INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INTEGRACIÓN DE UN SISTEMA DE DESINFECCIÓN DE AGUA
PARA EL ÁREA DE LAVAMANOS DE UN QUIRÓFANO POR
MEDIO DE OZONO.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO EN
CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA
JORGE FERNÁNDEZ LARA
ASESORES
M. EN C. MIRIAM GÓMEZ ÁLVAREZ
M. EN C. LUIS GODOY RODRÍGUEZ
AGRADECIMIENT OS
Al finalizar un trabajo tan arduo y lleno de dificultades como el desarrollo de una tesis es inevitable que te asalte un muy humano egocentrismo que te lleva a concentrar la mayor parte del mérito en el aporte que has hecho. Sin embargo, el análisis objetivo te muestra inmediatamente que la magnitud de ese aporte no hubiese sido imposible sin la
participación de personas e instituciones que han facilitado las cosas para que este trabajo llegue a un feliz término. Por ello, es para mí un verdadero placer utilizar este espacio para ser justo y consecuente con ellas, expresándoles mis agradecimientos.
Debo agradecer de manera especial y sincera a la Maestra en Ciencias Miriam Gómez Álvarez por su confianza en mi trabajo y su apoyo incondicional, siempre encaminando mis ideas al avance del proyecto y hasta llamándome la atención cuando quise
abandonarlo, de todo corazón GRACIAS.
A mi familia por su apoyo para concluir mis estudios y proyectos, en especial a mi querida hermana Rebeca, siempre dándome un ejemplo que todo sueño es posible mientras luches por él, que en ella siempre tendré alguien para apoyarme y seguir adelante, muchas gracias por todo.
A mis amigos por aguantar no verme por estar trabajando en la tesis, por soportar mi mal humor al no tener los resultados esperados, pero siempre estando allí, dándome
comentarios y críticas para lograr mis objetivos, gracias.
A la Doctora Tatyana Poznyak y su equipo de investigación en la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas por brindarme todo el apoyo necesario para realizar pruebas.
Al profesor Mauricio Aarón Pérez por permitirme un espacio para resolver los problemas que se presentaban, siempre brindando asesoría y apoyo para superarlos.
Al Instituto Politécnico Nacional por permitirme concluir mi formación profesional, dándome las herramientas necesarias para convertirme en ingeniero.
I
RESUMEN
En este trabajo de tesis se integró y probó un sistema de desinfección de agua por medio de ozono. El sistema integra elementos de monitoreo y control para alcanzar condiciones que garantizan la esterilidad del agua.
Dado que en los quirófanos se necesita una técnica estéril, así como agua libre de patógenos, se requiere de instalaciones con el equipo necesario para garantizar el suministro de agua estéril.
Se pueden inactivar los patógenos si se mantiene la concentración de ozono en el agua en los niveles marcados por la US EPA. Para poder mantener la concentración del ozono en estos niveles el sistema está integrado por un generador de ozono, un fotómetro UV, un inyector tipo Venturi, cuatro electro-válvulas, un tanque y un sistema de adquisición de datos.
El sistema integrado adquiere señales analógicas emitidas por un fotómetro UV y las interpreta para poder tomar acciones de control. La absorción de ozono se puede monitorear y controlar mediante la activación de electro-válvulas solenoides.
III
ABSTRACT
In this thesis, a water disinfection by ozone system is integrated and proved. The system integrates control and monitoring elements, which allow reaching conditions that guarantee the sterility in the water.
Given that in surgery rooms a sterile technique is needed, as well as pathogen free water, installations with the necessary equipment to guarantee water sterility are needed.
Pathogens can be inactivated if ozone concentration levels in water are maintained as the ones dictated by US EPA.
To maintain the concentration, the system is integrated by: an ozone generator, an UV spectrophotometer, a Venturi ejector, four electro-valves, a tank, and a data acquisition system.
The system acquires analogical signals from the UV spectrophotometer and interprets them to take control decisions. The control absorption can be monitored, and then controlled by solenoid electro-valves.
