el balance de masas en los bioprocesos...
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EL BALANCE DE MASAS EN LOS BIOPROCESOS
Procesos Biotecnológicos 1 Curso 2011
Teóricos Prof PicóTeóricos Prof. Picó
1
La separación entre la Ingeniería Química y los Bioprocesos
2Balance de Materia Balance de Materia y Enegía
EL BALANCE DE MASA
SISTEMA MATERIAMATERIA
ENERGIAENERGIA
Las operaciones unitarias tienen su fundamento en la termodinamica de los sistemas que no estan en equilibrio
Si hay estado estacionario habra flujos de materiaSi hay estado estacionario habra flujos de materia y de energía !!!!
3
BALANCE DE MASAEL ESTADO ESTACIONARIO
Las variables del sistema permanecen constante
P, T y [ ] constantesReacción química
Destilación, FiltraciónMezcla, etc.
SISTEMA
Proceso Reactivos Productosocesoquimico o físico
Ecuación de conservación de la Materia
[ ] [ ] {[ ] [ ]}[ ]masa queentra masa que sale masa consumida masa generadamasa acumulada enel sistema
− + − =
4> 0, < 0, =0
SIMPLIFICACIONES: si el sistema esta en estado estacionario, masa total constante:
Masa acumulada en el sistema = 0
[ ] [ ] [ ] [ ]masa queentra masa generada masa que sale masa consumida+ = +
Masa acumulada en el sistema 0
Ecuación que se aplica a: procesos continuos
procesos discontinuosprocesos discontinuos
SISTEMA EN ESTADO NO ESTACIONARIO: el termino de la derecha ≠ 0
Masa acumulada en el sistema ≠ 0Masa acumulada en el sistema ≠ 0
MoutMin M prod Mcons
∂ ∂ ∂ ∂ ∂m m m m mt l prod⎛⎜ ⎞⎟∂ ∂
∂∂
∂ ∂∂
∂m
dtm
tm
t tm
tentra sale prod cons⎛
⎝⎜⎞⎠⎟
= − + −. .
5∂∂mt
estado estacionario= 0
En todas las Operaciones Unitarias hay transporte de masa
(hay problemas de balance en casi todos los temas)(hay problemas de balance en casi todos los temas)
Por lo tanto se hace necesario hacer un balance de materia
¿ Como se hace ?
1 regla: Masa que entra al sistema = masa que sale como productos1‐ regla: Masa que entra al sistema = masa que sale como productos
2‐ regla: calcular los flujos entrantes y los flujos salientes, emplear una t bltabla
3‐ hacer el balance entre ambos FLUJOS
EJEMPLO
6
Ejemplo (destilación): Un mosto fementado contiene 10% de etanol.
Se inyectan 50 000 Lh‐1 a una columna de destilación Se produce un destilado que Se inyectan 50.000 Lh a una columna de destilación. Se produce un destilado que contiene 40% etanol, la producción de destilado tiene una velocidad 10 veces menor que el caudal de entrada del mosto.
¿Cuál es la composición del residuo que va saliendo del fondo de la columna de destilación? ¿Cuál es la pérdida de etanol en el fondo?
Destilado
5.000 Lh -1
Mosto
40% Etanol
SISTEMA
fermentado
50.000 Lh -1
Residuo del destilado
10 % Etanol
7? L h -1
BALANCES DE MATERIA CON RE CIRCULACION, DESVIOS, ETC.
ProcesoReactivos Producto
Corriente de re circulación
Proceso Proceso
Ej R t d l t t d l t i ibl
Proceso Proceso
Ej: Reparto de un soluto entre dos solventes no miscibles
Molécula é
Producto 50%Impurezas 50% Producto 77%
Impurezas 233%
impuresas
de interés Impurezas 233%
impurezas impurezas
8Reparto de un soluto entre
dos solventes
impuresas
2do reparto del soluto agregando fase inferior limpia
impurezas
Transferencia de Materia entre Fases
CC
El modelo
C2C1 >
SaleEntra
Estado estacionario C y C son ctes
interfase
Estado estacionario C1 y C2 son ctes
Masa que entra = Masa que sale
9
Ecuación general para el flujo de masaJ N a k C
A = = −∂ ∂
N a k C Co= −( )t xA ∂ ∂
n
[ ]J mol s mA− −1 1
1ncen
traci
ó
CAArea a
[ ][ ]N mol sk m s
a−
− −
= 1
2 1
Con
CAo
Numero de particulas de A por unidad de area que se intercambian
Direccion del flujo
Distancia x J f T CA = ( , , )η
10
¿Como se estudia la transferencia de materia entre fases?
