T e m a 8:

FILTRACIÓN DE FLUIDOS Objetivos. Mecanismos de retención, métodos complementarios. Medios filtrantes. Clasificación de los filtros: filtros de líquidos y de aire. Rangos de retención: métodos de determinación. Ensayos para determinar la eficiencia de filtración. Prefiltros. Criterios de selección de un sistema de filtración. Filtros para líquidos con potencial electrocinético. Ensayos de integridad de medios filtrantes. Pérdidas de carga. Vida útil de un filtro Esterilización de sistemas filtrantes, de almacenamiento y distribución de líquidos para uso farmacéutico. Tratamiento del aire comprimido. Filtros de aire para áreas limpias y áreas estériles

T e m a 8:

FILTRACIÓN DE FLUIDOS O B J E T I V O S Analizar los fundamentos científicos y técnicos de esta operación unitaria en diversos procesos Relacionar su aplicación a los objetivos de la carrera de Especialización en Esterilización. Informar acerca del uso y aplicación de diversos Sistemas Filtrantes en el área de la Farmacia y otros campos. Adquirir un criterio para la selección de elementos filtrantes necesarios en una planta o servicio de provisión de fluidos de alto requerimiento.

F I L T R A C I O N Es la separación de partículas de un fluido líquido o gaseoso, por el pasaje a través de un medio permeable. El medio permeable puede ser un material fibroso o poroso que contiene perforaciones o deja poros interconectados entre sí, de modo tal que permite el paso del fluido.

Según la cantidad de sólidos suspendidos, especialmente en un fluido líquido, se habla de una Separación gruesa o de una Clarificación, según la cantidad sea considerable o menor al 0,01% respectivamente.

MECANISMOS DE LA SEPARACIÓN DE SÓLIDOS POR FILTRACIÓN ► ► ► ►

Impacto inercial Intercepción directa Efecto Tamiz Intercepción por difusión

Intercepción Directa

Impacto Inercial

Efecto Tamiz

Intercepción por Difusión Browniana

Las fibras de un filtro definen poros o ranuras a través de las cuales pasa el fluido Si las partículas del sólido en el fluido son de mayor dimensión que esos poros o ranuras, quedarán retenidas por Efecto Tamiz Algunos autores tratan a este mecanismo como sinonimia de Intercepción directa, mientras otros consideran que Intercepción directa se da cuando la partícula que es arrastrada por la vena fluida, pasa a una distancia de la fibra, menor que su propio diámetro.

El mecanismo de impacto inercial se dará en función a la masa que presenta la partícula. La inercia que lleva asociada ella no le permite seguir el camino de la vena fluida y termina impactando sobre la fibra donde quedará retenida. Para partículas cuyas densidades difieren poco de la del fluido que las vehiculiza, la desviación de las líneas de flujo es mínima y este mecanismo es poco significativo. Ejemplo: fluidos gaseosos Si las partículas tienen tamaños submicrónicos, estas se mueven en el interior de un fluido con movimientos desordenados -movimiento Browniano , esto hace que estos sólidos se desvíen de la vena fluida e impacten la superficie de la fibra y sean retenidas allí (intercepción por difusión) Es efectivo para fluidos gaseosos

Problemas en la retención ► ► ►

Cambios repentinos en el caudal del fluido Variación en la caída de presión Poros deformables del medio filtrante

Ayudas filtrantes Elementos de diversa naturaleza que tienen el propósito de facilitar la retención de sólidos de difícil retención contenidos en fluidos líquidos. Actúan por un mecanismo de adsorción debido a su porosidad y variedad de formas. Producen tortas de alta permeabilidad

Tierra de diatomeas, perlita, carbón, celulosa.

CLASIFICACION DE LOS FILTROS 1. 2.

Filtros de Profundidad Filtros de Superficie

1. Filtros de Poros Deformables 2. Filtros de Poros Fijos Indeformables

Filtros para líquidos Filtros para aire Filtros para vapor Filtros para aire comprimido

Filtros de Poros Deformables Fieltros, ovillos de hilo, placas de celulosa, filtros de fibra de vidrio sin resinas Inconvenientes: desprendimientos de partículas retenidas o migración del medio filtrante, bajo condiciones de flujo o presión Dependen básicamente de los mecanismos de inercia o difusión

Filtros de Poros fijos Indeformables Filtros de membrana y de cartucho de firmas de alta tecnología, mallas metálicas, medios de vidrio o acero sinterizado.

