a 01 recuperación productos

Biotecnología 2015 Monografía: Recuperación de productos Unidad 15

BIOTECNOLOGÍA

Monografía: Recuperación de productos.

Alumnos: Abdul, Manzur Montivero, Victor Olmedo, Gisela Soria, Andrés

Índice de contenidos

1


1- Introducción…………………………………………………………………………3

2- Unidades de operación en la recuperación de producto………………………3

3-Floculación y flotación……………………………………………………………..4

4-Sistemas de filtros………………………………………………………………….6

5- Centrifugación……………………………………………………………………..10

6-Desintegración de los microorganismos………………………………………..12

7- Cromatografía…………………………………………………………………….27

8-Cristalización y precipitación……………………………………………………..35

9-Desecación………………………………………………………………………… 47

10- Rendimiento………………………………………………………………………50

2


Recuperación de productos

Introducción

Uno de los aspectos más críticos de un proceso de fermentación industrial es la recuperación y purificación del producto. La selección de las etapas apropiadas de purificación depende de la naturaleza del producto final, su concentración, los productos laterales presentes, la estabilidad del material biológico y el grado de purificación necesario.

Hay q distinguir los conceptos de purificación y concentración en cuanto a recuperación de producto. Una etapa de recuperación cambia la pureza o la concentración de un metabolito. En el proceso ideal de recuperación se optimizan ambos parámetros. En los primeros tiempos de la microbiología industrial las técnicas utilizadas en la recuperación de productos (por ej.: extracción, destilación, diálisis, cristalización, etc.) se tomaron de la ingeniera química para adaptarlas a los materiales biológicos, que fueron perfeccionándose gradualmente. El bio-reactor dejo de ser considerado en forma aislada del equipo utilizado en purificación. Actualmente el bio-reactor y las técnicas de purificación están considerados un sistema integrado, donde todos los componentes deben estar optimizados.

Unidades de operación de recuperación del producto

El propio microorganismo puede ser el producto final deseado, como ejemplo el proceso ICI-Pruteen para la producción de biomasa como proteína de origen unicelular (SCP). En este caso si las células son calentadas se agregan en grandes partículas que pueden ser fácilmente separadas del medio de fermentación por sedimentación. Sin embargo, en la mayor parte de los procesos a gran escala el producto deseado es un metabolito que está presente intra o

3


extracelularmente. Ejemplos de metabolitos intracelulares incluyen los ácidos nucleicos, las vitaminas, las enzimas y ciertos antibióticos, como la sisomicina o la griseofulvina. Ejemplos de metabolitos extracelulares incluyen a los aminoácidos, el acido cítrico, el alcohol, algunas enzimas (amilasas y proteasas) y la mayor parte de los antibióticos. En pocos casos hay metabolitos tanto en células como en filtrado de cultivo. La primera etapa de recuperación del producto es la separación de la biomasa celular y los ingredientes insolubles del sobrenadante. Para este propósitos existen varios métodos, que incluyen la floculación, flotación, filtración o centrifugación. Si va a ser aislado un metabolito intracelular debe ser liberado antes de las células.

Una vez el metabolito ha sido separado de las células la selección de etapas adicionales de purificación dependerá del producto deseado. Las últimas etapas den la recuperación del proceso implican precipitación, cristalización y/o desecación.

Metabolitos Rendimiento ( g/L)Vitamina B12 0.06Riboflavina 0.1 - 7Antibióticos 0.2 - 60Aminoácidos 2 - 100

Floculación y flotación

La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería.

Las células aisladas en el rango de tamaño de 1 a 10 µm sedimentan solo muy lentamente y son difíciles de precipitar incluso con la centrifuga. En algunos casos (producción de SCP= puede utilizarse la floculación para producir grandes agregados que

4

http://es.wikipedia.org/wiki/Aguas_servidas

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_potable

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_(hidr%C3%A1ulica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Decantaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Coloide

http://es.wikipedia.org/wiki/Floculante

http://es.wikipedia.org/wiki/Transici%C3%B3n_de_fase


sedimentan mucho más rápidamente. En la mayor pates de los casos se añade un agente floculante como una sal inorgánica, un polielectrolito orgánico o un hidrocoloide mineral. Dependiendo del agente utilizado el proceso de floculación puede ser reversible o irreversible. El proceso de floculación esta también influido por la naturaleza de las células y los constituyentes iónicos y por su concentración.

El proceso reverso a la floculación es la flotación que es más fácil de conseguir introduciendo gas en el liquido. Las células se absorben a las burbujas del gas y suben a la capa de espuma en la parte superior del recipiente donde pueden ser recogidas y sacadas del biorreactor.

La flotación es un proceso fisicoquímico de tres fases (sólido-líquido-gaseoso) que tiene por objetivo la separación de especies minerales mediante la adhesión selectiva de partículas minerales a burbujas de aire. En química, es una mezcla homogénea a nivel molecular o iónico de dos o más especies químicas que no reaccionan entre sí, cuyos componentes se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites.

Toda disolución está formada por un soluto y un medio dispersante denominado disolvente o solvente. El disolvente es la sustancia que está presente en el mismo estado de agregación que la disolución misma; si ambos (soluto y disolvente) se encuentran en el mismo estado, el disolvente es la sustancia que existe en mayor cantidad que el soluto en la disolución; en caso que haya igual cantidad de ambos (como un 50% de etanol y 50% de agua), la sustancia que es más frecuentemente utilizada como disolvente es la que se designa como tal (en este caso, el agua). Una disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más disolventes. Una disolución será una mezcla en la misma proporción en cualquier cantidad que tomemos (por pequeña que sea la gota), y no se podrán separar por centrifugación ni filtración.

Un buen ejemplo podría ser un sólido disuelto en un líquido, como la sal o el azúcar disuelto en agua (o incluso el oro en mercurio,

5

http://es.wikipedia.org/wiki/Disolvente

http://es.wikipedia.org/wiki/Soluto

http://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Especie_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Mezcla_homog%C3%A9nea

http://es.wikipedia.org/wiki/Burbuja

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Adhesi%C3%B3n_selectiva&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Fase_(termodin%C3%A1mica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Fisicoqu%C3%ADmica


formando una amalgama). Esto nos lleva al importante concepto llamado flotación, que se trata con el principio de Arquímedes.

