Hispanopedia WikiLos filtros de profundidad son filtros que utilizan un medio filtrante poroso para retener partículas en todo el medio, en lugar de solo en la superficie. La filtración en profundidad, caracterizada por múltiples capas porosas con profundidad, se utiliza para capturar los contaminantes sólidos de la fase líquida. [ 1 ] Estos filtros se utilizan comúnmente cuando el fluido a filtrar contiene una alta carga de partículas porque, en comparación con otros tipos de filtros, pueden retener una gran masa de partículas antes de obstruirse. [ 2 ]
Diseños disponibles
Se han implementado diversos diseños para garantizar procesos viables, manteniendo al mismo tiempo el objetivo principal de los filtros de profundidad.
Aplicaciones y ventajas de los filtros de profundidad
El uso de filtros de arena de lecho profundo como paso final en el tratamiento de agua potable municipal ha aumentado significativamente durante la última década, con su aplicación abarcando desde la clarificación y el procesamiento de agua potable hasta plantas de tratamiento de aguas residuales donde se requiere que las aguas residuales se pulan antes de su descarga. [ 1 ]
Los principales procesos de filtración de lecho profundo que se utilizan actualmente son la filtración directa y la filtración por contacto-floculación. La filtración directa implica un breve período de prefloculación seguido del proceso de filtración. [ 7 ] En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la mayoría de los sólidos en suspensión y otros contaminantes se eliminan con éxito después de las etapas de tratamiento primario y secundario. Para eliminar los sólidos y compuestos orgánicos restantes del flujo de aguas residuales, se utiliza el método de filtración directa con floculación previa. Dado que el proceso de separación de contaminantes tiene lugar en el medio filtrante, es necesario monitorear regularmente factores como el tiempo de floculación, la velocidad de filtración y la dosis de floculante, ya que pueden afectar directamente el tamaño de los floculantes producidos. Esto es vital para el proceso a fin de prevenir posibles obstrucciones o bioobstrucciones del lecho filtrante.
Las ventajas asociadas a este proceso incluyen la capacidad de producir floculantes de gran tamaño, que posteriormente pueden filtrarse. Otra ventaja del método de filtración en profundidad es la flexibilidad en la elección de la disposición del filtro, lo que permite obtener altas capacidades de almacenamiento de sólidos, manteniendo el consumo de energía dentro de un rango aceptable. [ 1 ] La desventaja de la filtración directa radica en que los microorganismos pueden crecer dentro de los canales del filtro y, por lo tanto, reproducirse durante largos periodos de funcionamiento. Esta reproducción de organismos dentro de la matriz del filtro puede provocar la contaminación del filtrado.
La filtración en profundidad también se utiliza ampliamente para la clarificación de cultivos celulares. Los sistemas de cultivo celular pueden contener levaduras, bacterias y otras células contaminantes; por lo tanto, una etapa de clarificación eficiente es vital para separar las células y otras sustancias coloidales y producir un sistema celular libre de partículas [9]. La mayoría de los filtros de profundidad utilizados en procesos farmacéuticos, como la recolección de sistemas celulares, están compuestos de fibras de celulosa y coadyuvantes de filtración. El diseño de flujo directo de los filtros de profundidad proporciona una solución económicamente viable al atrapar los contaminantes dentro del canal del filtro, garantizando así la máxima tasa de recuperación del producto. Otras ventajas de este sistema incluyen sus bajos costos de energía, ya que las bombas utilizadas en los filtros de profundidad requieren una entrada de energía mínima debido a la baja presión dentro del sistema. La filtración en profundidad también es flexible en términos de poder escalar el sistema hacia arriba o hacia abajo, manteniendo una alta tasa de rendimiento (>95%). [ 8 ]
Limitaciones de las filtraciones en profundidad frente a los procesos competitivos.
Además de la filtración en profundidad, se utilizan varios métodos de filtración por membrana para diferentes aplicaciones industriales, como la ósmosis inversa, la nanofiltración y la microfiltración. [ 9 ] Estos métodos se basan en el mismo principio: rechazar contaminantes de mayor tamaño que el filtro. La principal diferencia entre ellos radica en el tamaño efectivo de sus poros. Por ejemplo, la microfiltración permite el paso de partículas grandes a través del medio filtrante, mientras que la ósmosis inversa rechaza todas las partículas excepto las de tamaño muy pequeño. La mayoría de los filtros de membrana se pueden utilizar para la filtración final, mientras que los filtros en profundidad suelen ser más eficaces en aplicaciones de clarificación. [ 10 ] Por lo tanto, una combinación de ambos procesos puede proporcionar un sistema de filtración adecuado, adaptable a diversas aplicaciones.
