La purificación industrial de productos naturales combina operaciones de separación, filtración, adsorción, extracción y tecnologías de membrana para eliminar sólidos, microorganismos, sales, compuestos responsables del color y el olor, restos de disolventes y otras impurezas, preservando al mismo tiempo las cualidades del producto de interés.
La elección del método depende de la naturaleza y composición de la materia prima, del tamaño de las partículas, de la pureza exigida, del volumen de producción, de la sensibilidad del producto a la temperatura y de las condiciones operativas del proceso.
Qué implica la purificación industrial de productos naturales
La filtración industrial es un proceso esencial en la separación y purificación de fluidos mediante la eliminación de contaminantes sólidos, líquidos o gaseosos. Este proceso es fundamental para garantizar la calidad del producto y proteger equipos sensibles en sectores como la industria alimentaria, farmacéutica, química, y de generación de energía.
Los sistemas de filtración utilizan medios como membranas, téjidos o materiales absorbentes para retener partículas no deseadas. La elección del filtro depende de factores como el tamaño de las partículas, el tipo de fluido y las condiciones operativas.
La finalidad de la filtración es retener los cuerpos en suspensión contenidos en un líquido así como la adsorción de contaminantes disueltos en medios filtrantes activos. La elección del sistema adoptado dependerá de la exigencia en la pureza del producto final y de la naturaleza y composición de los elementos intervinientes.
La Industria química fina y la farmacéutica siguen siendo los referentes en la implementación de estrictos criterios de calidad de todos sus procesos. Esto les permite garantizar elevados niveles de pureza en sus productos finales, como exige la normativa que regula esta actividad.
La filtración, como uno de los principales pasos purificadores, es uno de los puntos más críticos y relevantes del procesado químico industrial aplicado en la química fina y la industria farmacéutica. Su eficacia determinará la correcta separación de contaminantes, estabilización y pureza del elaborado.
Materias primas y productos naturales tratados
El grupo dispone de una amplia experiencia en el estudio de procesos que utilizan fluidos supercríticos como disolventes para extraer o impregnar componentes de interés (industrial, agroalimentario, farmacéutico, etc.)
A partir de cualquier materia prima, sólida o líquida, de forma eficiente, sin restos de disolvente en el producto final y sin alteración de sus cualidades naturales y su precipitación y encapsulación, como nanopartículas, en polímeros biocompatibles.
Ejemplos de materias primas (y productos obtenidos): orujo (antocianos, licopeno, resveratrol), semillas de uva (aceite), borraja (aceite), girasol (herbicidas y aceite), germen de trigo (aceite, tocoferoles), soja (aceite), microalgas (clorofila, carotenos), etc.
Principales etapas de purificación
Pretratamiento y eliminación de sólidos
La filtración tiene amplias aplicaciones, como la purificación de agua potable, el tratamiento de aguas residuales, la eliminación de impurezas en procesos químicos y sistemas hidráulicos, y la clarificación de productos finales como bebidas o aceites.
Los mecanismos más comunes incluyen la filtración superficial y profunda, así como la filtración por membranas para partículas más finas.
La filtración por superficie retiene las partículas en la superficie del medio filtrante. Es ideal para separar partículas de mayor tamaño y mantener un flujo uniforme, como en filtros de téjido metálico.
La filtración por profundidad retiene partículas dentro de la matriz del medio filtrante, adecuada para fluidos con contaminantes finos y dispersos.
La filtración en precapa genera una “torta de filtración” de contaminantes sobre el filtro, aumentando la eficacia con el tiempo. Es común en procesos con alta carga de sólidos.
Filtración según el tamaño de partícula
Atendiendo al tamaño de partícula a retener, la filtración puede dividirse en grosera (de 10-200 micras), media (de 1 a 10 micras) y fina (menos de 1 micra).
| Tipo de filtración | Características | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Grosera | Mediante bolsas o cartuchos filtrantes de poros nominales para controles de calidad poco exigentes. | Desbastado, retención de sólidos suspendidos visibles, filtraciones de seguridad. |
| Media | Mediante bolsas absolutas de muchas capas o cartuchos de alta eficacia. | Controles de calidad de mayor exigencia, filtraciones de seguridad antes de cristalizador y después de procesos de los que puedan escapar finos. |
| Fina | Mediante cartuchos filtrantes absolutos. | Filtración esterilizante antes de envasado, antes de cristalizado y venteos esterilizantes. |
Según la técnica mediante la que se elimina el contaminante, podemos hablar de filtros activos e inertes. Según la tecnología podemos hablar de filtración transversal, filtración tangencial y ósmosis inversa.
