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- 2. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N OPERACI OPERACIÓ ÓN UNITARIA PARA N UNITARIA PARA SEPARAR UN S SEPARAR UN SÓ ÓLIDO DESDE UN LIDO DESDE UN FLUIDO O UN FLUIDO DESDE OTRO FLUIDO O UN FLUIDO DESDE OTRO
- 3. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N Precipitado Precipitado FILTRO FILTRO FILTRADO FILTRADO FLUIDO INICIAL FLUIDO INICIAL ( (efluente efluente, , turbio turbio) ) RESIDUO RESIDUO ( (torta torta) ) • • L Lí íq q. . transparente transparente ( (s só ól l- -l lí íq q. . o o l lí íq. q.- -l lí íq q.) .) • • Esterilizar Esterilizar ( (l lí íq. q.- -aire aire) ) • • Eliminar Eliminar part. del part. del aire aire ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P
- 4. 1. 1. MATERIAL A SEPARAR MATERIAL A SEPARAR FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN 2. FUERZA IMPULSORA 2. FUERZA IMPULSORA 3. FLUJO 3. FLUJO 4. MECANISMO RETENCIÓN 4. MECANISMO RETENCIÓN
- 5. 1. 1. MATERIAL A SEPARAR MATERIAL A SEPARAR: : • • Filtración convencional Filtración convencional (= clarificación): (= clarificación): ≥ 10 µm ≥ 10 µm (clarifar soluciones) (clarifar soluciones) • • Microfiltración Microfiltración: : 0.1 0.1 – – 10 µm 10 µm (agua p. iny.) (agua p. iny.) • • Ultrafiltración Ultrafiltración: : 0.001 0.001 – – 0.1 µm 0.1 µm (macromoléculas) (macromoléculas) (MEMBRANAS) (MEMBRANAS) • • Ósmosis inversa Ósmosis inversa: : 0.001 0.001 – – 0.0001 µm 0.0001 µm (iones) (iones) (MEMBRANAS (MEMBRANAS- - P) P) FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN
- 7. 2. 2. FUERZA IMPULSORA FUERZA IMPULSORA: : • • Hidrostática (gravedad) Hidrostática (gravedad) • • Presión Presión • • Vacío Vacío • • Centrifugación Centrifugación 3. 3. FLUJO FLUJO: : • • Constante Constante • • Variable Variable 4. 4. MECANISMO RETENCIÓN MECANISMO RETENCIÓN: : • • Cribado Cribado • • Adsorción Adsorción • • Formación torta Formación torta FILTRACIÓN: FILTRACIÓN: • • Superficie Superficie • • Profundidad Profundidad FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P
- 8. Filtración en Superficie Filtración en Superficie Cribado Cribado: Retención mecánica : Retención mecánica f(Ø f(Ø) ) Filtros de membrana Filtros de membrana • •Límite de separación absoluto Límite de separación absoluto • •Estructura homogénea Estructura homogénea • •Espesor pequeño (no absorben Espesor pequeño (no absorben líquidos) líquidos) • •Colmatación Colmatación rápida rápida (>S, (>S, prefiltros prefiltros, coadyuvantes) , coadyuvantes) FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 9. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N Filtros en profundidad Filtros en profundidad Adsorción Adsorción: (atracción : (atracción electrost electrost. . o fuerzas de Van o fuerzas de Van der der Waals Waals) ) • •Estructura tridimensional Estructura tridimensional • •Gran tortuosidad Gran tortuosidad • •Adsorción + Cribado Adsorción + Cribado • •Límite de separación nominal Límite de separación nominal • •Cesión fragmentos y/o impurezas Cesión fragmentos y/o impurezas • •No se colmatan rápidamente No se colmatan rápidamente • •Gran capacidad de retención Gran capacidad de retención • •> Absorción de líquido > Absorción de líquido
- 10. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N Formación de torta Formación de torta
- 11. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N • • CAUDAL CAUDAL: : Q = Q = dV dV/ /dt dt (m (m3 3 s s- -1 1 ) ) • • FLUJO FLUJO: : J = J = dV dV/ /Adt Adt ( (m ms s- -1 1 ) ) ∆ ∆P P • • Ec Ec. POISEUILLE . POISEUILLE: : J = J = dV dV/ /Adt Adt = = π π r r4 4 8 8 η η l l P P2 2 P P1 1 r r l l • • VELOCIDAD LINEAL MEDIA VELOCIDAD LINEAL MEDIA: : Q = JA Q = JA V Vm m = = d dm m 2 2 ∆ ∆P P K K η η l lm m = J / e = J / e