Modelo de la películaModelo de la película
a) Interfase líquido ‐ líquidoExtracción líquido líquido
interfase
2.‐ Las fases se encuentran en
C1 Co1
C 1 iC equilibrio en la interfase:
C2
C 2 i
Co2
Postulados: 1.‐ La resistencia a la transferencia: hay dos películas muy delgadas a ambos lados de la interfase, la difusión a través de las
película
11películas tiene lugar por difusión molecular
En el resto de la masa existe agitación, que produce un movimiento, que provoca difusión por turbulencia
la diferencia de valores entre C°2 y C°1, se debe a que A es mas soluble en una de las fases que en la otra.
El número de moléculas de soluto (N) que pasa de una fase a la otra estará dado por:
N k a C CA A Ao= −( )
interfase
C1 Co1
C 1 iC
k: constante que dependerá de la temperatura geometría del
C2
C 2 i
Co2
temperatura, geometría del sistema, viscosidad del medio, etc.,
a: el área de la interfase) película
12
el flujo de moléculas de soluto desde la fase 1 hacia la fase 2 y en sentido contrario esta dado por las ecuaciones
N k a C C i1 1 1
0
1 1= −( ) ( ) N k a C C i2 2 2
0
2 2= −( ) ( )interfase
C1 Co1C1 C 1
C 1 iC 2 i
C2Co
2
reordenandopelícula
Nk a
C C i1
10
1 3= −( ) ( )
13N
k aC Ci
22 2
0 4= −( ) ( )
N k a C C i1 1 10
1= −( ) N k a C C i2 2 20
2= −( )i2 2 2 2( )
como no debe haber acumulación de materia en la interfase: N1 = N2, las ecuaciones (1) y (2) muestran que las concentraciones en la interfase no son
N 0
ecuaciones (1) y (2) muestran que las concentraciones en la interfase no son conocidas, y deberían ser eliminadas. A partir de (1) y (2), reordenando:
Nk a
C C
N
i1
10
1 3= −( ) ( ) C1o y C2o, que representan las concentraciones del soluto en ambas fases. No pueden estar en equilibrio químico entreN
k aC Ci
22 2
0 4= −( ) ( )No pueden estar en equilibrio químico entre si interfase
C1 Co1
C2
C 1 iC 2 i
Co2
C C CC
C Ci1/
se puede definir un coeficiente de distribución: película
14m C C o C
mo C mCi i i
ii i= = =1 2 2
11 2/
Nk a
C mC
N C
i1
10
2 5= −( ) ( ) reemplazando en las ecuaciones (3) y (4):
Nk a
Cm
C
dividiendo la ecuacion por m
i
2
12
0 6
1
= −( ) ( )
( )dividiendo la ecuacion por m
Nk a m
Cm
Cm
i10
1
1
7= −
( )
( )k a m m m
multiplicando ecuacion por mN C C
1
0
2
8
( )
( )Nk a
C m C mi2
2 20 8= − ( )
7685 laaecuaciónlasumandolaaecuaciónlasumando
)10(1)9(12
1
2121
21
oo
a
oo
a
CmC
km
kNCC
km
kN −=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
2121 aa ⎠⎝⎠⎝
(9) y (10) expresan la resistencia de la interfase al transporte del soluto (mediante K1 y k2), también expresan la cantidad de soluto que es transportada (N) en función de la concentración
15
p q p ( )de las concentraciones de soluto en casa fase. Los términos entre paréntesis de las ecuaciones (9) y (10) son coeficientes globales de transferencia de materia en fase liquida (KL).