Cuando un cuerpo se sumerge total o parcialmente en un fluido, una cierta porción del fluido es desplazado. Teniendo en cuenta la presión que el fluido ejerce sobre el cuerpo, se infiere que el efecto neto de las fuerzas de presión es una fuerza resultante apuntando verticalmente hacia arriba, la cual tiende, en forma parcial, a neutralizar la fuerza de gravedad, también vertical, pero apuntando hacia abajo. La fuerza ascendente se llama fuerza de empuje o fuerza de flotación y puede demostrarse que su magnitud es exactamente igual al peso del fluido desplazado. Por tanto, si el peso de un cuerpo es menor que el del fluido que desplaza al sumergirse, el cuerpo debe flotar en el fluido y hundirse si es más pesado que el mismo volumen del líquido donde está sumergido. El principio de Arquímedes es un enunciado de esta conclusión, del todo comprobada, que dice que todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido, está sometido a una fuerza igual al peso del fluido desalojado.

Este principio explica el funcionamiento de un tipo de hidrómetro empleado universalmente en los talleres para determinar el peso específico del líquido de las baterías de los automóviles. Un flotador se hunde o no hasta cierta señal, dependiendo del peso específico de la solución en la que flota. Así, el grado de carga eléctrica de la batería puede determinarse, pues depende del peso específico de la solución.

Sistemas de filtros

Lo más frecuente es que la 1ra etapa en el proceso de recuperación la separacion de la biomasa y filtrado del cultivo, se llevan acabo por algun tipo de proceso de filtracion. Los 2 principales tipos de filtros, son denominados filtros profundos y filtros absolutos. Un filtro profundo se construye a partir de una matriz filamentosa, como la lana de vidrio, papel de filtro asbesto, llevándose acabo el proceso de filtración debido a que las partículas que han de ser removidas quedan atrapadas dentro de la matriz. Las partículas que van a ser filtradas son mas pequeñas que los poros de filtros pero a pesar de ello son separadas a medida que pasan atreves de los intersticios retorcidos del filtro. Los filtros absolutos son membranas en las que el tamaño de los poros es más pequeño que las partículas que van a ser filtradas.

6

http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Arqu%C3%ADmedes


Las partículas son separadas sobre la superficie de los filtros. Los hongos filamentosos se filtran más frecuentemente a través de filtros profundos como paño, aveces en presencia de una ayuda filtrante. Por su parte, los cultivos bacterianos deben ser filtrados con filtros absolutos. En cualquier caso la eficiencia de la filtración está influenciada por numerosos factores, como el tamaño de los microorganismos, su morfología, el pH, viscosidad, presencia de capas mucosas, temperatura y presencia de otros organismos como posibles contaminantes. A medida que el material celular se amontona sobre el filtro se forma una capa que reduce la velocidad de filtración.En los procesos clásicos de purificación utilizados en la industria de antibióticos, la biomasa se separa del filtrado del cultivo sobre un filtro de tambor rotatorio a vacío. En la parte exterior del aparato se enrolla un paño o un cordel y el vacío se produce desde el interior del tambor para aumentar la eficiencia del proceso de filtración, se utiliza una ayuda filtrante, como la tierra de diatomeas. Una cuchilla automática raspa el filtro la biomasa junto con una fina capa del material de ayuda de filtración, para mantener la eficiencia. La ayuda filtrante se lava cuando gira el tambor. Los filtros de tambor a vacío se utilizan para suspensiones de alta concentración de sólidos, también se utiliza el filtro de prensa, tiene placas porosas planas que se utilizan como soporte para un filtro, sea de tela o una membrana. El volumen de la cámara determina la capacidad de biomasa de este tipo de filtro.Los filtros de membrana separan bacterias unicelulares. El proceso de filtración depende del tamaño de los poros y del tamaño de las partículas, la obstrucción de los filtros es un problema. El filtro estático y el de contracorriente son dos tipos de procesos de filtración por membranas. Con el método contracorriente se obtiene una filtración con una velocidad 100 veces mayor que con la filtración estática.

Antibiótico Organismos Vel de Filtración (l/h)

Penicilina G P. chrysogenum 130-70Kanamicina S. kanamyceticus 8I incomicina S. lincolnensis 35Neomicina S. fradiae 12

7


Esquema de un Filtro rotatorio de vacío

Esquema de un Filtro prensa

8


Esquema de un Filtro Cassete

Dependiendo del tamaño de las partículas que sean filtrado, hay 3 tipos de filtración: osmosis reserva, ultra filtración y micro filtración. Las posibilidades de ultra filtración y el de osmosis se dan generalmente en términos del peso molecular nominal de las substancias separadas (peso molecular del tamaño de corte). La osmosis reserva implica generalmente a sustancias de pesos moleculares menos de 1000, la ultrafiltracion a substancia de pesos moleculares mayores a 1000.El proceso de microfiltracion es la separación de células. Se utiliza membranas de esteres de celulosa, polivinilfluoruros, y celulosos entre otras. Las membranas se preparan en forma de cassete como módulos en espiral, como manojos de tubos de 1/ 2 cm de diámetro o como capilares. Cuando se selecciona un sistema de filtración deben considerarse numerosos parámetros. Entre ellos está el tamaño de poro y la selectividad de las partículas, la velocidad a la que se pasa el fluido atreves, cuando se están filtrando soluciones viscosas, la facilidad con la facilidad que pueden ser limpiados los filtros y el número de veces que puede ser reusado el filtro. Otros factores son el costo de sistemas de filtros, el área de superficie que, presenta la membrana, el volumen muerto dentro del filtro (que determina cuanto producto se perderá) y la posibilidad de esterilizar el sistema. Otro factor que reduce frecuentemente la eficiencia de un filtro es la

9


presencia de agentes antiespumantes, que se utiliza frecuentemente en la fermentación a gran escala

La centrifugación

No se utiliza solo para separar partículas solidas de la fase liquida, sino también, para la separación de fluido/fluido y fluido/fluido/partícula. La separación fluido/partícula es de la mayor importancia, aunque la separación fluido se utiliza en la producción de penicilina.Se utilizan 2 tipos diferentes de centrifugas, las de filtro o tamiz, se centrifuga con deflectores. En la centrifuga de filtro o tamiz la separación se produce a medida que las partículas son forzadas contra un material filtrante. En la centrifuga de deflectores la separación se produce debido a la diferencia de densidad entre las partículas y el fluido. El producto puede ser separado continuo o discontinuamente. Han sido comercializadas una amplia variedad de centrifugas para procesos de centrifugación a gran escala

Comparación entre separador, decantador y tubo centrifugo

Parámetro Separador Decantador CentrífugaSolidos (%) 1-30 5-80 1-5Fuerza centrífuga máxima

5000 - 15000 1500 - 4500 13000 - 17000

Capacidad separación h2o

Media Media Buena

Capacidad separación de pequeñas partículas

Buena Moderada Muy buena

Facilidad limpieza Buena Buena Muy buena

10


11


Desintegración de Microorganismos:

Los procesos de bio-separación se inician con una separación de la biomasa del resto del cultivo. En muchos casos los productos se encuentran en el medio. En estos casos la biomasa se descarta y hasta se puede vender como sub-producto.

