FILTRACIÓNMATERIALES FILTRANTES (2) 3.1. Fibras de celulosa: 3. Tejidos y membranas (2) FILTRACI...

FILTRACIÓNFILTRACIÓN

Mercedes Fernández Arévalo

FILTRACIFILTRACIÓÓNN

OPERACIOPERACIÓÓN UNITARIA PARA N UNITARIA PARA SEPARAR UN SSEPARAR UN SÓÓLIDO DESDE UN LIDO DESDE UN

FLUIDO O UN FLUIDO DESDE OTROFLUIDO O UN FLUIDO DESDE OTRO


PrecipitadoPrecipitado

FILTROFILTRO

FILTRADOFILTRADO

FLUIDO INICIALFLUIDO INICIAL((efluenteefluente, , turbioturbio))

RESIDUO RESIDUO ((tortatorta))

•• LLííqq. . transparentetransparente ((ssóóll--llííqq. . o o llííq.q.--llííqq.).)•• EsterilizarEsterilizar ((llííq.q.--aireaire))•• EliminarEliminar part. del part. del aireaire

∆∆∆∆∆∆∆∆PP

1. 1. MATERIAL A SEPARARMATERIAL A SEPARAR


CLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN

2. FUERZA IMPULSORA2. FUERZA IMPULSORA

3. FLUJO3. FLUJO

4. MECANISMO RETENCIÓN4. MECANISMO RETENCIÓN

1. 1. MATERIAL A SEPARARMATERIAL A SEPARAR::

•• Filtración convencionalFiltración convencional (= clarificación): (= clarificación): ≥ 10 µm ≥ 10 µm (clarifar soluciones) (clarifar soluciones)

•• MicrofiltraciónMicrofiltración: : 0.1 0.1 –– 10 µm 10 µm (agua p. iny.)(agua p. iny.)

•• UltrafiltraciónUltrafiltración: : 0.001 0.001 –– 0.1 µm 0.1 µm (macromoléculas) (macromoléculas)

(MEMBRANAS)(MEMBRANAS)•• Ósmosis inversaÓsmosis inversa::

0.001 0.001 –– 0.0001 µm 0.0001 µm (iones)(iones)(MEMBRANAS(MEMBRANAS-- P)P)

FILTRACIFILTRACIÓÓNNCLASIFICACIÓNCLASIFICACIÓN

2. 2. FUERZA IMPULSORAFUERZA IMPULSORA::

•• Hidrostática (gravedad)Hidrostática (gravedad)•• PresiónPresión•• VacíoVacío•• Centrifugación Centrifugación

3. 3. FLUJOFLUJO: : •• ConstanteConstante•• VariableVariable

4. 4. MECANISMO RETENCIÓNMECANISMO RETENCIÓN::•• CribadoCribado•• AdsorciónAdsorción•• Formación torta Formación torta

FILTRACIÓN:FILTRACIÓN:•• SuperficieSuperficie•• ProfundidadProfundidad

FILTRACIFILTRACIÓÓNN∆∆∆∆∆∆∆∆PP

Filtración en SuperficieFiltración en Superficie

CribadoCribado: Retención mecánica : Retención mecánica f(Øf(Ø))

Filtros de membranaFiltros de membrana

••Límite de separación absolutoLímite de separación absoluto••Estructura homogéneaEstructura homogénea••Espesor pequeño (no absorben Espesor pequeño (no absorben líquidos)líquidos)••ColmataciónColmatación rápida rápida (>S, (>S, prefiltrosprefiltros, coadyuvantes), coadyuvantes)



Filtros en profundidadFiltros en profundidad AdsorciónAdsorción: (atracción : (atracción electrostelectrost. . o fuerzas de Van o fuerzas de Van derder WaalsWaals))

••Estructura tridimensionalEstructura tridimensional••Gran tortuosidadGran tortuosidad••Adsorción + CribadoAdsorción + Cribado••Límite de separación nominalLímite de separación nominal••Cesión fragmentos y/o impurezasCesión fragmentos y/o impurezas••No se colmatan rápidamenteNo se colmatan rápidamente••Gran capacidad de retenciónGran capacidad de retención••> Absorción de líquido> Absorción de líquido


