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Aplicaciones industriales de la filtración por membranas

Las tecnologías de filtración por membranas están siendo cada vez más utilizadas en los procesos productivos de numerosas industrias. Su capacidad para separar extractos y esencias naturales muy específicas a temperaturas bajas o ambientales las convierte en una tecnología más rentable para este propósito que otros métodos tradicionales.

El tipo de membrana que se escoge es un factor importante para garantizar un buen funcionamiento y un óptimo rendimiento del proceso. Existen diversas clases de membranas que se adaptan a diferentes aplicaciones según cuál sea el nivel de filtrado requerido. Las membranas en espiral, las membranas cerámicas, las membranas de acero inoxidable, las membranas tubulares, las membranas de fibra hueca y las membranas “plate & frame” son los modelos más habituales.

La filtración por membranas es una tecnología a presión que se utiliza para llevar a cabo separaciones líquidas varias. Sus diferentes modalidades son la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración y la osmosis inversa.

La ósmosis inversa es especialmente adecuada para procesos de deshidratación, concentración/separación de sustancias, o tratamiento de residuos líquidos. Es muy útil para concentrar sólidos disueltos o en suspensión, por una parte, y obtener un rechazo líquido que contiene una muy baja concentración de sólidos disueltos por otra.

La ultrafiltración es un proceso de fraccionamiento selectivo que se utiliza habitualmente para el fraccionamiento de leche, suero y proteínas. Concentra sólidos en suspensión y solutos de peso molecular mayor a 1000. Por su parte, el rechazo líquido contiene solutos orgánicos de bajo peso molecular y sales.

La nanofiltración suele aplicarse para desmineralizado, remoción de color, y desalinización.

La microfiltración es un proceso de flujo de baja presión a través de membrana para la separación de coloides y partículas suspendidas en el rango de 0.05 – 10 micrones. La microfiltración se utiliza para fermentaciones, clarificación de caldo y clarificación y recuperación de biomasa.

Aplicaciones industriales

La filtración por membrana puede ser aplicada en infinidad de industrias en las que intervienen procesos químicos. La industria de la alimentación, con especificaciones importantes en los sectores lácteo y del azúcar, la farmacéutica, la biotecnológica y la química, propiamente dicha, son ámbitos en los que la filtración por membranas puede ser de gran utilidad.

La aplicación de las diversas técnicas de filtración por membranas en la industria alimentaria abarca infinidad de campos. Entre los más comunes se pueden citar la concentración de clara de huevo, la Clarificación y preconcentración de jugos de frutas, la concentración y extracción de cenizas de gelatina porcina, vacuna o de hueso, la clarificación de la salmuera de carne para la remoción de bacterias y re-uso de la salmuera, la Concentración de proteínas de vegetales y plantas tales como soja, canola y avena y la desalcoholización de vino y cerveza.

Industria láctea: la filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción, especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche, aplicaciones a suero y otras aplicaciones como el clarificado de salmuera de queso.

Industria de almidones y edulcorantes: el beneficio principal es el incremento en el rendimiento de los productos, entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz como dextrosa y fructosa, la concentración de agua de lavado del almidón, el enriquecimiento de dextrosa, la de-pirogenación del jarabe de dextrosa y el fraccionamiento/concentración de agua de maceración.

Industria del azúcar: la filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no procesado sin utilizar clarificadores primarios, eliminando así muchos problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos tradicionales. Las membranas también pueden clarificar, fraccionar y concentrar varias soluciones de azúcar en el proceso de producción.

Industria química: muchos procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar, diafiltrar y purificar tintes, pigmentos y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes de aguas residuales y de lavado, la concentración y deshidratación de minerales como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio, la clarificación de cáusticos, la producción de polímeros o la recuperación de metales.

Industria farmacéutica: la cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en un proceso de fermentación, especialmente al manufacturar productos como los antibióticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario y el costo de mantenimiento. Las membranas son también una parte estándar de las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas previamente a otros procesos.

Reducción de los residuos líquidos en el sector de las artes gráficas

En este post vamos a repasar algunos de los principales residuos líquidos que se generan en el sector de las artes gráficas y las tecnologías más adecuadas para su tratamiento.

