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Bombas en sistemas de filtración de flujo tangencial: un cambio en aplicaciones sanitarias

 

Introducción a los sistemas de filtración de flujo tangencial

Los sistemas de filtración de flujo tangencial (TFF) en aplicaciones sanitarias tienen cada día más cabida en una infinidad de procesos productivos, ya sea en separación, concentración, clarificación o purificación de soluciones. Se trata de una aplicación sanitaria cuando los requisitos de higiene y/o contaminación deben cumplir unas especificaciones muy estrictas, bien por requerimientos legales, bien por calidad o pureza final del producto. Se conoce como TFF, al método de filtración basado en vehicular un fluido a través de una tubería y a lo largo de la superficie de una membrana, donde la fuerza motriz es el perfil de presiones diferenciales que se dan en ambos lados de la misma y que se consigue mediante la ayuda de un equipo de bombeo. De esta forma se facilita el proceso de transporte del producto sobre la membrana en forma de flujo tangencial y a través de la misma, produciéndose las corrientes de filtrado y retenido que darán como resultado la separación de la parte deseada.


Para obtener un mayor rendimiento del sistema de TFF se deben tener en cuenta varios factores a la hora del diseño del equipo:

  • Producto: Valor del fluido a procesar ($/m³, €/litro, £/cc, ¥/ml); propiedades físico-químicas (viscosidad, densidad, temperatura); Tipo de producto: (Newtoniano, dilatante, tixotrópico, sensible al corte).
  • Proceso: Separación, concentración, diálisis, clarificación, purificación, etc.
  • Diseño del equipo: tipo de bomba (centrífuga, desplazamiento positivo, doble tornillo helicoidal); tipo de membrana (cerámica, polietersulfona, celulosa regenerada), tuberías (pulido interior, materiales, conexiones, accesorios, etc.)


El diseño del sistema TFF supone para el ingeniero una valoración de dos factores básicos que son el producto y el proceso, siendo ambos, la base para seleccionar el tipo de bomba, los materiales de construcción y las membranas a utilizar. Por ejemplo, no es comparable estabilizar un vino que purificar una solución de albúmina humana, o no se puede valorar de la misma forma concentrar un lacto-suero que clarificar una cerveza, caldo o zumo.


Está claro que en los procesos sanitarios existe una "ley de mínimos" a la hora de diseñar el sistema de filtración de flujo tangencial, es decir, las membranas por ejemplo deben ser las adecuadas para el proceso en cuanto al tamaño de partícula se refiere. Por ejemplo la microfiltración se aplica para la retención de partículas de 0,1 a 10 micras, siendo la ultrafiltración un método aplicado en un rango de tamaño de molécula entre (1-1000 kD). Por otro lado, las membranas utilizadas en un sistema TFF deben seleccionarse en función de las características de colmatación y la compatibilidad química de las mismas con el propio producto a filtrar y con los productos químicos para su limpieza.


En un sistema TFF, el producto se vehicula mediante presión produciéndose un barrido tangencial a lo largo de la superficie de la membrana (ver figura). Este es el hecho diferencial del mecanismo de separación de la filtración de flujo tangencial, cuya fuerza motriz es la presión transmembrana (TMP) y se define como la presión media aplicada desde la entrada en el filtro hasta el lado del filtrado del mismo.


TMP = [(PE + PR)/2] – PF

De donde:
PE = Presión de entrada
PR= Presión de retenido
PF= Presión de filtrado


Las partículas pequeñas que puedan pasar a través del poro de la membrana es lo que se llama el permeado o filtrado, mientras que las de mayor tamaño que no pasan a través de las membranas se conoce como retenido. Se entiende que el proceso de separación es ambivalente, es decir, el producto deseado puede obtenerse en ambos lados, tanto por la parte del retenido como por la parte del filtrado, dependiendo del producto final.


Durante el proceso de filtración tangencial, el flujo de filtrado se incrementa a medida que se aumenta la presión transmembrana. Esto es así hasta alcanzar un cierto valor en dicha presión, ya que después se mantiene constante debido a la obturación de las membranas por un elevado flujo a través de las mismas. Este fenómeno se denomina colmatación de la membrana, siendo conveniente, llegar a un equilibrio entre el aumento de la presión y la reducción en tiempo del proceso de filtración por el aumento del flujo normal.


En la filtración común también llamada filtración directa, el producto es conducido de forma normal a la superficie de la membrana, produciéndose una colmatación rápida. Por el contrario, en la filtración tangencial, el barrido de la corriente de retenido minimiza el efecto de colmatación de la superficie de filtración provocado por el propio producto, permitiendo realizar separaciones altamente eficaces con productos de alto peso molecular de impurezas agregadas a los mismos, aumentando el rendimiento del proceso productivo.


