bioseparaciones

1. SEPARACIÓN POR
MEMBRANAS

2. 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.

3. 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

4. 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.

5. EJERCICIO. DIFUSIÓN DE MEMBRANA
Y RESISTENCIAS DE LAS PELÍCULAS
LÍQUIDAS
• 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 = 7.0 X 1011 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.
0 = 𝑘𝑐1 =
𝑁𝐴 =
𝑐1 − 𝑐2
1
𝑃𝑀
+
1
𝑘𝑐1

6. • 𝑃𝑀 =
𝐷𝐴𝐵𝐾´
𝑙
• 𝑃𝑀 =
7𝑋0−11∗1.5
3𝑋0−3
𝑁𝐴 =
3𝑋10−2
− 0.5𝑋10−2
1
3.5𝑋10−6 +
1
2.02𝑋10.−5
1) 𝑁𝐴 = ___ = 𝑘𝑐2 𝑐2𝐼 − 𝑐2

7. III. PERMEACIÓN DE UN LÍQUIDO O
DIÁLISIS
• Se emplea una membrana
semipermeable para separar
las especies.
• Los flujos del soluto dependen
del gradiente de
concentraciones en la
membrana_BAJOS FLUJOS
• VS. con procesos de mebrana
(ósmosis inversa y ultrafiltración
(PRESIÓN APLICADA)

8. EJERCICIO
• Calcule el flujo específico y la velocidad de eliminación de la urea en estado estacionario en g/h de la sangre en
un dializador de membrana de cuprofano (celofán) a 37 °C. La membrana mide 0.025 mm de grueso y tiene un
área de 2.0 𝑚2
. El coeficiente de transferencia de masa en el lado de la sangre se calcula como kcl = 1.25
𝑋 10−5
m/s y el del lado acuoso es 3.33 𝑋 10−5
m/s . La permeabilidad de la membrana es de 8.73 𝑋 10−6
m/s
(B2).
• La concentración de urea en la sangre es de 0.02 g urea/100 mL= 2 𝑋 10−4
𝑔/𝑚𝐿*1000*1000= 200 g/ 𝑚3
y la
del fluido dializante se puede considerar como 0.
velocidad de eliminación=NA (1h) (área de 2.0 𝑚2
)= 8.91 𝑋 10−4
3600 (2)=4.41 g urea / 1 hora

9. FILTRACIÓN BASADAS EN
MEMBRANAS

10. OTRA CLASIFICACIÓN
(FILTRACIÓN)
1. Microfiltración
2. Ultrafiltración
3. Nanofiltración
4. Ósmosis Inversa

11. • Permite la concentración diferencial en un
líquido de los componentes de mayor tamaño
que el diámetro del poro de la misma.
• El líquido que atraviesa la membrana se
denomina microfiltrado o permeado que
contiene a los componentes de menor
tamaño que el diámetro de poro de la
membrana y la corriente que se no atraviesa la
membrana se denomina retenido o
concentrado que contiene la misma cantidad
de partículas sólidas que la corriente entrante.

12. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL
DIÁMETRO DE PORO Y APLICACIONES DE
LA SEPARACIÓN POR MEMBRANAS

13. TIPOS DE MEMBRANAS Y PERMEABILIDADES PARA LA SEPARACIÓN DE
GASES
1.Tipos de membranas simétricas de fase densa
2. Tipos de membanas asimétricas.
3. Permeabilidad de membranas

14. TIPO DE MEMBRANAS
1. Acetato de celulosa: muy utilizada en la desalinización. Los solutos que la
membrana de acetato de celulosa excluye más eficientemente son las sales
NaCl, NaBr, CaCl2 y Na2SO4; sacarosa y sales de amonio tetralquílicas. Las
limitaciones principales de la membrana de acetato de celulosa son que
prácticamente sólo se puede usar en soluciones acuosas y que se debe usar a
menos de unos 60 ºC.
1. Poliamida: agua de mar, aguas de desecho, soluciones de enjuague de
electrodeposición de níquel y otros solutos. Soporta una operación continua a pH
de 10 a 11.

15. TIPOS DE EQUIPO PARA LOS
PROCESOS CON MEMBRANA PARA
PERMEACIÓN DE GASES
• MEMBRANAS PLANAS. Las membranas planas se usan principalmente de forma
experimental para caracterizar la permeabilidad de la membrana. Los módulos son
fáciles de fabricar y usar y las áreas de las membranas están bien definidas. En
algunos casos los módulos se apilan juntos como una multicapa o como un filtro
prensa de plato y marco. El principal inconveniente de este tipo de membrana es
que el área de membrana por volumen separador unitario es muy pequeña. Se
usan pequeñas membranas planas comerciales para producir aire enriquecido con
oxígeno para aplicaciones médicas individuales.

16. MEMBRANA DE ESPIRAL
• Consisten en dos capas de membrana situadas en un tejido colector de
permeados. Esta funda de membrana envuelve a un desagüe de permeados
situado en posición central.
• Esto hace que la densidad de embalaje de las membranas sea mayor. El canal de
entrada del agua se sitúa a una altura moderada, para prevenir la obstrucción de
la unidad de membrana.
• Las membranas de espiral son usadas solamente para aplicaciones de
nanofiltración y ósmosis inversa (RO).

