Concentrándonos en la Calidad - Filtración por membranas |
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Presentación de la Sociedad de Filtración
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Filtration Spectrum |
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| Pressure Range Bar g |
Pore Size Angstrom |
Filtration Range | Application | |
| Microfiltration | 0-3 | 103 - 104 | Particulate | Solid/liquid Separation |
| Ultrafiltration | 2-10 | 30-100 | Molecular | Fractionation/new line/liquid/liquid separation |
| Nanofiltration | 10-30 | 10-100 | Ionic (divalent) | Purification |
| Reverse Osmosis | 1-10 | Ionic | Ionic | Concentration |
Estudio de Caso 1 - Procesamiento de Suero
En la producción de queso, casi el 90% del volumen de la leche líquida que entra a la planta se convierte en suero - un sub-producto líquido en la fabricación del queso, que anteriormente se consideraba un inconveniente y era difícil de desechar de la corriente del efluente; con frecuencia se vaciaba al mar, se rociaba en los campos o se alimentaba a las vacas. Hoy, el procesamiento económico del suero es de importancia crítica en la economía de la fabricación del queso, dado que el costo del desecho de los efluentes es del orden de £200 por tonelada.
A manera de regla empírica, cualquier fábrica de queso que produzca más de 300 m3 de suero al día, puede procesarlo lucrativamente; sin embargo, dado que muchas lecherías no tienen este volumen de escala, es común pre-concentrar el suero en la fábrica de queso y enviarlo en camión-cisterna a una instalación dedicada para su posterior procesamiento.
Consideremos el ejemplo de una planta de queso que produce 750 toneladas de suero al día y que busca mejorar la economía de sus procesos, utilizando 2 evaporadores TVR en paralelo, para concentrar el suero de aproximadamente de un 6% a 35% de sólidos antes de enviarlo fuera para su terminado y secado en otro sitio.
Se pueden considerar cinco estrategias alternas:
- No hacer nada, de no ser por una optimización menor de las plantas de evaporación existentes.
- Instalar una planta de Ósmosis Inversa frente a otra en los evaporadores.
- Instalar un preconcentrador de Ósmosis Inversa además de una planta de Nanofiltración y poner en inactividad los dos evaporadores.
- Instalar un solo evaporador MVR que optimice el uso de la energía.
- No procesar en el sito sino enviar el suero, con una concentración del 6% de ST, en camión-cisterna para que se seque en otra parte.
En la Tabla 2 se señalan los resultados de la evaluación, que, según se observa excluye el procesamiento posterior, es decir, concentración y secado.
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Whey Processing Evaluation
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Cost Per Year (£K) |
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| Utilities | Tankerage | CIP | Effluent | Membrane Replacement | Annual Running Cost | Capital Cost | Total Cost 3 Year | Total Cost 5 Year | |
| 1. Existing Evaporators | 600 | 330 | 25 | 75 | 1,030 | - | 3,090 | 5,150 | |
| 2. Flow Scheme RO+ Evap | 200 | 330 | 40 | 10 | 30 | 630 | 600 | 2,430 | 3,650 |
| 3. Flow Scheme RO + NF | 95 | 515 | 50 | 25 | 60 | 745 | 410 | 2,645 | 4,135 |
| 4. New MVR | 135 | 330 | 40 | 10 | 15 | 530 | 1,400 | 2,990 | 4,050 |
| 5. No Site Processing | 85 | 2,500 | 2,585 | - | 7,750 | 12,925 | |||
Se debe observar que en el caso de la opción 3, la concentración de sólidos resultante es de aproximadamente 22% en la planta de Nanofiltración en comparación con el 35% del evaporador y por tanto genera un incremento en el costo subsiguiente de procesamiento - evaporación a aproximadamente 52% de ST antes de secar por aspersión - durante el procesamiento siguiente.
Sin embargo, debido a las características de separación singulares de la membrana de Nanofiltración, el producto resultante se desmineralizaría parcialmente en aproximadamente 40%, lo que por si mismo se refleja en el valor del producto.
En este caso, la solución que se prefiere es la número 2; usar una planta de Ósmosis Inversa para la preconcentración del suero, lo que ofrece el retorno más favorable en cinco años.
Si se considera una recuperación más prolongada, entonces la opción 4, un evaporador MVR nuevo, también ofrece una solución atractiva.