Recuperación de disolventes de limpieza residuales mediante destilación

Descripción: Los disolventes residuales empleados para la limpieza se pueden destilar y reutilizar. Existen equipos para la operación específica del destilado de estos disolventes.

Cuando se aplican sistemas de limpieza de grasa o de purgado, se emplean  disolventes para limpiar este sistema después de cada cambio de color. Los equipos modernos de suministro de tintas ya llevan incorporados equipos de recuperación de estos disolventes.

Beneficios ambientales alcanzados: Los beneficios ambientales conseguidos  mediante esta técnica son muy importantes: Por un lado, se consigue reducir la cantidad de disolventes residuales, que son una vez empleados gestionados como residuos contaminantes. Por otro lado, la utilización del disolvente reciclado reduce la cantidad necesaria de disolvente fresco de limpieza a consumir, lo que conlleva un importante ahorro económico.

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Datos operativos: El equipo de destilación debe ser instalado y operado con cuidado.

Los agentes de limpieza con un alto punto de inflamación normalmente también tienen un alto punto de ebullición. Para estos disolventes, sólo se puede aplicar un equipo de destilación a vacío, de forma que no se alcancen temperaturas excesivamente altas. En esta situación, sin embargo, el empleo de una membrana de filtración puede ser una alternativa más barata. Ya existen máquinas de lavado con un sistema de destilación incorporado.

Aplicabilidad: La recuperación de disolventes de limpieza mediante destilación es una técnica aplicable a todos los sectores industriales. En particular: En las industrias de impresión por huecograbado, flexografía y offset de secado por calor (heat-set offset) es de común aplicación la recuperación de disolventes por destilación. Es sobre todo muy empleada en plantas cuyo consumo supere los 200 litros de disolventes de limpieza a la semana.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Razones para su implementación: Reducción de las emisiones de COVs y cumplimiento de la normativa referente a los mismos. Ahorro económico en materias primas por reciclado de disolvente, y reducción de costes de gestión de residuos generados.

Destilación y evaporación de residuos de productos en base solvente

Descripción: Los residuos en base solvente, como por ejemplo las tintas, barnices y adhesivos empleados en las plantas de impresión pueden ser destilados y evaporados al vacío para recuperar el disolvente y reducir de esta manera la cantidad de residuos peligrosos.

Beneficios ambientales alcanzados: La cantidad de residuos contaminantes y/o peligrosos se reduce y se consigue una reducción en el consumo de materias primas (disolvente).

Efectos adversos: La destilación del disolvente contaminado requiere del consumo de energía.

Aplicabilidad: Esta técnica es aplicable en todas las instalaciones de impresión, tanto nuevas como existentes.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de recuperación de disolventes por destilación varían en un amplio rango, ya que dependen del tamaño necesario del equipo y de la aplicación específica del mismo. Sin embargo, mediante la aplicación de esta técnica se consigue también un considerable ahorro de costes debido a la reutilización del disolvente, así como una minimización en los costes de gestión de los residuos generados, que al ser éstos menores también se reducen.

Reducción y tratamiento del agua residual mediante ultra y nanofiltración

Descripción: Con la ultrafiltración y la nanofiltración (UF y NF), también conocidas como ósmosis inversa, el agua contaminada pasa a través de una membrana semi-permeable a alta presión, que deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no las moléculas de mayor tamaño. La concentración de los compuestos contaminantes sobre la membrana se incrementa por el paso repetido del agua contaminada a través de esta membrana.

Beneficios ambientales alcanzados: Se reduce el volumen de sustancias contaminantes y el agua puede ser reutilizada para, por ejemplo operaciones de limpieza, etc. El residuo filtrado, por ejemplo de tinta o de pintura, puede ser recuperado y re-utilizado.

Efectos adversos: El agua filtrada si no es re-utilizada se vierte por el sistema de alcantarillado. La filtración requiere del consumo de energía

Aplicabilidad: Esta técnica es comúnmente aplicada en las plantas de impresión en las que se emplean grandes cantidades de tintas en base agua, barnices y adhesivos, como son las plantas de impresión de embalaje. También se emplea en la industria automovilística.

Costes económicos: Los costes de instalación del equipo de ultrafiltración ó nanoflitración son bastante elevados.

Destilación al vacío

Descripción: Se trata de una destilación efectuada realizando un vacío en la columna, de forma que la ebullición del disolvente ó del líquido que se quiere separar se produzca a una Tª inferior a la que se produciría a la presión atmosférica. En el resto de las características, esta técnica es similar a la destilación convencional.