Pero en otros casos el producto de interés se encuentra en el interior de las células, en particular la mayoría de las proteínas producidas por manipulación genética de bacterias que no segregan las proteínas al medio, pero que son precipitadas en el interior de las células en forma de cuerpos incluidos, se trata de proteínas intracelulares.

Procesos y Equipos

La liberación de las proteínas intracelulares involucra la ruptura o permeabilización de la pared celular. Los equipos involucrados en esta etapa no han sido diseñados especialmente para el área biotecnológica sino que son prestadas de otras áreas (área de alimentos, de pinturas y pigmentos). Este rompimiento o permeabilización se puede llevar a cabo por dosMétodos:•Métodos No- Mecánicos

12


•Métodos Mecánicos

La selección de una u otra técnica dependerá las características del producto que se desea purificar, tales como resistencia a:• Medios alcalinos.• Solventes.• Detergentes.• Enzimas.• Temperatura.• Esfuerzo de corte.La técnica utilizada determinará el tamaño de los desechos que se producirán.

Métodos Mecánicos

El rompimiento se lleva a cabo por acción mecánica, pudiendo ser:• Fricción• Efecto de la presión• Colisiones.Estos métodos incluyen las operaciones unitarias de ultrasonido, homogenización, molinos de bolas, etc. Estos métodos resultan ser agresivos con las proteínas de interés, debido principalmente a la generación de calor. Adicionalmente el escalamiento resulta ser un problema significativo.

13


Los métodos mecánicos se pueden dividir en dos tipos:Métodos a pequeña escala son:•Ultrasonificación•Molina con abrasivos•HomogenizadoresMétodos a gran escala•Homogenizadores a alta presión•Molinos de bolasAmbos son operaciones unitarias típicas de la ingeniería de procesos y de la industria de alimentos.

Métodos Mecánicos a pequeña escala:

Desintegración completa de una célulaPara determinar el contenido de proteínas total de una célula se debe realizar la desintegración total de ellas, para ello se utiliza la siguiente

14


Metodología:1. Se adicionan 1 volumen de bolas de vidrio en un ependorf.2. Se adiciona 1 volumen de las células a desintegrar (en forma de pasta, previamente separadas del caldo)3. Se adiciona 0.5 volumen de buffer, se puede adicionar algún detergente (SDS,Triton X-100)4. Se agitan fuertemente en un vortex, entre 2 y 5 minutos (controlando que no se caliente)5. Se repite el punto 4 hasta asegurarse que no se rompen más las células.6. Se separan los desechos de la solución y se analiza la concentración de proteínas.

Ultrasonificación

Se utilizan frecuencias de 20 Khz esto produce vibraciones que provocan el fenómeno de cavitación.• Se producen zonas de baja presión en el líquido• El líquido se transforma en gas formándose pequeñas burbujas• Las burbujas colapsan debido a los cambios de presión.• Se producen fuertes esfuerzos de corte en el líquido que rompen las células.

15


Molienda con abrasivos

Procedimiento:1. Se utilizan un recipiente donde se agrega algún agente abrasivo, comobolas de vidrio.2. El sistema se hace vibrar lo que produce:• Colisiones de las bolas con la biomasa• Fuertes esfuerzos de cortes• Se produce la ruptura de las células.3. Posteriormente, se separan las bolitas y desechos celulares y se recupera el sobrenadante.

Homogenizadores

La idea es generar altos esfuerzos de corte que produzcan la ruptura de las células. Los altos esfuerzos de corte se pueden obtener por:1. Embolos2. Cuchillas3. Pistones

16


Métodos Mecánicos a gran escala:

Homogenizadores a alta presión

Son los equipos más ampliamente usado en el rompimiento celular.Resulta ser un método no selectivoSe componen de:• Pistón a alta presión•Laboratorio 1-2•Industria•VálvulasLa suspensión que se procesa se hace pasar varias veces hasta lograr el nivel de liberación deseado.

17


MecanismoLas células se rompen cuando la suspensión pasa a alta presión por la válvula de descarga. Las células son sometidas a:• Turbulencia• Cavitación• Fuertes esfuerzos de corteParámetros de Diseño1. Presión de operación: A mayor presión mayor liberación de proteínas, se usa siempre presiones superiores a los 30MPa la más usada es 50MPa

2. Diseño de la válvula: Las válvulas en forma de cuchillas provocan mayor turbulencia, lo que implica un mayor rompimiento.

18


3. Localización del Producto: Dependiendo donde se encuentre localizado el producto se deberán aplicar diferentes condiciones para romper la célula, por ejemplo:• Si el producto se encuentra en la membrana, se debe aplicar un menor esfuerzo.• Si se encuentra dentro de un organelo, debe ser mayor esfuerzo.4. Temperatura de operación: Tiene un doble efecto ya que a mayor temperatura:• Se reduce la viscosidad, lo cual es positivo para el proceso

19


• Pero se puede desnaturalizar el producto.Se debe seleccionar una temperatura óptima.5. Número de Pasadas: A medida que este aumenta, aumenta la proteína liberada.

Molinos de Bolas

Los molinos de bolas a gran escala constan de:• una cámara de molienda con perlas de vidrio (elemento activo de la molienda)•un eje giratorio que posee discos, barras, anillos que provocan el movimiento del contenido del molino.El tipo de agitador está directamente relacionado con el transporte óptimo de energía.Los discos, barras o anillos permiten solo el paso de las células a través de la cámara, no así el de las bolas.Los molinos de perlas tienen una relación longitud a diámetro de las cámara de molienda de1: 2.5 a 1:3.5Los volúmenes de las cámaras van entre:• Laboratorio 50 ml

20


• Industrial 250 lts para flujos de 2000l/hMecanismo1. Se produce un transporte de energía cinética desde el agitador a las bolas de vidrio.2. Se forman diferentes perfiles de velocidad en el interior de la cámara.3. Se generan fuertes esfuerzos de corte, junto con el hecho de aumentar la frecuencia y fuerza de las colisiones entre las bolitas y las células lo queprovoca la desintegración deéstas.

Métodos No-Mecánicos

Pueden ser de dos tipos:Agente químicos:•Solventes orgánicos• Detergentes• Álcalis• Agua (shock osmótico)Enzimáticos: se trata de enzimas que permeabilizan en forma selectiva las membranas celulares, tales como lisozima, glucanasas, mananasas, etc.Los métodos no-mecánicos son fáciles de escalar, si uno necesita tratar 10 veces más materia orgánica basta con adicionar 10 veces más reactivo químico o enzimático.