7685 laaecuaciónlasumandolaaecuaciónlasumando
)12(11)11(11
221121 aKkm
kaKakm
ak LaL
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
221121 LaL ⎠⎝⎠⎝
interfase
C1 Co1
C)13()( o mCCKNC2
C 1 iC 2 i
Co2
)14()(
)13()(
121
2111
oo
i
mCCaKN
mCCKN
−=
−=
película
)14()(221 mC
maKN
K1, K2 Co1, Co2 se pueden medir experimentalmente :
Esto permite conocer el flujo de la sustancia a través de la interfase
16
b) Interfase liquido‐ solido
Cromatografía Lixiviación Adsorción Cristalización MezcladoFas e líquida Fas e líquida
N k a C CL i= −( )10
1
C i1Masa transferida la fase solida
C ° 1
kL es el coeficiente de transferencia de materia de la fase liquida. Este último es difícil de medir, ya que Ci1 no es posible de conocer.
17
pelíc ula
OPERACION UNITARIA
EL MEZCLADO DE DOS SUSTANCIAS:
La agitación es al movimiento inducido de un material, generalmente con movimiento circulatorio dentro de un contenedor. La agitación tiene diferentes objetivosobjetivos
1- Suspensión de partículas sólidas.
2- Mezclado de líquidos miscibles, .
3- Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas. p g q p q j
4- Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar una emulsión o suspensión de gotas diminutas.
185- Transmisión de calor entre el líquido y un serpentín
Ej: disolución de un soluto sólido en una fase liquidaLa velocidad de disolución depende de la agitación
interfase
)(1ift CC
Volareak
tC
−=∂∂
C2
C1 Co1
C 1 iC 2 i
Co2
película
2
ultratrubina
19
AQUI INTERVIENE LA DINAMICA DE LOS FLUIDOS
Similitud dinámica
Re menor de 2000 líquido newtoniano
Re mayor 4000 no newtoniano (turbulento)
20
Fuerza mecánica >>> Fuerza viscosa
Fuer
za
Velocidad de rotación
Fuerza mecánicaFuerza mecánica
Fuerza del fluido (vis cos idad) opues ta a la fuerza mecánic a
21
El mezclador básico Para mezclas
ólid li id
T
Agitadorsólido - liquido
Liquido - liquido
pHT
refrigeraciónValvula de entrada
refrigeración
Calentador eléctrico o a Valvula de
salida
eléctrico o a vapor
22T
Equipos
Escala planta piloto
LaboratorioEscala planta piloto
23
OPERACIONES UNITARIAS O C O S U SBASADAS EN FENOMENOS DE
SUPERFICIESUPERFICIE
SedimentaciónSedimentación
FlotaciónFlotación
24
Emulsificación
LA OPERACION UNITARIA DE SEDIMENTACIONLA OPERACION UNITARIA DE SEDIMENTACION
é l ?¿ en qué procesos se emplea ?
Fabricación de:Vino, cerveza, potabilización de agua, etc.
l d l dEn la industria se la denomina: CLARIFICACION:CLARIFICACION:proceso espontáneo en el tiempo, para que todas las particulas en la
solución pasen al fondo Quedando una solucion limpia y un sedimentosolución pasen al fondo. Quedando una solucion limpia y un sedimento.
SALE LIQUIDO
ENTRA LIQUIDO
25
BARRO
TIEMPO PARA SEDIMENTAR UNA PARTICULAPARTICULA
sistema tamaño Tiempo de sedimentacion
Arena gruesa 1 mm 10 s
Arena fina 0,1 mm 2 min
arcilla 0,01 mm 2 h
bacteria 0,001 mm 8 dias
Bacterias muertas
0,0008 mm 6 meses
particulas 200- 10 nm 2- 200 añosparticulas 200 10 nm 2 200 años
Necesidad de una agregación de las partículas de forma que aumente el tamaño y la velocidad de sedimentación.