Filtros activos e inertes
Los filtros activos son aquellos medios filtrantes que tienen modificadas sus propiedades para la retención selectiva de contaminantes (por adsorción). Incluyen bolsas filtrantes con imanes, cartuchos con carbón activo y cartuchos con carga positiva.
Sus aplicaciones incluyen la decoloración y la limpieza de caldos de fermentación.
Los filtros inertes utilizan medios filtrantes de polipropileno, nylon, PES, PTFE, etc. Se destinan a filtraciones de seguridad o esterilizantes.
Filtración transversal y tangencial
La filtración transversal, ortogonal o dead end, se realiza mediante cartuchos y bolsas filtrantes.
La filtración tangencial utiliza membranas semipermeables en las que el flujo discurre tangencial al medio filtrante. Según el tamaño de poro puede ser a su vez microfiltración, cuando el tamaño de poro se expresa en micras; o ultrafiltración, cuando el tamaño de poro se expresa en peso molecular (de la molécula a rechazar o concentrar).
La filtración tangencial se utiliza para la clarificación de disoluciones y la concentración de moléculas.
Filtración por membranas
La filtración por membranas utiliza barreras semipermeables para separar partículas ultrafinas y microorganismos. Este método incluye microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa.
Ultrafiltración
La ultrafiltración (UF) es un proceso de filtración por membrana similar a la Ósmosis Inversa, que utiliza la presión para forzar el paso del agua a través de una membrana semipermeable.
El tamaño de las partículas que retiene la membrana de ultrafiltración suele ser de 0.01 a 0.1 micras.
La ultrafiltración elimina endotoxinas, plásticos, proteínas y virus.
La calidad del agua es buena y constante en términos de eliminación de partículas y microbios. El tamaño de las membranas de ultrafiltración es reducido y el volumen de agua que pueden purificar suele ser mayor al de la ósmosis inversa.
Entre sus ventajas se encuentran la automatización simple, el carácter amigable con el medio ambiente y la idoneidad para aplicaciones sensibles a la temperatura. Las membranas vienen en diferentes tamaños y micrajes.
Los contaminantes solubles no se eliminan. La ultrafiltración no cambia el olor del agua.
Ósmosis inversa
La ósmosis inversa utiliza membranas semipermeables de muy pequeño tamaño de poro de modo que son capaces de excluir los iones.
Su aplicación principal es la desmineralización de agua u otras soluciones.
Estos sistemas utilizan una membrana semipermeable para eliminar hasta el 99% de impurezas disueltas en el agua, se utilizan cuando hay presencia alta de metales pesados, sales, nitratos, sulfatos, aluminio, etc.
Son altamente eficaces cuando la composición del agua indica este tipo de contaminación.
Adsorción con carbón activado
En forma granular, el carbón activado contribuye a absorber compuestos orgánicos que pueden producir olor, sabor o color al agua. Los diminutos desechos sólidos se adhieren al carbón.
Una solución de carbón activado correctamente diseñada e implementada es altamente eficaz para cumplir con los exigentes estándares de pureza industrial, adsorbiendo y eliminando una amplia gama de impurezas traza, productos químicos orgánicos específicos, color u olor no deseados, o simplemente como un paso de pulido general.
La lista de productos químicos, intermedios y materias primas purificados con carbón activado es inmensa. La tecnología es fiable, sencilla y ha demostrado ser una solución eficaz.
Muchos procesos de fabricación exigen una purificación o decoloración rentable de líquidos químicos y farmacéuticos. Las soluciones de carbón activado de alto rendimiento cumplen los objetivos de tratamiento más exigentes en la eliminación de color y otros contaminantes, catálisis y purificación de productos o subproductos fuera de especificación.