Ventajas: poder de retención absoluta por mecanismo de intercepción directa además pueden retener por mecanismo de adsorción como resultado de impacto directo o difusión Browniana. Mínimo desprendimiento de partículas retenidas, de menor tamaño Es indiscutiblemente SUPERIOR

Rangos de RETENCIÓN 1. 2.

Retención Nominal Retención Absoluta

La NFPA (National Fluid Power Association) de EE.UU. define al rango de Retención Nominal como: “Un valor arbitrario en micrones asignado por el fabricante de

filtros, basado en la retención de algún porcentaje de todas partículas de un tamaño dado o mayores. Es raramente bien definido y no es comparable”

Problemas típicos de este método: 1) Para algunos, retención nominal significa el 98% en peso de un contaminante mayor que el especificado ha sido retenido, (2%de contaminantes de mayor tamaño, pasan) 2) Otros fabricantes basan su rango nominal en valores como ser 95%, 90% o menores 3) El porcentaje de retención está basado en % de peso 4) El porcentaje de contaminantes que pasan el filtro no está definido por el ensayo 5) Altas concentraciones (no típicas) de contaminantes aguas arriba del filtro a ensayar

El uso del Rango Nominal se hace pura y exclusivamente debido a la incapacidad de algunos fabricantes de poder definir una retención absoluta en sus filtros de poros deformables La NFPA define como rango de Retención Absoluta: “El

diámetro de la partícula esférica rígida de mayor tamaño, que pueda penetrar un filtro bajo condiciones de ensayo especificadas. Es una indicación de la abertura de mayor tamaño en el elemento filtrante” Este rango solo puede asignarse a medios de poros indeformables.

La diferencia en los rangos de retención de los dos tipos de medios filtrantes puede apreciarse en el siguiente gráfico

Métodos para establecer el rango de retención absoluta de filtros para líquidos Hay varios: Ensayo con esferitas de vidrio Ensayo con suspensión bacteriana Ensayo del Valor Beta () El usado depende: del fabricante, medio a ser ensayado o del tipo de industria. En todos los casos el contaminante está en una suspensión determinada y reconocible (naturaleza y dimensiones) la suspensión es bombeada a través del medio el influente como el efluente son examinados

ENSAYO DE ESFERILLAS DE VIDRIO

Pasos: · Inyectar una suspensión de esferitas de vidrio coloreado, con un color para cada tamaño específico, a través del filtro · Hacer pasar el líquido efluente por una membrana de análisis · Analizar bajo microscopio y determinar el mayor tamaño de las esferitas, retenido El ensayo también se realiza con el filtro saturado a fin de verificar que no haya desprendimiento de partículas y/o fibras con el aumento de la caída de presión

Para certificar una cualidad fundamental para la industria farmacéutica: no deben tener migración del medio filtrante.

Esquema del ensayo para obtener el Valor 

El valor  se define como:

=

N° partículas de tamaño determinado y mayores en el influente N° partículas de tamaño determinado y mayores en el efluente

La eficiencia de retención porcentual por tamaño de partículas:

Eficiencia de retención % =  - 1 

x 100

Relación entre Valor  y Rangos de retención porcentual Valor 

Retención porcentual

1

0

%

2

50

%

10

90

%

100

99

%

1000

99,9 %

10000

99,99 %

100000

99,999%

ENSAYOS DE EFICIENCIA BACTERIOLÓGICA para filtros de líquidos a)

Ensayo con soluciones acuosas Es destructivo Se hace con:

# Suspensión acuosa de Pseudomona diminuta (0,3 x 1), concentración final : 2 x 105 a 5 x 105 microorganismos/litro Membranas 0,45

# Suspensión acuosa de Serratia marcescens, en idéntica concentración a la suspensión de Pseudomona diminuta

Membranas 0,45

En resumen:

El influente:

Inyección 1ml/min suspensión bacteriana 5 x105PsDs/ml + 1 lt/min de agua pura sin cloro y filtrada estérilmente

Duración:

2 a 4 semanas hasta saturación del filtro y cuando el caudal y P sean: inferior a 1 lt/min y  60 PSI ( 4

kg/cm2), respectivamente.

