Filtro de profundidad

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Los filtros de profundidad son la variedad de filtros que utilizan un medio de filtración poroso para retener partículas en todo el medio, en lugar de solo en la superficie del medio. Estos filtros se utilizan comúnmente cuando el fluido a filtrar contiene una alta carga de partículas porque, en comparación con otros tipos de filtros, pueden retener una gran masa de partículas antes de obstruirse. ^[1]

La filtración en profundidad tipificada por múltiples capas porosas con profundidad se utiliza para capturar los contaminantes sólidos de la fase líquida. ^[2]Debido a la naturaleza tortuosa y en forma de canal del medio de filtración, las partículas se retienen en todo el medio dentro de su estructura, a diferencia de en la superficie. Los filtros de profundidad presentan la ventaja adicional de que pueden alcanzar una gran cantidad de partículas sin comprometer la eficiencia de la separación. Los filtros de profundidad se caracterizan comúnmente por el filtro de arena y tienen la capacidad de usarse con tasas de filtrado sustancialmente más altas que en otros diseños. Son estas características las que han cimentado el uso y la popularidad de los filtros de profundidad como un medio eficaz para la separación. Con los avances continuos en las tecnologías de proceso, los diseños de filtros de profundidad se adaptan y mejoran continuamente para satisfacer las necesidades de la industria.

Diseños disponibles

Para adaptarse a la variedad de aplicaciones de los filtros de profundidad, se han implementado varios diseños dentro de la industria para garantizar procesos viables manteniendo el objetivo principal de los filtros de profundidad.

Diseño	Característica	Número de ciclos	Dimensiones	Aplicaciones industriales
Almohadillas y paneles (casetes)	Las hojas gruesas o las hojas más delgadas doblaron el material del filtro en forma rectangular. Empaquetado en un marco rectangular con una pared divisoria. [3]	Solo se utiliza para 1 o 2 ciclos de limpieza.	Disponible en 400, 1600 o 3600 cm 2 con un caudal de 75 l / h sobre cada pad y puede aumentar hasta 130 l / h mediante filtración de pulido. [4]	Alimentos y bebidas: jugos de frutas, refrescos Productos químicos: fabricación de pinturas, disolventes orgánicos, tintas Petróleo - Cera, queroseno Bodega, [5] cosméticos
Cartucho grueso [6]	Una sola pieza del material del filtro enrollada alrededor de un cilindro perforado, hecho de metal o plástico rígido, donde el fluido o gas con soluto fluye dentro del cilindro.	Una vez que el medio filtrante ha alcanzado su carga máxima de soluto, el cartucho se desecha. El retrolavado puede hacer que el filtro complete más ciclos de limpieza		Filtros de agua y piscinas para el hogar Separaciones industriales para combustibles de hidrocarburos [7]
Lecho profundo (filtro de arena) [8]	El medio filtrante tiene la solución en la parte superior y utiliza la gravedad para filtrar las partículas. Es el método de filtración más antiguo y sencillo.	Múltiples ciclos de filtrado y generalmente se limpia mediante inversión de flujo.	Tipos de lecho profundo Lento definido por el bajo caudal de agua (0,1–0,2 m / h), un tamaño de partícula más fino (0,35–0,5 mm) y tiene una profundidad de alrededor de 0,6–1,0 m. Rápido tiene un flujo más rápido (5 a 7 veces más rápido que lento) y partículas más gruesas (0,5 a 0,6 mm) y tiene una profundidad de aproximadamente 0,75 m de profundidad.	Agua potable, pulido posterior al tratamiento de aguas residuales, pretratamiento para desalación
Lenticular [9]	Diseño de disco apilado: sellos de compresión mecánicos (siete sellos por filtro de ocho celdas) entre los “bordes de cuchilla” de plástico y el medio filtrante.		Disco de 300 o 400 mm de diámetro	Productos fermentados

Aplicaciones de filtros de profundidad y ventajas

El uso de filtros de arena de lecho profundo como paso final en el tratamiento de agua potable municipal ha aumentado significativamente durante la última década, con aplicaciones que van desde la clarificación y procesamiento de agua potable hasta plantas de tratamiento de aguas residuales donde se requiere pulir las aguas residuales antes de ser pulidas. descargado. ^[10] La principal ventaja de la filtración profunda consiste en la capacidad de retener partículas a lo largo de los canales del medio, en lugar de simplemente en su superficie. Esto aumenta significativamente la capacidad de filtración del medio en comparación con otros tipos de procesos de filtración y permite filtrar partículas de diferentes tamaños en la matriz.