ÍNDICE GENERAL
Resumen ...I Abstract ... III Objetivos... XI Objetivos específicos... XI Justificación ... XIII
Introducción ... 1
Capítulo 1: Estado del Arte ... 3
1.1 Métodos de esterilización más utilizados en el quirófano ... 5
1.2 Planteamiento del Problema ... 5
SUMARIO ... 6
Capítulo 2: Marco Teórico... 7
2.1 Propiedades fisicoquímicas del agua. ... 7
2.1.1Solubilidad del oxígeno en el agua ... 8
2.1.1.1 Ley de Henry ... 9
2.2 Propiedades fisicoquímicas del ozono. ... 9
2.3 Generación del ozono ...10
2.4 Destrucción del Ozono Residual ...13
2.5 Medida de la concentración de ozono...13
2.6 Velocidad de absorción ...16
2.7 Desinfección de Agua con Ozono...18
2.7.1 Inactivación de Bacterias ...19
2.8 Disolución de Ozono en agua ...21
2.8.1 Reactores agitados mecánicamente...21
2.8.2 Columnas de burbujeo...22
2.8.3 Columnas de flujo descendente ...23
2.8.4 Inyectores tipo Venturi ...23
2.9 Calidad o Características sanitarias del agua ...25
2.10 Modelos cinéticos de inactivación microbiana ...29
2.11Quirófanos ...31
2.11.1 Características de los quirófanos. ...31
2.11.2 Suministro de agua ...32
2.12 Tipos de Control ...33
2.12.2 Control Proporcional...34
2.12.3 Integral ...35
2.12.4 Control Proporcional + Integral ...35
2.12.5 Control Proporcional + Derivada ...36
2.12.6 Control Proporcional + Integral + Derivada...36
2.13 Válvulas ...37
2.13.1 Electro-válvulas ...38
2.13.2 ELECTRO-válvulas de Manguito o Pellizco ...39
2.14 Electrónica de Potencia ...40
2.14.1 Relevadores ...41
2.15 Adquisición de Datos...41
2.15.1 Componentes clave de medidas para un dispositivo DAQ ...42
2.15.2 Arduino ...44
2.16 Propuesta Conceptual ...45
2.17 Metodología ...45
SUMARIO ...46
Capitulo 3: Propuesta del sistema ...48
3.1 Esquema General ...48
3.2 Materiales ...50
3.3 Diseño del Algoritmo ...57
3.4 Algoritmo implementado ...59
3.5 Electrónica de Potencia ...60
SUMARIO ...63
Capítulo 4: Pruebas Experimentales y análisis de resultados ...64
SUMARIO ...82
Capítulo 5: Recomendaciones para trabajos futuros ...83
Capítulo 6: Conclusiones ...87
Glosario ...89
Abreviaciones ...91
Referencias ...93
ÍNDICE DE FIGURAS
[image:11.612.74.553.115.726.2]ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: VALORES de la constante de Henry para diferentes gases ______________________ 9 Tabla 2: Propiedades físico-químicas del ozono _____________________________________ 10
Tabla 3: Potencial redox de algunos agentes oxidantes _______________________________ 10
Tabla 4: Resumen de Requerimientos Reportados en la Ozonización para la inactivación del 99% de Cryptosporidium Oocycts ____________________________________________________ 20
XI
OBJETIVOS
Integrar un sistema de esterilización de agua para el área de lavamanos de quirófanos por medio de la desinfección con ozono, controlando la concentración de dicho gas y manteniéndola constante en los niveles marcados por la US EPA.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Controlar la concentración de ozono para garantizar la esterilidad en un sistema de suministro de agua para quirófano.
XIII
JUSTIFICACIÓN
Un quirófano es un área que debe cumplir con las normas más estrictas de esterilización, la NOM 045 SSA2 2005 en México, el RD 1277/2003 en España, y las normas y recomendaciones dictadas en Estados Unidos por la Joint Commission y en el Reino
Unido por el National Health Service. Donde todo el equipo del quirófano debe ser lavado
y esterilizado constantemente.
El área de lavamanos se encuentra junto al quirófano; en ella se encuentran los lavabos y los grifos; en los que el mando del agua y jabón se accionarán con el pie o el codo, el agua será estéril y en él se realizará el lavado quirúrgico; que consiste en disminuir la concentración de bacterias de la flora residente y remover completamente la flora transitoria, adquiridas por contacto reciente con pacientes o fómites.
