Operaciones unitarias-en-bioprocesos

1. OPERACIONES UNITARIAS EN
LOS BIOPROCESOS
Dr. Raymundo Erazo Erazo

2. OPERACIONES BÁSICAS
Operaciones Básicas son aquellas etapas físicas en
los procesos, ó también llamadas Operaciones
Unitarias.
Su objetivo principal en los Bioprocesos son el de la
recuperación de los principales compuestos creados
en el proceso, sin producir algun cambio químico o
estructural en los mismos.
Al considerárseles en las etapas posteriores al
Bioproceso, se deben evaluar parámetros tanto
Económicos, ya que su implementación puede llegar
a valer el 40% del total requerido como presupuesto.

3. C
Operaciones
Básicas
Aislamiento
Primario
Purificación
Aislamiento
Final
Separación
De Células
F
S

4. Filtración
La forma de la separación depende de la naturaleza de la
partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan
sobre ella para separarlas. Las características de la partículas
mas importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la
densidad, y en el caso de fluidos: la viscosidad y la densidad.

5. FILTRACIÓN

6. FILTRACIÓN
Es la Operación Unitaria en la que, partículas sólidas (ó
semisólidas) se separan de una mezcla líquido-sólido, ya
que al fluido se le hace pasar a través de un medio
filtrante que retiene a las partículas.
El sistema de filtración va desde un simple colado hasta
separaciones altamente complejas; el fluido puede ser un
liquido o un gas; las partículas sólidas pueden ser
gruesas o finas, rígidas o plásticas, redondas o
alargadas.
La suspensión de alimentación puede llevar una fracción
elevada o muy baja de sólidos.
En algunos casos la separación de las fases debe ser
prácticamente completa; en otros se desea una
separación parcial, por lo que se han desarrollado
numerosos filtros para las diferentes situaciones.

7. El medio filtrante tiene el trabajo de retener y soportar a las partículas
sólidas que van formando la torta porosa, y a su vez, ser resistente y no
presentar deformaciones al aplicar presiones para mantener el paso del
líquido a través del mismo.
Entrada de
Solución
conteniend
o
partículas
sólidas
Filtro ó
Tela
Filtrante
reteniendo
a
los sólidos
Paso del
líquido
sin
partícula
s
Presión
a Vacío

8. TIPOS DE FILTRACIÓN
• A Presión Constante, depende del control que
tengamos sobre la caída de presión en el Filtro,
y se aplica en la mayoría de procesos.
• A Velocidad Constante, depende de la
resistencia del filtro, es decir que de acuerdo a
la deposición del sólido se controla el ingreso
de solución.

9. Compresibilidad de la torta
• En las tortas obtenidas por filtración, la resistencia
especifica de esta varia con la caída de presión
producida a medida que esta se deposita; la torta se
va haciendo mas densa a medida que la presión se
hace mayor y dispone por ello de menos pasadizos con
un tamaño menor para que pase el flujo. Este
fenómeno se conoce como compresibilidad de la torta.
• Tortas muy compresibles serán aquellas que derivan de
sustancias blandas y floculentas, en contraste con
sustancias duras y granulares, como el azúcar y los
cristales de sal, que se ven muy poco afectados por la
presión (la velocidad es independiente de la presión).

10. No olvidar :
• Lo que nos importa hallar es la Velocidad de
Filtración.
• Como al inicio no existe Torta depositada, el fluido no
tendrá ninguna resistencia para pasar a través del
filtro, por lo que su velocidad será máxima.
• No aplicar alta presión, ya que en vez de mejorar la
Filtración, podríamos estar saturando y hasta
malogrando el filtro (partículas que rompen la malla
y contaminan el fluido).