26
El tiempo para sedimentar depende del tamaño de la particula
La floculación puede presentarse mediante dos mecanismos: floculación ortocinética (simple).
⎛ ⎞3 1 1tkT N Nt o
= −⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
34
1 1μ
donde μ = coeficiente de viscosidad dinámica (N s m-2)donde μ = coeficiente de viscosidad dinámica (N . s . m 2)k = constante de Boltzmann (= 1,385 .10-23 J . K-1)T = temperatura absoluta en grados Kelvin (K)J = Joule (N . m)No, Nt = número inicial y final de partículas por mililitro.
Según la ecuación anterior el único efecto externo que incide sobre el
27
Según la ecuación anterior el único efecto externo que incide sobre el tiempo de floculación es la temperatura.
Pericinética: tiene en cuenta el volumen y densidad de la partícula, la densidad y viscosidad del medio.
Ff m g mV
Ff V g solvente= = =ρ ρ Fg m g g V particula= = ρ
p y
Fs V g particula solvente= −( )ρ ρ
PFR
F C A VsR solvente= ρ
2
2
gV gs g C A Vs( )− = ρ2
2
V g Vs( )−ρ ρ2(C) = 24/Rn
Numero de Raynolds Vs gC A
s( )=
ρ ρρ
Vs velocidad de sedimentacion
Numero de Raynolds
28Ley de Stokes
A d d i i
COAGULACION FLOCULACION
Agregado de agente quimico
COAGULACION FLOCULACIONformación de agregados compactos, conduciendo a la separación formación de una red floja o
abierta que puede o no macroscópica de una nueva fase sólida
abierta que puede, o no separarse macroscópicamente
SEDIMENTACIONCoagulación: agregación de partículas coloidales en mínimo de la energía primaria, conduciendo a una agregación irreversible.
29Floculacion: agregación de partículas coloidales en mínimo secundario de la energía, conduciendo a una agregación reversible
PRIMER PASO
COAGULACION
-
-
+
-
--
-
+-
-COAGULANTE -
COAGULO
Partículas coloidales
Cargadas negativamente
+
-
30
SEGUNDO PASO
-FLOCULO
+--
- +
-Polielectrolito
FLOCULANTE- -
-
+
+-
COAGULOS
--
-SEDIMENTACIÓN
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MECANISMOS PARA LOGRAR LA COAGULACION – FLOCULACION
Agregado de un FLOCULANTE / COAGULANTE g g
Existen dos modelos de la coagulación.
El modelo físico o de la doble capa basadoEl modelo físico o de la doble capa, basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión.
El otro modelo es químico, llamado “puente químico”, que relaciona una dependencia entre el coagulante y la
fi i d l l id
COAGULANTE FLOCULANTE
superficie de los coloide
Sustancias que neutralizan cargas electricas.
Electrolitos fuertes
Los coagulantes tendrán generalmente una carga neta más alta y un peso l l á b j fl l
Electrolitos fuertes
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molecular más bajo que floculantes.
ψ
ψo
0,001 M
0,05 M0,01 M
ψs Potencial de Stern
ds distancia distancia
La presencia de electrolitos modifica la cosntante de Debye
∑== iiA ZCI
RTINe 2
22
212
εεκ
33
o RT 2εε
do Distancia do distancia
BAJA CONCENTRACION DE SALES ALTA CONCENTRACION
34
¿ Cómo se maneja la sedimentación en la práctica ?
Las particulas son pausi dispersas………
A
BBB B
AA
A
ADD DSedimentacion discretaSedimentación discreta
umna Fase A
C CC
C
T0 t1 t2 t3 t4
Sedimentacion discreta
Sedimentacion floculentaSedimentación floculenta
Sedimentación discreta
ra col
Punto criticoSedimetacion ostaculizadaSedimentación obstaculizada
Altu
Fase DSedimentacion por compresiónSedimentación por compresión
Fase C
35tiempo
Floculación de Partículas
tiempo de sedimentacion: La única forma de conocerlo es
MEDIRLO !!!!!!!!!