Los principales procesos de filtración de lecho profundo que se utilizan actualmente son la filtración directa y la filtración por floculación por contacto. La filtración directa implica un breve período de etapa de pre-floculación seguida del proceso de filtración. ^[11]En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la mayoría de los sólidos en suspensión y otros contaminantes se eliminan con éxito después de las etapas de tratamiento primario y secundario. Para eliminar los sólidos y compuestos orgánicos restantes de la corriente de aguas residuales, se utiliza el método de filtración directa con floculación previa. Dado que el proceso de separación de contaminantes tiene lugar en el medio filtrante, es necesario controlar periódicamente factores como el tiempo de floculación, la velocidad de filtración y la dosis de floculante, ya que pueden afectar directamente al tamaño de floculación producido. Esto es vital para el proceso a fin de evitar una posible obstrucción o bioabsorción del lecho del filtro.

Las ventajas asociadas con este proceso incluyen la capacidad de producir grandes floculantes, que luego se pueden filtrar. La otra ventaja del método de filtración en profundidad es la flexibilidad en la elección de la disposición del filtro, lo que permite obtener altas capacidades de almacenamiento de sólidos, manteniendo la tasa de consumo de energía dentro de un rango aceptable. ^[12] La desventaja de utilizar la filtración directa es que los microbios pueden crecer dentro de los canales del filtro y, por lo tanto, reproducirse a lo largo de largos períodos de funcionamiento. Esta reproducción de organismos dentro de la matriz del filtro puede resultar en la contaminación del filtrado.

La filtración en profundidad también se usa ampliamente para la clarificación de la clarificación de cultivos celulares. Los sistemas de cultivo celular pueden contener levaduras, bacterias y otras células contaminantes y, por lo tanto, una etapa de clarificación eficiente es vital para separar las células y otras materias coloidales para producir un sistema celular libre de partículas [9]. La mayoría de los filtros de profundidad utilizados en procesos farmacéuticos, como la recolección del sistema celular, están compuestos de fibras de celulosa y auxiliares de filtración. El diseño de flujo directo en los filtros de profundidad proporciona una solución económicamente adecuada al atrapar los contaminantes dentro del canal del filtro al tiempo que garantiza la máxima tasa de recuperación del producto. Las otras ventajas de este sistema incluyen sus bajos costos de energía, ya que las bombas utilizadas en los filtros de profundidad requieren una entrada de energía mínima debido a la pequeña presión dentro del sistema.La filtración en profundidad también es flexible en términos de poder escalar hacia arriba o hacia abajo el sistema mientras produce una alta tasa de rendimiento (> 95%).^[13]

Limitaciones de las filtraciones en profundidad sobre los procesos competitivos

Además de la filtración en profundidad, también se utilizan varios métodos de filtración por membrana para diferentes aplicaciones industriales, como la ósmosis inversa, la nanofiltración y la microfiltración. ^[14] Los procesos antes mencionados operan bajo el mismo principio, al rechazar contaminantes mayores que el tamaño del filtro. La principal característica que los distingue es su tamaño de poro efectivo. Por ejemplo, la microfiltración funciona permitiendo que las partículas grandes pasen a través del medio filtrante, mientras que la ósmosis inversa rechaza todas las partículas excepto las especies muy pequeñas. La mayoría de los filtros de membrana se pueden utilizar para la filtración final, mientras que los filtros de profundidad tienden a ser más efectivos cuando se usan en aplicaciones de clarificación, ^[15] por tanto, una combinación de los dos procesos puede proporcionar un sistema de filtración adecuado, que puede adaptarse a muchas aplicaciones.