El ozono es un gas que se encuentra de manera natural en el aire, es químicamente inestable, debido a esto es altamente oxidante. Al oxidar las cadenas de ácido desoxirribonucléico (ARN) y ácido ribonucléico (ADN) inactiva a las bacterias y virus, destruyendo con rapidez estreptococos, estafilococos y colibacilos
Debido a que el ozono es muy inestable, tiene que ser generado donde será utilizado. Existen varias formas para generarlo, pero la más eficiente es por medio de la descarga de barrera dieléctrica (efecto corona) de acuerdo a Vidal; que consiste en hacer fluir
Oxígeno O2; ya sea puro, o mezclado en el aire; enfriado y seco, entre dos electrodos separados por un material dieléctrico, permitiendo manejar elevados campos eléctricos, que proveerán la suficiente energía para disociar la molécula de ozono.
Para poder tener un buen aprovechamiento, así como garantizar que las bacterias patógenas están inactivas, se requiere de un sistema de control para la concentración del ozono disuelto; para esto es necesario controlar la cantidad de ozono suministrado al inyector tipo Venturi. Esto se logra midiendo el ozono que es inyectado al sistema y el que se disuelve, para así, por medio de electro-válvulas ejercer una acción de control en el flujo de ozono inyectado y posteriormente disuelto en el agua, manteniendo así la
1
INTRODUCCIÓN
La prioridad principal en el quirófano es mantener una técnica estéril y aséptica para prevenir una infección. Los microorganismos pueden estar presentes tanto en el paciente como en el personal médico y las instalaciones. Causando así con cierta frecuencia infecciones pos-operatorias, impidiendo una evolución apropiada de la salud del paciente.
Por las características de la molécula del ozono, la ozonización ha sido muy utilizada en el tratamiento de agua potable. Sus propiedades han sido utilizadas desde el siglo XX, y ha sido clasificado como el segundo desinfectante más poderoso en el mundo, según Vidal.
Ofrece ventajas respecto a otros métodos de desinfección debido a varios factores; como el no producir compuestos tóxicos con riesgo para la salud como los trihalometanos.
El ozono al ser muy inestable, no puede ser transportado por medios convencionales y debe ser generado donde va a ser utilizado. El método para la generación de ozono mediante descargas eléctricas involucra la generación de radicales atómicos de oxígeno, los cuales reaccionan con el oxígeno molecular para formar el ozono, según Vidal.
Este sistema está conformado por un generador de ozono, que genera 80 mg/Hr de Ozono, un tanque para la separación por lotes del agua, un inyector tipo Venturi que permite una transferencia de masa efectiva del ozono gaseoso hacia la fase líquida (agua) y cuatro electro-válvulas que controlarán el paso del ozono al sistema y al fotómetro UV, así como el paso del agua, también cuenta con un micro-controlador que adquiere la señal del fotómetro y envía la señal de control a una etapa de potencia para poder activar las electro-válvulas.
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CAPÍTULO 1:
ESTADO DEL ARTE
En 1840 fue propuesto por Christian Friedrich Schöbein nombrar a este compuesto como Ozono gracias al término griego que significa "tener olor". En 1865 Jacques-Louis Soret determinó que su fórmula es O3.
El primer generador de ozono fue creado en Berlín por Von Siemens; quien escribió un libro sobre las aplicaciones del ozono en agua. El químico Francés Marius Paul Otto recibió su doctorado por un ensayo sobre Ozono, fue el primero en empezar una empresa para la manufactura de instalaciones de ozono, "Compaigne des Eaux et de l'Ozone".
La primera aplicación técnica del ozono tuvo lugar en Oudshoorn, Holanda en 1893. Esta instalación fue muy estudiada por científicos franceses, y otra unidad fue instalada en Niza en 1906. En Niza fue aumentando el uso de las instalaciones de ozono, haciendo que Niza fuera conocida como el lugar de nacimiento del ozono para el tratamiento de agua potable.
En los años precedentes a la primera guerra mundial se incrementó el uso de las instalaciones de ozono en varios países. Alrededor de 1916 había 49 instalaciones de ozono en toda Europa (26 de ellas en Francia). Sin embargo, el crecimiento no duró mucho; debido a la investigación de gases tóxicos, que llevó al desarrollo del cloro como desinfectante.
Este desinfectante parecía ser una alternativa viable al ozono, porque no tenía las inconveniencias del ozono, en especial las de su generación. La producción de ozono no llegó a su mejor nivel hasta después de la segunda guerra mundial. En 1940 el número de instalaciones de ozono en el mundo ascendía a 119 instalaciones. Y para 1977 el número había aumentado a 1043. Más de la mitad de las instalaciones se localizaban en Francia. Alrededor de 1985 el número de instalaciones aplicadas de ozono se estimaba en más de 2000.