Evaluación de las principales características del proceso
Las características del proceso, como la tasa de filtración y el medio filtrante, son consideraciones de diseño importantes y tienen un gran impacto en el rendimiento del filtro; por lo tanto, es necesario un monitoreo y una evaluación continuos para garantizar un mayor control sobre la calidad del proceso.
Caudal tratado
El caudal se define como la relación entre la fuerza motriz y la resistencia del filtro. Los dos tipos convencionales de filtros de profundidad, los filtros rápidos y lentos, operan con velocidades de 5 a 15 m/h y de 0,1 a 0,2 m/h respectivamente; mientras que los filtros de arena presurizados tienen caudales de diseño de 238 L/min. [ 11 ] Durante el funcionamiento, la tasa de filtración disminuye debido al aumento de la resistencia del filtro a medida que las partículas se alojan en el medio filtrante. La tasa de filtración afecta la tasa de obstrucción, y las tasas de filtración altas provocan una acumulación más rápida. Las pruebas piloto demuestran que cuanto mayor es la tasa de filtración, menor es el área filtrante, mientras que el aumento de la tasa de filtración reduce el tiempo de ruptura, reduce el tiempo de pérdida de carga (aumenta la pérdida de carga) y da como resultado recorridos más cortos y profundidades óptimas más bajas. También demuestran que se pueden lograr tasas de filtración más altas utilizando medios filtrantes de mayor diámetro y mayor profundidad del medio filtrante. Las altas tasas de filtración dependen del diseño del medio filtrante, siendo el diseño de tasa de filtración más alta en servicio de 13,5 gpm/ft2. [ 11 ]
Retrolavado en filtros de profundidad
Fuente: [ 12 ]
El retrolavado es una operación importante que se emplea para eliminar los sólidos filtrados, ya que su acumulación provoca un aumento de la resistencia a la filtración con el tiempo. El retrolavado consiste en invertir la dirección del flujo de líquido mientras se utiliza líquido limpio. [ 13 ] Este proceso se emplea durante periodos de entre 5 y 15 minutos con caudales típicos por unidad de área de entre 6,8 y 13,6 L/m²·s. [ 13 ] La mayoría de los diseños suelen emplear el retrolavado una vez al día de funcionamiento. El funcionamiento de los filtros de profundidad es inherentemente cíclico debido a la necesidad de eliminar la acumulación de sólidos durante el proceso; por ello, normalmente se utilizan dos o más unidades para que el retrolavado no interfiera con la filtración. El retrolavado eficaz se produce cuando el medio filtrante está fluidizado. Los caudales de fluidización generalmente se encuentran en el rango de 20 a 50 gpm/ft². [ 13 ]
Eficiencias de separación
Se ha informado que las tasas de eliminación para filtros de arena presurizados con medios típicamente en el rango de 0,3-0,5 mm son del 95% para partículas tan pequeñas como 6 μm con un tamaño de medio de 0,3 mm y una tasa de eliminación del 95% para partículas tan pequeñas como 15 μm para un tamaño de medio de 0,5 mm. [ 14 ]
Medio filtrante
Hay una variedad de medios filtrantes que se pueden emplear en procesos de filtración en profundidad, siendo la arena el más común. La elección del medio filtrante tiene efectos en la tasa de filtración, la turbidez y el área de la superficie de filtración. La pérdida de carga del lecho limpio (caída de presión) es sensible al diámetro del medio, donde un mayor diámetro del medio resulta en un tiempo más largo para la pérdida de carga de diseño. [ 11 ] Sin embargo, aumentar el diámetro del medio y la tasa de filtración resulta en una degradación de la turbidez del efluente. [ 13 ] Para compensar, se puede aumentar la profundidad del medio para reducir los efectos sobre la turbidez del efluente. El valor máximo de profundidad del medio utilizado en diseños hasta ahora para filtración de alta tasa es 100 in, mientras que el tamaño máximo del medio utilizado en pilotos es de 2 mm de diámetro. [ 11 ] La arena, la magnetita, el coque y la antracita son los medios de partículas más comúnmente utilizados en la industria particularmente debido a su amplia disponibilidad.
