Extracción en etapas múltiples - Docencia UAM-I

Planta Piloto de Fermentaciones
Departamento de Biotecnología
Extracción líquido-líquido
para la recuperación de biomoléculas
Sergio Huerta Ochoa
UAM-Iztapalapa

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Departamento de Biotecnología
Definición de extracción
líquido-líquido
• La extracción líquido-líquido es una
operación que permite la recuperación de
un soluto de una solución mediante su
mezcla con un solvente.
• El solvente de extracción debe ser insoluble
o soluble en grado limitado en la solución
que se va a extraer y el soluto que se va a
extraer debe presentar una elevada afinidad
por el solvente de extracción.

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La extracción líquido-líquido se realiza
básicamente en dos etapas:
a) Mezcla íntima del solvente
de extracción con la solución
a procesar.
Alimentación
b) Separación de la mezcla
en dos fases líquidas
inmiscibles
Tanque agitado Sedimentador
Fase ligera
Fase pesada

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La extracción líquido-líquido se realiza
básicamente en dos etapas:

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Uso del proceso de extracción por solventes
en la extracción de productos biológicos
Factores
• Selectividad de la extracción
• Ajuste con otras etapas de
purificación
• Reducida pérdida del
producto por degradación
• Aislamiento del producto
• Aplicable en un amplio
rango de escalas

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Aplicación de la extracción por solventes en
sistemas biológicos
Tamaño de la molécula
• Pequeñas1000 Da
(Enzimas, anticuerpos, etc)

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Áreas que requieren atención especial al
utilizar la extracción por solventes
• Selección del solvente
• Comportamiento de la
transferencia de masa
• Comportamiento de la
separación de fases
• Diseño y selección de
equipo

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Problemas que se presentan en el uso de
extracción con solventes
• Naturaleza compleja y
multicomponente del
sistema biológico
• Tasas de transferencia de
masa
• Comportamiento de la
separación de fases
• Inestabilidad del producto
• Comportamiento de los
procesos dependientes
del tiempo

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Teoría de doble película para la transferencia
de masa entre dos fases líquidas
Dirección de la transferencia de masa
Cc
Fase del
refinado
Película de la
fase continua
Cc 1
Interfase
Cd 1
Fase del
extracto
Cd
Película de la
fase dispersa

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Coeficientes de partición para algunos
solutos de interés
Compuesto Soluto Solvente Kp Observaciones
Aminoácidos Glicina n-butanol/agua 0.01
Lisina n-butanol/agua 0.20
Ac. Glutámico n-butanol/agua 0.07
Antibióticos Celesticetina
Eritromicina
Novobiocina
Penicilina F
Penicilina K
Proteínas Glucosa
Isomerasa
Catalasa
n-butanol/agua
Amil acetato/agua
Butil acetato/agua
Amil acetato/agua
Amil acetato/agua
PEG 1550/fosfato
de potasio
PEG/dextran
crudo
110.00
120.00
0.04
100.00
0.01
32.00
0.06
12.00
0.10
3.00
3.00
25 ºC
a pH 7.0
a pH 10.5
a pH 4.0
a pH 6.0
a pH 4.0
a pH 6.0

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Sistemas de extracción líquido-líquido
Acuoso-Orgánico
Acuoso-Acuoso
para biomoléculas
Tradicional
Micelas Inversas
Sistemas:
PEG - DX; PEG - Sal
Micelas

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Extracción líquido - líquido tradicional
(Aharon y Bressler, 1993)
Extracción Solución
de refinado
Extracción inversa
Solución de
producto
Mezclador Sedimentador
Sedimentador Mezclador
Solución de
extractante

Fase orgánica
Fase acuosa
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Extracción líquido-líquido
utilizando micelas inversas
Surfactante
• Las micelas inversas son
dispersiones dispersiones de agua en
aceite (w/o)
termodinámicamente
estables, ópticamente
transparentes,
estabilizadas por un
surfactante
(Hoar y Schulman, 1943)