Evaluación de las principales características del proceso

Las características del proceso, como la tasa de filtración y los medios filtrantes, son consideraciones de diseño importantes y tienen un gran impacto en el rendimiento del filtro, por lo que es necesario un seguimiento y una evaluación continuos para garantizar un mayor control sobre la calidad del proceso.

Caudal tratado

El caudal se define como la relación entre la fuerza impulsora y la resistencia del filtro. Los dos tipos convencionales de diseños de filtros de profundidad: los filtros rápidos y lentos funcionan con velocidades de 5 a 15 m / hy de 0,1 a 0,2 m / h, respectivamente; ^[dieciséis]mientras que los filtros de arena presurizados tienen caudales de diseño de 238 L / min [14]. Durante el funcionamiento, la tasa de filtrado disminuye debido al aumento de la resistencia del filtro a medida que las partículas se alojan dentro del medio. La tasa de filtración afecta la tasa de obstrucción con tasas de filtrado altas que provocan una acumulación más rápida. Las pruebas piloto demuestran que cuanto mayor es la tasa de filtrado, menor es el área de filtrado, mientras que al aumentar la tasa de filtrado se reduce el tiempo de avance, se reduce el tiempo de pérdida de carga (aumenta la pérdida de carga) y se obtienen recorridos más cortos y profundidades óptimas más bajas. También demuestran que se pueden lograr tasas de filtrado más altas mediante el uso de medios de mayor diámetro y una mayor profundidad de los medios. Las tasas de filtración altas dependen del diseño del medio con el diseño de tasa de filtración más alta en servicio a 13,5 gpm / pie2. ^[17]

Retrolavado en filtros de profundidad

El retrolavado es una operación importante empleada para eliminar los sólidos filtrados, ya que esta acumulación hace que la resistencia a la filtración aumente con el tiempo. El lavado a contracorriente implica invertir la dirección del flujo de líquido mientras se usa líquido limpio. ^[18] Este proceso se emplea durante tiempos en el rango de 5 a 15 minutos con caudales típicos por unidad de área en el rango de 6,8 a 13,6 L / m2.s. ^[19]La mayoría de los diseños suelen emplear el lavado a contracorriente una vez al día de funcionamiento. El funcionamiento de los filtros de profundidad es intrínsecamente cíclico debido a la necesidad de eliminación de sólidos acumulados durante el proceso, ya que estas dos o más unidades se utilizan típicamente para que el retrolavado no interfiera con la filtración. El retrolavado efectivo ocurre cuando el medio filtrante está fluidizado. Las tasas de flujo de fluidización generalmente caen en el rango de 20 a 50 gpm / pie2. ^[20]

Eficiencias de separación

Se ha informado que las tasas de eliminación de los filtros de arena presurizados con medios típicamente en el rango de 0,3 a 0,5 mm son 95 de partículas tan pequeñas como 6 µm con un tamaño de medio de 0,3 mm y una tasa de eliminación del 95% de partículas tan pequeñas como 15 µm para soportes de 0,5 mm. ^[21]

Medios de filtrado

Existe una variedad de medios filtrantes que se pueden emplear en procesos de filtración en profundidad, siendo el más común la arena. La elección del medio filtrante tiene efectos sobre la velocidad del filtro, la turbidez y el área de la superficie del filtro. La pérdida de carga del lecho limpio (caída de presión) es sensible al diámetro del medio donde el aumento del diámetro del medio da como resultado un mayor tiempo para diseñar la pérdida de carga. ^[22] Sin embargo, aumentar el diámetro del medio y la velocidad del filtro da como resultado la degradación de la turbidez del efluente. ^[23] Para compensar, se puede aumentar la profundidad del medio para reducir los efectos sobre la turbidez del efluente. El valor máximo de la profundidad del medio utilizado en los diseños hasta ahora para la filtración de alta velocidad es de 100 pulgadas, mientras que el tamaño máximo del medio utilizado en los pilotos es de 2 mm de diámetro. ^[24] La arena, la magnetita, el coque y la antracita son los medios de partículas más utilizados en la industria, en particular por su amplia disponibilidad.

