La separación continua de la espuma es un proceso químico estrechamente relacionado con el fraccionamiento de la espuma en el que la espuma se utiliza para separar los componentes de una solución cuando difieren en la actividad superficial. En cualquier solución, los componentes tensioactivos tienden a adsorberse en las interfaces gas-líquido, mientras que los componentes superficiales inactivos permanecen dentro de la solución a granel. Cuando se forma espuma en una solución, la mayoría de los componentes tensioactivos se acumulan en la espuma y la espuma se puede extraer fácilmente. Este proceso se usa comúnmente en proyectos a gran escala como el tratamiento de aguas residuales debido a un flujo continuo de gas en la solución.
Hay dos tipos de espuma que se pueden formar a partir de este proceso. Son 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 ser de mayor diámetro y 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. Como tal, lo que la mayoría de la gente suele entender como espuma es en realidad solo espuma seca.
La configuración para la separación de espuma continua consiste en asegurar una columna en la parte superior del recipiente de la solución que se va a espumar. El aire o un gas específico se dispersa en la solución a través de un rociador. Una columna colectora en la parte superior recoge la espuma que se produce. Luego, la espuma se recoge y se colapsa en otro recipiente.
En el proceso de separación de espuma continuo, se alimenta una línea de gas continua a la solución, lo que provoca que se produzca una formación de espuma continua. La separación continua de espuma puede no ser tan eficaz para separar solutos como para separar una cantidad fija de solución.
Historia
Durante décadas se han utilizado habitualmente procesos similares a la separación continua de espuma. Los skimmers de proteínas son un ejemplo de separación de espuma que se utiliza en acuarios de agua salada. Los primeros documentos relacionados con la separación de espumas se remontan a 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] Un estudio diferente realizado por RB Grieves y RK Woods [3] en 1964 se centró en los diversos efectos de la separación en función de los cambios de determinadas 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 espumas. Lemlich investigó la ciencia detrás del fraccionamiento de la espuma a través de la teoría y las ecuaciones.
Como se indicó anteriormente, la separación continua de la espuma está estrechamente relacionada con el fraccionamiento de la espuma, donde los solutos hidrófobos se adhieren a las superficies de las burbujas y se elevan 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 el tratamiento de agua para una ciudad. Un artículo publicado por la Water Environment Federation [5] en 1969, discutió la idea de utilizar el fraccionamiento de espuma para tratar la contaminación en los ríos y otros recursos hídricos en las ciudades. Desde entonces, se han realizado pocas investigaciones para comprender mejor este proceso. Aún son muchos los estudios que implementan este proceso para sus investigaciones, como la separación de biomoléculas en el campo médico.
Fondo
Química de superficie
La separación continua de la espuma depende de la capacidad del contaminante para adsorberse en la superficie del disolvente en función de sus potenciales químicos . Si los potenciales químicos promueven la adsorción en la superficie, el contaminante se moverá de la mayor parte del solvente 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 la masa, aumenta la concentración superficial; esto aumenta la tensión superficial en la interfaz líquido-vapor. La tensión superficial describe lo difícil que es extender el área de una superficie. Si la tensión superficial es alta, se requiere una gran cantidad de energía libre para aumentar el área de la superficie. La superficie de las burbujas se contraerá debido a este aumento de la tensión superficial. Esta contracción favorece la formación de espuma.
Espumas
Definición
La espuma es un tipo de dispersión coloidal en la que el gas se dispersa en una fase líquida. La fase líquida también se llama fase continua porque es ininterrumpida, a diferencia de la fase gaseosa. [1]
Estructura
A medida que se forma la espuma, cambia de estructura. A medida que el líquido forma espuma en el gas, las burbujas de espuma comienzan como esferas empaquetadas y uniformes. Esta fase es la fase húmeda. Cuanto más arriba en la columna viaja la espuma, las burbujas de aire se distorsionan para formar formas poliédricas, la fase seca. El líquido que separa las caras planas entre dos burbujas poliédricas se llama laminillas; es una fase líquida continua. Las áreas donde se encuentran tres laminillas se denominan bordes de meseta . Cuando las burbujas en la espuma son del mismo tamaño, las laminillas en los bordes de la meseta se encuentran en ángulos de 120 grados. Dado que la laminilla está ligeramente curvada, la región de la meseta está a baja presión. La fase líquida continua se mantiene en las superficies de las burbujas mediante las moléculas de tensioactivo que forman la solución que se está formando espuma. Esta fijación es importante porque, de lo contrario, la espuma se vuelve muy inestable a medida que el líquido se drena hacia la región de la meseta y hace que las laminillas sean más delgadas. Una vez que las laminillas se vuelven demasiado delgadas, se romperán. [6]
Teoría
Ecuación de Young-Laplace
A medida que se forman burbujas de vapor en un solvente líquido, la tensión interfacial causa una diferencia de presión, Δ p , a través de la superficie dada por la ecuación de Young-Laplace . La presión es mayor en el lado cóncavo de las laminillas líquidas (el interior de la burbuja) con radio, R, dependiente del diferencial de presión. Para burbujas esféricas en una espuma húmeda y tensión superficial estándar γ ° , la ecuación para el cambio de presión es la siguiente:
Como las burbujas de vapor se distorsionan y toman la forma de una geometría más compleja que una esfera simple, los dos radios de curvatura principales R 1 y R 2 se usarían en la siguiente ecuación: [1]
A medida que aumenta la presión dentro de las burbujas, las laminillas líquidas que se muestran en la figura anterior se verán obligadas a moverse hacia los bordes de la meseta provocando un colapso de las laminillas.
