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Prevención de la oxidación mediante centrifugadoras selladas y la aplicación de una atmósfera de gas inerte

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Este informe técnico explica cómo las centrífugas decantadoras con sellado técnico, protegidas con gas inerte, mejoran la eficiencia y la seguridad en el proceso de deshidratación y separación de materiales sensibles al oxígeno.

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Tradicionalmente, los sólidos y los líquidos se han separado mediante filtración o con equipos de prensado. Aunque estos métodos son eficaces, la tecnología moderna de separación automatizada constituye una excelente alternativa para lograr una separación más rápida y un enfoque más eficiente. Muchos productos son vulnerables a la oxidación. Eliminar, o al menos minimizar, la concentración de oxígeno en la atmósfera del interior del sistema de separación es imprescindible para proteger la calidad, la vida útil y la eficacia del producto.

Los sistemas de separación por centrifugación que están sellados y que utilizan una atmósfera inerte pueden utilizarse de forma segura y eficaz, evitando al mismo tiempo la exposición al oxígeno. Algunas aplicaciones en las que se utilizan centrifugadoras selladas y con atmósfera inerte son:

Aceites y grasas comestibles (p. ej., aceite de oliva, aceites de semillas, grasas animales)
Zumos de frutas y verduras
Clarificación de la cerveza
Extractos de plantas y algas
Productos farmacéuticos

¿Cómo se sellan las centrifugadoras?
Sobrepresión. Este método solo puede utilizarse con equipos diseñados para soportar sobrepresión. El aire del interior se elimina añadiendo y liberando continuamente gas inerte a alta presión en el equipo sellado. Este paso se repite hasta que la concentración de oxígeno en el interior del equipo alcance el nivel deseado. A continuación, mientras el equipo está en funcionamiento, la presión interna se mantiene a una presión diferencial superior a la atmosférica (aunque esta presión de funcionamiento sigue siendo mucho menor que la utilizada durante la inertización).
Vacío. Se elimina todo el aire del interior del equipo mediante su evacuación. A continuación, se rompe el vacío mediante un lavado con gas inerte. Dependiendo del equipo, este procedimiento debe repetirse una o dos veces. Para este proceso se requiere un equipo diseñado para mantener el vacío.
Purgado de flujo continuo: Este método se utiliza para plantas, máquinas, contenedores y equipos que no están diseñados para soportar una sobrepresión elevada o vacío. Funciona introduciendo gas inerte en el equipo por un punto del sistema cerrado y liberándolo simultáneamente por otro punto situado a cierta distancia de la entrada. Normalmente hay una secuencia de prepurgado a caudales más elevados y una secuencia de mantenedura durante el funcionamiento normal del equipo.

Los sistemas de centrifugación analizados en este documento utilizan una variante del tercer método: la purga de flujo continuo. También es importante señalar que los sistemas de centrifugación con purga de flujo continuo son «técnicamente estancos», lo cual es distinto de estar sellados herméticamente. Un equipo herméticamente sellado ofrece una tolerancia de fuga cero, mientras que la «estanqueidad» en un sistema técnicamente estanco no puede garantizarse de forma permanente debido a su diseño, funcionamiento, etc.

Un concepto de diseño que se adapta a numerosas aplicaciones
El diseño básico utilizado para prevenir la oxidación puede personalizarse en función de materiales y configuraciones específicos. El aire del interior de la centrífuga se sustituye por un gas inerte, normalmente nitrógeno o dióxido de carbono. Esto forma un sello que impide la entrada de oxígeno y mantiene la atmósfera necesaria para el procesamiento del material.

Una atmósfera interna adecuada garantiza una mayor calidad y seguridad del producto

La exposición al oxígeno atmosférico en el interior de la centrífuga puede provocar oxidación y, posteriormente, la degradación del producto o la pérdida de calidad. El objetivo de un sistema de centrífuga sellado es alcanzar y mantener la concentración límite de oxígeno (LOC) deseada en el interior del sistema decantador.

Hay dos pasos para crear una atmósfera interna que cumpla con la composición atmosférica deseada: la purga previa y el recubrimiento con gas inerte.
La etapa de purga previa tiene lugar antes de poner en marcha la máquina. El interior de la centrífuga se lava con gas inerte (por ejemplo, dióxido de carbono o nitrógeno) para desplazar el oxígeno. Esto se lleva a cabo llenando la carcasa hasta que la presión supere los 0,290 PSI y continúa hasta que el flujo de gas inerte haya sustituido varias veces el volumen interior de la centrífuga, o hasta que un sensor de oxígeno indique la concentración de oxígeno requerida, o ambas cosas. El tiempo que esto lleva varía en función del tamaño del decantador, pero suele ser inferior a 30 minutos.

Tras la purga, el interior de la centrífuga queda «recubierto» con el gas inerte, formando un sellado técnicamente hermético. En este paso, el sistema se mantiene a una ligera sobrepresión. Esto da lugar a una presión diferencial constante con respecto a la atmósfera, lo que impide que el aire exterior penetre en el interior.

