Articulo de referencia

separación continua de espuma

La separación continua por espuma es un proceso químico estrechamente relacionado con el fraccionamiento por espuma, en el que se utiliza espuma para separar los componentes de ...

La separación continua por espuma es un proceso químico estrechamente relacionado con el fraccionamiento por espuma, en el que se utiliza espuma para separar los componentes de una solución cuando difieren en su actividad superficial. En cualquier solución, los componentes tensioactivos tienden a adsorberse en las interfaces gas-líquido, mientras que los componentes tensioactivos permanecen en la solución. Al espumar una solución, los componentes más tensioactivos se acumulan en la espuma, la cual puede extraerse fácilmente. Este proceso se utiliza comúnmente en proyectos a gran escala, como el tratamiento de aguas residuales, debido al flujo continuo de gas en la solución.

Existen dos tipos de espuma que pueden formarse mediante este proceso: espuma húmeda (o kugelschaum ) y espuma seca (o polyederschaum ). La espuma húmeda tiende a formarse en la parte inferior de la columna de espuma, mientras que la espuma seca tiende a formarse en la parte superior. La espuma húmeda es más esférica y viscosa, y la espuma seca tiende a tener un diámetro mayor y ser menos viscosa. [ 1 ] La espuma húmeda se forma más cerca del líquido de origen, mientras que la espuma seca se desarrolla en los límites exteriores. Por lo tanto, lo que la mayoría de la gente suele entender como espuma es, en realidad, solo espuma seca.

El sistema de separación continua de espuma consiste en fijar una columna en la parte superior del recipiente que contiene la solución a espumar. Se dispersa aire o un gas específico en la solución mediante un difusor. Una columna colectora en la parte superior recoge la espuma producida. Posteriormente, la espuma se recoge y se compacta en otro recipiente.

En el proceso de separación continua por espuma , se introduce una línea continua de gas en la solución, lo que provoca la formación continua de espuma. La separación continua por espuma puede no ser tan eficiente para separar solutos como para separar una cantidad fija de solución.

Historia

Los procesos similares a la separación continua de espuma se han utilizado comúnmente durante décadas. Los skimmers de proteínas son un ejemplo de separación de espuma utilizada en acuarios de agua salada. Los primeros documentos relacionados con la separación de espuma datan de 1959, cuando Robert Schnepf y Elmer Gaden, Jr. estudiaron los efectos del pH y la concentración en la separación de la albúmina de suero bovino de la solución. [ 2 ] Otro estudio realizado por RB Grieves y RK Woods [ 3 ] en 1964 se centró en los diversos efectos de la separación basados ​​en los cambios de ciertas variables (es decir, temperatura, posición de introducción del alimento, etc.). En 1965, Robert Lemlich [ 4 ] de la Universidad de Cincinnati realizó otro estudio sobre el fraccionamiento de espuma. Lemlich investigó la ciencia detrás del fraccionamiento de espuma a través de la teoría y las ecuaciones.

Como se mencionó anteriormente, la separación continua de espuma está estrechamente relacionada con el fraccionamiento de espuma, donde los solutos hidrofóbicos se adhieren a la superficie de las burbujas y ascienden para formar espuma. El fraccionamiento de espuma se utiliza a menor escala, mientras que la separación continua de espuma se implementa a mayor escala, como en el tratamiento de aguas residuales urbanas. Un artículo publicado por la Federación del Medio Ambiente Acuático [ 5 ] en 1969 abordó la idea de utilizar el fraccionamiento de espuma para tratar la contaminación en ríos y otros recursos hídricos urbanos. Desde entonces, se ha investigado poco sobre este proceso. Sin embargo, aún existen numerosos estudios que lo implementan en sus investigaciones, como la separación de biomoléculas en el campo de la medicina.

