ES2346398T3 - Sistema y método de filtración de líquidos - Google Patents

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Abstract

Un método de filtración que comprende:<br /><br /> a. proporcionar una fuente de fluido destinado a ser filtrado, un primer conducto que conecta la fuente a una entrada de un dispositivo de filtración, de tal modo que el dispositivo de filtración comprende uno o más alojamientos que contienen uno o más filtros, estando los uno o más filtros en comunicación de fluido con una salida de alojamiento que se encuentra en comunicación de fluido con un segundo conducto que conduce a un componente de aguas abajo, de manera que el componente de aguas abajo es susceptible de cerrarse selectivamente por una primera válvula normalmente abierta, un bucle de recirculación susceptible de cerrarse selectivamente para el producto filtrado procedente de la primera válvula, que lleva, a través de un tercer conducto, de vuelta a la salida de alojamiento, de forma que el bucle de recirculación está normalmente cerrado con respecto a la salida por una segunda válvula, estando la entrada y la salida situadas en una porción más superior del alojamiento, y estando situado un paso de drenaje en una porción más inferior del alojamiento, de manera que existen una o más lumbreras formadas en el lado del alojamiento adyacente a los uno o más cartuchos de filtro, de tal modo que las una o más lumbreras están conectadas a un lado del alojamiento adyacente a los uno o más cartuchos de filtro, de forma que la (las) lumbrera(s) están conectadas al primer conducto por medio de un conducto de lumbrera controlado por una válvula de lumbrera;<br /><br /> b. suministrar el fluido que se ha de filtrar a través del primer conducto y al interior de la entrada del alojamiento;<br /><br /> c. hacer pasar el fluido a través de los uno o más cartuchos de filtro, y al interior de la salida y al interior del segundo conducto, y, pasando por la primera válvula, hasta la componente de aguas abajo;<br /><br /> d. seleccionar un parámetro, que se selecciona de entre el grupo consistente en tiempo, diferencial de presión a través de la membrana y reducción del caudal de flujo;<br /><br /> e. supervisar el parámetro seleccionado con el fin de determinar cuándo se alcanza o se supera el parámetro;<br /><br /> f. al alcanzar o superar el parámetro seleccionado, cerrar la primera válvula, abrir el paso de drenaje y abrir la segunda válvula para dirigir el producto filtrado de vuelta, a través de la salida y los uno o más cartuchos de filtro, al interior del alojamiento y hacia fuera por el paso de drenaje, durante un periodo de tiempo suficiente como para lavar por circulación en reflujo los cartuchos de filtro;<br /><br /> g. cerrar la segunda válvula y el paso de drenaje y abrir una tercera válvula y un cuarto conducto situado entre la primera válvula y el segundo conducto y el primer conducto, durante un periodo de tiempo deseado para hacer recircular el fluido, y<br /><br /> h. cerrar la tercera válvula y el cuarto conducto, y reabrir la primera válvula y reiniciar el suministro de fluido desde la entrada hacia los uno o más cartuchos de filtro, al objeto de reiniciar el procedimiento de filtración.

Description

Sistema y método de filtración de líquidos
El presente invento se refiere a un sistema y a un método para la filtración de líquidos. Más particularmente, se refiere a un sistema y a un método para la filtración de líquidos que pueden tener altos contenidos de sólidos tales como cerveza, vino, agua y zumos de fruta, o flujos biológicos tales como de biorreactores que comprenden proteínas o enzimas policlonales, monoclonales u otras deseadas, según las reivindicaciones adjuntas 1 y 19.
Antecedentes del Invento
Los vinos, las cervezas, los zumos de fruta, el agua y los flujos de biorreactores que contienen proteínas y otros líquidos semejantes requieren ser filtrados para eliminar impurezas tales como cristales de azúcar del vino; o desechos de células y otros componentes celulares del flujo del biorreactor, o levaduras de cerveza, o pellejos de uva, otras pieles de fruta y otros desechos encontrados en líquidos en bruto e incluso parcialmente purificados.
Tradicionalmente, esto se ha hecho con tierra diatomácea suelta que se añade al líquido y que se deja sedimentar. Una tecnología más avanzada han resultado ser los varios productos lenticulares o de placas y marcos que están formados de un material de fibra celulósica y diversos materiales de relleno tales como tierra diatomácea y varios polímeros cargados. Estos filtros son dispositivos de flujo normal, lo que significa que el líquido es dirigido a ellos y el líquido fluye a través de ellos hasta una salida mientras que las impurezas permanecen atrapadas en la almohadilla
o almohadillas. Estos filtros están dispuestos en una carcasa que puede comprender uno o más, generalmente varios, de estos filtros, ya en un marco de un dispositivo de placa y marco o en una barra central que tiene una serie de agujeros que conducen a la salida dentro de la barra en un dispositivo de almohadilla lenticular. El líquido entra a través de una entrada generalmente en el lado del fondo de la carcasa y fluye alrededor y a través del filtro o filtros hacia las aberturas en la barra y sale por el fondo de la carcasa a través de una salida. Los filtros de almohadilla se obstruyen fácilmente con impurezas que limitan su uso en procesos de producción. Esto frecuentemente requiere el uso de dos o más sistemas de filtro idénticos que son hechos funcionar secuencialmente durante una operación de filtración para asegurar una capacidad adecuada.
Más recientemente, los usuarios han comenzado a considerar dispositivos de FFT (filtración de flujo tangencial) para tales aplicaciones de filtración. Los sistemas de FFT utilizan el flujo tangencial a través del frente de la membrana para barrer constantemente la superficie de la membrana y limpiarla de materiales que podrían bloquear u obturar la membrana, llevando a una caída en la eficiencia y tiempo de vida del filtro. Estos dispositivos pueden hacerse de filtros cerámicos de fibra plana o hueca o filtros poliméricos de fibra plana hueca o arrollados en espiral.
Aunque útiles para aumentar la vida del sistema de filtro, tales sistemas de FFT tienen inconvenientes que incluyen el coste del equipo y de hacerlo funcionar así como un alto volumen de retención de líquido y potencial daño/degradación del líquido debido a las numerosas recirculaciones a través de la bomba o bombas del sistema.