- 12. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N • • POROSIDAD POROSIDAD: : e = V poros / V total (e = 0 e = V poros / V total (e = 0 – – 1) 1) • • SUPERFICIE EFECTIVA DE FILTRACION SUPERFICIE EFECTIVA DE FILTRACION: : S SB B = A poros / V filtro = A poros / V filtro • • SUPERFICIE TOTAL SUPERFICIE TOTAL: : S S = A total / V filtro = A total / V filtro • • SUPERFICIE OPACA SUPERFICIE OPACA: : S SO O = S (1 = S (1 – – e) e)
- 13. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE ECUACIÓN DE KOZENY KOZENY d dm m = e / S = e / SO O = e / S (1 = e / S (1 – – e) e) J = J = V Vm m e = e = e = e = d dm m 2 2 ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P K K η η η η η η η η l lm m ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P η η η η η η η η l lm m e e3 3 K S K S2 2 (1 (1 – – e) e)2 2 1 / 1 / R Rm m RESISTENCIA RESISTENCIA ESPECÍFICA ESPECÍFICA (del medio filtrante) (del medio filtrante) J = J = ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P R Rm mη η η η η η η η l lm m e e3 3 K S K S2 2 (1 (1 – – e) e)2 2 > e < > e < Rm Rm > J > J K = 5 ( K = 5 (cte cte.) .) Ej.: S = 4 Ej.: S = 4 e = 0.3 e = 0.3 Rm Rm = 1451.8 = 1451.8 e = 0.6 e = 0.6 Rm Rm = 59.26 = 59.26
- 14. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE ECUACIÓN DE CARMAN CARMAN Lecho del filtro no es constante Lecho del filtro no es constante R = R = Rm Rm + + Rt Rt (torta) (torta) J = J = dV dV/ /Adt Adt = = = = ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P η η η η η η η η (Rm + Rt) (Rm + Rt) ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P η η η η η η η η (Rm + (Rm + α α w V/A) w V/A) α α = Resistencia espec = Resistencia especí ífica fica de la torta de la torta wV wV = s = só ólidos por unidad de V lidos por unidad de V Inversa Inversa Integra Integra ∆ ∆P = P = cte cte. . t / V/A = t / V/A = Kp Kp V/A + C V/A + C t / V/A = + t / V/A = + η η η η η η η η α α w V w V 2 2∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P A A η η η η η η η η Rm Rm ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P Kp Kp C C t / V/A t / V/A V/A V/A
- 15. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE CARMAN ECUACIÓN DE CARMAN η η η η η η η η α α w w 2 2∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P η η η η η η η η Rm Rm ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆P P t / V/A t / V/A V/A V/A CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE VELOCIDAD DE FILTRACIÓN FILTRACIÓN CONSIDERACIONES ÓPTIMAS DE FILTRACIÓN CONSIDERACIONES ÓPTIMAS DE FILTRACIÓN 1. 1. Presión Presión 2. 2. Cantidad y características de los sólidos Cantidad y características de los sólidos 3. 3. Medio y área de superficie filtrante Medio y área de superficie filtrante 4. 4. Viscosidad del filtrado Viscosidad del filtrado
- 16. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE CARMAN ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 1. 1. PRESIÓN PRESIÓN: Fuerza impulsora : Fuerza impulsora dV dV/ /dt dt P P Tortas incompresibles Tortas incompresibles Tortas compresibles Tortas compresibles Sólidos cristalinos Sólidos cristalinos Indeformables Indeformables Tamaño uniforme Tamaño uniforme Tortas Tortas floculentas floculentas Geles Geles
- 17. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE CARMAN ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 2. 2. CANTIDAD Y CARACTERÍSTICAS DEL SÓLIDO CANTIDAD Y CARACTERÍSTICAS DEL SÓLIDO > W > W < < Ø Ø < J < J PRETRATAMIENTO PARA PRETRATAMIENTO PARA AUMENTAR EL TAMAÑO AUMENTAR EL TAMAÑO MEDIO DE PARTÍCULA MEDIO DE PARTÍCULA COAGULACIÓN COAGULACIÓN O O FLOCULACIÓN FLOCULACIÓN (electrolitos, modificar (electrolitos, modificar pH, adsorbentes) pH, adsorbentes) PREFILTROS PREFILTROS Pueden precipitar o adsorber Pueden precipitar o adsorber p.a p.a., ., conservantes, colorantes, … conservantes, colorantes, …
