Filtración

La filtración como es la operación Unitaria usada en la industria de los alimentos. Fundamentos de la operación. Tipos de filtración. Clasificación de equipo. Uso en alimentos.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
LABORATORIO EXPERIMENTAL
MULTIDISCIPLINARIO II
Elaboración de nejayote
y nixtamalización de maíz.
FILTRACIÓN

GRUPO: 1551
PROFESORAS:
- ELSA GUTIÉRREZ CORTEZ
- ARACELI ULLOA SAAVEDRA




1era Entrevista 24 de agosto del 2015
Ciclo 2016-1
Ciclo 2016-1

2. CONCEPTOS DE LA OPERACIÓN UNITARIA  FILTRACIÓN
1. Fundamentos de la operación.
1.1 Conceptos generales (definiciones).

 El proceso de filtración es aquella operación de separación sólido fluido en la que se
produce la separación de partículas sólidas o gotas de líquidos o gases a través de un medio
filtrante - filtro, aunque a veces se utiliza en otros procesos de separación. En el caso de
filtración sólido-líquido, el líquido separado se denomina filtrado.

 La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físico-
mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase
= componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante
poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o Gotículas de un
líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante.

En función de las fases se distinguen diferentes campos de aplicación:

Partículas sólidas de líquidos (suspensiones)
Partículas sólidas de gases
Gotículas líquidas de gases (aerosoles)
Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido
(emulsiones)

Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos
de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de
aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede
filtrar p.ej. agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden
limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán. En función del
problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre
filtración de separación o filtración clarificante. En el caso de la
filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado)
para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean
eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo
posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando
con el líquido purificado.

 La filtración es una operación básica, muy utilizada en la industria química, consistente en la
separación de partículas sólidas de una suspensión mediante un medio filtrante que deja
pasar el líquido y retiene el sólido. Las partículas sólidas retenidas sobre el medio filtrante van
formando un lecho poroso, a través del cual circula el fluido, denominado torta filtrante.

Tipos de filtración

 Filtración de torta o comúnmente filtración, donde la partículas de sólido se acumulan sobre
el filtro, donde el medio filtrante posee unos poros que no permiten pasar las partículas de
sólidos, formándose una torta. Se pretende separar el sólido del fluido, y en muchas
ocasiones el alimento puede proceder de un sedimentador. Es el proceso de filtración por

3. excelencia, donde la torta formada va creciendo, y por tanto, hay que retirarla o eliminarla
cada cierto tiempo.

 Filtración de lecho profundo o de medio filtrante, donde se pretende obtener un efluente
clarificado sin partículas finas a partir de un alimento con bajo contenido en sólidos (menor de
0.1 % en peso). En este tipo de filtración, se pretende eliminar sólidos muy finos y muy
diluidos mediante circulación a través de un lecho granular con sólidos medios o gruesos.
Habitualmente el lecho es de arena, y el ejemplo más común es la eliminación de los sólidos
en suspensión en el tratamiento de aguas potables, tras la floculación y sedimentación. Por
tanto, no se forma torta, aunque los lechos tendrán que limpiarse periódicamente mediante
circulación inversa del fluido.
 Filtración por membranas, Se utilizan membranas especiales de tamaño de poro muy
pequeño que operan con flujo paralelo a la membrana, de manera que, no hay un depósito de
sólidos sobre la misma, sino una concentración del caldo.
 Filtración de flujo cruzado o ultrafiltración, donde los sólidos separados en flujo tangencial
al medio filtrante y separados continuamente sin acumulación sobre el medio filtrante, que son
membranas. En este caso, no todo el
caudal de líquido pasa a través del medio
filtrante, sino que existirá salida tanto de un
líquido filtrado (sin solutos) como de una
corriente de rechazo, más concentrada en
solutos. Las fuerzas que provocan la
filtración puede ser la gravedad o la
presión hidrostática (sobre presión o
vacío), dado que si no hay fuerza
impulsora de presión a través del medio
filtrante, no hay caudal de filtrado (ley de
Darcy).