Los sistemas de filtro de FFT requieren más inversión de capital que los filtros de almohadilla y necesitan un extenso equipo especializado que incluye filtros, recipientes, bombas, líneas de retentado, etc. especiales, que son costosos de adquirir. Adicionalmente, el proceso que usa este tipo de filtro es diferente y requiere una instrucción especial y un equipamiento de capital dedicado para hacer esto. Además de eso, el sistema usa de 10 a 20 veces la energía de un sistema de almohadillas para el bombeo para producir la adecuada recirculación del fluido para crear y mantener el flujo de FFT. Asimismo, debido a la extensa instalación de tuberías usada en tales sistemas, hay un gran volumen de retención de líquido en el sistema después de que la filtración está terminada. El fluido que no ha sido filtrado y está en el tanque, en las líneas de retentado, bombas, etc. es desechado después del proceso de filtración. Frecuentemente, esto se mide en decenas de galones (1 galón y
o 3,78 litros) de liquido que se pierdepuede ascender hasta el 10 % (dependiendo de la capacidad de retención de líquido del sistema y de la duración y número de ciclos de filtración repetidos) del volumen de partida, llevando a un menor rendimiento global de producto. Finalmente, muchos líquidos son sensibles a fuerzas de cortadura y otras fuerzas similares impuestas sobre ellos en dispositivos de FFT y pueden degradar o dañar el producto, especialmente el vino.
Los filtros cerámicos funcionan pero tienen la desventaja adicional de ser susceptibles a la rotura bajo una variedad de condiciones que en la mayor parte no pueden ser identificadas o cuantificadas. Una alternativa a los filtros cerámicos de FFT es ahora un sistema de fibra hueca plástica o polimérica con bajo o limitado flujo transversal de manera que se reduce el número de ciclos en que el líquido es recirculado. Aun cuando se expone que la calidad del líquido es mejorada reduciendo la recirculación, hay todavía los inconvenientes de un costoso y grande volumen de retención de líquido. Sin embargo y más importantemente, el bajo flujo transversal se realiza aumentando el área superficial de las membranas utilizadas, frecuentemente al menos 2X la de un sistema de FFT tradicional, aumentando de nuevo el coste y el volumen de retención de líquido. Adicionalmente, las membranas poliméricas de FFT son relativamente débiles en su resistencia y son susceptibles de rotura si se les aplica demasiada presión o esfuerzo cortante. Además, la limpieza de tales filtros es difícil, costosa y requiere mucho tiempo, haciendo el coste de tal filtración mucho más caro.
Por otra parte, la FFT es en general muy difícil de aplicar a la filtración en frío tal como puede usarse con vino, cerveza y aplicaciones de zumo de fruta, ya que la mayor viscosidad del líquido debido a la menor temperatura lleva a menores caudales unitarios y por lo tanto a sistemas más grandes, lo que los hace difíciles de ser viables económicamente. Otra desventaja en el uso de filtros de FFT poliméricos en aplicaciones de vino o zumo de fruta en frío, que frecuentemente incluyen la filtración de cristales, es que las membranas poliméricas no son compatibles con el efecto de "arañado" de los cristales de azúcar en la filtración en frío, causando desgaste en los filtros y la producción de partículas en el fluido.
Los documentos US-A-2 423 172, US-A-3 155 613, US-A-4 973 404 Y US-A-4 704 210dan a conocerprocesos de filtración con ayuda de filtro común, con reacondicionamiento de la superficie del medio filtrante con material de ayuda de filtro tras regeneración mediante lavado por circulación en reflujo. El reacondicionamiento se realiza por recirculación del líquido filtrado hacia el lado de alimentación del filtro hasta que el líquido filtrado llega a estar claro. El material de la torta de filtro lavado por circulación en reflujo es vaciado en el fondo del aparato de filtrado.
El documento WO 2008/109928 Ada a conocer un proceso de filtracion con aYuda de filtro comun en elcual el fluido a ser filtrado es dirigido desde una entrada de fluido hasta filtros de barrera dispuestos entre la entrada de fluido y una primera salida de fluido de manera que se provoca una erosión continua del material aglomerado sobre los filtros de barrera.
Lo que se requiere es un sistema para la filtración de grandes sistemas de sólidos que sea fácil de instalar y de hacer funcionar, y que sea menos costoso de adquirir y manejar que los sistemas de FFT y que aumente los rendimientos con mínimos ciclos de filtración a través del sistema para minimizar la degradación.
Sumario del Invento
El presente invento se refiere a un sistema y a un proceso para hacer funcionar el sistema que permiten la filtración a largo plazo de producto sin pérdida de capacidad de filtración debido a obstrucción o incrustaciones, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas. El sistema es un sistema de filtración de flujo normal que tiene uno o más cartuchos de filtro acoplados a una salida de una o más carcasas del sistema. El cartucho o cartuchos de filtro están contenidos dentro de una cubeta y penden de preferencia verticalmente de la salida. El líquido entra en la cubeta de la carcasa y establece contacto con las superficies exteriores del uno o más cartuchos. Las impurezas son atrapadas sobre o dentro de la superficie del filtro y el líquido filtrado fluye a través del filtro y a través de la salida. Se miden uno o más parámetros tales como caudal, caída de presión a través de la membrana y/o tiempo, y cuando se obtienen el parámetro o parámetros deseados, cesa la filtración. Se produce un lavado por circulación en reflujo hacia atrás a través de los cartuchos de filtro de manera que se separan las impurezas atrapadas sobre o dentro de la superficie del filtro. Este material lavado en reflujo es dirigido a una salida de la cubeta que está conectada a un paso de drenaje. El sistema es luego recirculado de una manera aguas abajo para restablecer el equilibrio y la filtración es reanudada de nuevo.
