Filtracion Bioseparaciones

RECUPERACIÓN DEL PRODUCTO

Introducción • La filtración es una operación unitaria donde se consigue la separación de los sólidos que se encuentran suspendidos en un medio líquido haciendo pasar la suspensión a través de un medio poroso, el cual va a retener las partículas sólidas dejando pasar el líquido. Los sólidos quedarán retenidos en función de su granulometría y según sea el tamaño de los poros. • El medio filtrante es la barrera que retiene los sólidos y deja pasar el líquido, puede ser un tamiz, una tela, un tejido de fibras, fieltro, membranas poliméricas o un lecho de sólidos. El líquido que atraviesa el medio filtrante se denomina filtrado. Distintos tipos de mallas para el medio filtrante

Filtración Consiste en la separación de un sólido de un fluido por acción de un medio filtrante y un gradiente de presión. Los tres tipos de mecanismos de filtración son: • Filtración de lecho profundo • Filtración con formación de torta (convencional) • Filtración por membranas

Un proceso de filtración presenta diversas características que se han de tener en cuenta para clasificar el proceso y seleccionar el equipo adecuado. Como son: • -

La fuerza impulsora de la filtración. Gravedad Presión o vacio Centrifuga

• El mecanismo de filtración. Filtración por torta

• -

El ciclo de operación. Continuo Discontinuo

• -

La naturaleza de los sólidos. Torta compresible Torta incompresible filtración con membrana

Filtración de lecho profundo

Filtración de lecho profundo Los sólidos se depositan dentro del medio filtrante. Filtración por membranas Se utilizan membranas especiales de tamaño de poro muy pequeño que operan con flujo paralelo a la membrana, de manera que, no hay un depósito de sólidos sobre la misma, sino una concentración del caldo. Filtración con formación de torta Los sólidos se depositan sobre el medio filtrante formando una pasta.

La filtración con formación de torta es de principal interés en las bioseparaciones sólido - líquido (BSL). SUSPENSION

TORTA MEDIO

Etapas y métodos de las BSL CALDO

PRETRATAMIENTO FISICO QUIMICO EMZIMATICO

CONCENTRACION SEDIMENTACION -GRAVEDAD -CENTRIFUGA FLOTACION

SEPARACION FILTRACION CENTRIFUGACION

POSTRATAMIENTO LAVADO SECADO

LIQUIDO

LIQUIDO

Pretratamiento: mejora las propiedades del caldo para facilitar la bioseparación. Concentración: permite una mejor separación de sólidos, disminuyendo el volumen a manejar y los costos globales. Separación de sólidos: donde se obtiene la mayor parte del sólido. Postratamiento: lavado o secado de acuerdo con los requerimientos del proceso.

FACTORES PARA EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE PROCESOS BSL requrimientos

Propiedades del caldo

Características del equipo disponible

Flujo

Tamaño de partícula

Capacidad

Intermitente o continuo

Densidad

Intermitente o continuo

% separación

Viscosidad

Tamaño de partícula

Postratamientos

Tiempo de sedimentación

Concentración máxima

Esterilidad

% solidos

Capacidad de lavado

Tipo de torta

Esterilidad

Espumeo

Claridad de la descarga

Toxicidad Labilidad

Pretratamiento de caldos Térmico: el calentamiento reduce el volumen, la viscosidad y rompe la estructura gelatinosa que dificultan las operaciones posteriores.