En 1991, había aproximadamente 40 plantas de tratamiento de agua en Estados Unidos, cada una sirviendo a más de 10,000 personas. Este número ha crecido significativamente, para abril de 1998 operaban 264 plantas utilizando ozono en los Estados Unidos, la mayoría de estas instalaciones son pequeñas según la EPA.
El ozono en el tratamiento del agua es utilizado para desinfección y oxidación. Las primeras aplicaciones del ozono en los Estados Unidos fueron primordialmente para propósitos no desinfectantes, como quitar color o sabor y el control del olor. Sin embargo, desde la implementación del SWTR (Surface Water Treatment Rule) y la propuesta de la norma DBR (Disinfection Byproduct Rule), el uso primario del ozono como desinfectante ha aumentado en los Estados Unidos.
4
desinfección con cloro. En consecuencia, los científicos comenzaron a buscar desinfectantes alternos.
Otro problema fue el aumento y la dificultad de eliminar micro-contaminantes orgánicos de las aguas superficiales. Estos compuestos se oxidan mediante ozono más rápido que con el uso de Cloro y compuestos de Cloro.
Además el ozono inactiva hasta a los microorganismos que desarrollaron resistencia a los desinfectantes, tal como Cryptosporidium. Finalmente, ha habido un progreso en las
limitaciones de la administración del ozono.
A partir de las regulaciones hechas por la US EPA para controlar los trihalometanos, en la década de los ochenta las plantas potabilizadoras que emplean el ozono aumentaron en los Estados Unidos de América. En los Ángeles se encuentra la mayor potabilizadora del mundo y que también fue la primera en utilizar oxígeno criogénico. En Canadá también ha aumentado el número de plantas y en México y Argentina se ha comenzado con el uso de estas plantas según Mayra O. Bataller.
FIG. 1: INCREMENTO DE LAS PLANTAS CON EMPLEO DE OZONO EN EUA
5
1.1 MÉTODOS DE ESTERILIZACIÓN MÁS UTILIZADOS EN EL
QUIRÓFANO
En un quirófano se utilizan dos tipos de métodos para esterilizar, físicos y químicos:
Métodos Físicos
Calor húmedo: vapor-autoclave Se utiliza el vapor de agua a presión que provoca la desnaturalización de los microorganismos por coagulación de sus proteínas.
Métodos Químicos
Gas óxido de etileno Modifica la estructura molecular de las proteínas de los microorganismos.
Peróxido de Hidrógeno Gas plasma y Peróxido de hidrógeno vaporizado.
Estos son los métodos más utilizados según de Retana (2012).
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En un quirófano, el paciente se encuentra muy vulnerable ante infecciones por diversos patógenos, por eso se requiere una técnica estéril y que el agua sea estéril. Para así evitar una infección y problemas en la recuperación de los pacientes. Los quirófanos cuentan con diversos protocolos para mantener el ambiente estéril, uno de ellos es el lavado quirúrgico; que como ya se mencionó, consiste en disminuir la concentración de bacterias de la flora residente y remover completamente la flora transitoria, adquiridas por contacto reciente con pacientes o fómites.
El lavado se lleva a cabo en el área de lavamanos del quirófano, el cual se encuentra junto al quirófano y se realiza con agua suministrada por una tubería independiente a la del resto de las áreas del hospital. Algo que ha de preocuparnos, es que la carga microbiológica del agua se espera que cumpla con la NOM-127SSA 2001, pero no siempre es así y podemos tener algún patógeno que cause una infección. La solución a este problema es desinfectar el agua que será utilizada.
Existen muchos métodos de desinfección de agua; uno de ellos la ozonización, que al ser el ozono el segundo oxidante más potente, resulta una muy buena alternativa.
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SUMARIO
El quirófano es un área donde el paciente se encuentra vulnerable a infecciones por diversos patógenos, varias técnicas son llevadas a cabo para minimizar el riesgo, una de ellas el lavado quirúrgico, que requiere de agua estéril.
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CAPÍTULO 2:
MARCO TEÓRICO
2.1 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL AGUA.
El agua generalmente se dice que es una combinación de hidrógeno y oxígeno, de fórmula H2O. Pero con el descubrimiento de los isótopos del hidrógeno y oxígeno, se ha visto que la definición del agua presenta gran complejidad. En efecto, junto al agua de la fórmula H2O, existe la D2O, o sea el agua pesada, y la T2O o agua hiperpesada. Igualmente existe un agua semipesada de fórmula HDO.