Fondo

Química de superficies

La separación continua de espuma depende de la capacidad del contaminante para adsorberse a la superficie del disolvente en función de sus potenciales químicos . Si los potenciales químicos favorecen la adsorción superficial, el contaminante se desplazará desde el seno del disolvente y formará una película en la superficie de la burbuja de espuma. La película resultante se considera una monocapa .

A medida que disminuye la concentración de contaminantes o tensioactivos en el seno del líquido, aumenta la concentración en la superficie; esto incrementa la tensión superficial en la interfaz líquido-vapor. La tensión superficial describe la dificultad para extender el área de una superficie. Si la tensión superficial es alta, se requiere una gran cantidad de energía libre para aumentar el área superficial. La superficie de las burbujas se contraerá debido a esta mayor tensión superficial. Esta contracción favorece la formación de espuma.

El diagrama muestra la acumulación de moléculas de surfactante en la interfaz líquido-vapor, lo que provoca una contracción de la superficie y la formación de una espuma.

Espumas

Definición

La espuma es un tipo de dispersión coloidal donde el gas se dispersa en una fase líquida. La fase líquida también se denomina fase continua porque es ininterrumpida, a diferencia de la fase gaseosa. [ 1 ]

Estructura

A medida que se forma la espuma, su estructura cambia. Cuando el líquido se convierte en espuma y se transforma en gas, las burbujas de espuma comienzan como esferas uniformes y compactas. Esta fase es la fase húmeda. Cuanto más arriba asciende la espuma en la columna, las burbujas de aire se deforman formando figuras poliédricas, la fase seca. El líquido que separa las caras planas entre dos burbujas poliédricas se denomina lamela; es una fase líquida continua. Las áreas donde se unen tres lamelas se denominan bordes de meseta . Cuando las burbujas de la espuma tienen el mismo tamaño, las lamelas en los bordes de meseta se unen en ángulos de 120 grados. Dado que la lamela está ligeramente curvada, la región de meseta se encuentra a baja presión. La fase líquida continua se mantiene unida a las superficies de las burbujas mediante las moléculas de surfactante que componen la solución que se está espumando. Esta fijación es importante porque, de lo contrario, la espuma se vuelve muy inestable a medida que el líquido drena hacia la región de meseta, adelgazando las lamelas. Una vez que las lamelas se vuelven demasiado delgadas, se rompen. [ 6 ]

Teoría

ecuación de Young-Laplace

Cuando se forman burbujas de vapor en un disolvente líquido, la tensión interfacial provoca una diferencia de presión, Δp , a través de la superficie, dada por la ecuación de Young-Laplace . La presión es mayor en el lado cóncavo de las láminas líquidas (el interior de la burbuja), cuyo radio, R, depende de la diferencia de presión. Para burbujas esféricas en una espuma húmeda y una tensión superficial estándar γ° , la ecuación para el cambio de presión es la siguiente:

ΔPAG=2γR{\displaystyle \Delta P={\frac {2\gamma ^{\circ }}{R}}}

A medida que las burbujas de vapor se distorsionan y toman la forma de una geometría más compleja que una simple esfera, los dos radios de curvatura principales R 1 y R 2 se usarían en la siguiente ecuación: [ 1 ]

ΔPAG=γ(1R1+1R2){\displaystyle \Delta P=\gamma ^{\circ }({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}})}

A medida que aumenta la presión dentro de las burbujas, las láminas líquidas que se muestran en la figura anterior se verán obligadas a moverse hacia los bordes de la meseta, lo que provocará el colapso de las láminas.

isoterma de adsorción de Gibbs

La isoterma de adsorción de Gibbs se puede utilizar para determinar el cambio en la tensión superficial con el cambio de concentración. Dado que el potencial químico varía con un cambio en la concentración, se puede utilizar la siguiente ecuación para estimar el cambio en la tensión superficial, donde d γ es el cambio en la tensión superficial de la interfaz, Γ 1 es el exceso superficial del solvente, Γ 2 es el exceso superficial del soluto (surfactante), d μ 1 es el cambio en el potencial químico del solvente y d μ 2 es el cambio en el potencial químico del soluto: [ 7 ]

dγ=Γ1dμ1+Γ2dμ2{\displaystyle \mathrm {d} \gamma =\Gamma _{1}\mathrm {d} \mu _{1}+\Gamma _{2}\mathrm {d} \mu _{2}}