En este ejemplo, la preconcentración por filtración por membranas tiene varias ventajas claras:
- Transición óptima de 8-12% de SD.
- Bajos costos de inversión.
- Bajo consumo de energía.
- Requisitos de espacio reducidos
- Facilidad de integración
En el caso de estudio consideramos únicamente la concentración y su secado subsiguiente para formar suero en polvo, usado ampliamente como ingrediente alimenticio adicional a la leche descremada o como sustituto de la misma. Sin embargo, con la filtración por membranas el suero se puede procesar para generar diversos productos de valor agregado.
| Para comprender lo que se puede lograr, primero debemos considerar la composición relativa de la leche entera y del suero. Tabla 3
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Las proteínas del suero al que se hace mención tienen la siguiente composición aproximada. T Tabla 4
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En la Fig. 1 (se abre una ventana nueva), se ilustran las diversas opciones para procesar el suero.
Al concentrar el suero por Ultrafiltración, se puede generar un producto con un contenido proteico de 35-50% y de sólidos totales de hasta 15%, que por razones de economía se puede concentrar aún más hasta lograr de 40 a 45% de sólidos totales antes de secarlo con un proceso de secado por aspersión de etapas múltiples.
Agregando agua a este sistema se transforma en una Diafiltración como una segunda etapa del proceso, se puede reducir la concentración de lactosa, dado que esta atravesará las membranas de la Diafiltración y las proteínas del suero se retendrán para lograr un contenido de proteínas de más del 80%.
El proceso se ilustra en la figura Fig. 2 (se abre una ventana nueva).
Para refinar aún más el WPC y lograr un contenido proteico superior al 90%, se deben eliminar las grasas por Microfiltración, por lo general usando un sistema cerámicas instalado entre las dos etapas de Ultrafiltración, como se muestra en la Figura. 3 (se abre una ventana nueva).
Al producto resultante se le denomina aislado de proteina de suero (WPI), en este caso WIP-90, y se puede considerar como una fuente casi pura de proteína, con propiedades funcionales altamente convenientes, y valor similar al del queso.
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Tabla 5
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WPC 35 |
WPC 80 | WP1 | |
| Tamaño del mercado | 3.5 | 1.25 | 1 |
| Costo de producción | 1 | 2 | 6 |
| Precio del mercado | 3.5 | 8 | 16 |
En la Tabla 5 se indican: el tamaño del mercado relativo, el precio de mercado y los costos de producción.
Hasta hace poco tiempo aquí terminaba la historia. Hoy en día, sin embargo, al combinar la separación cromatográfica con la filtración por membranas se puede separar cada una de las proteínas del suero, con una pureza del orden de 80-90%, lo que ha abierto un nuevo abanico de posibilidades interesantes.
Hemos visto que si bien la leche humana en su mayor parte es alfa-lactalbumina y lactoferrina, la proteína principal del suero es beta-lactoglobulina.
Si esto se puede aislar selectivamente, se puede producir leche para niños más similar a la leche humana en cuanto a su composición, lo que representa una industria global de $ 8-10 mil millones de dólares.
Otra área de productos de alto crecimiento y alto margen de utilidad que utilizan las proteínas aisladas del suero son los productos fermentados, como es el caso de las bebidas saborizadas, yogures probióticos y bebidas deportivas que argumentan beneficios importantes para la salud, incluyendo el control e incluso la reducción del colesterol. De manera que, al derrumbarse los precios del queso, algún día se considerará como un sub-producto en la producción de proteínas.
Estudio de Caso 2 - Producción de Enzimas
Los avances en la biotecnología han revolucionado la producción comercial de muchos productos bioquímicos, en especial las enzimas industriales. La industria de las enzimas, usadas tanto como materias primas como en productos especializados, ha crecido aceleradamente, ejerciendo presión para mejorar la eficiencia de la fabricación y la economía en los procesos de cosecha y purificación, pasos requeridos en la producción de enzimas.
Por lo general se fabrican por la fermentación de organismos genéticamente modificados; los métodos de recuperación tradicionales han sido la cosecha de células y la purificación de enzimas por centrifugación y filtración con capas filtrantes. La filtración por membranas de flujo cruzado, en especial la Microfiltración, se ha utilizado cada vez con mayor frecuencia para sustituir uno o los dos pasos de separación anteriores dadas sus ventajas en cuanto a menor inversión y costos de operación, rendimiento enzimáticos más altos y la simplificación de los métodos de procesamiento aguas abajo.