- 18. Proceso Proceso de de filtración filtración por por flujo flujo directo directo Filtración Filtración tangencial tangencial • • Proceso Proceso continuo continuo • • Mínimo Mínimo depósito depósito de de sólidos sólidos • • Micro Micro- - y ultra y ultra- - filtración filtración y y ósmosis ósmosis inversa inversa • • > > aporte aporte energía energía ( (desplazamiento desplazamiento tangencial tangencial y y gradiente gradiente de P) de P)
- 19. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N ECUACIÓN DE CARMAN ECUACIÓN DE CARMAN CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA CONSIDERACIONES PRÁCTICAS SOBRE LA VELOCIDAD DE FILTRACIÓN VELOCIDAD DE FILTRACIÓN 3. 3. MEDIO Y ÁREA FILTRANTE MEDIO Y ÁREA FILTRANTE < < Rm Rm del filtro del filtro > J > J > e > e > S > SB B S SB B = A poros / V filtro = A poros / V filtro AUMENTAR LA AUMENTAR LA SUPERFICE DE SUPERFICE DE FILTRACIÓN FILTRACIÓN (filtros prensa, cartuchos, (filtros prensa, cartuchos, filtros pliegues filtros pliegues) ) 4. 4. VISCOSIDAD DEL FLUIDO VISCOSIDAD DEL FLUIDO < < η η AUMENTAR LA TEMPERATURA Y AUMENTAR LA TEMPERATURA Y DILUIR CON FLUIDOS DE BAJA DILUIR CON FLUIDOS DE BAJA VISCOSIDAD VISCOSIDAD > J > J
- 20. Características de los medios filtrantes Características de los medios filtrantes • • Elevado poder de Elevado poder de retención retención de partículas o de partículas o microorganismos microorganismos • • Gran Gran resistencia resistencia química y mecánica química y mecánica • • Facilidad de Facilidad de desprendimiento desprendimiento de la torta de la torta • • Máximo Máximo volumen filtrable volumen filtrable • • Elevado caudal Elevado caudal de filtración con de filtración con mínima mínima resistencia resistencia al flujo al flujo • • No exista extracción No exista extracción de ningún componente del de ningún componente del filtro filtro • • Escasa o nula capacidad de Escasa o nula capacidad de adsorción adsorción de de sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.) sustancias (macromoléculas, conservantes, etc.) FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 21. MATERIALES FILTRANTES MATERIALES FILTRANTES (1) (1) 1. Materiales filtrantes sueltos Algodón, lana de vidrio, pasta de celulosa, sílice, carbón vegetal • • Separación partículas grandes Separación partículas grandes • • Cesión de filamentos (filtrar varias veces) Cesión de filamentos (filtrar varias veces) 2. Materiales porosos Vidrio fritado: Metales sinterizados: Porcelana porosa y sílice Inercia química Inercia química, carga negativa , carga negativa Filtración de gases Filtración de gases FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N Filtración en profundidad Filtración en profundidad Filtración en profundidad Filtración en profundidad
- 22. 3. Tejidos y membranas (1) FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N • 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 FILTRANTES MATERIALES FILTRANTES (2) (2) 3.1. Fibras de celulosa:
- 23. 3. Tejidos y membranas (2) FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N MATERIALES FILTRANTES MATERIALES FILTRANTES (3) (3) • 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:
- 24. 3. Tejidos y membranas (3) 3.3. Fibra de vidrio: FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N MATERIALES FILTRANTES MATERIALES FILTRANTES (4) (4) • 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
- 25. 3. Tejidos y membranas (4) 3.3. Fibras sintéticas FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N MATERIALES FILTRANTES MATERIALES FILTRANTES (5) (5) • 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
