Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
REMOCION DE PRODUCTOS INSOLUBLES POR COAGULACION, FLOCULACION Y SEDIMENTACION
Los mostos de fermentación y otras soluciones biológicas son difíciles de filtrar, sedimentar o centrifugar, debido a las altas viscosidades y comportamiento no newtoniano o bien porque se forma trotas altamente compresibles. Estas tortas pueden deformarse en tapetes impermeables. Este fenómeno se presenta con microorganismos con micelio, aunque algunas bacterias tienen el mismo comportamiento. Para mejorar las características de los mostos para una mejor separación de sólidos, a menudo se realiza un tratamiento, entre los más comunes se encuentra el calentamiento, coagulación y floculación, además de la adición de filtro ayuda cuando se trata de filtración.
Calentamiento. El pretratamiento más simple, y usualmente más barato, es el calentamiento. Que ayuda a un mejor manejo del mosto, como ayudar a pasteurizar en algunos casos. El mayor problema lo representa la estabilidad térmica del material biológico. En el caso de proteínas, si están se desnaturalizan por calor, pierden sus propiedades funcionales. funcionale s.
Floculación y coagulación. La floculación o coagulación es un fenómeno que se presenta cuando es alterada la interfase sólido-líquido en dispersiones coloidales por la adición de electrólitos o agentes surfactantes, bajo condiciones físicas que permiten un aumento en el tamaño de partícula y área interfacial. Un requerimiento básico para la formación de partículas mayores es agrupar las más pequeñas. Si consideramos dos partículas esféricas
Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
Las fuerzas de atracción tales como fuerzas de London y de van der Waals son opuestas por la interacción de cargas distribuidas sobre cada partícula. Si la carga sobre la partícula puede ser reducida entonces un acercamiento es posible. El proceso de floculación requiere una carga débil en cada partícula y un evento de colisión, asumiendo que la repulsión eléctrica está ausente, lo cual es resultado del pretratamiento con el coagulante, entonces la velocidad de floculación depende del movimiento browniano. La regla de Schulze-Hardy establece que el efecto de coagulación está determinado por la 3+ 3+ valencia del ión con carga opuesta a la del sol. Los iones multivalentes como Al y Fe son efectivos para partículas cargadas negativamente, mientras los fosfatos lo son para partículas cargadas negativamente. Estos compuestos son conocidos como coagulantes primarios y se emplean en dosis de 40 a 200 ppm. La diferencia entre el fenómeno de coagulación y floculación es el tipo de agente utilizado para lograr el aumento de tamaño de partícula, siendo el uso de sales referido como coagulación, mientras el uso de polímeros se refiere como floculación. El uso de polímeros ha contribuido a la floculación de dispersiones, lográndose ésta con la adición de pequeñas cantidades (0.1 a 0.15 mg/L). Estos polímeros se clasifican de acuerdo a su naturaleza química en: no iónicos, aniónicos y catiónicos. En la figura 1 se muestran ejemplos. El mecanismo de floculación por polímeros involucra dos procesos que son, neutralización de la carga superficial y enlazamiento, según se ilustra el caso del uso de un polímero catiónico que colecta partículas con una carga neta negativa. La densidad de carga de un polímero es una medida importante de su capacidad para flocular. Usualmente, para una densidad de carga dada, el polímero con mayor peso molecular dará la velocidad de sedimentación más r+apida. Siempre es necesario determinar la dosis óptima a través de pruebas de laboratorio.
Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
Figura 1. Tipos de floculantes.
