Filtración de flujo cruzado

En ingeniería química , ingeniería bioquímica y purificación de proteínas , la filtración de flujo cruzado ^[1] (también conocida como filtración de flujo tangencial ^[2] ) es un tipo de filtración (una operación unitaria particular ). La filtración de flujo cruzado es diferente de la filtración de extremo muerto en la que la alimentación pasa a través de una membrana o lecho, los sólidos quedan atrapados en el filtro y el filtrado se libera en el otro extremo. La filtración de flujo cruzado recibe su nombre porque la mayoría del flujo de alimentación viaja tangencialmente a través de la superficie del filtro, en lugar de dentro del filtro. ^[1] La principal ventaja de esto es que la torta de filtración (que puede cegar el filtro) se lava sustancialmente durante el proceso de filtración, lo que aumenta el tiempo que una unidad de filtrado puede estar operativa. Puede ser un proceso continuo, a diferencia de la filtración de extremo muerto por lotes.

Este tipo de filtración se suele seleccionar para los alimentos que contienen una gran proporción de sólidos de tamaño de partícula pequeño (donde el permeado es de mayor valor) porque el material sólido puede bloquear rápidamente (cegar) la superficie del filtro con una filtración sin salida. Algunos ejemplos industriales de esto incluyen la extracción de antibióticos solubles de los licores de fermentación .

La principal fuerza impulsora del proceso de filtración de flujo cruzado es la presión transmembrana. La presión transmembrana es una medida de la diferencia de presión entre dos lados de la membrana. Durante el proceso, la presión transmembrana puede disminuir debido a un aumento de la viscosidad del permeado, por lo que la eficiencia de la filtración disminuye y puede llevar mucho tiempo en procesos a gran escala. Esto se puede evitar diluyendo el permeado o aumentando el caudal del sistema.

En la filtración de flujo cruzado, el material de alimentación pasa a través de la membrana filtrante (tangencialmente) a una presión positiva con respecto al lado del permeado. Una proporción del material que es más pequeño que el tamaño de poro de la membrana pasa a través de la membrana como permeado o filtrado ; todo lo demás se retiene en el lado de alimentación de la membrana como retenido.

En la filtración de flujo cruzado, el movimiento tangencial de la mayor parte del fluido a través de la membrana hace que las partículas atrapadas en la superficie del filtro se desprendan. Esto significa que un filtro de flujo cruzado puede funcionar de forma continua con cargas de sólidos relativamente altas sin obstrucciones.

• Se logra una mayor tasa general de eliminación de líquido al prevenir la formación de torta de filtración.
• El alimento para el proceso permanece en forma de una suspensión móvil, adecuada para su posterior procesamiento.
• El contenido de sólidos de la suspensión del producto puede variar en un amplio rango
• Es posible fraccionar partículas por tamaño ^[3]
• Efecto de pinzamiento tubular

La tecnología de filtración por membrana de flujo cruzado se ha utilizado ampliamente en la industria en todo el mundo. Las membranas de filtración pueden ser poliméricas o cerámicas, según la aplicación. Los principios de la filtración por flujo cruzado se utilizan en la ósmosis inversa , la nanofiltración , la ultrafiltración y la microfiltración . A la hora de purificar el agua, puede resultar muy rentable en comparación con los métodos tradicionales de evaporación.

En la purificación de proteínas , se utiliza el término filtración de flujo tangencial (TFF) para describir la filtración de flujo cruzado con membranas. El proceso se puede utilizar en diferentes etapas durante la purificación, según el tipo de membrana seleccionado. ^[2]

En la fotografía de una unidad de filtración industrial (derecha), es posible ver que la tubería de reciclaje es considerablemente más grande que la tubería de alimentación (tubería vertical en el lado derecho) o la tubería de permeado (pequeños colectores cerca de las filas de abrazaderas blancas). Estos tamaños de tubería están directamente relacionados con la proporción de líquido que fluye a través de la unidad. Se utiliza una bomba dedicada para reciclar la alimentación varias veces alrededor de la unidad antes de que el retenido rico en sólidos se transfiera a la siguiente parte del proceso.

En el lavado a contracorriente, la presión transmembrana se invierte periódicamente mediante el uso de una bomba secundaria, de modo que el permeado fluye de regreso a la alimentación, levantando la capa de suciedad de la superficie de la membrana. El lavado a contracorriente no es aplicable a membranas enrolladas en espiral y no es una práctica general en la mayoría de las aplicaciones. (Véase Limpieza en el lugar) ^[4]

Se utiliza una bomba de diafragma para producir un flujo tangencial alterno, lo que ayuda a desalojar las partículas retenidas y evitar la obstrucción de la membrana. Repligen es el mayor productor de sistemas ATF.

