extracción líquido-líquido para la recuperación de

Microsoft PowerPoint - Extracción Liq-Liq [Modo de compatibilidad]Sergio Huerta Ochoa UAM-Iztapalapa
Definición de extracción líquido-líquido
operación que permite la recuperación de
un soluto de una solución mediante su
mezcla con un solvente.
o soluble en grado limitado en la solución
que se va a extraer y el soluto que se va a
extraer debe presentar una elevada afinidad
por el solvente de extracción.
Planta Piloto de Fermentaciones Departamento de Biotecnología
La extracción líquido-líquido se realiza básicamente en dos etapas:
a) Mezcla íntima del solvente de extracción con la solución a procesar.
b) Separación de la mezcla en dos fases líquidas inmiscibles
Fase ligera
Fase pesada
La extracción líquido-líquido se realiza básicamente en dos etapas:
Uso del proceso de extracción por solventes en la extracción de productos biológicos
Factores • Selectividad de la extracción
• Ajuste con otras etapas de purificación
• Reducida pérdida del producto por degradación
• Aislamiento del producto
Aplicación de la extracción por solventes en sistemas biológicos
Tamaño de la molécula
Áreas que requieren atención especial al utilizar la extracción por solventes
• Selección del solvente
• Diseño y selección de equipo
Problemas que se presentan en el uso de extracción con solventes
• Naturaleza compleja y multicomponente del sistema biológico
• Tasas de transferencia de masa
• Comportamiento de la separación de fases
• Inestabilidad del producto
Cc
Cc1
Cd1
Cd
Dirección de la transferencia de masa
Teoría de doble película para la transferencia de masa entre dos fases líquidas
Coeficientes de partición para algunos solutos de interés
Compuesto Soluto Solvente Kp Observaciones
Aminoácidos Glicina Lisina Ac. Glutámico
n-butanol/agua n-butanol/agua n-butanol/agua
0.01 0.20 0.07
12.00 0.10
a pH 7.0 a pH 10.5 a pH 4.0 a pH 6.0 a pH 4.0 a pH 6.0
Proteínas Glucosa Isomerasa Catalasa
3.00 3.00
Sistemas de extracción líquido-líquido para biomoléculas
Acuoso-Orgánico
Acuoso-Acuoso
Tradicional
Micelas
Extracción líquido - líquido tradicional (Aharon y Bressler, 1993)
Extracción
Extracción líquido-líquido utilizando micelas inversas
• Las micelas inversas son dispersiones de agua en aceite (w/o) termodinámicamente estables, ópticamente transparentes, estabilizadas por un surfactante
(Hoar y Schulman, 1943)
Proteina
Fase orgánica
Fase acuosa
Micela invertida
Transferencia de una proteína entre una fase acuosa y una fase de micelas inversas
Selectividad del sistema de micelas inversas
Fase orgánica
Fase acuosa
Sistema de dos fases acuosas
• Un sistema de dos fases acuosas se forma cuando un par de polímeros solubles en agua o un polímero soluble en agua y un soluto de bajo peso molecular se mezclan con agua por arriba de la concentración crítica.
