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Sterilizing Grade Product Portfolio

Conceptos básicos de filtración

Q.B.P. Dionisio Sánchez ([email protected])

Sterilizing Grade Product PortfolioAgenda

• Definiciones• Mecanismos de

filtración• Tipos de medios

filtrantes• Medios filtrantes –

diseño y características• Asignación de micrajes

• Definiciones

•FILTRACIÓN. Es un proceso o procedimiento físico-mecánico para la separación de sustancias, las cuales en muchos de los casos, presentan diferentes tipos y tamaños de partículas en suspensión en un fluido.

•Se requiere de una fuente de presión o vacío para llevar acabo la filtración y esta fuerza crea un diferencial de presión (∆P) a través del filtro.

•Tipos de separación:

Sólido / Líquido ejemplo: separación de partículas de un líquido.Sólido / Gas ejemplo: separación de partículas de un gas o

aire.Líquido / Gas ejemplo: separación de gotas de agua de un gas

Medio filtrante

Poros

Definiciones

• Filtración• Acción de remover contaminantes de un fluido (líquido o gas)

mediante el uso de un medio poroso

Fluido limpio (efluente) Fluido contaminado

Ejemplos

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=dsNplikATMF7lM&tbnid=dxJ0iNg6AtrYeM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.google.com.mx/url?sa%3Di%26rct%3Dj%26q%3D%26esrc%3Ds%26source%3Dimages%26cd%3D%26cad%3Drja%26uact%3D8%26docid%3DdsNplikATMF7lM%26tbnid%3DdxJ0iNg6AtrYeM:%26ved%3D%26url%3Dhttp://cocinamexicanadepily.blogspot.com/2012/01/en-un-camino-nayarit-2-parte.html%26ei%3DAWGIU7rMKYiKqgaQiILoAw%26psig%3DAFQjCNGl8j5jk-E6BQiNHg0k7K9g_Zdodw%26ust%3D1401533058115027&ei=T2GIU4LtAaLisASQ74LwDg&psig=AFQjCNGl8j5jk-E6BQiNHg0k7K9g_Zdodw&ust=1401533058115027

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•LAS APLICACIONES DE LA FILTRACIÓN:

Esterilización.

Clarificación

Pre-filtración

Separación

Purificación

Concentración

• Filtración de flujo normal (NFF)

•Filtración de flujo tangencial (TFF)

• Espectro de filtración

•RO •Ultrafiltración •Microfiltración •Filtración fina

•Fago-T4•1 µ

•Escherichia Coli

•Legionela

•1µ

10 µ

•Células sanguíneas•0,1µ

•Separación debajo peso molec:•e.g. sales

•Partículas•Microorganismos:•Bacterias, levaduras

•Part.visibles•Sustancias turbias•Clarificación

•Sustancias de alto peso molecular; e.g.•Proteinas,•Endotoxinas,•Virus•Bacteriófagos

•100-1,000 D 5,000-300,000 D 0.1/0.2 µm 8 µm - 100 µm• Corte de peso molecular Retención absoluta Retención nominal

•Microfiltration

•Ultrafiltration

•70 µm/50 µm/20 µm

•8 µm/5 µm/3 µm

•1 µm/0.8 µm/0.65 µm

•0.45 µm/0.2 µm

•0.1 µm

•300 KD•100 KD

•30 KD•10 KD

•5 KD

•Particulas Visibles

•Celulas

•Levaduras•Hongos

•Bacterias

•Micoplasmas

•Coloides•Virus

•Proteinas

•Liposomas•Pirogenos

•Peptidos

•ESPECTRO DE FILTRACIÓN

Sterilizing Grade Product PortfolioTerminología de filtración

•Flujo:

Velocidad con la que un líquido o gas pasa a través de un filtro (ml/min, Lpm, gpm etc.).

•Flux:

Flujo por unidad de área de un filtro (Lpm/ft2, LMH etc.).

