Equipos para Ultrafiltración

En el siguiente informe se analizará los equipos de ultrafiltración, dejando como primera instancia el concepto de ultrafiltración, la que se compone de membranas capaces de separar diferentes tipos de sólidos y líquidos, tales como bacterias, sólidos finos, pigmentos, coloides, virus, azucares, tintas, sales, iones metálicos; en sus diferentes fases.

Así también existen diferentes tipos de equipo de ultrafiltración, como la ultrafiltración tubular, la que trabaja con un flujo cruzado, utilizada en aguas con altas concentración de contaminantes, posteriormente esta la ultrafiltración de fibra hueca; esta además de usar el flujo cruzado también usa el directo, abarcando una gran superficie de filtración. Finalmente encontramos la ultrafiltración fibra hueca sumergida, equipo que funciona succionando el agua a través de membranas.

Se mencionarán algunos de los fabricantes de este tipo de equipo son ACS Medio ambiente, Millipore S.A., Generatoris, entre otros, en donde predominan los países de América del Norte, como México y Estados Unidos.

Las aplicaciones de la ultrafiltraciones abordan a industrias como la metalúrgica, alimenticia, textil, lácteos. El énfasis estará en la aplicación en tratamiento de aguas residuales en donde se distinguen algunos tipos de ultrafiltración, como la tubular que potabiliza aguas de flujos naturales, dejándola para el consumo humano.

También se realizará una breve explicación de la ultrafiltración en la industria láctea en donde se emplean membranas con poros de tamaño molecular. Con la ultrafiltración en la leche es posible lograr el enriquecimiento de proteínas, además es utilizada en la creación de helados a base de leche, dándoles una mayor vida por la alta concentración de proteínas, con este procesos se da la instancia para la producción de quesos, pasteurizando la leche, eliminando las sustancias sólidas y los microorganismos, además manteniendo el calcio, sodio, suero y el fosforo.

1. Ultrafiltración

La ultrafiltración es el tipo de Filtración que utiliza membranas para separar diferentes tipos de sólidos y líquidos. El tamaño de poro no es tan fino como en la Nanofiltración y tampoco requiere tanta energía para efectuar la separación, y es más pequeño que el de las membranas de microfiltración.

La membranas de Ultrafiltración están dispuestas en forma de capilares y están construidas con materiales plásticos que son porosos semipermeables.La Ultrafiltración es capaz de concentrar sólidos suspendidos, bacterias, algunas proteínas, algunos colorantes y compuestos con un peso molecular mayor a 150,000 (u). Antes de continuar con el estudio de la ultrafiltración cabe mencionar los tipos de membrana existentes en el mercado a través del siguiente esquema:

Ilustración 1: Tipos de membranas de filtración

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1.1 EL PROCESO DE ULTRAFILTRACIÓN

La ultrafiltración (UF) es una técnica que opera gracias a una diferencia de presión como fuerza impulsora, logrando separar partículas que se encuentran en el rango entre 0,001 µm a 0,05 µm, equivalente a pesos moleculares entre 0,5 y 500 (u), aproximadamente. El solvente y los solutos de bajo peso molecular (tales como azúcares, sales, aminoácidos) pasarán a través de la membrana, quedando retenidas las grandes moléculas. Por esto, la principal aplicación de la UF es la concentración, fraccionamiento y purificación de solutos de gran tamaño (macrosolutos) en solución acuosa, tales como proteínas y carbohidratos.

En ultrafiltración el tamaño de poros se expresa en términos del peso molecular de las sustancias que pueden ser retenidas por la membrana, teniendo como referencia proteínas de tipo globular. Para la UF, el gradiente de concentración causado por la acumulación de sustancias de alto peso molecular, en el líquido adyacente a la membrana, determina un efecto osmótico despreciable.

En ausencia de fenómenos de incrustación superficial, el flujo de permeado, se rige por la ley de Darcy; por ende, es directamente proporcional a la diferencia de presión aplicada e inversamente proporcional a la viscosidad de la fase líquida.

Los polímeros más empleados en la confección de membranas de ultrafiltración son la polisulfona y la polietersulfona. La polisulfona que proviene de la reacción entre la sal sódica de bisfenol A y di-p-diclorodifenilsulfona. Estos polímeros presentan una notable estabilidad térmica, resistencia a condiciones extremas de pH (entre 1 y 13), buena resistencia a agentes oxidantes y capacidad de ser configurada en diferentes geometrías.

Las membranas se fabrican de acuerdo al método de inversión de fases, cuyo procedimiento comienza típicamente con una solución polimérica que se convierte en gel, preparado en forma de películas delgadas para ser usadas posteriormente como capas en las membranas; esto ya sea como proceso batch o continuo, permitiendo obtener material de diferentes características de selectividad y permeabilidad, modificando la formulación química y las condiciones de síntesis del filtro.

