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FILTRACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN


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FILTRACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN


CAPÍTULO VII. FILTRACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN.

            La clarificación por encolado, filtración, y centrifugación son técnicas de limpieza denominadas "separativas", donde en la primera se aplica una tecnología de carácter fisicoquímico para eliminar las sustancias que el vino contiene en suspensión, mientras que en las demás únicamente se utilizan otros sistemas de tipo físico, mediante el empleo de una maquinaria específica para tal fin, como son los filtros o las centrífugas objeto del presente capítulo.

La separación de las sustancias o partículas que contiene los vinos, puede llegar a hacerse en un nivel de solución verdadera, como los azúcares, ácidos orgánicos o sus sales, con un tamaño inferior a las 0,001 micras (mm) y utilizando las técnicas de ósmosis inversa o de electrodiálisis; o bien en el rango de soluciones coloidales entre 0,001 a 0,1 micras, como los coloides metálicos, proteicos o glucídicos, y mediante la ultrafiltración tangencial; o por fin en las suspensiones de partículas de tamaño superior a las 0,1 micras, como las levaduras, bacterias, materia colorante, tartratos u otros sólidos en suspensión, utilizando las técnicas de filtración tangencial, membranas, placas y aluvionado, o incluso también con las máquinas de centrifugación de menores prestaciones.

            Los sistemas de filtración o centrifugación logran alcanzar un eficaz resultado en cuanto a la consecución del la total limpidez de los vinos, pues depende del tipo de filtro o centrífuga utilizado en cada caso; pero nunca son garantía de una total estabilización de los mismos, pues posteriormente a la filtración se puede producir un enturbiamiento o insolubilización producidas por diversas causas, siendo entonces preciso utilizar otros métodos de estabilización previos a la limpieza de los vinos, donde la clarificación por encolado u otros tratamientos fisicoquímicos juegan un importante papel. Por otra parte, para que el sistema de limpieza de los vinos sea eficaz y del menor coste posible, se debe utilizar una metodología razonada, donde los vinos deben ser sometidos a una clarificación progresiva, utilizando una secuencia de sistemas de limpieza de menor a mayor coste, en el sentido de aumentar el rendimiento de los métodos de mayor valor: sedimentación estática gravitatoria - clarificación por encolado - centrifugación o filtración por tierras - filtración por placas o cartuchos - filtración amicróbica. Si embargo, en los últimos años ha aparecido una tecnología denominada de filtración tangencial, donde directamente se pueden clarificar los vinos en una sola fase, sin importar su grado de turbidez, consiguiendo de este modo una gran simplificación técnica y económica del proceso de limpieza de los mismos.

VII.1. FILTRACIÓN.

            La filtración es una técnica general de separación de dos fases: una sólida y la otra líquida, haciendo pasar esta suspensión a través de un material poroso que constituye el filtro, donde se retiene la fase sólida, y dejando pasar a su través el líquido, que sale con un mayor o menor grado de limpieza en función del material filtrante utilizado. Por lo tanto un filtro es un aparato formado por un soporte permeable sobre el que se dispone de una capa filtrante, y de un sistema mecánico más o menos complejo, que asegura la circulación a presión constante del líquido turbio y también la evacuación del mismo líquido filtrado y limpio.

                        -Suspensión sólido-líquido:        líquido turbio o de alimentación

                        -Líquido obtenido:                      filtrado o permeado

                        -Material poroso:                       medio filtrante

                        -Sólidos retenidos:                    retenido o torta

                        -Mecanismo que soporta el

                         material poroso y que posi-

                         bilita la filtración:                      filtro

            El estudio de la filtración comprende el conocimiento de los siguientes aspectos: teoría y leyes de la filtración, factores que intervienen en la filtración de los vinos, tipos de filtros y sus materias filtrantes, y aspectos cualitativos de los vinos filtrados.

VII.1.1. Teoría de la filtración.

            La filtración es una operación que puede ser medida de una manera teórica por medio de una serie de leyes físicas, que pueden adaptarse con mayor o menor facilidad a los distintos tipos de filtraciones, los cuales obedecen a diferentes mecanismos de filtración en función del tipo de materia filtrante utilizado.

VII.1.1.1. Leyes de la filtración.

            En todos los sistemas de filtración e independientemente del medio filtrante utilizado, la resistencia que se debe vencer para obtener un retenido y un permeado, se puede cuantificar en términos diferenciales de presión (DP) y dependientes de los siguientes tres factores:

DPf: resistencia del filtro como tal, cuantificable en pérdidas de carga de tuberías, codos, válvulas, etc.

DPt: resistencia de la torta o turbios retenidos en la materia filtrante, considerados solos o mejorados por coadyuvantes de filtración en el caso de aluvionado.

DPm: resistencia del medio de filtración.

            Despreciando DPf por su escasa cuantía, resulta entonces los siguiente:

DP = DPt  +  DPm

-Resistencia de la torta o turbios de filtración (DPt):

          a . n . w . V

            DPt = --------------- . (dV / dt)                    a: resistencia específica de la torta.

                             A2                                                                              n: viscosidad del líquido.

                                                                       w: masa de sólidos depositados por unidad de

                                                                            volumen de filtrado.

                                                                       V: volumen filtrado.

                                                                       dV / dt : velocidad o volumen filtrado por unidad

                                                                            de tiempo.

                                                                       A: superficie de la materia filtrante.

                               5 . (1 - X) . So2

                        a = --------------------

                                   x3 . ds                          x: porosidad.

                                                                       So: área superficial específica de las partículas

                                                                           sólidas de la torta.

                                                                       ds: densidad de los sólidos.

Cuando los sólidos son indeformables, el valor de DPt no varía en la profundidad de la torta o "incompresible", mientras que si fueran deformables, entonces el DPt varía en el espesor de la torta o "compresible".

-Resistencia del medio filtrante (DPm):

                          Rm . n

            DPm = ---------- . (dV / dt)                       Rm: resistencia del medio de filtración.

                 A                                        n: viscosidad del líquido.

                                                                       dV / dt : velocidad o volumen filtrado por unidad

                                                                            de tiempo.

                                                                       A: superficie de la materia filtrante

-Ecuación de la filtración.

                                           n     a . w . V             dV

DP = DPt  +  DPm = ----  (------------ + Rm)  -----

                                           A           A                     dt

                                    A . DP

dV / dt = ----------------------------

                                 a . w . V       

                            n (------------ + Rm)

                                   A

En el caso de una filtración a presión constante (DP = P), resulta entonces lo siguiente:

                   n       a . w .V2               V

t = ----- (------------- + Rm  -----)

      DP       2 . A                   A

                   a . w . n                 Rm .n

K = ------------   y   B = ----------  resulta entonces:  dt / dV = K . V  +  B

         A2 . P                   A . P

Donde se observa que a presión constante, a mayor tiempo de filtración, mayor es el volumen de líquido filtrado.

En el caso de una filtración a velocidad constante (dV / dt = V / t), resulta entonces los siguiente:

                                    A . DP

V / t = -----------------------------

                               a . V . w

                        n  (-------------  +  Rm)

                                    A

                        n . a . w . V         n. V. Rm

DP = (----------------) V  +  ------------

                           A2 . t                               A . t

         n . a . w              n . V . Rm

= -----------   y   = --------------  resulta entonces:  DP = . V  + 

           A2 . t                      A . t

Donde se observa, que a velocidad de filtración constante, a mayor diferencial de presión , mayor es el volumen de líquido filtrado.

De manera más resumida, la ecuación de filtración se puede expresar también por la ley de Poiseuille, donde el caudal de filtración es directamente proporcional a la superficie y presión de filtración, e inversamente proporcional al espesor de la capa filtrante, como sigue:

                                 A . DP . b          A . DP

Q = dV / dt = ------------- = K  ---------       Q: caudal de filtración

                                     h . E               E         A: superficie de filtración

                                                                       DP: presión diferencial

                                                                       b: permeabilidad del filtro

                                                                       h: viscosidad del líquido

                                                                       E: espesor de la materia filtrante

-Filtración con colmatación brusca de los poros.

El filtro se comporta como un conjunto de tubos capilares, los cuales se obturan individualmente de manera progresiva. En este caso la filtración está regida por la siguiente ecuación, correspondiendo a una recta donde la variación del caudal depende del volumen filtrado:

                        Q = - K1 . V  +  Qo                     Q:  caudal de filtración en el tiempo t

V:   volumen filtrado en el tiempo t                    

Qo: caudal inicial en el instante to

            El volumen máximo filtrado (Vmax) se alcanza cuando el valor de Q es nulo, es decir:

                        Vmax = Qo / K1

            -Filtración con colmatación progresiva de los poros.

Los turbios se depositan en el interior de los poros provocando una colmatación progresiva de los mismos, rigiéndose la filtración por la siguiente ecuación, asimilándose a las filtraciones por placa o por membrana:

                        t / V = K2 . t  +  1 / Qo                               1 / V = K2  +  1 / Qo . t

Cuando el tiempo (t) tiende hacia el infinito, el segundo sumando se hace cero y el valor de la velocidad de filtración es: V = 1 / K2, que corresponde a la cotangente del ángulo a. Pudiéndose entonces determinar el volumen máximo filtrado (Vmax) hasta la colmatación como:

                                          t2 - t1

                        Vmax  =   ----------------

                                   t2 / V2  -  t1 / V1

-Filtración de aluvionado.

Los turbios se depositan sobre la capa filtrante, aumentando de espesor progresivamente a lo largo de la filtración, respondiendo la misma a la siguiente ecuación:

                        t / V = K3 . V  +  1 / Qo

En este tipo de filtración Qo es muy elevada, y entonces el segundo sumando tiende al valor de cero, y por lo tanto:  t / V = K3 . V, es decir:

                        Log V = 1/ 2 log t  + Cte

-Filtración con colmatación intermedia de los poros.

En este tipo de filtración situada entre las anteriores se cumple la siguiente ecuación:

                        1 / Q = K4 . t  +  1 / Qo

VII.1.1.2. Mecanismos de la filtración.

            Todos los filtros pueden retener las partículas en suspensión que contienen los líquidos, invocando dos posibles mecanismos: tamizado y adsorción, aunque en la realidad ningún material filtrante funciona exclusivamente con uno u otro mecanismo, si no que lo hacen de una manera mixta, aunque con una mayor tendencia en uno u otro sentido.

-Mecanismo de tamizado.

            Mediante este mecanismo, los turbios son retenidos en la superficie del medio filtrante por diferencia de tamaño entre estos y la porosidad del medio. Los filtros de membrana de tipo amicróbico son los que mejor responden a la definición de este mecanismo, aunque también funcionan de este modo otros, como las tierras fósiles en ciclo corto o incluso los antiguos lechos filtrantes de amianto en los filtros de torta.

            El tamizado o la interceptación de las partículas puede realizarse de tres maneras distintos:

-Interceptación inercial. Las partículas en una corriente fluida presentan una masa y una velocidad, y por consiguiente mantienen un momento de inercia asociado a ellas; de tal manera, que cuando el líquido toma el recorrido de menor resistencia al flujo, desviándose alrededor de las fibras, las partículas continúan rectas e impactan directamente sobre las fibras quedando retenidas en el filtro. En el caso del vino, este efecto se atenúa, debido al pequeño tamaño de las partículas y a la escasa diferencia de densidad con el vino.

-Interceptación difusional. Las partículas muy pequeñas y de reducida masa se mueven al azar por el "movimiento browniano", haciendo que se desvíen de las líneas de flujo, aumentando de este modo las posibilidades de ser interceptadas por las fibras del filtro. En los líquidos este efecto es también muy reducido, pero en la de los gases puede ser muy importante.

-Interceptación directa. Las partículas son retenidas simplemente por poseer un tamaño superior al espacio resultante entre las fibras del filtro, aunque también se pueden interceptar partículas más pequeñas por el llamado "efecto puente", donde se superponen entre sus bordes o con las mismas partículas. 

-Mecanismo de adsorción.

            El mecanismo de adsorción o de acción física retiene los turbios en profundidad, es decir en todo el espesor del medio filtrante, por medio de una diferencia de carga eléctrica entre los sólidos y el medio filtrante, pudiendo poseer los turbios un tamaño inferior al del espacio resultante entre las fibras. Este efecto de adsorción se conoce con el nombre de potencial "zeta", donde las partículas en suspensión presentan generalmente una carga superficial negativa asociada y resultante de la doble capa iónica formada en su superficie, mientras que la carga eléctrica de las fibras suele ser positiva, lo que supone una atracción entre ambas y p 737w2219h or lo tanto la eliminación de las partículas en suspensión . El "potencial zeta" se mide en milivoltios (mV), alcanzando valores variables según los distintos medios filtrantes, presentando por ejemplo la celulosa un valor de +40 mV a un pH de 3,2 a 3,4. A los valores del pH del vino, presentan carga positiva las proteínas y las fibras de celulosa, mientras que lo hacen negativamente otras sustancias como: levaduras, bacterias, materia colorante coloidal, sales metálicas, bentonita, carbones, taninos, gomas, sílice coloidal, etc.

VII.1.1.3. Parámetros y ensayos de filtración.

            El aforo o velocidad instantánea de filtración es la cantidad de líquido expresada en litros, que fluye en un minuto de tiempo a través de 1 m2 de superficie filtrante eficaz, bajo la presión de 1 kg / cm2. El rendimiento de filtración es la cantidad de líquido expresada en litros, que puede pasar a través de 1 m2 de superficie filtrante eficaz, a la presión de 1 kg / cm2, hasta que deje de fluir o éste comience a salir velado o turbio. Estos parámetros dependen de las características del líquido a filtrar: naturaleza de los sólidos en suspensión, viscosidad y tensión superficial, así como también del medio filtrante utilizado: materia filtrante, superficie filtrante y presión diferencial.

La naturaleza de los turbios condicionan de una manera muy directa los rendimientos de la filtración y especialmente la capacidad de colmatación de la materia filtrante, siendo generalmente la velocidad de filtración directamente proporcional al tamaño de los turbios, e inversamente proporcional a su capacidad de deformación, pudiendo éstos últimos clasificarse como sigue:

            Partículas deformables:

Gran poder colmatante: proteínas, polisacáridos, gomas, mucílagos, materia          colorante, etc.

Poder colmatante medio: levaduras, bacterias, etc.

            Partículas indeformables:

                        Poder colmatante débil: precipitados finos, tartratos, tierras de diatomeas, etc.

            La viscosidad es la resistencia de un fluido al movimiento de sus moléculas entre ellas, siendo un parámetro que aumenta la resistencia a la circulación del líquido dentro del filtro, midiéndose en "centipoises", siendo la unidad de medida que compara la viscosidad de un fluido con la del agua, la cual tiene una viscosidad de un centipoise a 21º C. En los vinos la viscosidad depende de su contenido alcohólico en sentido negativo, y de su extracto y riqueza en azúcares en sentido positivo, pudiendo además las variaciones de temperatura afectar a la viscosidad, de tal manera que ésta reduce cuando la temperatura aumenta.

            La superficie filtrante es otro importante factor que afecta al aforo y al rendimiento de la filtración, produciéndose un interesante efecto de multiplicación de estos factores en el siguiente sentido: cuando se dobla la superficie de filtración, se multiplica por cuatro la vida o el rendimiento del filtro. Otro aspecto importante de la materia filtrante es su "volumen vacío" o la relación existente entre el diámetro de las fibras y el tamaño de los poros situados entre éstas, que condiciona la capacidad de retención y por lo tanto el aforo y el rendimiento del filtro.

            La porosidad de las superficie filtrantes es un parámetro que debe ser definido para conocer exactamente la capacidad de retención de las partículas por el filtro, presentando este valor una gran importancia, sobre todo en los filtros de tamizado y especialmente en los de tipo amicróbico, donde un adecuado tamaño de sus poros determina la garantía de la estabilidad biológica del vino filtrado. El llamado "grado nominal" es un valor en micras arbitrario asignado por el fabricante de filtros, basado en la retención de algunos porcentajes de partículas de un tamaño dado o mayor, donde se asegura la retención de una elevada cantidad de turbios de ese tamaño, por ejemplo del 98 por 100, existiendo un 2 por 100 restante donde estas condiciones no se cumplen.

