Filtración de flujo cruzado

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 de extremo muerto, 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 él. ^{[ 1 ]} La principal ventaja de esto es que la torta de filtración (que puede obstruir el filtro) se elimina sustancialmente durante el proceso de filtración, lo que aumenta el tiempo de funcionamiento de una unidad de filtración. Puede ser un proceso continuo, a diferencia de la filtración de extremo muerto por lotes.

Este tipo de filtración se suele seleccionar para fluidos con una alta proporción de sólidos de partículas pequeñas (donde el permeado es de mayor valor), ya que el material sólido puede obstruir rápidamente la superficie del filtro mediante filtración a presión cero. Un ejemplo industrial de esto es la extracción de antibióticos solubles de los licores de fermentación .

La principal fuerza impulsora del proceso de filtración de flujo cruzado es la presión transmembrana. Esta presión mide la diferencia de presión entre ambos lados de la membrana. Durante el proceso, la presión transmembrana puede disminuir debido al aumento de la viscosidad del permeado, lo que reduce la eficiencia de la filtración y puede prolongar el tiempo de procesamiento en grandes cantidades. Esto se puede evitar diluyendo el permeado o aumentando el caudal del sistema.

En la filtración de flujo cruzado, la alimentación se hace pasar a través de la membrana filtrante (tangencialmente) a presión positiva con respecto al lado del permeado. Una parte del material cuyo tamaño es menor que el de los poros de la membrana pasa a través de ella como permeado o filtrado ; el resto se retiene en el lado de alimentación de la membrana como retenido.

En la filtración de flujo cruzado, el movimiento tangencial del fluido a través de la membrana provoca que las partículas atrapadas en la superficie del filtro se desprendan por fricción. Esto significa que un filtro de flujo cruzado puede funcionar de forma continua con cargas de sólidos relativamente altas sin obstruirse.

• Se logra una mayor tasa de eliminación de líquidos en general al evitar la formación de torta de filtración.
• El material de alimentación del proceso permanece en forma de lodo móvil, apto para su posterior procesamiento.
• El contenido de sólidos de la suspensión del producto puede variar en un amplio rango.
• Es posible fraccionar partículas por tamaño ^{[ 3 ]}
• Efecto de pinzamiento tubular

La tecnología de filtración por membrana de flujo cruzado se utiliza ampliamente en la industria a nivel mundial. Las membranas de filtración pueden ser poliméricas o cerámicas, según la aplicación. Los principios de la filtración de flujo cruzado se emplean en ósmosis inversa , nanofiltración , ultrafiltración y microfiltración . Para la purificación de agua, puede resultar muy rentable en comparación con los métodos de evaporación tradicionales.

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 puede utilizarse en diferentes etapas de la purificación, dependiendo del tipo de membrana seleccionada. ^{[ 2 ]}

En la fotografía de una unidad de filtración industrial (a la derecha), se observa que la tubería de recirculación es considerablemente más grande que la de alimentación (tubería vertical a la derecha) y que la de permeado (pequeños colectores cerca de las filas de abrazaderas blancas). El tamaño de estas tuberías está directamente relacionado con la proporción de líquido que fluye a través de la unidad. Una bomba específica se encarga de recircular la alimentación varias veces antes de que el retenido rico en sólidos pase a la siguiente etapa del proceso.

La obstrucción de la membrana en la filtración de flujo cruzado puede controlarse mediante estrategias operativas derivadas de modelos físicos y mecanicistas. Este enfoque se describe a veces como control determinista de la obstrucción y se basa en la observación de que el comportamiento de la obstrucción en sistemas de membrana impulsados ​​por presión suele seguir regímenes distintos regidos por mecanismos dominantes de transporte y deposición. ^{[ 5 ]}

Las descripciones clásicas, incluidas las derivadas de las leyes de ensuciamiento de Hermia , relacionan la disminución del flujo con el bloqueo de los poros, los mecanismos intermedios y la formación de tortas. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En este contexto, se pueden seleccionar parámetros operativos como la presión transmembrana , la velocidad de flujo transversal y el flujo para que se mantengan dentro de las condiciones asociadas con una obstrucción limitada o reversible. Este enfoque está relacionado con conceptos establecidos como el flujo crítico y el flujo límite, que definen umbrales operativos por debajo de los cuales la obstrucción permanece controlada. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Estos enfoques se aplican ampliamente en procesos biofarmacéuticos que utilizan filtración de flujo tangencial (TFF), donde el control del comportamiento de ensuciamiento es relevante para mantener un flujo estable y un rendimiento de separación adecuado. ^{[ 10 ]}

Análisis técnicos recientes han propuesto interpretaciones unificadas del comportamiento de la incrustación basadas en regímenes operativos derivados físicamente y efectos de transporte a escala del sistema. ^{[ 11 ]}

La terminología no está estandarizada universalmente y se superpone con enfoques más amplios basados ​​en modelos y mecanicistas para el control de la incrustación en la ingeniería de membranas. ^{[ 12 ]}

El flujo o caudal en los sistemas de filtración de flujo cruzado viene dado por la ecuación: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle J={\frac {\Delta P}{(R_{\rm {m}}+R_{\rm {c}})\mu }}}$

en el cual:

• ${\displaystyle J}$: flujo líquido
• ${\displaystyle \Delta P}$: presión transmembrana (también debe incluir los efectos de la presión osmótica para las membranas de ósmosis inversa)
• ${\displaystyle R_{\rm {m}}}$: Resistencia de la membrana (relacionada con la porosidad total )
• ${\displaystyle R_{\rm {c}}}$: Resistencia de la torta (variable; relacionada con la obstrucción de la membrana)
• ${\displaystyle \mu }$: viscosidad del líquido

Nota:${\displaystyle R_{\rm {m}}}$y${\displaystyle R_{\rm {c}}}$Incluyen el inverso del área de la superficie de la membrana en su derivación; por lo tanto, el flujo aumenta con el aumento del área de la membrana.

• Filtración sin salida
• Ensuciamiento de la membrana

• Terminología de la IUPAC para membranas y procesos de membrana (1996)
• Centro de aprendizaje de ultrafiltración
• Manual del método de filtración de flujo cruzado para la purificación de proteínas