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2. Tipos de equipos de ultrafiltración

Existen 3 tipos de equipos de ultrafiltración según su tipo de membrana de ultrafiltración para diferentes tipos de turbidez de agua:

Ultrafiltración tubular: este equipo trabaja en flujo cruzado, es decir, el agua pasa a través de la membrana en un 10% aproximadamente, debido a la velocidad de recirculación del agua. El agua recircula hasta lograr una turbidez suficiente para obtener la purificación del agua. Se utilizan en aguas con altas concentraciones de contaminantes. Además, estos equipos son capaces de trabajar en condiciones de alto pH y alta temperatura.

Ultrafiltración de fibra hueca (Hollow Fiber): Su estructura es similar al de un conjunto de pequeñas pajillas. Permite abarcar una gran superficie de filtración en comparación con su tamaño. Puede trabajar en flujo cruzado y adicionalmente en flujo directo.

Ultrafiltración fibra hueca sumergida: Este equipo funciona succionando el agua a través de las membranas y deja las partículas que se deben remover en el tanque de alimentación. Luego, esta agua es desechada cada vez que la turbidez concentrada alcance cierto límite.

A continuación, una tabla en donde se muestran los tipos de UF y los grados de turbidez aceptados* e ilustraciones de los tipos de equipos de ultrafiltración:

Tipo Turbidez media (NTU) Turbidez máxima (NTU)

UF tubular 360 15000

UF Fibra hueca LD 100 200

UF Fibra hueca sumergida 200 1000

Tabla 1: Tipos de UF

*La turbidez se mide en Unidades Nefelométricas de turbidez (NTU) El instrumento usado para su medida es el nefelómetro , el cual mide la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de una muestra de agua.

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Ilustración 2: Configuración del sistema de fibra hueca y tubular

Ilustración 3: Configuración del sistema de fibra hueca sumergida

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3. Rango de Capacidades de producción

Las capacidades de los equipos de ultrafiltración son variables, sin embargo, la mayoría tiene una capacidad de producción de 30 a 720 m3/h.

A continuación se muestran dos tablas con las especificaciones técnicas de diferentes modelos de dos marcas de equipos de filtración.

Tabla 2: Especificaciones Técnicas Fluytec(Fluytec)

Tabla 3: Especificaciones técnicas CHsistemas, modelos Terra. (CHSistemas)

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4. Fabricantes Nacionales e Internacionales

Fabricante Producto PaísACS Medio ambiente Equipos de ultrafiltración para resolver necesidades

de tratamiento de aguaMéxico

Millipore S.A. Equipos de ultrafiltración para procesos de producción de productos terapeúticos

Estados Unidos

NAM Ambiental S.A.Sistemas de ultrafiltración y osmosis inversa para purificación de aguas para bebidas y productos farmaceúticos

México

Ultrafiltración S.A. Equipos para filtración y medios filtrantes para prefiltración y filtración final.

México

Roming Ingeniería Equipos de ultrafiltración ArgentinaGeneratoris

Proveedor de equipos TA-UO-100 Equipo de ultrafiltración y osmosis inversa, y deTA-UO-200 Equipo de ultrafiltración y osmosis inversa con adquisición de datos  

OSMOTEC Equipos de ultrafiltración

Estados Unidos

DOW™ Ultrafiltration Technology Equipos de ultrafiltración de fibra hueca.

Estados Unidos

INQUINAT S.A. Distribuye Marcas Registradas Internacionales de Tratamientos de Agua. Ofrece membranas de ultrafiltración cerámicas y de fibra hueca.

Chile

Prominent Chile

Distribuye e instala equipos Dulcoclean® UF

Chile

Tabla 4: Fabricantes Nacionales e Internacionales

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5. Aplicaciones Industriales

La ultrafiltración del agua, además de aplicarse en el tratamiento de aguas residuales, se puede aplicar en varios sectores de la industria, de estos se pueden destacar los siguientes:

Industria metalúrgica

Industria alimenticia

Industria textil

Industria de lácteos

Aplicación en tratamiento de aguas residuales (Totagua):

Para el tratamiento de aguas residuales se distinguen tres tipos de ultrafiltración aplicados en la industria:

a) Ultrafiltración Tubular: Este sistema permite potabilizar aguas procedentes de pozos, lagos o ríos, donde encontramos un agua sin mucha carga y que con este tratamiento de ultrafiltración se convierte en apta para el consumo humano.

.b) MBR (Bioreactores de membrana): Esta tecnología permite un efluente de

mayor calidad que una depuración tradicional. En caso que ya exista una estación depuradora, ésta puede ser convertida a una estación MBR con algunas modificaciones en el reactor biológico (MBR de membranas sumergidas) o con una recirculación permanente (MBR membranas externas).

c) UFTC (Ultrafiltración tangencial cerámica): El proceso de ultrafiltración tangencial nos permite reducir la carga de las aguas industriales muy complejas para posteriormente ser tratadas con una depuración tradicional o MBR.