El "grado absoluto" determina con mayor exactitud la porosidad de una materia filtrante, y viene definido como el diámetro de la partícula esférica dura más grande que puede pasar por un filtro, bajo condiciones de prueba específicas, indicando de este modo la abertura más grande que posee el medio filtrante. Para determinar el "grado absoluto" de una materia filtrante se puede utilizar el método de la "razón b" donde este valor se define como:

       Número de partículas de un tamaño dado y mayores en el influente

b = -------------------------------------------------------------------------------------

       Número de partículas de un tamaño dado y mayores en el efluente

                                              b - 1

Eficacia de filtración (%)  =  ------- . 100

                                                           b

                        Valor de b                     % de eliminación

                        -------------                      ---------------------

1                                                                                             0

2                                                                                           50

10                                                                                        90

100                                                                                    99

1.000                                       99,9

                        10.000                                     99,99

                        100.000                                    99,999

            Normalmente se puede utilizar un b de 5.000 a 10.000 como definición operacional de un grado absoluto. Los valores de b permiten comparar las eficacias de filtración con diferentes tamaños de partículas para diferentes cartuchos de membrana de forma significativa.

            La presión del filtro, o mejor dicho la diferencia de presiones entre la de la entrada y la de salida, condiciona la velocidad de filtración, aumentándola cuando la presión se eleva, hasta llegar a ciertos límites donde la presión no se puede superar por ocasionar problemas de resistencia y estabilidad de las diferentes materias filtrantes. La presión debe ser constante para evitar movimientos bruscos del vino o "golpes de ariete", siendo generalmente suministrada por medio de una bomba centrífuga o de tornillo de desplazamiento positivo, y a menudo de presión y de caudal regulables.

           

            La capacidad de colmatación es otro parámetro de la filtración, donde define la propiedad que presenta un líquido turbio: mosto o vino, para obstruir una determinada materia filtrante. Para ello es necesario conocer antes de realizar la filtración la capacidad que tiene un líquido de colmatar los filtros, pudiéndose entonces elegir el sistema de filtración más adecuado para cada caso, y especialmente cuando se utilizan medios filtrantes de alto valor, como en el caso de las membranas amicróbicas o de corte molecular inferior.

La determinación de los índices de colmatación permite evaluar de una manera muy exacta el comportamiento de los líquidos antes de su filtración, utilizando para ello un instrumental de laboratorio específico, pudiéndose aplicar a los sistemas de filtración por tierras, o a los de placas, y sobre todo a los de membrana de carácter amicróbico.

-Filtración por tierras. Utilizando un filtro de laboratorio de unos cuatro litros de capacidad, que contiene una suspensión de tierras y vino, se puede hacer pasar por una superficie filtrante de 4 a 20 cm2 a una determinada presión; pudiendo calcularse dos o tres puntos de la recta Log V  =  ½ Log t  +  cte, que en función de la superficie filtrante utilizada, se puede trazar una recta en papel logarítmico, donde se representa el comportamiento de la filtración.

-Filtración por placas. La colmatación de las placas se produce de una manera progresiva, utilizando un dispositivo de filtración de laboratorio, se puede calcular el volumen máximo filtrable (Vmax) aplicando la expresión:

                                        t2  -  t1          

                        Vmax =  -----------------                    Presión: 0,5 bar

                                   t2 / V2  -  t1 / V1               t1 = 1 hora   t2 = 2 horas

                                                                       V1 = volumen filtrado en 1 hora

                                                                       V2 = volumen filtrado en 2horas

Para conocer un ciclo real de filtración de 6 a 10 horas, se puede construir una recta con ayuda de tres puntos o más, donde se puede extrapolar la variación de V en el tiempo.

-Filtración por membrana. El cálculo del índice de colmatación de vino, puede ser realizado de diversas formas:

-Indice de Ribéreau-Gayon (IRG). Es la diferencia de tiempo existente en hacer pasar 50 ml de vino, antes y después de filtrar 500 ml del mismo vino, a través de un medio filtrante de 4,5 cm de diámetro y bajo la presión de 50 mm de mercurio.

                        IRG = T50  -  50 = (T560 - T510) - T50

-Indice de Laurenty (IL). Es la diferencia de tiempo que tardan en pasar 200 y 400 ml de vino, bajo la presión de 2 bar, a través de una membrana de 3,9 cm2 de superficie y de 0,65 mm de diámetro de poro; debiendo alcanzarse un valor inferior a 20 para los vinos blancos, 30 para los vinos tintos y 50 para los vinos licorosos o dulces naturales.

                        IL = T400  - 2  . T200

-Indice de Descout (ID). Basado en el anterior método, determinando además un valor de tiempo intermedio en los 300 ml, debiendo resultar este índice superior a 30.

                        ID = ((T400  -  T300)  -  (T300  -  T200)) . 2

-Indice de Geoffrey y Perin (IGP).

                        IGP = T100 - 2 . T50

-Indice de Meglioli (IM).

                        IM = (T600 - T200) - 2. (T400 - T200)

-Test de filtrabilidad Vmax  de Gaillar. Consiste en medir los volúmenes de líquido filtrado a los dos minutos (V2) y a los cinco minutos (V5), bajo la presión de 1 bar y sobre una membrana porosa de 0,65 mm y de 25 mm de diámetro.

                                         5  -  2             3 (V5 . V2)

                        Vmax = -------------------  =  --------------

                                   5 / V5  -  2 / V2         5 (V2 . V5)

            La colmatación del filtro se produce con unos valores de Vmax inferiores a los 2.500 a 4.000. A partir de éste índice se puede estimar el rendimiento teórico de una filtración amicróbica:

                                                                   Superficie real del filtro (cm2)

                        Rendimiento (litros) = Vmax   -------------------------------------

                                                                    Superficie del ensayo (cm2)

VII.1.1.4. Características de las materias filtrantes.

            Los materiales más utilizados para las filtraciones groseras y de abrillantado, poseen una serie de características comunes, que los diferencian de los otros tipos de superficies filtrantes, como las utilizadas para la filtración amicróbica y tangencial, compuestas generalmente a base de membranas sintéticas o minerales. Cada tipo de materia filtrante: tierras de diatomeas, perlitas, celulosa, etc. ofrece un determinado valor de una serie de caracteres, cuyas definiciones y determinaciones se exponen a continuación.

-Humedad (H).

            El contenido en humedad de una materia filtrante se evalúa pesando 2 gramos de muestra, sometiéndola a una desecación de 3 horas a una temperatura de 106º C, y luego pesándola de nuevo (P gramos).

                                       2  - P

                        H (%) = --------- . 100

                                        2

-Pérdida a calcinación (PC).

            La pérdida a calcinación es una determinación que se realiza sobre materias filtrantes minerales, como las tierras fósiles o las perlitas, donde se pesan 2 gramos de materia filtrante, sometiéndola a calcinación durante 1 hora a una temperatura de 600º C, y después pesándola de nuevo ( gramos).

                                       2  - 

                        PC (%) = ---------- x 100

                                           2

-Granulometría.

            Este parámetro solo se calcula para las tierras fósiles y las perlitas, donde es de gran interés, pues su valor afecta a los resultados de la filtración. Para medirlo se utiliza el método BAHCO, donde se hace pasar el material por una serie de tamices con luces comprendidas entre 2 a 100 mm, expresando los resultados en porcentaje en peso para cada fracción retenida en el tamiz. Normalmente se recogen los resultados de los siguientes tamaños:

                             > 50

                        50 a 30

                        30 a 20

                        20 a 10

                          10 a 5

                            5 a 3

                               < 3

-pH.

            Determinado sobre una solución año 10 por 100 en agua destilada.

-Densidad (D).

            Determinada con el método Metafilter, donde se introducen 5 gramos de muestra en una probeta graduada de 100 ml, llenándola con agua destilada, luego se agita y por fin se deja en reposo durante 24 horas. Al cabo de ese tiempo se mide el volumen ocupado por la materia filtrante, y la densidad se calcula como:

                                                       Peso estudiado (gramos)

                        D (gramos / ml) = ---------------------------------

                                                         Volumen ocupado (ml)

-Volumen mojado (Vm).

            Son los litros que ocupan 1 kg de muestra una vez hidratada, calculándose a partir del valor de la densidad (D):

                        Volumen (ml) ocupado por 5 gramos:                  5 / densidad

                        Volumen (ml) ocupado por 1.000 gramos:           200 . 5 / densidad

                        Volumen (litros) ocupado por 1 kg:                     1 / densidad

-Porosidad (P).

            Es el volumen vacío de una sustancia en relación con su volumen total, siendo este valor expresado en porcentaje, y dependiendo del tamaño y forma de las partículas que la componen.

 

                                   Material                        Porosidad (%)

                        ------------------------------                 ----------------------

                        Tejido metálico en reps.                 15 a 25

                        Tejido metálico cruzado:                30 a 35

                        Metales y cerámicas porosas:       30 a 50

                        Placas filtrantes            :                                   80

                        Tierras fósiles:                              85 a 95

-Permeabilidad (darcie).

                       

            La permeabilidad es la propiedad de una sustancia en dejarse atravesar por un líquido con mayor o menor facilidad, cuya unidad de medida es el "darcie" que se define por la "regla de los siete unos" como una capa filtrante que tiene un espesor de 1 cm, una superficie de 1 cm2, atravesado por 1 cm3 de líquido, de una viscosidad de 1 centipoise, bajo la presión de 1 atmósfera, y durante un tiempo de 1 segundo. Aproximadamente 1 darcie equivale a un caudal por superficie filtrante de 36 m3 / m2 . hora

                        Tierras fósiles:                                          0,1 a 2,0 darcies

                        Celulosa:                                                 0,5 a 5,0 darcies

                        Placas de filtración de abrillantamiento:  0,15 a 0,50 darcies

                        Placas de filtración esterilizantes:          0,02 a 0,07 darcies

VII.1.2. Sistemas de filtración.

            Los sistemas o tipos de filtración pueden ser clasificados desde varios puntos de vista, uno de ellos atendiendo al modo de retener las partículas, según los mecanismos de actuación anteriormente descritos, en filtros de acción mecánica o de tamizado y en filtros de acción física o de adsorción. Sin embargo desde otro punto de vista tecnológico o de los resultados enológicos, los filtros se pueden clasificar en las siguientes categorías:

-Primera categoría o filtración por torta. Este sistema de filtración responde a un antiguo método, prácticamente desaparecido en la actualidad, donde la materia filtrante se introducía en masa, utilizando para ello celulosa o amianto en su tiempo cuando estaba sanitariamente autorizada. En este caso, pueden ser valiosos tanto los sólidos retenidos, como el líquido permeado, empleándose en enología en este último caso para la filtración grosera o de desbaste de los mostos o vinos.

-Segunda categoría o filtración clarificante. En este caso únicamente es útil el líquido permeado, despreciando los sólidos retenidos causantes de la turbidez. Generalmente se utilizan las tierras fósiles como materia filtrante, así como también determinadas placas de filtración, consiguiendo en función de la elección de sus diferentes tipos, resultados enológicos que oscilan desde el desbaste, hasta el abrillantamiento de los mostos o vinos.

-Tercera categoría o filtración amicróbica o microfiltración. Con este sistema se pretende retener los microorganismos de los mostos o vinos: mohos, levaduras y bacterias, haciéndolos pasar a través de materiales filtrantes en forma de membrana, con porosidades comprendidas entre las 1,20 a 0,45 mm, y dejando pasar los líquidos limpios y estériles. Algunas placas de filtración de poro muy cerrado, pueden también presentar esta propiedad, aunque con resultados de menor garantía.

-Cuarta categoría o ultrafiltración y ósmosis inversa. Se utiliza un moderno sistema de filtración tangencial, aplicable también para otros fines de limpieza o esterilización de los mostos o vinos, donde se retienen diversos solutos de determinados pesos moleculares (corte molecular), y siendo valiosos en algunos casos los permeados y en otros los retenidos. Aunque esta categoría no se ajusta estrictamente a la definición de la filtración, se la puede considerar como tal a efectos mecánicos y de aplicaciones enológicas.

VII.1.2.1. Filtración por tierras.

            La filtración por tierras o de aluvionado utiliza las tierras fósiles o las perlitas como materias filtrantes, donde una vez formada una precapa de éstas sobre un soporte del filtro, se hace pasar el líquido a filtrar de forma continua, a medida que recibe un aporte o aluvionado de los mismos materiales; consiguiéndose de este modo la limpieza de los mostos o vinos en profundidad, durante un ciclo de filtración de  mayor o menor longitud, y con unos resultados de limpieza en función del tipo de tierras o perlitas utilizados, que oscilan desde el desbaste hasta el abrillantamiento.

Generalmente este tipo de filtración queda reservada para los vinos relativamente cargados de turbios y todavía con un alto poder de colmatación, como los vinos en rama, o los resultantes de una clarificación por encolado, o también los obtenidos a la salida de una estabilización tartárica. Desde un punto de vista sanitario y ecológico, la filtración por tierras se encuentra en la actualidad en entredicho, pues por una parte, el polvo formado en su empleo puede llegar a afectar a la salud los manipuladores, y por otra parte el vertido de las tortas de filtración al medio ambiente son de elevado poder contaminante.

-Tierras fósiles.

            Las tierras fósiles reciben otros nombres como: diatomeas, tierra de infusorios, kieselgur (corpúsculo de sílice), etc., siendo unas rocas sedimentarias compuestas por la acumulación de caparazones o esqueletos de sílice de unas algas unicelulares y microscópicas, del tipo de los radiolarios o foraminíferos (tierras de infusorios) o de diatomeas (tierra de diatomeas). En la naturaleza existen más de 10.000 especies, de las cuales unas 400 son de agua dulce, de donde proceden los yacimientos de estos materiales; que por destrucción de la materia orgánica, queda como resto un caparazón silíceo poroso, que se acumula en el fondo de las masas de agua dulce o salada, formando a lo largo de millones de años un yacimiento.

            Las diatomeas "céntricas" son las más antiguas y presentan una simetría radial o elíptica, perteneciendo a ellas los tipos: cyclotela, coscinodiscus y melosira. Por otra parte las diatomeas "pinnadas" de agua dulce, presentan una forma alargada, destacando las navícula, cymbella, surirella y synedra. La acumulación de estos restos de hace 60 a 100 millones de años, forman una roca sedimentaria, blanda, ligera, e higroscópica; encontrándose en yacimientos repartidos por todo el mundo, siendo los más importantes los de Estados Unidos de América (Santa Bárbara), Europa (Ardèche y Cantal), Africa del Norte, e Islandia; explotándose a cielo abierto,  y utilizándose como adsorbente de nitroglicerina (dinamita), para la obtención de silicatos, y desde el año 1920 como materia filtrante.

            Una vez extraído el mineral de los yacimientos, se deja en "maduración" a la intemperie durante al menos un año, transcurrido el cual se somete a un proceso de fabricación, donde se pretenden los siguientes fines: purificar el mineral, eliminar el agua, y obtener materias filtrantes de diferente porosidad. Par ello, en primer lugar el mineral es desterronado, siendo después presecado en un horno a una temperatura de entrada de 600º a 700º C y con una humedad del 60 por 100, hasta salir a una temperatura de 85º C y con una humedad del 30 por 100. A continuación el mineral es de nuevo triturado, y desecado de nuevo durante un segundo a una temperatura de 700º a 800º C, resultando con una humedad final del 4 por 100. Las diatomeas naturales se obtienen por clasificación según tamaño en un ciclón de aire, donde se desechan las partículas más pesadas, siendo éstas de color grisáceo por contener una pequeña fracción de materia orgánica.

            Las diatomeas calcinadas, son de color rosáceo, estando sometidas a un nuevo tratamiento a una temperatura de unos 900º a 1.000ºC, siendo luego molidas y clasificadas por un ciclón de aire, para conseguir eliminar por calcinación la materia orgánica y aglomerar por "fritage" las partículas muy finas de elevado poder colmatante. Se consigue una materia filtrante muy fina, donde un 60 a 80 por 100 son partículas de tamaño inferior a 10 mm, y el 40 a 60 por 100 restante menores a 5 mm. Las diatomeas calcinadas activadas, son tierras de color blanco, fabricándose por adición de un fundente de carbonato de sodio al 6 por 100, antes de su calcinación a una temperatura entre los 900º a 1.150º C, siendo por último trituradas y clasificadas por un ciclón de aire. La adición del fundente permite una calcinación más efectiva de las tierras, lo que permite aumentar la permeabilidad de las diatomeas y así obtener mejores resultados de filtración que con los anteriores tipos.