El carbón activado puede emplearse para eliminar el cloro, compuestos derivados como trihalometanos, cloratos, fenoles, cloroformo y químicos orgánicos en general. También reduce herbicidas, pesticidas, hidrocarburos, microplásticos y restos medicamentosos.
Existen carbones granulares y en polvo de alta pureza para la purificación y la eliminación de color de una variedad de ingredientes químicos o farmacéuticos líquidos. Hay grados específicos lavados con ácido para crear carbones activados de alta pureza adecuados para trabajar en aplicaciones ácidas o especiales.
Decoloración y eliminación de compuestos traza
La decoloración constituye una etapa importante cuando los pigmentos naturales, los productos de oxidación o los compuestos secundarios afectan al aspecto del producto final.
Los medios de carbón activado pueden utilizarse como filtros activos para la decoloración y la limpieza de caldos de fermentación.
La selección del medio adsorbente depende de sus propiedades inherentes y de los requisitos de la aplicación del proceso.
Desinfección y control microbiológico
La desinfección es esencial para eliminar microorganismos dañinos que pueden causar enfermedades transmitidas por el agua. La desinfección garantiza la seguridad microbiológica del agua tratada.
Los métodos de desinfección incluyen el uso de cloro o el tratamiento con rayos UV.
Con la desinfección y esterilización UV los microorganismos, como bacterias, virus, hongos y rastros en o sobre todo tipo de materiales o sustancias son reducidos en gran medida.
La esterilización del agua se realiza con el uso de luz UV. Los esterilizadores UV descomponen e inactivan las bacterias, no las eliminan. Es decir que previenen la reproducción de las bacterias.
La desinfección UV no añade productos químicos, no cambia el sabor ni el olor del agua y no elimina ningún mineral beneficioso del agua.
La purificación ultravioleta mejora la eficiencia cuando se utiliza con unidades de filtración, como un filtro de carbón, un suavizador de agua y la ósmosis inversa.
El agua que se trata con rayos ultravioleta no debe estar de ninguna manera turbia o nublada. Cualquier nivel de color presente en el agua obstaculizará la capacidad de la radiación UV y la destrucción de los microorganismos en su interior.
Por lo que es necesario invertir en el equipo UV y en cartuchos o equipos de pre-filtración. De lo contrario, la luz UV no inactiva las bacterias y se vuelve en gran medida ineficaz.
La purificación ultravioleta no ofrece un tratamiento residual. A diferencia del cloro, que mantiene una presencia en el agua después del tratamiento, la radiación ultravioleta no permanece en el agua.
Intercambio iónico, ablandamiento y desmineralización
El intercambio iónico se emplea para eliminar iones no deseados como el calcio y el magnesio, contribuyendo al ablandamiento del agua.
El ablandamiento del agua es el proceso de eliminar las sales de calcio y magnesio disueltas que causan la dureza del agua.
La dureza del agua está determinada casi siempre por la cantidad de calcio y magnesio que contiene. Los niveles más altos de estos y otros minerales hacen que el agua sea dura.
Los sistemas de ablandamiento de agua funcionan reduciendo las concentraciones de minerales del agua.
En el caso del tratamiento de agua para procesos industriales el agua suavizada reduce las incrustaciones en calderas y tuberías, que afectan el tiempo de vida de equipos y maquinaria y mejora la calidad de agua que se requiere para procesos específicos.
Los ablandadores de agua pueden ser beneficiosos para una variedad de industrias, que incluyen alimentos y bebidas, empresas de manufactura, aplicaciones médicas y hospitales, industria farmacéutica y tratamiento de agua para uso agrícola.
El agua blanda de un suavizador de agua de intercambio de iones contiene iones de sodio, que en algunos casos, cuando no se gestiona bien, puede ser demasiado.
Si el agua suavizada se utiliza para riego, aumenta la acidez del suelo, por lo tanto, hace que las plantas sean menos productivas.
