Importancia e impacto de las aguas de proceso

 Publicado el Por Ilona Schneider

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Las aguas de proceso son un factor crítico en las instalaciones industriales y en la elaboración de productos; por eso debe cumplir los requisitos de calidad más exigentes. ¿Pero qué ocurre, si la calidad de las aguas de proceso no es buena?

Un análisis del proceso ayuda a encontrar la causa del problema cuando el material filtrante se obstruye de forma prematura o no rinde lo que se esperaba. En muchos casos, el problema no se debe a una combinación del material filtrante poco efectiva, ni a un rendimiento de filtración precario, como pudiera esperarse, sino que se debe a una circunstancia totalmente diferente: el agua de proceso. El agua de proceso entra en contacto con todos los materiales y equipos implicados en el proceso de lavado y enjuague y, de no haber sido filtrada, lleva su propia carga de partículas a través del proceso entero hasta la botella. Debido a que algunas partículas pueden repercutir negativamente en el proceso o en el producto a filtrar, valdrá la pena examinar detenidamente el agua de proceso y su composición.

Fuente

La industria de bebidas usa principalmente agua corriente (agua potable) y agua de pozo (agua de manantial). Se usa como agua de alimentación para calderas y como agua de lavado o enjuague para botellas, depósitos, maquinaría de bodegas y plantas embotelladoras (incl. materiales filtrantes). Por eso debe cumplir con unos criterios de pureza muy estrictos.

Las características físicas, químicas y microbiológicas del agua corriente se especifican en la normativa alemana de agua potable (Trinkwasser-Verordnung, TrinkwV) [1]. Esta normativa expone, que: “El agua potable debe ser de tal calidad y condición, que su consumo o uso no logre provocar o suponer daños para la salud humana, en especial, mediante agentes patógeno-infecciosos. Debe ser pura y apta para el consumo humano”. La normativa también especifica claramente el perfil microbiológico.

El agua de pozo (agua de manantial) tiene su origen en recursos hídricos subterráneos que pueden ser extraídos de una o más fuentes naturales o artificiales explotables. Los requisitos microbiológicos son los mismos que los aplicados al agua potable. El agua de manantial también debe estar prácticamente libre de patógenos. Este requisito se cumple si no se detectan bacterias como lo son E. coli, coliformes, estreptococos fecales o pseudomonas aeruginosa en una muestra de 250 ml. Además, no debe contener anaerobios sulfito-reductores esporulados en muestras de 50 ml. Cuando se extrae y embotella el agua de manantial, esta solo debe contener microorganismos replicables o viables que no presenten ningún indicio de contaminación [2].

Los distintos tipos de agua pueden contener diversas substancias extrañas y contaminantes de naturaleza molecular, coloidal y de basta dispersión en partículas. Los procesos de filtración se pueden ajustar a cada proceso individual para eliminar las substancias extrañas tales como partículas, hierro, cal, óxido o arena de las tuberías, así como microorganismos como lo son bacterias, levaduras y mohos, para garantizar un agua de óptima calidad. Antiguamente, se usaban los filtros en profundidad, principalmente naturales (filtro de lecho arena o gravilla). Hoy en día, los cartuchos filtrantes en profundidad y los de membrana son los preferidos.

Al respecto hay que recalcar que los cartuchos filtrantes de membrana pueden considerarse como un método de filtración que contribuye a la seguridad del proceso debido a que antes de la filtración se puede probar su integridad y así comprobar su funcionalidad. En comparación con los procesos químicos de preparación del agua que usan cloro y ozono, estos cartuchos ofrecen dos ventajas adicionales: después de la filtración, el sabor del agua es neutro y puede ser usada de inmediato.

Filtración

En bodegas enológicas, el agua de proceso se prepara a menudo usando sistemas de filtrado que contienen cartuchos filtrantes en profundidad y de membrana, los cuales eliminan las partículas y microorganismos, o para preparar las plantas que suavizan y desmineralizan el agua de proceso. La Tabla 1 muestra los cartuchos filtrantes y las combinaciones de cartuchos filtrantes más usados que se emplean para filtrar el agua de alimentación para calderas, para lavado y enjuague de botellas, depósitos, y maquinaria de bodegas y plantas embotelladoras en distintas bodegas vitivinícolas de Alemania.

Esta sinopsis de aplicación en la práctica pone de manifiesto que para filtrar aguas de proceso se usan cartuchos filtrantes en profundidad con índices de retención nominal diferentes que se complementan con (empresa IV) o sustituyen por (empresa III) cartuchos filtrantes de membrana, según se requiera. La empresa I ni siquiera efectúa un filtrado del agua de proceso. ¿Pero, por qué es tan diferente el enfoque incluso cuando todas las empresas usan agua corriente como agua de proceso? Para contestar a esta pregunta, se ha analizado el agua de proceso de las empresas I, II, III y IV.