Formación de tortaFormación de torta


•• CAUDALCAUDAL:: Q = Q = dVdV//dtdt (m(m33ss--11))

•• FLUJOFLUJO:: J = J = dVdV//AdtAdt ((mmss--11))

∆∆PP•• EcEc. POISEUILLE. POISEUILLE::

J = J = dVdV//AdtAdt = = ππ rr44

8 8 ηη ll

PP22

PP11

rr

ll

•• VELOCIDAD LINEAL MEDIAVELOCIDAD LINEAL MEDIA::

Q = JAQ = JA

VVmm = = ddmm22∆∆PP

K K ηη llmm= J / e= J / e


•• POROSIDADPOROSIDAD:: e = V poros / V total (e = 0 e = V poros / V total (e = 0 –– 1)1)

•• SUPERFICIE EFECTIVA DE FILTRACIONSUPERFICIE EFECTIVA DE FILTRACION::SSB B = A poros / V filtro= A poros / V filtro

•• SUPERFICIE TOTALSUPERFICIE TOTAL:: SS = A total / V filtro= A total / V filtro

•• SUPERFICIE OPACASUPERFICIE OPACA:: SSO O = S (1 = S (1 –– e)e)


ECUACIÓN DE ECUACIÓN DE KOZENYKOZENY ddmm = e / S= e / SO O = e / S (1 = e / S (1 –– e)e)

J = J = VVmm e = e = e = e = ddmm

22∆∆∆∆∆∆∆∆PPK K ηηηηηηηη llmm

∆∆∆∆∆∆∆∆PPηηηηηηηη llmm

ee33

K SK S22 (1 (1 –– e)e)22

1 / 1 / RRmm

RESISTENCIA RESISTENCIA ESPECÍFICA ESPECÍFICA

(del medio filtrante)(del medio filtrante)

J = J = ∆∆∆∆∆∆∆∆PP

RRmmηηηηηηηη llmm

ee33

K SK S22 (1 (1 –– e)e)22

> e < > e < RmRm > J> J K = 5 (K = 5 (ctecte.).)Ej.: S = 4Ej.: S = 4

e = 0.3 e = 0.3 RmRm = 1451.8= 1451.8e = 0.6 e = 0.6 RmRm = 59.26= 59.26


ECUACIÓN DE ECUACIÓN DE CARMANCARMAN Lecho del filtro no es constanteLecho del filtro no es constante

R = R = RmRm + + RtRt (torta)(torta)

J = J = dVdV//AdtAdt = = = = ∆∆∆∆∆∆∆∆PP

ηηηηηηηη (Rm + Rt)(Rm + Rt)

∆∆∆∆∆∆∆∆PP

ηηηηηηηη (Rm + (Rm + αα w V/A)w V/A)

αα = Resistencia espec= Resistencia especíífica fica de la tortade la torta

wVwV = s= sóólidos por unidad de Vlidos por unidad de V

InversaInversa

IntegraIntegra

∆∆P = P = ctecte..

t / V/A = t / V/A = KpKp V/A + CV/A + C

t / V/A = + t / V/A = + ηηηηηηηη αα w Vw V

22∆∆∆∆∆∆∆∆PP AA

ηηηηηηηη RmRm

∆∆∆∆∆∆∆∆PPKpKp

CC

t / V/At / V/A

V/AV/A

FILTRACIFILTRACIÓÓNN ECUACIÓN DE CARMANECUACIÓN DE CARMAN

ηηηηηηηη αα ww

22∆∆∆∆∆∆∆∆PPηηηηηηηη RmRm∆∆∆∆∆∆∆∆PP

t / V/At / V/A

V/AV/A

CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA PRÁCTICAS SOBRE LA

VELOCIDAD DE VELOCIDAD DE FILTRACIÓNFILTRACIÓN

CONSIDERACIONES ÓPTIMAS DE FILTRACIÓNCONSIDERACIONES ÓPTIMAS DE FILTRACIÓN

1.1. PresiónPresión2.2. Cantidad y características de los sólidosCantidad y características de los sólidos3.3. Medio y área de superficie filtranteMedio y área de superficie filtrante4.4. Viscosidad del filtradoViscosidad del filtrado


CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓNVELOCIDAD DE FILTRACIÓN

1.1. PRESIÓNPRESIÓN: Fuerza impulsora: Fuerza impulsora

dVdV//dtdt

PP

Tortas incompresiblesTortas incompresibles

Tortas compresiblesTortas compresibles

Sólidos cristalinosSólidos cristalinosIndeformablesIndeformablesTamaño uniformeTamaño uniforme

Tortas Tortas floculentasfloculentasGelesGeles



2.2. CANTIDAD Y CARACTERÍSTICAS DEL SÓLIDOCANTIDAD Y CARACTERÍSTICAS DEL SÓLIDO

> W> W< < ØØ

< J< J

PRETRATAMIENTO PARA PRETRATAMIENTO PARA AUMENTAR EL TAMAÑO AUMENTAR EL TAMAÑO MEDIO DE PARTÍCULAMEDIO DE PARTÍCULA

COAGULACIÓNCOAGULACIÓN O O FLOCULACIÓNFLOCULACIÓN

(electrolitos, modificar (electrolitos, modificar pH, adsorbentes)pH, adsorbentes)

PREFILTROSPREFILTROS Pueden precipitar o adsorber Pueden precipitar o adsorber p.ap.a., ., conservantes, colorantes, …conservantes, colorantes, …

ProcesoProceso de de filtraciónfiltración porpor flujoflujodirectodirecto

FiltraciónFiltración tangencialtangencial

•• ProcesoProceso continuocontinuo

•• MínimoMínimo depósitodepósito de de sólidossólidos

•• MicroMicro-- y ultray ultra-- filtraciónfiltración y y ósmosisósmosis

inversainversa

•• > > aporteaporte energíaenergía ((desplazamientodesplazamiento

tangencialtangencial y y gradientegradiente de P)de P)



3.3. MEDIO Y ÁREA FILTRANTEMEDIO Y ÁREA FILTRANTE

< < RmRm del filtrodel filtro

> J> J

> e> e > S> SBB

SSB B = A poros / V filtro= A poros / V filtro

AUMENTAR LA AUMENTAR LA SUPERFICE DE SUPERFICE DE FILTRACIÓNFILTRACIÓN

(filtros prensa, cartuchos, (filtros prensa, cartuchos, filtros plieguesfiltros pliegues))

4.4. VISCOSIDAD DEL FLUIDOVISCOSIDAD DEL FLUIDO

< < ηηAUMENTAR LA TEMPERATURA Y AUMENTAR LA TEMPERATURA Y DILUIR CON FLUIDOS DE BAJA DILUIR CON FLUIDOS DE BAJA

VISCOSIDADVISCOSIDAD

> J> J

Características de los medios filtrantesCaracterísticas de los medios filtrantes

•• Elevado poder de Elevado poder de retenciónretención de partículas o de partículas o microorganismosmicroorganismos

•• Gran Gran resistenciaresistencia química y mecánicaquímica y mecánica•• Facilidad de Facilidad de desprendimientodesprendimiento de la tortade la torta•• Máximo Máximo volumen filtrablevolumen filtrable•• Elevado caudalElevado caudal de filtración con de filtración con mínima mínima

resistenciaresistencia al flujoal flujo•• No exista extracciónNo exista extracción de ningún componente del de ningún componente del

filtrofiltro•• Escasa o nula capacidad de Escasa o nula capacidad de adsorciónadsorción de de

sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.)sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.)