Opcionalmente, puede haber también una lavado por circulación lateral del exterior de los cartuchos a través de una
o más lumbreras formadas en la pared lateral de la cubeta adyacente a la superficie o superficies de los uno o más cartuchos. Esto puede hacerse en lugar de, pero preferentemente además de, la etapa de lavado por circulación en reflujo y puede ocurrir antes o después de la etapa de lavado por circulación en reflujo pero antes de la etapa de recirculación. El líquido no filtrado es dirigido contra las superficies exteriores del cartucho o cartuchos para desalojar cualesquiera impurezas atrapadas y para eliminar cualesquiera impurezas que pudieran haberse sedimentado en la cubeta. La lumbrera o lumbreras pueden ser tangenciales a la superficie vertical del cartucho o cartuchos de filtro; preferentemente la lumbrera o lumbreras son perpendiculares a la superficie o superficies verticales exteriores del cartucho o los cartuchos.
Adicionalmente, las etapas para el lavado del filtro o filtros con agua y la limpieza del sistema pueden ser conducidas usando el diseño del sistema existente.
Por otra parte, puede usarse un sistema con dos o más carcasas de manera que al menos una esté en producción mientras que la otra o las otras están siendo regeneradas o limpiadas.
El sistema puede usarse en un proceso que sea hecho funcionar automáticamente (por medio de una serie de PID, una CPU, un ordenador, una red de ordenadores u otro sistema que controla el hardware y/o el software).
El sistema también incluye un proceso para la filtración de un líquido por medio de uno o más cartuchos de filtro, lavado por circulación en reflujo del cartucho o cartuchos de filtro, opcionalmente lavado por circulación lateral del exterior del cartucho o cartuchos a través de una lumbrera en la pared lateral de la carcasa y una etapa de recirculación. Opcionalmente, el lavado con agua o CIP también puede ser realizado en el presente sistema.
En los Dibujos
La Figura 1 muestra una carcasa útil en un sistema según el presente invento en sección transversal.
La Figura 2 muestra una ampliación de una parte de la carcasa de la Figura según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 3 muestra el recorrido de flujo para la filtración en un sistema según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 4 muestra el recorrido de flujo para el lavado por circulación en reflujo en un sistema según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 5 muestra el recorrido de flujo para la recirculación en un sistema según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 6 muestra el recorrido de flujo para el lavado por circulación lateral en un sistema según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 7 muestra el recorrido de flujo para el lavado o limpieza con agua en el sitio (CIP) en la dirección inversa en un sistema según el presente invento en vista en sección transversal.
La Figura 8 muestra un sistema del presente invento que usa dos de tales carcasas en paralelo o alternativamente.
Descripción Detallada
Por “lumbrera o lumbreras” se entiende que existen o pueden usarse una o más lumbreras. Por “cartucho o cartuchos de filtro” se entiende que pueden existir o usarse uno o más cartuchos.
La Figura 1 muestra una carcasa filtrante 2 según el presente invento. Está formada por dos componentes principales, una cabeza 4 Y una cubeta 6. La cabeza comprende una entrada 8 Y una salida 10. La cubeta 6 tiene un paso de drenaje 12 formado en o cerca de su punto más bajo 14.
La cubeta 6 puede tener un fondo troncocónico 16 como se muestra o puede tener un fondo redondeado, uno cónico
o incluso uno plano, si se desea. Preferentemente es de forma troncocónica, redondeada o cónica. Teniendo una forma semejante junto a y/o en su punto más bajo 14, el paso de drenaje 12 puede funcionar más eficientemente para eliminar residuos e impurezas de la carcasa 2 como se describirá más adelante. Frecuentemente, estas formas permiten la concentración de las impurezas de manera que se pierden en el sistema cantidades mínimas de producto cuando se eliminan las impurezas de la carcasa.
Como se muestra el uno o mas cartuchos de filtro 18 estan acoplados a la salida 10 de la carcasa 2. El cartucho o cartuchos 18 estan dispuestos de manera que el cartucho o cartuchos 18 penden verticalmente desde la salida 10 de la cabeza 4 hacia el interior de la cubeta 6. Estos cartucho o cartuchos 18 son de disefo bien conocido Y tienen un extremo cerrado 19 que en esta realización está muy distante de la salida 10 y un extremo de salida abierto 21 que está acoplado a la salida 10 de la carcasa 2. El cartucho o cartuchos 18 comprenden una o mas capas de material filtrante que pueden ser membranas de plástico poroso plegadas, fibras hiladas o arrolladas tales como de plástico, vidrio y similares y/o materiales no tejidos. Si se desea, pueden utilizarse varias capas de soporte y protectoras tales como una jaula protectora porosa exterior, un núcleo poroso interior y una o más capas de materiales de soporte filtrantes tales como cañamazos no tejidos porosos y similares.
Los plásticos típicos para el material filtrante incluyen, pero no están limitados a ellos, poliolefinas tales como polietileno y polipropileno, fluoruro de polivinilideno (PVDF), alcoholes polivinílicos, policloruros de vinilo, polisulfonas, poliarilsulfonas, poliétersulfonas, polifenilsulfonas, resinas de PTFE, resinas de PFA, poliésteres, nilones, poliamidas, poliimidas y celulosas y materiales celulósicos modificados tales como acetato de celulosa.
El tamaño de poro del filtro variará dependiendo del tipo de filtro elegido, las impurezas a filtrar y similares. Puede alcanzar desde unos 0,1 micrómetros de tamaño de poro medio hasta 10 micrómetros de tamaño de poro. Típicamente, se usa un tamaño de poro de 2,0, 1,0, 0,65, 0,45 o 0,22 micrómetros para filtros de tipo membrana dependiendo de la aplicación, las impurezas a eliminar, la cantidad de impurezas presentes y similares. Preferentemente se usa un filtro que tiene un tamaño de poro entre unos 0,65 y 2,0 micrómetros. Los filtros de profundidad y no tejidos tales como los filtros arrollados y similares frecuentemente no son evaluados por el tamaño de poro pero puede usarse la estimación de que son de los mismos tamaños de poro que para membranas.