•Volumen total filtrado:

El volumen total de líquido o gas que puede procesar un filtro antes de taparse (L, Gal, M3).

•Capacidad de retención de partículas :

La cantidad de partículas en un intervalo de tamaño determinado que un filtro puede retener (ppm, mg/L).

•Porosidad:

El número de poros por unidad de área de membrana.


Terminología de filtros

• Tamaño de poro/tasa de retención (micraje):

El diámetro de los poros de la membrana

• Hidrofílico vs. hidrofóbico

Afín al agua vs. repelente al agua.

• Presión diferencial o caída de presión:

Es la presión de entrada al filtro menos la presión de salida del mismo.

• EFA:

Área de filtración efectiva


Presión Diferencial

∆PP

•1. Creada por la resitencia al flujo...

•2. …en un filtro limpio, por los poros.


Curva de la vida del filtroPresión Diferencial vs. Tiempo

Punto de

inflexión

de la curva∆P

inicialTiempo (t)

∆P a flujo

constante

A medida que el filtro hace su trabajo, las partículas

serán detenidas por los poros y la ∆P se incrementará.

Vida útil


Tres Mecanismos de Filtración

Intercepción Directa

Impacto Inercial

Intercepción Difusional



El mecanismo principal de filtración en líquidos.

Es esencialmente un "tamizado" que retiene mecánicamente las partículas.

Ejemplo: una malla simple que detiene a las partículas mayores al tamaño de sus poros.


Intercepción Directa•La partícula es mas grande que el poro


•Efecto "puente" debido a la forma irregular de las partículas



•Efecto "puente" causado por partículas más pequeñas que el diámetro del poro



Impacto Inercial

Ayuda a remover partículas más pequeñas que el tamaño del poro del medio filtrante.

Las partículas arrastradas por el fluido poseen inercia debido a la masa y velocidad de las mismas.

Por su inercia dichas partículas se desvían de las lineas de flujo impactandose contra el medio filtrante.


Las partículas son retenidas ya sea mecánicamente o por adsorción.

Es más efectivo en gases que en líquidos.

Es muy eficiente para partículas mayores a 0.5-1.0 micras.

Impacto Inercial


Impacto Inercial



Las moléculas de gas (en movimiento aleatorio) golpean a gotas de aerosol o a partículas pequeñas suspendidas en el mismo.

Las colisiones generan un movimiento Browniano, aumentando las posibilidades de que las partículas se impacten en el medio filtrante

Efectivo para gases solamente



Los filtros para gases removerán contaminantes mucho más pequeños al tamaño de poro indicado por el grado absoluto en los líquidos.

Es muy eficiente para partículas pequeñas-finas menores a 0.1-0.3 micras.

Si un filtro de gases opera cuando está mojado, su capacidad de remoción corresponderá a su micraje en líquidos.


Adsorción

Interacciones de superficieCargas opuestas

Fuerzas de Van der Waals (es la fuerza atractiva o repulsiva entre moléculas, o entre partes de una misma molécula, distintas a aquellas debidas al enlace covalente o a la interacción electrostática de iones con otros o con moléculas neutras)

•Retiene partículas menores al tamaño del poro

•Debido a:


Adsorción•Interacciones de Superficie


En resumenLa eficiencia del medio filtrante en la filtración/separación se incrementa

mediante la cooperación de:

la Intercepción Directael Impacto Inercial

la Intercepción Difusional


Resumen de los Mecanismos de Filtración


Impacto inercial

Intercepción difusional


Mecanismos de Filtración y sus Eficiencias

0.01 0.1 1 10 100

Diámetro de la Partícula (µm)50

60

70

80

90

100

•Efic

ienc

ia (%

)

0.3

•Intercepción Directa

Intercepción

Difusional

Impacto

Inercial


Medios filtrantes de

superficie

Medios filtrantes de

profundidad

Tipos de Medios Filtrantes•Generalmente los medios filtrantes se pueden dividiren dos categorías:


Filtración de Superficie


Limitaciones de la Filtración de Superficie

Se basa principalmente en la intercepción directa. Los contaminantes mas pequeños que el tamaño del poro pasarán a través del filtro.