Coagulación y floculación: mejora la sedimentación de las partículas pequeñas por el agregado de agentes químicos. Ejemplos: • Floculantes poliméricos catiónicos, aniónicos y neutros utilizados en el tratamiento del agua y aguas residuales. •

Polielectrolitos catiónicos Poli(cloruro de amonio de dialidimetilo); Epiclorfidrina/ polímeros de dimetilamina; poliscaridas catiónicas; Poli(alquilaminas); Derivados del Poli(estireno); Ionenes; polímeros de sulfonio; biololímeros catiónicos naturales (chitosan, almidones catiónicos) Polielectrolitos aniónicos

•

Poliacrilamidos aniónicos; Polímeros ácidos carboxílicos; Polímeros ácidos fosfónicos; Polímeros ácidos sulfónicos; Polímeros naturales aniónicos (polisacáridos sulfatados, sulfonatos modificados de lignina)

•

Polímeros No-Aniónicos Poliacrilamida; Biopolímeros naturales no-iónicos (almidón, derivados de celulosa); Alcohol de polivinilo a. Adaptado de la referencia 3 b. Ejemplos adicionales presentados en las referencias 6-9

Uso de Ayudas-Filtro: actúan como absorbentes de las partículas coloidales, mejorando el tamaño, incompresibilidad y permeabilidad de los sólidos, facilitando la filtración.

Teoría de la filtración Deriva de los estudios de la mecánica de fluidos de medios porosos para fluidos newtonianos, obteniendo como ecuación de diseño 1 dV P  A dt  ( Rt  Rm ) Régimen laminar

Tipos Existen numerosos tipos de filtros dependiendo de aplicación a que estén destinados, como son: Filtros clarificadores o de lecho profundo. Se suelen emplear cuando la cantidad de sólidos presentes en el líquido es muy pequeña, siendo de gran aplicación para la depuración de agua y el tratamiento de aguas residuales. 

Filtros de torta. La mayor parte de filtros empleados en la industria química son filtros de torta y dentro de éstos su clasificación suele hacerse en función de la fuerza impulsora (presión, vacío o centrífuga). 

Filtro prensa. Es uno de los filtros más usados debido a su gran versatilidad, tanto en relación a la amplia gama de materiales y como las diversas condiciones de operación que se pueden aplicar, además de su bajo coste de mantenimiento. Sin embargo, no está recomendado su uso para tratar grandes cantidades. 

Filtro de banda. presenta una gran flexibilidad de aplicación y alta capacidad. Permite la filtración en continuo. Consiste en una especie de cinta transportadora donde la cinta se ha sustituido por una banda o tela permeable. La suspensión se alimenta por la parte superior y en un extremo de la cinta, mientras que por la parte inferior de ésta se hace el vacío y se recoge el filtrado. Se van a ajustar la velocidad de la cinta y la distancia a la que se aplica la suspensión para producir una torta del espesor adecuado. La torta se desprende al final de la cinta. 

Filtros rotativos a vacío. son muy empleados debido a que trabajan en continuo y a su bajo coste de operación motivado por su funcionamiento automático. Dentro de los filtros rotativos se tienen dos tipos: De tambor rotativo: Consiste en un cilindro cuya superficie exterior esta formada por una plancha perforada donde se fija la tela filtrante. El tambor esta parcialmente sumergido en una cuba la cual se alimenta la suspensión a filtrar y se aplica vacio en las secciones sumergidas. De esta manera se forma una torta del espesor deseado ajustando la velocidad de rotación del tambor. 

-

De recubrimiento: se emplea cuando el material forma una torta de elevada

resistencia. En primer lugar se provoca la formación de una gruesa capa de un material de muy fácil filtración sobre el medio filtrante para luego que se produzca la filtración a través de esta capa. Así la torta formada es muy delgada y se retira junto con una fina capa del material de recubrimiento.



Filtro Nutscha: existen dos variantes a presión y a vacío.

A vacio: son filtros de pequeña capacidad pero de una gran simplicidad constructiva. Consiste en un recipiente donde la alimentación se realiza por la parte superior y en la zona inferior se dispone el sistema de vacio. Entre ambas zonas se halla el medio filtrante

A presión: se tienen dos tipos, uno de descarga manual y otro de descarga automática. El primero es similar al filtro de vacío mientras que el segundo está dotado de un agitador que permite el mantenimiento de la suspensión durante el filtrado y la mejora de la eficacia por eliminación de la humedad residual de la torta. Algunos de estos filtros admiten calefacción, lo que permite disminuir la viscosidad del filtrado, aumentar la velocidad de filtración y, además, producir una torta más seca.

