PSP T6: Adsorción

Define adsorción:

Transferencia reversible de un soluto presente en una solución a la superficie de un sólido

La adsorción se utilizará para productos de — valor añadido

Alto → es una unidad muy cara

¿Qué priorizas en la adsorción, rendimiento o pureza?

Normalmente.

• Adsorción: rendimiento

• Cromatografía líquida: pureza

¿En qué momentos se puede encontrar la adsorción?

• Separación y/o concentración

• Purificación

¿Cuáles son los principales usos de la adsorción?

• Purificación de proteínas

• Purificación de ácidos nucleicos

• Purificación de antibióticos

• Análisis biomédicos

• Tratamiento de aguas residuales

• Cromatografías líquidas

  • Por pulso

  • Por elución

Compara extracción vs adsorción según estas variables:

• Capacidad

• Selectividad

• Naturaleza del equilibrio

• Modo de operación

• Estado de la solución a tratar

• Problemas

EXTRACCIÓN:

• Capacidad: alta

• Selectividad: moderada

• Naturaleza del equilibrio: normalmente lineal

• Modo de operación: estado estacionario

• Estado de la solución a tratar: líquido clarificado

• Problemas: emulsificación y desnaturalización

ADSORCIÓN:

• Capacidad: baja

• Selectividad: alta

• Naturaleza del equilibrio: no lineal

• Modo de operación: no estacionario, periódico

• Estado de la solución a tratar: líquido clarificado o no clarificado

• Problemas: lecho compresible, lecho adsorbente no uniforme

Las k (cte de partición) en adsorción son más — que en extracción

Altas → el producto tiene más afinidad por estar en el fase estacionaria

Enumera las ventajas de la adsorción:

• Alta selectividad de separación

• Capacidad de recuperación de solutos de soluciones diluidas → tienes k mucho más altas que en extracción

• Posibilidad de usar soluciones no clarificadas

Enumera las desventajas de la adsorción:

• La unión del soluto está restringida solo a la superficie del adsorbente → más superficie de contacto más lugares de unión: hay nuevos materiales adsorbentes con mayor superficie y rigidez (Monoliths)

• Se opera mayoritariamente en batch, actualmente hay sistemas que pueden operar en continuo

• La adsorción puede causar la pérdida de actividad biológica del soluto → la unión es tan fuerte que no puedes recuperar el producto (actualmente se intenta diseñar materiales que eviten esto)

• Los adsorbentes pueden perder eficacia/ensuciarse debido a uniones irreversibles del soluto → adsorción inespecífica de otros componentes de la fase móvil

• Problemas difusionales desde la solución a la superficie del adsorbente

Explica en que se basa el proceso de adsorción:

Se basa en el equilibrio de adsorción:

La unión entre el sustrato libre y el adsorbente es específica, reversible y solo hay un modo de adsorción que se pueda describir mediante la Keq

La cinética de adsorción es muy rápida, nos interesa la concnetración en equilibrio

¿Por qué en la mayoría de casos no se puede considerar la adsorción como un proceso lineal, como ocurre en extracción?

Cu+ S → (Keq, tendencia reversible) CbS

Keq = CbS / (Cu * S)

En extracción, hay muchos lugares de unión (S mayor Cu unbounded), por lo que al estar saturada de S, la reacción pasa a ser independiente de S, por lo que

Keq = CbS / Cu → lineal

Sin embargo, en adsorción los lugares de unión están limitados, por lo que no se cumple que Keq = CbS / Cu

¿De qué depende la selectividad de adsorción?

• Peso molecular, tamaño y forma de soluto

• Forma del sitio de unión en el adsorbente

• Polaridad del soluto y del adsorbente

• Carga electroestática del soluto y adsorbente

¿Qué es una isoterma?

Es una expresión que nos relaciona la constante de equilibrio de adsorción (Keq), la concentración del soluto en la disolución (Cu) y la presente de la superficie del material adsorbente (Cb)

¿Cómo se obtiene la isoterma?