El impacto inercial es insignificante.Hay un pequeño efecto por la intercepción difusional.


Medio de Profundidad Las partículas pueden ser atrapadas en la superficie

pero también en el grueso del medio filtrante superficie. Por lo tanto se incrementa la capacidad de retención de contaminantes


Tipos de filtros

Membrana

–Acetato de celulosa

–Polivinil-difluoruro (PVDF)

–Nylon

–Polisulfona

–Polietersulfona

–Politetra-fluoroetileno (PTFE)

Profundidad

–Polipropileno

–Fibra de vidrio

Otras

–Acero inoxidable

–Cerámica

–Policarbonato

Sterilizing Grade Product PortfolioFiltros de membrana vs. profundidad

Membrana

– Retención absoluta

– Atrapan partículas en la superficie mediante intercepción directa

– Baja capacidad de retención

– Distribución estrecha de tamaño de poro

Profundidad

– Retención nominal

– Atrapan partículas en toda su profundidad

– Distribución de tamaño de poro gradual

– Alta capacidad de retención mediante múltiples mecanismos de retención


Filtros de Membrana

• Filtros de Retención Bacteriana = Grado esterilizante, comúnmente reconocido como 0.2 /0.22 μm de tamaño de poro. Este tipo de filtros es calificado por pruebas de retencionmicrobiologica; ej. Prueba de Reto Bacteriano con determinados microorganismos.

• Desventajas: Tienen una distribución de tamaño de poro estrecho y menor capacidad de retención de sólidos.

Sterilizing Grade Product PortfolioAcetato de Celulosa

• Membrana de doble capa heterogénea, p.e. 0.45 + 0.2 µm

• Alto flujo a baja Dp• Larga vida útil• Adsorción extremadamente baja • Compatibilidad de pH4 - pH8

• Acidos y bases diluidos: buena• Acidos y bases concentradas: mala• Solventes: regular

• Esterilizaciones:– Hasta 25 a 134°C y 2 atm

• Material inocuo para el medioambiente


• Membrana de doble capa heterogénea (0.45/0.2 µm)

• Alta compatibilidad química• Adsorcion de proteínas: alta• Esterilizaciones:

– Hasta 16 hs.a 121°C y 1 atm.

• Filtración de solventes:pH 3 a 14

• Resistencia quimica:– Acidos y bases diluidos:

buena– Acidos y bases

concentradas: regular– Solventes: buena

-Nylon-


• Membrana monocapa• 0.45µm, 0.2µm• Extremadamente hidrófoba• Controlable por WIT • Alta compatibilidad química• Filtración de aire y gases

PTFE

Sterilizing Grade Product PortfolioPolietersulfona• Construido con una o doble

membrana• Varios grados de retención

(0.45µm, 0.2µm, 0.2µm nom.) • Flujo extremadamente alto /

Rendimiento total• Adsorcion de proteínas: media• Resistencia quimica:

– pH 1 a 14• Acidos y bases diluidos:

buena• Acidos y bases

concentradas: buena• Solventes: regular

• Esterilizaciones: Hasta 25 a 134°C y 2 atm.


Filtros de profundidad• La matriz del filtro consiste de una

red tridimensional de fibras hiladas o adheridas con una estructura relativamente no direccional.

• Retención de partículas y microorganismos principalmente en lo “profundo” de la matriz por retención mecánica y atracción electrostática.

• Ventajas: Alta capacidad de retención, mayor vida de servicio antes del taponamiento.


• Retención no absoluta. La retención nominal es primariamente influenciada por el diámetro de las fibras, lo “compacto” de la estructura de fibras, y el grosor del filtro.

