bioseparaciones

1. SEPARACIÓN POR
MEMBRANAS

2. MEMBRANA SEMIPERMEABLE
• Membrana: estructura con dimensiones laterales mucho mayores que su espesor, a
través de la cual la transferencia de masa puede ocurrir debido a fuerzas
directoras.
• Membrana Semipermeable: membrana que permite que el transporte de especies
moleculares diferentes ocurra a distintas velocidades.

3. OPERACIÓN UNITARIA
• Funcionamiento de membrana_ barrera semipermeable
• Proceso de separación_ la membrana controla la cantidad de movimiento de
varias moléculas entre 2 fases liquidas y 2 gaseosas. Las dos fases fluidas suelen ser
miscibles y la barrera de la membrana impide el flujo hidrodinámico normal.
Ciertas sustancias pueden
atravesar la membrana
mientras que otras quedan
atrapadas en ella.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS
PROCESOS POR MEMBRANAS

5. SEPARACIÓN DE MEZCLAS
GASEOSAS
Separación de
gases
En un sólido
poroso
(membrana
porosa)
No porosas
PARA MEZCLAS LÍQUIDAS
Extracción líquido-líquido
Ósmosis inversa
Permeación de un líquido
(diálisis)

6. I. DIFUSIÓN DE GAS EN UN SÓLIDO
POROSO
• Una fase gaseosa está presente en ambos lados de la membrana, que es
un sólido microporoso.
• Las velocidades de difusión molecular de las numerosas moléculas de gas
dependen del tamaño de los poros y de los pesos moleculares.

7. I. DIFUSIÓN DE GAS EN UN SÓLIDO
POROSO
• Cuando se permite difundir una mezcla gaseosa a través de una membrana porosa a una
región de presión más baja, el gas permeable a la membrana es enriquecido en los
componentes de peso molecular más bajo, debido a que éstos se difunden más rápido.
• Cuando los poros son más pequeños que la trayectoria libre media en la fase gaseosa (de
aproximadamente 1 000 Å en condiciones estándar), los gases se difunden de modo
independiente por difusión de Knudsen, y la difusividad en el poro es proporcional al tamaño
del poro y la velocidad molecular promedio, que varía inversamente con la raíz cuadrada del
peso molecular M. Para la difusión de Knudsen del gas A en los poros cilíndricos
R es el radio medio del poro en centímetros, T es la temperatura
absoluta en grados kelvin,

8. I. DIFUSIÓN DE GAS EN UN SÓLIDO
POROSO
• El flux de cada gas es proporcional al gradiente de concentración, que es lineal si la estructura
de la membrana es uniforme y los gases no interactúan. En general el gradiente se expresa
como un gradiente de presión parcial, y para los gases ideales se supone lo siguiente:
La composición del permeado (o penetrado) depende de los flujos de todas las
especies.
Para un sistema binario, la fracción molar de A en el permeado es

9. EJERCICIO. PARTIENDO DE L ESQUEMA
DE LAS CONCENTRACIONES
• A través de una membrana de neopreno vulcanizado de 0.5 mm de espesor, se difunde
hidrógeno gaseoso a 17 °C y 0.010 atm de presión parcial. La presión del H2 al otro lado de
la membrana es cero. Calcúlese el flujo específIco de estado estacionario, suponiendo que
la única resistencia a la difusión es la membrana. La solubilidad S del H2 gaseoso en el
neopreno a 17 °C es 0.051 m3 (a TPE de 0 °C y 1 atm)/m3 sólido· atm"y la difusividad DCA es
1.03 x 10-10 m2/s, a 17 °C.

10. II. PERMEACIÓN DE GAS A TRAVÉS DE
UNA MEMBRANA.
• La membrana generalmente es un polímero (caucho, poliamida u otro) y no es
un sólido poroso.
• El gas soluto primero se disuelve en la membrana y luego se difunde en el sólido hacia la
otra fase gaseosa.
• Algunos ejemplos son la difusión de hidrógeno a través de caucho y el helio que se
separa de gas natural por permeación a través de un polímero de fluorocarbono.
• La separación de una mezcla gaseosa ocurre porque cada tipo de molécula se
difunde a una rapidez diferente a través de la membrana.