Se obtiene mediante el estudio de la capacidad de unión del adsorbente

¿Qué tipos de isoterma hay?

• Isoterma lineal: común en cromatografías analíticas (finalidad: separar y cuantificar diferentes solutos) → S > > > Cu

• Isoterma de Langmuir

  • Tiene una parte lineal para concentraciones bajas

  • Describe la adsorción en proteínas

  • Se puede linealizar

• Isoterma de Freundlich

  • Es empírica

  • Kf = constante de Freundlich, es una Keq que describe todo el sistema

  • Esta ecuación se utiliza cuando hay más de un producto → analizas el conjunto de todas las uniones

  • n < 1 (cte)

  • Describe la adsorción en antibióticos

  • Se puede linealizar

¿Qué uniones pueden haber entre soluto y adsorbente?

Puede ser una o varias interacciones no covalentes:

• Fuerzas de van der Waals

• Interacciones electroestáticas

• Interacciones hidrofóbicas

• Enlaces de hidrógeno

• Partición (fase móvil y fase estacionaria)

¿Qué tipos de resina/adsorbente pueden haber?

Sílica (fase reversa):

• Compresible

• Adsorbente para compuestos hidrofílicos

• Poco estable a pH básicos

• Puede desnaturalizar algunas proteínas

• Alta superficie de adsorción

• Altas presiones Tamaño de partícula (1-25 um)

• Utiliza solventes como fase móvil

Polímero (1ª opción a gran escala)

• Alta estabilidad

• Bajo coste

• Tamaño de partícula mayor que sílica (10-100 um)

• Presión de trabajo menores (< 4 bar)

• Estable a pH extremos

• No rígida

• Ej: agarosa y dextrano

Dependiendo del tipo de interacción, el mecanismo de separación se puede clasificar en:

• Intercambio iónico

• Unión por afinidad

• Interacciones hidrofóbicas

• Fase reversa

¿En qué se basa la separación en el intercambio iónico?

Se basa en las interacciones electroestáticas entre el soluto y el adsorbente:

• Intercambio catiónico: FE - y soluto +

• Intercambio aniónico: FE + y soluto -

Es la unión de grupos cargados a los adsorbentes para generar la carga suficiente para unir el soluto

¿Qué tipos de ligandos pueden haber en el intercambio catiónicos y cuáles pueden ser sus características?

• Ácidos carboxílicos

  • Débil: dependiente de pH

  • Capacidad limitada a pH ácidos

• Grupo carboximetilo (CM)

  • Débil: dependiente de pH

  • Capacidad limitada a pH ácidos

• Grupo sulforpropilo (S)

  • Fuerte: independiente de pH

¿Qué tipos de ligandos pueden haber en el intercambio aniónicos y cuáles pueden ser sus características?

• Grupo dietilaminoetilo (DEAE)

  • Débil: dependiente de pH

  • Capacidad limitada a pH básicos

• Grupo aminoetilo cuaternario (QAE)

  • Débil: dependiente de pH

  • Capacidad limitada a pH básicos

• Grupo amonio cuaternario (Q)

  • Fuerte: independiente de pH

¿Qué dos características afectan a las interacciones electroestáticas?

• pH

• Fuerza iónica

A más fuerza iónica — serán las interacciones electroestáticas

menor

¿Queremos trabajar a pH = pI en cromatografía y adsorción?

No, porque se induciría precipitación

¿En qué rango quiero trabajar?

Lejos de la zona de pI, ya que sino tendré dos especies y solo me interesa una

¿Cómo se induce la desorción del soluto en un intercambio iónico?

1. La utilización de altas concentraciones de contra-iones (ej: NaCl) que amortiguan las interacciones electroestáticas entre el soluto y el adsorbente → poca fuerza iónica en la entrada (pq sino apantalla la unión ente ligando y producto) e incrementarla para la desorción para promover la liberación del producto (NaCl muy barato)

2. Modificando el pH (separación de proteínas) → poco utilizado

¿En qué se basa la unión por afinidad?

