29 Sep
Métodos de Ruptura Celular
Principios Generales
Los métodos de ruptura celular tienen como objetivo la ruptura o permeabilización de la pared celular para liberar productos intracelulares. Curiosamente, muchos de los equipos utilizados en esta etapa no fueron diseñados específicamente para este fin, sino que son adaptaciones de tecnologías del área de alimentos u otros sectores industriales.
La selección del método de ruptura es crucial y dependerá de las características del producto que se desea purificar, como su capacidad para resistir a medios alcalinos.
Métodos Mecánicos: Homogeneización de Alta Presión (HAP/HPH)
La homogeneización de alta presión (HAP o HPH, por sus siglas en inglés) es un método mecánico que se basa en la aplicación de fuerzas de corte que deforman y rompen las células. Es una adaptación de dispositivos originalmente diseñados para crear emulsiones y se ha convertido en uno de los equipos más utilizados para la ruptura celular a nivel industrial.
Características de los Métodos Mecánicos
- Efectividad: Suelen ser más efectivos que los métodos no mecánicos.
- Escalabilidad: Son más fáciles de escalar a nivel industrial.
- Especificidad: Son inespecíficos, lo que significa que rompen las células sin seleccionar componentes.
- Energía: Requieren un alto consumo de energía.
- Riesgos: Pueden dañar productos lábiles (sensibles al calor o al cizallamiento) y algunas subestructuras celulares.
- Complejidad: La separación posterior de otros materiales o subproductos puede ser complicada.
Mecanismo de Acción del HPH
El HPH es un método no selectivo. El proceso consiste en someter una suspensión bacteriana a una elevada presión mediante una bomba de desplazamiento positivo. Posteriormente, esta presión se libera de forma abrupta al hacer pasar el fluido a través de un orificio estrecho o una válvula. Durante este paso, las células experimentan una elevada fuerza de corte que destruye sus membranas, y adicionalmente, las partículas chocan contra la superficie de la válvula, contribuyendo a la disrupción.
Parámetros Clave de Diseño
Presión de Operación
El rango de operación típico se encuentra entre 20 y 120 MPa. El nivel de disrupción celular guarda una relación exponencial con la presión aplicada. (Nota: 1 Pa = 1 N/m²; 1 MPa = 10 bar).
Diseño de la Válvula
El estrés mecánico creado por la válvula es el factor clave para la disrupción celular. Los diseños con orificios de bordes afilados son los más comúnmente utilizados por su alta eficiencia.
Localización del Producto
Las condiciones de operación (presión, número de pasadas) serán más o menos drásticas en función de dónde se encuentre el producto de interés. Se requerirá más energía si el producto está en el interior de un orgánulo en comparación con si se encuentra en la propia membrana celular.
Temperatura
La temperatura tiene un doble efecto: por un lado, su aumento reduce la viscosidad de la suspensión (lo cual es favorable para el proceso), pero por otro, puede desnaturalizar el producto de interés. Es fundamental encontrar la temperatura óptima de trabajo para cada caso.
Número de Pasadas
La cinética de desintegración celular sigue un modelo de primer orden con respecto al número de pasadas a través de la válvula. Aumentar el número de pasadas incrementa el rendimiento de la ruptura, aunque con rendimientos decrecientes.
Separación de Sólidos por Clasificación Hidráulica
La separación de dos sustancias sólidas que poseen densidades y tamaños de partícula diferentes es posible mediante técnicas como la clasificación hidráulica. El principio fundamental es que sus velocidades de sedimentación sean distintas. Cuando las partículas de dos materiales (A y B) tienen diferentes densidades (ρA ≠ ρB) y distintos diámetros, se consideran partículas no isodrómicas, lo que permite su separación.
El Desafío de la Isodromia
El principal problema en este proceso es la isodromia. Este fenómeno ocurre cuando, a pesar de tener diferentes densidades y tamaños, la velocidad de sedimentación de las partículas de ambas sustancias coincide. Si esto sucede, en el clasificador se obtendría una mezcla indeseada de partículas de las dos sustancias.
Por ejemplo, en un clasificador hidráulico ideal, se busca obtener en un recipiente las partículas más grandes de la sustancia más densa y, en otro, las partículas más pequeñas de la sustancia menos densa. Sin embargo, la isodromia puede provocar que una fracción intermedia contenga una mezcla de las partículas más pequeñas de la sustancia densa y las partículas más grandes de la sustancia menos densa, comprometiendo la pureza de la separación.
Para evitar que las velocidades de sedimentación coincidan y lograr una separación efectiva, es crucial controlar parámetros operativos como el caudal de alimentación (Qv) del fluido en el clasificador.
Procesos de Filtración Industrial a Vacío
Principio de Funcionamiento
En la filtración a vacío, la fuerza impulsora para la separación no es una presión positiva sobre la alimentación, sino una depresión o succión practicada en el lado opuesto del medio filtrante. Típicamente, la suspensión a filtrar (alimentación) se encuentra a presión atmosférica, mientras que el líquido filtrado se recoge a una presión inferior, generada mediante un sistema de vacío.
Estos sistemas son altamente recomendables para la filtración a gran escala, ya que permiten un trabajo en continuo (con etapas de filtración, lavado y descarga de la torta de forma automática) operando a baja presión. Sus aplicaciones industriales son variadas, destacando en procedimientos de fabricación de gran tonelaje como el desparafinado de aceites lubricantes.
Tipos de Filtros a Vacío
Los filtros de este tipo más utilizados industrialmente son los rotatorios, principalmente de tambor y de discos.
Filtros Rotatorios de Tambor
Un filtro de tambor a vacío consiste en un gran cilindro hueco y perforado que rota lentamente sobre un eje horizontal. La superficie del tambor está cubierta por una tela o lona que actúa como medio filtrante y se divide en distintos sectores internos. A medida que el tambor gira, una parte se sumerge en la suspensión, donde el vacío succiona el líquido hacia el interior del tambor y los sólidos quedan retenidos en la superficie, formando una torta.
Posteriormente, la torta rota fuera del líquido, puede ser lavada y secada, y finalmente es eliminada mediante una cuchilla rascadora. Este método permite obtener una torta más seca en comparación con otros tipos de filtración, y el líquido filtrado se recoge de forma separada. El espesor de la torta puede regularse ajustando la velocidad de giro del tambor.
Filtros Rotatorios de Discos
Este diseño es una variación del filtro de tambor. En lugar de un cilindro, utiliza una serie de discos paralelos montados sobre un eje común horizontal. Cada disco tiene una superficie permeable y está sectorizado internamente de forma similar al tambor. La principal ventaja de los filtros de discos es que ofrecen una mayor área de filtración en el mismo espacio físico. Sin embargo, presentan dos desventajas importantes: el lavado de la torta es menos eficaz y la descarga mecánica de la torta es más difícil de realizar.
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