Sistema: Polímero-polímero-agua Polímero Polímero Polipropilen glicol Polietilen glicol
Dextran Maltodextrina
Polietilen glicol Polivinil alcohol Polivinilpirrolidon Dextrano
Sistema: Polímero-soluto de bajo peso molecular-agu a Polímero Soluto de bajo peso molecular Polipropilen glicol Fosfato de potasio
Glucosa Glicerol
Factores que afectan al coeficiente de partición
• Hidrofobicidad
Kp = Kº * Kelq * Khf * Kbioe * Ktam * Kconf
Factores que afectan al coeficiente de partición (Huddlestone y col., 1991)
PEG
Dextrano
Disminuye KP
Características del Sistema: 1. Incrementar el pH arriba del pI 2. Incrementar el peso molecular
del dextrano 3. Promover interacciones específicas 4. Reducir el peso molecular del PEG
1. Reducir el peso molecular del dextrano
2. Disminuir el pH del sistema abajo del pI
3. Incrementar el peso molecular del PEG
Características de la Proteína: 1. Incrementar los residuos hidrofóbicos 2. Disminuir el número de cadenas
laterales amino 3. Incrementar el número de cadenas
laterales carboxilo
1. Disminuir los residuos hidrfóbicos 2. Disminuir el número de cadenas
laterales carboxilo 3. Incrementar el número de cadenas
laterales amino
Solución Micelar homogénea Sistema micelar de dos fases acuosas
T(ºC) ↑↑↑↑
Incremento de
Sistema micelar de dos fases acuosas (Liu, Nikas y Blankschtein, 1996)
Incorporación de la teoría de la extracción líquido-líquido a la teoría de membranas
Extracción líquido - líquido
Ventajas potenciales para la recuperación de: ácidos carboxílicos, aminoácidos y
proteínas
• Altos flujos
• Instalaciones compactas
Tipos de membranas líquidas (Araki y Tsukube, 1990)
• En emulsión
Membranas líquidas de doble emulsión (Aharon y Bressler, 1993)
Solución de producto Refinado para
desecho
Solución de alimentación
Solución de alimentación Solución de extracción
Refinado para desecho Solución del producto
Membranas líquidas soportadas (Aharon y Bressler, 1993)
Membranas líquidas híbridas (Aharon y Bressler, 1993)
Solución de alimentación
Solución de extracción
Refinado para desecho
Solución del producto
(reciclado)
Formación de una membrana líquida de doble emulsión
Fase Membrana
Factores químicos que afectan la selectividad y la eficiencia en un sistema de membrana
líquida con micelas inversas
acuosas (mezcla y receptora)
(mezcla y receptora)
• La carga de la micela inversa
• La naturaleza del solvente
Problemas que se presentan en las membranas líquidas de doble emulsión
• Estabilidad de la doble emulsión
• Hinchamiento
Proteína
Mecanismo para el hinchamiento osmótico en membranas líquidas en emulsión
(Thien y Hatton, 1988)
El hinchamiento resulta del transporte neto de agua de la fase externa a la fase interna
La fuerza impulsora es la diferencia de presión osmótica a través de la membrama
H2O
Parámetros importantes en la extracción de proteínas con micelas inversas
EXTRACCIÓN
y la proteína
Otras alternativas para mejorar el proceso de re-extracción
• Adicionar un segundo solvente (Ermin y Metelitsa, 1988)
• Incrementar la temperatura (Dekker y col., 1991)
• Presurizar la micela invertida con etileno (Phillips y col., 1991)
• Adicionar isopropil alcohol (Carlson y Nagarajan, 1992)
• Agregar sílica gel (Leser y col., 1993)
• Deshidratar la micela invertida con mallas moleculares (Ram y col., 1994)
• Adicionar surfactantes contraiónicos (Jarudilokkul y col., 1999)
Transferencia de αααα-quimotripsina como una función de la concentración de AOT
(Stobbe y col., 1997)
Concentración de AOT [% w]
Ta sa
d e
ex tr
ac ci
ó n
Transferencia total:
Influencia de la concentración de AOT sobre el hinchamiento de la fase membrana
Concentración de AOT [% w]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% de extracción de αααα-quimotripsina como una función de la concentración interna de KCl
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Ta sa
d e
ex tr
ac ci
ó n
Hinchamiento de la fase membrana en relación a la fuerza iónica interna
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
H in
ch am
ie n
Influencia de la fuerza iónica externa sobre la tasa de extracción (Stobbe y col., 1997)
Concentración externa de iones [mol/L]
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Influencia de la fuerza iónica externa sobre el hinchamiento de la fase membrana
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
H in
ch am
ie n
Extracción de proteína como una función del tiempo de extracción (Stobbe y col., 1997)
Tiempo de extracción [min]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Efecto del tiempo de extracción sobre el hinchamiento de la fase membrana
Tiempo de extracción [min]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Extraction Distillation 1. Extraction is an operation in which constituents of the liquid mixture are separated by using an insoluble liquid solvent
1. Constituents of the liquid mixture are separated by using thermal energy
2. Extraction utilizes the differences in solubilities of the components to effect separation
2. Utilizes the differences in vapor pressures of the components to effect separation
3. Selectivity is used as a measure of degree of separation
3. Relative volatility is used as a measure of degree of separation
4. A new insoluble liquid phase is created by addition of solvent to the original mixture
4. A new phase is created by addition of heat
5. Phases are hard to mix and harder to separate
5. Mixing and separation of phases is easy and rapid
6. Extraction does not give pure product and needs further processing
6. Gives almost pure products
7. Offers more flexibility in choice of operating conditions
7. Less flexibility in choice of operating conditions
8. Requires mechanical energy for mixing and separation
8. Requires thermal energy
9. Does not need heating and cooling provisions 9. Requires heating and cooling provisions
10. Often a secondary choice for separation of components of liquid mixture
10. Usually the primary choice for separation of components of liquid mixture
Table 1: Comparing Extraction and Distillation
Diseño de equipo para extracción líquido-líquido
• Extracción intermitente
• Métodos analíticos
• Métodos gráficos
• Extracción contínua
• Método analítico
• Método gráfico
– Extracción diferencial
• Ecuación diferencial (Altura de la columna = Altura de una unidad por el # de unidades de transferencia)
• Extracción fraccionaria
Contactor Separador
Método Analítico: Extracción intermitente
El rendimiento alcanzado en una operación de extracción es un factor de diseño importante y puede ser obtenido mediante el cálculo de la concentración final del soluto de interés en las fases.