Funcionamiento El funcionamiento de todo filtro se basa en la existencia de una diferencia de presión que obliga a una suspensión a atravesar el medio filtrante. Los factores principales que afectan a la filtrabilidad son: La naturaleza de la suspensión La fuerza impulsora aplicada La resistencia total de la torta a la filtración La temperatura de la suspensión El tamaño de las partículas La concentración de sólidos en suspensión El efecto utilizado de floculantes y de agitación La naturaleza del medio filtrante El medio filtrante debe ser resistente mecánicamente y a la acción corrosiva del fluido, mostrar poca resistencia al flujo del filtrado, así como permitir que la torta se desprenda fácilmente.

La secuencia de operaciones que tienen lugar en una filtración se conoce como ciclo de filtración y son las siguientes:

Según el tipo de filtro y el modo de operación un ciclo podrá contener más o menos operaciones. Si los sólidos de la suspensión son muy finos o viscosos, forman una torta densa e impermeable y obstruyen en seguida el medio filtrante, y será necesario añadir ciertos aditivos que aumenten la porosidad de la torta llamados coadyuvantes de filtración (perlita, tierra de diatomeas o la celulosa de madera). Estos materiales forman lechos de porosidades muy elevadas, provocan la reducción de la resistencia específica de la torta a la vez que aumentan su grosor, y hacen que ésta sea más compresible Los coadyuvantes se suelen utilizar cuando el filtrado es valioso y el residuo puede desecharse. Normalmente es necesario realizar un lavado de la torta para recuperar el líquido que haya quedado retenido, para ello se utiliza un disolvente miscible con el filtrado (usualmente agua).

El secado de la torta se suele efectuar por medio de aire caliente o aplicando vacío. existen dos modos de operación posibles: A presión constante: la presión de impulsión de la suspensión se mantiene constante durante todo el ciclo de filtración, con lo que el caudal de filtrado resulta variable y decreciente, ya que la resistencia de la torta aumenta con el espesor de la misma. El ciclo concluye cuando el caudal de filtrado está por debajo de un mínimo.



A volumen constante: se intenta mantener fijo el volumen de filtrado, lo que se exige aplicar presiones crecientes para compensar los aumentos progresivos de resistencia de la torta. El ciclo se dará por terminado cuando se alcance la presión máxima que puede soportar el sistema.



Cálculos En primer lugar se debe conocer la resistencia global que se ofrece ante el paso del líquido. Fundamentalmente el filtrado pasa a través de dos resistencias en serie: La resistencia total que se establece sobre el medio (incluyendo la de las partículas incrustadas) que se llama resistencia del medio filtrante y es importante durante los primeros momentos de la filtración. La resistencia que ofrecen los sólidos, que se denomina resistencia de la torta. La resistencia de la torta es cero al iniciar la filtración. Esta resistencia aumenta continuamente con el tiempo de filtración. En la filtración por torta los factores más importantes de los que depende la velocidad de filtración son: la caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante el área de la superficie filtrante la viscosidad del filtrado la resistencia de la torta la resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de la torta

Calculo de resistencia continua. Para calcular la resistencia a la filtración de la torta, suponiendo ésta incompresible, se tiene la siguiente expresión: 

Donde; ε es la porosidad α la superficie especifica El gradiente de presión por unidad de altura de torta formada, L, se expresa a través de la ecuación de Carman-Kozeny :

Donde; U es la velocidad superficial del filtrado en un tiempo t U se calcula con la sig. Ecuación Donde; V es el volumen de filtrado recogido para un tiempo t

A medida que transcurre la filtración se van acumulando las partículas que forman un determinado volumen de torta, que se puede determinar por medio del parámetro: Este parámetro representa el volumen de torta formado en el paso de una unidad de filtrado. Sustiyendo en la ecuación del gradiente se obtiene la siguiente expresión: Donde quedan relacionados el volumen de filtrado, V, con la altura de la torta, L.