El agua que es blanda y ácida (pH <7,0) tiende a ser más corrosiva. Lo que a su vez puede a veces disolver suficientes metales pesados de las tuberías y/o accesorios de fontanería y crear problemas estéticos en las tuberías.
Extracción con fluidos supercríticos
La extracción supercrítica es una técnica sostenible aplicada en la separación de productos naturales agroalimentarios, así como en cualquier campo de la ingeniería química y de procesos.
El grupo dispone de una amplia experiencia en el estudio de procesos que utilizan fluidos supercríticos como disolventes para extraer o impregnar componentes de interés.
Esta técnica permite extraer componentes de materias primas sólidas o líquidas de forma eficiente, sin restos de disolvente en el producto final y sin alteración de sus cualidades naturales.
También permite la precipitación y encapsulación de componentes, como nanopartículas, en polímeros biocompatibles.
Las técnicas sostenibles incluyen la extracción supercrítica, la extracción con disolventes líquidos presurizados y la extracción con ultrasonidos.
Aplicaciones de los fluidos supercríticos
- La utilización del proceso para extraer materias primas de interés para el cliente.
- La aplicación de técnicas supercríticas en la impregnación de solutos en diversos tipos de matrices.
- La generación de nanopartículas del soluto extraído u optimización de las condiciones operativas del proceso.
- La encapsulación o generación de composites de las nanopartículas del soluto extraído.
- La caracterización analítica y morfológica de las nanopartículas generadas.
- El estudio de la liberación controlada de los encapsulados en fluidos fisiológicos.
- Foaming de polímeros y generación de Scaffolds, así como su impregnación.
- La caracterización analítica y físico-química de los productos obtenidos.
- El estudio de la viabilidad técnica del proceso en función de la materia prima a extraer.
- La optimización de las condiciones operativas del proceso, tanto técnica como económica.
- El dimensionado y/o diseño de plantas de proceso, a escala piloto y, en su caso, para uso industrial.
Extracción con disolventes líquidos presurizados y ultrasonidos
La extracción con disolventes líquidos presurizados permite trabajar con materias primas naturales mediante condiciones controladas de presión y temperatura.
La extracción con ultrasonidos puede integrarse en procesos de separación de productos naturales agroalimentarios y en otras operaciones de ingeniería química y de procesos.
La elección entre estas técnicas depende de la materia prima, del compuesto que se desea recuperar, de la estabilidad térmica del producto y de la necesidad de evitar restos de disolvente.
Precipitación, encapsulación y generación de nanopartículas
La precipitación y encapsulación permiten transformar los compuestos extraídos en sistemas con propiedades controladas de protección, dispersión y liberación.
La encapsulación o generación de composites de las nanopartículas del soluto extraído puede realizarse en polímeros biocompatibles.
El estudio de la liberación controlada de los encapsulados en fluidos fisiológicos permite evaluar el comportamiento del producto en condiciones de aplicación.
La caracterización analítica y morfológica de las nanopartículas generadas proporciona información sobre sus propiedades y sobre la eficacia del proceso de producción.
Procesos de clarificación, coagulación y sedimentación
La filtración y sedimentación constituyen operaciones esenciales para remover partículas suspendidas e impurezas del agua mediante el uso de medios porosos. La sedimentación permite la decantación de partículas sólidas bajo la influencia de la gravedad, separando el agua limpia del sedimento.
Gestionar los lodos generados durante estos procesos es vital para minimizar el impacto ambiental.
La coagulación implica la adición de productos químicos para desestabilizar partículas, permitiéndoles agruparse. Posteriormente, la floculación fomenta la formación de flóculos más grandes, facilitando su eliminación.
Estos pasos son fundamentales para reducir la turbidez y los sólidos suspendidos.
Purificación química y ajuste del pH
El tratamiento químico es crucial en la purificación del agua industrial mediante procesos como la coagulación, floculación, desinfección, ajuste del pH, dosificación de productos químicos y prevención de incrustaciones.
Estos métodos aseguran la eliminación efectiva de contaminantes y la gestión de la calidad del agua.
En la purificación de productos naturales, el tratamiento químico debe seleccionarse de acuerdo con la estabilidad del compuesto objetivo y con los requisitos de pureza del producto final.