Si a esto se le añade que existen tres oxígenos: O16, O17 y O18, nos encontramos que el cuerpo que nosotros llamamos agua es una mezcla de 18 cuerpos posibles, aunque en la práctica sea una mezcla de agua ligera (H2O) y de muy pequeñas cantidades de agua pesada y de agua hiperpesada. Los otros compuestos no existen prácticamente.
Esta complicación, unida a su polaridad hace que todas las constantes físicas del agua sean anormales.
Se sabe que el agua se presenta corrientemente, en las condiciones naturales ambientales, en uno de los tres estados: gaseoso, líquido o sólido y su importancia físico-química es tal, que las temperaturas de transformación de un estado en otro han sido tomadas como puntos fijos. Es, por lo tanto, un líquido con grandes anomalías, entre las cuales se encuentran como más importantes:
1. El valor máximo de su densidad la presenta el agua líquida a la temperatura de + 9.98ºC.
2. Como consecuencia de la anterior, el agua sufre una expansión al solidificarse. 3. Tiene una tensión superficial muy elevada.
4. Calor específico alto.
5. Un gran calor latente de fusión. 6. Conductividad térmica elevada.
7. Fuerte poder ionizante y constante dieléctrica elevada. 8. Gran poder disolvente.
9. Propiedades de combinación. 10. Propiedades oxidantes.
En efecto, su densidad es 1 g/cm3 (exactamente 0.9999 g/ cm3) y pasa por un máximo, a +3.98ºC a la presión estándar (1 atm). La viscosidad, contrariamente a lo que pasa con otros líquidos, disminuye cuando la presión aumenta.
El agua líquida se solidifica a cero grados, dando hielo y experimentando un aumento de volumen. Hierve a 100ºC a 760 mm Hg de presión. Tanto el punto de congelación como el de ebullición son anormales, debido a las asociaciones moleculares. El punto de ebullición debería estar, si la molécula fuese única, por debajo de -63.5ºC de acuerdo a Lafuente
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2.1.1SOLUBILIDAD DEL OXÍGENO EN EL AGUA
El oxígeno al ser un gas, está sometido al comportamiento de todos los gases. La solubilidad de los gases en el agua está función de:
Temperatura. Presión
Coeficiente de solubilidad. Tensión de vapor del gas. Salinidad del agua, etc.
En todo caso, sigue las leyes de Henry y de Dalton. (La solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial e inversamente a la temperatura. En una mezcla de gases, cada uno ejerce una presión específica no influyendo para nada las presiones de los otros gases.
En la Fig. 2 se representa gráficamente la influencia de algunos de los factores más importantes. En la figura (a) vemos gráficamente como la disolución del oxígeno en el agua está afectada por la turbulencia o agitación violenta.
En la figura (b) se observa la influencia que ejerce la superficie puesta en contacto con el oxígeno. La curva A representa la cantidad de oxígeno absorbido en relación con el tiempo de contacto. En la curva B se representa el oxígeno absorbido en el mismo tiempo, pero con una superficie de contacto siete veces mayor.
En la figura (c) se representa la influencia de las sales disueltas en la disolución del oxígeno: se observa que el agua destilada absorbe más oxígeno que un agua mineralizada y cuanto mayor sea la mineralización, menor será la solubilidad.
(a) (b) (c)
9
El agua puede contener microorganismos y contaminantes dañinos. Muchas de estas impurezas pueden ser peligrosas para los humanos; desde el punto de vista higiénico.
Desinfectar significa purificar un medio a tal punto que no pueda causar enfermedades infecciosas a humanos, animales y plantas que entren en contacto con el medio de acuerdo a La Fuente (1969).
2.1.1.1 LEY DE HENRY
La relación cuantitativa entre la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre la disolución según Chang:
� (2.1)
= (2.2)
Dónde:
c = la concentración molar del gas disuelto.
P = es la presión (en atmósferas) del gas sobre la disolución y, para un gas determinado.
H = es la constante que sólo depende de la temperatura.
En la tabla 1 se enlistan los valores de la constante de Henry para diferentes gases a temperatura ambiente.
TABLA 1: VALORES DE LA CONSTANTE DE HENRY PARA DIFERENTES GASES
2.2 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL OZONO.
