Tipos de Filtración y en qué se diferencian
La filtración es un proceso unitario basado en la separación por membranas de naturaleza física y química utilizadas para discriminar distintas moléculas a partir de su tamaño y en menor medida por su forma o composición química. (K. Wang et., al 2010)
Tabla 1. Comparación entre la Filtración convencional y la Microfiltración por flujo cruzado (Elaboración propia)
| Filtración convencional | Microfiltración de flujo cruzado |
| Proceso discontinuo | Proceso continuo |
| Menor rendimiento de filtración | Mayor rendimiento de filtración |
| Menor calidad de la proteína del suero | Mayor calidad de la proteína del suero |
| Mayor tiempo y energía | Menor tiempo y energía |
En la filtración convencional, la suspensión se desplaza perpendicularmente a través de un filtro poroso donde los sólidos de mayor tamaño quedan retenidos en el filtro, permitiendo solo el paso del permeado (líquido que queda al penetrar un cuerpo o traspasarlo) y sólidos de menor tamaño. Es un tipo de filtración discontinua caracterizada por ser un proceso costoso y que requiere mayor tiempo de filtración para obtener el producto deseado en comparación con otros métodos filtrantes, necesitando esperar a que finalice todo el ciclo de filtración para conseguir el producto final.
Por otro lado, la microfiltración de flujo cruzado (CFM), se diferencia de la filtración convencional en que la suspensión pasa de forma tangencial a través del filtro en vez de perpendicularmente. Además, presenta la ventaja de que se puede ir extrayendo de forma continua el producto, (proteína del suero lácteo) al mismo tiempo que se va realizando la filtración tangencial proporcionando más beneficios que la filtración convencional, como son:
- Recogida de la proteína de suero lácteo al mismo tiempo que se produce la filtración ahorrando tiempo y dinero.
- Elección del tamaño exacto del poro del filtro para conseguir extraer con un alto grado de pureza las proteínas, eliminando otras sustancias y aumentando su calidad además de evitar mayor formación de espuma durante el proceso de filtrado.
Figura 1. Comparación entre el proceso de filtración convencional y el proceso de microfiltración de flujo cruzado (CFM).
ESTUDIO EN EL QUE SE COMPARA LA FILTRACIÓN EN MODO CONTINUO Y DISCONTINUO
En un estudio realizado por Catherine Casey y colaboradores en el año 2011, se compara la utilización la filtración tangencial de un solo paso (SPTFF) que trabaja en modo continuo al igual que la microfiltración de flujo cruzado (CFM) vs la filtración tangencial convencional. En esta última, la suspensión pasa de forma tangencial a través del filtro, pero de forma discontinua y siendo un proceso más largo y costoso como ocurre en la filtración convencional en perpendicular.
Se comprobó la variedad de ventajas que presenta la utilización de la microfiltración de flujo cruzado(CFM) en comparación con la filtración tangencial convencional, en la extracción de las proteínas. Se puede ver en la figura 2.
Figura 2. Proceso experimental: a) filtración tangencial convencional b) microfiltración de flujo cruzado (CFM) (Casey et., al 2011)
En la figura 2, el esquema a) que pertenece a la filtración tangencial convencional, la suspensión pasa a través de un filtro donde se van reteniendo las partículas no deseadas, permitiendo el paso de la solución permeable o líquida que continúa recirculando a través del circuito pasando varias veces por el filtro hasta obtener la cantidad total del producto, convirtiéndolo en un proceso largo, costoso y discontinuo.
Por otro lado, la figura b) corresponde a la microfiltración por flujo cruzado (CFM), donde en un único ciclo de filtrado obtuvieron la cantidad del producto deseado, al ir extrayendo la proteína de suero de forma directa a medida que pasaba la solución de forma tangencial por el filtro. Con este método se alcanzó un mejor rendimiento y una mayor calidad de la proteína, ahorrando tiempo y energía al extraerlo en un único proceso continuo.
Figura 3. 1) Pasos de acondicionamiento previo al uso. 2) Procesamiento. 3) Acondicionamiento posterior al uso. (Casey et., al 2011)
En la figura 3 podemos ver de forma esquemática los pasos realizados antes, durante y después del proceso de microfiltración. En la primera columna podemos ver los pasos previos a la filtración deseada, que consiste un proceso de acondicionamiento donde se llevó a cabo la limpieza de la maquinaria utilizando NAOH 0.1 N y agua desionizada.