Es importante destacar que el sistema de suministro de gas inerte debe estar equipado con suficiente redundancia para garantizar la disponibilidad continua de gas durante el tiempo de inactividad de la centrífuga en caso de cualquier fallo.

Cómo funciona un sistema de purga y recubrimiento con gas inerte
Se utiliza una fórmula matemática estándar para calcular la cantidad de gas necesaria para desplazar el volumen del recipiente del decantador. Una vez que se ha desplazado un volumen adecuado y se alcanzan condiciones de funcionamiento seguras, se considera que el sistema se encuentra en estado operativo (es decir, inerte).

Un sistema de sellado compuesto por varios anillos de sellado separa el interior de la centrífuga de la atmósfera exterior. Mediante el uso de múltiples elementos de sellado, incluidos sellos adicionales en los pasamuros del eje y en las carcasas, se consigue un sellado técnicamente hermético. Esto también reduce la cantidad de gas inerte utilizada, ya que los sellos ayudan a garantizar una pérdida mínima en todo el sistema.

El gas inerte se introduce entre los anillos de estanqueidad. Fluye a través de estrechas aberturas de estanqueidad, tanto hacia el interior como hacia la atmósfera. Esto solo es posible si la presión en la superficie de sellado es superior a la presión en la carcasa del decantador (> 0,290 PSI) y a la de la atmósfera exterior. Se supervisa y controla la presión diferencial (0,725–1,45 PSI) entre la carcasa y el punto de alimentación de gas. Las juntas se presurizan, lo que impide que el oxígeno entre en el sistema.

Sensores de monitorización de oxígeno frente a sistemas de purga de flujo continuo
Las concentraciones internas de oxígeno pueden gestionarse de dos maneras: mediante sensores de oxígeno o mediante un sistema de purga de flujo continuo. Los sensores de oxígeno supervisan la concentración de oxígeno en el interior de la carcasa de la centrífuga. Una ventaja del uso de estos sensores es la supervisión continua que ofrecen, especialmente si la presión diferencial entre el interior de la carcasa y la atmósfera es < 0,290 PSI.

Los sensores de oxígeno proporcionan información directa sobre el factor de riesgo que supone la concentración de oxígeno. Por el contrario, un sistema de purga de flujo continuo es indirecto y se basa en los puntos de consigna de los sensores de presión. Mientras se mantenga la sobrepresión en las juntas o la carcasa, el oxígeno del entorno no puede penetrar en el sistema y la concentración de oxígeno se mantiene por debajo del nivel crítico. Esto se consigue mediante caudalímetros y manómetros.

Sin embargo, dado que los sistemas de purga de flujo continuo dependen de los puntos de consigna de los sensores de presión, las aplicaciones que requieren presiones diferenciales más bajas pueden ser propensas a paradas erróneas del sistema. En estos casos, los sensores de oxígeno pueden proporcionar un control más sensible de esta zona de peligro.

Ambos métodos garantizan un funcionamiento seguro si se planifican, instalan y mantienen adecuadamente. Lamentablemente, el punto débil de un sensor de oxígeno es el propio sensor, que requiere programación del PLC, calibración, sustitución periódica y mantenimiento. En general, la purga de flujo continuo ofrece una mejor usabilidad neta positiva en comparación con la monitorización del oxígeno.

Una solución segura y eficiente para la separación
El uso de un gas inerte para crear una centrífuga herméticamente sellada o purgada es una excelente solución para una amplia variedad de aplicaciones en las industrias alimentaria, de bebidas y farmacéutica, entre otras.

Una vez puesta en marcha, debe elaborarse un programa de pruebas de estanqueidad y realizarse con regularidad para verificar la estanqueidad de la unidad de purga. Los puntos de mantenimiento y comprobación rutinarios incluyen manómetros, caudalímetros y mangueras. Las líneas de suministro también deben revisarse a intervalos regulares para detectar daños, obstrucciones y estanqueidad.

Las centrífugas son extremadamente eficientes, con un mayor rendimiento que los filtros o las prensas, y funcionan de forma continua, en lugar de por lotes como ocurre con los filtros o las prensas. Con una centrífuga purgada es posible separar dos fases, tres fases o una emulsión muy ligera. Además, muchos sistemas están totalmente automatizados, lo que reduce el tiempo que el operador dedica a supervisar la máquina.

Sobre el autor

Lee Betkowski lleva 13 años como director del sector biotecnológico, químico y farmacéutico (BCP) en Flottweg. Anteriormente trabajó para Krauss Maffei (centrifugadoras de empuje y de pelado, secadores), Rosenmund (secadores de filtro) y De Dietrich (equipos de acero para la línea del vidrio). Cuenta con casi 30 años de experiencia en los sectores biotecnológico, químico y farmacéutico, principalmente en el ámbito de las centrifugadoras.