viernes, 27 de enero de 2012

Filtración Tangencial del Vino


FILTRACIÓN TANGENCIAL DEL VINO

La filtración tangencial es un procedimiento que se empezó a aplicar en la enología a principios de los años ochenta, donde la filosofía de la filtración o de la separación de sólidos o sustancias cambia respecto de los sistemas tradicionales, pudiendo permitirse una amplia gama de prestaciones, que abarcan desde una simple retención de turbios y de microorganismos, hasta llegar a una ósmosis inversa donde se llegan a separar los solutos de las soluciones moleculares, simplemente utilizando en el equipo una membrana de porosidad adecuada, y además sin que ésta llegue a colmatarse, por muy turbio que el líquido a tratar acceda a la instalación . La aplicación de esta técnica supone una revolución para la industria alimentaria, aunque sus resultados no han sido todo lo satisfactorios que cabía pensar en filtraciones más cerradas que las de tipo amicróbico, ya que a partir de este nivel se retienen componentes cualitativos de gran interés en los vinos.

El fundamento de la filtración tangencial se basa en una técnica separativa, que actúa haciendo circular el líquido a filtrar en sentido tangencial o paralelo a la membrana de filtración, penetrando éste en sentido perpendicular al anterior, y a diferencia del sistema tradicional de filtración, donde el sentido del flujo del líquido a filtrar y el de la filtración coinciden ambos en el sentido perpendicular a la membrana. Con este mecanismo se consigue que el retenido o las partículas retenidas, sean barridas de la superficie de la membrana, y por lo tanto impidiendo la colmatación de la misma, debido a la velocidad de circulación de unos 5 metros / segundo y la presión del líquido entre 5 a 10 bar. En la mayor parte de los casos se trabaja en circuito cerrado, donde el líquido a filtrar se concentra progresivamente, debiendo extraerse éste con cierta periodicidad, y  además refrigerar el líquido en circulación, porque sube de temperatura por el rozamiento provocado la velocidad.

En esta filtración se produce por lo tanto una diferencia de presión entre la entrada (P1) y salida del filtro (P2), llamándose “presión transmembranar media (PTM)”

El flujo se incrementa linealmente en función de la presión transmembranar media, debido a que estos valores de resistencias son constantes, pero a partir de un cierto valor de la presión se forma por la polarización una capa de gel, que disminuye notablemente el flujo de permeación.

TIPOS DE MEMBRANAS Y SU CARACTERIZACIÓN

Las membranas de la filtración tangencial presentan un marcado mecanismo de retención por acción de tamizado, por diferencia de tamaño de sus poros, aunque también puede existir una cierta retención en su interior por adsorción, que con el tiempo pueden llegar a llegar a colmatarlas. De tal forma que estas membranas deben responder a las siguientes exigencias: eficacia de separación mediante una porosidad regular y conocida, elevado rendimiento de permeación, y elevada resistencia mecánica, química y térmica, que permita proceder a su limpieza y esterilización periódica. En consecuencia, conviene que las membranas posean una capa superficial o “piel” lo más fina posible, con objeto de presentar un marcado efecto de tamizado en su superficie, ofreciendo el resto de la membrana una mera función de soporte, y por lo tanto con un poro más abierto, que impida el efecto de adsorción en profundidad y la consecuente colmatación.

Las membranas se clasifican en tres grupos:

- Membranas homogéneas, donde los poros presentan el mismo diámetro en todo su recorrido, por lo que no son muy utilizados en la filtración tangencial.

- Membranas asimétricas o anisótropas, donde los poros aumentan de diámetro progresivamente hacia el interior, estando compuestas generalmente de compuestos de tipo orgánico, como: acetato de celulosa, polisulfona, poliamida, poliacrilonitrilo, poliéster sulfona, polivinilideno, etc.

- Membranas compuestas, estando formadas por un soporte muy permeable generalmente de tipo cerámico, sobre el que se coloca una “piel” filtrante de tipo orgánico o más frecuentemente de tipo mineral. Las membranas minerales se construyen depositando sobre el soporte una suspensión pulvurulenta estable de diferentes minerales, que al ser sometidos a un calentamiento se solidifican formando una membrana de diferente grado de porosidad. Los minerales más utilizados son los siguientes:

Cerámica / metal
Carbono / carbono
Zirconio / acero inoxidable
Alúmina / alúmina
Oxido de titanio / alúmina
Sílice / alúmina
Zirconio / carbono
Corindón / titanio

Las membranas orgánicas se obturan con mayor rapidez que las minerales, no permitiendo trabajar con líquidos muy cargados de sólidos, mientras que las minerales pueden filtrar líquidos más turbios. Por otra parte, el proceso de limpieza de las membranas se hace con más facilidad en las segundas, donde el proceso de descolmatado se puede realizar a contracorriente a presiones más elevadas entre 15 a 20 bar. Las membranas orgánicas solamente pueden trabajar a presiones reducidas de hasta 3 bar, mientras que las minerales pueden hacerlo hasta cerca de los 100 bar en casos excepcionales. También es aconsejable para las membranas orgánicas, realizar un prefiltrado con un sistema convencional, antes de filtrar con el equipo tangencial.