• El promedio de retención nominal es calificado por pruebas de retención de partículas con un contador de partículas láser. Aprox. 95% a 99.99% del promedio de retención con respecto a partículas de látex de un determinado tamaño.

• Desventajas: Seguridad limitada en caso de altas diferencias de presión (pulsaciones).

Filtros de profundidad


Fibra de vidrio Construcción con varias capas de

fibra de vidro

Tasa de retención definida

Ver guía de validación

Capacidad de adsorción debido a

carga positiva

Buena capacidad de retención de

partículas en un intervalo amplio de

tamaños

Excelente protección del filtro final


Polipropileno Construcción con varias capas de

polipropileno

Tasa de retención definida

Ver guía de validación

Alto volúmen total filtrado

Buena capacidad de retención de

partículas

Amplio rango de grados de retención

El PP posee muy buena

compatibilidad química PH 1 - 14

Excelente protección del filtro final


•22 June 2014 •Page 9

Nuevo material de fibras de alto desempeño- Comparasión de material convencional con Nanofleece (Sartopure® PP3)

•Fibras convencionales • Material PP3 de alto desempeño

•Ventajas del material nanofleece

• Fibras más finas

• Mayor porosidad

• Menor aglomeración de fibras

• Mayor rendimiento

• Clarificación y major retención de particulado

• Mejora en la protección de filtros finales

• Incluye los grados de remoción de 0.45µm y 100µmBeneficios


Comparación de Tamaños: Hongos y Levaduras


Comparación de Tamaños: Bacterias


Comparación de Tamaños:Virus


Aplicaciones comunes por micraje

Poro Uso tipico0.2 μm Filtración esteril0.45 μm Prefiltracion para 0.2 μm

Retencion de bacteriasEsterilización de vinos, cerveza.

0.65 μm Retencion de hongos0.8 μm Clarificacion, Pulido fino1.2 μm Pulido,3.0 μm Remocion de particulas

Sterilizing Grade Product PortfolioPrefiltración

• Grados de retención nominales

• Disponibles en materiales de profundidad o de membrana

Foto SEM de medio de

profundidadFoto SEM de una

membranaFoto SEM del medio

filtrante Nanofleece

Sterilizing Grade Product PortfolioPrefiltros

• Menor regulación

• Menor costo

– Disminuye los costostotales y tiempos de filtración

• No siempre se requiere un filtro final en todas lasaplicaciones.


Polímeros de los filtros Sartorius

Membrana

• Acetato de celulosa (CA)• Polietersulfona (PES)• Poliamida (Nylon)• Politetrafluoretileno (PTFE)

Prefiltros/Profundidad

• Polietersulfona• Acetato de celulosa• Polipropileno• Fibra de vidrio• DE+celulosa

Otros• Acero inoxidable


Diseño y Características de los Medios Filtrantes

Diseño del poro

Uniforme o no uniforme

Fijo o no fijo

Area filtrante

Presión diferencial

Volumen vacío


Distribución del Tamaño de Poro La distribución del

tamaño de poro dicta la eficiencia del filtro para una variedad de contaminantes de diferentes tamaños

La distribución del tamaño de poro está diseñada para la aplicación de filtración.

•Tamaño de poro

•# d

e po

ros

•A•B

•C


Medio de Poro No Fijo

El tamaño del poro puede cambiar durante la vida en servicio.e.g. Los poros se hacen mas grandes a medida

que aumenta la presión

Sujetos a:Descarga de los contaminantesMigración del medioCanalización


Descarga de los ContaminantesSe evita mediante el aseguramiento de una estructura de

poro estable y fija


Filtro de poro no fijo

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=YZzPk4TueQVS5M&tbnid=AwrqqgPd3b82wM:&ved=0CAUQjRw&url=http://spanish.alibaba.com/product-gs/pp-yarn-filter-cartridge-470512186.html&ei=QJSDUtWPFue92wXzj4DwAw&bvm=bv.56343320,d.b2I&psig=AFQjCNGXWTHUw95LZBbo2Wgj0cvOlFGGag&ust=1384441262861645







Migración del Medio Filtrante de un Medio de Poro No Fijo

Se rompen piezas del medio filtrante y pasan a la parte

limpia contaminando el

efluente.