10
ozein (emitir olor). Y en 1848 Hunt demostró que se trataba de una variedad alotrópica del oxígeno integrada por tres átomos de dicho elemento. Las principales propiedades físico-químicas del ozono se muestran en la Tabla 2.
Debido a su elevado potencial redox el ozono es un oxidante químico muy potente, propiedad que puede ser utilizada para la degradación de compuestos contaminantes o para la desinfección del agua; sin embargo, presenta la desventaja de ser relativamente inestable en disolución acuosa: los valores para la vida media del ozono en agua destilada (pH = 7.0 y 20 ºC) varían entre 20 - 30 minutos y 160 minutos, aumentando su inestabilidad en medio básico. La comparación de potenciales redox con otros agentes se muestra en la Tabla 3 de Vidal.
Utilizando las leyes de Henry y los estudios realizado por la doctora Tatyana Poznyak podemos calcular cómo será la disolución del ozono en el agua.
TABLA 2: PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL OZONO Peso molecular 48 g/mol
Densidad (a 0ºC y 101. KPa) 2.154 g/l Punto de Ebullición (a 101.3
KPa) -111.9 ºC Punto de Fusión del O3 Sólido -192.5
ºC
Umbral Olfativo 0.02ppm Potencial Redox 2.07 V Solubilidad en Agua:
A 0ºC
A 30 ºC 20 mg/l 1.5 mg/l
TABLA 3: POTENCIAL REDOX DE ALGUNOS AGENTES OXIDANTES
Compuesto F2 O3 H2O2 MnO3 Cl2 CLO2 Pot. Redox 2.85 2.07 1.76 1.68 1.36 0.95
2.3 GENERACIÓN DEL OZONO
La corta vida media del ozono (tanto en fase gas como en disolución acuosa) no permite su almacenamiento y distribución como cualquier otro gas industrial, sino que debe generarse in situ.
La reacción global de la formación de ozono a partir de oxígeno se puede formular como:
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Se observa que la reacción es altamente endotérmica y no espontánea ∆ =
+ . / � , por lo que el ozono no puede ser generado por activación térmica del oxígeno, sino que además el ozono se descompone fácilmente por calentamiento.
El mecanismo descrito para la formación del ozono mediante descargas eléctricas (el método más habitual) involucra la generación de radicales atómicos de oxígeno, los cuales reaccionan con el oxígeno molecular para formar el ozono:
+ + ⇄ + ∗ (2.4)
Siendo M una molécula que retira el excedente de energía de la reacción.
Los principales métodos de generación de ozono según Vidal son:
1. Electrólisis: electrólisis del ácido sulfúrico. El rendimiento es mediocre y no se utiliza habitualmente (el consumo de energía es 2-5 veces mayor que en el método de descargas eléctricas). También se ha descrito la producción de ozono a partir de la electrólisis del ácido perclórico concentrado.
2. Generación fotoquímica: mediante reacción del oxígeno con luz ultravioleta (140-190 nm). Este procedimiento no se utiliza industrialmente debido al bajo rendimiento de generación de ozono ([O3] < 1 g/m3) y al alto consumo energético (del orden de 3 kWh/g). Este es el método de producción natural del ozono estratosférico.
3. Generación radioquímica: mediante radiación ( , , neutrones) procedente de
isótopos radioactivos (137Cs, 60Co, 90Sr). No se utiliza en la práctica debido a la complejidad de los requerimientos del proceso.
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FIG. 3: GENERADOR BÁSICO DE OZONO
Lo principales parámetros a controlar en el proceso de generación de ozono según Vidal
son:
Características de la corriente eléctrica: el rendimiento de la producción de ozono crece con la intensidad de la corriente, así como con la frecuencia (hasta un valor óptimo del orden de 500-600 Hz).
Temperatura: la refrigeración de los electrodos reduce los fenómenos de descomposición térmica del ozono.
Presencia de impurezas en el gas de partida: es de especial importancia la sequedad del gas de partida, ya que la presencia de vapor de agua provoca una disminución de la producción de ozono, y en el caso de usar aire, se produce la formación de óxidos de nitrógeno y ácido nítrico, que causan problemas de corrosión en el ozonizador. Otras impurezas, como algunos hidrocarburos (CFCs) y el hidrógeno, tienen una influencia negativa sobre la producción de ozono, mientras que la presencia de trazas de CO incrementa ligeramente el rendimiento de la reacción.