La velocidad de sedimentacion es variable con el tCambia el tamaño y volumen de
to t1 t2 t3
las particulas
h
to t1 t2
36
0 7
Un ejemplo real: Precipitación de una enzima en solución por formación de un complejo insoluble con un polielectrolito
0.5
0.6
0.7
Turb
idez
0.3
0.4
0.0
0.1
0.2
tiempo (min)0 20 40 60 80 100 120 140
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Si el tiempo de sedimentación es bajo (hasta 3 hs) el método es viable por gravedad
Si la proteína de interés esta en el Si la proteína de interés esta en el sobrenadante...
Si la proteína de interes esta en el i i dprecipitado.....
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Clarificación del agua: rios con arcillasSulfato de aluminio (para beber)
Coagulación - floculaciónAdicción del coagulante
pPolímeros naturales para eliminar metales pesados
Coagulación floculacióng
Agua con barro
Mezcla rapidaMezcla lenta
Filtración
Salidade agua
Clarificador
Lodo
de agua
39
Lodo
CLARIFICADORES: recuperadores de lodo
40
OPERACION UNITARIA DEOPERACION UNITARIA DEOPERACION UNITARIA DE OPERACION UNITARIA DE FLOTACIONFLOTACIONFLOTACIONFLOTACION
(propiedades fisicoquímicas de superficie)(p p q p )
Se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidaspartículas sólidas o líquidas de Se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidaspartículas sólidas o líquidas de una fase líquida.
41
DONDE SE EMPLEA LA FLOTACION
Agua conteniendo particulas hidrofobicas (grasa) e hidrofilicasAgua conteniendo particulas hidrofobicas (grasa) e hidrofilicasAguas residuales, aguas con fangos biológicos, Aguas de lavado de minerales
Aguas de lavado de fabricación de pasta de papel, etc.g p p p ,
AGUAS TURBIAS DEBIDO A MATERIA EN SUSPENSIÓN
Fase hidrofóbicaSe inyecta aire en el seno del fango
y las burbujas se pegan a las partículas
Hay flotación o hundimiento
aire42
aire
Fase hidrofílica
Caracteristicas de la FlotaciónCaracteristicas de la Flotación• Método fisicoquímico para separar partículas sólidas entre si.
• Fundamento: dispersar burbujas de aire en la suspensión de partículas.p j p p
Las particulas hidrofobicas se pegan a las burbujas formando una espuma.
• La espuma son eliminadas por barrido superficial.
La condición de separación es el diferente grado de hidrofobicidad entre las particulas solidasparticulas solidas.
43
Algunas partículas se pegan a las burbujas y flotan otras no !!!!otras no !!!!
44
MECANISMO DE LA FLOTACIONLa fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula‐burbuja de aire q p j p j
hace que suban hasta la superficie del líquido.
Burbuja Burbuja Burbuja de aire
jde aire
Partícula hidrofobica: flota
P tí l hid fili h dPartícula hidrofilica: se hunde
VENTAJA
45Permite eliminar partículas hidrofóbicas o ligeras en menos
tiempos.