            La composición química de la tierras fósiles depende de su origen y también del tipo de fabricación:

                                                           Composición (% m.s.)

                                               Natural             Calcinada        Activada

                                             --------------        --------------      --------------

                        SiO2:                                86,8                 91,0                 87,9

                        Al2O3:                 4,1                      4,6                5,9

                        Fe2O3:                   1,6                 11,9                  1,1

                        P2O5:                  0,2                       0,2               0,2

                        CaO:                  1,7                    1,4                    1,1

                        MgO:                  0,4                      0,4                    0,3

                        Na2O + K2O:       1,1                       1,1                    3,3

                        pH:                    5 a 8                   6 a 8                 8 a 10

            En cuanto a su características físicas, las tierras fósiles presentan los siguientes datos:

                        -Humedad: < 2,0 por 100

                        -Pérdida a calcinación: < 1,0 por 100

                        -Granulometría:

                                   Tamaño (mm)     Tierras finas      Tierras medias       Tierras gruesas

                                   -----------------       ----------------        -------------------           -------------------

                                        > 50                          2,5 %             13,0 %                   56,0 %

                                   50 a 30               4,0 %               6,0 %                   13, 0 %

                                   30 a 20               4,5 %               9,0 %                      9,5 %

                                   20 a 10             12,5 %             39,0 %                    15,5 %

                                   10 a 5               20,5 %             18,0 %                      3,0 %

                                     5 a 3              20,0 %             15,0 %                      3,0 %

                                        < 3              36,0 %                 0,0 %                        0,0 %

                        -Densidad: 0,27 a 0,42 gramos / ml.

                        -Volumen mojado: 2,5 a 4,0 litros / kg.

                        -Permeabilidad: 0,1 a 2,0 darcies.

-Perlitas.

            Este material de filtración, conocido desde finales del siglo XVIII como "perlstein" o "pearlstone", es una roca volcánica del grupo de las riolitas, de composición vítrea y de estructura globosa o poliédrica por contener un 2 a 5 por 100 de agua y gases ocluidos. Una vez triturada la roca y después de mojada, se la somete a un tratamiento térmico instantáneo de 900º a 1.000 º C, donde aumenta de volumen en más de 10 a 20 veces por la expansión del agua que contiene, formando un material en forma de espuma y muy ligero, no sobrepasando los 50 kg / m3; siendo a continuación triturado y clasificado con un ciclón de aire, donde se separan las partículas más pesadas no hinchadas. Este material se produce en países como Méjico, Estados Unidos de América, Canadá, Japón, Nueva Zelanda, Turquía, Grecia, Hungría, etc.

            Las perlitas es un material filtrante más barato que las tierras de diatomeas,  y además  se ahorra en su empleo de un 20 a 30 por 100 en peso, por lo que resultan muy interesantes para la filtración por aluvionado. Sin embargo se trata de un material muy abrasivo frente las partes metálicas de los filtros, ofreciendo además superficies filtrantes no muy finas, por lo que su empleo se reduce a la clarificación de líquidos muy turbios como: mostos, heces, etc.

            La composición química media de una perlita puede ser la siguiente:

                                              

                                               Composición (% m.s.)

                                               ----------------------------

                        SiO2:                            74,7

                        Al2O3:                           13,2

                        Fe2O3:                            0,7

                        P2O5:                                            trazas

                        CaO:                              0,8

                        MgO:                           trazas

                        Na2O + K2O:                   9,5

                        pH:                              7 a 10

            Las características físicas medias de las perlitas responden a los siguientes datos:

                        -Humedad: 0,1 por 100.

                        -Pérdida a calcinación: 1 por 100.

                        -Densidad: 0,14 a 0,25.

                        -Volumen mojado: 4,0 a 7,1 litros / kg.

                        -Permeabilidad: 0,5 a 2,0 darcies (50 a 250 litros / m2 y minuto).

-Tipos de filtros y funcionamiento.

            Los filtros de tierras pueden pertenecer a las siguientes categorías: filtros de aluvionado utilizados para la limpieza de los vinos,  y los filtros rotativos a vacío o los filtros de marcos para heces, empleados para la clarificación de los mostos o de sus fangos y lías residuales de la fermentación alcohólica. En todos ellos se pueden utilizar distintos tipos de materias filtrantes, consiguiendo de este modo diversos grados de filtración y por lo tanto de limpieza de los mostos o vinos.

-Filtros de aluvionado.

Estos filtros están formados por los siguientes elementos, generalmente instalados en un bloque compacto y a menudo sobre ruedas para facilitar su transporte.

-Filtro propiamente dicho, compuesto por una carcasa hermética, donde en su interior se coloca una superficie de filtración de mayor o menor extensión, sobre la cual se depositan las tierras de filtración. Los soportes de filtración pueden ser de los siguientes tipos:

-Tejido de algodón, nylon, poliéster, cloruro de polivinilo, polietileno, fibra de vidrio, cloruro de polivinilideno (saram), politetrafluoroetileno (teflón) etc. en forma de sarga de 400 a 600 gramos / m2.

-Tejido de hilos de acero inoxidable o "reps" construidos en forma de reps unido o de reps armado, con hilo de 0,01" a 0,07" y tejidos en 60 x 60 a 80 x 80 hilos / cm.

-Soportes de cartón poroso, o mejor de porcelana o cerámica porosa.

-Soportes de arandelas acanaladas apiladas, formado una "bujía" hueca en forma de tubo poroso, o de bobinado de hilo de acero inoxidable sobre un eje.

Los soportes de filtración por tierras deben cumplir los siguientes requisitos: buena estabilidad dimensional, resistencia a la deformación durante la filtración, y porosidad regular con espacios comprendidos entre 50 a 120 mm. Las bujías de arandelas son posiblemente el tipo de soporte que mejor cumple con los citados requisitos, aunque también se utilizan en la actualidad los tejidos de acero inoxidable, estando conformados mediante "platos" de doble cara separados entre 2 a 3 cm, donde en su parte exterior se deposita la tierra, y el líquido a filtrar penetra desde fuera y hacia el interior.

Las bujías siempre se colocan en el interior de las carcasas en posición vertical, mientras que los platos se pueden situar en posición vertical u horizontal, consiguiendo las siguientes ventajas e inconvenientes:

                                               Ventajas                                   Inconvenientes

                                               ----------------------------------             -----------------------------------

Platos verticales:           -Filtro de técnica fiable.             -Difícil estabilidad de la torta.

-Filtración por las dos caras.      -Difícil extracción en seco de la

-Platos filtrantes desmontables. torta.        

-Fácil limpieza con agua.           -Importantes pérdidas de vino.

-Excelente precio.                     -Imposibilidad de aumentar la

-Carcasa de diámetro redu-        superficie filtrante.

cido.                                        -Elevado consumo de agua de

                                               limpieza.

                                               -Ciclo de filtración corto.

            Platos horizontales:       -Buena estabilidad de la torta.    -Filtración por un lado de los

                                               -Posibilidad de parar durante      platos.

                                               la filtración.                               -Carcasa de gran diámetro y

                                               -Elevado ciclo de filtración.         altura.

                                               -Posible aumento de la super-   -Platos filtrantes poco rígidos.

                                               ficie de filtración.                       -Dificultad para su desmontado.

                                               -Extracción en seco de la torta.  -Precio elevado.

                                               -Pequeñas pérdidas de vino.     

                                               -Pequeño consumo de agua.

                                               -Ciclo de filtración elevado.

            Bujías verticales:           -Elevada superficie filtrante.        -Difícil estabilidad de la torta.

                                               -Rigidez de la superficie de        -Ciclo de filtración medio.

                                               filtración.                                  -Consumo de agua elevado.

                                               -Extracción en seco de la torta. -Mantenimiento delicado.

                                               -Aumento de la superficie          -Importantes pérdidas de vino.

                                               durante la filtración.      

El aforo o velocidad de filtración o cantidad de líquido que puede pasar a través de una superficie filtrante en un momento dado, depende de la superficie de filtración utilizada, oscilando según el grado de turbidez y del tipo de tierras utilizado, desde los 3 a 5 hectolitros / m2 y hora para los líquidos más cargados y de 15 a 25 hectolitros / m2 y hora para los más limpios, con un aforo medio de 10 hl / m2 y hora, que equivale a 1,5 cm3 por cm2 y por minuto. Disponiéndose filtros de aluvionado para uso enológico, con superficies filtrantes desde 1 a 3 m2 los más pequeños, hasta de 80 a 100 m2 los de mayor tamaño.

El volumen de la carcasa depende de la superficie de filtración, oscilando alrededor de los 150 a 250 litros por m2, debiendo de dejar un espacio suficiente entre platos o bujías, para contener las tierras y los turbios retenidos durante la filtración. La extracción de la torta de filtración puede hacerse por medios manuales en los filtros de pequeño tamaño, o bien de manera automática en los de mayor volumen, utilizándose en este caso una limpieza interior con agua impulsada a contraflujo, solución de elevado poder contaminante; o mejor mediante una extracción en seco por medio de la vibración de los soportes de filtración o con un gas también a contraflujo. El aprovechamiento de los restos de vino contenidos en la carcasa de filtración, puede realizarse instalando junto a la carcasa principal, otra pequeña carcasa de filtración conocida como "filtro de residuos", por donde se hace pasar el líquido una vez terminada el ciclo de filtración.

-Bomba principal de circulación de líquido, de caudal acorde con la superficie de filtración entre 5 a 20 hl / m2, y capaz de suministrar una presión suficiente, comenzando con una presión diferencial entre la entrada del líquido sucio y la salida del líquido limpio de 0,1 bar y aumentando de 0,5 a 1,0 bar por cada hora de filtración, pudiendo alcanzar al final de la filtración una presión de hasta 6 a 8 bares. Estas bombas deben suministrar un caudal y una presión constante, utilizándose las de tipo centrífugo de baja velocidad (1.800 r.p.m.), para que no degraden o rompan la estructura de la tierra en suspensión cuando se establece el circuito de precapa, debiendo estar especialmente construidas para resistir el efecto abrasivo de las tierras fósiles y sobre todo de las perlitas.

-Tanque de mezcla de tierras, provisto de un agitador para evitar la sedimentación de las mismas, y de capacidad suficiente para contener  la totalidad de las tierras de un ciclo de filtración, del orden de 50 a 100 litros por m2 de superficie de filtración.

-Bomba dosificadora de caudal regulable, para impulsar la suspensión de tierras desde el tanque de mezcla, hasta la tubería de filtración en el tramos situado entre la bomba principal y la carcasa de filtración. Para evitar la abrasión de las tierras, se utilizan bombas aspirantes-impelentes de membrana, de caudal regulable según la carrera de desplazamiento de la membrana, con caudales regulables entre 2 a 20 litros / hora y m2 de superficie filtrante, y a una presión de inyección superior a los 8 bares, que permita superan la presión del líquido en filtración. Generalmente en el lugar de la inyección se coloca una mirilla transparente, estando debidamente iluminada, para observar desde el exterior la dosificación de la tierras durante el aluvionado. Dos manómetros colocados a la entrada y salida del filtro, permiten conocer la evolución del diferencial de la presión durante el ciclo de la filtración.

El funcionamiento de los filtros de aluvionado comprende una primera etapa o de formación de precapa, donde se depositan en circuito cerrado unas tierras limpias con objeto de cerrar los poros de la superficie filtrante, estableciendo un circuito cerrado entre el tanque de mezcla y el filtro, utilizando para ello unas tierras con una permebilidad superior a un darcie, y agua o vino limpios como líquidos de suspensión. En ocasiones se depositan dos precapas, la primera para el cierre de los poros de la superficie de filtración, y la segunda del mismo tipo que la utilizada posteriormente en el aluvionado. Cada precapa de unos 1,5 cm de espesor se construye con unos 300 a 500 gramos por m2 de superficie filtrante, en circuito cerrado a una presión no superior a los 0,1 a 0,2 bares y a un caudal de unos 15 a 20 hl / m2 y hora, superior en 1,5 a 2,0 veces la velocidad de filtración. La mezcla de tierras con agua o vino limpio en el depósito de mezcla se hace a razón de 1 kg de tierras por 5 litros de líquido.

Una vez establecida la precapa, se puede filtrar de dos modos: la primera a "ciclo corto" donde el líquido turbio pasa directamente sobre la precapa de tierras limpias, reteniendo ésta los turbios por la mera acción del tamizado, colmatándose el filtro con bastante rapidez; o mejor hacerlo en "ciclo largo o de aluvionado", donde el vino que accede al filtro recibe una cierta cantidad de tierras, permitiendo de este modo funcionar de forma combinada con los mecanismos de filtración de tamizado y de profundidad, permitiendo alargar notablemente el ciclo de filtración, hasta 5 a 10 horas, y por lo tanto también la cantidad de vino filtrado por ciclo.

La segunda etapa o de filtración por aluvionado consiste en hacer pasar el vino turbio a través de la precapa anteriormente formada, con un caudal entre 5 a 20 hl / m2 y hora, recibiendo de manera continua un aporte de tierras o aluvionado, que impide la colmatación del filtro al depositarse sobre la superficie filtrante una mezcla de turbios con tierras de filtración, permitiendo el paso vino de manera continua. Las dosis de tierras varían en función del tipo de filtración a realizar y por lo tanto también del tipo de tierras seleccionado, utilizando desde tierras gruesas para el desbaste de los vinos, hasta tierras finas para su abrillantado:

                                                Dosis de tierras                       Caudal de filtración

            Filtración            gramos / hl      gramos / m2 . hora            litros / m2 . hora

            ---------------         ----------------        ------------------------           --------------------------

           

            Desbaste            150 a 200          1.500 a 2.000                       600 a 800

            Media                 100 a 150           1.000 a 1.500                   800 a 1.200

            Fina                       50 a 80                 500 a 800                  1.200 a 2.000

           

Para calcular una dosis más exacta de tierras es conveniente realizar previamente un ensayo de laboratorio, con objeto de seleccionar el tipo de tierra más adecuada para cada vino. La duración del ciclo de filtración es muy variable, oscilando desde las 5 hasta las 10 horas, incrementándose progresivamente la presión a razón de 0,5 a 1,0 bar por hora, debido a la dificultad de atravesar la capa de tierras y turbios cada vez más gruesa, terminando el ciclo de filtración cuando se alcanza una presión máxima situada en el entorno de los 8 bares, o bien se produce la colmatación de la carcasa de filtración. Al comienzo de la filtración es conveniente aluvionar por exceso durante los primeros quince minutos, con objeto de evitar una posible colmatación de la precapa, bajando progresivamente la dosis de tierras, hasta lograr un incremento lineal del diferencial de presión y como máximo a razón de 1 bar por hora. Un pequeño incremento de la presión supone un excesivo consumo de tierras, acompañado de un menor volumen de vino a filtrar, por llenarse rápidamente la carcasa de filtración;  mientras que un elevado incremento de la presión, representa un bajo consumo de tierras y también un menor volumen de vino a filtrar, por llegar rápidamente a la máxima presión de trabajo.

            Todas las materias filtrantes son compresibles, pudiendo producirse por lo tanto un agrietamiento de la torta de filtración a medida que se incrementa la presión de filtración, pudiendo reducirse el volumen entre un 18 a 22 por 100 entre 1 y 4 bares para las diatomeas calcinadas, y de un 20 a 25 por 100 entre 1 y 4 bares para las diatomeas activada; siendo por lo tanto un momento delicado de la filtración, cuando el diferencial de presión se sitúa entre los 1,5 a 2,5 bares. Otros factores que influyen en una buena calidad de la filtración por tierras pueden ser: conseguir un buen reparto de las mismas sobre la superficie filtrante, cuestión que se logra disponiendo de una adecuada porosidad en dicha superficie, o evitando la formación de turbideces dentro la carcasa de filtración, y por fin trabajando preferiblemente con platos horizontales, donde las tierras se depositan mejor que en los verticales, evitando de este modo los fenómenos de su posible desmoronamiento, así como también impedir su estratificación en vertical  según partículas de diferentes tamaños.

