PSP T3.2: Filtración tangencial

Enumera las características de la filtración tangencial:

• Flujo paralelo al filtro → efecto arrastre en las partículas depositadas en el filtro: minimización del pastel de sólidos en el filtro

• Puede operarse en batch y continuo

• Uso:

  • Separación de células cuando el producto es extracelular

  • Concentración de células y proteínas

  • Separar restos celulares

  • Diálisis e intercambio de tampón

¿Según que parámetro se clasifican las membranas?

Según el tamaño de poro

¿Qué tamaño de partícula separa la microfiltracióon? ¿A qué presión se suele trabajar?

• 0,2 - 1 micrometro

• 1-2 bar → no se trabaja a alta presión

¿En qué unidades se trabaja en una ultrafiltración? ¿A qué presión se suele trabajar?

• Daltons: g/mol

• 2-3 bars

¿Cómo es el flujo transmembrana?

El flujo transmembrana es constante en estado estacionario gracias a que la solución fluye paralela a la membrana.

¿Qué es la boundary layer?

Si una especie no atraviesa la membrana genera un gradiente de concentración sobre la membrana, que se llama boundary layer

¿Qué es la polarización de la concentración? ¿Qué ocurre si es muy elevada?

La polarización de la concentración (Cw/Cb) es un fenómeno por el cual los solutos rechazados por la membrana se acumulan en la capa límite (boundary layer), creando una concentración en la superficie de la membrana (cw) mucho mayor que en el seno del fluido (cb)

Si Cw/Cb es muy elevado, puede ocurrir una precipitación del soluto y la formación de una capa tipo gel (gel layer) que ofrecerá una resistencia extra al filtrado

¿Qué resistencias hay en una filtración tangencial?

• Rm: resistencia del medio filtrante

• Rcp: resistencia debido a la polarización de la concentración → la filtración va de izquierda derecha pero la difusión va de derecha a izquierda (Cw>Cb), lo que genera una resistencia en contra del flujo

• Resistencia del gel layer → si Cw/Cb es muy elevado

• Rif: resistencia debido a fouling

¿Cuál es la fuerza motriz de la filtración?

El diferencial de presión

La formación del gradiente de concentración en la Boundary Layer se puede inferir graficando el flujo transmembrana (flujo del permeado) vs el diferencial de presión. ¿Cuál es la zona de trabajo?

La zona dependiente de presión (la zona lineal) es la zona de trabajo, mientras que en la zona independiente de presión es donde ocurre la formación del gel layer (Cw es igual a la máxima solubilidad del soluto → Cwmáx)

¿Cuánto más flujo, qué ocurrirá con Rcp?

Cuanto más flujo se induce, más se acercará Cw a Cw máx, causando más resistencia (Rcp). A poca presión que introduzca, causará que se forme un gel layer, por lo que el flujo pasará a ser independiente a la presión y hay riesgo de romper la membrana

¿Queremos que el flujo sea turbulento o laminar?

Turbulento

Si es laminar, no hay mezcla en el eje del radio de la tubería. En cambio, si es turbulento, habrá más mezcla, por lo que el boundary layer disminuirá y la Rcp bajará.

Para describir el movimiento de solutos dentro de la boundary layer, ¿qué se considera qué es la fuerza motriz?

El diferencial de concentraciones

El flujo del permeado va de izquierda a derecha (J*c), pero como la membrana es permeable, también hay flujo de derecha a izquierda (J*cp)

¿Cómo se puede calcular el coeficiente de transferencia de materia (k)?

1. Calcular si es laminar o turbulento

2. Calcular número de Sherwood

¿Cómo se clasifican las membranas?

• Según tamaño de poro

• Según estructura de la membrana

¿Cómo se clasifican las membranas de ultrafiltración según tamaño de poro?

Según molecular weight cut off (MWCO)

¿Qué significa que el MWCO de una membrana sea de 10 kDa?

Que el 90% de las proteínas de 10 kDa serán retenidas

¿El MWCO es exacto?

No, es una definición amplia, ya que otros factores pueden afectar a si una partícula queda retenida (las partículas no siempre son esféricas, pueden hacer interacciones entre ellas, etc), sin embargo, sirve para aproximar.

Es más fácil asegurar que partículas se han retenido que cuales de ellas han pasado

¿Qué clasificación tienen las membranas según su estructura?

• Membrana homogénea

  • Tamaño de poro fijo

  • No se utilizan mucho porque tienen tendencia a obstruirse

• Membrana asimétrica

  • Variación en el tamaño de poro entre las dos caras del filtro

  • Poros pequeños al principio y después más anchos

  • La parte inferior es el soporte estructural

• Membrana compuesta

  • Similar a la membrana asimétrica pero las diferentes capas del filtro están hechas de diferente material

  • No es recomendable filtrar en dirección opuesta (backwashing, se utiliza para limpiar el filtro), ya que las capas se podrían separar

¿Qué modos de operación hay en una filtración tangencial?