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Transferencia de una proteína entre una fase acuosa
y una fase de micelas inversas
Micela invertida
Proteina
Fase orgánica
Fase acuosa

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Selectividad del sistema de micelas inversas
Tamaño
Carga
Fase orgánica
Fase acuosa
Surfactante

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Sistema de dos fases acuosas
Sistema: Polímero-polímero-agua
Polímero Polímero
Polipropilen glicol Polietilen glicol
Dextran
Maltodextrina
Polietilen glicol Polivinil alcohol
Polivinilpirrolidon
Dextrano
Sistema: Polímero-soluto de bajo peso molecular-agua
Polímero Soluto de bajo peso molecular
Polipropilen glicol Fosfato de potasio
Glucosa
Glicerol
Polietilenglicol Fosfato de potasio
Metoxipolietilen glicol Fosfato de potasio
Dextrano Propil alcohol
• Un sistema de dos fases acuosas
se forma cuando un par de
polímeros solubles en agua o un
polímero soluble en agua y un
soluto de bajo peso molecular se
mezclan con agua por arriba de
la concentración crítica.
Maltodextrina mezclan con agua por arriba de

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Factores que afectan al coeficiente de
• Hidrofobicidad
• Tamaño molecular
partición
• Conformación molecular
• Bioespecificidad
• Electroquímica
• pH
• Concentración del buffer
• Fuerza iónica
• Temperatura
• Concentración de la proteína
K p = Kº * K elq * K hf * K bioe * K tam * K conf

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Factores que afectan al coeficiente de partición
Características del Sistema:
1. Incrementar el pH arriba del pI
2. Incrementar el peso molecular
del dextrano
3. Promover interacciones específicas
4. Reducir el peso molecular del PEG
1. Reducir el peso molecular del
dextrano
2. Disminuir el pH del sistema abajo
del pI
3. Incrementar el peso molecular del PEG
(Huddlestone y col., 1991)
PEG
Se incrementa K P
Disminuye K P
Dextrano
Características de la Proteína:
1. Incrementar los residuos hidrofóbicos
2. Disminuir el número de cadenas
laterales amino
3. Incrementar el número de cadenas
laterales carboxilo
1. Disminuir los residuos hidrfóbicos
2. Disminuir el número de cadenas
laterales carboxilo
3. Incrementar el número de cadenas
laterales amino

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Sistema micelar de dos fases acuosas
(Liu, Nikas y Blankschtein, 1996)
T(ºC)
↑
Solución Micelar homogénea Sistema micelar de dos fases
acuosas
Incremento de
•Temperatura
•[surfactante]
•[sales]

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Incorporación de la teoría de la extracción
líquido-líquido a la teoría de membranas
Extracción
líquido - líquido
Membranas
Membranas
líquidas

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Ventajas potenciales para la recuperación
de: ácidos carboxílicos, aminoácidos y
proteínas
• Alta Selectividad
• Ahorro en costos de energía
• Altos flujos
• Instalaciones compactas
• Bajos costos de capital y operación

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Tipos de membranas líquidas
• En emulsión
(Araki y Tsukube, 1990)
• Soportadas en hojas delgadas
• Soportadas en fibras huecas

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Membranas líquidas de doble emulsión
(Aharon y Bressler, 1993)
Solución de la
membrana selectiva
Solución para
la extracción
Solución
de producto
Solución de
alimentación
Refinado para
desecho

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Membranas líquidas soportadas
(Aharon y Bressler, 1993)
Solución de alimentación
Refinado para desecho
Solución de extracción
Solución del producto

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Membranas líquidas híbridas
(Aharon y Bressler, 1993)
Solución de
alimentación
Refinado para
desecho
Solución de la
membrana selectiva
Solución de la
membrana selectiva
(reciclado)
Solución de
extracción
Solución del
producto