SEDIMENTACION. La separación de las fases sólida y líquida de una suspensión es a menudo un proceso de dos etapas. El primero es la floculación, seguida por la sedimentación donde se busca obtener un sólido compacto y rígido conteniendo pequeñas cantidades de agua. La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados para clarificar suspensiones, y depende de las propiedades de caída de las partículas en el líquido. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado (clarificación) y una suspensión más concentrada (espesamiento). Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
de las partículas, así como de su concentración. Así se tiene: a) Partículas discretas son aquellas que no cambian sus características (forma, tamaño, densidad) durante la caída. En una partícula sedimentando libremente actúan dos fuerzas: la flotación (principio de Arquimides - igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula) y la de gravedad
F F = ρ gV F g = ρ s gV ρ =densidad del líquido ρ =densidad del sólido s V =volumen de la partícula
(1) (2)
De la acción de ambas fuerzas tenemos la fuerza resultante, que será igual a la diferencia de estos dos valores y estará dada por: F i = ( ρ s – ρ ) g V (3) Arrastrada por esta fuerza (F ), i la partícula desciende con velocidad creciente, pero a medida que baja, la fricción que el líquido genera en ella crea una fuerza de roce definida por la Ley de Newton, cuyo valor es: F R = C D A ρ
v s2 2
(4)
donde: F R = fuerza de rozamiento 2 v s/2 = energía cinética A = área transversal al escurrimiento v = velocidad de sedimentación s C D = coeficiente de arrastre Después de un corto periodo, la aceleración pasa a ser nula y el valor de la fuerza de fricción(F R ) iguala a la de impulsión (F i ), momento en el cual la partícula adquiere una velocidad constante, conocida como velocidad de asentamiento o sedimentación. En ese momento se cumple que (3) y (4) son iguales; por lo tanto: gV (
_ ρ s ρ
) = C A D
v s2 2
ρ
(5)
De donde Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
2 gV ( ρ s
_
v s =
ρ
)
C D A ρ
(6) 2
3
Considerando que las partículas son esféricas: A=(πd /4) y V=(πd /6) Siendo d el diámetro de la partícula, si 3 π d V 6 2 (7) = = d 2 A π d 3 4 Sustituyendo en (7) en (6) 4 g ( ρ s
_
v s =
ρ
)d
3C D ρ
(8)
El coeficiente de arrastre de Newton es una función del Número de Reynolds y de la forma de las partículas n CD=aRe Siendo a = constante específica Re = Número de Reynolds, igual a v s d Re = η
η = viscosidad cinemática Si d<0.085 mm, Re<1, entonces prevalece flujo laminar, siendo CD=24/Re Por lo que (8), se transforma en la ecuación de Stokes d 2 ( ρ s
ρ g
d 2 ( ρ s
ρ g
_
v s =
)
18 ρη Que puede ser vista como _
(9)
)
(10) 18 μ Donde vs es la velocidad de sedimentación (m/s) d – diámetro de la partícula (m) 3 ρs – densidad del sólido (kg/m ) 3 ρ – densidad del líquido (kg/m ) μ – viscosidad del líquido (Pa-s) 2 g – aceleración de la gravedad (9.81 m/s ) v s =
La ley de Stokes es válida para la suspensión si se cumple que: dv ρ l
<
1,
µ
lo cual comúnmente ocurre para solutos biológicos. Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
b) Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas (forma, tamaño, densidad) sí cambian durante la caída. La sedimentación de partículas puede dividirse en: caída libre e interferida. a) Caída libre, cuando existe una baja concentración de partículas en el líquido, éstas se depositan sin interferir. b) Caída interferida, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre una sedimentación en masa, también se le conoce a este fenómeno como sedimentación zonal. Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de lodos. Klinch establece las hipótesis fundamentales para la decantación interferida, en la cual la velocidad de caída de una partícula depende principalmente de la concentración de las partículas. Al llenar una columna de sedimentación de altura y diámetro adecuados con una suspensión floculenta de elevada concentración, se tiene inicialmente una concentración uniforme en toda la altura de la columna. En diferentes tiempos se mide la altura de la capa superior de los lodos y se obtiene una curva como la mostrada.