21


Tratamiento enzimático

Existen enzimas que pueden hidrolizar la membrana celular de microorganismos. Cuando la membrana ha sido suficientemente permeabilizada, algunos compuestos intracelulares pueden ser liberados al medio. Una comparación entre un proceso de rompimiento y otro de permeabilización.

22


MetodologíaEl modo de acción es muy simple basta con agregárselo a una suspensión y se produce una reacción muy rápida la cual deteriora la pared celular. La reacción es selectiva y ataca a determinadas estructuras de la pared celular como son las glucanasa, mananasas.Ventajas: Método suave y selectivo escalableDesventajas: Costo de la enzima lo hace difícil de utilizar a gran escala.

Shock Osmótico

Resulta ser uno de los métodos más simple:1. Las células se colocan en una volumen de agua 2 veces mayor que el volumen de células.2. Bajo estas condiciones las células se hinchan, debido a un simple flujo osmótico que se produce debido a que las células contienen solutos (los causantes del flujo osmótico del agua al interior de la célula).

23


3. Las células se hinchan y algunas llegan a reventarse. La susceptibilidad de las células es relativa y depende fuertemente de su tipo.

Los glóbulos rojos son fáciles de lisar.Las células vegetales son muchos más difíciles, dado que sus paredes contienen compuestos que son impermeables al flujo osmótico.Se puede calcular la presión necesaria para romper células a partir de la ley van´tHoof. La cual se deduce desde la condición de equilibrio :

DP = - R*T*c1

Donde:c1 : Concentración de solutos en el interior de la célula. En el caso de una célula que contiene una concentración de solutos del orden de 0.2 M, calculando la diferencia de presión alcanzara valores del orden de -5 atm (dentro mayor presión que afuera).

Solubilización

Es uno de los métodos no-mecánico más utilizado para el rompimiento de células.Los detergentes tienen una zona hidrofílica y otra hidrofóbica, por esta razón pueden interactuar tanto con el agua como con los lípidos.Su habilidad se basa en la solubilización de los lípidos de la pared celular.Los detergentes más utilizados son de tres tipos:•Detergente aniónico•Detergente catiónico

24


•Detergente no-iónico y polidispersante

Detergentes anionicosEjemplos•Dodecil Sulfato de Sodio (SDS) CH3(CH2)11 SO3 N +-Na+•Sulfonato de Sodio CH3(CH2)9 -Phenyl-SO3- Na+•Tauroclorato de Sodio

El SDS es uno de los detergentes aniónicos más ampliamente estudiados.Entre los materiales aniónicos se encuentran los jabones (sales de ácidos grasos), estos jabones dependen del grupo de ácido carboxílico que tengan y resultan efectivos a altos pH donde el grupo se encuentra ionizado. A su vez resultan ineficientes en aguas duras que contengan iones calcio que pueden reaccionar con ellos y formar compuestos insolubles.Las desventajas de los detergentes tradicionales se pueden superar si se reemplazan los grupos carboxilos por grupos sulfatos.Los sulfatos que contienen grupos fenilos son más efectivos que los compuestos que contienen grupos alquilos, debido principalmente que no son fáciles de degradar microbianamente, como son los detergentes utilizados para lavado.

Detergentes catiónicosEjemplos•Bromuro de CatiltrimetilAmonio (CTAB) CH3(CH2)15 N+ (CH3)3 Br-

Son detergentes más suaves (tipo shampoo), por lo cual se produceun rompimiento más suave de las células.

Detergente no-iónicosEjemplos•Triton X-100 C8H17-Phenyl-(OCH2CH2)9.5OH

Son generalmente polímeros solubles en agua, se utilizan en losdetergente para lavar vajilla.Estos detergente también tienen una parte hidrofóbica y una hidrofílica, pero la parte hidrofílica no es ni un sulfato ni un tetraalquilamonio sino un alcohol.A bajas concentraciones de detergente no se produce degradación de

25


los lípidos, pero a alta concentración se produce una degradación que resulta lineal a la concentración de detergente,junto a esta variable también se altera la tensión superficial de lasolución.La relación que se produce entre la solubilización y otros fenómenos es que el detergente forma micelas, en cuyo interior se encapsulan los lípidos digeridos (Cabezas hidrofílicas y colas hidrofóbicas que están en contacto con la sopa de lípidos).

Procedimiento1. Se coloca un determinado volumen de detergente concentrado por un volumen de células. Generalmente la mitad de volumen de detergente que de volumen de células.2. El detergente rompe la membrana celular.3. La suspensión resultante se centrifuga para remover los fragmentos de células y luego se pasa a través de una columna de adsorción o por etapas de extracción para aislar el producto.

Tratamiento con solvente (disolución de lípidos)

Es una técnica la cual no ha sido muy documentada, sólo se requiere de información experimental.Una buena forma de seleccionar el solvente es analizar lavolatilidad (desde manuales), este parámetro puede relacionarse con las interacciones lípido solvente, poniendo atención en el calor de mezcla.Solventes con similar solubilidad atacarán los lípidos de forma similar.Procedimiento1. El método consiste en adicionar la suspensión de biomasa un volumen de tolueno del orden de un 10% de biomasa.2. El tolueno es absorbido por las células, las cuales se hinchan y luego explotan.3. El contenido de las células se libera al medio y luego puede ser separado.

Existen otros solventes que puede ser utilizados como:• Benceno (que es cancerígeno y de una alta volatilidad, el tolueno también es cancerígeno pero de más baja volatilidad).• Cumeno• Clorobenceno• Xileno

26


• Octanol (Altos alcoholes)

Tratamiento alcalino

Es un tratamiento bastante fuerte, no selectivo y barato.Algún álcalis es agregado a un suspensión de células, el álcalis reacciona con la pared celular en diversas formas, produciendo la saponificación de lípidos.Desventajas: Una alta concentración de álcalis puede hasta producir la desnaturalización de las proteínas (destruyendo el producto).

Resulta la opción menos utilizada.

Cromatografía:

Algunas de las etapas más caras en la recuperación del producto implican el uso de métodos cromatógrafos. Tales métodos son de especial valor para la purificación de materiales biológicos sensibles y encuentran un amplio uso de la preparación de materiales farmacéuticos, reactivos de diagnóstico y para la investigación. En muchos casos deben utilizarse varios tipos de métodos cromatográficos, uno después del otro. La separación se produce generalmente en una columna: una fase estacionaria (generalmente una resina) se utiliza para adsorber el producto que es luego eluido con una fase móvil (líquida). El líquido de elución puede tener una densidad única o puede utilizarse un cambio gradual de densidad (gradiente de densidad). Utilizando un detector adecuado a la salida de la columna, pueden determinarse las fracciones eluidas que contienen el producto deseado. Los detectores adecuados utilizan la absorción en la luz visible o ultravioleta, o la conductividad. A continuación se resumen varios métodos cromatograficos que se utilizan ampliamente.