- 26. FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N COADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN COADYUVANTES DE LA FILTRACIÓN • • Tierra de diatomeas Tierra de diatomeas • • Pulpa de celulosa Pulpa de celulosa • • Carbón activo Carbón activo • • Arcilla Arcilla • • Talco Talco Se incorporan al líquido a filtrar 1. Facilitan el depósito de impurezas 1. Facilitan el depósito de impurezas 2. Evitan el colmatado rápido 2. Evitan el colmatado rápido 3. Retienen por adsorción diversas impurezas 3. Retienen por adsorción diversas impurezas • Polvos insolubles e inertes • Capa de depósito pulverulento sobre filtro rígido que actúa como soporte • La tenuidad del polvo condiciona la porosidad • Tienen gran capacidad adsorbente: pueden retener fármacos disueltos pueden retener fármacos disueltos y colorantes y colorantes
- 27. DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN DISPOSITIVOS DE FILTRACIÓN 5. 5. Resistencia térmica Resistencia térmica: el filtro debe esterilizarse : el filtro debe esterilizarse 6. 6. El filtro debe ser El filtro debe ser compatible con el fluido compatible con el fluido: : Tablas de compatibilidad entre filtros y disolventes Tablas de compatibilidad entre filtros y disolventes CRITERIOS DE SELECCIÓN CRITERIOS DE SELECCIÓN 1. 1. Volumen de líquido a filtrar Volumen de líquido a filtrar: laboratorio o industrial : laboratorio o industrial 2. 2. Fuerza impulsora Fuerza impulsora: : gravedad, presión, vacío, f. centrífuga gravedad, presión, vacío, f. centrífuga 3. 3. Grado de separación Grado de separación: tamaño de poro : tamaño de poro 4. 4. Producto que se selecciona Producto que se selecciona: filtrado o torta : filtrado o torta 7. 7. Régimen de trabajo Régimen de trabajo: continuo o discontinuo : continuo o discontinuo FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 28. FILTROS PRENSA FILTROS PRENSA Gran superficie de filtración Gran superficie de filtración
- 29. DISCOS APILADOS DISCOS APILADOS Gran superficie de Gran superficie de filtración filtración
- 30. ROTARY DRUM ROTARY DRUM VACUUM FILTER VACUUM FILTER
- 31. DISCOS FILTRANTES DISCOS FILTRANTES DE MEMBRANAS DE MEMBRANAS PARA JERINGAS PARA JERINGAS
- 32. FILTRACIÓN DE GASES FILTRACIÓN DE GASES: OBJETIVOS : OBJETIVOS 1. Eliminar polvo o gérmenes 1. Eliminar polvo o gérmenes: : • •zonas asépticas (habitaciones o locales) zonas asépticas (habitaciones o locales) • •campanas de flujo laminar campanas 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 SINTERIZADO METAL SINTERIZADO • • TUBOS O MANGAS FILTRANTES TUBOS O MANGAS FILTRANTES FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 33. CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN 1) ENSAYO DE INTEGRIDAD: 1) ENSAYO DE INTEGRIDAD: • • Punto de burbuja Punto de burbuja - - Método simple y no destructivo Método simple y no destructivo - - Se utiliza en filtros de membrana Se 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 filtro filtro - - 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 fabricante especificado por el fabricante FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 34. 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 filtro filtro CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N
- 35. CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N 3) RESISTENCIA A LA COLMATACIÓN 3) 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 colmatarse filtrar antes de colmatarse - - Estima la duración de un filtro Estima 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 aplicada presión aplicada
- 36. CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N 4) ADSORCIÓN DE COMPONENETES DE 4) ADSORCIÓN DE COMPONENETES DE LA FORMULACIÓN LA FORMULACIÓN - - Principios activos, proteínas y conservantes Principios 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 hidrofóbicas hidrofóbicas - -Valoración de sustancias en el filtrado Valoración de sustancias en el filtrado
- 37. CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN CONTROLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN FILTRACI FILTRACIÓ ÓN N 5) EXTRAIBLES DE LA MEMBRANA 5) 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 HPLC agresivas) + valoración HPLC - - Control toxicológico en animales Control toxicológico en animales