Las zonas que se generan son: Zona A-B. La superficie de separación es muy definida. Esta es una fase de coalescencia de los flóculos seguida de una zona muy pequeña de decantación libre (en la mayoría de casos, esta primera zona no se produce). Zona B-C. Tiene una pendiente rectilínea. Corresponde a una velocidad de caída constante definida únicamente por el tipo de floculación y la concentración de la s partículas. Al incrementarse la concentración centración inicial de las partículas disminuye la velocidad. A esta zona se la denomina decan tación frenada. Zo na C -D . En esta zona se produce la disminución progresiva de la velocidad de caída. Se denomina zona de desa ce le ració n o transición. Zona D -E. En esta zona los flóculos se tocan y ejercen presión sobre las capas inferiores, puesto que están soportados por estas. Se le llama zona de compresión. Si consideramos, por simplicidad, que al decantarse una suspensión concentrada no se produce la primera zona, se obtienen las alturas de separación de interfase como se in dica en la figura siguiente
Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
En el triángulo BOC, la concentración y la velocidad de caída son constantes e iguales, respectivamente, a los valores iniciales en B. En el triángulo COD, las curvas de equiconcentración son rectas que pasan por el origen, lo que significa que, desde los primeros momentos de la sedimentación, las capas más próximas al fondo se tocan y pasan por todas las concentraciones comprendidas entre la concentración inicial y la concentración al punto D, principio de la compresión. Para calcular la concentración en un punto M de la parte CD, se traza la tangente en M, que corta al eje de ordenadas en hi.. La sedimentación de masas floculadas es un proceso complicado que involucra rearreglos en el sedimento después de que los flóculos mismos se han sedimentado. Los flóculos del fondo son comprimidos por el peso de los que sedimentan sobre ellos, así los flóculos son usualmente bultos de partículas mantenidos juntas por fuerzas d ébiles atrapando en su estructura considerables cantidades de medio líquido. Esto produce un sedimento con varios grados de densidad. El punto crítico de sedimentación indica el momento donde todos los sólidos forman parte del sedimento. Los factores más importantes que afectan la velocidad y la naturaleza de la sedimentación de partículas en suspensión son: a) Naturaleza de las partículas. Tamaño, forma, gravedad específica, propiedades químicas, etc. b) Relación de concentración sólido-líquido c) Naturaleza del pretratamiento d) Naturaleza del envase del contenedor. Tamaño, forma, efectos de pared. Las dimensiones más importantes en el diseño de un sedimentador son el área y la profundidad del mismo. En un sedimentador continuo el área (A) se vuelve directamente proporcional a la capacidad de separación y ésta puede ser calculada si se conoce el flujo de la suspensión (Q) y la velocidad de sedimentación (vs). Q A= vs En Biotecnología, el mecanismo de floculación no es tan claro como en el caso de sistemas coloidales químicos. Para las bacterias se ha postulado que la carga negativa superficial que presentan es responsable de las fuerzas de repulsión que al ser neutralizadas dan lugar a la floculación. Proteínas, Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]
Unidad Académica de Diseño, Ciencia y Tecnología.
celulosa, mucopolisacáridos y ácidos nucleicos se involucran en las agregaciones bacterianas. La floculación de levaduras depende de las propiedades de sus paredes celulares. La capa externa de fosfomanana es esencial en la floculación, observándose la necesidad de cationes bivalentes, especialmente el calcio. Una primera hipótesis asume que los grupos aniónicos de la pared celular de 2+ levaduras adyacentes llegan a unirse por Ca . La participación de puentes de hidrógeno, entre hidrógenos e hidroxilos de los carbohidratos de la superficie celular ayudan a la estabilización de la unión. La segunda hipótesis indica que la agregación celular es debida a glicoproteínas específicas (lectinas9 que en presencia de iones calcio se enlazan a los carbohidratos. En la floculación de microorganismos es necesario considerar factores genéticos, fisiológicos y ambientales. Dentro de los genéticos, por ejemplo, algunas levaduras tienen un loci FLO en el genoma que las predetermina para agregarse y flocular. La edad de las células se relaciona con la agregación de las mismas, siendo observado que en el tratamiento de aguas residuales las células se agregan en la fase estacionaria, en bacterias la floculación se da al aumentar los polímeros extracelulares. La capacidad de floculación de los microorganismos es aprovechada en procesos tales como cervecería, producción de proteína unicelular, tratamiento de aguas residuales.
Referencias bibliográficas. Hughes, M.A. (2000). Coagulation and Floculation Part I. En Solid-Liquid Separation, 4 Ed. Butterworth Heinemann. Maldonado Yactayo, V. (2004). Sedimentación. En Tratamiento de agua para consumo humano, Plantas de filtración rápida Tomo II . Organización panamericana de la Salud. Svarovsky, L. (2000). Gravity clarification and thickening. En Solid-Liquid Separation, 4 Ed. Butterworth Heinemann.
Av. Patria 1201, Lomas del Valle, 3a. Sección, C.P. 45129, Zapopan, Jalisco, México. Apdo. Postal 1-440, Tel. Conmutador 3648-8824 • www.uag.mx •
[email protected]