La carcasa también puede comprender una o más lumbreras adicionales 20 en el lado de la carcasa 2 adyacente a los filtros 18, que se usan en el proceso de limpieza descrito en detalle mas abajo. La lumbrera o lumbreras son tangenciales a la superficie esencialmente vertical del cartucho o cartuchos de filtro y pueden estar en un ángulo c formado entre la línea central (A-A) 23 del cartucho o cartuchos y la línea central (B-B) 25 de la lumbrera 20 como se muestra en la Figura 2. Preferentemente, el ángulo c es de unos 15º a unos 165º, más preferentemente de unos 30º a unos 150º o 45º a 135º, y lo más preferentemente es esencialmente perpendicular o de unos 90º. La lumbrera o lumbreras 20 están en comunicación de fluido con la fuente 26 de fluido no filtrado por un conducto de lumbrera 21 que se ramifica del conducto 28. El conducto de lumbrera 21 está generalmente cerrado por una válvula de lumbrera (no mostrada) y solo está abierto para una etapa de lavado por circulación lateral explicada más abajo en la Figura
6.
La Figura 3 muestra una carcasa semejante 2 y el sistema en el que está incorporada. Una bomba 22 está conectada en su entrada 24 a una fuente de liquido 26 a ser filtrado. Un conducto 28 conecta la salida 30 de la bomba 22 a la entrada 8 de la carcasa 2. El liquido entra en la cubeta 6 Y es extraido a traves del filtro 18 Y a traves de la salida 10. El paso de drenaje 12 está conectado a una línea de residuos 32 y cerrado respecto de la línea de residuos por una válvula (no mostrada).
Opcionalmente un primer sensor 36 esta situado en la entrada 8 Y un segundo sensor 38 está situado en la salida
10. Los dos sensores 36, 38 en combinacion pueden medir la presion a traves de la membrana en el uno o mas cartuchos de filtro 18 o el caudal del sistema como se describira mas abajo. Los sensores pueden ser sensores de presión si determinan la diferencia de presión a través de la membrana o medidores de flujo si determinan caudales unitarios. Puede usarse cualquier sensor de presión, sea de lectura de cuadrante o analógico o digital. El sensor de presión puede ser "tonto", requiriendo al operador comprobar el indicador o la lectura para determinar si se ha obtenido un parámetro deseado (como se explicará más abajo) o puede ser inteligente y proporcionar una señal al sistema cuando se alcanza el parámetro. Igualmente puede usarse cualquier sensor de flujo, tal como un sensor de flujo de rueda de paletas que determina el flujo contando las revoluciones de la rueda o hélice en el sensor. Puede ser de lectura de cuadrante o analógico o digital. El sensor puede ser "tonto", requiriendo al operador comprobar el indicador o la lectura para determinar si se ha obtenido el parámetro (caudal) deseado (como se explicará más abajo) o puede ser inteligente y proporcionar una señal al sistema cuando se alcanza el parámetro.
El líquido filtrado (líquido que ha pasado a traves de la capa o capas de filtro del cartucho o cartuchos 18) sale de la carcasa 2 a través de la salida 10 hacia el conducto 40 y a través de la válvula 44 hacia un tanque de etapa siguiente o almacenamiento 42. También está mostrada una valvula 46 en un conducto 48 que selectivamente permite al líquido filtrado fluir hacia un tanque 50 de lavado por reflujo para su almacenamiento y uso como se describe más adelante. La válvula 46 normalmente está cerrada permitiendo al líquido filtrado fluir a través de la válvula 44.
En funcionamiento, el líquido a ser clarificado o filtrado es suministrado desde la fuente 26 tal como una tina, tanque
o cuba hasta la entrada 24 de la bomba. La bomba 22 impulsa el liquido a traves del conducto 28 hasta la entrada 8 de la carcasa 2. El liquido entra en la cubeta 6 fuera del cartucho o cartuchos 18 Y pasa a traves de la capa o capas de filtro del cartucho o cartuchos 18 hasta la salida 10 de la carcasa 2. Luego sigue a traves del conducto 40 Y la válvula 44 hasta un componente de aguas abajo tal como un tanque de etapa siguiente o almacenamiento 42.
Las impurezas son mantenidas en la cubeta 6 o resultan atrapadas en la capa o capas de filtro del cartucho o cartuchos 18. Despues de un corto espacio de tiempo la velocidad de filtración disminuirá y/o la diferencia de presión a traves de la membrana aumentara por encima del parametro aceptado Y el cartucho o cartuchos 18 necesitaran ser lavados por circulación en reflujo. El momento en que debe producirse este lavado por circulación en reflujo puede ser determinado por una variedad de parámetros, incluyendo, pero con limitación a ellos, el tiempo, la presión a través de la membrana y los caudales unitarios.
En cuanto al uso de un parámetro de tiempo, se puede simplemente aplicar un temporizador a los controles para la bomba 22 y/o las válvulas hacia dentro y fuera de la carcasa 2, si los hubiera. En un programa predeterminado, la bomba 22 es cerrada y el líquido filtrado es arrastrado desde el tanque 50 por medio de la bomba 52 y el conducto 54 Y la valvula 56, que esta abierta, Y retrocede a traves del filtro o filtros 18 para desalojar cualesquiera impurezas que esten adYacentes o incrustadas en el filtro o filtros 18. Las impurezas luego se sedimentan hacia la parte más baja 14 de la cubeta 6. Una valvula 58 tambien esta cerrada en este momento. El liquido limpiado por circulacion en reflujo es luego preferentemente enviado al paso de drenaje de manera que todo el material de obstrucción es eliminado del sistema. Esta etapa y su recorrido de flujo se muestran en la Figura 4.
El periodo de lavado por circulación en reflujo no necesita ser largo. Simplemente necesita proporcionar un impulso de flujo de retroceso y una presión suficientes para limpiar el cartucho o cartuchos de filtro 18 hasta un grado suficiente para permitir proceder a la ulterior filtración. En una realización preferida, el periodo de tiempo para el lavado por circulación en reflujo es de unos 2 a 20 segundos, más preferentemente de unos 5 a 10 segundos.
La presión de la lavado por circulación en reflujo puede ser aproximadamente la misma que la diferencia de presión de filtración (generalmente alrededor de 1 bar sobre la presión efectiva aguas abajo). Si se desea, puede aplicarse una presión adicional a la operación de lavado por circulación en reflujo.