• Batch: concentrar o purificar

• Batch: diafiltrar

• Continuo: concentrar o diafiltrar

Explica las características de un batch si el objetivo es concentrar o purificar:

• Se utiliza una membrana que limita el paso del producto

• El volumen del tanque disminuye con el tiempo → V(t) = -qpermeado * t

• La concentración de producto aumenta

Explica las características de un batch si el objetivo es diafiltrar:

• Se usa para cambiar de tampón, ajustar el pH o cambiar la fuerza iónica

• El volumen filtrado (flujo del permeado) se repone con solvente fresco para mantener el volumen del tanque constante

• rs: coeficiente de repulsión de la membrana

  • rs = 1 (el producto no pasa)

  • rs = 0 (todo el producto pasa)

Explica las características de un continuo (diafiltrar o concentrar):

• Feed (Alimentación): Entrada continua de nuevo material a procesar

• Bleed (Purga): Salida continua del producto concentrado

• Recirculación: Flujo que vuelve al tanque para mantener concentración

El lazo de recirculación se utiliza para ajustar la concentración del bleed deseada ajustando el flujo de recirculación

• Esto significa que controlando cuánto fluido recirculas (vuelve al tanque), puedes controlar cuán concentrado sale el producto final (bleed).

  • Más recirculación → Más concentrado el bleed

  • Menos recirculación → Menos concentrado el bleed

Al inicio: recirculación completa

¿Por qué los sistemas multi-etapa en continuo son más económicos?

Porque a más etapas el área de filtrado disminuye, por lo que será más eficiente

Es mejor tener tres filtros pequeños que un filtro grande (más barato)

wtf

¿Por qué hay una pérdida de capacidad de filtración de la membrana?

Debido al fouling: hay una bajada del flujo de membrana por interacciones con componentes del líquido a filtrar

• Adsorción de proteínas

• Deposición de proteínas

• Formación del módulo de polarización

Esto causa que haya una bajada en el flujo transmembrana por obstrucción completa o parcial de los poros. Es necesario lavar las membranas porque son demasiado caras

¿Qué ocurre cuando el fouling es irreversible?

* gráfico de una filtración frontal a flujo cte

????

¿Qué variable se ha de escalar y cual se ha de mantener constante en el escalado?

El área del filtro es la variable a escalar

Las variables a mantener constantes en el escalado son:

• Presión de entrada y salida

• Velocidad tangencial (J)

• Tamaño de los poros de la membrana

• Propiedades del fluido a filtrar

• Configuración y tipo de membrana

• Fouling de membrana

¿Qué propiedades tiene la membrana?

• Resistencia mecánica (presión máxima de trabajo)

• Resistencia química (rango de pH de trabajo, compatibilidad de solventes)

• Permeabilidad a diferentes especies (propiedades absorbentes)

• Promedio y distribución del tamaño de poro

• Geometría del filtro de membrana

Explica qué es un filtro Hollow fiber y di:

• Densidad del empaquetamiento

• Coste energético

• Tendencia por taparse por partículas

• Facilidad de limpieza

Conjunto de fibras perforadas y delgadas generalmente con una estructura de membrana asimétrica. No necesitan de una estructura de soporte.

• Packing density: 1200 m2/m3

• Energy costs: bajo

• Tendencia a taparse por partículas: alto→ tiene tendencia a obstruirse, por eso no se utilizan soluciones con muchos sólidos (si se rompe una fibra, se ha de tirar todo el filtro). tmp puede con soluciones viscosas. Se trabaja con soluciones laminares y “limpias”

• Ease of cleaning: regular

Explica qué es un filtro tubular y di:

• Densidad del empaquetamiento

• Coste energético

• Tendencia por taparse por partículas

• Facilidad de limpieza

Membranas tubulares que necesitan de un soporte poroso de geometría tubular. A mayor diámetro más coste energético. Filtros de cerámica

Induce régimen turbulento: disminuye boundary layer

Puede soportar Tª y presión alta

• Densidad del empaquetamiento: 60 m2/m3

• Coste energético: alto → para alto valor añadido

• Tendencia por taparse por partículas: bajo

• Facilidad de limpieza: excelente

Explica qué es un filtro Flat Plate y di:

• Densidad del empaquetamiento

• Coste energético

• Tendencia por taparse por partículas

• Facilidad de limpieza

Platos con geometría rectangular que se pueden abrir. (tipo cassette) Poco adaptados al lavado por flujo inverso

• Densidad del empaquetamiento: 300 m2/m3

• Coste energético: moderado

• Tendencia por taparse por partículas: moderado

• Facilidad de limpieza: buena

Explica qué es un filtro Spiral wound y di:

• Densidad del empaquetamiento

• Coste energético

• Tendencia por taparse por partículas

• Facilidad de limpieza

Construidos a partir de una capa membrana separada por una pantalla separadora

• Densidad del empaquetamiento: 600 m2/m3

• Coste energético: bajo

• Tendencia por taparse por partículas: muy alto

• Facilidad de limpieza: complicado

Explica qué es un filtro Rotating y di:

• Densidad del empaquetamiento

• Coste energético

• Tendencia por taparse por partículas

• Facilidad de limpieza

Dispositivos con uno o dos cilindros porosos con una membrana adherida a la superficie

El permeado se acumula en la parte interior

EL movimiento rotatorio mejora el coeficiente de transferencia de materia (k) y reduce el grosor del Boundary layer

Solo utilizado a pequeña escala por el elevado coste

• Densidad del empaquetamiento: 10 m2/m3

• Coste energético: Muy alto

• Tendencia por taparse por partículas: Moderada

• Facilidad de limpieza: Regular