Se basa en la unión entre soluto y adsorbente mediante reconocimiento estero-específico. Existe una gran variedad de ligandos específicos

• Uniones específicas: sistema muy selectivo

• Caro

• Mucho fouling

• tag: cola en la proteína para purificar

• Ej: His-Tag

¿Cómo se induce la desorción en una unión por afinidad?

Se realiza modificando las condiciones de trabajo desfavoreciendo el mecanismo de afinidad:

• pH extremos

• Uso de sales caotrópicas → urea

  • Competidores

¿En qué se basa la unión por interacciones hidrofóbicas?

• Se basa en interacciones hidrofóbicas entre el soluto o partes de este y el adsosorbente

• Principalmente utilizando para separar proteínas

• Ligandos:

  • Butilo

  • Octilo

  • Fenilo

• La fase móvil siempre es acuosa

• Las interacciones de favorecen mediante el uso de sales anti-caotrópicas (sulfato de amonio o sulfato de sodio) → exponen partes hidrofóbicas de las proteínas: salting out

¿Cómo se induce la desorción en la unión por interacciones hidrofóbicas?

Por la disminución de concentración de sales

¿Es buena idea combina una unidad de intercambio iónico con una de separación por interacciones hidrofóbicas?

Sí, porque la condición de salida de la iónica es una alta concentración de sales, que también es la condición de entrada en la hidrofóbicas

¿En que se basa la adsorción con fase reversa?

• Se basa en la partición de un soluto no polar entre un adsorbente (capa de hidrocarburos, ej: C18 hidrocarburos alifáticos) y una solución polar (agua o agua-metanol) → el producto debe de ser estable en ambos medios

• Sílica como tipo de resina

• Principalmente utilizado para separar antibióticos, hormonas, lípidos y proteínas pequeñas

¿Cómo se induce una separación en la fase reversa?

Mediante la utilización de solventes apolares (ej: acetonitrilo e isopropanol) → solvente orgánico

Problema: el producto ha de ser estable en solventes orgánicos

¿Qué modos de operación hay en adsorción?

• Lechos agitados (agitated bed)

  • Por lotes (batch)

  • En continuo

• Lechos fijos (fixed or packed bed)

• Lechos expandidos (expanded bed)

Explica las etapas de una adsorción en un lecho agitado en batch:

1. Se ponen en contacto el material adsorbente y la solución a tratar hasta llegar al equilibrio

2. Separación sólido-líquido del adsorbente y la solución

3. Lavado del adsorbente para sacar las impurezas

4. Desorción del soluto de interés → modificar el pH, concentración de sales, solvente

5. Lavado y regeneración del adsorbente para su reutilización

Explica la adsorción en un lecho agitado en continuo:

Al inicio del proceso, la fase estacionaria está libre, por lo que todo el producto se queda unido, sin embargo, llega un momento donde la FE se satura. Si fuese un batch, se tendría que parar y lavar para evitar pérdidas, pero en continuo, cuando se llega a este momento, se puede empezar a alimentar la segunda unidad. Mientras tanto, se puede lavar la primera unidad que se volverá a añadir a la cadena.

¿Qué ventajas presenta la adsorción de lecho agitado frente a la filtración?

• No filter aids

• No lavado del filtro

• Menos pérdidas del producto

• Equipo más barato

• Fácil mantenimiento

• Más selectivo

¿Qué desventajas presenta la adsorción de lecho agitado frente a la filtración?