Luego la bomba 22 vuelve a funcionar y el líquido restante de la etapa de lavado por circulación en reflujo, arriba en la Figura 4, es impulsado a traves del conducto 28 hacia dentro de la carcasa 2 y sale a través del conducto 40 como en la etapa de filtración de la Figura 3. Se cierran las válvulas 44 y 46 y se abre una válvula 60 para permitir al líquido recircular en retroceso hasta la entrada 24 de la bomba 22. Opcional y preferentemente, líquido nuevo no filtrado es también aspirado al mismo tiempo de la fuente 26 hacia dentro del sistema. Esta recirculación necesita tener lugar sólo por un corto periodo de tiempo de manera que el líquido sea reequilibrado y/o se forme cualquier torta de filtración que se necesite para que se produzca la filtración. Se cierra después la válvula 60 y se abre la válvula 44, y se reanuda la filtración. Adicionalmente, en algún punto durante el proceso de filtración, se abre la válvula 46 y se cierra la válvula 44 para permitir rellenar el tanque 50 para el siguiente ciclo de limpiado por descarga.
El periodo de recirculación no necesita ser largo. Simplemente necesita proporcionar una torta de filtración si se requiere para la filtración y/o igualar todo el líquido dentro del sistema antes de que la filtración pueda comenzar de nuevo. En una realización preferida el periodo de tiempo para la recirculación es de unos 20 segundos a 60 segundos, más preferentemente de unos 20 a 40 segundos y lo más preferentemente de unos 30 segundos.
La presión de la recirculación debería ser aproximadamente la misma que la diferencia de presión de filtración (generalmente alrededor de 1 bar sobre la presión efectiva aguas abajo). Si se desea, puede aplicarse una presión adicional (por ejemplo para generar una torta de filtración).
Preferentemente, en una realización del presente invento donde se usa el tiempo como parámetro, se establece un programa basado en la carga de impurezas en la corriente, el cartucho o cartuchos de filtro 18 seleccionados y el volumen de material a ser filtrado. Típicamente, se ha encontrado que un programa establecido entre cada 10 y cada 20 minutos es útil para la mayoría de las aplicaciones. Para la mayor parte, el parámetro de tiempo preferido es cada 10 minutos. El mismo proceso de apertura/cierre de válvulas y movimientos de bomba se usa como se ha descrito arriba para producir las etapas de lavado por circulación en reflujo y de recirculación.
El periodo de lavado por circulación en reflujo y la presión usada son los mismos que se han descrito más arriba.
En cuanto al uso de un parámetro de presión a través de la membrana, se puede simplemente seleccionar un límite superior de presión a través de la membrana que corresponda a un cierto nivel de obstrucción de los filtros. Se pueden usar sensores de presion como los sensores 36 Y 38 para medir las presiones aguas arriba Y aguas abajo de la capa o capas de filtro y determinar cuándo la presión a través de la membrana (la diferencia entre la presión aguas arriba o a la entrada y la presión aguas abajo o a la salida) es demasiado grande. Cuando se alcanza o se excede el parámetro, se producen las mismas etapas de lavado por circulación en reflujo y recirculación.
Preferentemente, en una realización del presente invento donde la presión a través de la membrana se usa como parámetro, se establece un límite de unos 0,2 bar (20 kPa) a unos 5,0 bar (500 kPa), dependiendo de las impurezas en la corriente, el filtro o filtros 18 seleccionados Y el volumen de material a ser filtrado. Típicamente la diferencia está entre unos 0,2 bar (20 kPa) y 1 bar (100 kPa), (pero de nuevo la diferencia de presión elegida depende de la calidad de las impurezas y por lo tanto del fluido a ser filtrado). Para la mayoría de aplicaciones, el parámetro diferencia de presión a través de la membrana preferido es 0,2 bar (20 kPa).
En cuanto al uso del caudal como parámetro, se puede simplemente seleccionar un sensor para medir el caudal, tal como un caudalímetro, preferentemente en el lado de aguas abajo o de salida del sistema. Se determina un caudal reducido que se equipara a un cierto nivel de obstrucción del filtro o filtros, y cuando se alcanza ese caudal reducido, se utiliza la operación de lavado por circulación en reflujo descrita más arriba en relación a la diferencia de presión a través de la membrana o al sistema de tiempo de más arriba.
Preferentemente, en una realización del presente invento donde el caudal se usa como parámetro, se establece un límite de aproximadamente el 50 % hasta aproximadamente el 80 % del caudal inicial, dependiendo de las impurezas en la corriente, el cartucho o cartuchos de filtro 18 seleccionados Y el volumen de material a ser filtrado. Típicamente se ha encontrado que una reducción en caudal de entre el 20 y el 40 % del caudal inicial es útil para la mayoría de las aplicaciones.
En algún punto del proceso o como alternativa a la etapa de lavado por circulación en reflujo (aunque se prefiere la etapa de lavado por circulación en reflujo de la Figura 4 y esta etapa opcional es una etapa aditiva que puede usarse como se desee antes o después de la etapa de lavado por circulación en reflujo) se puede usar una etapa de lavado por circulación lateral introduciendo líquido a través de la lumbrera o lumbreras 20 en el lado de la carcasa 2 en lugar de a traves de la entrada 8. Las impurezas son expulsadas Y extraidas del cartucho o cartuchos de filtro 18 Y después son desechadas a través del paso de drenaje 12 de una manera descrita más arriba. Esta etapa opcional está mostrada en la Figura 6. Fluido de la fuente 26 entra en el conducto 21 a través de una o más lumbreras 20 y fluYe contra la superficie exterior de los cartuchos 18. Desde aqui, el fluido Y cualesquiera impurezas retiradas de los cartuchos se evacuan del sistema hacia el paso de drenaje 12.
El periodo de lavado por circulación lateral no necesita ser largo. Simplemente necesita proporcionar un impulso de liquido a una presion suficiente para limpiar el cartucho o cartuchos de filtro 18 hasta un grado suficiente para permitir que prosiga la ulterior filtración. En una realización preferida, el periodo de tiempo para el lavado por circulación lateral es de unos 2 a 20 segundos, más preferentemente de unos 5 a 10 segundos.