Tabla [1] Características de proceso/diseño de lechos filtrantes monomedios para el tratamiento de aguas residuales (lecho profundo): [ 13 ]
Tabla [2] Parámetros de diseño para filtros de profundidad de presión: [ 13 ]
Heurísticas de diseño
La filtración en profundidad puede utilizarse en el pretratamiento, eliminando las partículas en suspensión de un fluido portador destinado a ser utilizado como corriente de alimentación, o en el contexto de la clarificación, donde se eliminan las partículas para purificar una corriente de producto.
En el diseño de los filtros de profundidad se adoptan diversas heurísticas para garantizar un funcionamiento uniforme durante toda la vida útil del filtro.
Retención de partículas y medios filtrantes
La relación entre la retención y el tamaño de las partículas no es una función escalonada. Las partículas más grandes se retienen fácilmente en el medio filtrante; sin embargo, las partículas que se encuentran dentro del rango intermedio entre el tamaño nominal y el de los residuos son más difíciles de conservar y, como resultado, a menudo se pierden como componente de desecho.
Para maximizar el paso de retención para un rango de tamaños de partículas, el medio filtrante se dispone en capas de manera que las secciones con un tamaño de poro mayor estén más cerca de la corriente de entrada, capturando las partículas de mayor tamaño. El tamaño de los poros disminuye a medida que se acerca a la corriente de salida. Al adoptar este método, el medio filtrante admite un rango más amplio de tamaños de partículas, lo que resulta en un mayor control de la retención y prolonga la vida útil del filtro. [ 15 ]
Selección de medios filtrantes
La selección del filtro depende de varias variables, como la carga, la duración, la forma, el tamaño y la distribución de la sustancia que se desea filtrar. Idealmente, si el medio es demasiado grande, el filtrado será de mala calidad, ya que no logrará retener las partículas en su matriz. Por el contrario, si el medio es muy pequeño, los sólidos se acumularán en la superficie del cartucho, provocando obstrucciones casi inmediatas. En cuanto a la forma, los granos redondos tienden a erosionarse debido a la presión del flujo de entrada, mientras que los granos planos (que pueden aumentar la superficie) pueden flotar fuera del sistema durante el retrolavado. Se recomienda el uso de partículas con una alta dureza en la escala de Mohs y una densidad relativa relativamente alta como medio filtrante. Cuanto más blando y ligero sea el material, más susceptible será a la erosión y la fluidización. Por ello, se suelen utilizar partículas como sílice y arena, ya que son económicas y resistentes a los altos flujos del fluido de entrada. El coeficiente de uniformidad mide la uniformidad del material utilizado en el filtro. Es una relación entre el tamaño de poro de un tamiz que permite el paso del 60 % del material y el tamaño de poro que permite el paso del 10 %. Cuanto más cerca esté la relación de uno, más similares serán las partículas en tamaño. Un sistema ideal tendría un coeficiente entre 1,3 y 1,5 y no debe exceder 1,7. Cualquier valor inferior a 1,3 indica que es innecesario para el sistema y puede resultar en mayores costos sin proporcionar ninguna optimización adicional. Un valor superior a 1,5 indica que el sistema puede experimentar una mayor caída de presión y, como se mencionó, puede resultar en obstrucciones, fugas de flujo de residuos y una tasa de filtración reducida. [ 16 ] Como guía, se recomienda que las partículas más pequeñas utilizadas en los filtros de profundidad se coloquen al menos a 150 mm de la corriente de salida para evitar la fluidización. [ 16 ]
Funcionamiento sin salida de los filtros de profundidad
Los filtros de profundidad funcionan como filtros de extremo cerrado, donde la velocidad del flujo de entrada es crucial para su rendimiento. Los flujos de entrada de alta velocidad con partículas relativamente grandes pueden provocar obstrucciones y desgaste del medio filtrante, lo que incrementa la caída de presión del sistema. En situaciones donde el medio filtrante está obstruido y la caída de presión aumenta continuamente, es común que partículas y fluidos residuales se filtren a través de las zonas internas del cartucho y pasen por la salida, lo que resulta en una purificación incompleta.