MATERIALES FILTRANTESMATERIALES FILTRANTES (1)(1)1. Materiales filtrantes sueltos

Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal

•• Separación partículas grandesSeparación partículas grandes•• Cesión de filamentos (filtrar varias veces) Cesión de filamentos (filtrar varias veces)

2. Materiales porososVidrio fritado: Metales sinterizados:Porcelana porosa y sílice

Inercia químicaInercia química, carga negativa, carga negativaFiltración de gasesFiltración de gases


Filtración en profundidadFiltración en profundidad

Filtración en profundidadFiltración en profundidad

3. Tejidos y membranas (1)


• Placas, discos, papeles (ceden fibras)• Estado seco: líquidos polares y apolares• Estado húmedo: líquidos polares• Filtro en profundidad• Esterilizables con vapor de agua• Clarificación y prefiltro

MATERIALES FILTRANTESMATERIALES FILTRANTES (2)(2)

3.1. Fibras de celulosa:

3. Tejidos y membranas (2)



• Membranas de nitrocelulosa y acetato de celulosa: muy utilizados

• Amplia gama de tamaño de poro y bien definidos

• Muy porosos (80%): elevado caudal de filtración

• Filtración en superficie y esterilizante• Estabilidad térmica limitada (80 °C)• Componentes extraíbles (nitrocelulosa)• Incompatibles con ciertos disolventes orgánicos

3.2. Ésteres de celulosa:

3. Tejidos y membranas (3)3.3. Fibra de vidrio:



• Retículo de fibras finas de vidrio, relativamente grueso (0.25 mm)

• Caudal alto, gran capacidad antes de colmatarse y elevada resistencia química

• Resistentes al calor y de bajo costo• Cesión de fragmentos al filtrado• Filtración en profundidad

3. Tejidos y membranas (4)3.3. Fibras sintéticas



• Polipropileno, Nylon, Polisulfona, Difluoruro de polivinilideno (PVDF), Politetrafluoruro de etileno (PTFE o teflón), Policarbonato

• Alta resistencia y ceden pocas fibras

• Filtración en superficie

• Alta porosidad, tamaño uniforme de poros

• Se utilizan como filtros finales (micro- y ultrafiltración) y algunos en filtración esterilizante

FILTRACIFILTRACIÓÓNNCOADYUVANTES DE LA FILTRACIÓNCOADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN

•• Tierra de diatomeasTierra de diatomeas•• Pulpa de celulosaPulpa de celulosa•• Carbón activo Carbón activo •• ArcillaArcilla•• TalcoTalco

Se incorporan al líquido a filtrar

1. Facilitan el depósito de impurezas1. Facilitan el depósito de impurezas2. Evitan el colmatado rápido2. Evitan el colmatado rápido3. Retienen por adsorción diversas impurezas3. Retienen por adsorción diversas impurezas

• Polvos insolubles e inertes• Capa de depósito pulverulento sobre filtro rígido que actúa comosoporte

• La tenuidad del polvo condiciona la porosidad• Tienen gran capacidad adsorbente: pueden retener fármacos disueltos pueden retener fármacos disueltos

y colorantesy colorantes

DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓNDISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN

5.5. Resistencia térmicaResistencia térmica: el filtro debe esterilizarse: el filtro debe esterilizarse

6.6. El filtro debe ser El filtro debe ser compatible con el fluidocompatible con el fluido: : Tablas de compatibilidad entre filtros y disolventesTablas de compatibilidad entre filtros y disolventes

CRITERIOS DE SELECCIÓNCRITERIOS DE SELECCIÓN

1.1. Volumen de líquido a filtrarVolumen de líquido a filtrar: laboratorio o industrial: laboratorio o industrial

2.2. Fuerza impulsoraFuerza impulsora: : gravedad, presión, vacío, f. centrífugagravedad, presión, vacío, f. centrífuga

3.3. Grado de separaciónGrado de separación: tamaño de poro: tamaño de poro

4.4. Producto que se seleccionaProducto que se selecciona: filtrado o torta: filtrado o torta

7.7. Régimen de trabajoRégimen de trabajo: continuo o discontinuo: continuo o discontinuo


FILTROS PRENSAFILTROS PRENSA

Gran superficie de filtraciónGran superficie de filtración

DISCOS APILADOSDISCOS APILADOS

Gran superficie de Gran superficie de

filtraciónfiltración

ROTARY DRUM ROTARY DRUM

VACUUM FILTERVACUUM FILTER

DISCOS FILTRANTES DISCOS FILTRANTES

DE MEMBRANAS DE MEMBRANAS

PARA JERINGASPARA JERINGAS

FILTRACIÓN DE GASESFILTRACIÓN DE GASES: OBJETIVOS: OBJETIVOS

1. Eliminar polvo o gérmenes1. Eliminar polvo o gérmenes::••zonas asépticas (habitaciones o locales)zonas asépticas (habitaciones o locales)••campanas de flujo laminarcampanas de flujo laminar