La Figura 7 muestra una etapa para limpiar el sistema después del uso o para lavar por circulación el sistema antes del uso para eliminar cualesquiera contaminantes potenciales que puedan haber entrado en el sistema durante el montaje. Agua, sea fria 70 o caliente 72, u opcionalmente vapor en lugar de una u otra agua 70, 72, son suministrados por un conducto 74, a traves del tanque 50, la bomba 52 Y el conducto 54, al conducto 40 Y la salida 10 de la carcasa 2. Varias valvulas tales como 76 estan cerradas para hacer fluir el agua o el vapor a través de la carcasa 2 Y estos pueden ser retornados al tanque 50 a traves de un conducto 80 para su recirculacion. Despues del tiempo deseado, se cortan el agua o Y/o el vapor Y se cierra la valvula 78 para impedir que el agua retorne al conducto 80, Y el agua/vapor son evacuados a traves de un conducto 82 hacia un paso de drenaje agua/vapor. Opcionalmente, los conductos usados en esta etapa también pueden ser sometidos a aire a presión para hacer que el agua/vapor se evacuen más eficientemente, como es bien conocido en la técnica.
La Figura 8 muestra un sistema que tiene mas de una o dos o mas carcasas 2A Y 2B. El funcionamiento del sistema es similar al explicado en las Figuras 3-7 Y seria evidente para un experto ordinario en la materia que la unica adición es un tanque dedicado 100 de agua/vapor. Esto permite usar una carcasa 2A mientras la otra está siendo regenerada mediante el proceso descrito en las Figuras 4 Y 5 Y opcionalmente 6 Y/o 7. Alternativamente, las dos o más carcasas pueden hacerse funcionar en paralelo al mismo tiempo si se desea.
Preferentemente la temperatura del proceso en cualquier realización es mantenida en un intervalo entre unos -6 ºC y unos 20 ºC (pueden usarse temperaturas negativas para líquidos que contienen alcohol o sales que rebajan su punto de congelación o están formados de materiales que tienen puntos de congelación por debajo de 0 ºC). Para muchas aplicaciones, tales como filtración de vino, filtración de zumo de fruta, filtración biológica, el proceso tiene lugar en salas refrigeradas y en sistemas refrigerados con temperaturas que fluctúan entre unos 4 ºC y unos 10 ºC. En el caso de la filtración de vino para eliminar cristales de bitartrato (estabilización en frío de vinos), la temperatura de filtración es, como regla empírica, menos de la mitad del contenido en alcohol (de otro modo los cristales se redisolverían). Esto significa que para 11% de alcohol se conduciría la filtración a temperaturas de unos -4 ºC o -5ºC.
El líquido puede ser prerrefrigerado antes de entrar en el sistema. El sistema puede ser aislado si se desea pero generalmente no se necesita, ya que el tiempo empleado en el sistema es relativamente pequeño. Alternativamente el sistema puede ser hecho funcionar en una sala refrigerada o "fría" para minimizar cualquier cambio de temperatura en el líquido mientras está siendo procesado. En algunas situaciones extraordinarias, el sistema puede ser afirmativamente refrigerado por sistemas de circulación de agua fría o mantas de enfriamiento como son bien conocidos en la técnica.
El filtro es un filtro polimérico de flujo normal tal como un filtro Polygard® CE disponible en Millipore Corporation de Billerica, Massachusetts, que contiene una mezcla de materiales de fibra de vidrio/tierra diatomácea/fibra de polipropileno. Sin embargo cualquier filtro de flujo normal que pueda soportar las presiones de lavado por circulación en reflujo en ciclos repetidos puede ser usado en el presente invento.
El sistema puede usarse en un proceso que sea hecho funcionar manualmente (por un operador del sistema que hace funcionar manualmente las válvulas, bombas, etc.) o automáticamente (por medio de una serie de PID, una CPU, un ordenador, una red de ordenadores u otro sistema que controla el hardware y/o el software).
EJEMPLO
Se utilizo un sistema segun el de la Figura 8, que tenia dos cartuchos de filtro gemelos PolYgard® CE a 3 vueltas, de 76,2 cm (30 pulgadas) (tamafo de poro 2 micrometros), disponible en Millipore Corporation de Billerica, con los cartuchos en paralelo, y que incorporaba una carcasa según la de la Figura 1 de manera que las salidas de los cartuchos fueron acopladas a la salida de cada carcasa por medio de la placa redonda de la carcasa como es bien conocido en la materia, con lo que el líquido que dejaba las salidas de la carcasa pasaba primero a través de los cartuchos de filtro.
500 litros de vino blanco no filtrado con un contenido en alcohol del 12 %, provenientes de un tanque de acero inoxidable, fueron suministrados a la entrada de la bomba a una temperatura de -2 ºC a una presión aguas arriba de 0,2 bar (20 kPa) según lectura por el monitor de presión aguas arriba en la entrada de la carcasa. El líquido filtrado se hizo pasar a través de la salida de la carcasa a una presión de 0,2 bar (20 kPa).
El tiempo fue el parámetro medido y esto se hizo con un cronómetro.
Después de 10 minutos la bomba fue desconectada manualmente y la etapa de lavado por circulación en reflujo como esta explicada en la Figura 4 fue activada durante 6 segundos a una presion de 0,7 bar (70 kPa) segun la lectura en el sensor de presión de la salida.
La etapa de recirculacion como se ha descrito en relacion con la Figura 5 fue activada a 0,7 bar (70 kPa), medidos en el sensor aguas arriba en la entrada de la carcasa, durante 28 segundos para reequilibrar los sistemas y producir la torta de filtro deseada sobre la superficie del filtro.
Las etapas de más arriba fueron activadas en secuencia 6 veces.
Después de que se completaron 5 etapas de filtración y lavado por circulación en reflujo, se realizó durante 6 segundos una etapa de lavado por circulación lateral a través de la lumbrera o lumbreras laterales de la carcasa a una presion de unos 0,7 bar (70 kPa), seguida por la etapa de recirculacion.