11. II. PERMEACIÓN DE GAS A TRAVÉS DE
UNA MEMBRANA.
El gas disuelto en el polímero en
el lado de alta presión de las
membranas, se difunde a través
de la fase del polímero y se
desorbe o evapora en el lado
de baja presión. La velocidad de
la transferencia de masa
depende del gradiente de
concentración en la membrana,
que es proporcional al gradiente
de presión parcial a lo largo de
la membrana si la solubilidad es
proporcional a la presión.

12. DIFUSIVIDADES, SOLUBILIDADES Y PERMEABILIDADES EXPERIMENTALES. LA
PREDICCIÓN EXACTA DE LAS DIFUSIVIDADES EN SÓLIDOS ES PRÁCTICAMENTE
IMPOSIBLE DEBIDO A UN CONOCIMIENTO INCOMPLETO DE LA TEORÍA DEL
ESTADO SÓLIDO. POR CONSIGUIENTE, LOS VALORES EXPERIMENTALES SON
INDISPENSABLES

14. EJERCICIO
• Se tiene a prueba una película de polietileno de 0.00015 m (0.15 mm) de espesor para empacar un producto
farmacéutico a 30 °C. Si la presión parcial del O2 en el exterior es 0.21 atm y en el interior es 0.01 atm, calcule el
flujo de difusión del O2 en estado estable. Use datos de permeabilidad de la tabla anterior. Suponga que las
resistencias a la difusión en el exterior y en el interior de la película son despreciables en comparación con la
resistencia de la propia película.

15. III. PERMEACIÓN DE UN LÍQUIDO O
DIÁLISIS
• Los solutos pequeños de una fase líquida se difunden fácilmente
debido a las diferencias de concentración a través de una
membrana porosa hacia la segunda fase líquida (o fase
gaseosa).
• El paso de las moléculas grandes a través de la membrana es
más difícil. Los solutos de elevado peso molecular son
principalmente retenidos en la solución de alimentación, debido
a que su difusividad es menor y su difusión en los poros pequeños
se dificulta cuando las moléculas son casi tan grandes como los
poros-
• Este proceso de membrana se ha aplicado en separaciones de
procesos químicos como en la separación del H2SO4 de los
sulfatos de níquel y cobre en solución acuosa, en el
procesamiento de alimentos y en los riñones artificiales.
• En la electrodiálisis, la separación de iones ocurre al imponer una
diferencia de fem (fuerza electromotriz) a través de la membrana.

16. III. PERMEACIÓN DE UN LÍQUIDO O
DIÁLISIS
El coeficiente de distribución de
equilibrio
Las ecuaciones de flujo específico a
través de cada fase son todas iguales
entre sí en estado estacionario
y son como sigue

17. ECUACIÓN DE PERMEABILIDAD
DEL SÓLIDO
En lugar de determinar DAB y K' en dos experimentos separados, es más conveniente
determinar PM en un experimento de difusión independiente.

18. EJERCICIO
• Un líquido que contiene el soluto A diluido a concentración c1 = 3 X 10-2 kg mol/m3 está fluyendo
rápidamente1a través de una membrana cuyo grosor es L = 3.0 X 10-5 m. El coeficiente de distribución K' = 1.5
Y DAB = 7.0X 10-11 m2/s en la membrana. El soluto se difunde a través de la membrana y su concentración en
el otro lado1es c2 = 0.50 X 10-2 kg mol/m3 . El coeficiente de transferencia de masa kc1 es grande y se puede
considerar como infinito, mientras que kc2 = 2.02 X 10-5 m/s.
• a) Deduzca la ecuación para calcular el flujo específico NA en estado estacionario y haga un perfil de
concentraciones.
• b) Calcule el flujo específico y las concentraciones en las interfaces de la membrana.