Como generalmente la extracción se realiza de tal manera que las fases interactúan hasta alcanzar el equilibrio, la concentración final del soluto puede ser obtenida en forma analítica mediante el empleo de dos ecuaciones
- Relación de equilibrio para las soluciones que intervienen en el proceso - Balance de masa para el soluto
Cuando la relación de equilibrio es lineal:
Kyx =
donde: x es la concentración de soluto en la fase ligera E, y es la concentración de soluto en la fase pesada R, y K es la constante de equilibrio.
La segunda relación es un balance de masa que indica que en el proceso de extracción:
El soluto inicial = al soluto final
ExRyxEyR AA +=+ 00
donde: yA es la concentración de soluto en la alimentación o fase pesada, y es la concentración de soluto en el refinado, esto es, la concentración de soluto que permanece en la alimentación, x0 es la concentración inicial de soluto en el solvente de extracción y generalmente es igual a cero, x es la concentración de soluto en el extracto al final de la extracción. En esta ecuación se supone que E y R son constantes.
Combinando ecuaciones anteriores:
1
donde F es el factor de extracción y está dado por:
R
KE F =
El factor de extracción reúne dos factores de diseño importantes, la constante de equilibrio y la relación de fases !!!!
Es posible desarrollar una expresión para calcular el rendimiento de la operación o la fracción extraída p, definida por:
ARy
Ex p =
Misma que puede ser escrita en términos del factor de extracción para dar:
F
+ =
1 Consecuentemente la fracción de producto no recuperado es igual a uno menos la fracción extraída
Nota: Las expresiones desarrolladas son diferentes en el caso que la extracción se realice de la fase pesada a la ligera.
El grado de concentración GC para separar virus puede ser expresado como:
0C
y GC =
donde: C0 es la concentración de partículas en la solución original:
Método Gráfico: Extracción intermitente
Extracción continua
- Extracción en etapas múltiples - Extracción diferencial
Método Analítico: Extractores continuos de etapas múltiples El rendimiento alcanzado en una operación de extracción es un factor de diseño importante y puede ser obtenido mediante el cálculo de la concentración final del soluto de interés en las fases.
