Extracción BifásicaExtracción de dos fases acuosas

Universidad Politécnica del Estado de MorelosGuillermo Garibay Benítez

•La extracción líquido-líquido involucra la transferencia de un soluto de una fase acuosa a otra.

•Sistemas de dos fases polímero-polímero, ejemplo: PEG (polietilen-glicol)-dextrano.

• Sistema de dos fases polímero-sal ejemplo: PEG-fosfato de potasio

Características• Baja tensión interfacial

• Tiempo de sedimentación (separación de las fases) es afectado por la diferencia de densidades y alta viscosidad entre las fases.

• El tiempo de separación puede reducirse utilizando centrifugación a baja velocidad.

• La baja tensión interfacial y que las fases sean acuosas, proporciona un medio ambiente tal que permite que las biomoléculas y partículas celulares puedan repartirse entre las fases conservando su actividad.

Ventajas

•El coeficiente de partición no varia con la escala por lo que el escalamiento resulta relativamente sencillo.

•La transferencia de masa es alta y el equilibrio se alcanza con poca energía de mezclado.

•Se puede realizar en forma continua.•Los polímeros le confieren estabilidad a

las proteínas

•La separación puede ser selectiva y rápida.

•La separación puede efectuarse a temperatura ambiente debido a su rapidez.

•Es más económica que otros procesos.

Diagrama de Fases• El punto P representa el

punto crítico y es el punto donde teóricamente la composición y los volúmenes de ambas fases son iguales

• El punto A es donde el sistema consta de una sola fase .

• El punto B se localiza en una región donde coexisten las dos fases y representa la fracción peso de cada uno de los componentes de una mezcla formada por fases de composición C y D.

• Las líneas como CBD se conocen como líneas de unión.

Diagramas de Fases

•Estos diagramas de fases se basan en la composición de ambos polímeros

•Son usados para determinar las concentraciones necesarias para un proceso de extracción

•Predicen el contenido de polímero/sal del refinado y del extracto.

• El coeficiente de partición de una macromolécula biológica en un sistema de dos fases formado por los polímeros A y B puede ser determinado usando la ecuación:

• K = coeficiente de partición• aA = constante de asociación para la macromolécula y el polímero A• aB = constante de asociación para la macromolécula y el polímero B• b = constante del sistema• CA1 = concentración del polímero A en el extracto• CA2 = concentración del polímero A en el refinado• CB1 = concentración del polímero B en el extracto• CB2 = concentración del polímero B en el refinado

Extracción por Lote o intermitente

•La extracción se realiza de tal manera que las fases interactúan hasta alcanzar el equilibrio, la concentración final del soluto puede ser obtenida en algunos casos en forma analítica mediante el empleo de dos ecuaciones,

•Cuando la relación de equilibrio es lineal se tiene:

•x = concentración del producto en el solvente de extracción L (fase orgánica, más ligera)

•y = concentración del producto en el solvente de alimentación H (fase pesada, comúnmente agua)

•K = constante de equilibrio

•La segunda relación es un balance de masa que indica que en el proceso de extracción:

•yF = concentración del soluto en la fase pesada•Se asume que el solvente de extracción no contiene soluto, L y H son constantes

•Podemos combinar y para encontrar las concentraciones después de la extracción:

•donde la cantidad E, llamado el factor de extracción esta dado por:

•Si el valor de K es alto, la mayoría del soluto terminará en el solvente de extracción.

•La fracción extraída p es:

Ejemplo

•Agua que contiene 6.8 mg/L de un esteroide es extraído inicialmente con dicloruro de metileno. La constante de equilibrio para el esteroide es de 170 y la proporción de agua:solvente es de 82. ¿Cuál es la concentración en la fase orgánica después de la extracción? ¿Qué fracción del esteroide ha sido removido?

Ejemplo

•En la recuperación de productos de fermentación, con frecuencia se emplean extractores agitados. En este caso se ponen en contacto 10 L de caldo de fermentación acuoso que contiene 10 g/L del producto que quiere extraerse con 1 L de solvente orgánico. Si el coeficiente de distribución es 20 y se establece el equilibrio en el extractor. Calcule la fracción extraída de esta producto.

Método Gráfico

•El método gráfico se utiliza cuando el equilibrio es complejo y no se ajusta a una relación lineal.

•Depende de dos ecuaciones básicas: •una relativa al equilibrio

• la otra al balance de masa del soluto.

• Se realiza una gráfica con ambas ecuaciones

• Su intersección nos dará los valores de x y y después de la extracción.

• La curva de equilibrio se le llama “línea de equilibrio”.

• El balance de masa se le conoce como “línea de operación”.

Extracción en etapas múltiples

• Para transferir más soluto puede repetirse el contacto mezclando la corriente de salida de refinado con disolvente nuevo.

• Este procedimiento emplea una mayor cantidad de solvente y da lugar a la formación de corrientes muy diluidas.

• Para emplear menos solvente y obtener una corriente de extracto más concentrada, se usa un contacto a contracorriente en etapas múltiples.

Solución pesada (H)

Solvente, fase ligera (L)

•La relación de equilibrio es:

•Para la primera etapa el balance de masa para el soluto debe realizarse en cada etapa. Este es:

•Combinando estas ecuaciones encontramos:

•E es el coeficiente de extracción (E=KL/H)

• Para la segunda etapa tenemos:

• Esto nos lleva a:

• Para n etapas el resultado será:

• Que puede escribirse:

Concentración de la alimentación

n = número de etapas

Concentración de salida

•La fracción extraída:

Ejemplo

•Un licor clarificado (H) contiene 260 mg/L de actinomicina D, va a ser extraído utilizando butil acetato (L). Debido a que el pH del licor es 3.5, la constante de equilibrio es 57. Se planea que H iguale 450 L/h y L iguale 37 L/h por lo que se espera recuperar 99% del antibiótico en la alimentación.

•¿Cuántas etapas se necesitarían para completar esta separación?

Bibliografía

•Tejeda-Mansir, A., Montesinos-Cisneros, R.M. y Guzmán, R. 1995. Bioseparaciones. UniSon, México

•Raja Ghosh, Principles of Bioseparations Engineering, World Scientific, (2006), ISBN 981-256-892-1