Las enzimas industriales tienen compuestos potentes que pueden mejorar considerablemente la velocidad o la eficiencia de las reacciones bioquímicas, sin alterar el proceso subyacente. Tradicionalmente el uso de enzimas industriales se había restringido un poco debido a la alta sensibilidad (pH, temperatura, humedad, contaminantes) y por las limitaciones en el almacenamiento. Estas desventajas ya se han superado con el desarrollo de enzimas recombinantes que clonan y aíslan cadenas complementarias y específicas de ADN. La ingeniería de proteínas, la evolución molecular y demás técnicas de diseño de proteínas se están usando constantemente para refinar las características y el rendimiento de las enzimas.
Las enzimas, que en ocasiones se conocen como biocatalizadores, tienen gran potencial para mejorar las reacciones al incrementar la eficacia de los agentes tradicionales, e incluso sustituirlos. Las enzimas con frecuencia resultan más económicas que los productos químicos tradicionales y son, a la vez, ecológicamente más seguras. Por tanto, las empresas están invirtiendo enormes cantidades en la investigación y el desarrollo de las células genéticamente modificantes para producir enzimas muy concentradas. Los usos más comunes, hoy en día, de estas enzimas, son en detergentes (eliminación de manchas), textiles (reducción de arrugas), etanol y piel, pero las aplicaciones potenciales son probablemente miles.
Si bien los avances en la biotecnología han permitido que la ingeniería de enzimas desarrolle muchas aplicaciones, hoy en día menos de 30 enzimas son las que intervienen en más del 90% de los usos industriales. Se espera que esta situación cambie a medida que aumente el número de nichos y de enzimas y sus usos específicos, por ejemplo, el uso de la fitasa en forrajes. El mercado está creciendo a un ritmo saludable, principalmente por la contribución de las enzimas en este proceso. En 2003, las ventas mundiales de enzimas superaron los 2 mil millones de dólares.
Tecnología de separación
El desarrollo de nuevas enzimas trae consigo la oportunidad para desarrollar procesos nuevos y mejorados de recuperación y separación. La clave consiste en refinar y desarrollar la fabricación de enzimas de manera que la producción sea lo suficientemente económica como para alentar a su uso.
En la modificación genética del ADN celular y con la finalidad de implantar o modificar ciertas características, los científicos han utilizado tres tipos principales de organismos: bacterias (la cepa más común son las pseudomonas), levaduras u hongos (en contraposición a las células de mamíferos utilizadas para la producción de ingredientes farmacéuticos). Todos usan tecnología de fermentación para multiplicar las células. Las enzimas por lo general, aunque no siempre, son extracelulares, lo que significa que crecen fuera de la célula. Dado que la célula permanece intacta y la enzima está fuera de la misma, se requiere una separación física para recuperar las enzimas en el caldo de fermentación. Este proceso es mucho más sencillo que la recuperación en un compuesto intracelular, en el que primero se deben romper las células, creando una mezcla de ingredientes de diversos tamaños y características.
Para este tipo de separación por lo general se usan membranas cerámicas, que retienen la totalidad de la célula y permiten el paso de la enzima para su posterior recuperación en la corriente del permeado. Esta es una alternativa atractiva y económica a las técnicas de separación tradicional como la centrifugación y la filtración de punto muerto.
El enfoque convencional para la cosecha celular ha sido utilizar un filtro de tambor centrífugo o rotatorio para eliminar la mayor parte de las células, seguido por un filtro de capa filtrante o un filtro de prensa de hoja, para purificar las enzimas. Una vez separadas, las enzimas se concentran y se purifican por Ultrafiltración, antes del terminado (secado que no sea pulido) y la formulación. Esta fue una de las primeras aplicaciones de la UF, que se remonta al principio de la década de los setenta, y que usaba los sistemas de bastidores.
El centrifugado tiene varias desventajas, como la producción de calor, la desnaturalización de las proteínas, pero principalmente la separación incompleta por centrifugado se debe a que se basa en la densidad y no el diferencial de tamaño. Las técnicas de filtro de tambor rotatorio al vacío y otras de filtración sin salida también tienen desventajas, principalmente por el rendimiento global que resulta por la separación en dos etapas.
