En filtración de flujo tangencial (TFF, del inglés tangential flow filtration), la membrana determina una parte esencial de la separación. Sin embargo, el producto también circula por una bomba, atraviesa conexiones y válvulas, permanece en un recipiente y vuelve repetidamente al módulo de filtración. El resultado depende de cómo trabajan juntos todos estos elementos.
Un circuito adecuado debe mantener las condiciones de separación a medida que cambia el producto, permitir una recuperación eficaz y ofrecer información suficiente para controlar el proceso. Conseguir una concentración final determinada no basta si una parte importante del producto queda en el equipo o pierde sus propiedades durante la operación.
Esta página desarrolla los criterios de ingeniería del circuito. Para situarlos dentro del proceso completo, puedes consultar la introducción a la filtración tangencial y la explicación de los parámetros de TFF y selección de membranas.
Cómo seleccionar una bomba para TFF
La bomba de recirculación impulsa el líquido por el canal de alimentación de la membrana. Su selección condiciona el intervalo de caudal disponible, la presión que puede desarrollar y la forma en que se entrega ese caudal.
El punto de trabajo cambia durante una concentración. Al principio puede circular una disolución poco viscosa; al final, el mismo caudal puede exigir una mayor diferencia de presión. Por tanto, una bomba que funciona correctamente con agua o con el producto inicial no queda automáticamente cualificada para todas las etapas del proceso.
También conviene comprobar la regulación a caudales bajos, el cebado, el volumen interno, los materiales en contacto con el producto y la posibilidad de recuperar el líquido al terminar. El caudal máximo de catálogo es solo uno de estos criterios.
Bombas peristálticas y bombas de diafragma
Las bombas peristálticas permiten que el producto permanezca dentro de un tubo y facilitan el uso de circuitos desechables. Su comportamiento depende, entre otros factores, del cabezal, el número de rodillos, la velocidad, el tubo y la contrapresión. La pulsación, la vida útil del tubo y la estabilidad del caudal deben comprobarse en las condiciones reales de trabajo.
Las bombas de diafragma ofrecen otra forma de impulsar el fluido. Su comportamiento tampoco puede deducirse únicamente del nombre de la tecnología: importan la geometría, la coordinación entre cámaras y las condiciones de aspiración y descarga.
La pulsación y el esfuerzo sobre el producto deben valorarse junto con el punto de operación y los resultados del proceso. La selección de una tecnología de bombeo requiere comprobar su idoneidad para el producto concreto.
Cizallamiento: intensidad, duración y exposición repetida
El cizallamiento aparece cuando unas capas de líquido se desplazan respecto a otras. No se limita a la bomba: también existe en los canales de la membrana, las válvulas, las conexiones y los cambios de sección.
Conviene distinguir la velocidad de cizallamiento, expresada en s⁻¹, de la tensión de cizallamiento, expresada en Pa. La primera describe un gradiente de velocidad; la segunda representa un esfuerzo por unidad de superficie. En un fluido newtoniano se relacionan mediante la viscosidad dinámica, pero esa relación sencilla no describe por sí sola todos los productos biológicos concentrados.
Una mayor velocidad tangencial puede ayudar a limitar la acumulación de solutos junto a la membrana. A la vez, puede aumentar la pérdida de carga y la exposición mecánica. El objetivo es encontrar condiciones que permitan separar de forma eficaz manteniendo la calidad del producto.
Por qué importa la recirculación
En un circuito con retorno al recipiente, el producto atraviesa repetidamente los mismos componentes. La evaluación de una bomba o una válvula debe tener en cuenta esta exposición acumulada y la duración de la operación.
No es correcto asumir que cada paso produce una pérdida fija ni que el daño aumenta siempre de forma lineal con el tiempo. La sensibilidad depende del producto, la formulación y los mecanismos implicados. Para proteínas, partículas, vectores o células, los criterios de aceptación pueden incluir agregación, actividad, integridad, tamaño de partícula o viabilidad, según el caso.
El contacto con aire, la formación de espuma y las interfaces también pueden afectar al producto. Atribuir cualquier alteración únicamente al cizallamiento puede llevar a corregir el elemento equivocado del circuito.
Pulsaciones y control de presión transmembrana (TMP)
La presión transmembrana (TMP, del inglés transmembrane pressure) suele estimarse a partir de las presiones de alimentación, retenido y permeado. Su valor medio permite seguir el proceso, pero no describe necesariamente las variaciones rápidas.