Como generalmente la extracción se realiza de tal manera que las fases interactúan hasta alcanzar el equilibrio, la concentración final del soluto puede ser obtenida en forma analítica mediante el empleo de dos ecuaciones
- Relación de equilibrio para las soluciones que intervienen en el proceso
- Balance de masa para el soluto
n n-1 2 1
E, xn E, xn-1 E, x2 E, x1 E0, x0
R0, yn+1 R, yn R, y3 R, y2 R, y1
Esquema de un proceso de extracción a contracorriente en etapas múltiples
Cuando el equilibrio puede ser expresado por una relación lineal para la etapa n se tiene:
nn Kyx =
El balance de masa para el soluto debe realizarse en cada etapa, de acuerdo a la figura anterior el balance para la primera etapa es:
11002 ExRyxERy +=+ Cuando las concentraciones de las corrientes de salida de cada etapa son las de equilibrio y el solvente está libre de soluto x0 = 0, las ecuación anterior puede combinarse con la relación de equilibrio para la primera etapa , y obtener:
11 Kyx =
( ) 12 1 yFy += Como se mencionó anteriormente F es el factor de extracción:
R
Para la segunda etapa el balance de masa es:
2213 ExRyExRy +=+
Y de acuerdo a la relación de equilibrio, x1 = K y1, y x2 = K y2 de tal manera que: ( ) 123 1 FyyFy −+=
Sustituyendo la ecuación para y2 en la correspondiente para y3:
( ) 1 2
3 1 yFFy ++= Mediante este procedimiento se puede obtener una expresión para el cálculo de la concentración de soluto en la fase pesada a la salida en función de la concentración de entrada, el factor de extracción y el número de etapas:
( ) 1 2
1
1
El cálculo de las concentraciones de salida permite estimar el rendimiento o la fracción extraída p, que en este casa está dado por:
1+
= n
n
Ry
Ex p
Combinando las dos ecuaciones anteriores con la relación de equilibrio en la etapa n: ( )
1 1
1 − −= +n
FF p
De esta ecuación se observa que cuando F es muy grande, p se aproxima a 1. Por otro lado cuando F tiende a cero también p tiende a cero.
En el caso particular cuando F es igual a la unidad, se cumple que:
1+ =
n
Extracción continua: Extracción en etapas múltiples
Extracción Diferencial
Cuando el contacto de la fase pesada y la fase ligera se efectúa en forma continua, se dice que la extracción se realiza en forma diferencial. El soluto se transfiere de una fase a otra a través de un contacto íntimo entre éstas, pero no llega a alcanzar el equilibrio. Sin embargo, el resultado de este proceso es una extracción significativa del soluto deseado:
z
Concentración x,y en el volumen Az
El análisis de la extracción diferencial depende de tres relaciones básicas - Relación de equilibrio - balance de masa tomado a cualquier altura de la columna - Balance de masa de soluto que expresa la velocidad con que éste se
transfiere de la fase pesada a la fase ligera
La relación de equilibrio puede expresarse como:
∗= Kyx donde: y* es la concentración hipotética de soluto en la fase pesada en equilibrio con la concentración de soluto x en la fase ligera, en una altura dada de la columna.
El balance de masa que resulta para este proceso a cualquier altura de la columna es:
ExRyExRy +=+ 00
( )0yy E
R x −=
La tercera relación es el balance de masa de soluto que expresa la velocidad
con que éste se transfiere de la fase pesada a la fase ligera. Este balance se
realiza en un diferencial de volumen zAV =
Acumulación de
Entrada de
- No hay acumulación de soluto
- No hay producción de soluto
- La velocidad de transferencia de soluto de la fase R a la fase E está
dada por rAΔz, donde r es la velocidad de transferencia volumétrica
El balance de masa en el diferencial de volumen se puede escribir como:
( ) zrAyyR zzz −−= +0
Si se divide la ecuación anterior por AΔz y se toma el límite Δz0, la ecuación
se puede escribir como: r
dz
dy
A
R −
La velocidad de transferencia r es proporcional al área superficial de las gotas por
unidad de volumen. La velocidad de transferencia r también es proporcional a que
tan lejos está la concentración y del equilibrio. De acuerdo a lo anterior r se puede
escribir como: ( )∗−= yykar
donde: a es el área superficial de contacto por unidad de volumen, y* es la
concentración hipotética de soluto en la fase pesada en equilibrio con la
concentración de soluto en la fase ligera x, y k es una constante de velocidad
llamada coeficiente de transferencia de masa
Combinando las dos ecuaciones anteriores se tiene:
( )∗−

kaA
dz
dy
La ecuación anterior está en función del diferencial dz. Esto permite calcular
la longitud del extractor diferencial utilizando la relación de equilibrio y el
balance de masa
De acuerdo a la ecuación diferencial se obtiene la expresión:
∫ ∗− = Ly
K
( )0yy E
R x −=
entonces:
como: R
KE F =
Cálculo de altura de una columna

extracción líquido-líquido para la recuperación de

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