Downstream processing

CEBI_E7_5: 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 principal 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 .

• 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

Volume 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

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

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