martes, 17 de enero de 2012

Filtro de Membrana para el Vino



FILTRO DE MEMBRANA PARA EL VINO

Fuente: Tratado de Enología (Escrito por Jose Hidalgo Togores)
 

Este tipo de filtración de líquidos fue desarrollada en los Estados Unidos de América para potabilizar el agua con destino al consumo humano, utilizándose en los años sesenta para el embotellado de los vinos pobres en gérmenes, que a todos los efectos suponía una técnica de esterilización de los vinos, y sin los inconvenientes ofrecidos por otros sistemas como por ejemplo las derivadas del calentamiento.

La filtración amicróbica consiste en hacer pasar un líquido a través de una membrana porosa, donde por el efecto del tamizado quedan retenidas en su superficie los microorganismos: levaduras y bacterias de mayor tamaño que los poros de la membrana. Con este motivo es muy importante que los líquidos a filtrar lleguen al filtro lo más limpios posibles, y con un índice de colmatación adecuado. Para conseguirlo se pueden utilizar filtros de placas de abrillantamiento o esterilizantes, o mejor en la actualidad siendo sustituidas por cartuchos de prefiltración distintos a los cartuchos lenticulares .


CARTUCHOS DE PREFILTRACIÓN

Los materiales de filtración de estos cartuchos pueden estar compuestos de diversas sustancias: polipropileno, polipropileno-polietileno, fibra de vidrio, acetato de celulosa, y fibra de celulosa; distinguiéndose dos tipos de módulos: los primeros para filtración en profundidad comparable a las placas de filtración o a los cartuchos lenticulares, y los segundos equipados con membranas plegadas de prefiltración. Todos ellos se instalan dentro de una coraza perforada exterior de material plástico, formando un cartucho que puede ser instalado dentro de una campana o carcasa de filtración.

Los cartuchos de filtración en profundidad comprenden una sucesión de materiales de menor porosidad, oscilando desde las 5 a 20 μm en la entrada, y hasta 1 a 2 μm en la salida, alcanzando un caudal por módulo de 10 pulgadas de 300 a 500 litros por hora, bajo un diferencial de presión máximo de 4 a 5 bar.

Los cartuchos de membranas plegadas presentan una apariencia idéntica a los de filtración final, estando las membranas de filtración plegadas en sucesivas capas, alcanzando también una porosidad final de 1 a 2 μm, con un caudal por módulo de 10 pulgadas de 500 litros por hora, bajo una presión diferencial máxima de 5 bar.


MEMBRANAS Y CARTUCHOS DE FILTRACIÓN AMICRÓBICA

Las membranas utilizadas para la filtración amicróbica pueden ser de dos tipos, las primeras de tipo homogéneo fabricadas a partir de materiales, como: éster de celulosa, nylon, polisulfonato, acetato de celulosa, difluoruro de polivinilideno, etc., siendo disueltos en un solvente, depositando una capa delgada sobre una superficie plana, donde el solvente se evapora y resultando entonces una membrana de porosidad regular; siendo a continuación fijada sobre un soporte de celulosa también poroso para comunicarla una adecuada resistencia, reteniendo los microorganismos en superficie, así como también en profundidad. Las segundas son de tipo pantalla absoluta construidas generalmente a partir de una lámina de policarbonato, donde en primer lugar es bombardeada por iones gamma pesados, que abren microtrazas en el material, las cuales después de un ataque químico con una base fuerte originan un poro cilíndrico de unos 10 Anstrong de diámetro, reteniendo los microorganismos por el mecanismo de tamizado.

Las membranas de primera categoría o de policarbonato, presentan un espesor de unas 10 μm y una porosidad del orden del 15 %, mientras que el resto de membranas son de segunda categoría, con un espesor de 100 a 150 μm y una porosidad del 85 %. Estas membranas se instalan dentro de cartuchos cilíndricos, compuestos por una coraza exterior perforada de polipropileno, seguida de un cartón plegado protector de celulosa, otra membrana plegada de efecto prefiltro, otra membrana plegada de tipo amicróbico, seguida de otro cartón protector plegado, y por fin un refuerzo interior perforado de polipropileno. Las tapas de los extremos son de poliuretano, estando selladas al cartucho con el mismo material, y con juntas tóricas de silicona para adaptación a la carcasa. El sentido de filtración es de fuera hacia adentro, con dimensiones variables según firmas fabricantes, oscilando desde 24,4 mm o 10 pulgadas de altura y 76 mm de diámetro con una superficie filtrante de 0,4 m2 por cartucho, hasta 78 mm de altura y 76 mm de diámetro con una superficie filtrante de 1,4 m2 por cartucho.

