Filtración Industrial para Líquidos: Tipos, Aplicaciones y Principios Fundamentales

La filtración es un proceso esencial en numerosos sectores industriales y científicos, especialmente en el tratamiento y purificación de líquidos. Su objetivo principal es separar los sólidos suspendidos (en algunos casos ciertas impurezas disueltas) de un fluido, garantizando así la calidad del producto final o el correcto funcionamiento de los sistemas donde se emplea.

Comprender los principios que rigen este proceso, los distintos métodos de filtración existentes y sus aplicaciones prácticas es clave para seleccionar la tecnología adecuada según el tipo de fluido, el nivel de exigencia del sistema y las condiciones de operación.

¿Qué es la filtración industrial de líquidos?

La filtración industrial de líquidos es el proceso de separar partículas sólidas suspendidas de un líquido utilizando un medio filtrante. Los contaminantes son retenidos en el filtro, permitiendo que solo el fluido purificado pase. Este proceso es crucial en aplicaciones como el tratamiento de agua, la purificación de productos químicos y la protección de equipos en plantas industriales​.

¿Cuáles son los tipos más comunes de filtración en la industria?

Los principales tipos de filtración utilizados en la industria son:

• Filtración mecánica: El tipo más básico, donde las partículas son retenidas físicamente por un medio filtrante según su tamaño. Es común en el tratamiento de agua y la industria alimentaria.
• Filtración biológica: Utiliza organismos vivos para descomponer y eliminar contaminantes orgánicos. Es clave en plantas de tratamiento de aguas residuales.
• Filtración química: Se basa en reacciones químicas para eliminar impurezas. Un ejemplo común es el uso de carbón activado para absorber compuestos orgánicos​.
• Filtración por membranas: Implica el uso de membranas semipermeables para separar partículas según su tamaño o propiedades. Esto incluye tecnologías como la microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa​.

¿Qué es la presión diferencial y por qué es importante?

La presión diferencial (ΔP) es la diferencia de presión entre el lado de entrada y salida de un filtro. A medida que el filtro se obstruye, la presión diferencial aumenta, lo que indica la necesidad de reemplazo o limpieza del filtro. Mantener un control adecuado de la presión diferencial es vital para evitar daños en el sistema y mantener la eficiencia del proceso​(

¿Qué factores debo considerar al seleccionar un material filtrante?

Los factores clave incluyen:

• Compatibilidad química: El material del filtro debe ser resistente a los productos químicos con los que entrará en contacto.
• Temperatura de operación: Los materiales filtrantes tienen límites de temperatura específicos. Por ejemplo, el polipropileno resiste hasta 90°C, mientras que el poliéster puede soportar hasta 150°C.
• Viscosidad del fluido: Los líquidos más viscosos requieren filtros más grandes o con mayor capacidad para mantener el flujo adecuado.
• Costo y mantenimiento: Los filtros más baratos pueden requerir recambios más frecuentes, lo que aumenta los costos operativos a largo plazo​.

¿Cuándo debo cambiar o limpiar el filtro?

El momento adecuado para cambiar o limpiar un filtro se determina generalmente por la presión diferencial. Cuando la ΔP alcanza el valor máximo recomendado, usualmente de 25 psi, es necesario reemplazar el filtro para evitar una disminución en la eficiencia y posibles daños al sistema​(

¿Qué es un micron y por qué es relevante?

Un micrón es una unidad de medida equivalente a una milésima de milímetro. Es relevante en la filtración porque define el tamaño de las partículas que pueden ser capturadas por el filtro. Por ejemplo, la microfiltración puede eliminar partículas de hasta 0.1 micrones, mientras que la ultrafiltración atrapa partículas de 0.01 micrones​

¿Qué diferencia hay entre filtros de cartucho y filtros de bolsa?

• Filtros de bolsa: Son una opción económica y efectiva para aplicaciones con altos flujos y cargas de suciedad. Son fáciles de cambiar y retienen más suciedad.
• Filtros de cartucho: Ofrecen una filtración más precisa y son ideales para aplicaciones que requieren una mayor eficiencia de retención de partículas​(IFM)​(Envirogen Group).

¿Qué es el ensuciamiento de membranas y cómo se previene?

El ensuciamiento ocurre cuando partículas o microorganismos se acumulan en la superficie de la membrana, reduciendo su eficiencia. Para prevenir esto, es esencial un pretratamiento adecuado que elimine las partículas grandes antes de que el fluido alcance la membrana. Además, algunos sistemas utilizan flujos tangenciales, donde el líquido fluye paralelo a la membrana, arrastrando partículas y minimizando la acumulación​.

¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de la filtración industrial de líquidos?

