Teoría y conceptos

1. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS
Procesos de Bioseparación
M.C. Guillermo Garibay Benítez

2. CONCEPTOS
 Los procesos que utilizan membranas
son de importancia en el campo de la
separación y purificación de productos
biotecnológicos.
 Una membrana se define como una
película de material con
permeabilidad selectiva.
 En procesos de separación por
membranas, la fuerza conductora para
el transporte de materiales se realiza a
través de una diferencia de presión.

3. VENTAJAS
 Selectividad
 Alta área superficial-por unidad de volumen
 Potencial para controlar el nivel de contacto y/o mezcla
entre dos fases.
 Operan a baja presión y temperatura.
 No requieren aditivos químicos.
 Minimizan la desnaturalización, inactivación o
degradación de productos biológicos

4. MATERIALES DE FABRICACIÓN PARA
MEMBRANAS
 Polietersulfonas
 Acetato de Celulosa
 Poliolefinas
 Polisulfonas
 Poliamidas
 Óxidos de Zirconio,
Titanio, Silicio y
Aluminio
 Nanomateriales
Polímeros Orgánicos
Inorgánicos (Membranas de
Cerámica)

5. INTERVALOS DE OPERACIÓN EN PROCESOS DE MEMBRANA
 MF: Microfiltración
 UF: Ultrafiltración
 NF: Nanofiltración
 RO: Osmosis Reversa

6. USOS ULTRAFILTRACIÓN
 Concentración de Proteínas
 Recuperación de Virus
 Recuperación de Surfactina
 Clarificación de Jugos
 Remoción de especies de bajo peso molecular
 Entre otros…

7. CONFIGURACIONES EN SISTEMAS DE
MEMBRANA DE MF Y UF
Camino Cerrado (Dead End) Filtración Tangencial
En este modo de operación el
fluido a ser filtrado fluye
paralelamente a la superficie de
membrana y es permeado a
través de la membrana debido a
una diferencia de presión.

8. FILTRACIÓN TANGENCIAL
A medida que la
suspensión fluye
dentro del tubo, el
agua o fluido son
removidos
gradualmente, por
lo que la
suspensión se
vuelve,
progresivamente,
más
concentrada.
Separación en Membrana Tubular
Permeado: Fracción que pasa a través de la membrana
Retenido: Material retenido por la membrana
Concentración

9. CONFIGURACIONES DE MEMBRANA
 Las membranas pueden ser
cuadradas, circulares,
arregladas en apilados
horizontales o verticales
 Un gran número de fibras
huecas son conectadas a
placas perforadas y el
paquete entero es insertado
en un recipiente o chaqueta
Configuración Marco-Placa Configuraciones de Fibra
Hueca

10. PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN
PROCESOS DE MEMBRANA

11. DIFERENCIA DE PRESIÓN TRANSMEMBRANA (∆PTM Ó
PTM)
 La fuerza conductora para el transporte del permeado a través de la
membrana es la caída de presión a través de la membrana
 Esta diferencia de presión es definida como:
Donde:
P1, P2 =Presión en el lado del retenido en el módulo de entrada y salida,
respectivamente
P3 = Presión del lado del permeado (asumida uniforme)
 Por lo tanto, la ecuación se utiliza de la siguiente
manera:

12. FLUX (J)
 Un parámetro importante en la operación será el
flux, el cual está dado por la relación entre la
velocidad de flujo y el área de membrana por
tiempo.
Donde:
J = Flux a través de la membrana (flux de permeado), L/m2h ó
mL/cm2s
Lp = Permeabilidad hidraúlica, m.s. -1 Pa -1

13. PERMEABILIDAD HIDRÁULICA
 Si la membrana es considerada un medio perforado por capilares
rectos paralelos de un radio r, luego, la permeabilidad hidráulica,
basada en la ley de Poiseuille esta dada por:
Donde:
ε = Porosidad de la Membrana, adimensional
z = Grosor de la membrana, m
µ = Viscosidad del Permeado, Pa.s

14. EJEMPLO
 Una membrana para MF fue examinada
microscópicamente y se encontró que tiene cerca
de 120,000 poros con un diámetro promedio de 0.8
μm por mm2 en la superficie de la membrana. Se desea
estimar la permeabilidad hidráulica de la membrana al
agua. El grosor de la membrana es de 160 μm.

15. POLARIZACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN
 En ultrafiltración de proteínas la concentración de
proteína cercana a la membrana es mayor que en el
resto de la solución. Esta situación es llamada
“polarización por concentración”.
 CW: [Soluto] en la
interfase de la membrana
 CB: [Soluto] en el fluido
 Cp: [Soluto] en el
permeado
 x: Distancia desde la
membrana

16. PTM
 A: Comportamiento Teórico
 B: Comportamiento Típico observado en la realidad
 C: Comportamiento cuando el flux aumenta

17. Flux vs PTM
de agua
Flux vs PTM
De una solución de
proteína de
subproductos de la
industria cervecera
(Tang D.S. 2009)

18. EJERCICIO
 Se realiza 3 corridas de ultrafiltración de una
solución de proteína con una membrana de 50 cm2
de área efectiva de filtración.
 ¿Cuál será el flux de cada corrida?
Corrida Vol (mL) Tiempo (min)
1 5 7.11
2 6 7.5
3 5 8.12
J = Flux (mL/cm2s)
Qp = Caudal del Permeado, (mL/s)
A = Área efectiva total de la
membrana, (cm2)

19. COEFICIENTE DE TAMIZADO
(SIEVIENG COEFFICIENT)
 El coeficiente de tamizado (S) de una membrana con
respecto a un soluto dado es definido como sigue:
Donde:
Cperm = Concentración del Soluto en el Permeado
Cretn = Concentración del Soluto en el Retenido (medido en la
interfase de la membrana)

20. % RECHAZO O RETENIDO
 Para partículas considerablemente más grandes que el poro
más ancho, el rechazo es total; S = 0
 Partículas considerablemente más pequeñas que el poro más
pequeño, estas no son retenidas; S = 1
 Para solutos con tamaños de partícula cercanos al tamaño
del poro; 0 < S < 1
 La retención (R) esta definido como sigue:
R% = (1 – S) * 100
Una R = 95% es considerada como un retenido total

22. CONSIDERACIONES
 Las membranas de MF o UF con un tamaño dado
de poro, dejarán pasar o retener partículas de
acuerdo a su tamaño.
 El límite por tamaño para la permeación o retención
no es exacto.
 Partículas con diámetros cercanos al tamaño del
poro serán retardados debido al efecto de las
paredes del poro

23. TRANSPORTE DE SOLUTO

24.  De acuerdo a la Ley de Fick para la difusión en
contracorriente, la concentración de estado fijo
puede ser escrita como sigue:
 Donde:
 C = concentración de la proteína (Cw = en la
interfase de la membrana, CB = en la alimentación
 J = flujo del solvente
 D = Difusividad del soluto en el solvente (m2 s-1)
 x = distancia de la membrana
 δ = grosor de la capa límite para la difusión

25.  La integración de la ecuación anterior nos da
 KL = coeficiente de transferencia de masa
convectiva en la fase líquida.
 D = Difusividad del soluto en el solvente (m2 s-1)
 δ = grosor de la capa límite para la difusión
 C = concentración de la proteína (Cw = en la
interfase de la membrana, CB = en la alimentación

26.  La concentración de la
proteína en la capa líquida
adyacente a la membrana
no puede crecer arriba de
cierto límite CG, en el cual la
capa se vuelve un gel.
 De este punto en adelante el
flux permanece constante,
independientemente de un
incremento de la presión.
 Este fenómeno se le conoce
como polarización. El valor
máximo y el valor de la
constante del flux para este
caso será:
La concentración de gelificación
CG depende de las caracter y las
condiciones de operación
(fuerza iónica, temperatura, etc.)
POLARIZACIÓN

28. BIBLIOGRAFÍA
 Zeki Berk, Food Process Engineering and
Technology, (2009) Elsevier ISBN: 978-0-12-
373660-4
 Charcosset Catherine, Membrane processes in
biotechnology: An overview, Biotechnology
Advances, 24 (2006) 482-492
 Tang D.S. et al, Recovery of protein from
brewer’s spent grain by ultrafiltration
Biochemical Engineering Journal 48 (2009) 1-5