Los cartuchos se instalan dentro de carcasas de filtración, pudiendo contener cada una de ellas desde una unidad, hasta un máximo de 12 cartuchos, ofreciendo entonces una importante superficie de filtración.

El diámetro de los poros de las membranas de filtración amicróbica, depende de los resultados a obtener, variando desde las 1,20 a 0,65 μm para retener a las levaduras, hasta las 0,45 μ m para las bacterias. Nunca es posible conseguir que todos los poros de una membrana presenten el mismo diámetro, pudiendo distribuirse de acuerdo con una “campana de Gauss”, donde su máximo ofrece el valor de la porosidad nominal y conviniendo además que ésta sea lo más estrecha posible. La porosidad nominal de un cartucho puede medirse mediante la determinación de la prueba del “índice de burbuja”.

                                  K . G . cos q

                        P  =  ------------------                     P:  presión del punto de burbuja.

                                           d                          G: tensión superficial.

                                                                       q:  ángulo de contacto líquido / sólido.

                                                                       d:  diámetro de los poros.

                                                                       K:  factor de corrección de forma.

La presión diferencial máxima (ΔP) oscila según fabricantes entre valores de 3,5 a 5,0 bar, aunque generalmente a partir de los 2,5 bar se detecta un efecto de colmatación del filtro, y su caudal se reduce de manera notable. En cuanto a los caudales de filtración dependen del tipo de membrana utilizado, del índice de colmatación del líquido a filtrar, así como también del nivel de presión aplicado, oscilando alrededor de 1.500 a 2.000 litros / hora y cartucho de 1,4 m2, alcanzando en condiciones normales un rendimiento de filtración hasta la colmatación de 80.000 a 300.000 litros / cartucho de 1,4 m2.

Al tratarse de un sistema de filtración pobre en gérmenes, nunca es posible obtener la total eliminación de los microorganismos de un vino, siendo admisibles los siguientes niveles, utilizando una membrana amicróbica de 0,45 μm de porosidad nominal, pudiéndose ser determinados con un sistema de control microbiano.

Vinos dulces: < 10 gérmenes / litro
Vinos secos: < 100 gérmenes / litro


FUNCIONAMIENTO DE UN FILTRO AMICRÓBICO DE MEMBRANA

La instalación de un sistema de filtración amicróbica por membrana comprende los siguientes elementos:

- Una bomba de circulación de líquido a filtrar, con caudal y presión constantes, que no produzca una emulsión con el aire, dotada de un variador de velocidad, y circuito de retorno con una válvula calibrada para una presión máxima establecida.

- Agua caliente a una temperatura de 80º a 90º C para la esterilización del filtro, y en una cantidad suficiente para su suministro durante al menos 30 minutos. Para ello puede utilizarse un depósito de volumen suficiente dotado de una resistencia eléctrica de calentamiento, o bien una caldera o calentador de agua para su suministro en continuo, y con un caudal de al menos un tercio del líquido a filtrar.

- Un filtro para el agua caliente de esterilización del circuito de filtración, situado antes de los prefiltros y filtros, compuesto por uno o varios cartuchos de filtración de al menos 1,2 μm, e instalado en la línea de tal manera que pueda ser independizado durante la filtración.

- Opcionalmente se puede instalar un prefiltro de cartucho o de tipo lenticular, colocándolo antes de los filtros amicróbicos, con objeto de reducir el índice de colmatación del producto a filtrar, aunque también se pueden utilizar de manera independiente un filtro de placas o similar y alojando el líquido prefiltrado en un depósito nodriza de la línea de embotellado.

- Dos o tres carcasas para alojar de forma independiente los correspondientes cartuchos de filtración amicróbica, secuenciados en diámetros de poro de 1,20 – 0,65 – 0,45 μm si fueran necesario, y en número acorde con el caudal de la instalación. Para la filtración de los vinos blancos se utiliza una membrana final de 0,45 μm, pasando previamente por otra de 1,20 μm y opcionalmente por otra de 0,65 μm, mientras que para la filtración de los vinos tintos se emplea una membrana final de 0,65 μm, pasando también previamente por otra de 1,2 μm. Cada carcasa lleva en su parte superior un manómetro para comprobar la presión de filtración dentro de la misma.