Las aplicaciones más comunes incluyen:

• Tratamiento de agua: La filtración es clave para la purificación de agua potable y el tratamiento de aguas residuales.
• Industria alimentaria: Se utiliza para clarificar bebidas, como jugos y cervezas, y purificar ingredientes.
• Industria farmacéutica: La filtración estéril es esencial para la producción de medicamentos, vacunas y productos biotecnológicos.
• Purificación de aire y gases: En ambientes críticos como hospitales y fábricas, los sistemas de filtración eliminan partículas y contaminantes del aire​(IFM)​(Envirogen Group).

¿Es posible limpiar y reutilizar los filtros?

En algunos casos, los filtros de malla pueden ser limpiados y reutilizados, pero esto depende del tipo de material y de las condiciones del proceso. Los filtros de fieltro, por ejemplo, no están diseñados para ser reutilizados debido a su estructura más densa, lo que hace difícil la limpieza completa ​(IFM)​.

¿Qué es la ultrafiltración? 

La ultrafiltración es un proceso de separación por membrana que se sitúa entre la microfiltración y la nanofiltración en términos de tamaño de poro y capacidad de separación. Este proceso utiliza membranas con tamaños de poro en el rango de aproximadamente 0.01 micras (10 nanómetros), lo que permite la eliminación eficaz de partículas finas, bacterias, algunos virus, coloides y macromoléculas como proteínas, mientras permite el paso de iones y pequeñas moléculas disueltas.

Principios de la Ultrafiltración

• Tamaño de Poro: Con tamaños de poro alrededor de 0.01 micras, las membranas de ultrafiltración son capaces de retener partículas y microorganismos que son demasiado pequeños para ser retenidos por filtros de microfiltración.
• Presión de Operación: La ultrafiltración generalmente opera a presiones más bajas que la ósmosis inversa, pero más altas que la microfiltración, lo que la hace energéticamente eficiente para una amplia gama de aplicaciones.
• Flujo Tangencial: A menudo, la ultrafiltración utiliza un flujo tangencial para minimizar el ensuciamiento de la membrana, donde el líquido fluye paralelamente a la superficie de la membrana, arrastrando partículas y evitando la acumulación excesiva en la superficie de la membrana.

Aplicaciones de la Ultrafiltración

• Tratamiento de Agua: Es ampliamente utilizada para la purificación de agua potable y el tratamiento de aguas residuales, especialmente para eliminar patógenos y turbidez.
• Industria Alimentaria: En la producción de lácteos, por ejemplo, se utiliza para concentrar leche o para la recuperación de sueros.
• Farmacéutica y Bioprocesos: La ultrafiltración es crucial para la purificación y concentración de productos biofarmacéuticos, como anticuerpos monoclonales, vacunas y otros productos terapéuticos.
• Pretratamiento para Ósmosis Inversa: A menudo se utiliza como un paso de pretratamiento antes de la ósmosis inversa en la desalinización de agua y en la purificación de aguas para aplicaciones industriales, para proteger las membranas de ósmosis inversa más sensibles y costosas.

Limitaciones

• Sustancias Disueltas: Como indicas, la ultrafiltración no es eficaz para eliminar iones o moléculas disueltas pequeñas. Para esto, se requieren procesos como la ósmosis inversa o la adsorción con carbón activado.
• Virus y Pequeñas Moléculas: Aunque la ultrafiltración puede retener algunos virus, los más pequeños y ciertas moléculas orgánicas pueden pasar a través de sus poros, por lo que en ocasiones se combina con otros tratamientos para asegurar la eliminación completa de contaminantes.

La ultrafiltración es un método versátil y eficiente para numerosas aplicaciones de separación y purificación, ofreciendo un equilibrio entre eficiencia de retención y consumo energético.

¿Qué es la nanofiltración?

La nanofiltración es un proceso intermedio entre la ósmosis inversa y la ultrafiltración, que utiliza membranas con tamaños de poro de aproximadamente 0.001 micrones (1 nanómetro). Esta tecnología es efectiva para eliminar una amplia gama de contaminantes, incluyendo la mayoría de las moléculas orgánicas, casi todos los virus, gran parte de la materia orgánica natural y una selección significativa de sales, especialmente iones divalentes como el calcio y el magnesio, que son responsables de la dureza del agua.

Características de la Nanofiltración

• Selección de Sustancias: Las membranas de nanofiltración permiten el paso de iones monovalentes (como sodio y cloruro) y agua, pero retienen iones divalentes y moléculas orgánicas de mayor tamaño. Esto las hace especialmente útiles para aplicaciones donde se desea reducir la dureza del agua y remover compuestos orgánicos específicos sin eliminar todos los minerales disueltos.
• Presión Operativa: La nanofiltración opera a presiones menores que la ósmosis inversa, lo que reduce el consumo de energía y el costo operativo, aunque sigue siendo más elevada que la requerida para la ultrafiltración.