2. Recuperar partículas de polvo generadas durante el 2. Recuperar partículas de polvo generadas durante el desarrollo de una OTF:desarrollo de una OTF:

(pulverización, mezclado, compresión....) (pulverización, mezclado, compresión....)

MATERIALES FILTRANTES:MATERIALES FILTRANTES:

•• LANA DE VIDRIO (+ líquido viscoso)LANA DE VIDRIO (+ líquido viscoso)•• METAL SINTERIZADOMETAL SINTERIZADO•• TUBOS O MANGAS FILTRANTESTUBOS O MANGAS FILTRANTES


CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓNCONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN

1) ENSAYO DE INTEGRIDAD: 1) ENSAYO DE INTEGRIDAD:

•• Punto de burbujaPunto de burbuja

-- Método simple y no destructivoMétodo simple y no destructivo

-- Se utiliza en filtros de membranaSe utiliza en filtros de membrana

-- Presión necesaria para desalojar el liquido que Presión necesaria para desalojar el liquido que ocupa los poros de una membrana y que provoca la ocupa los poros de una membrana y que provoca la aparición de burbujas de aire visibles a la salida del aparición de burbujas de aire visibles a la salida del filtrofiltro

-- La presión necesaria es inversamente proporcional La presión necesaria es inversamente proporcional al radio del poro y tiene que ser similar al al radio del poro y tiene que ser similar al especificado por el fabricanteespecificado por el fabricante


2) DETERMINACIÓN DEL CAUDAL:2) DETERMINACIÓN DEL CAUDAL:

-- Tiene interés en el ámbito industrial y Tiene interés en el ámbito industrial y proporciona una medida de la porosidad (superficie proporciona una medida de la porosidad (superficie efectiva de filtración)efectiva de filtración)

-- Se determina a partir del tiempo que invierte un Se determina a partir del tiempo que invierte un volumen determinado de líquido en atravesar un volumen determinado de líquido en atravesar un filtrofiltro

CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓNCONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓNFILTRACIFILTRACIÓÓNN


3) RESISTENCIA A LA COLMATACIÓN3) RESISTENCIA A LA COLMATACIÓN

(VOLUMEN MÁXIMO FILTRABLE)(VOLUMEN MÁXIMO FILTRABLE)

-- Volumen máximo que una membrana es capaz de Volumen máximo que una membrana es capaz de filtrar antes de colmatarsefiltrar antes de colmatarse

-- Estima la duración de un filtroEstima la duración de un filtro

-- Depende de la viscosidad del fluido que se filtre, Depende de la viscosidad del fluido que se filtre, de la cantidad de partículas en el medio y de la de la cantidad de partículas en el medio y de la presión aplicadapresión aplicada


4) ADSORCIÓN DE COMPONENETES DE 4) ADSORCIÓN DE COMPONENETES DE LA FORMULACIÓNLA FORMULACIÓN

-- Principios activos, proteínas y conservantesPrincipios activos, proteínas y conservantes

--Depende de la naturaleza de le membrana y de las Depende de la naturaleza de le membrana y de las interacciones electrostáticas e interacciones electrostáticas e hidrofóbicashidrofóbicas

--Valoración de sustancias en el filtradoValoración de sustancias en el filtrado


5) EXTRAIBLES DE LA MEMBRANA5) EXTRAIBLES DE LA MEMBRANA

-- Impurezas de fabricación (calidad del filtro)Impurezas de fabricación (calidad del filtro)

--Control analítico: extracción (condiciones Control analítico: extracción (condiciones agresivas) + valoración HPLCagresivas) + valoración HPLC

-- Control toxicológico en animalesControl toxicológico en animales

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