Bombas en los sistemas de filtración de flujo tangencial

Para proceder a la separación del producto que tratamos, es necesario impulsar a la membrana un cierto caudal obtenido a través de una bomba. El caudal de la bomba vendrá dado en función de las membranas instaladas y de lo que se conoce como el flujo normal a través de las mismas. Este parámetro, el más importante de la membrana, dará mayor o menor valor a la misma siendo su ecuación la siguiente:


Flujo = [Volumen/(área x tiempo)] = [litros/(m² x min)]


Membranas con un alto valor del flujo conllevan un buen proceso de separación, y por tanto, un alto rendimiento en el sistema de filtración de flujo tangencial. Pero este valor puede estar influenciado también por otros factores como la TMP, la temperatura, el pH del producto, la fuerza iónica de las moléculas o el ratio de la filtración tangencial. Es por ello que resulta muy conveniente, diseñar el sistema de filtración tangencial con elementos de campo (bombas, válvulas de control, controladores de presión o caudal, etc.) que permitan la regulación de la presión aplicada a las membranas, el caudal de flujo cruzado y del caudal de filtrado en cada etapa del proceso.


Hasta la fecha, las bombas que se han instalado en sistemas de filtración de flujo tangencial han sido dotadas en sus ejes de rotación de una velocidad baja. Nunca se han superado las 300-360 rpm de velocidad de giro y ello se debe a varios factores: alta viscosidad del producto, productos sensibles a la cortadura (efecto cizalla) o alto caudal de recirculación en las bombas. Esto ha conllevado al sobredimensionado de los equipos de bombeo, y por tanto a un encarecimiento en la construcción del equipo de TFF debido a tuberías de conducción y elementos de control con mayor diámetro. La tecnología de bombeo utilizada hasta hoy, está basada en el sistema lobular y de pistón rotativo, pero a finales de la década de los noventa se empezó a comercializar el modelo sanitario de las bombas de doble tornillo helicoidal, siendo este modelo el que está desplazando por su alta eficiencia, versatilidad y robustez a los modelos de bomba de lóbulos y de pistón rotativo.


Las razones de este cambio se deben a una serie de factores, cuyo valor principal radica en el hecho de su diferencia en el bombeo. Mientas que en el modelo lobular y de pistón rotativo el bombeo se produce de forma radial, en el modelo de doble tornillo helicoidal el desplazamiento positivo es axial. La siguiente imagen muestra este hecho:


Bombeo axialBombeo radial


Este cambio en el modelo de bombeo tiene como resultado un bombeo sin agitación radial, es decir, sin riesgo de centrifugado, permitiendo que el efecto de cizalla en productos sensibles al mismo desaparezca casi por completo. De esta manera se puede aumentar la velocidad en la bomba y por tanto, disminuir el tamaño de la misma comparándola con una bomba lobular o de pistón rotativo. Esta disminución de tamaño va asociada a un menor volumen muerto del equipo, reduciendo la cantidad de solución de post-lavado para la recuperación del producto, evitando así diluciones del mismo y aumentando su rendimiento final. La inversión en la instalación será por tanto menor, reduciendo costes y amortizando el equipo en menor tiempo. Por otro lado, la recirculación de caudal interno de la bomba es mucho menor que en los equipos de bombeo radial, permitiendo así que durante la etapa de limpieza (CIP) se puedan alcanzar velocidades de valores entre 3000 a 3600 rpm. Esto origina que el caudal a través de las conducciones muestre menor pulsación, es decir menor variación del volumen circulante por unidad de tiempo, consiguiendo de esta manera realizar la limpieza con mayor efectividad en el interior de las tuberías. El caudal máximo admisible en las membranas es una característica dada por el fabricante de las mismas, tanto en ciclos de proceso como limpieza (CIP) y por tanto nunca puede ser excedido por el ofrecido de la bomba.


Por último, su pulsación baja alarga la vida útil de las membranas utilizadas en el proceso de filtración (se están obteniendo buenos resultados en procesos de concentración de proteínas). Una pulsación baja mitiga la rotura de las membranas permitiendo un flujo constante a través de ellas, ayudando así a que no se produzca la colmatación de las mismas. Esto hecho disminuye los costes de explotación del equipo, permitiendo la amortización más rápida del mismo, al sustituir las membranas en un periodo de tiempo más largo. La recuperación de la inversión inicial está asegurada.


Sección interior de la bomba SLHSección interior bomba SLH 4 G
Imágenes por cortesía de Joh. Heinr. Bornemann GmbH


Su diseño es la base de su baja pulsación. La distancia entre el apoyo de sus ejes permite un pandeo mínimo y una mejor repartición de cargas axiales y radiales durante la rotación a altas velocidades de sus tornillos (ver sección de la bomba). La combinación de diferentes tipos de rodamientos (doble de bolas, rodillos, agujas) y el sobredimensionado de los ejes en su diámetro consigue una gran versatilidad en rango de presiones, caudales y viscosidades de producto, especialmente en bombas de diseño más avanzados.