11. CENTRIFUGACIÓN
Se aplica en la separación de materiales de diferentes
densidades, de acuerdo a la Fuerza centrífuga. Se
utiliza para:
Separar células de los caldos;
Recoger desechos;
Eliminar precipitados; y
Clarificar soluciones (consideradas como productos de
venta)

12. Tambor Giratorio
Fuerza Centrífuga
Líquido más
Denso
Líquido menos
Denso
Árbol Propulsor
Alimentación
Hh
l L
Fundamento de la
Separación
de dos fluidos
mediante la
fuerza centrífuga

13. Tipos de Centrífugas
Se clasifican por su estructura interna, material
a tratar, velocidad de centrifugado, cristales a
tratar, etc. También consideramos qué tipo de
Centrifugación se tratará, como veremos a
continuación.

14. a)Centrifugación Discontinua
Es el tipo más sencillo y usado a nivel
industrial.
Consta de una cesta de 90, 120 o 150 cm ,
accionada por un motor- árbol que girará a
2000 RPM.
Es muy utilizado para lavar cristales, como en
el caso de las refinerías, azucareras, y la
separación de todos los productos cristalinos
y granulares.

15. Motor
Eléctrico
Árbo
l
Tambor
de Freno
Cesta
Fondo
Plano Cesta
Autodescarg
a
Salida de
Líquido
La suspensión de alimentación es
bien espesa. Cuando empieza a
formarse la torta y esta debido a su
grosos empieza a desprenderse del
tamiz, se para el equipo y se lava
con agua.

16. Cesta
Motor
Eléctrico
Freno
la Centrífuga suspendida por resortes es
usado en los laboratorios farmacéuticos.
Por tener una abertura superior, permite
fácil carga y lavado. Es más pequeña y es
más estable, a la vez que permite mayores
velocidades.
Centrífuga Suspendida
por Resortes

17. Conclusiones
• En general estos equipos se usan para separaciones
difíciles.
• También cuando el espesor del sedimento recogido
alcanza la posición del líquido, lo disolverá y por
ende disminuye la eficacia.
• La Efectividad del Proceso depende de la Velocidad
de Centrifugado

18. SEDIMENTACIÓN

19. Sedimentador común
Se empieza agregando
carga por medio de
una boquilla de entrada
hasta tener el nivel límite
Luego, se deja esperar hasta
que los sólidos por efecto de la
gravedad se depositen en la base del tanque
Salida de Claros
Deposición de sólidos

20. TIPOS DE SEDIMENTACIÓN
1.1. Sedimentación de partículas discretas
La sedimentación de partículas discretas no floculantes puede
analizarse mediante las leyes clásicas formuladas por Newton y
Stokes. La ley de Newton proporciona la velocidad final de una
partícula como resultado de igualar el peso efectivo de la
partícula a la resistencia por rozamiento o fuerza de arrastre.

21. La fuerza de arrastre por unidad de área depende de la
velocidad de la partícula, de la densidad y la viscosidad del
fluido, y del diámetro de la partícula. El coeficiente de
arrastre CD (adimensional), viene definido por la Ecuación:
Donde:
CD = coeficiente de arrastre.
A = área transversal al flujo o área de la proyección de la
partícula sobre el plano normal a v.
V = velocidad de la partícula.

22. 1.2. Sedimentación Floculenta
En soluciones relativamente diluidas, las partículas no se
comportan como partículas discretas sino que tienden a
agregarse unas a otras durante el proceso de sedimentación.
Conforme se produce la coalescencia o floculación, la masa de
partículas va aumentando, y se deposita a mayor velocidad.
La medida en que se desarrolle el fenómeno de floculación
depende de la posibilidad de contacto entre las diferentes
partículas, que a su vez es función de la carga de superficie, de la
profundidad del tanque, del gradiente de velocidad del sistema,
de la concentración de partículas y de los tamaños de las mismas.
El efecto de estas variables sobre el proceso sólo se puede
determinar mediante ensayos de sedimentación.