Aplicabilidad: Aplicable en toda la industria gráfica.

Tratamiento de purines

Secciones

Desarrollo ganadero e impacto actual

Los residuos y las consecuencias de su vertido se están convirtiendo en uno de los principales problemas del mundo moderno debido al deterioro que causan al medioambiente.

La industria porcina representa una importante actividad económica en España. De acuerdo con los datos del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, en 2013 había en España más de 25 millones de cabezas de porcino, el 51% de las cuales sólo entre las comunidades de Catalunya y Aragón.

Esta cifra ha ido creciendo año tras año en las últimas décadas, proliferando la implantación de granjas de tipo industrial al margen de criterios de ordenación del territorio, que han contribuido al desequilibrio entre ganadería y agricultura. Este hecho ha conllevado a la aparición de numerosos problemas de contaminación ambiental.

Las explotaciones ganaderas, fundamentalmente las de cerdos, no son ajenas a esta problemática, ya que albergan a un gran número de animales, y en numerosas ocasiones no cuentan con terreno suficiente para absorber la gran cantidad de residuos, lo cual plantea serios problemas en el manejo de los mismos.

La Legislación y controles son cada vez más rígidos de cara a encontrar una solución viable a un problema de graves repercusiones medio ambientales.

La Administración, con la intención de atajar los problemas derivados de la sobredosificación de purines a modo de abono en los suelos, ha desarrollado un marco legislativo muy estricto que afecta a la explotación de las granjas.

Así, sistemas que traten los efluentes de forma eficiente y que además sean viables económicamente son indispensables para la supervivencia de las explotaciones actuales así como para la promoción de nuevas.

Problemas derivados de los purines

El doble objetivo consiste en solucionar los problemas planteados por los residuos (olores, problemas de almacenamiento, contaminación de cauces, aguas freáticas y suelos), y por otro lado, aprovechar la carga orgánica y fertilizante que estos poseen para la utilización en la agricultura dando una solución a un producto difícilmente eliminable.

El proceso que se desarrolla en la granja es la cría intensiva de cerdos, por lo general en ciclos cerrados, con una enorme generación de residuos, sólidos y líquidos, que contienen un alto poder contaminante hacia los suelos, aguas, y aire.

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El uso lógico para estos residuos es aportarlos al campo como abono, pero ante la gran concentración de granjas, y por tanto de purines, la cantidad de excrementos resulta excesiva, contaminando suelos, aguas, y emitiendo a la atmósfera gran cantidad de gases generados.

Hasta la fecha, la mayoría de plantas de tratamiento de purines han consistido en plantas de cogeneración, donde se quema gas natural para secar térmicamente los purines y, con el calor residual de combustión, se genera energía eléctrica que se vende e inyecta a la red. No obstante, la nueva reforma del sector eléctrico, que ha reducido sustancialmente el precio del kWh cogenerado, así como el aumento de precio del gas natural, han hecho que este mecanismo técnico-financiero no se sostenga económicamente.

En este contexto, los sistemas en desarrollo de tratamiento de purines deberán ser, además de eficientes y respetuosos con el medio ambiente, también sostenibles económicamente sin la ayuda de bonificaciones artificiales susceptibles de ser retiradas vía un cambio legislativo.

Estos sistemas de tratamiento deberán ser diseñados con arreglo al funcionamiento de las granjas intensivas, las cuales emplean como sistema de limpieza el agua a presión para arrastrar las deyecciones. Esta técnica, que facilita la limpieza e incrementa las condiciones sanitarias de la granja, en contrapartida conlleva un elevado consumo de agua y genera un elevado caudal de purines, que no son más que una mezcla líquido-pastosa de defecaciones, aguas de lavado y restos de pienso.

La concentración de contaminantes de los purines depende del tamaño de la granja, puesto que las explotaciones más grandes hacen un uso más intensivo del agua. En general, la carga contaminante presenta una elevada variabilidad, ya que depende del proceso productivo (maternidad, destete, lechones, engorde, etc.), de la alimentación, de la edad de los animales, etc. Estos factores hacen que sea imprescindible una correcta caracterización de los efluentes.

