1 C: precio compra I: indice de costos t1: base de costeo a tiempo t1 t2: tiempo INDICES Chemical Eng Plant Cost Index Marshall & Swift Equipment Cost Index . R.L. Editorial Unison. Tejeda. and Hu Wei Shou "Bioseparations : Dowstream Processing for Biotechnology":. Referencias: Belter P." Bioprocess Engineering Principles". John Wiley and Sons .M. Academic Press.Guzmán "Bioseparaciones". R. .. Cussler E. Doran M.Montesinos. . 995.. 988. 2. 995.