            En los filtros de bujías se produce un incremento de la superficie de filtración, debido a que las tierras se depositan alrededor de un cilindro, debiendo entonces tenerse en cuenta este fenómeno en el momento de definir la superficie de filtración. Los fabricantes pueden definir entonces estos filtros como:

                        Bujías desnudas

                        Bujías desnudas + precapa

                        Bujías desnudas + precapa + 25 por 100 del aluvionado

                        Bujías desnudas + precapa + 50 por 100 del aluvionado

            Así una bujía desnuda puede presentar una superficie de filtración del orden de 0,136 m2, mientras que si se mide el mismo elemento con precapa y un 25 por 100 de aluvionado, la superficie se eleva a 0,204 m2, lo que representa un incremento del 50 por 100.

            La limpieza de los filtros debe ser realizada al menos una o dos veces al año, realizando un tratamiento químico, que desincruste los tartratos y la suciedad depositada en el circuito de filtración y especialmente en las superficies de filtración. Para ello se realiza una primera limpieza en circuito cerrado utilizando una solución de agua y sosa al 2 a 3 por 100, y mejor a una temperatura de 40º a 50º C; seguida de un enjuague con agua y una segunda limpieza ácida empleando una solución de agua y un ácido al 1 a 2 por 100 a una temperatura de 60º a 70º C, para terminar con un enjuague abundante con agua limpia.

-Filtros rotativos a vacío (FRV).

            Debido a la gran superficie de filtración y a la elevada longitud de su ciclo, donde en la práctica se puede asimilar a una instalación de filtración en continuo, estas máquinas se utilizan fundamentalmente limpiar los líquidos muy cargados de turbios, como la clarificación o desfangado de los mostos blancos, así como también para la limpieza de los fangos o de las lías resultantes de la fermentación alcohólica. Los filtros rotativos a vacío están formados por los siguientes elementos:

-Un tambor o cilindro horizontal giratorio, cuya parte curva presenta hacia el exterior generalmente un tejido de acero inoxidable de unas 60 mm de tamaño de poro, donde se soportan las tierras de filtración, por medio de un vacío procedente del interior del tambor, aunque en algunos filtros este tejido está compuesto por una tela de nylon. La aspiración generada por una o varias bombas de vacío, y del orden de 0,2 a 0,8 bares, puede ser  aplicada únicamente en la zona del tejido con ayuda de unos colectores terminados en unas ventosas, siendo conocidos como de "vacío periférico", o extendiéndose a la totalidad del interior del cilindro, llamándose entonces de "vacío integral".

La superficie del tambor es variable según modelos, oscilando desde los filtros de 3 m2 hasta más de 80 m2, pudiendo girar a velocidades regulables desde las 0,2 a 5,0 r.p.m. según  las necesidades de filtración. El cilindro giratorio se instala sobre una bandeja o cárter dotado de un agitador, donde se introduce el producto a filtrar sin ningún tipo de materia filtrante, siendo regulable el nivel de inmersión del tambor sobre el líquido turbio, oscilando su superficie sumergida  entre un 10 a 50 por 100. Lateralmente y siguiendo la generatriz del cilindro se coloca una cuchilla de corte de avance micrométrico, nunca superior a 0,1 mm por revolución, cuya función es separar los turbios depositados sobre las tierras y el tejido del tambor.

-Una instalación para la aspiración del líquido, compuesta por un grupo de vacío, que precisa de agua en circuito cerrado para su funcionamiento, así como de un depósito separador de líquido con bomba centrífuga de evacuación para los filtros de vacío periférico; o sin éste elemento en los modelos de vacío integral, donde el mismo tambor hace la función de separador de líquido, extrayéndose el líquido mediante una bomba centrífuga sumergida en su interior.

-Un equipo para la dosificación de tierras, compuesto por un tanque de mezcla provisto de agitador, y una bomba que sirve de manera indistinta para la dosificación o adición de tierras sobre el cárter en la etapa de formación de la capa filtrante, o bien para la circulación del líquido a filtrar en la etapa propia de la filtración.

Las características técnicas de estos filtros dependen de su superficie filtrante, oscilando éstas según las siguiente tabla:

                                                                                   Superficie filtrante (m2)

                                                                           3         10        20       30        40

                                                                       -----------------------------------------------

                        Diámetro del tambor (mm):        1.200    1.600    1.600    2.000    2.000

                        Longitud del tambor (mm):         1.000    2.000    4.000    5.000    6.500

                        Potencia total (kw):                       9,0     14,8      27,1      35,2      48,2

                        Consumo de agua (m3 / hora):        0,4       1,2       2,1       3,5       4,8

                        Tanque de mezcla (m3):     0,5      0,9       1,6       2,0       3,0

            El funcionamiento de los filtros rotativos a vacío sigue la siguiente secuencia:

-Formación de la capa o torta filtrante.    En el tanque de mezcla se prepara una suspensión de tierras filtrantes y agua, con una riqueza aproximada de 1 kg de tierras por 5 litros de agua. Generalmente se utilizan perlitas de alta permeabilidad de 250 a 350 litros / m2 y minuto, depositándose sobre el tambor una capa de tierras de 80 a 110 mm de espesor, con un consumo de 18 a 25 kg de tierras por m2 de superficie filtrante, empleándose un tiempo de formación de unos 45 minutos.

La torta de tierras se forma depositándose sobre la superficie del tambor, estableciendo un circuito cerrado entre el tanque de mezcla y el filtro, penetrando la suspensión de tierras en el cárter y a continuación atravesando el tejido, donde las tierras quedan retenidas en una capa más o menos uniforme debido a la rotación del tambor. Un torneado final con la cuchilla de corte, permite eliminar las irregularidades del capa de filtración, eliminándose con esta operación unos 2 a 3 kg / m2 de tierras limpias, que pueden ser reutilizadas en un posterior ciclo de filtración.

-Filtración propiamente dicha. Una vez formada la torta filtrante de tierras limpias y evacuado el agua contenida en el interior del tambor, así como también en el cárter del filtro, se procede a la alimentación de producto turbio a filtrar sin ningún tipo de aluvionado, penetrando hacia el interior del cilindro por la acción del vacío; donde los turbios quedan retenidos en la parte exterior de las tierras en forma de película y el líquido limpio las atraviesa, siendo evacuado  hacia el exterior, bien por medio del vacío en los filtros de vacío periférico, o bien mediante una bomba sumergida en los filtros de vacío integral.

Cuando la película de turbios emerge del cárter, el vacío continúa drenando mosto hacia el interior hasta su secado, siendo a continuación separados los turbios con una pequeña cantidad de tierras por medio de la cuchilla de avance micrométrico, dejando las tierras limpias y listas para inicial de nuevo el proceso de filtración. El espesor de la torta de tierras se reduce progresivamente, hasta que concluye el ciclo de filtración cuando se alcanza una anchura residual de unos 2 a 3 cm de tierras, obteniéndose entonces unos deficientes resultados de filtración.

            Durante esta fase de filtración, el tambor presenta tres sectores diferenciados:

-Zona de filtración. Es la parte del tambor que permanece sumergida en el líquido a filtrar, donde tiene lugar el paso del líquido a través de las tierras depositadas y gracias a la presión diferencial ente la atmosférica y el vacío interior. Esta zona representa un 10 a 48 por 100 de la superficie filtrante total, pudiendo ser regulada mediante el nivel de inmersión del cilindro en el cárter.

-Zona de drenaje. Es el sector del tambor que emerge del líquido a filtrar contenido en el cárter, hasta el punto donde la cuchilla separa los turbios. El vacío interior sigue actuando sobre la capa de tierras impregnada de líquido, drenando hacia el interior del cilindro. Esta zona representa del orden de un 50 a 80 por 100 de la superficie total de filtración.

-Zona libre. Es la parte del tambor donde las tierras resultan limpias, transcurriendo desde el lugar de corte de la cuchilla, hasta el punto de inmersión del tambor en el líquido, y ocupando un pequeño sector del 5 a 10 por 100.

            Según la ecuación fundamental de la filtración, donde su caudal es directamente proporcional a la permeabilidad del medio filtrante, a la superficie de filtración, y a su presión diferencial, e inversamente proporcional al espesor del medio filtrante y a la viscosidad del líquido filtrado; en los filtros de vacío son prácticamente constantes todos estos factores, por lo que resulta en consecuencia un rendimiento también constante durante toda la longitud del ciclo de filtración.

           

                                 A . DP . b        

Q = dV / dt = -------------                          Q: caudal de filtración.

                                     h . E                           A: superficie de filtración = cte.

                                                                       DP: presión diferencial = cte.

                                                                       b: permeabilidad del filtro = cte.

                                                                       h: viscosidad del líquido = cte.

                                                                       E: espesor de la materia filtrante = cte.

Q = dV / dT = cte.

            No obstante el caudal de filtración puede ser variable en este tipo de filtros, haciendo variar la velocidad de rotación del tambor, la altura del líquido situado en el cárter, y por fin el avance de corte de la cuchilla:

-La velocidad de rotación debe ser tal que se obtenga la colmatación de la torta filtrante, justo en el lugar donde ésta emerge del líquido turbio. Cuando la velocidad del tabor es excesiva, no se aprovecha la capacidad de retención de las tierras, y por el contrario, cuando ésta es reducida las tierras se colmatan antes de emerger, y entonces se alarga en exceso el tiempo de filtración. El aumento de la velocidad produce un aumento de la permeabilidad del filtro, pero se produce un deficiente drenaje de la torta, perdiéndose en consecuencia un importante volumen de líquido contenido en la fracción cortada por la cuchilla.

Las pérdidas globales normales de los filtros rotativos a vacío son inferiores al 1 por 100, siempre que la humedad residual oscile entre el 50 a 70 por 100, reteniendo las tierras alguna cantidad de líquido: 0,8 a 0,9 litros / kg de tierras, que determinan la citada merma.

-El nivel de llenado del cárter hace variar la superficie de filtración real, así como también la de drenaje, aumentando la primera y disminuyendo la segunda, cuando el nivel de líquido es alto y recíprocamente cuando éste es bajo.

-La velocidad de avance de la cuchilla de corte a de ser mínimo, debiendo separar un espesor de tierras tal, que la capa de tierras resulte en condiciones óptimas para la filtración, no siendo superior a 0,1 mm por revolución del tambor.

            La naturaleza del líquido a filtrar, así como también la clase de tierras de filtración, presentan una gran influencia en los rendimientos de filtración, clasificándose los primeros en tres tipos:

                        Tipo de líquido              Clasificación                 Contenido en sólidos (%)

                        ------------------                ----------------------               -------------------------------

                                  I                       alta permeabilidad                           < 0,5

                                 II                       media permeabilidad                   0,5 a 5,0

                                III                       baja permeabilidad                             > 5,0

            Todas estas circunstancias desembocan en la consecución de los siguientes resultados de la filtración:

            -Duración de la filtración de 5 a 12 horas.

-Tiempos muertos de la filtración de 1 a 2 horas, para la limpieza del filtro y la formación de la capa filtrante.

            -Consumo de perlitas de 10 a 20 gramos / litro, dependiendo del producto a filtrar:

                                                           gramos / litro

                                                           ----------------

                                   Vinos:                    2 a 5

                                   Lías:                   10 a 20

                                   Fangos:              10 a 25

                                   Mostos:                            7 a 15

            -Caudal horario variable en función del producto a filtrar:

                                                                                   litros / m2 . hora

                                                                                  ----------------------

                                   Mosto blanco de escurrido:             200 a 300

                                   Mosto blanco desfangado:              300 a 600

                                   Fangos de mostos blancos:            100 a 200

                                   Restos de clarificaciones:               100 a 150

                                   Lías de vinificación:                          50 a 150

            -Grado de limpidez obtenido de 0,5 a 5,0 NTU.

            Recientemente  se utilizan coadyuvantes para las perlitas de filtración, tales como el algodón, la celulosa, o las tierras de diatomeas, que mezcladas en un 10 por 100, mejoran notablemente  el trabajo y los resultados de los filtros rotativos de vacío, tales como:

-Evitar la pérdida progresiva de la permeabilidad de la torta, aumentando los rendimientos de filtración hasta un 50 a 100 por 100 más.

-Menor consumo de materia filtrante, motivado por una homogénea estratificación de las tierras sobre el tambor, reduciendo las pérdidas en el torneado de la torta en un 50 por 100, así como un mejor aprovechamiento del espesor de la capa filtrante, hasta alcanzar un espesor residual de 0,8 a 1,0 cm.

-Mayor limpidez del líquido durante el ciclo de filtración, al impedir la penetración de los turbios a través de la torta filtrante en espesores reducidos, o por la formación de vías de penetración preferencial visibles o no.

-Menor formación de grietas, que a menudo se forman en estos filtros cuando se trabaja exclusivamente con tierras fósiles o perlitas, lo que motiva una mala filtración y en la mayoría de los casos una parada obligatoria para su reparación de una o dos horas de duración.

            Otros posibles adyuvantes para las tierras de filtración son la polivinilpolipirrolidona (PVPP), o una mezcla de caseinato potásico y sol de sílice, mediante un mecanismo conocido como "filtración activa", donde además de realizar la filtración del líquido se consigue la adsorción de los polifenoles oxidables del mosto, consiguiendo reducciones de intensidad de color del 30 a 50 por 100.

-Filtros prensa de marcos.

            Los filtros prensa de marcos son más antiguos que los filtros rotativos a vacío, utilizándose fundamentalmente para la filtración de líquidos muy cargados, como por ejemplo los fangos procedentes de la limpieza de los mostos, o las heces y lías de la fermentación alcohólica, e incluso también los restos de la clarificación de los vinos. Estos aparatos son de menor coste de adquisición, pudiendo trabajar sin adyuvantes de filtración o bien con un consumo más reducido de éstos, con rendimientos inferiores, y de una manipulación más lenta y compleja.

            Estos filtros constan de un robusto bastidor, sobre el que se instalan un gran número de placas o marcos de aluminio o de material sintético, situando entre ellas unas telas de algodón o de polipropileno, cuya misión es la retención de lo turbios contenidos en los líquidos a filtrar en un espesor de hasta 30 mm. Una bomba de émbolo autoaspirante y de inyección de baja velocidad, dotada de una cámara de compensación de presión, permite la circulación del producto a filtrar a presiones de hasta 10 a 14 kg / cm2, completando el conjunto un sistema de regulación por presostato y bandeja colectora del producto filtrado.

            Los marcos de filtración son de diversas medidas, oscilando en placas de 630 x 630 mm, conteniendo cada cámara unos 8 litros y una superficie por plato de 0,66 m2, o placas de 800 x 800 mm con respectivamente 10,4 litros y 1,04 m2 por placa. En estos filtros se instalan desde 20 hasta 80 placas, arrojando una superficie filtrante total desde los 15 m2 hasta 80 m2, consiguiendo filtrar líquidos cargados de sólidos de hasta un 30 por 100, con un rendimiento de unos 100 litros de heces por m2 de superficie filtrante y hora. La duración del ciclo de filtración es del orden de 2 a 4 horas, del cual el tiempo dedicado a la descarga y limpieza del filtro es muy elevado y estimado en 20 a 80 minutos para los filtros de 30 a 80 m2. Algunos modelos de filtros llevan unas membranas elásticas acopladas a los platos, donde al terminar el ciclo de filtración pueden ser hinchadas con aire comprimido, facilitando de este modo la extracción de los residuos de la filtración pegados a los platos, y también aprovechar una cantidad importante de líquido contenido en su interior.

            Este tipo de filtros pueden también utilizarse para filtrar líquidos menos cargados de sólidos, como por ejemplo para el desfangado de mostos, empleando ayudas de filtración como las perlitas o tierras fósiles, utilizando dosis alrededor de 2 a 4 gramos / litro, que permiten obtener rendimientos de filtración de 100 a 200 litros / m2 . hora, en ciclos de filtración de 3 a 4 horas. Con otros líquidos más turbios, los datos y rendimientos de filtración son los siguientes:

Producto a filtrar                       Materia filtrante (kg / hl)             Caudal medio (litros / m2 . hora)

--------------------------------   ---------------------------------------      ----------------------------------------

Fangos de mostos:             perlitas de 2 a 5 darcies (2 a 5)                      50 a 200

Restos de clarificaciones:  tierras de 1 a 3 darcies (0,5 a 2)                    150 a 300

Heces de fermentación:     tierras de 1 a 3 darcies (0,5 a 2)                      50 a 100

VII.1.2.2. Filtración por placas.