Capacidad de mojado de un líquido
Angulo de contacto θ
θ >> 90 moja pocoθ << 90 moja mucho θ 90 moja pocoθ << 90 moja mucho
θθ θθ
46
El balance de fuerzas: en el equilibrio termodinamico
gas
líquido
sólido
θγγγ cosVLLSVS += γγγ VLLSVSp y T cte y equilibrio termodinámico ECUACION DE YOUNG
47
TERMODINAMICA DE LA FLOTACION
LA EVOLUCIÓN
γ
LA EVOLUCIÓN
Burbuja de aire
γ GL
θ
AguaBurbuja de aire
θc
solido sólidoγGS
γ SL
ΔG GS GL SL= − +γ γ γ[ ]CAMBIO EN LA ENERGIA LIBRE ASOCIADA A LA EVOLUCION
48CAMBIO EN LA ENERGIA LIBRE ASOCIADA A LA EVOLUCION
][ VLLSVSG γγγ +−=Δ θγγγ cosVLLSVS +=
ESPONTANEOPROCESOG VS 0)1(cos <−=Δ θγ S ON N OOC SOG VS )( θγ1
-0.5
0.0
cos
θ −1
-1.5
-1.0
-2.0
1.5
θ (grados)
0 50 100 150 200-2.5
49Aumenta capacidad de flotaciónAumenta la hidrofobicidad de la partícula
EQUIPOS DE FLOTACION
50
DECANTADORES- BARREDORES
51
EMPLEO DE LA FLOTACIONTRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMICILIARIAS
TRATAMIENTO DE AGUAS DEL LAVADO DE MINERALES
RECUPERACION DE PASTA DE PAPEL EN AGUAS DEL LAVADO DE PASTERAS
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OPERACION UNITARIA DE ESTABILIZACIONEMULSIFICACIONEMULSIFICACION
(propiedades fisicoquímicas de superficie)(propiedades fisicoquímicas de superficie)CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
SEPARACION
-Flotación
-SedimentaciónSe basan en los principios de la Fisicoquímica de las Superficies
ESTABILIZACION
-Emulsificación
La emulsificación es una operación unitaria donde una fase líquida se dispersa en otra fase fase líquida se dispersa en otra fase líquidalíquida.
53
DEFINICION DE EMULSION DE ACUERDO USP
Sistema bifásico donde una fase liquida esta dispersa en otra fase liquida en forma de pequeñas gotas.
O/W: si la fase dispersa es aceite y de la fase continua es acuosa.
W/O: si la fase dispersa es acuosa y la fase continua es aceite.
54Las emulsiones no son estables, las fases se separan
METODOS PARA DEFINIR EL TIPO DE EMULSIONMETODO DE LA DILUCION
METODO DE LA CONDUCTANCIA ELECTRICA
METODO EL COLORANTE55
METODO EL COLORANTESe emplea un colorante hidrofobico o uno hidrofilico
El trabajo que hay que entregar al sistema (film liquido) para aumentar 1 cm su área l
FUNDAMENTO TERMODINAMICO
expuesta al aire:
W A= −( )γ Δ
El aumento de la superficie entre las fases es termodinámicamente desfavorable porque aumenta Gtermodinámicamente desfavorable, porque aumenta G
‐ 1 mL de aceite disperso en agua, forman 1.9 x 1012
glóbulos de gota el área interfacial total es 6 m2.
56
TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE LAS EMULSIONES
ACEITEACEITE
γwo
Δ A A A incremento de Areaf i= −
Δ
Δ
A incremento en la energia erficialT S incremento en la entropia
WOs
=γ supΔ
Δ Δ Δ
T S incremento en la entropiaG A T SWO
s= −γ
57
Δ Δ ΔA T S y GWOsγ > > > > > > 0
V l d d bidT bié Valor grande debido a la formación de micro
gotas
También se puede disminuir
este valor
La emulsión no se forma, requiere energía p ej: agitación violenta
Termodinámicamente no son estables
La cinética de separación de las fases es muy rápida
58
¿ Como se logra estabilizar en el tiempo una emulsión ?
a) Incorporado energía al sistema.
b) Empleando agentes tensoactivos: disminuyendo la Tensión interfacial.interfacial.
c) Agregando partículas finamente divididas.
d) Agregando una macromolécula.
