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 sin salida 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 mayor parte del flujo de alimentación viaja tangencialmente a través de la superficie del filtro, en lugar de entrar en el filtro. [1] La principal ventaja de esto es que la torta de filtración (que puede cegar el filtro) se elimina sustancialmente durante el proceso de filtración, lo que aumenta el tiempo que una unidad de filtración puede estar operativa. Puede ser un proceso continuo, a diferencia de la filtración sin salida por lotes.
Este tipo de filtración generalmente se selecciona para alimentaciones que contienen una alta proporción de sólidos de tamaño de partículas pequeñas (donde el permeado es de mayor valor) porque el material sólido puede bloquear (cegar) rápidamente la superficie del filtro con una filtración sin salida. Ejemplos industriales de esto incluyen la extracción de antibióticos solubles de 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.
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En la filtración de flujo cruzado, la alimentación pasa a través de la membrana del filtro (tangencialmente) con una presión positiva con respecto al lado del permeado. Una proporción del material que es menor que el tamaño de los poros 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.
Con 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 eliminen por fricción. Esto significa que un filtro de flujo cruzado puede funcionar continuamente con cargas de sólidos relativamente altas sin cegarse.
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La tecnología de filtración por membranas de flujo cruzado se ha utilizado ampliamente en la industria de todo el mundo. Las membranas de filtración pueden ser poliméricas o cerámicas, según la aplicación. Los principios de la filtración de flujo cruzado se utilizan en ósmosis inversa , nanofiltración , ultrafiltración y 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 , el término filtración de flujo tangencial (TFF) se utiliza 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 seleccionada. [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 retrolavado, la presión transmembrana se invierte periódicamente mediante el uso de una bomba secundaria, de modo que el permeado regresa a la alimentación, levantando la capa de suciedad de la superficie de la membrana. El retrolavado no es aplicable a membranas enrolladas en espiral y no es una práctica general en la mayoría de las aplicaciones. (Ver Limpieza in situ) [4]
Se utiliza una bomba de diafragma para producir un flujo tangencial alterno, lo que ayuda a desalojar las partículas retenidas y evitar la contaminación de la membrana. Repligen es el mayor productor de sistemas ATF.
Los sistemas de limpieza in situ se utilizan normalmente para eliminar la suciedad de las membranas después de un uso intensivo. 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). En algunas plantas de membrana se debe eliminar el hipoclorito de sodio (lejía) del alimento. El blanqueador oxida las membranas de película delgada. La oxidación degradará las membranas hasta un punto en el que ya no funcionarán a los niveles de rechazo nominales y deberán ser reemplazadas. Se puede agregar lejía a un CIP de hidróxido de sodio durante la puesta en marcha inicial del sistema antes de cargar las membranas enrolladas en espiral en la planta para ayudar a desinfectar el sistema. El blanqueador también se utiliza para las membranas perforadas de acero inoxidable (Graver) CIP, 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. La cáustica 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 incrustante orgánico de la planta de membrana. 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 adecuadamente. Cada aplicación tiene diferentes requisitos CIP. por ejemplo, una planta de ósmosis inversa (RO) para lácteos probablemente requerirá un programa CIP más riguroso que una planta de RO 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 permitiendo 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 se retienen y, por tanto, se concentran. En aplicaciones de bioprocesamiento, la concentración puede ir seguida de diafiltración.
Para eliminar eficazmente los componentes del permeado de la suspensión, se puede agregar disolvente nuevo a la alimentación para reemplazar el volumen del permeado, al mismo ritmo que el caudal del 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 la reconcentración a veces también se denominan "diafiltración".
Un enfoque técnicamente más simple que el retrolavado es establecer la presión transmembrana a cero cerrando temporalmente la salida del permeado, lo que aumenta el desgaste de la capa de incrustación sin la necesidad de una segunda bomba. El PFD no es tan eficaz como el retrolavado para eliminar la suciedad, pero puede resultar ventajoso.
El flujo o caudal en sistemas de filtración de flujo cruzado viene dado por la ecuación: [4]
en el cual:
Nota: e incluya la inversa del área de superficie de la membrana en su derivación; por tanto, el flujo aumenta al aumentar el área de la membrana.