Según el mecanismo de separación tenemos:

a) Filtración en gel ---------------------------------------------------------Peso molecular

b) Cromatografía de adsorción--------------------------------------

27


Interacciones hidrofóbicas

c) Cromatografía de intercambio iónico-----------------------------------Carga

d) Cromatografía de afinidad ------------------------------------------------Actividad biológica

e) Electroenfoque---------------------------------------------------------------------Punto isoeléctrico

Filtración en gel (cromatografía de tamizado molecular)

La cromatografía de tamizado molecular es un método útil para aproximar el tamaño y peso molecular de las proteínas. El fraccionamiento se basa en la difusión diferencial de las moléculas en los poros del gel. Las proteínas con masas moleculares altas no pueden entrar en los poros del gel, por lo que son eluídas a través del volumen de exclusión de la columna, y lo hacen mas rápido que las moléculas de masa molecular menor. De esta manera, las moléculas eluyen de la columna en orden decreciente de peso molecular. Esto no es realmente cierto, aunque sí una buena aproximación. Las moléculas se eluirán de la columna no solo según su peso molecular, sino también según su radio de Stokes (que da idea de la esfericidad de la molécula). La aproximación es válida si se tiene en cuenta que los enzimas (moléculas con los que generalmente se trabaja) son aproximadamente esferoides.

Para determinar el peso molecular de una proteína desconocida se recurre al índice de Kovacks; éste índice no es mas que la razón existente entre la diferencia entre el volumen de elución de la proteína problema y el volumen de exclusión o intersticial de la columna, y el volumen de poro de la matriz:

Kd = Ve - Vz / Vp

28


dondeKd: índice de Kovacks, Ve: volumen de elución de la proteína problema, Vz: volumen intersticial, y Vp: volumen del poro.

El volumen intersticial lo indica alguna molécula de alto peso molecular; se utiliza azul dextrano, polisacárido de masa molecular aproximada 2.000 kDa. El volumen de poro es la diferencia entre el volumen total y el volumen de exclusión: para calcular el volumen total se añade a la muestra una molécula de bajo peso molecular, que puede ser el cromato potásico (194,2 Da). El índice de Kovacks (Kd) obtenido para una determinada proteína se ha de incluir en una recta de regresión calculada con proteínas patrones, de peso molecular conocido, representándose Kd vs. log masa molecular.

Existen multitud de matrices para realizar este tipo de cromatografía. Su elección dependerá de la resolución requerida y del peso molecular de las moléculas a fraccionar. El Sephadex es una de las matrices que primero se han empleado. Se trata de perlas de un polímero polisacárido preparado con diferentes tamaños de poro: G-10, G-25, G-50, G-75, G-100 y G-200. La primera de ellas se emplea para desalar muestras porque el diámetro de sus poros solo permite el paso de moléculas pequeñas (no más de 1.000 kDa); la última permite la separación de moléculas de masa molecular entre 500 y 5 kDa. Este tipo de matriz está disponible en dos formas: coarse y fine, la primera permite flujos superiores, pero la resolución obtenida es menor. Con todo, la resolución posible con este tipo de matriz es pobre. Para mayor resolución se emplean matrices con mejores propiedades de flujo y resistencia a la presión, ésto se ha conseguido sacando al mercado matrices de diversa composición, y mejorando la estructura de las perlas de dichos geles.Así, Sepharose (polisacárida) es similar Sephacryl (polímero de un polisacárido y bis-acrilamida), y ambas permiten mayor resolución que Sephadex, siendo Superose y Superdex (polisacáridas) las mejores.

La resolución en cromatografía es crítica. Una columna con gran resolución es una columna que soporta un gran número de platos teóricos por metro. Un plato teórico es el volumen requerido por una molécula para establecer un equilibrio entre ella, la matriz y la fase móvil en el sistema. Actualmente, las columnas con mayor número de

29


platos teóricos son las de Superdex HR (pueden llegar a 30-40.000 platos teóricos por metro). También son importantes las dimensiones de la columna cromatográfica, a mayor longitud, mayor número de platos teóricos, por lo tanto mayor resolución (pero ojo, la muestra puede quedar muy diluida, lo que disminuye la resolución). Por supuesto, si la matriz puede soportar grandes presiones, los flujos obtenidos serán mayores, y la resolución puede aumentar. Como en todo, hay que llegar a un compromiso.

Cromatografía de adsorción

En cromatografía de adsorción la separación supone interacciones hidrofilias o hidrofóbicas (Fuerzas de Van Der Waals) entre el portador y el material biológico. La elución y el fraccionamiento se consiguen mediante soluciones de mayor o menor polaridad o fuerza iónica. Los materiales de adsorción incluyen los silicatos, la alúmina, carbón activado, dextranos entrecruzados e hidroxiapatito.

Cromatografía de intercambio iónico

La cromatografía de intercambio iónico (o cromatografía iónica) es un proceso que permite la separación de iones y moléculas polares basadas en las propiedades de carga de las moléculas. Puede ser usada en casi cualquier tipo de molécula cargada, incluyendo grandes proteínas, pequeños nucleótidos y aminoácidos. La solución que debe inyectarse es usualmente llamada "muestra" y los componentes separados individualmente son llamados analitos. Es usada a menudo en purificación de proteínas, análisis de agua o control de calidad.

La cromatografía de intercambio iónico conserva los analitos basándose en las interacciones de Coulomb. La fase estacionaria muestra en la superficie grupos funcionales iónicos (R-X) que interactúan con iones de carga opuesta del analito.

Este tipo de cromatografía se subdivide a su vez en dos técnicas. La cromatografía de intercambio catiónico y la cromatografía de intercambio aniónico:

30


La cromatografía de intercambio catiónico retiene catiónes cargados positivamente debido a que la fase estacionaria muestra un grupo funcional cargado negativamente, como podría ser un ácido fosfórico.

La cromatografía de intercambio aniónico retiene aniónes usando grupos funcionales cargados positivamente, como un catión de amonio cuaternario.

R-X+ es el analito presente en la columna, C+ es el catión, A- es el anión, M+ es la muestra y B+ es el ion de la muestra.

Un dato a tener en cuenta es que tanto la fuerza iónica de los C+ como la de los A- en la fase móvil se puede ajustar para cambiar la posición de equilibrio, cambiando de este modo el tiempo de retención.

El cromatograma de iones que se muestra en esta sección corresponde a uno típico obtenido con una columna de intercambio aniónico.

Separación de proteínas

Columna de cromatografía de intercambio iónico usada en purificación de proteínas.