El Efluente: Debe cultivarse y ser continuamente estéril Membrana a Punto de Saturación: contiene entre 1011 y 1012 Ps/pie2 (108 –109 Ps/cm2)

a)Ensayos microbiológicos

de

filtros

de

aire

con

aerosoles

Es destructivo Se hace con: # Un aerosol de Pseudomona diminuta en aire estéril obtenido por filtración a través de membrana 0,45

# Caudal del aerosol:  56lt/min # Concentración del aerosol: 4,6 x 107 PsDs/min

Son considerados aceptables únicamente los filtros que demuestran tener un 100% de retención bacteriana, en cualquier concentración.

Se aplica para:

Filtros de venteo. Filtros de rotura de vacío. Filtros para aire comprimido. Filtros de aire o nitrógeno.

Como seleccionar un Sistema Filtrante confiable para líquidos? 1. Definir las características del o de los contaminantes a eliminar. 2. Definir las especificaciones del producto que se desea obtener. 3. Conocer el volumen y naturaleza del fluido a filtrar 4. Determinar el caudal que se desea alcanzar, si será constante, variable o intermitente 5. Conocer la presión del sistema 6. Analizar la Compatibilidad química entre medio filtrante y el fluido 7. Conocer la resistencia a temperaturas y presiones, del medio filtrante. 8. Influencia del medio filtrante a caracteres organolépticos del producto final. 9. Relación Costo del medio filtrante, costo operativo/ producto final

Considerar especialmente: Naturaleza del fluido Caudal del fluido

Viscosidad del fluido Temperatura permitida del proceso Temperatura conveniente en función a la viscosidad del fluido Caída de presión

Prefiltros Importancia y dimensionamiento El propósito de los prefiltros es: retener contaminantes mayores, aumentando la vida útil del filtro final reducir el costo operativo de la filtración Los mejores resultados se logran cuando todos los filtros (prefiltros y filtro final) se saturan aproximadamente al mismo tiempo ( Fig. 1 )

Durante el estudio de selección de prefiltros y filtro final podemos encontrarnos con situaciones tipo como las siguientes

Caso 1 Necesitamos disponer de un filtro final de 0,2 micrones y seleccionamos un prefiltro grosero

Resultado: El filtro final se satura prematuramente con aumento de la caída de presión antes de finalizar el volumen del lote El prefiltro solo ha aumentado ligeramente su P y por sí solo podría llegar

al volumen del lote La caída de presión total del sistema es igual a la presión límite antes de completar el volumen del lote

NO SE PUEDE COMPLETAR LA FILTRACIÓN DEL BATCH

Caso 2 Necesitamos disponer de un filtro final de 0,2 micrones y seleccionamos un prefiltro demasiado fino

Resultado:

El prefiltro se satura antes de llegar al volumen del lote El filtro final se mantiene lejos del límite de saturación El P combinado llega a la presión limitante antes de completar el volumen del lote

NO SE PUEDE COMPLETAR LA FILTRACIÓN DEL BATCH

Caso 3 Necesitamos disponer de un filtro final de 0,2 micrones y decidimos no protegerlo con un prefiltro

Resultado:

La vida útil de filtro se agotaría rápidamente Alto costo operativo

Caso 4 Necesitamos disponer de un filtro final de 0,2 micrones y decidimos protegerlo con un prefiltro de 0,45 o 0,65

Resultado: La caída de presión del prefiltro y del filtro final están lejos de la presión límite La caída de presión combinada del sistema se acerca a la del volumen del lote Ambos filtros han agotado su capacidad de ensuciamiento Es un resultado económico aunque demasiado ajustado

Caso 5 Para mejorar los costos operativos del caso anterior se pueden adoptar algunas de las siguientes medidas:

1)