• Adsorbentes sólidos caros → la FE es cara en comparación con un filtro

• Regeneración del adsorbente es caro

• Mayor reutilización → el filtro se ensucia menos

• Menor fouling comparado con adsorción

• Soluciones no clarificadas (menos ultrafiltración)

• Hay que promover separación sólido-líquido (FE de la FM)

Explica las características de los Lechos fijos (packed bed adsoption):

El material adsorbente particulado se usa en forma de lecho poroso en una columna

• Facilita la reutilización

• No necesidad de separación sólido-líquido

• Necesidades de presión y flujo no muy elevadas

• La salida del soluto se monitorea

¿A qué corresponde el color lila y el color verde en este gráfico?

• Lila: contaminantes

• Verde: producto

¿Se puede utilizar toda la capacidad de unión de la columna?

Capacidad FE = mg P / g FE

No se puede llegar a utilizar toda la capacidad de unión de la columna debido a la dispersión axial → No hay una distribución uniforme de los beads de la columna, por lo que habrá caminos diferenciales de flujo: habrán unas zonas más rápidas y unas zonas más lentas en el frente de adsorción. Esto significa que si se no se quieren tener pérdidas, habrá una zona de la columna que no se utilizará

¿De qué depende el frente de adsorción?

• Caudal: mayor Q, más rápido será el frente

• Concentración: mayor concentración → mayor caudal, más rápido irá el frente

Define C*,t*, C’ y t’:

• C*: concentración igual a ½ Co

• t*: tiempo promedio que pue para la partícula en la columna: cuanto se tarda en llegar a C*

• C’: concentración máxima aceptable a la salida de la columna → breakthrough concentration

• t’: cuando empieza a salir el producto, se para la alimentación y se empieza el lavado para no tener más pérdidas (C*)→ breakthrough time

Verdadero o falso: la dispersión axial se vuelve más significativa si se incrementa la longitud de la columna

Verdadero

¿Cómo se puede dividir la longitud de una columna?

La longitud total se divide en longitud de equilibrio (se utiliza toda) y longitud de adsorción (solo se utiliza la mitad)

¿Para qué se utilizan las twin-columns?

Se utilizan solo cuando la dispersión axial es muy alta

Es un sistema en continuo para poder utilizar toda la capacidad de una columna y no tener pérdidas, ya que estas pasarán a la siguiente columna → mientras se eluye la primera columna, se alimenta la otra

¿Por qué un agitated-bed tiene más dispersión axial que un expanded-bed?

En una agitated-bed ( el líquido se alimenta por la parte de abajo de la columna: fluidizada) haces la mezcla en toda la columna, mientras en una expanded-bed los beads son móviles pero el líquido solo se mezcla con el de su proximidad, permitiendo que se cree un gradiente de tamaño de partículas (más grandes suele estar abajo, más pequeñas arriba), disminuyendo la dispersión axial

Compara el packed bed-adsorption con el expanded-bed adsorption:

Packed-bed adsorption:

• Solución clarificada

• Más estapas necesarias

• Mayor coste

• Menor rendimiento

Expanded-bed adsorption:

• Directa utilización del cultivo

• Clarifica, concentra y purifica el soluto

• Menos equipos

• Menos coste

• Mayor rendimiento → cuestionable: si se compara con una sola unidad de packed-bed y expanded, packed bed tiene mayor rendimiento. Sin embargo, si se compara con las tres unidades asociadas al packed-bed con una de expanded, como más unidades significa más pérdidas y coste, el expanded tiene mayor rendimiento

¿Cómo es el escalado en una agitated-bed adsorption?

• El parámetro a escalar es volumen/masa del adsorbente

• Estudios de la capacidad de unión a escala lab para obtener isoterma utilizando la misma solución que se quiere purificar a escala piloto

• Diseño a escala piloto-industrial utilizando el mismo adsorbente

¿Cómo es el escalado en una packed-bed adsorption?

• Parámetro a escalar: longitud de la columna utilizando el método de longitud no utilizada de la columna (LUB) → para dos columnas de igual diámetro pero diferentes longitudes, la longitud de la columna no utilizada es la misma