17. El ensamble es una superposición de cuatro hojas envueltas alrededor de un centro formado por un tubo
colector perforado. Las cuatro hojas constan de una hoja superior que es una rejilla separadora abierta para el
canal de alimentación, una membrana, un refuerzo de fieltro poroso para el canal de la sustancia permeada y
otra membrana, como se muestra en la figura

18. MEMBRANA TUBULAR
• Están situadas dentro de un tubo, hechas de un tipo especial de material. Este
material es la capa que sostiene a la membrana.
• Debido a que las membranas tubulares se localizan dentro de un tubo, el flujo en
una membrana tubular es generalmente añ revés. La causa principal de esto es
que la unión de la membrana a la capa que la sostiene es muy débil.
• Las membranas tubulares tienen un diámetro de 5 a 15 mm.
• Debido al tamaño de la superficie de la membrana, no es probable que las
membranas tubulares se obstruyan. Un inconveniente de las membranas tubulares
es que la densidad del empaquetamiento es baja, lo que resulta en un mayor
precio por módulo.

20. PARÁMETROS DE OPERACIÓN
• Presión de operación: al aumentar la presión,
disminuye la permeabilidad.
• Temperatura de operación: al incrementarse
la temperatura se favorece la separación.
• Velocidad de flujo de alimentación: mejora la
permeabilidad, se favorece la separación.
• Concentración de la solución: aumenta la
presión osmótica y la viscosidad.
• pH: para membranas de acetato de celulosa
va de 4 a 7.5 y para las de poliamida es de 2
a 11.
LO CUAL VA A DEPENDER DE LAS
CARACTERÍSTICAS FQ. DE LA SOLUCIÓN A
SEPARAR

21. PRETRATAMIENTO DE ÓSMOSIS
INVERSA (ACONDICIONAMIENTO DE
AGUA)
MEMBRANAS FILTRACION
INTERCAMBIO
IONICO
DOSIFICACION
QUIMICA
OTROS
Microfiltración
(MF)
Ultrafiltración
(UF)
Camas
Múltiples
Cartuchos
Arenas verdes
Carbón
activado
Intercambio
Iónico
Suavización
Camas
separadas
Camas
mezcladas
Anti-incrustante
Dispersante
Suavización
con Cal
Ajuste de pH
Cloración/Decl
oración
Intercambio de
calor
Desgasificador
es
UV

22. IV. ÓSMOSIS INVERSA.
• Entre la solución de soluto y disolvente y un disolvente puro se coloca una
membrana que impide el paso del soluto de bajo peso molecular. El disolvente se
difunde hacia la solución por ósmosis.
• En la ósmosis inversa se impone una diferencia de presión inversa que ocasiona que
el flujo del disolvente se invierta como en la desalinización del agua de mar.
• Este proceso también se usa para separar otros solutos de bajo peso molecular,
como sales, azucares y ácidos simples de un disolvente (generalmente agua).

23. ÓSMOSIS
• En la ósmosis ocurre un transporte espontáneo de disolvente
desde un soluto diluido o solución salina hacia un soluto
concentrado o solución salina, a través de una membrana
semipermeable que permite el paso del disolvente pero
impide el paso de los solutos salinos.
La diferencia de
altura se
conoce como
PRESIÓN
OSMÓTICA

24. ÓSMOSIS INVERSA
• Una aplicación importante comercial es la desalinización del agua de mar o agua
salobre para producir agua potable.
• A diferencia de los procesos de destilación y congelamiento utilizados para eliminar
disolventes, la ósmosis inversa se efectúa a temperatura ambiente sin cambiar de
fase.
• Este proceso es sumamente útil para el procesamiento de productos térmica y
químicamente inestables.
• Entre las aplicaciones se encuentran la concentración de jugos de frutas y leche, la
recuperación de proteínas y azúcar del suero del queso y la concentración de
enzimas.

25. PRESIÓN OSMÓTICA DE
SOLUCIONES
• Los datos experimentales muestran que la presión osmótica ¶ de una solución es proporcional a la concentración
del soluto y a la temperatura T. Van't Hoff demostró originalmente que la relación es semejante a la de la presión
de un gas ideal. Por ejemplo, en soluciones de agua diluidas,
Si un soluto existe como dos o más iones en solución, n representa el número total de iones. Para soluciones
más concentradas, la ecuación se modifica usando el coeficiente osmótico ɸ. que es la relación entre
la presión osmótica real ¶ y la ¶ ideal calculado a partir de la ecuación. Para soluciones muy diluidas, ¶ tiene
un valor de unidad y generalmente disminuye conforme la concentración aumenta.

26. PRESIÓN OSMÓTICA PARA VARIAS SOLUCIONES ACUOSAS A 25 °C

27. EJERCICIO. CALCULE LA PRESIÓN OSMÓTICA DE UNA
SOLUCIÓN QUE CONTIENE 0.10 g mol NaCl/1 000 g H2O A 25°C.
• n= NaCl=+, -=2 X0.10 g mol = @KG
• n=2x10−4
• Vm= m/ρ=1000 g/.997 g/mL =m3
• ¶=4.93 atm

28. V. PROCESOS DE MEMBRANA DE
ULTRAFILTRACIÓN
• En este proceso se utiliza la presión para lograr una separación de moléculas
mediante una membrana polimérica semipermeable.
• La membrana distingue los diferentes tamaños moleculares, formas o estructuras
químicas y separa los solutos de peso molecular relativamente alto, como
proteínas, polímeros, materiales coloidales como minerales, etc.
• La presión osmótica suele ser despreciable debido a los altos pesos moleculares.

29. VI. CROMATOGRAFÍA POR
PERMEACIÓN EN GEL
• El gel poroso retarda la
difusión de los solutos de
alto peso molecular. La
fuerza impulsora es la
concentración. Este
proceso es sumamente
útil para analizar
soluciones químicas
complejas y purificar
componentes muy
especializados o
valiosos.

30. CLASIFICACIÓN DE MEMBRANAS
(UF)
1. De placa y marco.
2. Tubulares.