23. 1.3. Sedimentación Zonal
El fenómeno de sedimentación que ocurre cuando se introduce
en un cilindro graduado una suspensión concentrada, con
concentración inicialmente uniforme.
Debido a la alta concentración de partículas, el líquido tiende a
ascender por los intersticios existentes entre aquéllas. Como
consecuencia de ello, las partículas que entran en contacto
tienden a sedimentar en zonas o capas, manteniendo entre ellas
las mismas posiciones relativas.
Este fenómeno es conocido como sedimentación retardada.
Conforme van sedimentando las partículas, se produce una zona
de agua relativamente clara por encima de la región de
sedimentación.

24. Conforme pasa
el tiempo se va formando una región
clara sin sólidos en la superficie
Zona Clara de Líquido
sin sólidos

25. 1.4. Sedimentación por Compresión
El volumen necesario para el fango de la región de compresión también
suele determinarse mediante ensayos de sedimentación. Se ha
comprobado que la velocidad de sedimentación en esta región es
proporcional a la diferencia entre la altura de la capa de fango en el
tiempo t y la altura del fango transcurrido un periodo de tiempo
prolongado.
Este fenómeno puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
Donde:
Ht = altura del fango en el tiempo t.
H = altura del fango tras un prolongado periodo de
tiempo, p.c. 24 horas.
H2= altura del fango en el tiempo t2.
i= constante para una suspensión dada.

26. La sedimentación, se produce debido a la acción de la fuerza de
la gravedad dentro de un campo de aceleraciones constante. La
eliminación de partículas sedimentables también puede llevarse
a cabo aprovechando las propiedades de un campo de
aceleraciones variable.
Para la eliminación de arenas del agua residual se han
desarrollado numerosos aparatos que aprovechan tanto la
acción de las fuerzas gravitacionales, como la acción de la fuerza
centrífuga y las velocidades inducidas.
Los principios en los que se basa uno de estos aparatos,
conocido como Teacup separator (separador en forma de taza
de té) a primera vista, el separador tiene forma de cilindro
achatado . El agua residual se introduce tangencialmente cerca
del fondo del cilindro, y se extrae por la parte superior del
mismo, también tangencialmente. La arena se extrae por una
abertura dispuesta en el fondo del elemento.
Sedimentación Acelerada

27. Lleno el depósito, se deja reposar el lodo durante un tiempo.
El material espesado se descarga por el fondo, mediante una
válvula, ó la solución clarificada se decanta, bien sea bajando el
extremo de un sifón flexible (en las paredes).
Cuando la solución decantada comienza a mostrar turbidez, se
detiene la decantación

28. CONCLUSIONES FINALES
 Las habilidad de la Sedimentación, Centrifugación y Filtración, son que
bajo su control podemos obtener el nivel deseado de liberación de
líquidos.
 El agua contenida en una célula contenida en una solución, puede ser
clasificada como libre, flocs, capilar, etc. El agua libre puede ser extraída
por cualquiera de estos métodos.
 Para soluciones diluidas Microbianas, el efecto partícula-partícula,
atracción, choque, etc.; no son influyentes en los resultados
observados.
 Las Tres Operaciones, al tener el mismo objetivo y guiándose casi por
las mismas leyes, pueden acoplarse en equipos.
 El Espesador de Filtro: El alimento llega al depósito y la solución de
descarga a través de un medio filtrante son descargados
periódicamente mediante raspadores mecánicos sobre el lado
opuesto del filtro, por aire ó agua a baja presión. El precipitado forma
el sedimento.

29. FLOTACIÓN
La flotación es una operación unitaria que se emplea para la
separación de partículas sólidas o líquidas de una fase
líquida.
La separación se consigue introduciendo finas burbujas de
gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se
adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que
experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que
suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es
posible hacer ascender a la superficie partículas cuya
densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la
ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como el
caso del aceite en el agua.

30. En el tratamiento de aguas residuales, la
flotación se emplea para la eliminación de la materia
suspendida y para la concentración de los fangos
biológicos.
La principal ventaja del proceso de flotación frente al
de sedimentación consiste en que permite eliminar
mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o
ligeras cuya deposición es lenta. Una vez las partículas
se hallan en superficie, pueden recogerse mediante ún
rascado superficial.