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Formación de una membrana líquida
de doble emulsión
Fase Membrana
Fase de Recuperación
1 a emulsión
Fase de alimentación
2 a emulsión

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Factores químicos que afectan la selectividad
y la eficiencia en un sistema de membrana
Proteína
Fase
mezcla
líquida con micelas inversas
Micela inversa
Membrana líquida
Fase
receptora
• Fuerza iónica de ambas fases
acuosas (mezcla y receptora)
• pH de ambas fases acuosas
(mezcla y receptora)
• Tamaño de la micela inversa
• La carga de la micela inversa
• La naturaleza del solvente
(membrana)

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Problemas que se presentan en las
membranas líquidas de doble emulsión
Fase membrana
Proteína
Fase de
recuperación
Micela
invertida Fase de
alimentación
Extracción
Re-extracción
• Estabilidad de la
doble doble emulsión emulsión
• Hinchamiento
• Velocidades de
transferencia de reextracción
bajas

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Mecanismo para el hinchamiento osmótico
en membranas líquidas en emulsión
(Thien y Hatton, 1988)
Fase membrana
H 2O
Micela
invertida
Fase de
recuperación
Fase de
alimentación
El hinchamiento resulta del
transporte neto de agua de la
fase externa a la fase interna
La fuerza impulsora es la
diferencia de presión osmótica
a través de la membrama

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Parámetros importantes en la extracción de
EXTRACCIÓN
REEXTRACCIÓN
proteínas con micelas inversas
• Fase acuosa
• Fase orgánica
pH
[sal]
Surfactante: (tipo y estructura)
Solvente
A UNA FASE ACUOSA FRESCA
• Ajustar pH: repulsión electrostática del surfactante
y la proteína
• Incrementar [sal]: exclusión por tamaño

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Otras alternativas para mejorar el
proceso de re-extracción
• Adicionar un segundo solvente (Ermin y Metelitsa, 1988)
• Incrementar la temperatura (Dekker y col., 1991)
• Presurizar la micela invertida con etileno (Phillips y col.,
1991)
• Adicionar isopropil alcohol (Carlson y Nagarajan, 1992)
• Agregar sílica gel (Leser y col., 1993)
• Deshidratar la micela invertida con mallas moleculares (Ram
y col., 1994)
• Adicionar surfactantes contraiónicos (Jarudilokkul y col.,
1999)

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Transferencia de α-quimotripsina como una función de
la concentración de AOT
Tasa de extracción [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(Stobbe y col., 1997)
0
0 1 2 3 4
Concentración de AOT [% w]
Transferencia total:
� dentro de la fase
membrana
� dentro de la fase
interna

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Influencia de la concentración de AOT sobre el
hinchamiento de la fase membrana
(Stobbe y col., 1997)
100
90
80
70 70
60
50
40
30
20
10
0
0 1 2 3 4
Concentración de AOT [% w]

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% de extracción de α-quimotripsina como una
función de la concentración interna de KCl
(Stobbe y col., 1997)
Tasa de extracción [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Concentración interna de KCl [mol/L]
Transferencia total:
� dentro de la fase
membrana
� dentro de la fase
interna

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Hinchamiento de la fase membrana en relación a la
fuerza iónica interna
(Stobbe y col., 1997)
Hinchamiento [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Concentración interna de KCl [mol/L]

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Influencia de la fuerza iónica externa sobre la tasa
de extracción
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(Stobbe y col., 1997)
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Concentración externa de iones [mol/L]
NaCl:
�� Extracción
∆ Re-extracción
KCl:
� Extracción
� Re-extracción

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Influencia de la fuerza iónica externa sobre el
hinchamiento de la fase membrana
Hinchamiento [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(Stobbe y col., 1997)
� Na Cl
� KCl
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Concentración externa de iones [mol/L]

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Extracción de proteína como una función del tiempo
de extracción
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(Stobbe y col., 1997)
0
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo de extracción [min]
Transferencia total:
� dentro de la fase
membrana
� dentro de la fase
interna

