Molino de perlas, ingenieria bioquimica I

1. Ingeniería Bioquímica I
“Molino de Perlas de Alta Velocidad”

2. Integrantes
 Florencia Krunfli
 Laura Biagini
 Alejandra Hidalgo
 Rocío Roselli
 María Angélica Gallo

3. Equipos de Rompimiento Celular
 Molinos de Perlas de Alta Velocidad
 Homogeinizadores de Alta Velocidad
 Microfluidizadores

4. Esquema del Molino de Perlas
 Cámara de Molienda
 Agitador
– Flecha giratoria
– Discos, barras ó anillos
 Perlas de vidrio

5.  El material celular se
introduce por uno de los
extremos de la cámara
 El agitador produce el
movimiento de la masa
celular y de las perlas de
vidrio
 Los discos tienen
perforaciones cubiertas
por membranas para que
pase el material celular
pero impedir el paso de
las perlas

6.  Los discos pueden
colocarse en la flecha
en forma
CONCÉNTRICA ó
EXCENTRICA

7.  Disponibilidad en el mercado
Diferentes relaciones de Longitud : Diámetro
las más óptimas son entre 1:2,5 y 1:3,5
Volúmenes que varían entre 50 ml y 250 litros
para equipos chicos
Flujos de hasta 2000 litros/hora

8. Mecanismo de Desintegración Celular
Fuerzas de corte
+
Frecuencia de colisiones
+
Fuerza de Colisiones
_____________________
Desintegración Celular

9. Parámetros Operacionales
1) Velocidad del agitador
2) Velocidad de alimentación de la suspensión celular
3) Diseño del agitador
4) Tamaño de las perlas de vidrio
5) Carga de las perlas de vidrio
6) Concentración celular
7) Temperatura

10. 1) Velocidad del Agitador
 Para comparar distintos molinos, conviene usar como
parámetro a la Velocidad Periférica Normalizada de los Anillos
ya que agrupa varios parámetros relacionados con la velocidad
del agitador
60 1000
m
D
U



– ω : velocidad angular del agitador (rpm)
– Dm : diámetro
 En impulsores concéntricos, se utiliza el diámetro
del impulsor (mm)
 En impulsores excéntricos, se usa un diámetro
promedio (mm)
– d : diámetro de los anillos del agitador (mm)
– e : diámetro de la flecha del agitador (mm)
2
2
2
4
m
d
D e
 

11. Aumenta la fuerza de corte
Aumenta la frecuencia de colisión
Aumentando U
Aumenta la temperatura

12. 2) Velocidad de Alimentación de la
Suspensión Celular
 El flujo permisible en un molino de perlas depende:
Del volumen del molino
De la carga de perlas
Velocidad del agitador
El proceso
resulta más
económico
Al aumentar el
flujo de
alimentación
Disminuye el
grado de
desintegración
Conviene operar con
altos flujos de
alimentación y usar
varios pasos para
obtener el
rendimiento requerido

13. 3) Diseño del Agitador y Efectos del
Mezclado
 El comportamiento de un molino de perlas depende
del patrón de flujo y mezclado que produce el
agitador
 El patrón de flujo es intermedio a los dos modelos
ideales
Flujo tapón (sin mezclado axial)
Tanque continuo agitado (100% agitado)
 El tipo de mezclado puede ser determinado por
técnicas con trazadores

14.  Cuando hay flujo pistón, el rompimiento
celular es función lineal de la velocidad del
agitador y del flujo de alimentación
 Los agitadores comerciales provocan el
mezclado de todas las partículas en la
cámara

15.  Distribución de
tiempos de residencia
en un molino en
respuesta a un pulso
colorante, usando 3
tipos de agitadores
distintos con la misma
cámara

16.  Se ha observado que un aumento en la
velocidad de rotación produce una
distribución más amplia de los tiempos de
residencia
 También, un aumento en la velocidad de
alimentación provoca una distribución más
estrecha de tiempos de residencia
 Se logra incrementar la eficiencia de los
molinos