            La filtración por placas corresponde a una modalidad de la limpieza de los líquidos, donde se utiliza como material filtrante unas placas prefabricadas con diferentes grado de porosidad, lo que permite obtener una amplia gama de resultados en la clarificación, desde una filtración grosera o de desbaste, pasando por una filtración mediana e incluso de abrillantamiento, y terminando en una filtración esterilizante. En la actualidad este tipo de proceso se utiliza como prefiltro de la filtración amicróbica final realizada por medio de membranas, con el propósito de reducir el índice de colmatación de los vinos y por lo tanto para aumentar la vida o el ciclo de filtración de estos últimos. Una variación de los filtros de placas, son los de cartucho lenticular, que mejoran y evitan algunos inconvenientes derivados del uso de los anteriores.

-Materias filtrantes y fabricación de las placas.

            Hasta antes de los años ochenta, las placas de filtración se construían con una mezcla de amianto, celulosa, diatomeas y un producto ligante, hasta que se prohibió el uso del amianto por cuestiones sanitarias, siendo sustituidas por la fabricación de otras placas exentas de este material, y compuestas por una mezcla de celulosa de madera decolorada, fibras de algodón, diatomeas activadas, fibras sintéticas de polietileno y un producto ligante. En un primer momento de este cambio, los resultados ofrecidos por las nuevas placas no fueron de total satisfacción, pues sin duda el amianto era un eficaz material de filtración de difícil sustitución, pero en la actualidad la tecnología ha permitido que las placas sin amianto ofrezcan prestaciones similares a las anteriores.

            El amianto prohibido en la actualidad, es una fibra mineral inorgánica, siendo conocida también con el nombre de "asbesto", que procede del griego "asbestos" o insoluble. Se trata de un producto procedente de la meteorización de la hornblenda o de la serpentina, con el nombre minerológico de crisotilo, desde el punto de vista químico es un silicato de magnesio, estando formado por fibras paralelas muy finas, que pueden individualizarse en fibras aisladas de una longitud de 20 a 30 nm. El amianto para uso enológico debe estar libre de impurezas que se disuelvan en el vino, tales como el calcio o el hierro.

            Este material filtrante forma estratos de poro muy fino, actuando por el mecanismo de tamizado, aunque presenta también un importante efecto de adsorción o potencial "zeta" de carga eléctrica positiva, debido a su elevada superficie específica de 1 m2 / gramo. En las placas de filtración se utilizaba en proporciones crecientes según el grado de porosidad deseado y nunca llegando a superar el 42 por 100 en peso.

            La celulosa es un polisacárido fundamental de las paredes celulares de los vegetales, estando formado por la condensación de un gran número de moléculas de glucosa: (C6H10O5)n con un valor de "n" entre 200 y 1.000, encontrándose alineadas longitudinalmente en forma de fibras. La celulosa puede proceder del algodón, o de la madera de las píceas o hayas, donde se tritura y se hierve a continuación para liberarla de la lignina y pectina, siendo luego blanqueada en una solución alcalina, y por último repetidamente lavada con agua para despojarla de las impurezas. Las fibras obtenidas presentan un diámetro de 0,5 mm y una longitud variable desde 0,5 a varios mm, encontrándose en forma de copos o polvo, e incluso comprimida en "panes" de 0,675 a 0,900 kg / litro y de color ceroso blanquecino. El material es relativamente puro, conteniendo una pequeña cantidad de cationes, del orden de 50 mg / kg en la suma de calcio, hierro y magnesio.

            La celulosa forma estratos filtrantes cuyo mecanismo es fundamentalmente de adsorción, eliminando las partículas con carga eléctrica negativa, aunque también pueden retener sedimentos por tamizado, pudiendo además absorber agua hasta aumentar su volumen en un 20 por 100. Las características de este materias son las siguientes:

                        -Densidad:                    110 a 320 gramos / litro.

                        -Permeabilidad:             0,5 a 5,0 darcies.

                        -Humedad:                    5 a 10 por 100.

                        -Celulosa:                     90 a 99 por 100

            Su contenido en las placas de filtración es muy elevado y siempre superior al 50 por 100, mejorando sus propiedades de filtración con la mezcla de otros materiales, como las tierras fósiles o el amianto, debiendo ser lavadas con una solución de ácido cítrico para eliminar un posible sabor a papel.

            La fabricación de las placas sigue el siguiente proceso de fabricación en continuo: las materia primas que intervienen en la composición de las placas son seleccionadas, lavadas y secadas de forma separada. Una vez mezcladas en la proporción adecuada para cada tipo de placa a fabricar, se mezclan con agua en un recipiente dotado de un agitador, siendo depositada de forma regular sobre la parte superior de una larga banda transportadora sinfín que sirve de tamiz, donde el agua lo atraviesa primero por acción de la gravedad y luego por aspiración. La vibración de la cinta contribuye a la eliminación del agua, y a la compactación de las materias filtrantes, siendo secadas por la acción del calor y prensadas antes de su corte según los distintos tamaños, obteniéndose un material filtrante de 4 a 6 mm de espesor.

            Las placas son marcadas y referenciadas según el tipo de filtración en la cara lisa, donde se la somete a un tratamiento endurecedor para evitar su degradación por desfibrado,  de tal manera que el montaje en los filtros se realiza colocando la cara rugosa del lado que procede el líquido a filtrar y la cara lisa orientada hacia donde éste sale limpio.

-Descripción de un filtro de placas.

            Estos filtros están compuestos de los siguientes elementos:

-Un chasis fijo o móvil sobre ruedas, que sirve como soporte para todas las piezas que componen el filtro, estando formado por dos o más barras longitudinales donde se apoyan las placas de filtración.

-Una placa de cabeza fija unida al chasis de una manera rígida, llevando las canalizaciones de entrada y salida del filtro dotadas de las correspondientes válvulas, así como dos manómetros para medir la presión de entrada y salida del líquido, y en su parte superior una válvula para la purga de aire que pudiera contener el filtro, acompañada de una mirilla para comprobar la ausencia de burbujas de aire y la eficacia de la filtración. Un caudalímetro situado en la conducción de entrada, permite conocer el caudal del líquido filtrado en todos los momentos del ciclo.

-Una placa de cola desplazable en sentido longitudinal del filtro, por medio de un tornillo de ajuste, el cual se apoya en un yugo solidario con el chasis de barras fijas.

-Un conjunto de platos soporte que se sitúan entre los dos placas anteriormente citadas y entre los cuales se colocan las placas de filtración como material de filtración. Cada plato soporte está fabricado en aluminio esmaltado, acero inoxidable, o material plástico que permitan su esterilización por calentamiento, llevando en sus dos laterales dos salientes que permiten su apoyo en las barras longitudinales, y en sus esquinas unas orejas con un hueco circular central, que forman al unirse los platos, unas tuberías por donde circula el líquido turbio a filtrar o el mismo limpio una vez filtrado. Los platos de aluminio esmaltado o de material plástico son macizos, y llevan en sus dos lados unas ranuras que permiten en reparto del líquido por la totalidad de la superficie de la placa; mientras que los de acero inoxidable son generalmente huecos, estando sus dos caras perforadas. La estanqueidad de las orejas de las platos se consigue por medio de unas juntas en forma de anillo, cuyo espesor debe corresponder con el de las placas de filtración.

-En la parte inferior del filtro, se sitúa una bandeja destinada a recoger el goteo de líquido que se pierde entre las placas de filtración.

-Una bomba de circulación de caudal regulable y continuo, que permita la circulación del líquido a filtrar sin cambios bruscos de presión.

-Funcionamiento de un filtro de placas.

 

            Las placas de filtración son capaces de retener las partículas que causan la turbidez de los líquidos, debido a la acción conjunta de los mecanismos de tamizado y de adsorción en profundidad, es éste último por el efecto del potencial "zeta", así como también por los fenómenos de interceptación inercial y difusional.

Estas placas ofrecen una gama de resultados de filtración, que oscilan desde las de una porosidad elevada y grandes caudales, hasta las de porosidad reducida y bajos caudales de filtración, pudiendo agruparse en tres categorías:

-Placas desbastadoras con una porosidad de 10 a 20 micras, que retienen las partículas de gran tamaño y con grandes rendimientos de filtración, estando compuestas con una elevada proporción de tierras de diatomeas. Su utilización está muy restringida en favor de los filtros de tierras de mejores rendimientos.

-Placas clarificantes con una porosidad entre 0,1 a 1,0 micras, que producen en los líquidos un efecto de abrillantamiento, encontrando es estas placas su mayor utilización en enología, y utilizado como prefiltro antes de la filtración final o esterilizante.

-Placas esterilizantes con una porosidad entre 0,45 a 0,9 micras, que permiten una importante retención de microorganismos como levaduras y bacterias, pero que nunca consiguen una total esterilidad del líquido filtrado, ofreciendo un caudal de filtración muy reducido.

            Las dimensiones de las placas de filtración más frecuentes son de los formatos: 20 x 20 cm, 40 x 40 cm, y 60 x 60 cm, utilizándose estos tamaños en función del tipo de filtro disponible. Estas placas deben conservarse en un lugar seco y aireado, para evitar la absorción de olores, colocándose entre los platos de filtración tomándolas con cuidado por sus bordes, y colocando la primera desde la placa de cabeza, situándolas de tal forma que la cara rugosa se oriente hacia la entrada de líquido a filtrar y la parte lisa hacia la salida del líquido filtrado. Una vez colocadas las placas, el filtro se cierra herméticamente con ayuda del tornillo o husillo de apriete, pudiendo ser éste reapretado a lo largo del ciclo de filtración, para evitar un goteo excesivo de las placas.

            Antes de comenzar el ciclo de filtración es conveniente lavar las placas y el circuito de filtración, para eliminar un característico olor a papel, haciendo circular en circuito cerrado, una solución de agua ácida fría con un valor de pH inferior a 5,0 y a razón de 150 litros / m2 . hora, a una presión inferior a 0,5 bar y durante unos 15 a 20 minutos. En el caso de utilizar placas esterilizantes, el filtro una vez montado debe ser esterilizado, empleando agua caliente a una temperatura de 80º a 90º C en circuito cerrado y durante 20 a 30 minutos. Las placas contienen un importante volumen hueco, del orden de un 75 a 85 por 100, equivalente a unos 4 litros / m2, por lo que los primeros litros de vino filtrado deben ser desechados, ya que contienen una elevada cantidad de agua procedente del lavado o de la esterilización antes descrita.

            La filtración se realiza haciendo pasar el líquido a filtrar de acuerdo con las características de presión y caudal que se describen a continuación, haciendo circular primero el vino en circuito cerrado durante unos diez minutos, con objeto de activar el potencial "zeta" del filtro, y a continuación pasándolo en continuo a través del filtro.

            Cada placa de filtración posee unas determinadas características, donde destacan el caudal en función de la superficie filtrante, la presión diferencial utilizada, y por fin el rendimiento o volumen total de líquido filtrado en la totalidad del ciclo.

                        Tamaño de placas         Unidades / m2

                        ----------------------- -----------------

                                20 x 20                         32

                                40 x 40                             7

                                60 x 60                             3

                        Tamaño de placas         Tipo de filtración       Caudal nominal (litros / m2 . hora)

                        ----------------------- ----------------------      -----------------------------------------

                                 20 x 20                    desbaste                              30

                                                               abrillantado                           15

                                                               esterilizante                          11

                                40 x 40                     desbaste                             140

                                                               abrillantado                            70

                                                               esterilizante                          50

                                60 x 60                     desbaste                             330

                                                               abrillantado                          160

                                                               esterilizante                         110

                        Tipo de filtración            Presión diferencial (DP bar)

                                                           sin amianto       con amianto

                        ---------------------   ------------------------------------

                        Desbaste.                                  < 2,5           < 3,0       

                        Abrillantado:                     < 1,5 a 2,0          < 2,5

                        Esterilizante:                    < 1,0 a 1,2          < 1,5

            El volumen de vino filtrado o longitud del ciclo de filtración, depende del material de filtración, así como del vino, calculándose éste como de 6 a 8 veces el caudal nominal antes expuesto.

            Una vez terminado el ciclo de filtración, determinado por alcanzar los máximos de presión diferencial anteriormente descritos o bien al finalizar la jornada de trabajo, las placas de filtración pueden ser regeneradas. Para ello, se debe hacer circular a contracorriente un caudal de agua de 150 litros / m2 . hora, a una presión inferior a 0,5 bar, y durante un tiempo de 10 a 20 minutos. El agua utilizada en un principio debe ser fría para eliminar la materia colorante, y después se podrá utilizar agua caliente a una temperatura comprendida entre los 50º a 55º C.

            Algunos filtros de placas pueden realizar simultáneamente en la misma operación dos o más tipos de filtración, utilizando para ello los polifiltros, donde se instalan varios sectores de placas de distintos tipos, pasando el líquido a filtrar sucesivamente por placas de mayor a menor diámetro de poro, e incluso combinar una sección de filtración por tierras y otra por placas.

-Filtros de cartuchos lenticulares.

            Este tipo de filtros aparecen a partir de los años ochenta con la prohibición del amianto, siendo desarrollados para evitar algunos defectos producidos por los filtros de placas, como el goteo del líquido a filtrar que sale de las placas. El proceso de fabricación de este material filtrantes es muy similar al de las placas, siendo cortadas en círculos de 8, 12, o 16 pulgadas de diámetro y polimerizadas mediante un tratamiento por calor, agrupando los discos por parejas formando una lente, cerrando los extremos de los mismos por un junquillo de polipropileno, y uniéndose entre ellos por separadores circulares del mismo material, que al mismo tiempo forman un tubo central para el drenaje del líquido filtrado. De este modo se consiguen unos cartuchos en forma de fuelle, compuestos por discos lenticulares con doble cara de filtración, ofreciendo superficies filtrantes por cartucho desde los 1,8 m2 hasta los 5,0 m2, pudiendo apilarse varios de éstos dentro de una campana o carcasa de filtración, compuesta por una base con un trípode y dos tuberías de entrada y salida de líquido, y una carcasa propiamente dicha dotada de un tubo colector central donde se insertan los cartuchos.

            Las características de la filtración responden a los siguientes parámetros:

            Tipos de filtración   Caudal nominal (litros / m2 . hora)   Presión diferencial (DP bar)

            ----------------------    ------------------------------------------   ----------------------------------

            Desbaste:                                15,0                                             2,5

            Abrillantado:                             12,5                                             2,0

            Esterilizante:                            10,0                                             1,5

            El procedimiento de filtración es muy similar a la de los filtros de placas, variando los valores del enjuague con agua fría, con un caudal  máximo de 600 litros / m2 . hora, a la presión máxima de un bar, así como también la regeneración de los cartuchos con valores similares a los anteriores. Al terminar el ciclo de filtración, para conservar los cartuchos se pueden rellenar las carcasas con soluciones esterilizantes de anhídrido sulfuroso, o de peróxidos tipo oxonia, debiendo enjuagarse convenientemente antes de su utilización.

VII.1.2.3. Filtración amicróbica por membrana.

            Este tipo de filtración de líquidos fue desarrollada en los Estados Unidos de América para potabilizar el agua con destino al consumo humano, utilizándose en los años sesenta para el embotellado de los vinos pobres en gérmenes, que a todos los efectos suponía una técnica de esterilización de los vinos, y sin los inconvenientes ofrecidos por otros sistemas como por ejemplo las derivadas del calentamiento.

            La filtración amicróbica consiste en hacer pasar un líquido a través de una membrana porosa, donde por el efecto del tamizado quedan retenidas en su superficie los microorganismos: levaduras y bacterias de mayor tamaño que los poros de la membrana. Con este motivo es muy importante que los líquidos a filtrar lleguen al filtro lo más limpios posibles, y con un índice de colmatación adecuado y descrito anteriormente en el apartado VII.1.1.3. Parámetros y Ensayos de Filtración. Para conseguirlo se pueden utilizar filtros de placas de abrillantamiento o esterilizantes, o mejor en la actualidad siendo sustituidas por cartuchos de prefiltración distintos a los cartuchos lenticulares .

-Cartuchos de prefiltración.

            Los materiales de filtración de estos cartuchos pueden estar compuestos de diversas sustancias: polipropileno, polipropileno-polietileno, fibra de vidrio, acetato de celulosa, y fibra de celulosa; distinguiéndose dos tipos de módulos: los primeros para filtración en profundidad comparable a las placas de filtración o a los cartuchos lenticulares, y los segundos equipados con membranas plegadas de prefiltración. Todos ellos se instalan dentro de una coraza perforada exterior de material plástico, formando un cartucho que puede ser instalado dentro de una campana o carcasa de filtración.