Las proteínas tienen numerosos grupos funcionales que tienen tanto cargas positivas como negativas. La cromatografía de intercambio iónico separa las proteínas de acuerdo a su carga neta, la cual depende de la composición de la fase móvil. Ajustando el pH o la concentración de iones de la fase móvil, varias moléculas de proteína pueden ser separadas. Por ejemplo, si la proteína tiene una carga neta positiva con un pH de 7, entonces puede unirse a una columna cargada negativamente, mientras que una proteína con carga negativa

31

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ion_exchange_column.jpg


no lo podría hacer. También podría eliminarse cambiando el pH para que la carga neta de la proteína sea negativa.

La elución por el cambio de la fuerza iónica en la fase móvil tiene un efecto más sutil, funciona como si iones de la fase móvil interactuarán con los iones inmovilizados en preferencia sobre estos en la fase estacionaria. Estos "escuda" la fase estacionaria de la proteína (y viceversa), y permite que la proteína pueda ser eludida al no estar unida al fase estacionaria.

Técnica típica

Un equipo de Cromatografía de intercambio iónico Metrohm 850. Prestación estándar.

Una muestra es introducida, de forma manual o con autosampler dentro de un ciclo de muestras de volumen conocido. Una solución acuosa tamponada conocida como fase móvil lleva la muestra del ciclo de muestras a la columna de cromatografía que contiene un analito en fase estacionaria. Este analito es típicamente una resina o matriz de gel que consiste en agarosa o celulosa unidos mediante enlace covalente a grupos funcionales cargados como puede ser una resina de intercambio catiónico. Los analitos objetivo (aniones o cationes) son conservados en la fase estacionaria pero pueden ser eliminados incrementando la concentración de especies de similar carga que pueden desplazar los iones analitos de la fase estacionaria. Por ejemplo, en la cromatografía de intercambio catiónico, los analitos cargados positivamente pueden ser desplazados agregando iones de sodio cargados positivamente.

32

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metrohm_850.jpg


Los analitos de interés pueden entonces ser detectados de varias maneras, típicamente por conductividad o por absorción de luz UV o Visible.

Para controlar un sistema de Cromatografía de Iones (CI), usualmente es necesario un Sistema de Datos Cromatográficos (Chromatography Data System, CDS). Además de los sistemas CI, algunos de estos CDS también pueden controlar sistemas de cromatografía de gases (GC) y Cromatografía líquida de alta eficacia (high performance liquidchromatography, HPLC).

Usos:

Un equipo de Cromatografía de intercambio iónico de altas eficacia (HPIC) de Metrohm.

Utilidad clínica

La Cromatografía de intercambio iónico se emplea para medir los niveles de Hemoglobina glucosilada (HbA1c), porfirinas y para purificación de agua y producción de agua desionizada en pequeñas cantidades.

Aplicaciones industriales

La Cromatografía de intercambio iónico permite el testeado cuantitativo de los electrolitos y aditivos patentados de los baños de electrochapado.Esto supone un avance en las pruebas de testeado cualitativo del electrochapado o en pruebas menos precisas de testeo

33

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:HPIC_Workstation.jpg


de UV. En estas tanto los iones, como los catalizadores, como los abrillantadores, como los aceleradores pueden ser medidos.

Cromatografía de afinidad

El principio de la separación es la interacción específica entre moléculas de uno de los componentes de la muestra y moléculas unidas al soporte, fase estacionaria, gel o resina "de afinidad" que rellena la columna. Esta especificidad o afinidad procede de una complementariedad a escala molecular, en la que participan fuerzas de enlace débiles de los tipos van der Waals, enlaces de hidrógeno, hidrofobicidad o interacciones iónicas. Ejemplos clásicos son las interacciones enzima-sustrato, antígeno-anticuerpo o ligando-receptor. En el ejemplo mostrado en la película esto se simboliza con la forma circular o no de las moléculas y de los "huecos" existentes en la resina.

Las moléculas que han quedado retenidas en la columna debido a su afinidad por la fase estacionaria se liberan mediante un cambio del medio eluyente a condiciones en las que la interacción se debilite: generalmente se cambian el pH (lo que afecta al estado de ionización de las biomoléculas), la fuerza iónica (concentración de sales, que afecta a las interacciones iónicas) o la polaridad del eluyente.Al igual que en otros tipos de cromatografía, las moléculas que interaccionan más favorablemente con la fase estacionaria (relleno de la columna) avanzan más despacio y salen por la parte inferior más tarde (eluyen más despacio). A diferencia del ejemplo de cromatografía de exclusión, aquí no se recogen fracciones del eluido, sino que se detecta en éste de forma continua la concentración de componentes de la muestra (por ejemplo, una medida de absorbancia en el ultravioleta permite detectar proteínas y ácidos nucleicos); en ambos casos sirven ambos planteamientos de detección.

34


Isoelectroenfoque

Mediante Isoelectroenfoque pueden ser purificadas las proteínas utilizado gradiente de PH en asociación con intercambio iónico en geles. Se produce un gradiente lineal de PH y las proteínas se separan de acuerdo con su punto isoeléctrico. La separación de las proteínas por este método es muy buena, pero sólo pueden ser manejados volúmenes pequeños.

Cristalización y precipitación

La cristalización es la técnica más simple y efectiva para la purificación de sólidos y se basa en el hecho de que la solubilidad de los compuestos varía con el disolvente y la temperatura. Consiste en la disolución de un sólido impuro en la menor cantidad posible de un disolvente en caliente para obtener una disolución saturada que al enfriar se sobresaturará separándose el sólido en forma de cristales. Es conveniente que la disolución se enfríe lentamente para que los cristales se formen poco a poco ya que la cristalización es un proceso dinámico, las moléculas en la disolución están en equilibrio con las del

35


cristal y el elevado grado de ordenación de la red cristalina excluye la participación de impurezas en la misma. Si se enfría rápidamente pueden quedar atrapadas impurezas. La formación rápida de un material sólido de una disolución recibe el nombre de precipitación y no tiene la misma efectividad que la cristalización como técnica de separación.

La cristalización es una operación unitaria de transferencia de materia y energía en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una fase homogénea (soluto en disolución o en un fundido). La fuerza impulsora en ambas etapas es la sobre-saturación y la posible diferencia de temperatura entre el cristal y el líquido originada por el cambio de fases.

Una vez extraído un metabolito puede ser adicionalmente concentrado y purificado por cristalización, por evaporación o por transferencia a baja temperatura. La cristalización a baja temperatura es una forma muy suave de purificación. En el caso de la purificación se añade a veces un agente químico para facilitar la reacción de concentración.