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Ilustración 4: Ultrafiltración en tratamiento de aguas residuales

Aplicación de la ultrafiltración en la industria láctea (Acondicionamientos deagua)

En la industria láctea se emplean membranas con poros de tamaño molecular que

funcionan a baja presión para obtener fluidos sin moléculas de alto peso. El mismo

posee diferentes aplicaciones, como ser un prefiltrado para la osmosis inversa. La

ultrafiltración es uno de los sistemas más utilizados en la industria láctea, con el

que se obtienen el mejoramiento y la creación de productos.

En relación a la leche, es posible lograr el enriquecimiento de proteínas de

ésta sustancia líquida. El procedimiento es realizado para evitar la utilización de

leche en polvo sin grasa, la cual aumenta las proteínas, pero le da a la leche un

sabor muy dulce, que suele ser resistida por los consumidores.

Asimismo, el mencionado tratamiento de agua se emplea para conseguir

leche reducida en carbohidratos, una sustancia especial denominada concentrado

de proteínas de leche por ultrafiltración, con la cual se obtiene un polvo que

respeta los sabores y olores originales y para potenciar los sólidos en productos

como las cremas agrias.

La ultrafiltración tiene gran importancia en la producción de helados a base

de leche. A partir del mismo se genera una mayor concentración de la proteína del

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helado lo cual le otorga al producto final una más larga vida, ya que extrae la

lactosa y algunos minerales que son responsables de la cristalización al momento

de la cristalización con el paso del tiempo.

El uso más importante y revolucionario de la ultrafiltración en la industria

láctea se da en la creación de quesos. El sistema es aplicado para lograr

la pasteurización de la leche, es decir, la eliminación de las sustancias sólidas y

los microorganismos, que antes solía realizarse a través de tratamientos térmicos.

La principal ventaja de la ultrafiltración en la elaboración de quesos, es que

con la misma se mantienen las partículas como el calcio, el sodio, el suero y el

fósforo, que le otorgan las características propias al alimento, como la cremosidad

y el alto contenido alimenticio. De ésta forma, el sabor y los olores se conjugan

con la seguridad de poseer alimentos sin ningún tipo de organismos que podrían

afectar la salud.

Imágenes de equipos de Ultrafiltración

PERSEP: Módulos tubulares con membranas orgánicas en espiral

desde la ultrafiltración a la osmosis inversa. Las membranas Persep

™ espirales permiten una amplia gama de separación líquida de

soluciones orgánicas con sales minerales a coste reducido

Ilustración 5: Ultrafiltración Persep

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Equipos de ultrafiltración de aguas residuales

Ilustración 6: Ultrafiltración aguas residuales

Equipo de ultrafiltración del vino

Ilustración 7: Ultrafiltración Vino

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CONCLUSIÓN

La ultrafiltración es una tecnología muy adecuada para el proceso de la reducción de carga de aguas industriales, en donde son tratadas con una depuración tradicional, para poder limpiar aguas de ríos y lagos dejándolas para el consumo de humanos algo de suma importancia para la población del país que usa este tipo de maquinaria.

Así mismo podemos encontrar un beneficio en el proceso de ultrafiltración con respecto a la leche, en donde se consigue leche reducida en carbohidratos, una sustancia especial denominada concentrado de proteínas de leche por ultrafiltración, con la cual se obtiene un polvo con los sabores y olores originales, que también son usados para las cremas agrias.

La principal ventaja de la ultrafiltración en la elaboración de quesos, es que

con la misma se mantienen las partículas como el calcio, el sodio, el suero y el

fósforo, que le otorgan las características propias al alimento, como la cremosidad

y el alto contenido alimenticio. De esta forma, el sabor y los olores se conjugan

con la seguridad de poseer alimentos sin ningún tipo de organismos que podrían

afectar la salud.

Como se ha mencionado anteriormente con los equipos de ultrafiltración

cada producción es mejorada, otorgando un mejor producto, es decir, un producto

mucho más saludable, bajo en contaminantes en caso del agua y más liviano en el

caso de los lácteos.

Un dato muy importante y extra es el proceso de la producción de la

gelatina comestible, en donde la ultrafiltración permite remplazar la evaporación al

vacío en la primera etapa de concentración, y pudo en algunos casos mejorar las

propiedades de viscosidad y poder gelificante, lo que no solo determino el

rendimiento del producto en la industria alimentaria, sino que produjo un cambio

en el precio.

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BIBLIOGRAFÍA

Acondicionamientos de agua. (s.f.). Recuperado el 6 de Septiembre de 2012, de http://www.acondicionamientosdeagua.com/blog/2009/12/20/aplicacion-de-la-ultrafiltracion-en-la-industria-lactea/

CHSistemas. (s.f.). Recuperado el 7 de Septiembre de 2012, de http://www.chsistemas.com/pdf/TERRA_Ficha_Tecnica_es.pdf

Fluytec. (s.f.). Recuperado el 8 de Septiembre de 2012, de http://www.fluytec.com/pdf/ultrafiltracion(esp).pdf

Totagua. (s.f.). Recuperado el 3 de Septiembre de 2012, de http://www.totagua.com/pdf/equipos-depuracion/ultrafiltracion.pdf

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