Otra manera de establecer dicha relación se consigue con el siguiente cociente: donde J es la fracción másica de sólidos en la suspensión original

Otro parámetro muy empleado es la masa de torta seca por unidad de volumen de filtrado: Donde m es la masa de torta húmeda por unidad de masa de sólidos secos contenidos en ella

Si se incluye la resistencia del medio filtrante, ésta se suele expresar como una altura de torta equivalente:  Este volumen equivalente, Veq, es el volumen de filtrado necesario para  crear una altura de torta Leq y depende únicamente de las propiedades  de la suspensión y del medio filtrante.

Si se combinan las dos resistencias señaladas se tiene una ecuación general a partir de la cual se obtienen las ecuaciones de diseño para los distintos tipos de filtración:

Aplicaciones La filtración se emplea en un gran número de procesos relacionados con industrias muy diversas; como ejemplo se citan las siguientes:       

Química: filtración de azufre fundido, silicato sódico, ácido cítrico, resinas y fibras sintéticas, plásticos Farmacéutica: producción de vitaminas y antibióticos Alimentaria: filtración de glucosa, fructosa y azúcares, jugos de frutas, cerveza, vino… Industria del aceite: pulido de aceites, blanqueo y winterización. Agroquímica: producción de insecticidas Petroquímica: separación de distintos componentes como la posibilidad de obtención de parafinas cristalinas de las que no lo son Recuperación y refino de metales: por ejemplo filtración de sales de zinc, cobre, níquel, etc.

 Tratamiento de aguas residuales: tanto urbanas como procedentes de

instalaciones industriales. La filtración aparece en el acondicionamiento de aguas residuales y en el tratamiento de fangos. La filtración de agua implica su paso a través de capas de arena, carbón y otros materiales granulares para eliminar microorganismos y cualquier flóculo o sedimento que pudiera quedar.

También se emplean los filtros prensa en la filtración de fangos urbanos (ver diagrama). El acondicionamiento se realiza con cal y cloruro férrico que mejora el espesamiento. Se consiguen humedades residuales del 50%.

1.- Espesador 2.- Dosificador de cal 3.- Deposito de reacción 4.- Dosificación de cloruro férrico 5.- deposito intermedio 6.- Bomba de pistón y membrana 7.- Filtro prensa

Equipos de filtración Filtro intermitente a presión -Filtros prensa de marcos y placas -Filtros de cámara con elementos filtrantes

Filtros continuos al vacío

Diseño de equipo Filtros intermitentes - A flujo constante - A caída de presión constante Filtros continuos - Formación de torta - Lavado de torta - Descarga de torta

Filtración intermitente Tortas incompresibles y caída de presión constante La resistencia de la torta es directamente proporcional a la cantidad de sólido depositado por unidad de área  V Rt   0    A

At   0  V Rm    V  2P  A P

Filtración intermitente Tortas compresibles y caída de presión constante Aumento de la resistencia especifica al aumentar el gradiente de presión sobre la torta. s    ´(P)

 ´ 0 V Rm At   (1 s ) V 2P A P

Filtración continua Formación de torta El espesor de la torta es constante y el área de la torta varia con el tiempo. La resistencia del medio es despreciable, obteniendo: At   0  V   V  2P  A

 4NP W  RL  ' 

(1 s )

o 

0.5





Filtración continua Lavado de torta Remoción del soluto retenido en el liquido y en la masa celular de la torta. Etapas: 1)Calculo del volumen de lavado 2)Calculo del tiempo de lavado

Filtración continua Descarga de torta Depende del diseño mecánico.

FIN!!