La columna 2, hace referencia al control del flujo utilizado para alcanzar la concentración deseada durante la microfiltración de flujo cruzado realizándose en un único ciclo de filtrado, alcanzando un mayor rendimiento frente a la filtración convencional.
En la columna 3, vemos los pasos posteriores a la filtración, donde se volvió a limpiar todo el sistema de filtrado con NaOH 0.1 N durante 30-45 min midiendo de nuevo los niveles de agua desionizada para asegurar que la membrana estaba limpia como en su estado original.
PROCEDIMIENTO Y CONCLUSIONES
Primero, se utilizó una solución de 5 g/ L de lactoglobulinas que se extrajo mediante un sistema de filtración tangencial convencional a través de 6 o 7 pasadas por el sistema de filtración y mediante una única pasada con por el sistema de microfiltración de flujo cruzado.
Se compararon las dos técnicas para estudiar cuál de las dos presentaban mejores resultados.
En el proceso de microfiltración por flujo cruzado, se determinaron los caudales de alimentación y retención, controlando la relación de flujo entrante y logrando el factor de concentración deseado consiguiendo el producto final al instante. De esta forma se logró minimizar los pases por la bomba a uno solo.
Mientras que en el proceso de filtración tangencial convencional, la proteína se iba obteniendo con el paso del tiempo a la vez que iban aumentando el número de ciclos a través del circuito de filtración, por lo que la extracción final solo estaba disponible una vez acabado todo el proceso, utilizando mayores caudales, un mayor número de bombas y tubos más grandes, necesitando 18 pases por la bomba para acabar el proceso, siendo más perjudicial para las proteínas.
Se realizaron varias pruebas en las que se utilizaron suspensiones con distintas concentraciones de lactoglobulinas (proteína), donde se lograron resultados más prometedores en la microfiltración de flujo cruzado, consiguiendo la concentración de proteínas deseadas en el primer minuto de filtrado y en un único ciclo, además de adquirir mejores resultados durante el proceso de acondicionamiento que incluye el lavado, limpieza y la permeabilidad del agua, todo ello utilizando 3,4 veces menos agua que en la filtración convencional.
Figura 4. Comparación del factor de concentración volumétrico (VCF) en función del tiempo de procesamiento (min) en un proceso de filtrado tangencial convencional (TFF) vs microfiltración flujo cruzado (SPTFF) (Casey et., al 2011)
En esta figura, podemos ver una comparación de las concentraciones volumétricas (VCF) alcanzadas en función del tiempo del filtrado en los procesos de filtración convencional (TFF) y microfiltración de flujo cruzado (SPTFF). Para ello se debe saber que la concentración máxima alcanzable de proteínas va a depender de la presión transmembrana ejercida para hacer avanzar el fluido a través del equipo de filtración, logrando una determinada velocidad a la que llega el fluido a la membrana del filtro, proporcionando así la fuerza determinada a la que se realiza el filtrado.
En el caso de la filtración tangencial convencional, para una solución de Lactoglobulinas (proteína) de 5,2 g/L, se necesitaron 16,5 minutos para alcanzar un factor de concentración de 6,7 a una velocidad de flujo de 0,87 L/min. Mientras que en el proceso de microfiltración de flujo cruzado, utilizando una solución de lactoglobulinas (proteína) de 4, 8 g/L se obtuvieron desde el primer minuto del filtrado factores de concentración de 7,1 para una velocidad de flujo de 0.15L/min.
Aparte, para la otra solución de Lactoglobulinas (proteína) de 5 g/ L se consiguieron desde el primer minuto de filtrado, factores de concentración de 6,1 a una velocidad de flujo de 0,23 L/min.
Por tanto, los dos procesos de microfiltración de flujo cruzado para distintas concentraciones de lactoglobulina (proteínas) alcanzaron en un solo minuto de filtrado la concentración máxima alcanzable de proteínas. Además, de poder utilizar menores velocidades de flujo constantes que en el proceso convencional, lo que permite utilizar bombas más pequeñas.
Para concluir, podemos mencionar que a día de hoy hay muchos estudios que muestran resultados a favor de la microfiltración por flujo cruzado (CFM) presentando numerosas ventajas frente al filtrado convencional en la extracción de las proteínas, ya que se consigue llegar a la concentración de soluto deseado en un único ciclo de filtrado. Además, mediante el control de la relación del flujo se pueden dar altos factores de concentración, ahorrando en distintos recursos y asegurando una mejor calidad de las proteínas extraídas.