Filtración de torta (cake filtration).
Como se ha mencionado anteriormente, consiste en la separación de los sólidos de una suspensión
mediante un medio filtrante, donde todo el líquido atraviesa el medio filtrante y la torta de sólidos que
se va formando y acumulando. Por tanto, en análisis de este tipo de operación habrá que realizarlo a
partir de la Ley de Darcy. Cualquiera que sea el tipo de filtro utilizado, a lo largo de la operación de
filtrado, se va depositando el sólido sobre un medio filtrante, formado por una torta porosa a través
de la que circula sinuosa y casi laminarmente el fluido. El caudal de filtrado (líquido que atraviesa la
torta y el medio filtrante) depende de la diferencia entre las presiones que actúan en la superficie de
salida del medio filtrante.

A medida que avanza el proceso de filtración aumenta el espesor de la torta por lo que la resistencia
al paso de fluido es cada vez mayor, pudiéndose llevar a cabo la operación de las siguientes formas:

 Filtración a presión constante: El caudal disminuye con el tiempo.
 Filtración a caudal constante: La presión aumenta al avanzar la filtración.

4. Los filtros también son muy variados: la elección del más adecuado así como de las condiciones
óptimas de operación, son función de diversos factores entre los que cabe destacar los siguientes:

 Las propiedades del fluido, especialmente viscosidad, densidad y propiedades corrosivas.
 La naturaleza del sólido: tamaño y forma de las partículas, distribución de tamaños y
características del relleno.
 La concentración de los sólidos en la suspensión a filtrar.
 La cantidad de material a tratar y su valor.
 Si el producto que interesa es el sólido, el fluido o ambos.
 Caudal de suspensión a tratar.
 Necesidad de lavado del sólido filtrado.

Los factores más importantes de los que depende la velocidad de filtración son:

o La caída de presión desde la alimentación hasta el lado más lejano del medio filtrante.
o El área de la superficie filtrante.
o La viscosidad del filtrado.
o La resistencia de la torta filtrante.
o La resistencia del medio filtrante y de las capas iniciales de torta.

Filtración tangencial:
La filtración clásica o frontal no puede satisfacer las exigencias siguientes:
o Filtrar partículas de tamaño muy pequeño.
o Aprovechar o reutilizar el residuo de la filtración.
o Efectuar una filtración continua.
o Asegurar una calidad constante de la filtración.
o Efectuar una selección por tipo de moléculas.
La filtración tangencial se caracteriza por una circulación rápida del líquido a filtrar tangecialmente a
una membrana (el filtro). Así al tiempo que se efectúa la filtración, se auto limpia la membrana, lo que
permite trabajar en continuo. Las principales variables que afectan al proceso de filtración y que
deben tomarse en cuenta para seleccionar, diseñar u operar un equipo son:
Variables de proceso

 La concentración de sólidos
 El tamaño de partícula
 La temperatura
 El PH
 La viscosidad y densidad

5. 1.2 Clasificación de equipo.

I. Filtro prensa: Es un separador de líquidos y sólidos a través de filtración por presión.
Consiste en una serie de bastidores de acero que sostienen una tela o malla. Las placas
filtrantes desmontables están hechas de polipropileno, y las mallas pueden ser de tipo sellada,
no sellada o membranas de alta resistencia.

Los filtros prensa son un método simple y confiable para lograr una alta compactación. Los sólidos
se bombean entre cada par de bastidores y una vez llenos, mediante un tornillo se van oprimiendo
unos contra otros expulsando el agua a través de la tela. Los filtros prensa pueden comprimir y
deshidratar sólidos hasta obtener del 25% al 60% por peso de los lodos compactados.

El medio filtrante se coloca entre marcos y placas. La suspensión de alimentación se bombea por los
conductos penetrando cada uno de los marcos de tal manera que se van llenando los espacios
vacios la filtración se detiene cuando el empaquetamiento de la torta densa en los marcos. Se
separan los marcos y se extrae la torta.