Para minimizar los efectos de la obstrucción y la acumulación de partículas, un sistema de retrolavado debe gestionar aproximadamente entre el 1 % y el 5 % del caudal total como retrolavado, operando a una presión de entre 6 y 8 bares. Más allá de este rango, las partículas pueden fragmentarse, lo que dificulta su eliminación del sistema y puede provocar su fluidización. [ 14 ]
Sistemas de postratamiento y producción de flujos de residuos
El objetivo principal de un filtro de profundidad es actuar como clarificador, separando los sólidos en suspensión de un flujo de líquido a granel y, por lo tanto, se emplea en la etapa final de un proceso de separación. Por convención, los filtros de profundidad constan de un único flujo de salida de un líquido purificado que retiene las partículas de desecho dentro de su sistema. Debido a su longitud, tiene mayor capacidad de retención de residuos que los filtros estándar. En cuanto al flujo de desecho, a menudo el flujo de salida puede reciclarse en un filtro posterior para asegurar que esté libre de partículas. También puede producirse un flujo de desecho durante la limpieza del medio filtrante, ya que el agua pasa en dirección opuesta, y los residuos atrapados en el medio filtrante o las partículas desplazadas pueden salir de la unidad antes de su eliminación adecuada. [ 12 ]
Nuevos desarrollos
Gracias a los continuos avances en las tecnologías de proceso, los filtros de profundidad se han modificado para mejorar su viabilidad en diversos sectores industriales.
Referencias
- 1 2 3 Derek B Purchas y Ken Sutherland, Manual de medios filtrantes (2.ª edición), Elsevier Advanced Technology (2002).
- ↑ Shukla, AA y Kandula, JR, 2008, Cosecha y recuperación de anticuerpos monoclonales a partir de cultivos celulares de mamíferos a gran escala. BioPharm International, mayo de 2008, págs. 34-45.
- 1 2 Kenneth S Sutherland, 2008. Manual de filtros y filtración, quinta edición. 5.ª edición. Elsevier Science.
- 1 2 3 Mervyn Smyth, 2011. Energía solar en la industria vitivinícola (Energía verde y tecnología). Edición 2011. Springer.
- ↑ T. Christopher Dickenson, 1998. Manual de filtros y filtración, cuarta edición. 4.ª edición. Elsevier Science.
- ↑ Irwin M. Hutten, 2007. Manual de medios filtrantes no tejidos. 1.ª edición. Elsevier Science.
- ↑ Ben Aim R., Shanoun A., Visvanathan C. y Vigneswaran S. (1993). Nuevos medios de filtración y su uso en el tratamiento de agua. Actas del Congreso Mundial de Filtración, Nagoya, 273–276
- ↑ Thomas P. O'brien, Uso único y a gran escala de sistemas de filtración en profundidad para la clarificación de cultivos de células de mamíferos, 2012
- ↑ Syed A. Hashsham, Filtración por membrana de extremo muerto, Estudios de viabilidad de laboratorio en ingeniería ambiental, 2006
- ↑ MANUAL DE ORIENTACIÓN SOBRE FILTRACIÓN POR MEMBRANA, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, 2005
- 1 2 3 4 Trussell, RR 2004, Filtros de lecho profundo y servicio de alta tasa, edición de conferencia, Sección California Nevada-Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas, Sacramento.
- 1 2 Sutherland, Ken (2008). "Descripción general de la filtración: Una mirada más cercana a la filtración en profundidad" . Filtration & Separation . 45 (8): 25– 28. doi : 10.1016/S0015-1882(08)70296-9 . ISSN 0015-1882 .
- 1 2 3 4 5 6 Armenante, P. Filtración en profundidad (o lecho profundo), edición de conferencias, Instituto Tecnológico de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
- 1 2 Lekang, O. 2013, "Filtración en profundidad: filtros de medio granular" en Ingeniería de acuicultura, 2.ª ed., Wiley-Blackwell, West Sussex, pp. 58-59-60.
- ↑ Li, Y. 2008, "Consideraciones sobre el diseño de filtros" en Aplicaciones microelectrónicas de la polarización químico-mecánica, ed. Y. Li, 1.ª ed., John Wiley & Sons, Nueva Jersey, págs. 588-589-560.
- 1 2 Vesilind, A. 2003, "Procesos químicos y físicos, selección de medios y características" en Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales, ed. A. Vesilind, 1.ª ed., Water Environment Federation, Cornwall, pp. 10.6-10.61-10.65.
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