La misma es el proceso por el cual se forma un sólido cristalino, ya sea a partir de un gas, un líquido o una disolución. La cristalización es un proceso que se emplea en química con bastante frecuencia para purificar una sustancia sólida. También es un proceso de separación líquido en el que hay transferencia de masa de un soluto de la solución líquida a una fase cristalina sólida pura. Un ejemplo importante es la producción de sacarosa de azúcar de remolacha, donde la sacarosa se cristaliza de una solución acuosa.

Las características que una sustancia debe cumplir para formar cristales son:

Su estado natural debe ser sólido.

36


Un cristal es una estructura tridimensional de forma geométrica que está formado por una sola molécula de sustancia, por ejemplo: el cristal de sal está formado por una molécula de cloruro de sodio.

El proceso de cristalización es un proceso dinámico, de manera que las moléculas que están en la disolución están en equilibrio con las que forman parte de la red cristalina. El elevado grado de ordenación de una red cristalina excluye la participación de impurezas en la misma. Para ello, es conveniente que el proceso de enfriamiento se produzca lentamente de forma que los cristales se formen poco a poco y el lento crecimiento de la red cristalina excluya las impurezas. Si el enfriamiento de la disolución es muy rápido las impurezas pueden quedar atrapadas en la red cristalina.

Mecanismos para que un sólido forme una solución con un solvente:

1. Formación de puentes de hidrógeno.2. Solvatación (asociación de los iones).

Además influyen:

Transferencia de movimiento: agitación Transferencia de calor: temperatura Transferencia de masa: gradientes de concentración

Existen 4 tipos de soluciones:

Diluida Concentrada Saturada Sobresaturada

37


SobresaturaciónAl hablar de cristalización lo más importante es el concepto de sobresaturación, ya que si no existe la cristalización no se puede dar.La sobresaturación es la diferencia de concentración entre la disolución sobresaturada en la que el cristal está creciendo y la de la disolución en equilibrio con el cristal.El concepto de solución saturada está relacionado con el llamado límite de solubilidad.

Sin sobresaturación no hay cristalización, para alcanzar la sobresaturación se tiene que realizar:

Enfriamiento: si se enfría la solución, ésta pierde solubilidad y pasa de estar concentrada a saturada y finalmente sobresaturada.

Calentamiento: si se calienta la solución se quita solvente y pasa de estar concentrada a saturada y finalmente sobresaturada. Cuando se incrementa la temperatura la solubilidad puede disminuir o aumentar dependiendo del sólido, por ejemplo en sólidos orgánicos como la úrea se disminuye la solubilidad.

Evaporación: Se evapora una parte del disolvente, hasta que la cantidad de sustancia disuelta en la solución restante supere la de saturación. Esta operación básica se emplea en los casos en que la solubilidad depende poco de la T. Un ejemplo aplicado es el la industria para formar sal.

Precipitación: al colocar una sustancia adicional en la solución para que se aglomeren los sólidos y formar cristales.

Al vacío: Combinación de efectos. En un evaporador al vacío se evapora una parte del disolvente, la eliminación del calor necesario enfría además la solución. Ventajosa para sustancias sensibles a la °T.

ETAPAS DE LA CRISTALIZACION

38


En toda formación de cristales hay que considerar dos etapas:

-Nucleación: formación de los primeros iones a partir de los iones o moléculas que se encuentran en el seno de la disolución. Puede ser que estos primeros cristales que se forman, se destruyan debido a un proceso inverso a la nucleación. Dentro de la nucleación podemos distinguir entre Nucleación primaria y nucleación secundaria.

Primaria: Es aquella en la que el origen de la nueva fase sólida no está condicionada ni influida por la presencia de la fase sólida que se origina.

Secundaria: La nucleación secundaria designa aquel proceso de formación de cristales de la nueva fase que está condicionado por la presencia de partículas de la misma fase en el sistema sobresaturado y por cuya causa ocurre.

-Crecimiento: Etapa del proceso de solidificación donde los átomos del líquido se unen al sólido formando las grandes estructuras cristalinas.

TIPOS DE CRISTALES

Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en un modelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definido es constante y es una característica del material. Debido a que el patrón o arreglo de los átomos es repetido en todas direcciones, existen restricciones definidas en el tipo de simetría que el cristal posee.La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuesto químico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los ha clasificado en siete sistemas universales de cristalización:

Sistema Cúbico

Las sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales de

39


forma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacio que manifiestan tres ejes en ángulo recto, con “segmentos”, “látices”, ó aristas” de igual magnitud, que forman seis caras o lados del cubo. A esta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro de sodio.

Sistema Tetragonal

Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo recto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con cuatro caras iguales, representados por los cristales de oxido de estaño.

40


Sistema Ortorrómbico

Presentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentos son iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales pero diferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitrato de potasio, sulfato de bario, etc.

Sistema Monoclínico

Presentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto, con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la sacarosa.

41


Sistema Triclínico

Presentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningún segmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el caso de la cafeína.

Sistema Hexagonal

Presentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares en ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto en ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio, etc.

Sistema Romboédrico

42


Presentan tres ejes de similar ángulo entre si, pero ninguno es recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico, bismuto y carbonato de calcio y mármol.

IMPORTANCIA DE LA CRISTALIZACION EN LA INDUSTRIA

En muchos casos, el producto que sale para la venta de una planta, tiene que estar bajo la forma de cristales. Los cristales se han producido mediante diversos métodos de cristalización que van desde los más sencillos que consisten en dejar reposar recipientes que se llenan originalmente con soluciones calientes y concentradas, hasta procesos continuos rigurosamente controlados y otros con muchos pasos o etapas diseñados para proporcionar un producto que tenga uniformidad en la forma, tamaño de la partícula, contenido de

43


humedad y pureza.

Las demandas cada vez más crecientes de los clientes hacen que los cristalizadores sencillos por lotes se estén retirando del uso, ya que las especificaciones de los productos son cada vez más rígidas.

La cristalización es importante como proceso industrial por los diferentes materiales que son y pueden ser comercializados en forma de cristales. Su empleo tan difundido se debe probablemente a la gran pureza y la forma atractiva del producto químico sólido, que se puede obtener a partir de soluciones relativamente impuras en un solo paso de procesamiento. En términos de los requerimientos de energía, la cristalización requiere mucho menos para la separación que lo que requiere la destilación y otros métodos de purificación utilizados comúnmente. Además se puede realizar a temperaturas relativamente bajas y a una escala que varía desde unos cuantos gramos hasta miles de toneladas diarias. La cristalización se puede realizar a partir de un vapor, una fusión o una solución. La mayor parte de las aplicaciones industriales de la operación incluyen la cristalización a partir de soluciones. Sin embargo, la solidificación cristalina de los metales es básicamente un proceso de cristalización y se ha desarrollado gran cantidad de teoría en relación con la cristalización de los metales.