Los sistemas de limpieza in situ se utilizan normalmente para eliminar las incrustaciones de las membranas después de un uso prolongado. El proceso CIP puede utilizar detergentes, agentes reactivos como el hipoclorito de sodio y ácidos y álcalis como el ácido cítrico y el hidróxido de sodio (NaOH). El hipoclorito de sodio (lejía) debe eliminarse de la alimentación en algunas plantas de membranas. La lejía oxida las membranas de película fina. La oxidación degradará las membranas hasta un punto en el que ya no funcionarán a los niveles de rechazo nominales y deberán reemplazarse. Se puede agregar lejía a un CIP de hidróxido de sodio durante el arranque inicial del sistema antes de cargar las membranas enrolladas en espiral en la planta para ayudar a desinfectar el sistema. La lejía también se utiliza para CIP de membranas de acero inoxidable perforadas (Graver), ya que su tolerancia al hipoclorito de sodio es mucho mayor que la de una membrana enrollada en espiral. Los cáusticos y los ácidos se utilizan con mayor frecuencia como productos químicos CIP primarios. El cáustico elimina las incrustaciones orgánicas y el ácido elimina los minerales. Las soluciones enzimáticas también se utilizan en algunos sistemas para ayudar a eliminar el material orgánico que se acumula en la planta de membranas. El pH y la temperatura son importantes para un programa CIP. Si el pH y la temperatura son demasiado altos, la membrana se degradará y el rendimiento del fundente se verá afectado. Si el pH y la temperatura son demasiado bajos, el sistema simplemente no se limpiará correctamente. Cada aplicación tiene diferentes requisitos de CIP. Por ejemplo, una planta de ósmosis inversa (OI) para productos lácteos probablemente requerirá un programa CIP más riguroso que una planta de OI para purificación de agua. Cada fabricante de membranas tiene sus propias pautas para los procedimientos CIP para su producto.

El volumen del fluido se reduce al permitir que se produzca el flujo de permeado. El disolvente, los solutos y las partículas más pequeñas que el tamaño de los poros de la membrana pasan a través de la membrana, mientras que las partículas más grandes que el tamaño de los poros quedan retenidas y, por lo tanto, se concentran. En aplicaciones de bioprocesamiento, la concentración puede ir seguida de diafiltración.

Para eliminar eficazmente los componentes permeados de la suspensión, se puede añadir disolvente nuevo a la alimentación para reemplazar el volumen permeado, a la misma velocidad que el caudal de permeado, de modo que el volumen en el sistema permanezca constante. Esto es análogo al lavado de la torta de filtración para eliminar los componentes solubles. ^[4] La dilución y reconcentración a veces también se denomina "diafiltración".

Un método técnicamente más sencillo que el retrolavado consiste en poner a cero la presión transmembrana cerrando temporalmente la salida de permeado, lo que aumenta la atrición de la capa de suciedad sin necesidad de una segunda bomba. El PFD no es tan eficaz como el retrolavado para eliminar las incrustaciones, pero puede resultar ventajoso.

El flujo o caudal en sistemas de filtración de flujo cruzado viene dado por la ecuación: ^[4]

${\displaystyle J={\frac {\Delta P}{(R_{\rm {m}}+R_{\rm {c}})\mu }}}$

En el cual:

• ${\estilo de visualización J}$: fundente líquido
• ${\displaystyle \Delta P}$:presión transmembrana (también debe incluir los efectos de la presión osmótica para las membranas de ósmosis inversa)
• ${\displaystyle R_{\rm {m}}}$: Resistencia de la membrana (relacionada con la porosidad general )
• $Estilo de visualización R_{\rm {c}}}$: Resistencia de la torta (variable; relacionada con el ensuciamiento de la membrana)
• ${\estilo de visualización \mu}$: viscosidad del líquido

Nota: e incluyen la inversa del área de la superficie de la membrana en su derivación; por lo tanto, el flujo aumenta con el aumento del área de la membrana.${\displaystyle R_{\rm {m}}}$$Estilo de visualización R_{\rm {c}}}$

• Filtración sin salida
• Ensuciamiento de membranas

• Terminología de la IUPAC para membranas y procesos de membrana (1996)
• Centro de aprendizaje sobre ultrafiltración
• Manual del método de filtración de flujo cruzado para la purificación de proteínas