Tratamiento biológico
Los métodos biológicos se enfocan en controlar las poblaciones microbianas y abordar los patógenos transmitidos por el agua, utilizando microorganismos beneficiosos para descomponer contaminantes y materia orgánica.
Este enfoque promueve un proceso de purificación más natural y respetuoso con el medio ambiente, integrando prácticas de tecnología verde como humedales construidos y sistemas de biofiltración.
En productos naturales, los sistemas biológicos pueden utilizarse para reducir materia orgánica no deseada y controlar contaminaciones microbiológicas antes de las etapas de filtración fina o esterilización.
Aplicaciones industriales de la filtración
La filtración le permite proteger la maquinaria y mantiene las partes de la máquina a salvo de daños por desgaste.
Sin una filtración adecuada, las partículas extrañas y los desechos pueden afectar el rendimiento, la eficiencia y la vida útil de equipo y maquinaria.
Cuando se trabaja en un entorno industrial, incluso pequeños rastros de partículas extrañas pueden afectar a las soluciones en las que se trabaja.
Para lograr diferentes procesos químicos, biológicos y mecánicos en diversas industrias, puede que necesites agua y productos químicos completamente libres de contaminantes.
Los sistemas de filtración industrial también pueden ser eficaces para prevenir la contaminación cruzada, los peligros ambientales, las complicaciones de salud y otros problemas de seguridad en el lugar de trabajo.
Un uso clave de los sistemas de filtración es lograr el aislamiento del producto. Muchos procesos industriales requieren que se aíslen diferentes gases, fluidos y sólidos no sólo para lograr diferentes subproductos durante el proceso de fabricación, sino también para mantener sus sistemas funcionando correctamente.
La filtración puede ser necesaria para asegurar el funcionamiento adecuado de un proceso u operación industrial.
Equipos y configuraciones industriales
Por los caudales de agua necesarios en aplicaciones industriales, usualmente se requiere la instalación de equipos multimedia o de lecho profundo.
Los filtros estrella de tejido metálico plisado son dispositivos altamente eficientes diseñados para maximizar el área de filtración en un espacio compacto.
Fabricados con téjidos metálicos en aceros inoxidables o aleaciones similares, estos elementos filtrantes cuentan con pliegues que incrementan su superficie efectiva, lo que permite retener partículas finas sin comprometer el flujo del fluido.
Son ideales para aplicaciones que requieren resistencia mecánica, altas temperaturas o exposición a productos químicos corrosivos, como en la industria química fina, farmacéutica y alimentaria.
Su diseño facilita la limpieza y reutilización, lo que los convierte en una opción sostenible.
Escalado de laboratorio a planta piloto
El estudio de la viabilidad técnica del proceso en función de la materia prima a extraer es una etapa necesaria antes de diseñar una instalación industrial.
La optimización de las condiciones operativas del proceso, tanto técnica como económica, permite determinar los parámetros de funcionamiento más adecuados.
El dimensionado y/o diseño de plantas de proceso puede realizarse a escala piloto y, en su caso, para uso industrial.
| Equipo | Características |
|---|---|
| Extractor a alta presión a escala piloto | Thar Tech modelo SFE2000, con extractores de 1, 2, 5 y 10 L y separadores ciclónicos en serie de 0,5 L, capaz de operar hasta 150°C y 600 atm. |
| Extractor a alta presión a escala de laboratorio | Thar Tech modelo SFE100 con dos extractores de 100mL y 500mL y un separador ciclónico de 0.5L. |
| Columna empacada de fraccionamiento | 2m de longitud, adecuada para la realización de extracciones de líquido-fluido supercrítico capaz de trabajar hasta 400 bares de presión. |
| Precipitador a alta presión a escala piloto | Thar Tech modelo SAS200, con precipitadores de hasta 2L y boquillas de acero inoxidable con diámetro de 100 y 200 µm. |
| Precipitador a alta presión a escala de laboratorio | Thar Tech modelo RESS250, con extractor y colector de partículas de 250 mL cada uno. |
| Equipo de impregnación a alta presión | Equipo de impregnación a alta presión a escala piloto, Iberfluid modelo SSI. |
Control analítico de los productos purificados
La caracterización analítica y físico-química de los productos obtenidos permite determinar parámetros como la capacidad antioxidante, composición de ácidos grasos de un aceite, parámetros de calidad del extracto obtenido.