- El conjunto de estos elementos se suele instalar sobre una bandeja de acero inoxidable, estableciendo las conexiones entre ellos con tuberías fijas de acero inoxidable, así como su correspondiente valvulería, mediante diversos circuitos para poder trabajar de forma flexible e independiente según el grado de porosidad deseado.

Una vez montado el filtro, se suelen realizar dos pruebas para comprobar el adecuado funcionamiento del filtro, así como también asegurar el diámetro de poro empleado para la filtración:

- La prueba de estanqueidad permite comprobar la total hermeticidad del filtro, asegurando de este modo un correcto montaje y también la integridad de las membranas de filtración. En la carcasa a comprobar con sus cartuchos instalados se hace circular agua para mojar las membranas y llenar sus poros, vaciando a continuación el exceso de agua de la carcasa; cargando a continuación por la entrada con aire o nitrógeno a una determinada presión en función del tipo de poro, dejando la válvula de salida abierta, debiendo mantenerse la presión constante durante al menos 5 minutos.

Membrana (mm) Presión (bar)

                                   --------------------               -----------------

                                            0,45                            1,0

                                            0,65                            0,9

                                            1,20                            0,6

- La prueba del punto de burbuja se realiza de un modo similar a la anterior, pero sin vaciar de agua la carcasa, incrementando poco a poco la presión con aire o nitrógeno, hasta que se observa la salida de burbujas, estableciéndose una correlación entre la presión alcanzada y el tamaño de los poros de la membrana. Normalmente la presión de la prueba de estanqueidad es del 80 % de la del punto de burbuja.

Membrana (mm) Presión (bar)

                                   --------------------               -----------------

                                           0,45                              1,3

                                           0,65                              1,1

                                           1,20                              0,7

La esterilización del filtro debe ser realizada de forma obligatoria antes y después de realizar la filtración, es decir cuando se inicia o se termina la jornada de filtración. Para ello se hace pasar agua caliente algo acidulada a pH 5,0 generalmente con ácido cítrico, a una temperatura entre 80º a 90º C durante un tiempo de 20 a 30 minutos en continuo, contándolo desde el momento que en la salida del filtro se alcanzan estas temperaturas. El agua debe ser filtrada previamente para evitar la colmatación de los filtros amicróbicos, utilizando un caudal de al menos de un tercio del nominal, y dejando ligeramente abiertas todas las válvulas y purgas del filtro para su completa esterilización. En el caso de colocarse el filtro antes de una llenadora, también debe ser esterilizado el circuito de tubería hasta esta máquina, así como también ella misma en el depósito de acumulación y los caños de llenado.

La filtración se realiza a continuación haciendo pasar el líquido por el circuito establecido, debiendo rechazarse los primeros litros obtenidos por la importante cantidad de agua que contienen, y vigilando el incremento de presión a lo largo del período de filtración, donde un incremento demasiado brusco indicaría una anormal colmatación de las membranas, siendo a partir de los 2,5 a 3,0 bar de presión diferencial el límite práctico de la filtración. Como los cartuchos son capaces de filtrar una gran cantidad de litros, ocurre que terminada la jornada de filtración, éstos deben ser adecuadamente tratados para garantizar su esterilidad en los períodos de reposo, para lo cual, además de esterilizar la línea, también es conveniente llenarlos de un producto conservante, como una solución de anhídrido sulfuroso o un peróxido, que será eliminado al poner de nuevo en marcha la línea de filtración y hacer pasar de nuevo agua caliente.

Los cartuchos colmatados, algunos pueden ser regenerados siempre que sean capaces de soportar una presión de 1,0 a 2,5 bar en el sentido contrario a la filtración. La operación consiste en hacer pasar a contracorriente agua caliente a 55º C acidulada y previamente filtrada para evitar colmataciones. También se puede hacer con productos químicos, sumergiendo el cartucho en un baño alcalino al 2 a 3 % a una temperatura de 50º C, y luego a otro baño ácido al 1 a 2 % a una temperatura de 50º a 60º C.

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