Tabla [1] Características de proceso / diseño de lechos filtrantes monomedios para tratamiento de aguas residuales (lecho profundo): ^[25]

Característica	Rango de parámetros	Comúnmente empleado valores paramétricos
Tipo de medio: Arena
Profundidad del soporte (cm)	90-180	120
Tamaño efectivo (mm)	2-3	2.5
Tasa de filtración m / h	5-24	12
Tipo de soporte: Antracita
Profundidad del soporte (cm)	90-215	150
Tamaño efectivo (mm)	2-4	2,75
Tasa de filtración m / h	5-24	12

Tabla [2] Parámetros de diseño para filtros de profundidad de presión: ^[26]

Tamaño efectivo de los medios (mm)	Tasa de filtración m / h
0,35	25-35
0,55	40-50
0,75	55-70
0,95	70-90

Diseño heurístico

La filtración en profundidad se puede utilizar en el pretratamiento, eliminando partículas suspendidas de un fluido portador destinado a ser utilizado como corriente de alimentación o en el contexto de clarificación donde las partículas se eliminan para purificar una corriente de producto.

Se adoptan varias heurísticas en el diseño de filtros de profundidad para garantizar un funcionamiento constante durante la vida útil del filtro.

Medios filtrantes y retención de partículas

La relación entre la retención y el tamaño de las partículas no es una función escalonada. El medio filtrante retiene fácilmente las partículas más grandes; sin embargo, las partículas que se encuentran dentro del rango intermedio entre la partícula nominal y los componentes de desecho son más difíciles de conservar y, como resultado, a menudo se pierden como componente de desecho.

Para maximizar el paso de retención para una variedad de tamaños de partículas, el medio filtrante se coloca en capas de tal manera que las secciones con un tamaño de poro más alto estén más cerca de la corriente de entrada, capturando partículas de un tamaño mayor. El tamaño de los poros disminuye a medida que se acerca a la corriente de salida. Al adoptar este método, el medio filtrante se adapta a una gama más amplia de tamaños de partículas, lo que da como resultado un mayor control de la retención y prolonga la vida útil del filtro ^[27].

Selección de medios de filtrado

La selección del filtro depende de una serie de variables como la carga, duración, forma, tamaño y distribución de la sustancia que se desea filtrar. Idealmente, si el medio es demasiado grande, el filtrado será de mala calidad ya que no podrá recoger partículas dentro de su matriz. Por el contrario, si el medio es muy pequeño, los sólidos se acumularán en la superficie del cartucho causando obstrucciones casi inmediatas. Con respecto a la forma, los granos que son de forma redonda tienen la tendencia a erosionarse debido a la presión que la corriente de entrada puede tener sobre el sistema, mientras que los granos que son planos (pueden aumentar el área de superficie), sin embargo, pueden flotar fuera del sistema durante el retrolavado. . A menudo se recomienda el uso como medio de partículas de partículas que son altas en la escala de dureza de Moh y tienen un peso específico relativamente grande.Cuanto más suave y ligero es el material, más susceptible es a la erosión y la fluidización. Por lo tanto, a menudo se utilizan partículas como la sílice y la arena, ya que son asequibles, sin embargo, son resistentes a los altos flujos del fluido entrante. El coeficiente de uniformidad es una medida de la uniformidad del material utilizado dentro del filtro. Es una proporción de un poro de tamiz que permite el paso del 60% del material en comparación con un tamaño de poro que permite el paso del 10% del material. Cuanto más cercana sea la relación a uno, significa que más cerca están las partículas en tamaño. Un sistema ideal tendría un coeficiente entre 1.3 y 1.5 y no debe exceder de 1.7. Cualquier valor menor a 1.3 es una indicación de que es innecesario para el sistema y puede resultar en costos más altos sin proporcionar ninguna forma adicional de optimización. Más allá de 1.5 indica que el sistema puede experimentar una mayor caída de presión y, como se mencionó, puede provocar obstrucciones, filtraciones de flujo de desechos y una tasa de filtración reducida.^[28] Como pauta, se recomienda que las partículas más pequeñas utilizadas dentro de los filtros de profundidad se coloquen al menos a 150 mm de la corriente de salida para evitar la fluidización. ^[29]

Operación sin salida de filtros de profundidad

Partículas (puntos negros) atrapadas dentro del medio filtrante (espacios marrones). Los espacios en blanco, que son más pequeños en términos de tamaño que el medio filtrante, proporcionan un paso estrecho para que pase la corriente de líquido.