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Efecto del tiempo de extracción sobre el hinchamiento
de la fase membrana
100
90
80
70 70
60
50
40
30
20
10
(Stobbe y col., 1997)
0
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo de extracción [min]

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Table 1: Comparing Extraction and Distillation
Extraction Distillation
1. Extraction is an operation in which constituents
of the liquid mixture are separated by using an
insoluble liquid solvent
2. Extraction utilizes the differences in solubilities
of the components to effect separation
1. Constituents of the liquid mixture are separated
by using thermal energy
2. Utilizes the differences in vapor pressures of
the components to effect separation
3. Selectivity is is used as a measure of degree of 3. Relative volatility volatility is used as a measure of
separation
degree of separation
4. A new insoluble liquid phase is created by
addition of solvent to the original mixture
4. A new phase is created by addition of heat
5. Phases are hard to mix and harder to separate 5. Mixing and separation of phases is easy and
rapid
6. Extraction does not give pure product and
needs further processing
7. Offers more flexibility in choice of operating
conditions
8. Requires mechanical energy for mixing and
separation
6. Gives almost pure products
7. Less flexibility in choice of operating conditions
8. Requires thermal energy
9. Does not need heating and cooling provisions 9. Requires heating and cooling provisions
10. Often a secondary choice for separation of
components of liquid mixture
10. Usually the primary choice for separation of
components of liquid mixture

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Diseño de equipo para extracción
líquido-líquido
• Extracción intermitente
• Métodos analíticos
• Métodos gráficos
• Extracción contínua
– Extracción en etapas múltiples
• Método analítico
• Método gráfico
– Extracción diferencial
• Ecuación diferencial (Altura de la columna = Altura de
una unidad por el # de unidades de transferencia)
• Extracción fraccionaria

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Extracción intermitente: También llamada extracción de una sola etapa
Solvente
E 0, x 0
Alimentación
R 0, y A
Contactor Separador
Extracto
E, x
Refinado
R, y

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Método Analítico: Extracción intermitente
El rendimiento alcanzado en una operación de extracción es un factor de diseño
importante y puede ser obtenido mediante el cálculo de la concentración final del
soluto de interés en las fases.
Como generalmente la extracción se realiza de tal manera que las fases interactúan
hasta alcanzar el equilibrio, la concentración concentración final del soluto puede ser obtenida en
forma analítica mediante el empleo de dos ecuaciones
- Relación de equilibrio para las soluciones que intervienen en el proceso
- Balance de masa para el soluto
Cuando la relación de equilibrio es lineal:
x =
donde: x es la concentración de soluto en la fase ligera E, y es la concentración de
soluto en la fase pesada R, y K es la constante de equilibrio.
Ky

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La segunda relación es un balance de masa que indica que en el proceso de extracción:
El soluto inicial = al soluto final
RA yA
+ E0x0
donde: yA es la concentración de soluto en la alimentación o fase pesada, y es la
concentración de soluto en el refinado, esto es, la concentración de soluto que
permanece en la alimentación, x0 es la concentración inicial de soluto en el solvente de
extracción y generalmente es igual a cero, x es la concentración de soluto en el el extracto
al final de la extracción. En esta ecuación se supone que E y R son constantes.
Combinando ecuaciones anteriores:
KyA
yA
x = y =
1+ F
1+
F
donde F es el factor de extracción y está dado por:
F =
El factor de extracción reúne dos factores de diseño importantes, la constante de
equilibrio y la relación de fases !!!!
=
KE
R
Ry
+
Ex

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Es posible desarrollar una expresión para calcular el rendimiento de la operación o la
fracción extraída p, definida por:
Ex
p =
RyA
Misma que puede ser escrita en términos del factor de extracción para dar:
F
p =
1+
F
Consecuentemente la fracción de producto no recuperado es igual a uno menos la
fracción extraída
El grado de concentración GC para separar virus puede ser expresado como:
y
GC =
C0
donde: C0 es la concentración de partículas en la solución original:
Nota: Las expresiones desarrolladas son diferentes en el caso que la extracción se realice de la fase pesada a la
ligera.

