Electrofiltración

La electrofiltración es un método que combina la filtración por membrana y la electroforesis en un proceso sin salida.

La electrofiltración se considera una técnica adecuada para la concentración y el fraccionamiento de biopolímeros . La formación de una película en la membrana filtrante, que dificulta la filtración, puede minimizarse o incluso evitarse por completo mediante la aplicación de un campo eléctrico , lo que mejora el rendimiento de la filtración y aumenta la selectividad en el fraccionamiento. Este método reduce significativamente los costos del procesamiento posterior en los bioprocesos.

La electrofiltración es una técnica para la separación y concentración de sustancias coloidales, como los biopolímeros . Su principio se basa en la superposición de un campo eléctrico sobre una filtración convencional de flujo tangencial . De esta forma, la polaridad generada facilita la fuerza electroforética, que se opone a la resistencia del flujo del filtrado y dirige los biopolímeros cargados . Esto reduce drásticamente la formación de película en las membranas de microfiltración o ultrafiltración y disminuye el tiempo de filtración de varias horas ( filtración convencional ) a tan solo unos minutos (electrofiltración). En comparación con la filtración de flujo cruzado, la electrofiltración no solo aumenta el flujo de permeado, sino que también reduce la tensión de cizallamiento, lo que la convierte en una técnica especialmente suave para la separación de biopolímeros , que suelen ser inestables.

La prometedora aplicación de la electrofiltración en la purificación de productos biotecnológicos se basa en el hecho de que los biopolímeros son difíciles de filtrar, pero, por otro lado, suelen estar cargados debido a la presencia de grupos amino y carboxilo. El objetivo de la electrofiltración es evitar la formación de torta de filtración y mejorar la cinética de filtración de productos difíciles de filtrar.

La electroforesis de las partículas y la electroósmosis se vuelven esenciales cuando el proceso de filtración se complementa con un campo eléctrico . Mediante la electrofiltración, la filtración convencional se complementa con un campo eléctrico (CC) que actúa en paralelo a la dirección del flujo del filtrado. Cuando la fuerza electroforética F _E , opuesta al flujo, supera la fuerza de resistencia hidrodinámica F _W , las partículas cargadas migran del medio filtrante, reduciendo significativamente el espesor de la torta de filtración sobre la membrana.

Cuando las partículas sólidas que se someten a separación tienen carga negativa, migran hacia el ánodo (polo positivo) y se depositan en la tela filtrante. Como resultado, en la membrana del cátodo (polo negativo) solo se forma una película muy delgada que permite que casi todo el filtrado pase a través de ella.

La figura 1 presenta una descripción esquemática de la cámara de electrofiltración con electrodos de lavado . Para la circulación de lavado se utiliza una solución tampón . Este método ha sido patentado. ^{[ 1 ]}

La fuerza de resistencia hidrodinámica se evalúa siguiendo la ley de Stokes .

${\displaystyle F_{W}=6\cdot \pi \cdot \eta \cdot {\text{r}}_{H}\cdot \nu }$

La fuerza electroforética se evalúa siguiendo la ley de Coulomb .

${\displaystyle F_{E}=4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}\cdot \varepsilon _{r}\cdot {\text{r}}_{H}\cdot \zeta \cdot {\text{E}}}$

En estas ecuaciones, r _H representa el radio hidrodinámico de los coloides ,${\displaystyle \nu }$ – la velocidad de migración electroforética,${\displaystyle \eta }$– la viscosidad dinámica de las soluciones,${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ – constante dieléctrica en el vacío,${\displaystyle \varepsilon _{r}}$es la constante dieléctrica relativa del agua a 298  K,${\displaystyle \zeta }$es el potencial zeta , E es el campo eléctrico . El radio hidrodinámico es la suma de los radios de las partículas y la interfaz del disolvente estacionario.

Mediante la migración electroforética en estado estacionario de coloides cargados , la fuerza electroforética y la fuerza de resistencia hidrodinámica se encuentran en equilibrio, descritas por:

F _W + F _E = 0

Estos efectos influyen en la electrofiltración de biopolímeros , que también pueden cargarse, no solo por la fuerza de resistencia hidrodinámica sino también por la fuerza del campo eléctrico. Centrándonos en el lado del cátodo, se observa que las partículas cargadas negativamente se ven afectadas por la fuerza del campo eléctrico, que es opuesta a la fuerza de resistencia hidrodinámica. De esta manera, la formación de torta de filtración en este lado se ve impedida o, en una situación ideal, no se forma torta de filtración en absoluto. En este caso, el campo eléctrico se denomina campo eléctrico crítico E _crit . Como resultado del equilibrio de estas fuerzas, los líquidos sometidos a la influencia de la fuerza eléctrica se cargan. Además de la presión hidráulica aplicada ∆pH, el proceso también se ve influenciado por la presión electroosmótica P _e .

Modificando la ecuación básica de Darcy , que describe la formación de torta de filtración, con efectos electrocinéticos por integración bajo la suposición de usar las constantes de presión electroosmótica P _e , el campo eléctrico crítico E _krit y el campo eléctrico E resultados: Trabajos científicos previos realizados en el Departamento de Ingeniería de Bioprocesos, Instituto de Ingeniería en Ciencias de la Vida, Universidad de Karlsruhe demostraron que la electrofiltración es efectiva para la concentración de biopolímeros cargados . Ya se han obtenido resultados muy prometedores con respecto a la purificación del polisacárido cargado xantano . ^{[ 2 ]} La Figura 2 representa la torta de filtración de xantano.

• Vorobiev E., Lebovka N., (2008). Electrotecnologías para la extracción de plantas alimenticias y biomateriales, ISBN 978-0-387-79373-3.