Como ejemplo ilustrativo, dos registros pueden presentar una media de 1 bar. En uno, la presión oscila entre 0,98 y 1,02 bar; en otro, entre 0,8 y 1,2 bar. Ambos tienen la misma media, pero exponen al sistema a condiciones distintas. Estos intervalos son un ejemplo didáctico, no una especificación de equipo ni un criterio de aceptación universal.
Las pulsaciones pueden proceder de la bomba y verse modificadas por la elasticidad de las mangueras, el aire presente, las restricciones y la respuesta del control. La amplitud que llega a la membrana debe medirse; no basta con conocer la pulsación declarada de un componente aislado.
Medición y control deben tener una respuesta adecuada
Para interpretar las oscilaciones hay que conocer dónde se sitúan los sensores, su velocidad de respuesta y la frecuencia de adquisición. Un registro demasiado lento o muy filtrado puede mostrar una curva aparentemente estable mientras omite fluctuaciones relevantes.
Cuando se calcula una TMP dinámica con varias señales, su sincronización también importa. Combinar presiones correspondientes a instantes distintos puede distorsionar el resultado.
La comparación entre equipos debe realizarse en condiciones equivalentes: mismo fluido, módulo, caudal, contrapresión y método de registro. Una gráfica aislada no permite atribuir una mejora de rendimiento únicamente a la estabilidad de presión.
Válvulas y sensores: regular sin crear restricciones innecesarias
La válvula del retenido modifica la resistencia a la salida del módulo y permite actuar sobre la contrapresión. Si el circuito incorpora regulación en el permeado, esta también influye en la TMP y en la extracción de filtrado.
El caudal y la presión están relacionados. Cerrar una válvula puede modificar tanto la presión como el caudal que entrega la bomba, según su funcionamiento. Por ello, los lazos de control deben coordinarse para evitar que una corrección provoque oscilaciones en otra variable.
Una válvula de aislamiento no tiene necesariamente el comportamiento requerido para una regulación proporcional. Importan el intervalo útil de apertura, la repetibilidad y el dimensionamiento. Una válvula demasiado grande puede concentrar la regulación en una pequeña parte de su recorrido; una demasiado restrictiva puede introducir una pérdida de carga innecesaria.
El comportamiento de la válvula debe evaluarse junto con los sensores, la bomba y la estrategia de control del circuito.
Aspiración, aire y cavitación
La línea de aspiración merece la misma atención que la descarga. Un tramo demasiado restrictivo, una diferencia de altura desfavorable o un producto viscoso pueden dificultar la alimentación de la bomba.
La cavitación implica la formación de vapor cuando la presión local desciende suficientemente respecto a la presión de vapor del líquido. Es diferente de aspirar aire desde un recipiente o a través de una conexión, aunque ambos fenómenos pueden alterar el funcionamiento y generar burbujas.
Una aspiración inundada, cuando sea compatible con el equipo, puede facilitar la alimentación, pero no garantiza por sí sola la ausencia de problemas. También deben revisarse el diámetro y la longitud de la línea, las restricciones y las condiciones del fluido.
La gestión del nivel resulta especialmente importante al final de una concentración. Acercarse demasiado al nivel mínimo puede favorecer la entrada de aire antes de que se alcance el volumen final previsto.
La viscosidad modifica la ventana de operación
Al aumentar la concentración, puede aumentar la viscosidad y, con ella, la pérdida de carga necesaria para mantener el caudal. La evolución depende del producto y de su formulación; no debe suponerse una relación proporcional entre concentración y viscosidad.
La temperatura también influye, pero modificarla exige considerar la estabilidad del producto. Un ajuste favorable para la circulación puede resultar inadecuado para su calidad.
Por estas razones, el desarrollo debe incluir condiciones representativas del inicio y del final de la concentración, así como del tampón utilizado en diafiltración. La presión de alimentación, la caída de presión en el módulo y la TMP ayudan a distinguir si la limitación procede de la circulación o de la permeación.