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Método Gráfico: Extracción intermitente

Extracción continua
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- Extracción en etapas múltiples
- Extracción diferencial
Método Analítico: Extractores continuos de etapas múltiples
El rendimiento alcanzado en una operación de extracción es un factor de diseño
importante y puede ser obtenido mediante el cálculo de la concentración final del
soluto de interés en las fases.
Como generalmente la extracción se realiza de tal manera que las fases interactúan
hasta alcanzar el equilibrio, la concentración final del soluto puede ser obtenida en
forma analítica mediante el empleo de dos ecuaciones
- Relación de equilibrio para las soluciones que intervienen en el proceso
- Balance de masa para el soluto

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E, x n E, x n-1 E, x 2 E, x 1 E 0, x 0
n n-1 2 1
R 0, y n+1 R, y n R, y 3 R, y 2 R, y 1
Esquema de un proceso de extracción a contracorriente en etapas múltiples

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Cuando el equilibrio puede ser expresado por una relación lineal para la etapa n se
tiene:
x =
n
Ky
El balance de masa para el soluto debe realizarse en cada etapa, de acuerdo a la figura
anterior el balance para la primera etapa es:
Ry +
2 + E 0 x 0 = Ry 1 Ex 1
Cuando las concentraciones de las corrientes de salida de cada etapa son las de
equilibrio y el solvente está libre de soluto x0 = 0, las ecuación anterior puede
combinarse con la relación de equilibrio para la primera etapa , y obtener:
Ky x =
2
n
( F 1) y1
y = +
Como se mencionó anteriormente F es el factor de extracción:
F =
KE
R
1
1

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Para la segunda etapa el balance de masa es:
Ry + Ex = Ry +
3
1
Y de acuerdo a la relación de equilibrio, x 1 = K y 1, y x 2 = K y 2 de tal manera que:
2
Ex
( F + ) y2
1
y3 = 1 − Fy
Sustituyendo la ecuación para y 2 en la correspondiente para y 3:
( 2
+ F F ) 1
y 3 = 1 + y
Mediante este procedimiento se puede obtener una expresión para el cálculo de la
concentración de soluto en la fase pesada a la salida en función de la concentración de
entrada, el factor de extracción y el número de etapas:
y
n +
que también puede escribirse como:
( 2
n
+ F + F + ⋅⋅⋅
+ F ) 1
1 = 1 y
y
⎛ F −1⎞
⎜ y1
⎝ F −1
⎠
n 1
n 1 ⎟ +
+ = ⎜
2

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El cálculo de las concentraciones de salida permite estimar el rendimiento o la fracción
extraída p, que en este casa está dado por:
p
=
Ex
Ry
n
n+
1
Combinando las dos ecuaciones anteriores con la relación de equilibrio en la etapa n:
p
n F( F(
F − 1 )
= n+
1
F −
De esta ecuación se observa que cuando F es muy grande, p se aproxima a 1. Por otro
lado cuando F tiende a cero también p tiende a cero.
En el caso particular cuando F es igual a la unidad, se cumple que:
1
n
p
=
n + 1

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Extracción continua: Extracción en etapas múltiples

Extracción Diferencial
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Cuando el contacto de la fase pesada y la fase ligera se efectúa en forma continua, se
dice que la extracción se realiza en forma diferencial.
El soluto se transfiere de una fase a otra a través de un contacto íntimo entre éstas,
pero no llega a alcanzar el equilibrio. Sin embargo, el resultado de este proceso es una
extracción significativa del soluto deseado:
z
R, y L
R, y z+∆z
R, y z
R, y 0
E, x L
E
E 0, x 0
∆z
R, y z+∆z
R, y z
rA∆z
E
Concentración x,y
en el volumen A∆z