17. 4) Tamaño de las Perlas de Vidrio
 Básicamente se utilizan Perlas de Vidrio
Libres de Plomo
 Todo depende del ámbito en el que se las
utilice, aunque en general va entre 0.2 y
1.5 mm de diámetro pero,
fundamentalmente importa el tipo de
célula que se quiera desintegrar

18.  Observaciones experimentales determinaron :
Levaduras: requieren diámetros mayores que 0.5 mm
Bacterias: requieren diámetros menores que 0.5 mm
Enzimas localizadas en el espacio periplásmico son más
fácilmente liberadas utilizando perlas de vidrio mayores en
relación a las utilizadas para liberar enzimas protoplasmáticas

19.  Existe un diámetro óptimo dado por
volumen de molino
volumen de perlas
al disminuir
el diámetro
aumenta el
número de
perlas
aumenta la
frecuencia de
colisiones
aumenta la
eficiencia de
ruptura
aumenta la
tendencia a
flotar
disminuye la
frecuencia de
colisiones
disminuye la
eficiencia de
ruptura

20. 5) Carga de las Perlas de Vidrio
 La cantidad de perlas depende del:
Tipo de célula desintegrar
Tamaño de las perlas
Si la carga de perlas es baja La eficiencia es baja
Si la carga de perlas es alta Hay mayor consumo de potencia
Se libera más calor

21.  Datos experimentales indican que la carga
óptima es del 80% al 90%
 La carga de perlas se define como:
p
c
V
Carga
V
 c t a
V V V
 
donde
Vp : Volumen del lecho de perlas (litros3)
Vt : Volumen de la cámara de molienda (litros3)
Va : Volumen del agitador (discos ó barras y flechas) (litros3)

22. 6) Concentración de la Suspensión
Celular
 La concentración de las células en
suspensión NO afecta la efectividad de la
desintegración celular
 La concentración de células óptima se
encuentra entre el 30 y 60 %

23. 7) Efecto de la Temperatura
 La temperatura de molienda facilita el
rompimiento celular pero puede afectar al
producto
 El rompimiento celular se realiza a una
temperatura entre 5 y 15 ºC

24. Diseño del Molino de Perlas
Operación Intermitente
Operación Continua
Formas de operación

25. Operación Intermitente
 Cuando el volumen de la suspensión
celular a tratar es bajo, o cuando se desea
efectuar experimentos para generar datos
de diseño
 Determinación del Grado de rompimiento:
Directamente: contando el número de células
intactas por unidad de volumen
Indirectamente: mediante la medición de un
componente liberado durante el rompimiento

26.  El rompimiento celular intermitente sigue una
cinética de primer orden
Balance de masa
VM : Volumen libre del molino (Litros3)
Rm : Concentración máxima de proteína obtenible (M/Litros3)
R: Concentración de proteína liberada en el tiempo t (M/Litros3)
t : Tiempo de operación (t)
k : Constante de velocidad específica de primer orden (t-1)
 Integrando la ecuación anterior se obtiene la ecuación de la
operación intermitente
( )
M m M
dR
V k R R V
dt
  
m
m
R
ln kt
R R
 

 

 
Recta de pendiente k y
ordenada al origen cero

27. Operación Continua
 La suspensión celular a tratar es alimentada
continuamente al molino por uno de sus
extremos y retirada continuamente en el
extremo opuesto, es decir el flujo es constante
 Una diferencia importante con la operación
intermitente es que en la operación continua
habrá una distribución de tiempos de residencia
de la población celular

28. Preguntas
 ¿Cuál es el fin del empleo de un molino de
perlas?
 Describa brevemente el proceso de
ruptura celular mediante un molino de
perlas
 Liste los parámetros operacionales

29. MUCHAS GRACIAS !!!