En casos ideales, Γ 1 = 0 y la espuma creada depende del cambio en el potencial químico del soluto. Durante la formación de espuma, el soluto experimenta un cambio en el potencial químico al pasar de la solución a granel a la superficie de la espuma. En este caso, se puede aplicar la siguiente ecuación, donde a es la actividad del surfactante, R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta:

Γ2=aRT(γa)T{\displaystyle \Gamma _{2}=-{\frac {{a}\,}{RT}}\,\left({\frac {\partial \gamma }{\partial a}}\right)_{T}\,}

Para calcular el área en la superficie de la espuma ocupada por una molécula adsorbida, A s , se puede utilizar la siguiente ecuación donde N A es la constante de Avogadro .

As=1norteAΓ2{\displaystyle A_{\text{s}}={\frac {{1}\,}{N_{\text{A}}\Gamma _{2}}}}

Aplicaciones

Tratamiento de aguas residuales

Este esquema muestra una planta básica de tratamiento de aguas residuales que utiliza la formación de espuma como técnica de extracción. El espumado puede extraerse y desecharse si se utiliza para eliminar metales pesados, o bien puede devolverse al tanque de lodos activados si contiene detergentes que los microorganismos presentes en el tanque pueden degradar con el tiempo.

La separación continua por espuma se utiliza en el tratamiento de aguas residuales para eliminar agentes espumantes derivados de detergentes, como el ABS , que se hizo común en las aguas residuales en la década de 1950. [ 8 ] En 1959 se demostró que al agregar 2-octano a las aguas residuales espumadas, se podía eliminar el 94 % del ABS del lodo activado mediante técnicas de separación por espuma. [ 9 ] La espuma producida durante el tratamiento de aguas residuales puede reciclarse de nuevo en el tanque de lodos activados dentro de una planta de tratamiento de residuos, se ha descubierto que los organismos bacterianos que viven allí descomponen el ABS cuando se les da suficiente tiempo, o bien se puede extraer y colapsar para su eliminación. [ 10 ] También se ha descubierto que la separación por espuma disminuye la demanda química de oxígeno cuando se utiliza como técnica de tratamiento secundario para aguas residuales. [ 11 ]

eliminación de metales pesados

La eliminación de iones de metales pesados ​​de las aguas residuales es importante porque se acumulan fácilmente en la cadena alimentaria, llegando incluso a animales como el pez espada que consumimos. La separación por espuma puede utilizarse para eliminar iones de metales pesados ​​de las aguas residuales a bajo costo, especialmente cuando se emplea en sistemas multietapa. Para una producción óptima de espuma para la eliminación de iones, se deben cumplir tres condiciones operativas: formación de espuma, inundación y vertido. [ 12 ]

Extracción de proteínas

La separación por espuma se puede utilizar para la extracción de proteínas de una solución, especialmente para concentrar la proteína de una solución diluida. Al purificar proteínas de una solución a escala industrial, se busca el método más rentable. Por ello, la separación por espuma ofrece un método con bajos costos de capital y mantenimiento debido a su sencillo diseño mecánico; este diseño también permite una fácil operación. [ 13 ] Sin embargo, hay dos razones por las que el uso de la separación por espuma para extraer proteínas de una solución no se ha generalizado: primero, algunas proteínas se desnaturalizan al pasar por el proceso de espumado y, segundo, el control y la predicción del espumado suelen ser difíciles de calcular. Para determinar el éxito de la extracción de proteínas mediante espumado, se utilizan tres cálculos. [ 14 ]

 Relación de enriquecimiento=(Concentración de proteínas en la espumaConcentración de proteínas en el alimento inicial){\displaystyle {\text{ Índice de enriquecimiento}}=\left({\frac {\text{Concentración de proteína en la espuma}}{\text{Concentración de proteína en la alimentación inicial}}}\right)}

El índice de enriquecimiento demuestra la eficacia de la formación de espuma para extraer la proteína de la solución y transferirla a la espuma; cuanto mayor sea el valor, mayor será la afinidad de la proteína por el estado de espuma.