e) Manejando el potencial eléctrico de la doble capa)
En estos casos ΔG > 0, pero se logra aumentar el tiempo de separación de las fases
59
1) aumentando la energía (agitación violenta)Para dispersar una fase en la otrap u f o
Δ Δ ΔG A T SWOs= − >>( )γ 0
ΔΔ
S por dispersion de las fasesG
s >>>
00
60
2) disminuyendo la tensión superficial (por agregado de un tensoactivo)tensoactivo)
Δ Δ ΔG A T SWOs= − >>( )γ 0
ΔGWO ↓
>γ
0
Tensiones interfaciales contra aire (dinas cm‐1) AireAgua 72,8
Aceite de Oliva 35,8
Acido caprilico 28 8 liquido CH3‐(CH2) ‐COOH
Aceite
Acido caprilico 28,8 liquido, CH3 (CH2)4 COOH
Benceno 28
Acido oleico 32,5
Tensiones interfaciales contra agua (dinas cm‐1)
Aceite de oliva 22,8
A ido a ili o 8 2
Agua
Aceite61
Acido caprilico 8,2
Benceno 35
Aceite
Lecitinas: disminuyen γ o‐w
Fase oleosa
Interfase donde se concentra el detergente
Fase acuosa
¿ Como se eligen los tensoactivos ?agua
Según el coeficiente HLB
Balance Hidrofílico LipofílicoBalance Hidrofílico – Lipofílico
es decir, el balance del tamaño y fuerza de los grupos hidrofílicos ( fí l l ) li fíli ( fí l l ) d
62(afín al agua o polar) y lipofílicos (no afín al agua o no polar) de un surfactante.
Estas sustancias aumentan las fuerzas de atracción entre las fases W y O
Cuando se forma una emulsión , el área de contacto de superficie aumenta, Cuando se forma una emulsión , el área de contacto de superficie aumenta, aumentando así la energía interfacial total .
Como resultado, las moléculas tienden a migrar de la interfaz al interior de la fase y , g yreducir el área del contacto real entre las moléculas diferentes.
Las tensiones interfaciales están en el rango de 15 a 25 dy / cm.
63Un agente amfifílico y producen una reducción en la tensión interfacial de menos de 10 dy / cm.
Escala HLB
64
Como se calcula el HLBComo se calcula el HLB
Para detergentes no ionicos no iónico perteneciente a la clase de los polioxietilenos
65
Detergente Valor de HLB
IGEPAL 210® 4
Oxido de etileno Propileno Pluronic®Oxido de etileno Propileno Pluronic®1 a 7
Tween 20® 16Tween 20® 16
IGEPAL ®66
IGEPAL 720® 14
3‐ Cambiando la Interacción iónicaUna emulsión necesita ser eléctricamente neutra para permanecer estable. Si se p pagregan surfactantes iónicos a la superficie de las gotas establecen una doble capa eléctrica en la fase acuosa y estabilizan la emulsión aceite-agua.
67
4‐ agregando partículas finamente divididasg gPolvo de sílice, sales básicas, fragmentos celulares de plantas ( especias), etc. Pueden estabilizar una emulsión por adsorción en la interface formando una barrera física alrededor de las gotas de la emulsión.
Fase acuosa
Fase oleosa
acuosa
Partículas muy pequeñas
68
5‐ Adicción de MacromoléculasLas proteínas y polimeros de cadena flexible (especialmente los polisacaridos –naturales) forman películas alrededor de una gota de la emulsión y establecen unanaturales) forman películas alrededor de una gota de la emulsión y establecen unabarrera física a la coalescencia. Cuando una proteína se usa como una agenteemulsificante, se despliega y re‐orienta su cadena de aminoácidos para que los gruposhidrófobos se orienten con el aceite y los grupos hidrófilos ,con la fase acuosa .hidrófobos se orienten con el aceite y los grupos hidrófilos ,con la fase acuosa .
Fase
Fase oleosa
acuosa
Macromolécula desnaturalizada
Macromolécula nativa
Fase oleosa
Fase oleosa
Fase oleosa
Beta lactoglobulina
Goma arabiga
69
Goma arabiga
tero
EMULSIFICANTES
TENSOACTIVOS: lauril sulfato de sodio, derivados alquilicos acido n
tiag
o d
el
Est
AGENTES ESTABILIZANTES
sulfonico, cloruro de benzalconio, esteres del sorbitan, polisorbatos.aci
on
al
de S
a
NATURALES
SINTETICOS
Un
ivers
idad
N
ESTABILIZADORES: Goma arábiga almidones modificados
SOLIDOS FINAMENTE DIVIDIDOS
roin
du
stri
as
-U ESTABILIZADORES: Goma arábiga, almidones modificados,
goma guar, pectinas.