Filtración y carga de partículas

Para determinar la filtrabilidad y la carga de partículas, se ha realizado una medición del índice de filtrado usando el dispositivo de medición de índices BECO LiquiControl2™. El depósito de almacenamiento del dispositivo se llena con 5 litros de agua de proceso y se filtra a través de una membrana del filtro plana de 0,45 μm (disco de membrana de prueba) a una presión constante de 1,0 bar. El caudal inicial se mide después de 200 mililitros y el caudal final después de filtrados esos 5 litros. La filtrabilidad se determina según el volumen de filtración obtenido por minuto. La calidad del agua es óptima si el caudal final (flujo) es superior a 400 ml/min. Fue posible filtrar las muestras de 5 litros examinados de cada empresa de las que se ha valorado la filtrabilidad en una escala de nivel fácil a medio (ver Imagen 1). Si resultara difícil filtrar el agua de proceso, una prefiltración más ajustada mejorará la filtrabilidad reduciendo las partículas y la contaminación.

Los discos de membrana de prueba son evaluados visualmente junto con los resultados de filtrabilidad. Estos residuos proporcionan información sobre la carga de partículas y se inspeccionan los discos de membrana de prueba específicamente en busca de residuos de hierro usando la prueba ferri-ferro (del par ferricianuro-ferrocianuro). Si se detectan partículas como hierro, cal u óxido, puede que estos dejen una capa de suciedad en los cartuchos filtrantes. Esta capa de suciedad reduce el rendimiento de filtración (flujo) y vida útil hasta provocar una obstrucción completa de los cartuchos filtrantes (ver Imágenes 2 y 3).

La empresa I usa agua de proceso sin filtrar. La medición del índice muestra que puede ser filtrada fácilmente. La capa de suciedad que pesa sobre los discos de membrana de prueba indican una cantidad considerable de suciedad y la prueba ferri-ferro detecta hierro, lo que indica la existencia de depósitos de óxido en el sistema de tuberías. Los residuos de hierro pueden atascar las superficies del material filtrante por lo que pueden reducir de manera significativa su rendimiento y su vida útil.

El agua de proceso en la empresa II presenta un flujo final de 296 ml/min, por lo que se clasifica como difícil de filtrar. Para mejorar la filtrabilidad, esta se filtra con un cartucho filtrante en profundidad con un índice de retención de 0,3 μm. Tras la filtración por cartucho, la filtrabilidad mejora considerablemente y el flujo final se sitúa en 510 ml/min. La prueba microbiológica detectó bacterias y levaduras en el agua de proceso no filtrada (ver Tabla 2). La filtración de cartucho eliminó las levaduras y redujo las bacterias.

La empresa III presentaba una capa de suciedad sobre el disco de la membrana de prueba después de la medición del índice del agua de proceso sin filtrar. Después de la filtración con un cartucho de membrana de 0,45 μm, las capas de suciedad ya no eran visibles. Además, la prueba microbiológica demostró que el agua de proceso estaba exenta de levaduras y bacterias, pero que contenía una alta concentración de ácido silícico (datos no reflejados aquí). La filtrabilidad del agua con un flujo final de aproximadamente 400 ml/min se puede clasificar como fácil. Cabe señalar que la filtrabilidad no mejora más a pesar de la filtración eficaz, lo que sugiere que es a raíz de la concentración de ácido silícico [3].

La empresa IV aplica requisitos de rigor en lo relativo a la microbiología del agua de proceso usada. Para garantizar que el agua no presente bacterias ni levaduras, se colocan en serie, un cartucho filtrante en profundidad con un índice de retención nominal de 0,3 μm y un cartucho filtrante de membrana con un índice de retención absoluta de 0,2 μm. La medición del índice con un caudal final de 487 ml/min indica que el agua puede ser fácilmente filtrada y el disco de la membrana de prueba no presenta ninguna capa de suciedad visible. Los resultados de la prueba microbiológica muestran que el agua de proceso está libre de bacterias y levaduras (datos no reflejados aquí).

Microbiología

Aparte de determinar la filtrabilidad, se analizó también en la empresa II la carga microbiológica en el agua de proceso de acuerdo al procedimiento unificado alemán (DEV) y a la normativa de agua potable para muestreo de aguas potables y de enjuague [4]. Para ello se extrajeron muestras de aguas de proceso filtradas y sin filtrar. Todas las muestras cumplieron con los valores umbrales de la normativa de agua potable.

Además, fue examinada la situación microbiológica sobre las muestras filtradas y las no filtradas. Dichos resultados se desprenden de la Tabla 2.

Los resultados de la prueba microbiológica indican que la muestra no filtrada (agua corriente) contiene los tipos de bacteria Microbacterium spp. y Mycobacterium spp., además de levaduras del tipo Cryptococcus spp. y Pichia fermentans.

Los residuos metabólicos de las bacterias Microbacterium spp. tienen un impacto negativo en bebidas y el oxígeno estimula además su crecimiento. La falta de oxígeno, temperaturas inferiores a los 15 °C y un valor pH de 4,5 inhiben o retrasan su crecimiento [5]. Las bacterias Mycobacterium spp. pueden encontrarse tanto en la tierra como en el agua; sin embargo, no se consideran perjudiciales para las bebidas.