El enfoque moderno es usar Microfiltración de flujo cruzado, que tiene varias ventajas importantes sobre la tecnología convencional:
- Resulta generalmente más eficaz para purificar la enzima, con rendimientos de producto más altos, a la vez que mantiene la actividad biológica.
- Elimina los problemas asociados con el desecho del ayudafiltro de capa filtrante, como la tierra de diatomeas (TD) o pertita usados como medios de filtración. También elimina el costo y las dificultades originadas por la compra y manejo de los medios filtrantes.
- El filtración por membranas de flujo cruzado usa flujo tangencial y no filtración de punto muerto, como una prensa de filtración; de igual manera se puede limpiar con facilidad cuando se requiera, utilizando técnicas de limpieza en sitio y esterilizado por vapor.
- Permite controlar mejor los procesos y con frecuencia mejora el paso de purificación de Ultrafiltración aguas abajo, debido a la mayor pureza del producto.
- Tal vez lo que resulta más importante para la economía de los procesos modernos es el ahorro en la inversión inicial y en los costos del mantenimiento continuo, que resultan menores que en los sistemas convencionales de centrifugado/filtración de punto muerto.
La Figura 4 (se abre una ventana nueva) ilustra el cambio de un proceso de separación convencional por Microfiltración.
La aplicación de la Microfiltración puede ser distinta, dependiendo si el productor está instalando una línea de proceso completamente nueva o está convirtiendo/actualizando un proceso ya existente. En el caso de los sistemas nuevos, lo más económico es sustituir los pasos de centrifugado y filtración de capa filtrante por Microfiltración. Al actualizar los sistemas ya existentes, lo que más se recomienda es cambiar la filtración por capas y dejar el proceso de centrifugado, con esto se logra un mayor factor de concentración en la planta de Microfiltración y por tanto se optimiza el volumen de solución amortiguadora para lograr un rendimiento dado y por tanto reducir la demanda en la planta de Ultrafiltración durante la concentración subsiguiente.
Figure 5. A typical commercial microfiltration system.
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A diferencia de la industria de lácteos, donde los procesos son ya bien conocidos, el diseño de procesos y equipo y las pruebas piloto resultan cruciales para evaluar y definir las condiciones de operación específicas de un proceso de separación por Microfiltración para que las enzimas aseguren el éxito a escala comercial. La clave radica en diseñar y operar un sistema de Microfiltración que asegure que se obtenga la mayor capacidad posible para reducir los costos de capital y la mayor permeabilidad de enzimas, o del paso de enzimas por la membrana, para elevar al máximo el rendimiento y la recuperación.
Con base en la experiencia adquirida en la operación de programas de planta piloto a largo plazo, el reto mayor al diseñar con éxito un sistema de Microfiltración para enzimas ha sido lograr una alta permeabilidad de las enzimas por la membrana. El control de la capa limítrofe en la superficie de la membrana resulta crítico para asegurar la buena permeabilidad; se debe mantener a un mínimo absoluto para asegurar que la membrana misma realice la separación, y no la capa límite o el gel.
En aplicaciones de separación que presentan retos, como en el caso del procesamiento de enzimas, una caída grande de presión en las membranas de Microfiltración, que resulta por una velocidad optimizada en el flujo cruzado, puede dificultar que se mantenga la capa de gel, dado que potencialmente se tendrá una velocidad de flujo mucho más alta en la entrada de la membrana, a causa de la presión más alta. Para superar esta situación, las empresas han desarrollado una tercera generación de membranas cerámicas con un gradiente de membrana definido, produciendo un índice consistente entre la caída de presión y el espesor de la membrana, lo que se ha demostrado que logra un flujo de permeado uniforme a todo lo largo de la membrana. Esto permite la optimización, al reducir al mínimo la capa limítrofe y elevar al máximo la capacidad y la permeabilidad del producto.
Por tanto, la Microfiltración es el paso de cosecha de células que se prefiere cuando se trata de un diseño adecuado del sistema de membrana que utilice características tales como membranas de gradiente controladas, con el objeto de reducir los costos de procesamiento al mínimo y maximizar la economía del proceso de fabricación de enzimas (pdf)
Reducción de costos - Aumento de utilidades con Tecnologías de Filtración (pdf)
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