Los filtros de profundidad se operan en el contexto de los filtros sin salida. Dicho esto, la velocidad de la corriente de entrada es crucial para el rendimiento del filtro. Las corrientes de entrada de alta velocidad con partículas relativamente grandes causarán una posible obstrucción y desgaste del medio filtrante. Esto provocará un aumento en la caída de presión del sistema. En situaciones en las que el medio filtrante está obstruido y la caída de presión aumenta continuamente, es común que las partículas de desecho y las corrientes se filtren a través de las zonas dentro del cartucho y pasen por la corriente de salida, lo que no producirá purificación.

Para minimizar los efectos de la obstrucción y la acumulación de partículas, un sistema de retrolavado debe acomodar aproximadamente del 1 al 5% del flujo a granel como retrolavado, operando a aproximadamente 6-8 bar. Más allá de este rango, las partículas pueden fragmentarse, lo que dificulta su eliminación del sistema y puede causar la fluidización del sistema. ^[30]

Sistemas de postratamiento y producción de flujo de residuos

El objetivo principal de un filtro de profundidad es actuar como clarificador, separando los sólidos suspendidos de una corriente líquida de flujo a granel y, como resultado, se emplea en la etapa final de un proceso de separación. Por convención, los filtros de profundidad consisten en una sola corriente de salida de un líquido purificado que retiene las partículas de desecho dentro de su sistema. Debido a su longitud, tiene una mayor capacidad de retención de residuos que los filtros estándar. En términos de una corriente residual, a menudo la corriente de salida puede reciclarse en un filtro posterior para garantizar que la corriente esté libre de partículas. También se puede producir una corriente de desechos cuando se limpia el medio filtrante cuando el agua pasa en la dirección opuesta, los residuos atrapados dentro del medio filtrante o las partículas del medio que se han desplazado pueden emerger de la unidad antes de que se elimine adecuadamente. ^[31]

Nuevos desarrollos

Con los avances continuos en las tecnologías de proceso, los filtros de profundidad se han modificado para mejorar su viabilidad dentro de una variedad de sectores industriales.

Diseño	Característica	Mejora	Industria
Vaina lenticular	La filtración se logra mediante fuerzas, como la gravedad y la presión del agua, que actúan sobre los sellos del borde de la cuchilla, comprimiendo el material del filtro y filtrando el líquido.	Escale el producto conectando 1-5 o 5-30 Pods en un solo soporte Aumenta el rendimiento de volumen en un 40-70% en comparación con el disco lenticular convencional. Área de filtrado disponible en 0,11, 0,55 y 1,1 m2 La capacidad de probar la integridad del filtro que no se puede probar con el lenticular convencional.	Sector farmacéutico: separación de organismos celulares de líquidos.
Filtros continuos de lecho profundo	Aplicar una filtración rápida de arena y capturar el sólido sucio con el material del filtro. Un chorro de aire lleva el medio filtrante con el sólido a una zona de lavado por encima del filtro y se separa. El material de filtro limpio se vuelve a añadir al filtro de lecho profundo.	Los flujos de agua y sólidos son a contracorriente, lo que aumenta la eliminación de sólidos.	Tratamiento de agua: técnicas de separación mejoradas durante el pretratamiento.