Nuevos horizontes en aplicaciones

Una de las desventajas relativas de esta nueva tecnología es la inversión en inicio que debe realizarse, comparándola con otras bombas de desplazamiento positivo. Su dimensionado robusto tiene como consecuencia un incremento en los costes de producción, ya que las tolerancias y ajustes mecánicos que existen entre sus tornillos sincronizados y la carcasa de cierre son de alta calidad. A pesar de este elevado coste inicial, su rentabilidad es inmejorable al conseguir una amortización en un corto plazo de tiempo debido en gran parte a sus bajos cotes de mantenimiento, su alta fiabilidad en servicio continuo y su reducción en tiempos de producción.


Respecto a este último factor, hay que hacer especial mención a la reducción de los ciclos de limpieza en los sistemas de filtración de flujo tangencial, cuyos cartuchos filtrantes, estaban sometidos con el paso del tiempo a incrementos de pulsación, bien por desgaste de los elementos rotativos de las bombas, bien por envejecimiento de los materiales de las membranas. Utilizando las bombas de doble tornillo helicoidal y acelerando la bomba a velocidades mucho más altas (hasta 3600 rpm), se consiguen unos caudales y presiones más constantes que permiten reducir los tiempos de aclarado post ataque químico con soluciones básicas y/o ácidas, ya que el desgaste mecánico en las bombas de doble tornillo helicoidal es mucho menor que en las bombas lobulares o pistón rotativo.


Sistema de ultrafiltración tangencial con depósito CIP.
Cortesía de GRIFOLS


Con esta nueva perspectiva en estos equipos, aparecen nuevas aplicaciones farmacéuticas en campos como la purificación de polisacáridos. Por ejemplo, durante el proceso de obtención del polisacárido Vi de Salmonella typhi se empleaba en el proceso de diálisis para la eliminación del fenol residual, un sistema de ultrafiltración con fibra hueca, no cumpliendo dicho método con las actuales regulaciones farmacéuticas. Por otra parte la cepa de Salmonella typhi expresa poco polisacárido, y es necesario optimizar cada unas de las etapas del proceso de purificación, para evitar las pérdidas de dicho antígeno. Con estas dificultades, se puede mejorar la ultrafiltración tangencial, en la eliminación del fenol residual, permitiendo reducir el tiempo de proceso y la cantidad de buffer consumido. El cambio de fibra hueca por fibra plana y la utilización de bombas de doble tornillo por la viscosidad del producto, consiguen aumentar el rendimiento del proceso de purificación hasta un 30%. La unión de los procesos después de la etapa de ultrafiltración y antes de la etapa de precipitación alcohólica hace posible este hecho. La introducción de estos cambios tecnológicos permiten obtener un proceso de purificación más eficiente, cumpliendo las exigencias de las actuales Buenas Prácticas de Producción (GMP), con lo que se mejora no sólo la calidad del producto, sino también los márgenes económicos al reducirse los costes de producción.


Concluyendo, con la implantación de las bombas de doble tornillo helicoidal en sistemas de filtración de flujo tangencial se han conseguido las siguientes mejoras:

  • Menor pulsación durante el bombeo y por consiguiente menor daño en las membranas de polietersulfona.
  • Baja cizalladura en productos sensibles al corte y por tanto un trato del producto respetando sus propiedades organolépticas, físicas y químicas.
  • Reducción del tamaño de la bomba al aumentar la velocidad de salida del eje, y por tanto reducción en espacio y diámetros de tubería para vehicular el producto.
  • Menor coste de mantenimiento debido a su robustez en el diseño. Reducción de mantenimiento productivo y mejora sustancial en mantenimiento preventivo y predictivo como consecuencia de su gran fiabilidad durante el bombeo en condiciones extremas
  • Reducción en tiempo de proceso y limpieza debido en gran parte a sus altas velocidades de bombeo y gran rango de caudales y mantenimiento constante en la presión de salida. Asegura una limpieza interior (CIP y SIP) cumpliendo los requisitos más exigentes.
  • Aumento de la aspiración (NPSH) con productos viscosos evitando presurización en la entrada del producto y modificación de su estructura y/o su homogenización.


No cabe duda que los ingenieros de procesos en la industria alimentaria y farmacéutica tendrán en cuenta, a partir de ahora, la aplicación de bombas de doble tornillo helicoidal especialmente en aquellas aplicaciones donde los parámetros de calidad e higiene son críticos en el producto procesado. La investigación continúa en este tipo de bombas, dando como resultado final la aparición de modelos más avanzados como los mostrados anteriormente, que permiten mayores presiones de bombeo, un rango más diverso en viscosidades y un diseño optimizado en cuanto a requerimientos de higiene se refiere, cumpliendo con certificaciones EHEDG y 3A.


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