Volumen interno, volumen mínimo y volumen residual no son lo mismo
El volumen del circuito condiciona cuánto producto puede procesarse y cómo se recupera, especialmente en lotes pequeños o de alto valor.
| Concepto | Qué representa | Para qué sirve |
|---|---|---|
| Volumen interno | Líquido contenido en los componentes y conexiones considerados | Estimar el inventario de líquido del circuito y planificar el proceso |
| Volumen mínimo de trabajo | Cantidad necesaria para operar de forma estable en una configuración concreta | Comprobar si puede alcanzarse el volumen final objetivo |
| Volumen residual tras el vaciado | Líquido que permanece después de un procedimiento de recuperación definido | Evaluar el producto que todavía podría recuperarse o quedar retenido |
El volumen interno no equivale automáticamente a producto perdido. Parte del líquido puede drenarse o desplazarse hacia el recipiente de recogida. A la inversa, un circuito compacto puede presentar zonas difíciles de vaciar.
Un pequeño volumen puede contener una cantidad relevante de producto
Supongamos que al final del proceso hay 100 mL a 20 g/L: el circuito contiene 2 g de producto. Si quedan 5 mL con la misma concentración después del vaciado, ese líquido contiene 0,1 g, equivalente al 5 % de la masa inicial de este ejemplo.
Este cálculo solo considera el líquido residual. No incorpora adsorción, paso al permeado, toma de muestras ni alteraciones del producto. Además, esa masa residual podría recuperarse parcialmente mediante un procedimiento adecuado.
Recuperar más producto puede implicar diluirlo
El drenaje, la orientación de los componentes y el desplazamiento con un líquido compatible influyen en la recuperación. El procedimiento debe definir qué fracciones se recogen, cuáles se combinan y qué concentración final se acepta.
Continuando con el ejemplo anterior, recoger 95 mL a 20 g/L permite recuperar 1,9 g. Si un enjuague aporta otros 10 mL a 10 g/L, se añaden 0,1 g. La mezcla contiene 2 g en 105 mL, es decir, aproximadamente 19,05 g/L.
Se ha recuperado toda la masa considerada en el ejemplo, pero la concentración ha disminuido. En un proceso real, el enjuague tampoco garantiza una recuperación completa. Su volumen debe justificarse con un balance de masa y con las necesidades de la etapa posterior.
Conviene diferenciar la recuperación de masa de la recuperación de producto funcional. Una determinación de concentración puede no detectar una pérdida de actividad o un cambio de integridad.
Escalar exige conservar condiciones relevantes
Ampliar el área de membrana puede aumentar la capacidad de tratamiento, pero no resuelve por sí solo el escalado. También cambian los volúmenes de líquido, las tuberías, la capacidad de bombeo, las pérdidas de carga y los tiempos de operación.
La comparación debe considerar el tipo de membrana, la geometría del canal, el flujo de permeado por unidad de área y las condiciones tangenciales. Mantener un caudal por unidad de área puede ser útil dentro de una familia de módulos, pero no demuestra equivalencia si cambia la geometría del canal.
El escalado también debe conservar una estrategia de control y recuperación adecuada. Un volumen residual poco relevante en un lote grande puede ser determinante durante el desarrollo, mientras que un tiempo prolongado de operación puede convertirse en la limitación a mayor escala.
Interpretar las señales antes de cambiar un componente
| Observación | Aspectos que conviene comprobar |
|---|---|
| Aumenta la presión de alimentación para el mismo caudal | Viscosidad, obstrucciones y caída de presión del módulo y del circuito |
| Disminuye el flujo de permeado | Concentración, temperatura, TMP, polarización y ensuciamiento |
| Oscilan presión y caudal | Bomba, aspiración, aire, respuesta de las válvulas y ajuste del control |
| La operación pierde estabilidad al final | Nivel, volumen mínimo de trabajo y entrada de aire |
| La recuperación es inferior a la prevista | Balance de masa, permeado, muestras, superficies y procedimiento de vaciado |
Estas observaciones orientan la investigación, pero no identifican por sí solas una causa única.
Evaluar el circuito con el producto y el objetivo de proceso
Una evaluación útil combina datos hidráulicos con resultados de calidad: caudal, presiones, temperatura, duración, concentración, recuperación y atributos relevantes del producto. De este modo se puede comprobar si una modificación mejora el proceso completo.
Como ejemplo de integración de bombeo, regulación y medición, puede consultarse el sistema TFFi.
Contacta con Tecno Products indicando el producto, el volumen inicial y final, la membrana prevista y las dificultades observadas en el circuito.
TFFi es un producto de Alphinity.