La caracterización de las membranas se hace mediante la determinación de tres parámetros: coeficiente de permeabilidad hidráulica (Lp), tasa de rechazo (TR), y el umbral de corte.

- Coeficiente de permeabilidad hidráulica (LP). Basado en la ecuación de la filtración.
      
- Tasa de rechazo (TR). Es la capacidad de una membrana para impedir el paso a una partícula de determinado tamaño.

- Umbral de corte. Este parámetro define la masa molecular más pequeña retenida en su totalidad.

CONFIGURACIÓN DE LOS FILTROS TANGENCIALES

Los filtros tangenciales están compuestos por uno o varios elementos de filtración, que se denominan “módulos”, donde se utilizan distintas configuraciones y tipos de membrana de filtración, todos ellos acordes con el producto a filtrar y según los resultados a obtener. Además la instalación contiene los siguientes elementos: un depósito de alimentación de producto a filtrar, una bomba de alimentación de baja presión, una bomba de circulación de velocidad variable entre 2 a 5 metros / segundo, un equipo de refrigeración para reducir la temperatura del líquido a filtrar por debajo de los 25º C, conducciones y valvulería, así como diferentes equipos de control para el manejo automático de la instalación, como: presostatos, caudalímetros, sondas de temperatura, viscosímetros, etc.

Los criterios de selección de una instalación se refieren a la evaluación de los siguientes parámetros:

- Facilidad de limpieza.
 -Minimización de los fenómenos de polarización.
- Facilidad de desmontaje fácil y sustitución de los módulos defectuosos.
- Control de la temperatura.
- Superficie de la membrana en relación con el caudal de la instalación.
- Especificidad del producto a tratar.

Los tipos de módulos de filtración tangencial más utilizados son los siguientes:

- Módulos planos. Son generalmente membranas planas y rectangulares, instaladas de manera similar a un filtro de placas en forma de casette, donde el fluido a tratar es distribuido por unas placas separadoras hacia las membranas, y de ellas se recoge el permeado. Su estructura acanalada o enrejillada interior, favorece la filtración por las turbulencias que se producen.

Estos módulos presentan una buena relación superficie / volumen, siendo además muy manejables y fáciles de sustituir, pero no se adaptan bien a los líquidos muy cargados y además son relativamente difíciles de limpiar.

- Modulos capilares o de fibra hueca. Tienen forma de cilindro en cuyo interior se instala un haz de fibras huecas, cuyos extremos están alojados en los cabezales colectores del cartucho. El líquido a filtrar entra por un extremo del cilindro y sale por la otra parte, atravesando en su camino las fibras huecas, donde se produce la filtración atravesando las paredes de dichas fibras, y por lo tanto saliendo el permeado por un colector lateral del cartucho. Cada fibra hueca puede presentar un diámetro interior entre 1 a 15 mm, ofreciendo una gran superficie de filtración, aunque son de mayor fragilidad que otros sistemas, pues la rotura de una sola fibra ocasiona la inutilización del cartucho, y además su limpieza es bastante delicada.

- Módulos capilares en espiral. Están formados por un enrollamiento sobre un eje central, de un módulo plano de gran extensión, tomando el conjunto un aspecto exterior cilíndrico, donde por un extremo entra el líquido a filtrar, saliendo por el otro lado el producto filtrado y por el tubo central. Estos equipos se utilizan en enología con poca frecuencia, debido a las grandes dificultades de limpieza que ofrecen.

- Módulos cerámicos. Están formados por una estructura cerámica de alta resistencia, donde en su interior se encuentra un haz de canales de unos 4 mm de diámetro, por donde circula el líquido a filtrar, saliendo el permeado a través del material cerámico. Estos equipos se utilizan para filtraciones de altas presiones de 100 bar como máximo, y donde se requiere una sólida estructura de filtración.

El funcionamiento de los filtros tangenciales puede ser de tipo discontinuo o en “batch”, donde el retenido retorna al depósito de alimentación, hasta que llega a concentrase de tal manera, que es preciso interrumpir la filtración para vaciarlo y llenarlo de nuevo con un nuevo producto a tratar, para iniciar un nuevo ciclo de filtración. En otras ocasiones el funcionamiento es de tipo continuo, donde se extrae permanentemente una fracción del retenido, para ser reemplazada por nuevo líquido a tratar, existiendo dentro de este tipo varios sistemas: sin recirculación, con recirculación, y de varias etapas.

En unas ocasiones es interesante el aprovechamiento del permeado, como en los casos de las filtraciones de desbaste, abrillantamiento o amicróbica de los vinos, pero en otros casos lo puede ser el retenido, con el caso de la concentración de un mosto, donde el agua se elimina en el permeado y el mosto concentrado permanece en el retenido.

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