            Los cartuchos de filtración en profundidad comprenden una sucesión de materiales de menor porosidad, oscilando desde las 5 a 20 mm en la entrada, y hasta 1 a 2 mm en la salida, alcanzando un caudal por módulo de 10 pulgadas de 300 a 500 litros por hora, bajo un diferencial de presión máximo de 4 a 5 bar.

            Los cartuchos de membranas plegadas presentan una apariencia idéntica a los de filtración final, estando las membranas de filtración plegadas en sucesivas capas, alcanzando también una porosidad final de 1 a 2 mm, con un caudal por módulo de 10 pulgadas de 500 litros por hora, bajo una presión diferencial máxima de 5 bar.

-Membranas y cartuchos de filtración amicróbica.

            Las membranas utilizadas para la filtración amicróbica pueden ser de dos tipos, las primeras de tipo homogéneo fabricadas a partir de materiales, como: éster de celulosa, nylon, polisulfonato, acetato de celulosa, difluoruro de polivinilideno, etc., siendo disueltos en un solvente, depositando una capa delgada sobre una superficie plana, donde el solvente se evapora y resultando entonces una membrana de porosidad regular; siendo a continuación fijada sobre un soporte de celulosa también poroso para comunicarla una adecuada resistencia, reteniendo los microorganismos en superficie, así como también en profundidad. Las segundas son de tipo pantalla absoluta construidas generalmente a partir de una lámina de policarbonato, donde en primer lugar es bombardeada por iones gamma pesados, que abren microtrazas en el material, las cuales después de un ataque químico con una base fuerte originan un poro cilíndrico de unos 10 Anstrong de diámetro, reteniendo los microorganismos por el mecanismo de tamizado.

            Las membranas de primera categoría o de policarbonato, presentan un espesor de unas 10 mm y una porosidad del orden del 15 por 100, mientras que el resto de membranas son de segunda categoría, con un espesor de 100 a 150 mm y una porosidad del 85 por 100. Estas membranas se instalan dentro de cartuchos cilíndricos, compuestos por una coraza exterior perforada de polipropileno, seguida de un cartón plegado protector de celulosa, otra membrana plegada de efecto prefiltro, otra membrana plegada de tipo amicróbico, seguida de otro cartón protector plegado, y por fin un refuerzo interior perforado de polipropileno. Las tapas de los extremos son de poliuretano, estando selladas al cartucho con el mismo material, y con juntas tóricas de silicona para adaptación a la carcasa. El sentido de filtración es de fuera hacia adentro, con dimensiones variables según firmas fabricantes, oscilando desde 24,4 mm o 10 pulgadas de altura y 76 mm de diámetro con una superficie filtrante de 0,4 m2 por cartucho, hasta 78 mm de altura y 76 mm de diámetro con una superficie filtrante de 1,4 m2 por cartucho.

            Los cartuchos se instalan dentro de carcasas de filtración, pudiendo contener cada una de ellas desde una unidad, hasta un máximo de 12 cartuchos, ofreciendo entonces una importante superficie de filtración.

            El diámetro de los poros de las membranas de filtración amicróbica, depende de los resultados a obtener, variando desde las 1,20 a 0,65 mm para retener a las levaduras, hasta las 0,45 mm para las bacterias. Nunca es posible conseguir que todos los poros de una membrana presenten el mismo diámetro, pudiendo distribuirse de acuerdo con una "campana de Gauss", donde su máximo ofrece el valor de la porosidad nominal y conviniendo además que ésta sea lo más estrecha posible. La porosidad nominal de un cartucho puede medirse mediante la determinación de la prueba del "índice de burbuja", que se estudiará más adelante:

                                  K . G . cos q

                        P  =  ------------------                     P:  presión del punto de burbuja.

                                           d                          G: tensión superficial.

                                                                       q:  ángulo de contacto líquido / sólido.

                                                                       d:  diámetro de los poros.

                                                                       K:  factor de corrección de forma.

            La presión diferencial máxima (DP) oscila según fabricantes entre valores de 3,5 a 5,0 bar, aunque generalmente a partir de los 2,5 bar se detecta un efecto de colmatación del filtro, y su caudal se reduce de manera notable. En cuanto a los caudales de filtración dependen del tipo de membrana utilizado, del índice de colmatación del líquido a filtrar, así como también del nivel de presión aplicado, oscilando alrededor de 1.500 a 2.000 litros / hora y cartucho de 1,4 m2, alcanzando en condiciones normales un rendimiento de filtración hasta la colmatación de 80.000 a 300.000 litros / cartucho de 1,4 m2.

            Al tratarse de un sistema de filtración pobre en gérmenes, nunca es posible obtener la total eliminación de los microorganismos de un vino, siendo admisibles los siguientes niveles, utilizando una membrana amicróbica de 0,45 mm de porosidad nominal, pudiéndose ser determinados con un sistema de control microbiano, como los descritos en el apartado XI.3.4. Controles Sanitarios.

                        Vinos dulces:    < 10 gérmenes / litro

                        Vinos secos:     < 100 gérmenes / litro

-Funcionamiento de un filtro amicróbico de membrana.

            La instalación de un sistema de filtración amicróbica por membrana comprende los siguientes elementos:

-Una bomba de circulación de líquido a filtrar, con caudal y presión constantes, que no produzca una emulsión con el aire, dotada de un variador de velocidad, y circuito de retorno con una válvula calibrada para una presión máxima establecida.

-Agua caliente a una temperatura de 80º a 90º C para la esterilización del filtro, y en una cantidad suficiente para su suministro durante al menos 30 minutos. Para ello puede utilizarse un depósito de volumen suficiente dotado de una resistencia eléctrica de calentamiento, o bien una caldera o calentador de agua para su suministro en continuo, y con un caudal de al menos un tercio del líquido a filtrar.

-Un filtro para el agua caliente de esterilización del circuito de filtración, situado antes de los prefiltros y filtros, compuesto por uno o varios cartuchos de filtración de al menos 1,2 mm, e instalado en la línea de tal manera que pueda ser independizado durante la filtración.

-Opcionalmente se puede instalar un prefiltro de cartucho o de tipo lenticular, colocándolo antes de los filtros amicróbicos, con objeto de reducir el índice de colmatación del producto a filtrar, aunque también se pueden utilizar de manera independiente un filtro de placas o similar y alojando el líquido prefiltrado en un depósito nodriza de la línea de embotellado.

-Dos o tres carcasas para alojar de forma independiente los correspondientes cartuchos de filtración amicróbica, secuenciados en diámetros de poro de 1,20 - 0,65 - 0,45 mm si fueran necesario, y en número acorde con el caudal de la instalación. Para la filtración de los vinos blancos se utiliza una membrana final de 0,45 mm, pasando previamente por otra de 1,20 mm y opcionalmente por otra de 0,65 mm, mientras que para la filtración de los vinos tintos se emplea una membrana final de 0,65 mm, pasando también previamente por otra de 1,2 mm. Cada carcasa lleva en su parte superior un manómetro para comprobar la presión de filtración dentro de la misma.

-El conjunto de estos elementos se suele instalar sobre una bandeja de acero inoxidable, estableciendo las conexiones entre ellos con tuberías fijas de acero inoxidable, así como su correspondiente valvulería, mediante diversos circuitos para poder trabajar de forma flexible e independiente según el grado de porosidad deseado.

            Una vez montado el filtro, se suelen realizar dos pruebas para comprobar el adecuado funcionamiento del filtro, así como también asegurar el diámetro de poro empleado para la filtración:

-La prueba de estanqueidad permite comprobar la total hermeticidad del filtro, asegurando de este modo un correcto montaje y también la integridad de las membranas de filtración. En la carcasa a comprobar con sus cartuchos instalados se hace circular agua para mojar las membranas y llenar sus poros, vaciando a continuación el exceso de agua de la carcasa; cargando a continuación por la entrada con aire o nitrógeno a una determinada presión en función del tipo de poro, dejando la válvula de salida abierta, debiendo mantenerse la presión constante durante al menos 5 minutos.

                                   Membrana (mm) Presión (bar)

                                   --------------------               -----------------

                                            0,45                            1,0

                                            0,65                            0,9

                                            1,20                            0,6

-La prueba del punto de burbuja se realiza de un modo similar a la anterior, pero sin vaciar de agua la carcasa, incrementando poco a poco la presión con aire o nitrógeno, hasta que se observa la salida de burbujas, estableciéndose una correlación entre la presión alcanzada y el tamaño de los poros de la membrana. Normalmente la presión de la prueba de estanqueidad es del 80 por 100 de la del punto de burbuja.

                                    Membrana (mm) Presión (bar)

                                   --------------------               -----------------

                                           0,45                              1,3

                                           0,65                              1,1

                                           1,20                              0,7

            La esterilización del filtro debe ser realizada de forma obligatoria antes y después de realizar la filtración, es decir cuando se inicia o se termina la jornada de filtración. Para ello se hace pasar agua caliente algo acidulada a pH 5,0 generalmente con ácido cítrico, a una temperatura entre 80º a 90º C durante un tiempo de 20 a 30 minutos en continuo, contándolo desde el momento que en la salida del filtro se alcanzan estas temperaturas. El agua debe ser filtrada previamente para evitar la colmatación de los filtros amicróbicos, utilizando un caudal de al menos de un tercio del nominal, y dejando ligeramente abiertas todas las válvulas y purgas del filtro para su completa esterilización. En el caso de colocarse el filtro antes de una llenadora, también debe ser esterilizado el circuito de tubería hasta esta máquina, así como también ella misma en el depósito de acumulación y los caños de llenado.

            La filtración se realiza a continuación haciendo pasar el líquido por el circuito establecido, debiendo rechazarse los primeros litros obtenidos por la importante cantidad de agua que contienen, y vigilando el incremento de presión a lo largo del período de filtración, donde un incremento demasiado brusco indicaría una anormal colmatación de las membranas, siendo a partir de los 2,5 a 3,0 bar de presión diferencial el límite práctico de la filtración. Como los cartuchos son capaces de filtrar una gran cantidad de litros, ocurre que terminada la jornada de filtración, éstos deben ser adecuadamente tratados para garantizar su esterilidad en los períodos de reposo, para lo cual, además de esterilizar la línea, también es conveniente llenarlos de un producto conservante, como una solución de anhídrido sulfuroso o un peróxido, que será eliminado al poner de nuevo en marcha la línea de filtración y hacer pasar de nuevo agua caliente.

            Los cartuchos colmatados, algunos pueden ser regenerados siempre que sean capaces de soportar una presión de 1,0 a 2,5 bar en el sentido contrario a la filtración. La operación consiste en hacer pasar a contracorriente agua caliente a 55º C acidulada y previamente filtrada para evitar colmataciones. También se puede hacer con productos químicos, sumergiendo el cartucho en un baño alcalino al 2 a 3 por 100 a una temperatura de 50º C, y luego a otro baño ácido al 1 a 2 por 100 a una temperatura de 50º a 60º C.

VII.1.2.4. Filtración tangencial.

            La filtración tangencial es un procedimiento que se empezó a aplicar en la enología a principios de los años ochenta, donde la filosofía de la filtración o de la separación de sólidos o sustancias cambia respecto de los sistemas tradicionales, pudiendo permitirse una amplia gama de prestaciones, que abarcan desde una simple retención de turbios y de microorganismos, hasta llegar a una ósmosis inversa donde se llegan a separar los solutos de las soluciones moleculares, simplemente utilizando en el equipo una membrana de porosidad adecuada, y además sin que ésta llegue a colmatarse, por muy turbio que el líquido a tratar acceda a la instalación . La aplicación de esta técnica supone una revolución para la industria alimentaria, aunque sus resultados no han sido todo lo satisfactorios que cabía pensar en filtraciones más cerradas que las de tipo amicróbico, ya que a partir de este nivel se retienen componentes cualitativos de gran interés en los vinos.

Modalidad        Tamaño del poro   Masa molecular   Presión aplicada            Retención

                          (micras)             (Dalton)                (bar)

----------------    ---------------------    -------------------    --------------------    --------------------------------

Microfiltración:      10 a 0,1                                                 1 a 7                materias en suspensión

Ultrafiltración:        0,1 a 0,001            103 a 106                  1 a 10           macromoléculas

                                                                                                         proteínas

                                                                                                         polímeros

Nanofiltración:      < 0,001                   < 1.500                     3 a 14          sales polivalentes

                                                                                                         solutos de > 400 Dalton

Osmosis inversa: 0,001 a 0,0001      < 500                       14 a 70          iones

                                                                                                         sales y ácidos

                                                                                                         azúcares

            El fundamento de la filtración tangencial se basa en una técnica separativa, que actúa haciendo circular el líquido a filtrar en sentido tangencial o paralelo a la membrana de filtración, penetrando éste en sentido perpendicular al anterior, y a diferencia del sistema tradicional de filtración, donde el sentido del flujo del líquido a filtrar y el de la filtración coinciden ambos en el sentido perpendicular a la membrana. Con este mecanismo se consigue que el retenido o las partículas retenidas, sean barridas de la superficie de la membrana, y por lo tanto impidiendo la colmatación de la misma, debido a la velocidad de circulación de unos 5 metros / segundo y la presión del líquido entre 5 a 10 bar. En la mayor parte de los casos se trabaja en circuito cerrado, donde el líquido a filtrar se concentra progresivamente, debiendo extraerse éste con cierta periodicidad, y  además refrigerar el líquido en circulación, porque sube de temperatura por el rozamiento provocado la velocidad.

            En esta filtración se produce por lo tanto una diferencia de presión entre la entrada (P1) y salida del filtro (P2), llamándose "presión transmembranar media (PTM)" a lo siguiente:

                                                (P1 + P2)

                                   PTM = -------------  -  P3

                                                     2

            El valor de P3 corresponde a la presión del permeado, que generalmente toma un valor de cero, por lo que la anterior expresión toma la siguiente forma:

                                               (P1 + P2)

                                   PTM = ----------- = P1 - DP / 2                  DP = P1 - P2

                                                    2

            El flujo de permeación a través de la membrana (Jp) se define según la siguiente expresión:

                                                 PTM

                                   Jp = -----------------            Rm: Resistencia característica de la membrana.

                                           Rm + Rf + Rg                   Rf  : Resistencia por colmatación (fooling).

                                                                       Rg : Resistencia debida a la polarización (gel).

El flujo se incrementa linealmente en función de la presión transmembranar media, debido a que estos valores de resistencias son constantes, pero a partir de un cierto valor de la presión se forma por la polarización una capa de gel, que disminuye notablemente el flujo de permeación.

-Tipos de membranas y su caracterización.

            Las membranas de la filtración tangencial presentan un marcado mecanismo de retención por acción de tamizado, por diferencia de tamaño de sus poros, aunque también puede existir una cierta retención en su interior por adsorción, que con el tiempo pueden llegar a llegar a colmatarlas. De tal forma que estas membranas deben responder a las siguientes exigencias: eficacia de separación mediante una porosidad regular y conocida, elevado rendimiento de permeación, y elevada resistencia mecánica, química y térmica, que permita proceder a su limpieza y esterilización periódica. En consecuencia, conviene que las membranas posean una capa superficial o "piel" lo más fina posible, con objeto de presentar un marcado efecto de tamizado en su superficie, ofreciendo el resto de la membrana una mera función de soporte, y por lo tanto con un poro más abierto, que impida el efecto de adsorción en profundidad y la consecuente colmatación.

            Las membranas se clasifican en tres grupos:

- Membranas homogéneas, donde los poros presentan la el mismo diámetro en todo su recorrido, por lo que no son muy utilizados en la filtración tangencial.

-Membranas asimétricas o anisótropas, donde los poros aumentan de diámetro progresivamente hacia el interior, estando compuestas generalmente de compuestos de tipo orgánico, como: acetato de celulosa, polisulfona, poliamida, poliacrilonitrilo, poliéster sulfona, polivinilideno, etc.