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El análisis de la extracción diferencial depende de tres relaciones básicas
- Relación de equilibrio
- balance de masa tomado a cualquier altura de la columna
- Balance de masa de soluto que expresa la velocidad con que éste se
transfiere de la fase pesada a la fase ligera
La relación de equilibrio puede expresarse como:
x = Ky
donde: y* es la concentración hipotética de soluto en la fase pesada en equilibrio con la
concentración de soluto x en la fase ligera, en una altura dada de la columna.
El balance de masa que resulta para este proceso a cualquier altura de la columna es:
que también puede ser escrito como:
∗
Ry Ex = Ry +
+ 0 0
R
x =
−
E
Ex
( y y )
0

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La tercera relación es el balance de masa de soluto que expresa la velocidad con que
éste se transfiere de la fase pesada a la fase ligera. Este balance se realiza en un
diferencial de volumen ∆V
= A∆z
Acumulación de
Soluto en la fase R
= - + -
Entrada de
soluto
Salida de
soluto
Producción Transferencia
Consideraciones
- No hay acumulación de soluto soluto
- No hay producción de soluto
- La velocidad de transferencia de soluto de la fase R a la fase E está dada
por rAΔz, donde r es la velocidad de transferencia volumétrica
El balance de masa en el diferencial de volumen se puede escribir como:
0
( y − y ) − rA∆z
= R z+
∆z
z
Si se divide la ecuación anterior por AΔz y se toma el límite Δz�0, la ecuación se
puede escribir como:
0
=
⎛
⎜
⎝
R
A
⎞
⎟
⎠
dy
dz
− r

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La velocidad de transferencia r es proporcional al área superficial de las gotas por
unidad de volumen. La velocidad de transferencia r también es proporcional a que tan
lejos está la concentración y del equilibrio. De acuerdo a lo anterior r se puede escribir
como:
∗
r = ka y − y
( )
donde: a es el área superficial de contacto por unidad de volumen, y* es la
concentración hipotética de soluto en la fase pesada en equilibrio con la
concentración de soluto soluto en la fase ligera x, y k es una una constante de velocidad llamada
coeficiente de transferencia de masa
Combinando las dos ecuaciones anteriores se tiene:
dy
dz
∗ ( y − )
⎛ kaA ⎞
= ⎜ ⎟ y
⎝ R ⎠
La ecuación anterior está en función del diferencial dz. Esto permite calcular la
longitud del extractor diferencial utilizando la relación de equilibrio y el balance de
masa
∫
= L
L dz
0

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De acuerdo a la ecuación diferencial se obtiene la expresión:
L
=
R
kaA
De la ecuación de equilibrio tenemos que:
Por lo tanto:
L
=
R
kaA
∫
∗
y =
yL
y
0
yL
dy
∫y ∗
0 y − y
x
K
dy
⎛ x ⎞
⎜ y − ⎟
⎝ K ⎠
De la ecuación de balance de masa tenemos que:
R
x =
−
E
( y y )
0

entonces:
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L
=
R
kaA
∫
yL
y
0
dy
R
y −
EK
( y − y )
KE
Dado que F =
, la ecuación anterior puede escribirse como:
R
Finalmente integrando:
R
kaA
L = ∫
yL
y
0
dy
y y0
y +
F −1
⎧ ⎛ xL
⎪ ⎜ y −
⎡ R ⎤ F L
L =
⎢ ⎥⎨
ln⎜
K
⎣kaA⎦⎪
F −1
⎪
⎜ y0
⎩ ⎝
L =
0
[ HTU ]{ �TU}
donde: HTU = Altura de una unidad de transferencia (Eficiencia)
�TU = Número de unidades de transferencia (Grado de dificultad)
⎞⎫
⎟⎪
⎟⎬
⎟
⎟⎪
⎠⎪⎭
Cálculo de altura de
una columna