 Relación de separación=(Concentración de proteínas en la espumaConcentración de proteínas en la corriente de salida){\displaystyle {\text{ Relación de separación}}=\left({\frac {\text{Concentración de proteína en la espuma}}{\text{Concentración de proteína en la corriente de salida}}}\right)}

El índice de separación es similar al índice de enriquecimiento, ya que cuanto más eficaz sea la extracción de proteínas de la solución a la espuma, mayor será el valor.

 Recuperación=(Masa de proteína en la espumaMasa de proteína en el alimento inicial)×100%{\displaystyle {\text{ Recuperación}}=\left({\frac {\text{Masa de proteína en la espuma}}{\text{Masa de proteína en la alimentación inicial}}}\right)\times 100\%}

La recuperación se refiere a la eficiencia con la que la proteína se elimina de la solución y se transforma en espuma; cuanto mayor sea el porcentaje, mejor será el proceso para recuperar la proteína del soluto y transformarla en espuma.

La hidrodinámica de la espuma , así como muchas de las variables que afectan el éxito de la formación de espuma, tienen una comprensión limitada. Esto complica el uso de cálculos matemáticos para predecir la recuperación de proteínas mediante la formación de espuma. Sin embargo, se han determinado algunas tendencias: las altas tasas de recuperación se han relacionado con altas concentraciones de proteína en la solución inicial, altas tasas de flujo de gas y altas tasas de flujo de alimentación. También se sabe que el enriquecimiento aumenta cuando la formación de espuma se realiza utilizando piscinas poco profundas. El uso de piscinas con poca altura permite que solo una pequeña cantidad de proteína se adsorba de la solución a la superficie de las burbujas en la espuma, lo que resulta en una menor viscosidad superficial. Esto lleva a la coalescencia de la espuma inestable más arriba en la columna, lo que causa un aumento en el tamaño de las burbujas y un aumento en el reflujo de la proteína en la espuma. Sin embargo, se ha demostrado que un aumento en la velocidad del gas que se bombea al sistema conduce a una disminución en la relación de enriquecimiento. [ 15 ] Dado que estos cálculos son difíciles de predecir, a menudo se realizan experimentos a escala de laboratorio y luego a escala piloto para determinar si la formación de espuma es una técnica viable para la extracción a escala industrial.

Extracción de células bacterianas

La separación de células se realiza típicamente mediante centrifugación ; sin embargo, la separación por espuma también se ha utilizado como una técnica más eficiente energéticamente. Este método se ha empleado en muchas especies de células bacterianas, como Hansenula polymorpha , Saccharomyces carlsbergensis , Bacillus polymyxa , Escherichia coli y Bacillus subtilis , siendo más eficaz en células con superficies hidrofóbicas. [ 16 ]

Direcciones actuales y futuras

La extracción continua por espuma se utilizó inicialmente en el tratamiento de aguas residuales en la década de 1960. Desde entonces, no se ha investigado mucho sobre la espumación como técnica de extracción. Sin embargo, en los últimos años, la espumación para la extracción de proteínas y productos farmacéuticos ha despertado un creciente interés entre los investigadores. La purificación de productos es la parte más costosa de la producción en biotecnología, y la espumación ofrece un método alternativo menos costoso que algunas técnicas actuales.

Equipos de separación

aparato espumador

El separador de espuma continuo básico consta de un flujo de entrada, un flujo de salida y un flujo de gas. La columna de espuma asciende y se desvía a un recipiente aparte para su recolección.