Un sistema de control formado por un sistema estándar de fibra hueca FFT (sistema de fibra hueca Ronfil, vendido 5 por Domnick Hunter Ibérica) fue activado usando el mismo vino y ambos sistemas tuvieron medidos los caudales unitarios, la turbidez del vino y el índice de obstrucción (índice de filtrabilidad).
El �?ndice de Obstrucción es un índice de filtrabilidad y es ampliamente usado en bodegas europeas para evaluar la filtrabilidad de un vino. El índice de obstrucción es la diferencia en tiempo entre cuánto tiempo se tarda en filtrar 200 ml y 400 ml comparado con el tiempo que se tarda en filtrar los primeros 200 ml en un experimento continuo a una
10 presión y membrana dadas.
El método para calcularlo es el siguiente:
T0 = tiempo inicial de 0 segundos.
T2 = tiempo en segundos para filtrar los primeros 200 ml (desde 0 ml a 200 ml) de vino a través de una membrana de 0,65, a 2 bar de presión de entrada.
15 T4 = tiempo para filtrar los segundos 200 ml (desde 200 ml a 400 ml) de vino a través del mismo filtro y a la misma presión.
IO = (T4-T2) -(T2-T0) = T4 - 2·(T2)
Las unidades están expresadas en segundos, pero normalmente se trata de un índice sin unidades asignadas.
El vino filtrado según el control y el presente invento tenía las siguientes características según se expresa en la 20 Tabla 1:
Tiempo (min)
Control Caudal unitario (l/h) Control Turbidez (NTU) Control �?ndice de Obstrucción Invento Caudal unitario (l/h) Invento Turbidez (NTU) Invento �?ndice de Obstrucción
10
1200 <1 10 600 <1 11
20
900 <1 12 600 <1 14
30
650 <1 8 600 <1 12
40
450 <1 11 600 <1 14
50
150 <1 10 600 <1 13
La retención de líquido y volumen de pérdida para el lavado por circulación en reflujo y el lavado por circulación lateral para el presente invento fueron de 5 litros o el 1% del volumen de partida y la filtración se realizó en 50 minutos.
La retencion de liquido Y volumen de perdida para el control fueron de 35 litros o el 7% del volumen de partida Y la 25 filtración requirió 66 minutos para completarse.
Como puede verse por el ejemplo, el presente invento redujo significativamente el volumen perdido con relación al volumen de retención de líquido del sistema y completó la filtración más rápidamente y mantuvo un alto y consistente caudal a través de todo el ensayo.
Aunque el ejemplo de más arriba fue con vino, este sistema puede usarse igualmente bien con otros líquidos que
30 necesiten clarificación tales como cerveza, agua, zumos de fruta, bebidas energéticas que contengan impurezas tales como pulpa o piel de fruta, impurezas sólidas, ayudas de clarificación tales como albúmina de huevo o tierra diatomácea y similares. Asimismo, es adecuado para uso con flujos biológicos tales como la salida de un biorreactor que contenga una proteína deseda, tal como un anticuerpo monoclonal, junto con otras impurezas, incluyendo, pero sin limitarse a ellos, ayudas de clarificación como tierra diatomácea o floculantes, desechos celulares, proteínas
35 base y otros elementos celulares indeseables y similares.

Claims (20)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método de filtración de flujo normal que comprende
    a. proporcionar una fuente (26) de liquido a ser filtrado, un primer conducto (28) que conecta la fuente
    (26)
    a una entrada (8) de un dispositivo de filtracion, comprendiendo el dispositivo de filtracion una o mas carcasas
    (2)
    que contienen uno o mas cartuchos de filtro (18), estando el uno o mas cartuchos de filtro (18) en comunicacion de fluido con una salida (10) de la carcasa que está en comunicación de fluido con un segundo conducto (40) que conduce hasta un componente aguas abajo (42), pudiendo el componente aguas abajo (42) ser cerrado selectivamente por una primera válvula (44) normalmente abierta, y un bucle de lavado por circulación en reflujo susceptible de cerrarse selectivamente para el líquido filtrado que viene del tanque (50) a través de un tercer conducto (54) de vuelta a la salida (10) de la carcasa, estando el bucle de lavado por circulación en reflujo normalmente cerrado con respecto a la salida (10) por una segunda valvula (56), estando la entrada (8) Y la salida
    (10)
    situadas en la parte más alta de la carcasa (2) y estando situado un paso de drenaje (12) en la parte más baja de la carcasa (2);
    b.
    suministrar el liquido a ser filtrado a traves del primer conducto (28) Y llevarlo a la entrada (8) de la carcasa (2);
    c.
    hacer pasar el líquido a través del uno o más cartuchos de filtro (18) Y llevarlo a la salida (10) Y al segundo conducto (40) y más allá de la primera válvula (44) hasta el componente (42) aguas abajo;
    d.
    seleccionar un parámetro seleccionado del grupo consistente en tiempo, diferencial de presión a través de la membrana y reducción del caudal; y
    e.
    monitorizar el parámetro seleccionado para determinar cuándo se alcanza o se excede el parámetro;
    f.
    al alcanzar o exceder el parámetro seleccionado, cerrar la primera válvula (44), abrir el paso de drenaje (12) y abrir la segunda válvula (56) para dirigir el líquido filtrado desde el tanque (50) a través del tercer conducto (54) de vuelta a traves de la salida (10) Y de los uno o mas cartuchos de filtro (18) al interior de la carcasa
    (2)
    y dirigirlo hacia fuera por el paso de drenaje (12) durante un periodo de tiempo suficiente para lavar por circulacion en reflujo los cartuchos de filtro (18);
    g.
    cerrar la segunda válvula (56) y el paso de drenaje (12) y abrir una tercera válvula (60) y un cuarto conducto (62) entre la primera valvula (44) Y el primer conducto (28) durante un periodo de tiempo deseado para recircular el líquido remanente de la etapa f. por medio de una bomba (22), y
    h.
    cerrar la tercera válvula (60) y el cuarto conducto (62) y reabrir la primera válvula (44) y reiniciar el suministro del liquido desde la entrada (8) hasta los uno o mas cartuchos de filtro (18) para reiniciar el proceso de filtración.