Cryptococcus spp. y Pichia fermentans son levaduras vivas que requieren grandes cantidades de oxígeno para su metabolismo. No sobreviven en el vino debido al escaso contenido de oxígeno [3].

Los resultados de las pruebas microbiológicas de las muestras de agua después del filtrado muestran que el cartucho filtrante en profundidad de 0,3 μm eliminó las bacterias Mycobacterium spp. y las levaduras. No obstante, las bacterias Microbacterium spp. no fueron eliminadas. Debido a que necesitan oxígeno para su reproducción, no pueden sobrevivir en vino por lo que tampoco afectan a la calidad y la estabilidad del producto final.

Además, se detectaron bacterias del tipo Rhodococcus spp., aunque se desconoce la causa de esta contaminación secundaria. Estas bacterias se encuentran principalmente en el agua y en la tierra.

Conclusiones

El agua de proceso y también los sistemas de conductos y cañerías son por decirlo así, de mucho cuidado. El impacto y la influencia que tienen en el proceso de producción se desprenden claramente de los resultados prácticos aquí detallados. El agua de proceso puede contener diversas partículas de suciedad (hierro, cal, óxido o arena) y contaminantes microbiológicos (bacterias, levaduras o mohos). Cuando “se abre el grifo”, distribuye toda su carga de partículas a lo largo y ancho del proceso de producción hasta llegar a la botella. En este proceso, los depósitos, impurezas y la suciedad pueden limitar de modo considerable el funcionamiento de equipos e instalaciones, de los sistemas y de materiales filtrantes y, por último, derivar en problemas de higiene. Por este motivo, el estado general, la limpieza y el mantenimiento de todo el sistema y en especial el de los conductos y cañerías, desempeñan un papel importante.

Para un proceso de producción óptimo, las etapas de filtración del caudal de líquidos (productos a filtrar y agua de proceso) así como la limpieza y el enjuague del sistema deben estar bien armonizadas. Determinar la filtrabilidad e identificar la carga de partículas del agua de proceso usada contribuye en averiguar cuál es la solución de filtración apropiada para esta etapa del proceso. Las combinaciones de cartuchos filtrantes más efectivas se pueden determinar basándose en los resultados. Esto protege a todos los componentes del proceso contra impurezas y contaminación a la vez que aumenta la eficacia de los materiales filtrantes para la filtración del producto. Además, supone una aportación importante en la protección de la calidad del producto final, ya que el resultado deseado es lograr alta calidad y eso se consigue si el agua de proceso no solo está clara, sino que también es pura.

 

Una combinación lograda para la filtración de aguas de proceso es el cartucho de prefiltrado BECO PROTECT PG™ (1 μm) y el cartucho filtrante de membrana BECO MEMBRAN PS™ Aqua (0,2 μm) de Eaton de la oferta de cartuchos filtrantes BECO®. Los vellones de polipropileno de prefiltrado están clasificados de gruesos a finos y componen así un filtro ajustado y estable que retiene una amplia gama de partículas. Así se acondiciona el agua de proceso a la posterior filtración con cartucho filtrante de membrana. El material de filtro del cartucho filtrante de membrana está compuesto de polietersulfona y tiene un alto índice de retención en lo que respecta a microorganismos. Su especial distribución por tamaños de poros asimétricos optimiza el caudal y maximiza la tasa de flujo y larga durabilidad. Las dimensiones del área de filtración se han seleccionado a modo de 0,75 metros cuadrados por elemento de 10 pulgadas para que también resista al flujo efectivo y con estabilidad mecánica a la presión y a flujos de gran caudal. Después de esta filtración de dos etapas, el agua de proceso está exenta de partículas y de contaminación que pudieran tener un impacto negativo en botellas, recipientes, equipo y maquinaria de bodegas y de plantas embotelladoras (incluyendo materiales filtrantes).

Las recomendaciones para el filtrado de aguas de proceso, incluidos los intervalos de regeneración de cartuchos filtrantes, están resumidas en la Tabla 3.

Referencias

[1] Trinkwasser-Verordnung (TrinkwV), (Normativa alemana de agua potable)

http://www.dvgw.de/wasser/recht-trinkwasserverordnung/trinkwasserverordnung/

[2] Verordnung über natürliches Mineralwasser, Quellwasser und Tafelwasser (Mineral- und Tafelwasser-Verordnung) [La normativa de agua mineral natural, agua de manantiales y agua potable embotellada (Normativa de agua potable embotellada y mineral)], https://www.gesetze-im-internet.de/min_tafelwv/BJNR010360984.html

[3] Wasser und Wasseruntersuchung (Agua y análisis del agua), Leonhard A. Hütter, Otto Salle Verlag, 6. edición, 1994, p. 134

[4] Anwenderblatt Nähragar nach DEV (Hoja del usuario para el agar nutritivo conforme al procedimiento de prueba unificado alemán), Döhler Design Microbiology, Versión 4.0, 19/06/2015

[5] Mikrobiologie der Lebensmittel-Getränke (Microbiología de las bebidas alimenticias),  Helmut H. Dittrich, Behr’s Verlag, 1993, p. 103


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