31. DESCRIPCIÓN
La aplicación práctica de la flotación se limita, en
la actualidad, al uso del aire como agente responsable
del fenómeno. Las burbujasse añaden, o se induce su
formación, mediante uno de los siguientes métodos:
1.Inyección de aire en el líquido sometido a presión y
posterior liberación de la presión a que está sometido
el líquido (flotación por aire disuelto).
2.Aireación a presión atmosférica (flotación por
aireación).
3.Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido
de la aplicación del vacío al líquido (flotación por
vacío).

32. En todos estos sistemas, es posible mejorar el
grado de eliminación y rendimiento mediante la
introducción de aditivos químicos.
Flotación por aire disuelto
En los sistemas FAD (Flotación por Aire
Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a
una presión de varias atmósferas, y a continuación
se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En
las instalaciones de pequeño tamaño, se puede
presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la
totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire
comprimido en la tubería de aspiración de la bomba.

33. El caudal se mantiene bajo presión en un
calderín durante algunos minutos, para dar tiempo a
que el aire se disuelva. A continuación, el líquido
presurizado se alimenta al tanque de flotación através
de una válvula reductora de presión, lo cual provoca
que el aire deje de estar en disolución y que se formen
diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de
líquido.
En las instalaciones de mayor tamaño, se
recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el
15 y el 120 por 100), el cual se presuriza, y se
semisatura con aire. El caudal recirculado se mezcla
con la corriente principal sin presurizar antes de la
entrada al tanque de flotación,lo que provoca que el
aire deje de estar en disolución y entre en contacto
conlas partículas sólidas a la entrada del tanque.

34. Flotación por aireación
En los sistemas de flotación por aireación, las
burbujas de aire se introducen directamente en la fase
líquida por medio dedifusores o turbinas sumergidas.
La aireación directa durante cortos periodosde tiempo
no es especialmente efectiva a la hora de conseguir
que los sólidos floten.

35. Flotación por vacío
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el
agua residual (1) directamente en el tanque de
aireación, o (2) permitiendo que el aire penetre en el
conducto de aspiración de una bomba.
Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la
solución en forma de burbujas diminutas. Las burbujas
y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden
entonces a la superficie para formar una capa de
espuma que se elimina mediante un mecanismo de
rascado superficial.

36. LIXIVIACIÓN
La Lixiviación Bacteriana, también conocida como
Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de
Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural
de disolución que resulta de la acción de un grupo de
bacterias - principalmente del género Thiobacillus - con
habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo
la liberación de los valores metálicos contenidos en
ellos.

37. En términos más globales, se puede señalar que la
biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias
especificas para lixiviar, o extraer, un metal de valor
como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en
las menas o en un concentrado mineral.
El producto final de la biolixiviación es una solución
ácida que contiene el metal valor en su forma soluble.
De otro lado, el término biooxidación es un utilizado
para describir un proceso que emplea bacterias para
degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en
la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran
encapsulados.

38. • La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos
no biológicos, entre los que podemos encontrar:
•
• · Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser
aisladas a partir de aguas ácidas de minas).
•
• · Bajos costos de operación necesarios para las operaciones
hidrometalúrgicas en comparación con los procesos
convencionales.
•
• · Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental
durante el proceso.
•
• · El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja
ley en las minas los que no pueden ser económicamente
procesados por los métodos tradicionales.
•

39. ABSORCIÓN

40. ABSORCIÓN
• involucra la transferencia de un componente soluble, presente
en la fase gaseosa, hacia un liquido absorbente de baja
volatilidad.
• La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla
gaseosa se pone en contacto con un liquido, a fin de disolver de
manera selectiva uno o mas componentes del gas y de obtener
una solución de estos en el liquido. Por ejemplo el gas obtenido
en los hornos de coque se lava con agua para eliminar el
amoniaco.
• Estas operaciones requieren la transferencia de masa de una
sustancia en la corriente gaseosa al liquido. Cuando la
transferencia de masa sucede en la dirección opuesta la
operación se conoce como desorción.