  2. 2.
    El método de la reivindicación 1, que comprende además una etapa (i) en la que las etapas (b)-(h) se repiten al menos una vez.
  3. 3.
    El método de la reivindicación 1, que comprende además una etapa (i) en la que las etapas (b)-(h) se repiten N veces, donde N es un número entero de 1 a 100.
  4. 4.
    El método de la reivindicación 1, que comprende ademas un primer sensor (36) en la entrada (8) de la carcasa (2) Y un segundo sensor (38) en la salida (10) de la carcasa para monitorizar los parametros seleccionados.
  5. 5.
    El metodo de la reivindicacion 4, en el cual los sensores primero Y segundo (36, 38) son sensores de presión para monitorizar el parámetro diferencial de presión a través de la membrana.
  6. 6.
    El metodo de la reivindicacion 4, en el cual los sensores primero Y segundo (36, 38) son sensores de caudal para monitorizar el parámetro reducción del caudal.
  7. 7.
    El método de la reivindicación 5, en el cual los sensores de presión primero y segundo se seleccionan de manómetros analógicos y digitales.
  8. 8.
    El método de la reivindicación 1, en el cual el parámetro seleccionado es el tiempo y se le mide mediante un temporizador.
  9. 9.
    El método de la reivindicación 1, en el cual las válvulas se seleccionan del grupo que consiste en válvulas manuales, válvulas de solenoide, válvulas accionadas hidráulicamente y válvulas accionadas por aire.
  10. 10.
    El método de la reivindicación 1, en el cual el líquido se suministra frío.
  11. 11.
    El método de la reivindicación 1, en el cual el líquido se suministra a una temperatura de entre -4 ºC y 20 ºC.
  12. 12.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la etapa de filtración (c) dura unos 10 a 20 minutos
  13. 13.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la etapa de lavado por circulación en reflujo (f) dura unos 2 a 20 segundos.
  14. 14.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la etapa de recirculación (g) es de unos 20 a 60 segundos de duración.
  15. 15.
    El método de la reivindicación 1, que comprende además una etapa de lavado por circulación lateral (j) antes
    o después de la etapa de lavado por circulación en reflujo (f) proporcionando una o más lumbreras (20) formadas en el lado de la carcasa (2) adYacente al uno o mas cartuchos de filtro (18), estando la una o mas lumbreras (20) conectadas a un lado de la carcasa (2) adYacente al uno o mas cartuchos de filtro (18), estando la lumbrera o lumbreras (20) conectadas al primer conducto (28) por un conducto de lumbrera (21) controlado por una válvula de lumbrera (23), para limpiar el cartucho o cartuchos de filtro (18) hasta un grado suficiente para permitir que prosiga la ulterior filtración, y la etapa (j) dura unos 2 segundos a 20 segundos.
  16. 16.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la una o más lumbreras (20) son tangenciales a una superficie vertical exterior del cartucho o cartuchos de filtro (18).
  17. 17.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la una o más lumbreras (20) son tangenciales a una superficie vertical exterior del cartucho o cartuchos de filtro (18) en un angulo ínea central vertical del
    c formado entre una lcartucho o cartuchos (18) Y una linea central de la lumbrera o lumbreras (20).
  18. 18.
    El método de la reivindicación 1, en el cual la una o más lumbreras (20) son tangenciales a una superficie vertical exterior del cartucho o cartuchos de filtro (18) en un angulo ínea central vertical del
    c formado entre una lcartucho o cartuchos (18) Y una linea central de la lumbrera o lumbreras (20), y el ánguloc es de unos 15º a unos 165º, más preferentemente de unos 30º a unos 150º o 45º a 135º, y lo más preferentemente es de unos 90º.
  19. 19.
    Un sistema de filtración de flujo normal para el método de la reivindicación 1, que comprende una fuente (26) de liquido a ser filtrado, un primer conducto (28) que conecta la fuente (26) a una entrada (8) de un dispositivo de filtración, comprendiendo el dispositivo de filtración una o más carcasas (2) que contienen uno o más cartuchos de filtro (18), estando el uno o mas cartuchos de filtro (18) en comunicacion de fluido con una salida (10) de la carcasa que está en comunicación de fluido con un segundo conducto (40) que conduce hasta un componente aguas abajo (42), pudiendo el componente aguas abajo (42) ser cerrado selectivamente por una primera válvula (44) normalmente abierta, un bucle de lavado por circulación en reflujo susceptible de cerrarse selectivamente para el líquido filtrado que viene desde el tanque (50) a través de un tercer conducto (54) de vuelta a la salida (10) de la carcasa, estando el bucle de lavado por circulación en reflujo normalmente cerrado con respecto a la salida (10) por una segunda valvula (56), estando la entrada (8) Y la salida (10) situadas en la parte mas alta de la carcasa (2) y estando un paso de drenaje (12) situado en la parte más baja de la carcasa (2), un bucle de recirculación que puede cerrarse selectivamente y que comprende una tercera válvula (60) y un cuarto conducto (62) entre la primera válvula
    (44) Y el primer conducto (28) para recircular el liquido remanente del bucle de lavado por circulacion en reflujo por medio de una bomba (22), y
    un sistema que controla el hardware y/o el software para llevar a cabo el método de la reivindicación 1.
  20. 20. Un sistema según la reivindicación 19, que comprende además una o más lumbreras (20) formadas en el lado de la carcasa (2) adYacente al uno o mas cartuchos de filtro (18), estando la una o mas lumbreras (20) conectadas a un lado de la carcasa (2) adyacente al uno o mas cartuchos de filtro (18), estando la lumbrera o lumbreras (20) conectadas al primer conducto (28) por un conducto de lumbrera (21) controlado por una valvula de lumbrera (23), para limpiar el cartucho o cartuchos de filtro (18) hasta un grado suficiente para permitir que prosiga la ulterior filtración.
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