II. Filtros al vacío: Este tipo de filtros es recomendado para procesos continuos. En estos filtros
se mantiene una presión sub-atmosférica corriente abajo del medio filtrante y atmosférica
corriente arriba.

III. Filtro de Tambor Rotatorio al Vacío. Este consta de un tambor rotatorio girando alrededor
de su eje horizontal. La superficie del tambor consiste de un número de compartimientos poco
profundos formados por flejes divisorios que corren a lo largo del tambor.

El tambor se encuentra parcialmente sumergido en un tanque abierto que contiene la suspensión a
filtrarse. El medio filtrante cubre la superficie del tambor y se encuentra soportado por placas
perforadas. El tambor gira a velocidades del orden de 0.1-2 rpm. Conforme el tambor gira los
compartimentos sumergidos en la suspensión forman un vacío. El filtrado fluye a través del medio
filtrante y salen por la tubería de drenado, mientras que los sólidos forman una torta en la superficie
externa del medio filtrante. Conforme el compartimento emerge de la suspensión, la capa de torta es
raspada.


IV. Equipos de filtración Intermitente. Son equipos que pueden operar con una gran diferencia
de presión a través del medio filtrante para obtener la filtración rápida y económica de liquidos
viscosos o sólidos finos.

6. 1.3 Aplicación en los alimentos.

APLICACIÓN EN LOS ALIMENTOS

 La Industria Biotecnológica la ha utilizado hace años, acortando o
evitando los “Down-Stream Process”, responsable de la parte mayor
del costo de sus productos, purificando enzimas, y otros biológicos a
partir de caldos de fermentación, etc.
 En la industria láctea se las ha empleado desde hace años para la recuperación de proteínas
de sueros lácteos y para pre-concentración de leche entera, descremada
y sueros, así como en la fabricación de helados, yogurts y quesos.
 Se emplea para la elaboración, concentración y pre-tratado de jugos de
frutas (OR, UF, NF, MF; DO, DM).
 En la fabricación de vinos, la OR se utiliza para eliminar excesos de
etanol y aromas indeseables, y combinada con intercambio iónico permite remover en un
sistema cerrado excesos de acidez volátil en el vino. La UF se emplea para remoción de
material proteico, colorante y material tánico.
 Productos de valiosas propiedades funcionales y nutricionales para la industria alimentaria y
antioxidantes naturales son recuperados y purificados por tecnología de membranas.
 Obtención de concentrados de jugos de manzana de alta calidad utilizando procesos no
térmicos.
 Tradicionalmente la clarificación de jugos se realiza con tierras filtrantes utilizando filtros a
vacío y filtros prensa.

7. 1.3.1 Estudios Tecnológicos (Diagramas de bloques).
1.3.2 Puntos críticos del diagrama de bloques.



2.0 Teoría de la filtración

La filtración es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas
de diferentes fases. También es denominado como una operación unitaria en la que el componente
sólido insoluble de una suspensión sólido-líquido es separado del componente líquido haciendo
pasar éste a través de una membrana porosa que retiene a las partículas sólidas en su superficie
corriente arriba, o dentro de su estructura, o ambos.

2.1 Separaciones mecánicas
La separación mecánica sirve para separar los componentes de los alimentos. Existen 3 operaciones
unitarias para la separación mecánica o física:

1.- Centrifugación  Es una operación unitaria básica de separación de sustancias (liquidas no
miscibles, o de sólidos y líquidos) por medio de la fuerza centrifuga. Las separaciones se

8. llevan acabo lentamente por gravedad y pueden acelerarse en gran medida con el empleo de
equipo centrifuga.
2.- Filtración  Es la separación de sólidos suspendidos en líquidos por paso de la mezcla a
través de una capa de material poroso.
3.- La extracción por presión  Es la separación mediante presión de los líquidos retenidos en
sólidos.

2.2 Fuerzas de impulso

La separación de los sólidos contenidos en un fluido es mediante una fuerza impulsora, de acuerdo a
ella los filtros se clasifican en:

I. Filtros por gravedad. La fuerza impulsora es la presión de la columna de líquido sobre el
medio filtrante, un ejemplo es el filtro de arena abierto.