La caracterización analítica y morfológica de las nanopartículas generadas permite comprobar el tamaño de partícula y otras propiedades relevantes del producto.
- Cromatógrafo de líquidos UPLC.
- Cromatógrafo de gases (CG) Hewlett Packard, modelo HP6890, configurado para analizar líquidos.
- Espectrofotómetro Shimadzu mini 1240 UV-visible.
- Analizador de partículas Zetasizer nano de la casa Malvern.
- Analizador de partículas Beckman-Coulter, por difracción modelo LS13 320w.
El analizador de partículas Zetasizer nano mide polvo seco o disperso en líquido en el rango de pocos nanómetros a 10 micras. También mide el potencial Z.
Sostenibilidad de los procesos de purificación
La purificación industrial puede mejorar la sostenibilidad al reducir desperdicios y emisiones, alineándose con los estándares de protección ambiental.
La adopción de prácticas sostenibles, como la reutilización del agua y la recuperación de recursos, está alineada con los estándares industriales y contribuye a reducir el impacto ambiental.
El proceso de purificación debe diseñarse para reducir el consumo de materias auxiliares, recuperar compuestos de interés y limitar la generación de corrientes residuales.
Una solución de carbón activado puede integrarse en estrategias de recuperación y reutilización del medio adsorbente.
El carbón activado agotado se recicla térmicamente o se reactiva a través de hornos de reactivación de carbón diseñados a medida con robustos sistemas de reducción de emisiones.
La combinación de la reactivación con los carbones activados de alta calidad y diseño especial significa que los clientes pueden beneficiarse de una solución de purificación rentable y sostenible.
Cómo seleccionar el método adecuado
Para seleccionar el sistema más adecuado, es importante evaluar la calidad del fluido, la composición de la materia prima, el contaminante que se desea eliminar, la cantidad de producto que debe procesarse y la pureza final requerida.
La elección del filtro depende de factores como el tamaño de las partículas, el tipo de fluido y las condiciones operativas.
La filtración grosera resulta apropiada para el desbastado y la retención de sólidos suspendidos visibles. La filtración media se utiliza cuando se exige una mayor seguridad antes de operaciones como la cristalización.
La filtración fina se aplica cuando los controles de calidad están relacionados con la presencia de microorganismos y se necesita una filtración esterilizante antes del envasado o el cristalizado.
El carbón activado es adecuado para eliminar compuestos orgánicos, color, olor y determinadas impurezas traza. La ultrafiltración permite retener partículas, proteínas, plásticos, endotoxinas y virus, pero no elimina contaminantes solubles.
La ósmosis inversa se utiliza cuando es necesario excluir iones y reducir sales disueltas. La extracción supercrítica es especialmente útil cuando se busca recuperar compuestos naturales sin restos de disolvente y sin alterar sus cualidades.
Control del proceso y mantenimiento
El sistema de filtración engloba procesos separativos, eficaces, controlables y reproducibles, que se ajustan a diferentes volúmenes de productividad y a los más exigentes controles y homologaciones establecidos.
La consideración de diseño del sistema y procedimientos de mantenimiento efectivos, como la limpieza regular y el reemplazo de membranas, garantizan la eficiencia y prolongan la vida útil de los sistemas de tratamiento de membranas.
La sustitución de filtros debe realizarse según las recomendaciones del fabricante. La limpieza periódica de los sistemas evita obstrucciones y la revisión profesional periódica permite garantizar un rendimiento óptimo.
Estas consideraciones también se aplican a los proveedores de los equipos de filtración en la industria química, quienes han de ofrecer una especialización tecnológica continua, que garantice la eficiencia y el cumplimiento de los estándares de calidad, establecidos en las normativas sanitarias y de seguridad aplicables al respecto (normativas FDA, ATEX y GMP).
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