Referencias

1. Shukla, AA y Kandula, JR, 2008, Cosecha y recuperación de anticuerpos monoclonales de cultivo de células de mamíferos a gran escala. BioPharm International, mayo de 2008, p. 34-45.
2. Derek B Purchas y Ken Sutherland, Manual de medios filtrantes (2ª edición), Tecnología avanzada de Elsevier (2002).
3. Kenneth S Sutherland, 2008. Filtros y manual de filtración, quinta edición. Quinta edición. Ciencia de Elsevier.
4. Mervyn Smyth, 2011. Energía solar en la industria vitivinícola (tecnología y energía verde). Edición 2011. Saltador.
5. Mervyn Smyth, 2011. Energía solar en la industria vitivinícola (tecnología y energía verde). Edición 2011. Saltador.
6. T. Christopher Dickenson, 1998. Manual de filtros y filtración, cuarta edición, cuarta edición. Ciencia de Elsevier.
7. Irwin M. Hutten, 2007. Manual de medios filtrantes no tejidos. 1 edición. Ciencia de Elsevier.
8. Kenneth S Sutherland, 2008. Filtros y manual de filtración, quinta edición. Quinta edición. Ciencia de Elsevier.
9. Mervyn Smyth, 2011. Energía solar en la industria vitivinícola (tecnología y energía verde). Edición de 2011.Springer.
10. Derek B Purchas y Ken Sutherland, Manual de medios filtrantes (2ª edición), Tecnología avanzada de Elsevier (2002).
11. Ben Aim R., Shanoun A., Visvanathan C. y Vigneswaran S. (1993). Nuevos medios de filtración y su uso en el tratamiento de aguas. Actas, Congreso Mundial de Filtración, Nagoya, 273–276
12. Derek B Purchas y Ken Sutherland, Manual de medios filtrantes (2ª edición), Tecnología avanzada de Elsevier (2002).
13. Thomas P.O'brien, gran escala, uso único de sistemas de filtración en profundidad para la clarificación de cultivos de células de mamíferos, 2012
14. Syed A. Hashsham, Filtración de membrana sin salida, Estudios de viabilidad de laboratorio en Ingeniería ambiental, 2006
15. MANUAL DE GUÍA DE FILTRACIÓN DE MEMBRANAS, Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, 2005
16. Sutherland, K. 2009, 23/03/2009-última actualización, descripción general de la filtración: una mirada más cercana a la filtración en profundidad. Disponible: http://www.filtsep.com/view/841/filtration-overview-a-closer-look-at-depth-filtration/ [2013, 10/9].
17. Trussell, RR 2004, Filtros de lecho profundo y servicio de alta tasa, conferencia edn, Asociación de obras hidráulicas de California Nevada Section-American, Sacramento.
18. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
19. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
20. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
21. Lekang, O. 2013, "Filtración en profundidad: filtros de medio granular" en Aquaculture Engineering, 2ª ed., Wiley-Blackwell, West Sussex, págs. 58-59-60.
22. Trussell, RR 2004, Filtros de lecho profundo y servicio de alta tasa, conferencia edn, Asociación de obras hidráulicas de California Nevada Section-American, Sacramento.
23. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
24. Trussell, RR 2004, Filtros de lecho profundo y servicio de alta tasa, conferencia edn, Asociación de obras hidráulicas de California Nevada Section-American, Sacramento.
25. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
26. Armenante, P. Filtración de profundidad (o lecho profundo), conferencia edn, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Nueva Jersey.
27. Li, Y. 2008, "Consideración del diseño del filtro" en Aplicaciones microelectrónicas de polarización mecánica química, ed. Y. Li, 1ª ed., John Wiley & Sons, Nueva Jersey, págs. 588-589-560.
28. Vesilind, A. 2003, "Procesos químicos y físicos, selección de medios y características" en Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales, ed. A. Vesilind, 1ª ed., Water Environment Federation, Cornwall, págs. 10.6-10.61-10.65.
29. Vesilind, A. 2003, "Procesos químicos y físicos, selección de medios y características" en Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales, ed. A. Vesilind, 1ª ed., Water Environment Federation, Cornwall, págs. 10.6-10.61-10.65.
30. Lekang, O.2013, "Filtración en profundidad: filtros de medio granular" en Aquaculture Engineering, 2ª ed., Wiley-Blackwell, West Sussex, págs. 58-59-60
31. Sutherland, K. 2009, 23/03/2009-última actualización, descripción general de la filtración: una mirada más cercana a la filtración en profundidad. Disponible: http://www.filtsep.com/view/841/filtration-overview-a-closer-look-at-depth-filtration/ [2013, 10/9].