II. Filtros a vacio. La fuerza impulsora es la succión del lado de la salida del filtrado por medio
de vacio, operan en forma cíclica y continua son ejemplos el filtro de hojas, el filtro de tambor
rotatorio.

III. Filtros a presión. Es la presión dada por la fuerza motriz, un ejemplo es el filtro de placas y
marcos o filtro prensa, donde el número de placas y marcos varia con la capacidad del filtro,
es un filtro intermitente

IV. Filtros centrífugos. La fuerza impulsora es la centrífuga se usan para separar sólidos de
tamaño de partícula muy pequeña o de suspensiones diluidas.

2.3 Velocidad de filtración.

Esta definida como la velocidad de pasaje de un fluido conteniendo en suspensión partículas solidas
a través de un medio filtrante y es expresado en base al volumen filtrado en unidad de tiempo.



2.4 Coadyuvantes de la filtración (Ayuda Filtros).

El filtro ayuda : es un material finamente dividido que no se comprime por la presión que ejerce
el líquido al pasar por este tipo de materiales, se agrega a suspensiones que presentan problemas a
la filtración por falta de compresibilidad y tamaño muy pequeño de partícula. Un filtro ayuda debe ser
inerte, ligero y debe formar una torta porosa; son ejemplo el carbón activado, pulpa de papel, tierra
de diatomeas etc.

2.5 Pre-capa y Dosificación.

La pre-capa es una cantidad fija de ayuda filtro expresada en masa por unidad de área filtrante,
dicha cantidad se amplia para formar una capa delgada de ayuda filtro sobre el medio filtrante, y el
espesor que adquiere de su densidad volumétrica

9. Precapa con
ayuda filtro
Mejor calidad de clarificado
Ayuda a mantener limpio el medio
filtrante
Espesor de la precapa 1/4, 1/8, 1/16 in















Las finalidades de la pre-capa son:

 Evita que el medio filtrante se destruya con impurezas con la que prolonga su duración
considerablemente.
 Proporciona claridad inmediata
 Facilita la limpieza del medio filtrante al finar el ciclo


La dosificación, es aquella cantidad de ayuda filtro necesaria para proporcionar y mantener la
permeabilidad de la torta filtrante, la dosificación se agrega desde el principio para hacer posible la
filtración, hasta para simplemente aumentar el rendimiento de un equipo en su ciclo de filtración,
mejorando así el filtrado. La finalidad de la dosificación es mantener la permeabilidad de la torta
filtrante proporcionando un flujo y calidad de filtrado adecuado.

La dosificación del ayuda filtro debe hacerse de forma seca a una suspensión, es decir se agrega
directamente a la suspensión que se quiere filtrar, descargándola directamente al tanque que
contiene la suspensión.

La dosificación en suspensión se refiere a que la adición del ayuda filtro se hace inyectándolo
desde un tanque donde se ha preparado la suspensión de ayuda filtro, hasta la línea principal de
alimentación. La calidad de ayuda filtro que necesita la dosificación depende de la cantidad de
sólidos presentes que interesa remover de la suspensión en cuestión, por eso es importante
determinar la cantidad de sólidos presentes en la suspensión a filtrar.

10. 2.6 Medios Filtrantes.

MEDIO FILTRANTE

La función del medio filtrante es, generalmente, la de actuar como soporte para la torta filtrante
mientras las capas iniciales de la misma proporcionan el verdadero filtro. El medio filtrante debe ser
mecánicamente fuerte, resistente a la acción corrosiva del fluido y debe ofrecer tan poca resistencia
como sea posible al flujo de filtrado. Normalmente se utilizan tejidos, aunque para la filtración de
líquidos corrosivos en unidades discontinuas los materiales granulares y sólidos porosos resultan
útiles. Una característica importante en la selección de un tejido es la facilidad en la separación de la
torta, factor clave en el funcionamiento de las unidades automáticas existentes en la industria.