Aplicaciones de la Nanofiltración

• Ablandamiento del Agua: Una de las aplicaciones más comunes de la nanofiltración es el ablandamiento del agua, ya que es efectiva en la eliminación de iones divalentes, reduciendo significativamente la dureza del agua sin necesidad de suavizantes químicos.
• Purificación y Tratamiento de Agua: La nanofiltración se utiliza para tratar aguas superficiales y subterráneas para la producción de agua potable, eliminando materia orgánica natural, precursores de subproductos de la desinfección y ciertos tipos de contaminantes.
• Industria Alimentaria y de Bebidas: Se emplea en la concentración y desalinización parcial de soluciones, como en la industria de los lácteos para la concentración de suero sin desmineralización completa.
• Tratamiento de Aguas Residuales: En el tratamiento de aguas residuales, la nanofiltración puede usarse para remover contaminantes específicos y para reciclar y reutilizar el agua en procesos industriales.

Desafíos y Desarrollo

A pesar de sus numerosas aplicaciones, el desarrollo y la adopción de la nanofiltración enfrentan desafíos, principalmente relacionados con la selectividad de las membranas, su susceptibilidad al ensuciamiento y la necesidad de mantener flujos estables a lo largo del tiempo. La investigación continua busca mejorar estas áreas, desarrollando materiales de membrana más resistentes, selectivos y fáciles de limpiar, para ampliar las aplicaciones de la nanofiltración en la industria y el tratamiento de aguas.

¿Qué es la ósmosis inversa?

La ósmosis inversa es un proceso de purificación de agua que utiliza una membrana semipermeable para eliminar iones, moléculas no deseadas y partículas más grandes del agua potable. Al invertir el fenómeno natural de la ósmosis, este proceso requiere la aplicación de una presión externa para superar la presión osmótica natural, permitiendo así que el agua pura se mueva desde la solución más concentrada a la menos concentrada a través de la membrana, mientras retiene en el lado más concentrado la mayoría de los solutos, incluidos minerales, bacterias, virus y otras sustancias.

Principios de la Ósmosis

La ósmosis es un proceso natural en el que el agua fluye de una solución de menor concentración a una de mayor concentración a través de una membrana semipermeable, que permite el paso del solvente pero no de los solutos. La ósmosis continúa hasta que las concentraciones de soluto se igualan en ambos lados de la membrana, o hasta que la presión osmótica equilibra la diferencia de presión hidrostática.

Cómo Funciona la Ósmosis Inversa

En la ósmosis inversa, se aplica una presión externa para revertir el flujo natural del agua, forzándola a moverse de una solución más concentrada a una menos concentrada, dejando atrás la mayoría de los solutos disueltos.

1. Pretratamiento: El agua cruda pasa primero por varios pasos de pretratamiento, que pueden incluir filtración y tratamiento químico, para proteger la membrana de la ósmosis inversa de daños o ensuciamiento debido a sedimentos, cloro, bacterias y otros contaminantes.
2. Ósmosis Inversa: El agua pretratada es luego forzada a través de la membrana de ósmosis inversa bajo presión. Los tamaños de poro de estas membranas son de aproximadamente 0,0001 micras, lo suficientemente pequeños para eliminar la mayoría de los minerales disueltos, moléculas orgánicas, virus y bacterias.
3. Post-tratamiento: El agua purificada puede pasar por pasos adicionales, como la remineralización o la desinfección con luz ultravioleta, para mejorar el sabor y asegurar la seguridad del agua para el consumo humano.

Aplicaciones de la Ósmosis Inversa

• Desalinización: Es ampliamente utilizada para convertir el agua de mar o el agua salobre en agua potable al eliminar la sal y otros minerales disueltos.
• Purificación de Agua: La ósmosis inversa es eficaz para eliminar contaminantes químicos, bacterias, virus y sedimentos del agua, haciéndola adecuada para consumo humano, uso farmacéutico y aplicaciones industriales sensibles.
• Tratamiento de Aguas Residuales: También se usa en algunos procesos de tratamiento de aguas residuales para reciclar el agua y reducir la cantidad de desechos.

Limitaciones y Consideraciones

• Consumo de Energía: Requiere una cantidad significativa de energía para mantener la presión necesaria para el proceso, especialmente en aplicaciones de desalinización a gran escala.
• Mantenimiento de Membranas: Las membranas pueden ensuciarse o bloquearse, lo que reduce su eficiencia y aumenta los costos operativos, por lo que es crucial un adecuado pretratamiento y mantenimiento regular.
• Remoción de Minerales: Aunque la remoción de minerales puede ser deseable para ciertas aplicaciones, en el caso del agua potable, puede ser necesario añadir minerales para mejorar el sabor y mantener el equilibrio mineral para la salud.