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Tratamientos y aplicaciones de los purines

Existen diferentes alternativas de gestión de los purines, desde lo más sencillo (y a menudo inviable) hasta lo más eficiente y competitivo, para ello se emplean distintas tecnologías entre las que destacan la ultrafiltracióntratamientos biológicostratamiento físico químico, o la evaporación.

A continuación, una breve descripción de las diferentes alternativas existentes:

  • Aplicación agrícola directa

    Esta solución sólo es viable cuando el balance entre agricultura y ganadería es equilibrado. Cuando la explotación ganadera es industrial, la generación de residuos es muy elevada en proporción a la extensión de suelo disponible, ya que la normativa fija la cantidad máxima de purines que se pueden dosificar al suelo, por unidad de superficie y año.

  • Secado térmico directo

    Aunque es una opción técnicamente eficaz, conlleva elevados costes de operación. Hasta la actualidad era la opción habitual en España, puesto que las bonificaciones a la cogeneración hacían viable económicamente quemar gas natural para secar los residuos y producir energía eléctrica. Con la reforma del sector eléctrico no es viable económicamente quemar gas natural para secar residuos.

  • Compostaje

    La fracción sólida de los purines, mezclada con fibra de coco y turba, puede ser compostada.

    El compost obtenido puede ser utilizado en la restauración ecológica y paisajística de suelos degradados por el pastoreo, la agricultura, la recolección de leña, etc. en los que se ha reducido considerablemente el contenido en materia orgánica y, por tanto, su fertilidad.

    No obstante, sólo es una salida a la fracción sólida y, aunque la calidad del compost es buena, el sobrecoste que tiene esta alternativa en relación con otras sólo es justificable desde el punto de vista de los beneficios ambientales.

  • Tratamiento biológico aerobio + tratamiento fisicoquímico

    Los purines tienen una relación DBO5/DQO entre 0,2 y 0,4 y un elevado contenido de nitrógeno en relación al carbono.

    Estos dos factores hacen que, aunque puedan ser tratados mediante un proceso biológico aerobio con eliminación de nutrientes, los resultados mejoran drásticamente si se combina el proceso aerobio con un sistema fisicoquímico. A pesar de que esta opción es eficaz técnicamente, no es la más competitiva económicamente ni la más sencilla en cuanto a explotación se refiere.

  • Biometanización y evaporación del digestato

    Esta alternativa es la más interesante en cuanto a sostenibilidad tanto económica como ambiental.

    El contenido de materia orgánica de los purines no es muy elevado, pero si se mezclan con residuos orgánicos de origen vegetal o cualquier otro residuo que contenga materia carbonosa, se pueden someter a un proceso de digestión anaerobia o biometanización.

    Como resultado se obtiene:

    • Una fracción sólida (fango digerido), estabilizado e higienizado, el cual puede ser utilizado directamente como abono en agricultura.

    • Una fracción líquida, el digestato, que mediante un proceso de evaporación al vacío puede ser concentrado, obteniendo por un lado agua, y por el otro lado, un residuo concentrado que puede ser valorizado como fertilizante.

    • Una fracción gaseosa, biogás, que puede ser utilizado como combustible en un proceso de cogeneración, en el cual se transforma en energía térmica y en energía eléctrica.

      La energía térmica se puede aprovechar tanto para mantener el digestor anaerobio operando a la temperatura óptima (36-38 ºC), como para satisfacer los requerimientos de calor del evaporador al vacío que trata el digestato. La energía eléctrica puede ser auto consumida tanto en la explotación ganadera como en la planta de tratamiento de purines, reduciendo los costes de explotación de la actividad.

Así pues, las granjas industriales dedicadas al ganado porcino tienen un problema de desequilibrio entre el volumen de purines generado y la extensión de suelo disponible para asimilarlo. La exigente normativa obliga a que los purines generados sean gestionados respetuosamente con el medio ambiente y para el equilibrio financiero de la actividad, el sistema de tratamiento debe ser competitivo económicamente.

De las diferentes alternativas de gestión existentes, la más competitiva económicamente, así como respetuosa con el medio ambiente es el tratamiento de los purines mediante un proceso de biometanización. Como resultados finales se obtiene un sólido utilizable como abono para agricultura, un residuo líquido que puede ser revalorizado como fertilizante, agua y energía que se utiliza en reducir los costes de explotación de la actividad en su globalidad.

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