-Membranas compuestas, estando formadas por un soporte muy permeable generalmente de tipo cerámico, sobre el que se coloca una "piel" filtrante de tipo orgánico o más frecuentemente de tipo mineral. Las membranas minerales se construyen depositando sobre el soporte una suspensión pulvurulenta estable de diferentes minerales, que al ser sometidos a un calentamiento se solidifican formando una membrana de diferente grado de porosidad. Los minerales más utilizados son los siguientes:

                                   Cerámica / metal

                                   Carbono / carbono

                                   Zirconio / acero inoxidable

                                   Alúmina / alúmina

                                   Oxido de titanio / alúmina

                                   Sílice / alúmina

                                   Zirconio / carbono

                                   Corindón / titanio

Las membranas orgánicas se obturan con mayor rapidez que las minerales, no permitiendo trabajar con líquidos muy cargados de sólidos, mientras que las minerales pueden filtrar líquidos más turbios. Por otra parte, el proceso de limpieza de las membranas se hace con más facilidad en las segundas, donde el proceso de descolmatado se puede realizar a contracorriente a presiones más elevadas entre 15 a 20 bar. Las membranas orgánicas solamente pueden trabajar a presiones reducidas de hasta 3 bar, mientras que las minerales pueden hacerlo hasta cerca de los 100 bar en casos excepcionales. También es aconsejable para las membranas orgánicas, realizar un prefiltrado con un sistema convencional, antes de filtrar con el equipo tangencial.

            La caracterización de las membranas se hace mediante la determinación de tres parámetros: coeficiente de permeabilidad hidráulica (Lp), tasa de rechazo (TR), y el umbral de corte.

-Coeficiente de permeabilidad hidráulica (LP). Basado en la ecuación de la filtración:

                       

                                                          A . DP . b          A . DP

Q = dV / dt = ------------- = K  ---------       Q: caudal de filtración.

                                                           h . E                 E         A: superficie de filtración.

                                                                                              DP: presión diferencial.

                                                                                              b: permeabilidad del filtro.

                                                                                              h: viscosidad del líquido.

                                                                                              E: espesor de la materia

                                                                                                    filtrante.

            Cuando se considera constante la superficie de filtración (A), la permeabilidad del filtro (b), la viscosidad del líquido (h), y el espesor de la materia filtrante (E); entonces resulta lo siguiente:

                                A . b

                        LP = -------                      Q  =  dV / dt  =  LP . DP

                                h . E

Denominándose a LP como el coeficiente de permeabilidad hidráulico de la membrana.

-Tasa de rechazo (TR). Es la capacidad de una membrana para impedir el paso a una partícula de determinado tamaño, siendo medido por la siguiente expresión:

                        TR = 1 -  (Cp / Co)i                     Cp: concentración de las partículas en el

                                                                             permeado.

                                                                       Co: concentración de las partículas en la

                                                                             solución inicial.

El valor de la tasa de rechazo es nulo cuando los valores de Cp y Co son iguales, lo que significa que ninguna partícula ha sido retenida por la membrana; mientras que si este valor es de uno, es cuando Cp es nulo y por lo tanto todas las partículas han sido retenidas por la membrana.

-Umbral de corte. Este parámetro define la masa molecular más pequeña retenida en su totalidad, es decir con una tasa de rechazo (TR) de valor uno y en consecuencia un valor de Cp nulo.

-Configuración de los filtros tangenciales.

            Los filtros tangenciales están compuestos por uno o varios elementos de filtración, que se denominan "módulos", donde se utilizan distintas configuraciones y tipos de membrana de filtración, todos ellos acordes con el producto a filtrar y según los resultados a obtener. Además la instalación contiene los siguientes elementos: un depósito de alimentación de producto a filtrar, una bomba de alimentación de baja presión, una bomba de circulación de velocidad variable entre 2 a 5 metros / segundo, un equipo de refrigeración para reducir la temperatura del líquido a filtrar por debajo de los 25º C, conducciones y valvulería, así como diferentes equipos de control para el manejo automático de la instalación, como: presostatos, caudalímetros, sondas de temperatura, viscosímetros, etc.

            Los criterios de selección de una instalación se refieren a la evaluación de los siguientes parámetros:

            -Facilidad de limpieza.

            -Minimización de los fenómenos de polarización.

            -Facilidad de desmontaje fácil y sustitución de los módulos defectuosos.

            -Control de la temperatura.

            -Superficie de la membrana en relación con el caudal de la instalación.

            -Especificidad del producto a tratar.

            Los tipos de módulos de filtración tangencial más utilizados son los siguientes:

-Módulos planos. Son generalmente membranas planas y rectangulares, instaladas de manera similar a un filtro de placas en forma de casette, donde el fluido a tratar es distribuido por unas placas separadoras hacia las membranas, y de ellas se recoge el permeado. Su estructura acanalada o enrejillada interior, favorece la filtración por las turbulencias que se producen.

Estos módulos presentan una buena relación superficie / volumen, siendo además muy manejables y fáciles de sustituir, pero no se adaptan bien a los líquidos muy cargados y además son relativamente difíciles de limpiar.

-Modulos capilares o de fibra hueca. Tienen forma de cilindro en cuyo interior se instala un haz de fibras huecas, cuyos extremos están alojados en los cabezales colectores del cartucho. El líquido a filtrar entra por un extremo del cilindro y sale por la otra parte, atravesando en su camino las fibras huecas, donde se produce la filtración atravesando las paredes de dichas fibras, y por lo tanto saliendo el permeado por un colector lateral del cartucho. Cada fibra hueca puede presentar un diámetro interior entre 1 a 15 mm, ofreciendo una gran superficie de filtración, aunque son de mayor fragilidad que otros sistemas, pues la rotura de una sola fibra ocasiona la inutilización del cartucho, y además su limpieza es bastante delicada.

-Módulos capilares en espiral. Están formados por un enrollamiento sobre un eje central, de un módulo plano de gran extensión, tomando el conjunto un aspecto exterior cilíndrico, donde por un extremo entra el líquido a filtrar, saliendo por el otro lado el producto filtrado y por el tubo central. Estos equipos se utilizan en enología con poca frecuencia, debido a las grandes dificultades de limpieza que ofrecen.

-Módulos cerámicos. Están formados por una estructura cerámica de alta resistencia, donde en su interior se encuentra un haz de canales de unos 4 mm de diámetro, por donde circula el líquido a filtrar, saliendo el permeado a través del material cerámico. Estos equipos se utilizan para filtraciones de altas presiones de 100 bar como máximo, y donde se requiere una sólida estructura de filtración.

            El funcionamiento de los filtros tangenciales puede ser de tipo discontinuo o en "batch", donde el retenido retorna al depósito de alimentación, hasta que llega a concentrase de tal manera, que es preciso interrumpir la filtración para vaciarlo y llenarlo de nuevo con un nuevo producto a tratar, para iniciar un nuevo ciclo de filtración. En otras ocasiones el funcionamiento es de tipo continuo, donde se extrae permanentemente una fracción del retenido, para ser reemplazada por nuevo líquido a tratar, existiendo dentro de este tipo varios sistemas: sin recirculación, con recirculación, y de varias etapas.

            En unas ocasiones es interesante el aprovechamiento del permeado, como en los casos de las filtraciones de desbaste, abrillantamiento o amicróbica de los vinos, pero en otros casos lo puede ser el retenido, con el caso de la concentración de un mosto, donde el agua se elimina en el permeado y el mosto concentrado permanece en el retenido.

-Características de los filtros tangenciales. Fenómeno de polarización.

            En el caso de una filtración amicróbica con un filtro tangencial, el caudal inicial es muy elevado y del orden de unos 1.000 litros / m2 . hora, decreciendo muy rápidamente durante los primeros minutos, para estabilizarse alrededor de los 30 a 100 litros / m2 . hora; explicándose esta situación por la formación de un fenómeno de polarización, así como también por una colmatación progresiva de la membrana de filtración, que hace que el caudal estabilizado se reduzca gradualmente, hasta que en un momento sea necesario realizar una limpieza de la membrana.

            Durante el proceso de la filtración tangencial, se produce en la proximidad de la membrana, un incremento gradual de la concentración del líquido a filtrar o retenido, formando una "capa límite difusional", que supone una resistencia añadida a la ofrecida por la membrana para la filtración, conociéndose este fenómeno como de polarización de la concentración. Por otra parte, cuando un líquido se mueve por el interior de una conducción, bien en régimen laminar o en turbulento, se forma siempre una capa de líquido situada junto las paredes, donde el régimen es laminar, conociéndose este lugar con el nombre de "capa límite" que divide la zona del régimen laminar del turbulento y que discurre paralela a las paredes de la conducción. Si la superficie de la conducción es permeable al solvente, entonces los solutos pueden concentrase entre la superficie filtrante y la "capa límite" antes citada, formándose una zona o "capa de polarización" donde se forma una "membrana dinámica" que dificulta la filtración, e incluso puede llegar a formar un gel , sobre todo en las membranas de elevada permeabilidad, y en consecuencia la gradual impermeabilización de la membrana de filtración. Se denomina polarización primaria la zona que existe entre la pared de la membrana y la capa de polarización, y polarización secundaria, la subzona comprendida dentro de la anterior, donde se forma el gel adherido a la membrana.

            La colmatación de las membranas de filtración tangencial, producida por la formación del gel durante su funcionamiento, e incluso por la formación de un sedimento por encima de la membrana, o también por fenómenos de obstrucción mecánica o por adsorción de los poros en profundidad, constituye uno de los principales problemas de funcionamiento de estas máquinas, y cuya solución se expone más adelante. Pero además existen otros factores que influyen en la filtración, destacando entre ellos los siguientes:

-Efecto de la temperatura. El aumento de la temperatura  tiene un efecto favorable a la filtración, pues disminuye la viscosidad del líquido a filtrar y también el efecto de la polarización de la concentración; aunque en el vino esta subida de temperatura no es conveniente que exceda de los 20º a 25º C, porque puede producir una importante reducción de su calidad, razón por la cual es conveniente instalar un dispositivo de refrigeración del líquido en circulación.

-Efecto de la concentración del retenido. El rendimiento de la filtración tangencial disminuye a medida que la concentración del líquido a filtrar aumenta, por lo que los sistemas discontinuos en "batch" no son adecuados, pues se produce una concentración progresiva del retenido y en paralelo una disminución del permeado.

-Efecto de la diferencia de presión transmembranar.  Según la ecuación de la filtración, el caudal de filtración es directamente proporcional a la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la membrana; aunque no existe una relación lineal, sino más bien una curva, donde el valor óptimo de la diferencia de presión corresponde a un flujo límite del permeado, reduciéndose este último cuando se supera la presión óptima, por un efecto de compactación de los sedimentos. Los diferenciales de presión más utilizados se encuentran entre 1 a 4 bar, aunque existe una tendencia en los filtros tangenciales amicróbicos de trabajar a 0,5 bar.

-Efecto de la velocidad de circulación tangencial. La velocidad de circulación elevada aumenta el grado de turbulencia del líquido en circulación, lo que reduce el espesor de la capa límite y por lo tanto las distintas formas de colmatado de las membranas; aunque existe un límite impuesto por el coste energético, la resistencia mecánica de las membranas, y también por producir una importante subida de la temperatura del líquido en circulación. La velocidad  de circulación tangencial empleadas en microbiología oscilan entre 0,5 a 7,0 metros / segundos.

            La colmatación de las membranas de filtración tangencial puede ser de dos tipos, la llamada "colmatación reversible", que puede ser fácilmente eliminable mediante un lavado con agua, o la "colmatación reversible" donde es necesario aplicar un procedimiento específico de limpieza de tipo físico o químico. La naturaleza de los sedimentos obedecen en la filtración de los vinos, a una mezcla de polisacáridos, así como a compuestos fenólicos con un grado de polimerización elevado, siendo los taninos la fracción más abundante (0,1 a 2,5 mg / gramo de membrana), representando en conjunto una fracción despreciable en los vinos tratados, que por este concepto no supone una gran pérdida alguna de calidad.

            Los procesos de descolmatación más utilizados en la limpieza de las membranas de los filtros tangenciales son los siguientes:

-Parada periódica de la instalación, reduciendo hasta anular la presión transmembranar, para restablecerla de nuevo en períodos de 3 segundos cada 20 minutos de funcionamiento.

-Retrofiltración o inversión de flujo ("backwashing o backflushing"), donde se invierte periódicamente el sentido de circulación del líquido a través de las membranas, durante 10 a 60 segundos cada 5 a 15 minutos de funcionamiento, que ocasiona una anulación del gradiente de concentración sobre la membrana y el desprendimiento del sedimento superficial.

-Procedimiento "backshock", muy similar al sistema anterior, siendo la frecuencia de inversión más pequeña, del orden de 60 milisegundos cada 1 a 5 segundos de funcionamiento, y manteniendo una velocidad tangencial inferior a 0,5 metros / segundo.

-Procedimiento por desestabilización del flujo tangencial o de flujo pulsante, provocando una inestabilidad del flujo en el lugar del retenido de forma pulsada, con valores de 0,03 a 0,005 Hz, afectando a la velocidad tangencial y a la presión transmembranar.

-Procedimiento de contrapresión dinámica o "bactocatch", donde se utiliza una contrapresión dinámica por circulación del permeado en contracorriente del flujo del retenido, originando infrasonidos de 10 hz, que generan una vibración instantánea en la membrana capaz de eliminar los sedimentos formados.

-Procedimiento de membrana vibratoria, donde la limpieza de la membrana se produce por una vibración en continuo de la misma y a una frecuencia determinada, impidiendo de este modo los fenómenos de sedimentación y colmatación.

VII.1.2.5. Calidad de los vinos filtrados.

            Históricamente la filtración ha sido considerada como una operación necesaria en los vinos, pero a costa de producir un cierto "adelgazamiento" de los mismos, y esto puede llegar a ser cierto cuando se realizan filtraciones abusivas y excesivamente repetitivas. Además de poder afectar a los componentes de los vinos, la filtración puede producir algunos efectos secundarios, donde destacan los siguientes:

-Modificación del equilibrio gaseoso de los vinos, con una importante perdida del anhídrido carbónico contenido en solución, y de forma más grave, una saturación de oxígeno, que puede producir importantes fenómenos de oxidación en los vinos filtrados. La utilización de atmósferas inertes puede ser de gran interés para evitar estos inconvenientes, o bien para el segundo caso, la vigilancia y corrección del nivel de anhídrido sulfuroso libre en los vinos recién filtrados.

-La adquisición de olores o sabores desagradables, procedentes de los materiales filtrantes de dudosa calidad, especialmente procedentes de las tierras fósiles o de las placas de filtración, donde pueden aparecer sabores a humedad o papel, por lo que debe comprobarse este defecto antes de su adquisición, y además someterse a un proceso de lavado en la bodega entes de su utilización. Además, al tratarse de materiales muy porosos, las material filtrantes toman con gran facilidad los olores extraños de los lugares de su almacenamiento, por lo que su conservación debe realizarse en las mejores condiciones posibles.

            En cuanto a los efectos producidos directamente sobre la composición de los vinos, la filtración puede afectarlos en mayor o menor cuantía en función del tipo de filtración utilizado. La filtración por tierras abiertas superior a los 2 darcie, no restan en absoluto ningún compuestos del vino; pero si las tierras son más cerradas, entorno a los 0,3 a 0,5 darcie, entonces pueden disminuirse los polisacáridos en un 10 por 100, así como también en la misma proporción los taninos condensados. Sin embargo, la filtración sobre placas, aún siendo éstas muy cerradas, no afectan sensiblemente a la retención de ningún componente; por lo que se recomienda realizar la limpieza del vino en dos etapas, una primera mediante la filtración con tierras abiertas, seguida de una segunda filtración realizada con placas.

            La filtración amicróbica por membranas de 1,2 a 0,45 mm, disminuyen de una manera significativa los polisacáridos, compuestos fenólicos y los ésteres de los vinos; y en consecuencia la filtración tangencial presenta efectos mucho más negativos, debido por una parte al mecanismo de filtración, donde la velocidad de circulación elevada y la subida de temperatura, no son las condiciones más adecuadas para el tratamiento de los vinos; y por otra parte, los compuestos más afectados son los polisacáridos, con retenciones de hasta el 75 por 100, así como también los polifenoles que se encuentran más polimerizados. La eliminación parcial de estas sustancias, producen una pérdida de las sensaciones de volumen y redondez en el gusto, así como en los vinos tintos una apreciable reducción del color. Las proteínas no se ven afectadas, pues para producir una estabilización proteica sería necesario una membrana con umbral de corte de 10.000 g / mol. Los aromas de los vinos también se pueden ver afectados, no por una retención directa de los mismos en las membranas, si no por la eliminación de las macromoléculas que se comportan como sustancias de fijación de los mismos.

