miércoles, 1 de abril de 2015

Introducción

La separación esta fundamentada en el empleo de membranas, las cuales son un elemento discriminante para llevar a cabo la separación entre partículas, coloides, macromoléculas, moléculas de bajo peso molecular y solvente. Los procesos basados en membranas parten de mezclas líquidas de diferentes componentes que se desean separar. Así, el principio básico operativo consiste en el flujo tangencial (a presión) de la alimentación sobre la superficie de la membrana. (Orozco,2006)

En general la membrana debe de reunir algunas características  importantes:
*Una alta permeabilidad hidráulica
*Un peso molecular de corte preciso
*Buena resistencia mecánica, química y térmica.
*Baja tendencia a incrustamiento
*Facilidad de limpieza
*Capacidad de esterilización
*Larga vida activa.
(Tejeda, 1995)

El  término microfiltración (MF) generalmente se emplea para partículas de un rango de tamaño entre 0.5 a 10 µm(McCabe, 2007).

La ultrafiltración (UF) cubre rangos más amplios de tamaño de partículas, desde 0.5 µm hasta moléculas con tamaño de 10-3µm(McCabe, 2007).


La ultrafiltración se usa ampliamente en el procesamiento de alimentos y en la industria farmacéutica para separar y concentrar soluciones de proteínas o drogas. También se usa para recuperar químicos en las industrias textil y papelera, además del tratamiento de residuos y la purificación del agua (Tejeda, 1995).



Metodología





Diagrama de flujo


Cuadro de balance

Corrientes del proceso  (g)
Componente
1

2

3

4

Sólidos de leche (proteínas)
2.5
2.5
300
197.5
Agua
497.5
497.5
0
2.5



RESULTADOS

Figura 1. Comportamiento del flux en función de la PTM.

Figura 2. Comportamiento de la concentración en función del tiempo de proceso.

Figura 3. Comportamiento del flux respecto a la concentración.

Tabla 1. Resultados de UF de una solución de suero 0.5%
Factor de concentración
2.5
Coeficiente de retención
0.999



ANÁLISIS DE RESULTADOS

El la Figura 1 se observa que la solución de suero de leche al 0.5% tiene una pendiente de flux menor que el del agua, tal y como se esperaba, pues la solución favorece al ensuciamiento de la membrana mejor conocido como polarización . La razón por las que se de esta polarización tiene que ver con el tamaño de partículas, las partículas de soluto de suero de leche tienen un radio molecular mayor que las del agua. Como ejemplo, las partículas más pequeñas que contiene el suero de leche (compuesto por proteínas, lactosa, ácidos grasos, minerales, calcio, fósforo, ácido láctico y materia seca) es calcio, que tiene un radio atómico de 1.95 Å es mayor que el radio atómico del agua de 1.93 Å. Además el radio de las proteínas es mucho mayor que el del agua, por ejemplo, la caseína tiene un radio de 1,300 Å, unas 700 veces superior al del agua. El coeficiente de retención es cercano a 1, tiene un valor de 0.999 lo que representa que casi todas las partículas fueron retenidas y que el rechazo fue muy bajo (1 E-03) pues sólo se recuperaron 0.005 g.

Podría parecer que en la figura 1 no se alcanza la región II, sino que se mantienen ambas, el agua y la solución, en región I. Sin embargo, se puede notar que a partir de la presión de 1 kg/cm2  la pendiente de la solución comienza disminuir, por lo que de la figura 1 se puede concluir que el flux de la solución respecto al flux de agua es menor debido a que la membrana se va ensuciando por las partículas que retiene, las proteínas tiende a formar geles aún a bajas concentraciones, y que después de 1 kg/cm2  de presión la solución tiende a entrar a región II donde el fulx es controlado por la transferencia de masa.
 Según la Figura 2, la concentración del retenido va aumentando respecto al tiempo, esto es de esperarse pues el permeado sale con poco contenido de solutos, por lo que conforme pasa el tiempo se va eliminando disolvente de la solución recirculada mientras que el soluto se mantiene aproximadamente constante, por lo que la concentración deberá aumentar. Al inicio tenemos un volumen de la solución a concentrar (Vo) y una concentración inicial (0.5%); con el paso del tiempo el volumen disminuirá debido a la salida de volumen filtrado y eso provoca la concentración del soluto retenido.  Lo concentración que se logra es de 2.5 veces más comparada con la solución alimentada.

De acuerdo a la Figura 3, el flux va disminuyendo conforme se aumenta la concentración de la solución, esto se debe a la polarización de la membrana. La polarización de membrana es la acumulación del soluto rechazado en la superficie de la membrana, ocasionando que la concentración del soluto en la superficie sea mayor que en el seno de la solución de alimentación, por lo que se disminuye la velocidad de transferencia. La polarización de membrana se puede deber a tres factores, aumento del flujo de soluto a través de la membrana, disminución del flujo de agua por incremento de la presión osmótica y bloqueo de los poros de membrana por el soluto. Dado que el flujo se mantuvo constante y la presión osmótica no tiene gran efecto en UF, se tiene que la polarización de la membrana se debió al bloqueo de los poros de la membrana por el soluto.

En UF la presión osmótica no tiene un efecto determinante pues el tamaño de las partículas es enorme y de acuerdo con la ecuación p=(nRT/V) dónde n es el número de moles, que es menor a igual masa si el peso molecular es mayor. Éste efecto es muy importante en ósmosis inversa, donde el peso molecular del soluto está en el orden de las decenas.