La separación continua de espuma es uno de los dos modos principales de separación de espuma, siendo el otro la separación por lotes. La diferencia entre ambos modos radica en que, en el modo continuo, la solución de surfactante se alimenta continuamente a través de una entrada a la columna de espuma, mientras que una solución, sin surfactante, sale continuamente por la parte inferior del aparato. La figura de la derecha muestra un diagrama de un separador de espuma continuo básico. El proceso es estacionario (o en estado estable) siempre que el volumen de líquido sea constante en función del tiempo. Mientras el proceso se encuentre en estado estacionario, el líquido no se desbordará hacia la columna de espuma. Dependiendo del diseño del separador de espuma, la ubicación de la entrada de alimentación puede variar desde la parte superior de la solución líquida hasta la parte superior de la columna de espuma. [ 17 ]

La formación de la espuma comienza con el flujo de gas hacia la parte inferior de la columna de líquido. El caudal de gas que ingresa al aparato se mide y mantiene mediante un caudalímetro. A medida que la espuma asciende y se drena del líquido, se desvía a un recipiente aparte para recoger el espumado. La altura de la columna de espuma depende de la aplicación. La espuma desviada se licúa al colapsar las burbujas. Esto generalmente se logra mediante medios mecánicos o reduciendo la presión en el recipiente de recolección del espumado. Los separadores de espuma para diferentes tipos de aplicaciones utilizan la configuración básica que se muestra en el diagrama, pero pueden variar en cuanto a la ubicación y la adición de equipos.

Consideraciones de diseño

Se puede utilizar equipo adicional en la forma básica de un aparato separador de espuma para lograr otros efectos deseados que se ajusten al tipo de aplicación, pero el proceso subyacente de separación permanece igual. La adición de equipo se utiliza para optimizar los parámetros, enriquecimiento E, o recuperación R. Por lo general, el enriquecimiento y la recuperación son parámetros opuestos, pero algunos estudios recientes han demostrado la capacidad de optimizar ambos parámetros simultáneamente. [ 17 ] La variación de los caudales en la entrada de gas, así como otros ajustes del equipo, afectan la optimización de los parámetros. La tabla compara la separación por espuma con otras técnicas utilizadas para separar la proteína α-lactoalbúmina de una solución de proteína de suero.

pH

El pH es un factor importante en la formación de espuma, ya que determina si un surfactante podrá pasar de la fase líquida a la fase de espuma. El punto isoeléctrico es un factor que debe tenerse en cuenta: cuando los surfactantes tienen carga neutra, su adsorción en la interfaz líquido-gas es más favorable. El pH presenta un problema particular para las proteínas, ya que se desnaturalizan a valores de pH demasiado altos o bajos. Si bien el punto isoeléctrico es ideal para la adsorción de surfactantes, se ha observado que la espuma es más estable a un pH de 4 y que su volumen se maximiza a un pH de 10. [ 17 ]

Tensioactivos

La longitud de la cadena de las partes no polares de los tensioactivos determinará la facilidad con la que las moléculas se adsorben a la espuma y, por lo tanto, la eficacia de la separación del tensioactivo de la solución. Los tensioactivos de cadena más larga tienden a asociarse en micelas en la interfaz sólido-líquido. La concentración del tensioactivo también influye en el porcentaje de eliminación del mismo. [ 6 ]

Otro

Otros factores que afectan la eficacia de la formación de espuma incluyen el caudal del gas, el tamaño y la distribución de las burbujas, la temperatura de la solución y la agitación de la misma. [ 6 ] Se sabe que los detergentes afectan la formación de espuma. Aumentan la capacidad de la solución para generar espuma, incrementando la cantidad de proteína recuperada en el espumado. Algunos detergentes actúan como estabilizadores de la espuma, como el bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB). [ 17 ]

  • Separación de espuma de biosurfactantes
  • Vídeo sobre la creación de espuma metálica
  • Vídeo de espuma metálica colapsando

Referencias

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