La cristalización consiste en la formación de partículas sólidas en el seno de una fase homogénea. Las partículas se pueden formar en una fase gaseosa como en el caso de la nueve, mediante solidificación a partir de un líquido como en la congelación de agua para formar hielo o en la manufactura de monocristales, o bien por cristalización de soluciones líquidas.

Destaca sobre otros procesos de separación por su potencial para combinar purificación y producción de partículas en un solo proceso. Comparado con otras operaciones de separación la cristalización en disolución presenta:

VENTAJAS

44


• El factor de separación es elevado (producto casi sin impurezas). En bastantes ocasiones se puede recuperar un producto con una pureza mayor del 99% en una única etapa de cristalización, separación y lavado.

• Controlando las condiciones del proceso se obtiene un producto sólido constituido por partículas discretas de tamaño y forma adecuados para ser directamente empaquetado y vendido (el mercado actual reclama productos con propiedades específicas).

• Precisa menos energía para la separación que la destilación u otros métodos empleados habitualmente y puede realizarse a temperaturas relativamente bajas.

DESVENTAJAS

• En general, ni se puede purificar más de un componente ni recuperar todo el soluto en una única etapa. Es necesario equipo adicional para retirar el soluto restante de las aguas madres.

• La operación implica el manejo de sólidos, con los inconvenientes tecnológicos que esto conlleva. En la práctica supone una secuencia de procesado de sólidos, que incluye equipos de cristalización junto con otros de separación sólido-líquido y de secado.

DISPOSITIVOS DE CRISTALIZACIÓN

45


Cristalizadores de tanque : en los que la cristalización se produce por enfriamiento sin evaporación apreciable. Se emplean cuando la solubilidad varía mucho con la temperatura.

Cristalizadores-evaporadores: la sobresaturación se consigue por evaporación (concentración) sin que se modifique la temperatura, es decir evaporación pero sin enfriamiento apreciable.

Cristalizadores de vacío: se combina la evaporación con el enfriamiento adiabático Se utilizan cuando se quiere operar con rapidez, como en los anteriores, pero a baja temperatura.

En el caso de las separaciones por precipitación presenta ventajas como sencillez, bajo costo, permite manipular grandes cantidades de muestras en una sola operación, lo que las hace especialmente adecuadas para la pre concentración de trazas o como técnicas preparativas previas a separaciones más sofisticadas, y pueden generar métodos analíticos de gran precisión cuando se combinan con la gravimetría. Los inconvenientes más destacables de la separación por precipitación son lentitud, dificultades en la separación de precipitados, baja selectividad y su campo de investigación está restringido por fundamentalmente a especies inorgánicas.

Desecación

46


La desecación se utiliza para extraer la humedad de los líquidos, sólidos y soluciones sólidas.

El grado de desecación de una sustancia depende de su contenido y su capacidad adsorción de humedad que poseen los agentes desecantes

Para la desecación de líquidos y soluciones en disolventes orgánicos, antes de proceder al desecado se debe conocer la naturaleza química de la sustancia que se desea desecar. El desecante elegido debe cumplir con las siguientes características: ser insoluble, no producir reacciones con el disolvente ni con el soluto, no catalizar reacciones de condensación, y debe tener un elevado poder desecante. El líquido o solución se deja 24 horas en contacto con el desecante, agitando de vez en cuando. Se considera que el líquido queda disecado cuando queda algo del desecante sólido.

En el caso de los sólidos se obtiene por recristalización, se filtran en una trompa al vacío. Se tapa el desecador se deja 24 horas al vacío.

La desecación al vacío se utiliza en sustancias que son sensibles al calor y/o retengan fuertemente al disolvente. Se emplean desecadores al de vidrio cargados con agentes desecantes.

En el desecado de gases, los mismos se pasan por una columna de secado que contiene un desecante y un soporte inerte como lana de vidrio.

Para materiales biológicos es esencial el producto final de tal manera que su actividad no se pierda. La desecación implica esencialmente la transferencia de calor al producto húmedo y el desprendimiento de la humedad con una corriente de gas. La transferencia de calor puede ser por contacto directo, por convección o por radiación. Existen en el comercio numerosos aparatos para llevar a cabo los procesos de secado. Incluyen secadores de convección (tales como secadores de pulverización, rotatorios y de bandas) y secadores por contacto (como secadores de capa fina o de cámara).

47


En algunas industrias el producto final es un cultivo microbiano vivo (por ej., cultivos para inoculación en las industrias lácteas). Para preparar cultivos secos debe ser utilizada la técnica de liofilización ya que de esta forma los organismos vivos nunca están sometidos a calor. La liofilización se utiliza también en la preparación de algunos productos farmacéuticos (por ej., la penicilina se liofiliza directamente en ampollas)

La liofilización es un método de desecación en el que se elimina el agua por congelación del producto húmedo y posterior sublimación del hielo en condiciones de vacío. Al suministrar calor al hielo sublima y se evita el paso por la fase liquida. Tiene menor contaminación microbiológica y degradación química

Aplicaciones en la Industria Farmacéutica

• Origen Humano: Plasma, hemoderivados, leche Huesos, córneas

• Origen animal: Sueros, antígenos, enzimas

• Origen vegetal: Extractos, antibióticos, vitaminas

• Microorganismos: Vacunas, bacilos lácticos, cultivos tipo.

Otras Aplicaciones

Industria Alimentaria Conservación restos arqueológicos Recuperación archivos y documentos tras inundaciones,

incendios Conservación flores, plantas • Conservación pequeños animales

Ventajas

48


• Se obtienen productos de redisolución rápida

• La forma y características del producto final son esencialmente las originales

• Proceso idóneo para sustancias termolábiles

• Los constituyentes oxidables están protegidos

• Contenido muy bajo de humedad

• Compatible con la elaboración en medio aséptico

Inconvenientes

• Alto coste de instalaciones y equipos

• Elevado gasto energético

• Operación de larga duración

49


Rendimiento

Las pérdidas en la recuperación dependen de la sensibilidad de las sustancias al proceso y del número de etapas de purificación. Por ej en el caso de la proteína la perdida por recuperación es del 5%, en los antibióticos es del 20-50 %, en las enzimas extracelulares es del 10% y en las enzimas intracelulares es del 90%.

La fracción del coste total atribuido a la purificación está en un promedio de alrededor del 20% pero en casos extremos, con ciertos tipos de metabolitos intracelulares, puede ser tan alto como el 90%. Un ejemplo es el proceso de purificación del ácido glutámico que se da a continuación, aunque el rendimiento final es solo un factor ya que el coste de los productos químicos, el equipo y los salarios deben ser también considerados en el cálculo global.

50


51

a 01 recuperación productos

Documents