A mayor concentración de soluto deberá decrecer la pendiente de la Figura 1 ya discutida, mientras que a menor concentración la pendiente deberá aumentar, y cuando la concentración sea de cero, ambas líneas, las del agua pura y la solución, deberán ser similares por lo que se tiene agua pura a una concentración de cero. Además, esto indica que cuando la concentración sea cero, el flux no será infinito como indica la tendencia, sino que cortará el eje de la ordenada en el punto donde se tenga agua líquida pura; mientras que cuando la concentración sea infinita, el flux sí se acercará a cero.


CONCLUSIONES

*      Se observó polarización de membrana con una solución de suero de leche al 0.5%.
*      La mayoría de partículas de la solución problema no atraviesan la membrana con tanta facilidad como el agua, por lo que
*      el proceso de UF es adecuado para obtener permeado libre de proteínas de la leche.
*      La polarización observada se observó al bloqueo de los poros de la membrana por el soluto.
*      El flux tiende a disminuir conforme aumenta la concentración de soluto en el retenido.
*      El proceso de UF es adecuado para concentrar hasta 2.5 veces la solución alimentada.

Recomendaciones
ü  Evaluar  la concentración de otras sustancias.
ü  Evaluar la influencia de la temperatura en la operación.
ü  Cambiar la concentración de la solución inicial y determinar como influye en el proceso.


BIBLIOGRAFÍA

-Baker, R. (2004). Membrane Technology and Applications (2a ed.). California: John Wiley & Sons. ISBN: 0-470-85445-6
-Geankoplis, C. (2003). Transport Processes and Separation Process Principles (4a ed.). E.U.A.: Edit. Prentice Hall
-Henley, E. J. y Seader, J. D. (1990). Operaciones de separación por etapas de equilibrio en ingeniería química (1ª ed.). España: Editorial Reverté. IBSN: 94-291-7908-6
-Martínez, P. (2004). Operaciones de Separación en Ingeniería Química. Métodos de Cálculo (1ª ed.). Madrid, España: Pearson Educación
-Noble, R. D. y Stern, S. A. (1995). Membrane Separations Technology. Principles and Applications (1a ed.). The Netherlands, Inglaterra: Elsevier Science. ISBN: 0-444-81633-X
-Orozco, C. (2006). Apuntes: Bioseparaciones por proceso de membranas. Instituto Politécnico Nacional. México . Pp. 1-31


ANEXO
MEMORIA DE CALCULOS

Balance de materia

Diagrama de bloques:


Aplicando  el balance para el componente de los sólidos de leche:

Multiplicando por la cantidad inicial:
 Por diferencia  de fracciones se calcula   la cantidad presente de sólidos  (proteínas de leche):



Volumen (ml)
Absorbancia 1:50
Concentración 1:50
Concentración Real (g/L)
0
0.186
0.011265401
0.563270029
50
0.161
0.009563678
0.478183922
100
0.169
0.01010823
0.505411476
150
0.256
0.016030223
0.801511129
200
0.273
0.017187394
0.859369682
250
0.363
0.023313593
1.165679668
300
0.56
0.036723164
1.836158192
150 (Retenido)
0.625
0.041147641
2.057382071

Calculo de la Presión Transmembranal (PTM)
La presión transmembranal es la suma del promedio de las presiones de salida y entrada al modulo de filtración menos la presión del permeado (en este caso al estar expuesto a la atmosfera tiene el valor de cero)


Para el segundo tiempo la PTM es de:
ΔPTM = [(1.2+0.5)/2] -0 

ΔPTM = 0.85  kg/ cm2


Cálculo del Flux
J =Qp/A

Donde:
J= flux a través de la membrana (flux de filtrado o permeado), m/s
Qp= caudal del permeado, m3/s
A=área efectiva total de la membrana, m2

El área efectiva de la membrana utilizada es de 420 cm2 = 0.042 m2
Por lo que para el primer dato el flux:

J = (1.7763 E -07) / 0.042 
J = 4.2293 E -06  m/s
  

AGUA
SOLUCIÓN
CORRIDA 1
CORRIDA 2
Promedio
Flux
CORRIDA 1
CORRIDA 2
Promedio
Flux
PTM (kg/cm2)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
(m/s)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
(m/s)
0
1.46757E-07
2.08507E-07
1.77632E-07
4.22933E-06
1.57233E-07
7.14286E-08
1.14331E-07
2.72216E-06
0.85
7.37463E-07
1.07991E-06
9.08688E-07
2.16354E-05
4.50857E-07
4.50045E-07
4.50451E-07
1.0725E-05
1.375
1.20482E-06
1.23153E-06
1.21817E-06
2.90041E-05
5.96659E-07
5.51268E-07
5.73963E-07
1.36658E-05
1.475
1.4245E-06
1.50602E-06
1.46526E-06
3.48872E-05
5.50661E-07
5.88235E-07
5.69448E-07
1.35583E-05
1.7
1.5015E-06
1.71821E-06
1.60986E-06
3.83299E-05
7.63359E-07
5.96659E-07
6.80009E-07
1.61907E-05

Factor de concentración

FC = 500 / 200 =2.5
Coeficiente de retención
r = 1 – (Cp /Cf)
r = 1 – ( 0.005 / 5 ) g/L
r = 0.999



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