Canalización (bypass) del Medio de Poro No Fijo

Cuando el medio filtrante tiene unos cuantos poros de mayor tamaño o una distribución de poro mas amplia.


Canalización (bypass) del Medio de Poro No FijoCuando hay una unión débil entre el medio y la

estructura del cartucho.


Canalización (bypass) La canalización también puede ocurrir cuando hay un

sello inadecuado entre el cartucho y el portafiltro.


Medio de Poro Fijo

El tamaño de poro no cambia durante la vida en servicio del filtro

No será propenso a la descarga de los contaminantes, a la migración del medio filtrante o a la canalización (bypass)


Poro Fijo vs. Poro No Fijo


Representación de los diseños de los filtros de profundidad y plegados

• D = 2 ¾” • D = 2 ¾”

10" 10"

A = área filtranteT = espesor del medio filtrante

A1 = 0.6 ft2 A2= 3-8ft2

T1T2

•Diseño tipo plegado

•El diseño plegado incrementa el área filtrante de 5 a 13 veces aproximadamente.


Area Filtrante

Un incremento en el área:

disminuirá la ∆P

incrementará la vida en servicio


•5 poros tapados

•5 poros abiertos

•∆P = 1 psid

• •5 poros tapados

•15 poros abiertos

•∆P = 1/3 psid

•• •

•10 poros • • •20 poros

Ejemplo: comparación duplicando el área

Para alcanzar ∆P = 1 psid

necesitaríamos tapar 15 poros,

la vida se incrementaría

3 veces

Area Filtrante


•Ejemplo: comparando el doble del área

•••

•5 poros tapados•5 poros abiertos

•∆P = 1 psid•Tiempo = 1 día

•

•5 poros tapados•15 poros abiertos

•∆P = 1/3 psid•Tiempo = 1 día

••

Par alacanzar una ∆P = 1 psidnecesitaríamos tapar 15 poros

Tiempo = 3 días

•Duplicando el área se aumentará por lo menos dos veces mas la vidaen servicio y tanto como cuatro veces mas.

Area Filtrante


Volumen de los Espacios Libres

Area abierta en el filtro (porosidad)Un incremento en el volumen de los espacios libres disminuirá la velocidad

disminuirá la ∆P incrementará la vida en servicio

•Poro

•Fibra


Volumen de los Espacios Libres

•Vacío

•Fibra

•82.0%

•18.0%


La importancia del diámetro de la fibra en el volumen de los espacios libres y la capacidad de retención de contaminantes

•A medida que el diámetro de la fibra disminuye, el volumen de los espacioslibres se incrementa (asumiendo un tamaño de poro constante)


Tamaño de poro, grado de retención

Absoluto

– Los filtros de membrana con microporos retienen sobre todo por un efecto de tamiz, todas las partículas mayores que el tamaño de poro dado.

Nominal

– Es una indicación de las partículas que serán retenidas parcialmente.

– Sólo debe usarse para comparar la eficiencia relativa de filtración.


Clasificación de filtros por grados

Absoluto Max. tamaño de partícula

Nominal Remoción medida en % en peso a

un µm dado, o por tamaño a un µm

dado

Razón Beta % de remoción dado en # de

entidades

Microbiológico Reducción de título


GRADO NOMINALAsigna un micraje arbritrario.Lo especifica el fabricante.Remoción expresada en por ciento en peso.La calidad del fluido no es reproducible,Variable.Típico de filtros con construcción de poro no fija.

Un indicador arbritario asignado por el fabricante del filtro sobre la base de remover algún porcentaje de partículas de un tamaño dado o más grandes. Rara vez es definido correctamente y no es reproducible.

