Procesos de separación: sedimentación, centrifugación, extracción líquido a líquido,
destilación y filtración por membranas.
Clase: 10 Tiempo: 80 min
Objetivos: Después de terminar estudiar el material los estudiantes podrán:
razones por las cuales se efectuan los pasos asociados a este proceso.
2) Explicar alguno de los procesos comunes de separación tales como la sedimentación, la centri-
fugación, la extracción líquido a líquido, la destilación y filtración por membranas.
Teoría:
Propagación de los microorganismos:
Según hemos visto anteriormente, un solo microorganismo que se reproduzca a razón de una duplicación de la masa celular cada 20 minutos podría generar suficiente masa celular para operar un gran fermentador en menos de 24 horas. Sin embargo no es costumbre inocular un fermentador con una cepa de microorganismo directamente de un cultivo para propagar el mismo. Usualmente se sigue un proceso de inoculación, incubación y traspaso de medios de pequeños volumenes a medios de mayor tamaño, tal y como se ilustra en la siguiente figura. Estos traspasos se hacen de forma aséptica de la misma forma que vimos en clases anteriores
1. La probabilidad de contaminación con otros microorganismos no deseados es más baja debido a que en las etapas iniciales los volúmenes de los medios son más pequeños y más manejables.
2. Se puede identificar contaminación en las etapas previas a la inoculación del fermentador, evitando que toda la materia prima utilizada en el proceso se pierda.
Una vez se realiza una incubación, la cantidad de células de microorganismo que se traspasa al próximo medio minimiza el efecto por contaminación de etapas subsiguientes. Esto se debe a que los microorganimismos presentes entran en un proceso de competencia en donde aquellos que se encuentren en mayoría tendrán más probabilidades de sobrevivir que aquellos que no han alcanzado un número de células considerables.
Otra forma de inocular microorganismos dentro de un medio de fermentación es mediante la inoculación con una gran cantidad de esporas o células liofilizadas. Las esporas se preparan en un proceso a parte de propagación en donde se utiliza el cambio de condiciones ambientales (temperatura, pH, etc) que fomenten la formación de las mismas. Estas esporas se fijan en algún medio sólido en forma de pequeñas esferas (pellets) y se empacan en bolsas. Las mismas se tratan posteriormente como si fueran un ingrediente del proceso.
De manera similar se puede procesar células mediante el mecanismo de liofilización. En la liofilización se extrae agua de las células bajando la temperatura del medio a regiones donde el agua solo se puede encontrar en fases sólidas o gaseosas (ver abajo el diagrama de fases), congelándose la misma. Entonces se procede a bajar la presión hasta el punto donde se sublima el agua (pasa de la fase sólida a la fase gaseosa). De esta forma el agua escapa de las células sin tener que romperse la membrana celular. Las células pasan de un estado vegetativo a un estado inactivo por falta de agua para que ocurran las reacciones metabólicas.
Procesos de Separación:
Sedimentación y Precipitación:
La sedimentación ocurre cuando naturalmente por gravedad las partículas de mayor densidad en una mezcla bajan hasta el fondo del envase que las contenga. Debemos diferenciar entre sedimentación y precipitación, pues esta última no ocurre si no se añade algún agente químico que fomente la misma, pues las partículas que se precipitan están originalmente en solución o suspendidas, lo que haría imposible que sedimenten por si solas.
La centrifugación es una técnica común en los procesos de separación de particulado utilizados en la biotecnología. Existen muchos tipos de centrífugas que se utilizan mayormente a nivel de laboratorio o a nivel industrial. A nivel industrial podemos encontrar mayormente dos grandes clasificaciones: las que operan en forma continua y las que operan en tanda. Todas ellas, sin embargo, utilizan el mismo principio de separación. Una cámara que contiene la mezcla a separarse rota a grandes velocidades. A medida que esto ocurre, las partículas dentro de la cámara se ven forzadas a realizar un movimiento rotatorio. Sin embargo, la restencia al movimiento de las partículas de mayor masa unido a la fueza que las intenta mover de forma rotaroria harán finalmente que estas tiendan a moverse en forma radial hacia afuera similar a lo que ocurre en una lavadora de ropa cuando esta se ecuentra en el ciclo de exprimir la ropa.
La separación de un compuesto de un líquido en una mezcla por tratamiento con un solvente con mayor poder de solubilidad del compuesto a separar se le conoce como extracción líquido-líquido. Una característica fundamental del solvente a utilizarse para la extracción es que este debe ser inmisible (o muy poco soluble) en el líquido que originalmente contiene el compuesto a separar. En estas extracciones es necesario un sistema de mezclado que provea que el solvente entre en contacto con el líquido de la alimentación, lo cual permite un área de superficie grande en donde ocurrirá la transferencia de masa del compuesto. Debido a la baja solubilidad del solvente en el líquido de la alimentación, resulta sumamente fácil separar estos luego de que ha ocurrido la extracción.
La destilación es un proceso de separación de mezclas y soluciones de compuestos basada en las diferencias en los puntos de ebullición de los componentes. La misma se realiza en un aparato en forma de columna vertical que se conoce como columna de destilación. Estas columnas usualmente contienen empaques o platos que ayudan a proveer un área de superficie donde el líquido que baja (rico en los componentes menos volátiles) entra en contacto con el vapor que sube (rico en los componentes más volátiles). Durante este contacto parte de la energía que contiene el vapor es transferida al líquido, lo que hace que los componentes más volátiles en el líquido pasen a la fase gaseosa. La perdida de energía del vapor (en forma de calor) hace que los componentes menos vólatiles que contenga el vapor pasen al líquido.
Las columnas usualmente contienen dos elementos adicionales: "el re-hervidor" (reboiler en inglés) y el condensador. El re-hervidor es el lugar donde se calienta el líquido que ha bajado por la columna para que este pase a ser vapor y suba por la misma. El condensador es el lugar donde el vapor se condensa y pasa a ser líquido.
Las membranas son una técnica de separación que utiliza una barrera semipermeable que permite el paso selectivo de ciertos compuestos. Existen varios tipos de sistemas de filtración de membranas. Estos están basados en los tamaños de poro de las membranas, el mecanismo de retención de partículas y la fuerza propulsora que permite el paso de estas y el tipo de arreglo de las membranas. Uno de los aspectos más importantes en el uso de membranas es que el flujo de los componentes que pasan la membrana es perpendicular al flujo de la alimentación, lo que reduce el efecto de ensuciamiento debido a la acumulación de compuestos retenidos por la membrana.