Introducción
En los diferentes procesos de producción de alimentos, se presenta la necesidad de separar los componentes de una mezcla en fracciones, para de esta manera poder describir los sólidos divididos y predecir sus características. Dentro del amplio campo de las separaciones existen dos grandes grupos: (a) El grupo de las separaciones difusionales que son realizadas con cambios de fases y transporte de materia de una fase a otra y (b) los métodos correspondientes a las separaciones mecánicas la cual comprende filtración, sedimentación, centrifugación y tamizado.
Estas separaciones son aplicables a mezclas heterogéneas y no a homogéneas y la forma de separación depende de la naturaleza de la partícula que vaya a ser separada y de las fuerzas que actúan sobre ella para separarlas. Las características de las partículas más importantes a tener en cuenta son el tamaño, la forma y la densidad, y en el caso de fluidos, la viscosidad y la densidad, aplicables en separaciones de: sólidos de gases, gotas de líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. El comportamiento de los diferentes componentes a las fuerzas establece el movimiento relativo entre el fluido y las partículas, y entre las partículas de diferente naturaleza. Debido a estos movimientos relativos, las partículas y el fluido se acumulan en distintas regiones y pueden separase y recogerse, por ejemplo en la torta y en el tanque de filtrado de un filtro prensa.
Definición
La filtración es la operación Unitaria en la que el componente sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido se separa del componente líquido haciendo pasar este último a través de una membrana porosa la cual retiene a los sólidos en su superficie (filtración de torta) o en su interior (Clarificación), gracias a una diferencia de presión existente entre un lado y el otro de dicha membrana. A la suspensión de sólidos en líquidos se conoce como papilla de alimentación o simplemente suspensión, al líquido que pasa a través de la membrana se conoce como filtrado, la membrana es conocida como medio filtrante y a los sólidos separados se conocen como torta de filtración. Como fue dicho, el fluido circula a través del medio filtrante en virtud de una diferencia de presión, existiendo los filtros que trabajan con sobrepresión aguas arriba, presión atmosférica aguas arriba y los que trabajan al vacío aguas abajo.
La teoría de filtración es valiosa para interpretar análisis de laboratorios, buscar condiciones óptimas de filtración y predecir los efectos de los cambios en las condiciones operacionales. El empleo de esta teoría esta limitado por el hecho de que las características de filtración se deben determinar siempre en la lechada real de que se trate, puesto que los datos obtenidos con una lechada no son aplicables a otra. Al comparar la filtración a nivel industrial ésta difiere de la del laboratorio en el volumen de material manejado y en la necesidad de manejarlo a bajo costo. Para obtener un gasto razonable con un filtro de tamaño moderado, se puede incrementar la caída de presión del flujo o disminuir la resistencia del mismo. Para reducir la resistencia al flujo el área de filtrado se hace tan grande como sea posible, sin aumentar el tamaño total del equipo o aparato de filtración. La selección del equipo de filtrado depende en gran medida de la economía.
Las aplicaciones de la filtración en la industria alimenticia se pueden considerar en tres categorías. La primera incluye todas las aplicaciones en las que la suspensión que contiene grandes cantidades de sólidos insolubles se separan en los sólidos y líquidos que la componen, formándose una torta en la parte anterior del medio conociéndose el proceso como filtración por torta o de torta. La segunda categoría se denomina clarificación y en esta se quitan pequeñas cantidades de un sólido insoluble a un líquido valioso donde el propósito es generalmente producir un líquido claro. La tercera se denomina micro-filtración donde se separan partículas muy finas por lo general microorganismos de los alimentos.
Aparatos utilizados en filtración
Los aparatos que se utilizan en filtración, constan básicamente de un soporte mecánico, conductos por los que entra y sale la dispersión y dispositivos para extraer la torta. La presión se puede proporcionar en la parte inicial del proceso, antes del filtro o bien se puede utilizar vacío después del filtro, o ambas a la vez, de forma que el fluido pase a través del sistema.
La mayoría de los filtros industriales operan a vacío o a presión superior a la atmosférica. También son continuos o discontinuos, dependiendo de que la descarga de los sólidos sea continua o intermitente. Durante gran parte del ciclo de operación de un filtro discontinuo el flujo de líquido a través del aparato es continuo, pero debe interrumpirse periódicamente para permitir la descarga de los sólidos acumulados. En un filtro continuo, tanto la descarga de los sólidos como del líquido es ininterrumpida cuando el aparato está en operación.
Entre los aparatos se cuentan:
1.- Filtros prensa (discontinuo de presión)
En estos se coloca una tela o una malla sobre placas verticales, de manera tal que sean los bordes los que soporten a la tela y al mismo tiempo dejen debajo de la tela un área libre lo más grande posible para que pase el filtrado. Normalmente se les llama "Filtros de placa y marco". En esta clase de filtros se alternan placas acanaladas cubiertas en ambos lados por medio filtrante, con marcos, en conjunto se encuentran apretada por tornillos o una prensa hidráulica que la cierran herméticamente.
Las placas y los marcos contienen aberturas en un ángulo, las cuales forman un canal al cerrar el filtro y por donde se introduce la papilla de alimentación. Al circular la suspensión, la torta se forma en el lado más alejado de la placa, entrando por el marco, pasando el filtrado a través del medio y por la superficie acanalada de las placas del filtro y saliendo por un canal de salida en cada placa.