)))))

)

GRADO NOMINAL EN BASE AL PESO


Indicador nominal típicoENTRADA SALIDA

MICRAS GRAMOS MICRAS GRAMOS

1-5 10 1-5 10

5-10 20 5-10 18

10 - 20 40 10-20 5

>20 30 >20 0

100 33

Grado nominal: 67% para 1 micra o más grande

FILTRO


GRAVIMETRIA VS. CANTIDAD EN NUMERO

una canica de ½"en un barril

256 mil millones de partículas de

2 µm

≈ 12.6 mg/l ≈


GRADO ABSOLUTO

Definición

• Es el diámetro de la partícula sólida y esférica máspequeña que retendrá el filtro bajo condiciones de ensayoespecíficas.

• Es un indicador del poro más grande que existe en el filtro.

• Los contaminantes reales son raramente esféricos. Los grados con partículas no ideales diferiran del grado"absoluto"


Tipos de reto para los gradosde filtración ≥ 1μm

Reto con partículas

• Esferas de vidrio

• Arena de prueba de sílice

• Esferas de latex

• Esferas de poliestireno


Reto biológico

Bacterias

Micoplasma

Bacteriófagos

)

)

)

Tipos de reto en los diferentes grados de filtración

Reto químico

Pirógenos)

Tipos de reto para los gradosde filtración <1μm


Equipo de prueba para determinar la razón Beta


RAZON BETA

ß es la razón del número de partículas mayores a un tamaño dado antes del filtro comparado con aquellas del mismo tamaño o mayores después del filtro.

ßx = Número de partículas > x en la entradaNúmero de partículas > x en la salida

% Eficiencia de remoción = ßx - 1ßx

100X


EXPLICACION DE LA RAZON BETAResultados típicos de las pruebas para la

razón Beta para un filtro de 2 µm (β2=5000)

# de partículas/mlENTRADA

# de partículas/mlSALIDA Razón Beta

% de eficiencia

en la remoción

100,000 > 2 µm 20 > 2 µm β2.0 = 5000 99.98%

120,000 > 1.5 µm 120 > 1.5 µm β1.5 = 1000 99.9%

150,000 > 1.0 µm 1500 > 1.0 µm β1.0 = 100 99%

200,000 > 0.5 µm 20,000 > 0.5 µm β0.5 = 10 90%


CARACTERISTICAS DE LOS FILTROS CLASIFICADOS CON LA RAZON BETA

Corte preciso por tamaño de partícula

Calidad reproducible del efluente

Estructura de poro fija

Norma de clasificación aceptada

)

)

)

)


VALORES BETA EN USO

ß6 = = 50005000 1

ß6 = = 505000 100

Flujo

100 Partículas

1Partícula

5000partículas de

6 µm


Uso de valores Beta para comparar filtros

Filtro Entrada SalidaRazón Beta

ß2 Eficiencia

Filtro A 10000 5000 2 50%Filtro B 10000 1000 10 90%Filtro C 10000 100 100 99%Filtro D 10000 10 1000 99.9%Filtro E 10000 2 5000 99.98%

# de partículas por ml ≥ 2µm

Número de partículas > x EntradaNúmero de partículas > x Salida

βx =

% de eficiencia en la remoción = βx - 1

βx

x 100

Sterilizing Grade Product PortfolioGrados de retención para filtros Sartorius Sartopure® PP2


RETO BACTERIANO

Reducción del título # de organismos a la entrada# de organismos a la salida

=


Microorganismos usados para reto bacteriano

• Prueba de Reto Bacteriano (BCT)

− Acholeplasma Laidlawii

− Brevundimonas diminuta

− Serratia marcences

− Saccharomyces cerevisiae

Para la calificación de filtros de 0.1μm



para la calificación de filtros de 0.65μm


Preguntas.........................Gracias!

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