Aumentar el área del filtración total (prefiltro y filtro final)

2)

Aumentar el área del filtro final

3) Colocar varios prefiltros protegiendo al filtro final (cada uno con una función específica)

Cualquiera de ellas permitirá completar la filtración del lote dejando un buen margen antes de llegar a la presión límite

Se debe hacer una evaluación comparativa de costos de cada una de las alternativas

Ensayos de integridad de membrana

SISTEMAS PARA AIRE COMPRIMIDO En el área de Farmacia, el aire comprimido es empleado para diversos fines: Trasvasado de líquidos de tanques a otros recipientes Como materia prima para procesos fermentativos Para limpieza/secado de recipientes o envases Inconvenientes del aire comprimido Presencia de aerosoles de agua, aceite y partículas provenientes del compresor

1) 2)

corrosión y deterioro de componentes contaminación de productos, envases, equipos, etc.

Esquema de un filtro coalescente

Filtro en carcaza

Filtro coalescente

Como se evitan estos inconvenientes? Proyectando un sistema de tratamiento integral del aire comprimido como el siguiente modelo

 

Equipo compresor Post enfriador



Separador mecánico de ciclón con trampa de drenaje



Tanque pulmón con purga



Filtro coalescente con drenaje



Columnas de secado



Filtro final

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO

COLUMNAS DESECADORAS POR ADSORCIÓN

ENSAYOS DE INTEGRIDAD DE MEMBRANAS PARA FILTROS DE LÍQUIDOS Objetivo? Verificar el tamaño correcto de los poros y Certificar así el funcionamiento correcto de un medio filtrante Métodos? Ø Destructivos Ø No destructivos Ensayo con suspensión de Pseudomona diminuta Ensayo de Punto de Burbuja Ensayo de Flujo Difusivo

FILTROS DE AIRE Por que es tan necesario filtrar el aire ? El aire contiene, en suspensión, una gran cantidad de contaminantes que es preciso retener por un medio adecuado, para ser empleado en procesos y requerimientos diversos Un análisis de aire nos revelaría que una muestra contiene: Fibras de naturaleza diversa, gotículas de agua, arena fina, microorganismos, polen, esporos, hollín, arcilla y otros sólidos cuya naturaleza depende de la zona donde se tome la muestra.

La cantidad de estos sólidos puede llegar a ser de aproximadamente 300.000.000 por metro cúbico en una zona urbana.

Un aspecto importante es que aproximadamente el 4 % de estos sólidos, tienen un tamaño promedio de 0,3 micras y menores, los tamaños más difíciles de decantar y por ende de retener. Como se puede determinar las características de los contaminantes particulados ambientales? •Métodos de decantación •Método fotométrico •Muestreador de aire con membrana de filtración

SEPARADOR INERCIAL

FILTROS DE MEDIO SECO

Filtros de aire HEPA Importancia, Uso apropiado, precauciones y limitaciones

Ensayos de integridad de membranas filtros HEPA Ensayo DOP (Dioctil Phtalate) Ensayo por NaCl

Ensayo por Pseudomona diminuta

Campana de flujo laminar horizontal – Clean Bench -

Ensayo para comprobar eficiencia de operatividad de una campana de F.L.H.

Campana de Bioseguridad

VISTA DE AREAS ESTERILES CREADAS POR FILTROS HEPA

VISTA DE UN AREA ESTERIL CON PRESION DIFERENCIAL

Consultas: Myriam E. Arias [email protected]

T e m a 8:

FILTRACIÓN DE FLUIDOS BIBLIOGRAFIA: & Helman J. “ Farmacotecnia Teórica y Práctica” & Remington “Farmacia”

& G Sykes “Desinfectation and Sterilization. Theory and Practice” & McCabe, W., J. Smith y P. .Harriott, “ Operaciones Básicas de la Ingeniería Química” & Mino Covo “ Filtración de Fluidos”

& Mino Covo “El filtrado Industrial del Aire”. & Mino Covo “ Filtración de Aire en la Industria Farmacoquímica , Investigación y Hospitales” & Catálogos de Pall Ultrafine Filtration Company

MUCHAS GRACIAS