Ellos modifican la viscosidad de la fase continua o producen su gelación.
ron
om
ía y
Ag
r llos od f ca la scos dad de la fase co t ua o p oduce su gelac ó
Condiciones de un buen estabilizante:
•Adsorción fuerte: (amfifílico)
acu
ltad
de A
gr
( )
•Cobertura superficial completa: debe saturar la interfase
•Formación de una capa estabilizante y con impedimentos estéricos
70
Fa(carácter hidrofílico
•Formación de una capa cargada
tero
PROCESOS DE DESESTABILIZACIÓNCremado
nti
ag
o d
el
EstPor diferencia de densidad entre aceites y el agua , hay una tendencia de la fase
de aceite a concentrarse en la parte superior de la emulsión.
La velocidad de cremado puede disminuirse:
aci
on
al
de S
aLa velocidad de cremado puede disminuirse:- reduciendo el tamaño de la gota,- bajando la diferencia de densidad entre el aceite y la fase acuosa,- aumentando la viscosidad del medio.
Un
ivers
idad
Nro
ind
ust
rias
-Uro
no
mía
y A
gr
acu
ltad
de A
gr
Ley de Stokes71
Fa
y
V = 2g r2 (ρ2 - ρ1) / 9 η
tero
DESTABILIZACION DE EMULSIONES
nti
ag
o d
el
Est
aci
on
al
de S
aU
niv
ers
idad
N
floculacióncoalescencia
roin
du
stri
as
-Uro
no
mía
y A
gr
acu
ltad
de A
gr
72
Fa
rupturacreaming
73
MICROEMULSIONES
d ñ b l d fFormadas por gotitas pequeñas y estabilizadas por surfactantes.
En su interior pueden incluir una sustancia activa.
CARACTERISTICAS
TRANSPARENTES
NO SE SEPARAN LAS FASES, ESTABLESNO SE SEPARAN LAS FASES, ESTABLES
LAS GOTAS POSEEN UN DIAMETRO DENTRO DE LOS NANOMETROS
74
Diferencias entre macro y microemulsiones• Propiedad Emulsión Microemulsión
• Aspecto Opaco Translúcido
• Diámetro fase interna 0.15 - 100 um 10 - 100 nm
• Formación Agitación y/o calor Espontánea
• Estabilidad termodinámica Inestable Estable
P i d f t t N R l ió ífi• Presencia de cosurfactante No Relación específica con surfactante
• Concentración surfactantes Baja Alta• Concentración surfactantes Baja Alta
75
TERMODINAMICA DE LA FORMACION DE MICROEMULSIONES
ACEITEACEITE
γwo
Δ Δ ΔA T S y GWOsγ > > > > > > 0
Formación emulsión
Δ Δ ΔA T S y GWOsγ < < < < 0
Formación emulsión
Formación microemulsión
La micro emulsión se forma
Valor muy grande debido a la formación
de micro gotas
También se puede
disminuir este l
espontaneamente
76
de micro gotasvalor
¿ COMO SE OBTIENEN LAS MICROEMULSIONES: DIAGRAMAS DE FASES
77
78
EQUIPOS PARA OBTENER EMULSIONES
79
80
81
PRIMER PARCIAL
PROCESOS BIOTECNOLOGICOS I
JUEVES 22 DE SEPTIEMBRE
HORARIO: 20 Hs
AULA ????AULA ????TEMARIO:
( ) ( )TEORICOS: Profesores G. Picó (Clase 1,2,3,4,5) y B. Nerli (Clases 6 y 7 )
El escalado: del laboratorio, planta piloto a la industria. Principio de similaridad. Clasificación de las O.U. Balance de masas. O.U. Donde intervienen fenómenos a f cac ó e a O U a a ce e a a O U o e e e e fe ó e ofisicoquímicos de superficie: sedimentación, flotación y emulsificación.
O.U. de adsorción y su escalado.
Práctica: Problemas numericos de los temas detallados anteriormente
82