La filtración se continua hasta que el flujo de filtrado es menor que cierto límite practico o la presión alcance un nivel inaceptablemente elevado.
Después de la filtración se puede realizar el lavado de la torta sustituyendo el flujo de la papilla por flujo de lavado, también se puede abrir el filtro y retirar la torta.
2.- Filtros espesadores de presión (continuos de presión)
El objeto de un filtro espesador es separar parte del líquido contenido en una suspensión diluida para obtener otra concentrada. Tiene la apariencia de un filtro de prensa, sin embargo, no contiene marco y las placas están modificadas. Las placas sucesivas llevan canales apareados que forman, cuando se monta la prensa, una conducción larga en espiral para la suspensión. Los lados de los canales están recubiertas con un medio filtrante mantenido entre las placas. Mientras la suspensión pasa por el canal a presión, una parte del fluido sigue fluyendo por el canal hacia al distribuidor múltiple de descarga de líquido claro. La suspensión espesada se mantiene en movimiento rápido para no obstruir el canal. El número de placas escogido es tal de modo que la diferencia de presión en todo el aparato no exceda de 6 kgf /cm2. En estas condiciones es posible duplicar la concentración de la suspensión de entrada. Si se requiere una concentración mayor, la suspensión espesada en un filtro se introduce nuevamente en un segundo filtro.
3.- Filtros rotatorios (continuo de vacío)
En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta de forma continua. La fuerza más común aplicada es la de vacío. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta.
Cabe destacar que los filtros anteriormente vistos son a modo de ejemplo destacando el filtro de prensa, el cual fue usado en el laboratorio. Se pueden encontrar una variedad muy amplia de estos en el comercio dependiendo de la finalidad del proceso a realizar.
Medio filtrante
El medio filtrante puede consistir en tela, papel o material poroso o tejido cuya función es promover la formación de una torta de sólidos. Un medio filtrante debe cumplir con los siguientes requerimientos:
1.Tener facilidad para remover la fase sólida dando un filtrado claro.
2. Debe ofrecer la mínima resistencia al flujo para la rápida formación de la torta de filtración.
3. Tener resistencia a las condiciones del proceso, es decir, ser lo suficientemente fuerte para soportar la torta y aguantar bajo condiciones extremas del proceso.
4. No debe obstruirse o sesgarse, es decir, tener alto rendimiento del liquido para un ΔP dado.
5. Debe ser químicamente inerte y no tóxico.
6. Debe permitir facilidad del retiro de la torta limpia y completa.
7. No ser excesivamente caro.
Filtros Rotatorios
Estos son filtros que trabajan a presión constante de vacío y de forma continua. En este tipo de filtros, el flujo pasa a través de una tela cilíndrica rotatoria, de la que se puede retirar la torta. En estos sistemas, la tela se soporta sobre la periferia de un tambor sobre los que se está formando la torta.
Para este tipo de filtro la Resistencia del medio es considerada despreciable (Rm≈0) y estos están conformados por 5 zonas bien especificadas:
1. Zona de filtración: parte sumergida del filtro.
2. Zona de escurrido: se le separa el exceso de aguas madres por vacío.
3. Zona de lavado: se limpia con agua (chorros), para eliminar por completo las aguas madres.
4. Zona de Secado: se seca casi en su totalidad por vacío a la torta formada.
5. Zona de raspado: se le retira a través de una cuchilla, la torta formada durante la filtración.
Luego de cumplir el ciclo el filtro rotatorio vuelve de nuevo a comenzar su filtración .
Selección de los Equipos de Filtración
Esta selección depende considerablemente de los factores económicos, pero esto variará dependiendo de:
a. La viscosidad del fluido, densidad y reactividad química.
b. Tamaño de las partículas sólidas, distribución de tamaños, forma, tendencias a la floculación y deformabilidad.
c. Concentración de la pasta alimentada.
d. Cantidad del material que va a ser manejada.
e. Valores absolutos y relativos de los productos líquido y sólido.
f. Que tan completa se requiere la separación.
g. Gastos relativos de mano de obra, capital y fuerza motriz.
Metodología para la resolución de problemas de Filtración.
1. Generalmente los problemas de filtración muestran dos partes en el planteamiento. Una parte es la experimental, donde se han realizado experiencias en laboratorio con la suspensión que se usará en la real, tratando de simular el proceso y, la otra parte, la real donde se encuentra la incógnita a buscar pero que usa la misma suspensión de la experimental.
2. Una vez conocido los datos de ambas partes (real y experimental) se determina que tipo de filtración por torta se está desarrollando para conocer cuales ecuaciones se van a utilizar, teniendo en cuenta que existen tres tipos de ecuaciones la de la presión constante, la de filtro rotatorio y la de velocidad constante.
3. Cuando se tienen todos estos datos y las ecuaciones a utilizar se utiliza la parte experimental para conocer valores de la suspensión y del medio filtrante que se necesitan. Por ejemplo, si es filtración a presión constante de la pendiente Kp se despejan los valores de a ,.C,.m , gc (en conjunto) que permanecerán constantes entre el experimental y el real ya que la suspensión no cambia y del punto de corte el valor de Rm de ser necesario. Si es a velocidad constante, del valor de la pendiente se obtiene s y del punto de corte Kr se obtiene en conjunto los valores de a o,.C,.m , gc. Si se trabaja con filtro rotatorio, normalmente, el experimental es a presión constante y los valores despejados se utilizan en el real.
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