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, la siguiente ecuación se puede usar para estimar el cambio en la tensión superficial donde dγ es el cambio en la tensión superficial de la interfaz, Γ 1 es el exceso de superficie del solvente, Γ 2 es la superficie exceso del soluto (tensioactivo), dμ 1 es el cambio en el potencial químico del solvente, y dμ 2 es el cambio en el potencial químico del soluto: [7]
Para 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 tensioactivo, R es la constante del gas y T es la temperatura absoluta:
Para resolver el área de la superficie de la espuma ocupada por una molécula adsorbida, A s , se puede usar la siguiente ecuación donde N A es el número de Avogadro .
Aplicaciones
Tratamiento de aguas residuales
La separación continua de espuma se utiliza en el tratamiento de aguas residuales para eliminar los agentes espumantes derivados de detergentes como el ABS , que se volvió común en las aguas residuales en la década de 1950. [8] En 1959 se demostró que al agregar 2 octanos a las aguas residuales espumadas, el 94% del ABS podía eliminarse del lodo activado mediante el uso de técnicas de separación de espuma. [9] La espuma producida durante el tratamiento de aguas residuales puede reciclarse al tanque de lodos activados dentro de una planta de tratamiento de residuos, se ha encontrado que los organismos bacterianos que viven allí descomponen el ABS cuando se les permite el tiempo suficiente, o se extraen y colapsan para su eliminación. [10] También se ha descubierto que la separación de la espuma disminuye la demanda química de oxígeno cuando se utiliza como técnica de tratamiento secundario para las aguas residuales. [11]
Remoción de metales pesados
La eliminación de iones de metales pesados de las aguas residuales es importante porque se acumulan fácilmente en la cadena alimentaria y terminan en animales como el pez espada que comen los humanos. La separación de espuma se puede usar para eliminar iones de metales pesados de las aguas residuales a bajo costo, especialmente cuando se usa en sistemas de múltiples etapas. Al realizar la separación de espuma de iones, hay tres condiciones operativas que deben cumplirse para una producción óptima de espuma para la eliminación de iones: formación de espuma, inundación y derrame / vertido. [12]
Extracción de proteínas
La separación de espuma se puede utilizar para la extracción de proteínas de una solución, especialmente para concentrar la proteína de una solución diluida. Cuando se purifican proteínas de una solución a escala industrial, se desea el método más rentable. Como tal, la separación de espuma ofrece un método con bajos costos de capital y mantenimiento debido al diseño mecánico simple; este diseño también permite una fácil operación. [13] Sin embargo, hay dos razones por las que el uso de la separación de espuma para extraer proteínas de la solución no se ha generalizado: en primer lugar, algunas proteínas se desnaturalizan durante el proceso de formación de espuma y, en segundo lugar, el control y la predicción de la formación de espuma suelen ser difíciles de calcular. Para determinar el éxito de la extracción de proteínas mediante la formación de espuma se utilizan tres cálculos. [14]
La relación de enriquecimiento demuestra cuán efectiva es la formación de espuma para extraer la proteína de la solución a la espuma, cuanto mayor sea el número, mejor será la afinidad de la proteína por el estado de la espuma.
La relación de separación es similar a la relación de enriquecimiento en que cuanto más eficaz sea la extracción de proteína de la solución a la espuma, mayor será el número.
La recuperación es la eficiencia con la que se elimina la proteína de la solución al estado de espuma; cuanto mayor sea el porcentaje, mejor será el proceso para recuperar la proteína del soluto al estado de espuma.
La hidrodinámica de la espuma , así como muchas de las variables que afectan el éxito de la formación de espuma, tienen un conocimiento limitado. 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 espuma se realiza utilizando piscinas poco profundas. El uso de piscinas con alturas bajas 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 de la superficie. Esto conduce a la coalescencia de la espuma inestable más arriba en la columna, lo que provoca un aumento del tamaño de la burbuja y un aumento del reflujo de la proteína en la espuma. Sin embargo, se ha demostrado que una mayor 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 de banco 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 de espuma también se ha utilizado como una técnica más eficiente en energía. Este método se ha utilizado en muchas especies de células bacterianas como Hansenula polymorph , Saccharomyces carlsbergensis , Bacillus polymyxa , Escherichia coli y Bacillus subtilis , siendo más eficaz en células que tienen superficies hidrófobas. [dieciséis]
Direcciones actuales y futuras
La extracción continua de espuma se utilizó inicialmente con respecto al tratamiento de aguas residuales en la década de 1960. Desde entonces no ha habido mucha investigación sobre la formación de espuma como técnica de extracción. Sin embargo, en los últimos años, la formación de espuma para la extracción de proteínas y productos farmacéuticos ha ganado un mayor interés para los investigadores. La purificación de productos es la parte más cara de la producción de productos en biotecnología, la espumación ofrece un método alternativo que es menos costoso que algunas técnicas actuales.