            La reducción del número de operaciones de filtración, con la utilización razonables de las operaciones de filtración imprescindibles, unido a la tendencia actual de poner en el mercado los vinos poco o nada filtrados ("unfiltered"), para conservar la mayor parte posible de los polisacáridos de los vinos, y siempre que el consumidor acepte un posible sedimento natural en los vinos embotellados, son las soluciones que se ofrecen ante los efectos negativos que produce una filtración excesiva o mal conducida.

VII.2. CENTRIFUGACIÓN.

            La centrifugación es una técnica de separación de sólidos o limpieza de líquidos alternativa a las de clarificación por encolado, o a las de filtración descritas en capítulos precedentes; utilizando en este caso una operación física, donde se somete al líquido a limpiar a la fuerza de la gravedad multiplicada por valores muy elevados, donde casi instantáneamente se produce la sedimentación y separación de los sólidos contenidos en la fase líquida. Los primeros estudios proceden del año 1928, aunque su gran desarrollo en la enología viene a partir de los años cincuenta, donde se consigue que las máquinas funciones en total ausencia de aire, presentando en la actualidad un campo de gran interés para la industria alimentaria.

VII.2.1. Teoría de la centrifugación.

            La sedimentación de las partículas a través de un líquido se rige por la ley de Stokes, donde la velocidad de caída (V) es directamente proporcional al tamaño de la partícula, así como a la diferencia de densidades entre las partículas y el líquido, y también a la fuerza de la gravedad, e inversamente proporcional a la viscosidad del líquido.

                                 2 . r2

                        V =  --------  (dp - dl) . g                         r:    radio de la partícula.                       

                                 9 . m                                           dp: densidad de la partícula.

                                                                                   dl:  densidad del líquido.

                                                                                  g:   gravedad (m/s2).

                                                                                  m:   viscosidad.

            Una manera de acelerar la velocidad de caída de estas partículas, es aumentar el valor de la fuerza de la gravedad, pudiendo conseguirse sometiendo al líquido a clarificar a una rotación sobre un eje o centrifugación, consiguiendo de este modo obtener un valor mucho más elevado de la fuerza de la gravedad, cuya unidad se expresa precisamente en valor de la gravedad de la atracción terrestre (g).

            La fuerza centrífuga (Fc) se define como aquella que tiende a separar de su eje de rotación, una partícula sometida a un giro de un determinado número de revoluciones por minuto o radianes por segundo, es decir:

                        Fc  =  m . a  =  m . V2 / r  =  m . w2 . r          Fc: fuerza centrífuga (newton).

                                                                                           m : masa de la partícula (kg masa).

                                                                                         a :  aceleración centrífuga (m/s2).

                                                                                         r  :  radio de giro (m).

                                                                                         w :  velocidad angular (radianes/s).

                                                                              V  :  velocidad lineal (m/s).

            Un número "n" de revoluciones por minuto, equivalen a n / 60 revoluciones por segundo y por lo tanto a 2 . p . r . n / 60 radianes por segundo. Sustituyendo estos valores en la anterior expresión resulta lo siguiente:

                                 m . v2     m . (2 . p . r . n / 60)2

                        Fc = -------- = -----------------------------

                                    r                       9,8 . r

                        Fc (newton) = 1,096 . 102 . m . n2 . r

                        Fc (kilopondio) = 1,118 . m . n2 . r

            La fuerza centrífuga depende por lo tanto de la longitud del radio de giro, del número de revoluciones por minuto, y también de la masa de las partículas a separar. En una centrífuga convencional, las revoluciones por minuto oscilan entre valores de 5.000 a 10.000, clarificando

líquidos a razón de 1.000 a 20.000 litro / hora, y gracias a la intervención de una fuerza centrífuga de algunos miles de veces la fuerza de la gravedad. En las centrífugas de alto rendimiento, la velocidad de rotación de 15.000 a 20.000 revoluciones por minuto, genera una fuerza centrífuga de 14.000 a 15.000 veces la fuerza de la gravedad, que permite incluso la separación de partículas tan finas como las bacterias.

            En las centrífugas verticales de platos el líquido turbio penetra por el eje de la máquina, hasta llegar a una cámara donde gira un conjunto de platos cónicos dispuestos en forma de pila y donde el líquido gira a un elevado número de revoluciones. El líquido en rotación situado entre dos platos, sale limpio hacia el interior de la máquina, mientras que los turbios se separan en sentido contrario y acumulándose en los extremos de la cámara, donde periódicamente son eliminados. La velocidad del líquido no permanece constante a lo largo del canal, pues varía desde cero en la proximidad a los discos, hasta una velocidad máxima en el centro de este espacio. Las partículas se mueven por la velocidad del líquido (Vp) hacia en interior de la cámara y también por la velocidad de sedimentación (Vc) de forma radial hacia el exterior, resultando entre ambas una componente (Vr) que conduce a las partículas hacia la superficie de los platos, donde la velocidad del líquido es cero y las partículas depositadas resbalan hacia el exterior.

            Una partícula que se encuentra en el canal entre dos platos, tenderá por un lado a desplazarse con el líquido a una velocidad Vp de componente radial Vp . seno b, donde b el el ángulo que forma la generatriz de los platos con el eje de rotación; mientras que por otro lado la partícula está sometida a la velocidad Vc de la fuerza centrífuga. Cuando la diferencia Vc - Vp . senob   es positiva, la partícula se deposita en el plato, y en caso contrario ésta se escapa con el líquido. La resultante Vr señala el lugar donde la partícula de deposita sobre el plato, y además cuando el radio disminuye, también lo hace el valor de Vc y aumenta el de Vp, por lo que las partículas situadas en el interior de la centrífuga no son sedimentadas.

            Se define la "partícula límite" aquella que posee una masa tal que partiendo de la posición más desfavorable (A), alcanza en el disco superior el punto límite de sedimentación () antes de su escape. Otras partículas de menor masa que la límite, pueden ser separadas, siempre y cuando penetrasen en el canal en posiciones intermedias (C).

VII.2.2. Tipos de centrífugas.

            El contenido en partículas sólidas de los líquidos a clarificar, condiciona la utilización de este tipo de máquinas, pudiendo estas agruparse en centrífugas verticales de platos, donde el contenido máximo de turbios oscila entre un 3 a 8 por 100, obteniéndose líquidos muy limpios, con niveles de turbidez inferiores a valores de 0,8 a 1,0 por 100. Las centrífugas horizontales de masas, también llamadas decantadoras o "decanters", son otras máquinas que permiten la limpieza de líquidos muy cargados de sólidos hasta un 20 a 25 por 100, con rendimientos variables entre 2.000 a 25.000 litros / hora, y obteniéndose líquidos más limpios con tan solo un 2 a 5 por 100 de sólidos.

-Centrífugas verticales de platos.

            Estas máquinas se utilizan para clarificar líquidos más o menos turbios, en un proceso discontinuo en las centrífugas de cámaras, o bien en otro continuo más operativo, en las centrífugas verticales autolimpiables de platos, que se utilizan en la actualidad en detrimento de las anteriores.

            Las centrífugas discontinuas de cámaras están compuestas por una cámara o "bol" de forma cilíndrica, donde en su interior de forma concéntrica se sitúan una serie de pantallas, unas fijas solidarias al bol y otras móviles entremezcladas con las anteriores, siendo éstas accionadas por un motor eléctrico y generadoras de la fuerza centrífuga del líquido a clarificar. El producto penetra por la parte superior del eje de giro, moviéndose en el interior del bol mediante un movimiento de rotación y otro en zig-zag entre las cámaras de sedimentación, donde se depositan los sólidos por la acción de la fuerza centrífuga, hasta que resulta limpio cuando termina el recorrido, y sale de la máquina por el mismo lugar que entró mediante una conducción independiente.

            Las cámaras interiores en número de 4 a 8, retienen los turbios de una manera ordenada, primero las partículas más grandes y de mayor masa en la zona más próxima al eje de giro, y progresivamente las más pequeñas y de menor masa en las cámaras periféricas; de tal modo que el volumen de las cámaras es también variable, siendo de mayor volumen la cámara interior y variando gradualmente a menor tamaño hacia la zona exterior.

            La puesta en marcha de estas centrífugas se hace llenándola totalmente con agua, hasta que una vez se encuentre en rotación se hace entrar el producto a limpiar, el cual desplaza el agua en poco tiempo, siendo observada esta operación por medio de una mirilla en la tubería de salida, lo que permite la separación del agua y del producto clarificado. Una vez que las cámaras se han colmatado, es preciso interrumpir el proceso de clarificación para limpiar de sedimentos las cámaras, lo que también se hace introduciendo agua, apara aprovechar la totalidad del producto contenido en el interior del aparato.

            Este tipo de centrífugas no se utilizan en la actualidad, por tratarse de un sistema discontinuo y además por las dificultades que ofrece la limpieza de las cámaras de sedimentación, existiendo modelos de 2.000 a 6.000 litros / hora de rendimiento y con volúmenes de sedimentación desde 6 a 20 litros.

            Las centrífugas continuas de platos están construidas por una bol formado por dos piezas en forma de tronco de cono unidos por sus bases mayores, donde en su interior se sitúa una pila de platos cónicos que giran accionados por un motor eléctrico. El producto a clarificar penetra por la parte superior del eje de giro impulsado por una bomba centrífuga, accediendo a la cámara donde gira por la rotación de los platos, y donde los sólidos se acumulan en la zona de unión entre los dos troncos de cono del bol, mientras que el líquido limpio se mueve entre los platos hacia el eje de giro, saliendo de la máquina por el mismo lugar donde entró y por una conducción independiente, siendo impulsado hacia fuera por otra bomba centrífuga.

            Los sólidos se acumulan en una zona de un volumen bastante reducido de 4 a 18 litros, siendo periódicamente evacuados hacia el exterior, por medio de un "disparo", que sucede en un tiempo muy reducido de tan solo unos 0,09 segundos, donde los dos troncos de cono del bol se separan, dejando escapar hacia fuera los lodos acumulados y siendo empujados por la presión interior creada por la fuerza centrífuga. El sistema automático de expulsión de los sólidos puede hacerse de varias formas, uno periódico mediante un temporizador donde se ajusta el tiempo de los "disparos", y mejor otro de autocontrol mediante una célula fotoeléctrica situada en la tubería de salida, que cuando detecta una cierta turbidez producida por la colmatación del bol, acciona el mecanismo de separación de los troncos de cono, por medio de aire comprimido o de un circuito hidráulico.

            Actualmente las centrífugas autolimpiables de platos funcionan totalmente herméticas, de tal forma que se impide la entrada de aire dentro de la máquina, lo que ocasionaría unos graves problemas de oxidación de los vinos. Otro aspecto a controlar es impedir que el líquido a clarificar contenga partículas abrasivas, como fragmentos de arena, tierras fósiles, perlitas, cristales de tartratos, etc. que pueden provocar un desgaste prematuro de las máquinas y especialmente en las zonas donde las velocidades son elevadas. Para impedirlo se debe de disponer de los medios necesarios, como los pocillos de decantación, desburbadores, hidrociclones, etc.

            El "tiempo de residencia" en el cual las partículas están sometidas a la fuerza de la gravedad, se determina por el volumen del bol, dividido entre el caudal, siendo en este tipo de centrífugas del orden de 2 a 3 segundos.

            El "factor de rendimiento (LF)" de una centrífuga se mide por la siguiente expresión:

                                 F . seno a . rm . v2

                        LF = -------------------------   F:  superficie activa de los platos.

                                             g                                   a:  ángulo de los platos respecto de la

                                                                             horizontal.

                                                                       rm: radio medio.

                                                                       v:   velocidad angular.

                                                                       g:   gravedad.

            Suponiendo un caudal de 10.000 litros / hora de un líquido turbio con un contenido en sólidos del 5 por 100, para reducirlo hasta un 1 por 100, con una centrífuga de 10 litros de cámara de lodos, resulta lo siguiente:

                        Caudal del líquido:                                10.000 litros / hora

                        Concentración inicial de sólidos:            5 por 100

                        Concentración final de sólidos.               1 por 100

           

                        Sólidos a descargar:                             (5-1) / 100 . 10000 = 400 litros / hora

                        Volumen de la cámara de lodos:            10 litros

                        Número de descargas de sólidos:          400 / 10 = 40 descargas / hora

-Centrífugas horizontales de masas o decantadoras.

            Estas máquinas se utilizan para la clarificación de los líquidos muy cargados de sólidos, como por ejemplo los fangos procedentes de un desfangado estático, o como las heces o lías de los trasiegos de vinos fermentados, o los sedimentos de las clarificaciones de los vinos, etc.

            Su funcionamiento es distinto a las centrífugas descritas anteriormente, pues se trata de una carcasa troncocónica horizontal, donde en su interior se sitúa un tornillo cónico sinfín con el eje hueco, por donde entra el producto a clarificar procedente del exterior desde la base más ancha y saliendo a la cámara en la zona media. El líquido cargado es sometido a un movimiento circular, donde por acción de la fuerza centrífuga, los sólidos se colocan en la pared interior de la carcasa, siendo arrastrados por el tornillo hacia la salida situada en la parte opuesta a la entrada. El líquido limpio sale hacia la parte contraria ayudado por una bomba centrífuga, mientras que los sólidos lo hacen de manera compacta en forma de pasta. En estas máquinas el "tiempo de residencia" es más elevado que en las de platos, siendo del orden de 10 a 15 segundos,

            A menudo estas máquinas de colocan después de una o varias centrifugadoras verticales de platos, para aprovechar el líquido contenido en sus lodos, obteniéndose un líquido más limpio pero todavía algo turbio, que a su vez puede ser reciclado hacia las primeras para terminar de clarificarlo.

VII.2.3. Aplicaciones enológicas de las centrífugas.

            En la industria enológica las aplicaciones de las máquinas centrífugas son de gran interés, especialmente por tratarse de un sistema de limpieza físico de buena eficacia, donde no se utiliza producto clarificante o material de filtración alguno, por lo que representa método ecológico al obtener como subproducto unos lodos bastante secos y de poco volumen.

            Salvo en la filtración de abrillantamiento o en la amicróbica, la centrifugación puede utilizarse con éxito en todos los casos, destacando entre ellos los siguientes:

-Desfangado de los mostos blancos después del prensado, siempre que no contengan un exceso de sólidos en suspensión; pudiendo utilizarse a continuación una centrífuga horizontal de masas, para terminar de agotar el contenido en mosto de los lodos expulsados por la centrífuga vertical de platos.

-Empobrecimiento inicial del mosto en fermentación de levaduras, con objeto de ralentizar la fermentación en la elaboración de los vinos dulces naturales, donde es necesario paralizarla al final de la fermentación para conservar azúcares residuales.

-Interrupción de la fermentación alcohólica en la elaboración de los vinos dulces o licorosos, sustituyendo a otros procedimientos de "apagado" como la adición del alcohol vínico o del anhídrido sulfuroso en un proceso de menor calidad.

-Clarificación de los vinos recién fermentados, sustituyendo la operación de sedimentación espontánea o la clarificación por encolado. La centrifugación en condiciones normales llegan a eliminar más del 99 por 100 de las levaduras, separando con gran eficacia las partículas de tamaño superior a las 1,2 a 1,4 mm, donde se incluyen las levaduras y la mayor parte de los turbios; siendo incapaces de retener las bacterias de menor tamaño, para lo cual sería necesario utilizar supercentrífugas de 15.000 a 20.000 revoluciones por minuto.

-Limpieza de los vinos después de un encolado, aplicándolo al vino en el momento del trasiego, donde se elimina los restos del clarificante en suspensión y en sustitución de los filtros de tierras.

-Facilitar las precipitaciones tartáricas antes de someter a los vinos a una estabilización por frío, debido al efecto de la limpieza, a la eliminación de los coloides protectores y al efecto de la agitación.

-Eliminación de los cristales de tartratos insolubilizados durante la estabilización tartárica de los vinos por frío, en sistemas continuos o discontinuos. Teniendo en cuenta el carácter abrasivo de estas sales, que reducen la vida de las máquinas centrífugas, y que exige el empleo de un dispositivo de protección previo como los hidrociclones.

            Las centrífugas horizontales de masas se pueden utilizar en cualquier caso, siempre que se desee aprovechar el líquido contenido en restos muy cargados de sólidos, sustituyendo con gran eficacia a los filtros rotativos a vacío y a los filtros prensa de marcos.


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