41. • Elección del disolvente para la absorción.- si el propósito de
la absorción es producir el disolvente es especificada por la
naturaleza del producto. Si la función es eliminar alguna
componente del gas existe la posibilidad de elegir.
• Se consideran las siguientes propiedades.
• Solubilidad del gas: debe ser elevada, a fin de aumentar la
rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de
disolvente (disolventes de naturaleza química similar al
producto).
• Volatilidad : el disolvente debe tener una presion baja de
vapor.
• Costos : el disolvente debe ser barato.
• Viscosidad : se prefiere baja viscosidad debido a la rapidez
en la absorción.

42. ADSORCIÓN

43. ADSORCIÓN
• ADSORCION.- la adsorción implica la transferencia de un
constituyente de un fluido a la superficie de una fase sólida.
Para que la separación sea completa el constituyente debe
separarse de la fase sólida.
• La fase fluida puede ser un liquido o un gas.
• En separaciones gaseosas se utiliza para deshumidificar aire y
otros gases, eliminar olores e impurezas y recuperar vapores
valiosos de disolvente.
• En las fases liquidas se produce la eliminación de la humedad
disuelta en gasolina, eliminación de sabor y olor desagradable
del agua y el fraccionamiento de mezclas de hidrocarburos
aromáticos y parafinicos
• Adsorbato: molécula o átomo que se adsorbe

44. • Tipos de adsorción.- se debe distinguir entre dos tipos de
fenómenos de adsorción:
• Adsorción física o de “Van der Waals”, fenómeno
fácilmente reversible, es el resultado de las fuerzas
intermoleculares de atracción entre las moléculas del
sólido y la sustancia adsorbida.
• Quimisorción, o adsorción activada es el resultado de la
interacción química entre el sólido y la sustancia
adsorbida. La fuerza de adhesión es generalmente mayor
que la observada en la adsorción física. El calor que se
libera es grande (parecido al calor de una reacción) el
proceso es frecuentemente irreversible. Este tipo de
adsorción se utiliza en la catálisis

45. • Naturaleza de los adsorbentes.- los sólidos adsorbentes por lo
general se utilizan en forma granular, varían de tamaño desde
12mm de diámetro hasta 50m.
• Es esencial una gran superficie por unidad de peso para todos
los adsorbentes útiles.
• En adsorción de gases la superficie significativa no es la
superficie total de las partículas granuladas sino la superficie
de los poros internos de las partículas.
• Los principales adsorbentes de uso general son:
• .Tierras de fuller
• .Arcillas activadas
• .Bauxita
• .Alumina

46. • .Carbón de hueso
• .Carbones decolorantes
• .Carbón adsorbente de gases
• .Carbón de malla molecular
• .Adsorbentes poliméricos sintéticos
• .Silica gel
• .Mallas moleculares

47. DESTILACIÓN

48. DESTILACIÓN
• Es la operación más utilizada y consiste en separar 2 o más
componentes de una mezcla líquida aprovechando sus
diferencias en cuanto a la presión de vapor. Si se tiene una
sustancia líquida a una determinada temperatura. Parte de
las moléculas de esta sustancia debido a que no todas
tienen la misma velocidad, rompen la atracción de las
moléculas del líquido y pueden pasar a la fase gaseosa. En
la fase gas no todas las moléculas van a tener la misma
energía. Aquellas moléculas de las fase gaseosa con menor
energía podrán ser atrapadas por el líquido y tendremos
una situación de equilibrio entre el líquido y el gas.

49. • Destilación
• Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus
componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a
continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos
componentes en forma líquida por medio de la
condensación.
• El objetivo principal de la destilación es separar una
mezcla de varios componentes aprovechando sus
distintas volatilidades, o bien separar los materiales
volátiles de los no volátiles.
• La finalidad principal de la destilación es obtener el
componente más volátil en forma pura.