Equipo de separación
Aparato de espuma
La separación continua de espuma es uno de los dos modos principales de separación de espuma y el otro es la separación de espuma por lotes. La diferencia entre los dos modos es que en el modo continuo, la solución de tensioactivo se alimenta continuamente a través de una alimentación a la columna de espuma y una solución, extraída de tensioactivo, también 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 esté en estado estable, el líquido no se desbordará hacia la columna de espuma. Dependiendo del diseño del separador de espuma, la ubicación de la alimentación que fluye hacia adentro puede variar desde la parte superior de la solución líquida hasta la parte superior de la columna de espuma. [17]
La creación de la espuma comienza con el flujo de gas hacia el fondo de la columna de líquido. La cantidad de flujo de gas en el aparato se mide y se mantiene a través de un medidor de flujo. A medida que la espuma se eleva y se drena del líquido, se desvía a un recipiente separado para recoger el espumado. La altura de la columna de espuma depende de la aplicación. La espuma desviada se licua colapsando las burbujas de espuma. Normalmente, esto se puede lograr por medios mecánicos o bajando la presión en el recipiente colector de espumado. Los separadores de espuma para diferentes tipos de aplicaciones utilizan la configuración básica que se muestra en el diagrama, pero pueden variar según la ubicación y la adición de equipo.
Consideraciones de diseño
Se puede usar equipo adicional en la forma básica de un aparato separador de espuma para lograr otros efectos deseados que se adapten al tipo de aplicación, pero el proceso subyacente de separación sigue siendo el mismo. La adición de equipo se utiliza para optimizar los parámetros, el enriquecimiento E o la recuperación R. Normalmente, el enriquecimiento y la recuperación son parámetros opuestos, pero ha habido algunos estudios recientes que muestran la capacidad de optimizar simultáneamente ambos parámetros. [17] La variación de los caudales en la entrada de gas, así como otros ajustes del equipo, tiene efectos sobre la optimización de los parámetros. La tabla compara la separación de la espuma con otras técnicas utilizadas para separar la proteína, α-lactoalbúmina, de una solución de proteína de suero.
Separación de espuma (semi-lote) [18] | Separación de espuma (lote) [19] | Cromotografía de intercambio catiónico [20] | Ultrafiltración (modo CC-DC) [21] | |
---|---|---|---|---|
Recuperación (%) | 86,2 [18] | 64,5 [19] | 90 [20] | 80 [21] |
Alimentación / Concentración inicial (mg / mL) | 0,075 [18] | 0,49 [19] | 0,72 [20] | 1,75 [21] |
Volumen inicial (mL) | 145 [18] | - | - | - |
Tasa de flujo de gas (mL / min) | 2.7 [18] | 20 [19] | - | - |
Volumen de columna (ml) [20] | - | - | 80 [20] | - |
Tampón (mM) [20] | - | - | 100 [20] | - |
Área de la membrana (m 2 ) [21] | - | - | - | 0,045 [21] |
Flujo de permeación (m 2 / h) [21] | - | - | - | 70 [21] |
Valor de pH | 4.9 [18] | 2 [19] | 4 [20] | 7 [21] |
pH
El pH es un factor importante en la formación de espuma porque determinará si un tensioactivo podrá pasar a la fase de espuma desde la fase líquida a granel. El punto isoeléctrico es un factor que debe tenerse en cuenta, cuando los tensioactivos tienen cargas neutras son más favorables para la adsorción a la interfase líquido-gas. El pH ofrece un problema único para las proteínas debido al hecho de que se desnaturalizan en pH demasiado altos o bajos. Si bien el punto isoeléctrico es ideal para la adsorción de tensioactivos, se ha descubierto que la espuma es más estable a un pH de 4 y que el volumen de la espuma 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 pueden adsorberse a la espuma y, por lo tanto, determinará la eficacia de la separación del tensioactivo de la solución. Los tensioactivos de cadenas más largas tienden a asociarse en micelas en la superficie sólido-líquido. La concentración del tensioactivo también influye en el porcentaje de eliminación del tensioactivo. [6]
Otro
Algunos 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 solución. [6] Se sabe que los detergentes afectan la formación de espuma. Aumentan la capacidad de la solución para formar espuma, aumentando la cantidad de proteína recuperada en el foamato. Algunos detergentes actúan como estabilizadores de la espuma, como el bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB). [17]
enlaces externos
- Separación de espuma biosurfactante
- Video de creación de espuma metálica
- Video de espuma de metal colapsada
Referencias
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