Tipos de medios filtrantes: Telas metálicas, telas naturales o sintéticas, placas de asbesto o celulosa,
hojas de papel o fibra de vidrio, sólidos sueltos etc.

El medio filtrante: Lo fundamental en cualquier filtro es el medio filtrante
cuyas características dependen del material del que se fabrica y de las
técnicas empleadas en su elaboración, su selección se realiza tomando en
cuenta los siguientes puntos:

 Tamaño mínimo de partícula retenida
 Permeabilidad o resistencia al flujo
 Relación entre oclusión del medio o incremento de resistencia al flujo
 Resistencia al calor, a la acción de productos químicos, a la abrasión,
flexión y rotura.
 Estabilidad dimensional
 Facilidad de limpieza

En la selección del medio filtrante se incluyen innumerables tipos de telas, tejidos de fibras,
filtro o fibras no tejidas, sólidos porosos o sinterizados, membranas poliméricas o sólidos
particulados en forma de lecho permeable. Todos los medios filtrantes se encuentran disponibles
en una gran variedad de materiales.

11. 2.7 Ecuaciones de la filtración

ECUACIONES
A. Ecuación de Poiseuille
La ecuación que permite cuantificar la velocidad de un fluido en canales es la ecuación de Poiseuille
quien publicó, en 1842, una relación matemática del flujo de un líquido a través de un capilar:

La importancia de la ecuación de Poiseuille y su uso es que permite predecir el efecto potencial de la
disminución del tamaño del capilar sobre el flujo y en el caso de la filtración sobre la resistencia de la
torta. Posteriormente d’Arcy en 1856 describió la velocidad del flujo de aguas subterráneas en
estratos del suelo mediante la siguiente relación:

Desde el punto de vista práctico es mas importante determinar el flujo de filtrado (q) que la velocidad
del fluido (u).

TIPOS DE TORTAS
Las tortas filtrantes pueden ser de dos tipos:

o Tortas compresibles: con este tipo de torta un aumento de la diferencia de presión o de la
velocidad de flujo provoca la formación de una torta más densa con una resistencia más
elevada.

o Tortas incompresibles: la resistencia al flujo de un volumen dado de torta no se ve afectada de
forma apreciable por la diferencia de presión a través de la torta o por la velocidad de
deposición del material. El valor de ε en la ecuación (1) puede considerarse constante por lo
que dicha ecuación queda del siguiente modo:

13. El empleo de la ecuación general de filtración hace surgir una clasificación de la operación de los
filtros en dos grandes categorías:
Filtración intermitente: se caracteriza por un ciclo corto durante la descarga o limpieza. En
este sistema se emplean filtros prensa, filtros de cartucho y todos aquellos integrados por
elementos tubulares y hojas planas.

Filtración continua: caracterizada por ciclos largos en virtud de que la torta puede
descargarse desde una pequeña parte de la superficie filtrante, mientras el flujo continúa en
toda ella sin interrupción. Ejemplos de este sistema son: filtros a vacío de tambor rotatorio, de
discos y las diferentes clases de bandas horizontales de charolas y hojas.

14. - Beatriz Castro. Procesamiento de jugos de frutas por membranas semipermeables. Departamento de
Operaciones Unitarias en Ingeniería Química e Ingeniería de Alimentos, Instituto de Ingeniería Química,
Facultad de Ingeniería-Universidad de la República.

- Chacón Villalobos Alejandro. Tecnologías de membrana en la industria láctea. Agronomía
Mesoamericana. Inscrito en Vicerretoría de Investigación Nº 737-A4-040.

- Gerardo Ahumada Theoduloz. Filtración; tratamiento de agua potable. Universidad de chile
Facultad de ciencias físicas y matemáticas departamento de ingeniería civil división de recursos
hídricos y medio ambiente.

- C. M. bendeck, C. G. orellana, H. E. schente. Diseño, construcción y pruebas de
funcionamiento de un lecho empacado para laboratorios de flujo de fluidos. Universidad de el
salvador facultad de ingeniería y arquitectura. Escuela de ingeniería química. 2010