Gas de partida usado en la generación de ozono:
o Aire: filtrado y seco (punto de rocío < -60 ºC).
o Oxígeno puro: Tiene varias ventajas respecto al aire: menor consumo
energético (aproximadamente la mitad) y mayor rendimiento en la generación del ozono (6 % en peso con O2, 3% con aire).
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2.4 DESTRUCCIÓN DEL OZONO RESIDUAL
La concentración del ozono en el gas de salida de un contactor suele ser superior a una concentración fatal. El gas de salida es recolectado y el ozono transformado nuevamente en oxígeno antes de ser liberado a la atmósfera. Los principales métodos de destrucción del ozono residual de salida del reactor según Vidal son:
Destrucción térmica: Calentamiento de 300-350 ºC durante un corto periodo de tiempo, usualmente menos de 5 segundos. Este es el método más utilizado en Europa.
Destrucción termocatalítica: (Catalizadores basados en paladio, manganeso u óxidos de níquel) los catalizadores metálicos pueden operar a temperaturas tan bajas como 29 ºC, mientras que los óxido metálico operan a temperaturas entre 50 y 70 ºC.
Adsorción y reacción sobre carbón activo granular (GAC): No es un método recomendable ya que el carbón se consume en una combustión lenta que provoca la formación de partículas finas carbonosas que pueden ocasionar riesgos de explosión en las condiciones de operación.
Reutilización del ozono residual de la cámara principal de ozonización: Por ejemplo, utilizar el ozono residual de la postozonización para un paso previo de preozonización en cabeza de tratamiento de una potabilizadora.
Destrucción química: Usando soluciones de NaOH, Na2SO3 y Na2S2O3 para el lavado húmedo del gas residual. No existen aplicaciones industriales de este método hasta el momento.
El fotómetro UV BMT 964, que se utilizó en el sistema cuenta con un cartucho de carbón activado, el cual destruye el ozono residual.
2.5 MEDIDA DE LA CONCENTRACIÓN DE OZONO
Los principales métodos utilizados para medir la concentración de ozono, tanto en fase gas como en disolución acuosa según Vidal son:
En fase gas: las unidades más empleadas son % peso, % volumen, y gr/m3.
Método yodométrico: se absorbe el gas (1-10 litros) sobre una solución de KI 0,1N. El O3 oxida el I- a I2, el cual se valora con Na2S2O3. Este método está sujeto a interferencias: cualquier otro agente oxidante H2O2, etc.)y presenta el problema de la inestabilidad del O3 en medio básico:
+ + − ⇒ + −+ (2.5)
Por lo que se acidifica la solución resultante antes de la valoración con tiosulfato.
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Detección amperométrica: mediante un electrodo que contiene una solución de KI.
Determinación calorimétrica: descomposición catalítica del ozono (ΔH=14β.γ
kJ/mol).
Absorción de luz UV: El método de absorción de luz UV también conocido como método de fotometría UV, puede ser utilizado para medir la concentración de ozono en un gas o líquido. Esta técnica consiste en medir la atenuación de un haz de luz UV con longitud de onda de 254 nanómetros en una celda de absorción, la cual contiene una muestra del gas o líquido que se desea medir. La atenuación del haz de luz es determinada mediante la comparación de la señal proveniente del sensor de muestra y la proveniente del sensor de referencia.
FIG. 4: DIAGRAMA DE UN MONITOR DE OZONO POR ABSORCIÓN DE LUZ UV
La magnitud de la atenuación del haz es proporcional a la concentración de ozono presente en la muestra. La concentración de ozono se calcula empleando la relación de Beer-Lambert.
En medio acuoso (ozono residual): Las unidades empleadas son: mg/l. Los métodos se basan en el potencial oxidante del ozono. Las posibles interferencias son:
Productos de descomposición del ozono: H2O2, HO2-, OH.
Oxidantes inorgánicos producidos durante la ozonización: X2, HXO, X3 -(siendo X=Br,I).
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Los principales métodos para medir la concentración en disolución acuosa según Vidal
son:
Método yodométrico: descrito anteriormente
Método colorimétrico de índigo: el ozono decolora el trisulfonato de índigo
(λ=600nm.).Más selectivo que el anterior y es el que presenta menos interferencias.
Método colorimétrico DPD (N,N-dietil-p-fenilendiamina): el ozono oxida el I- a I2, el cual reacciona con el DPD dando un producto de color rosa (λ=530 nm.).
Otros métodos colorimétricos: LCV (Leuco crystal violet), ACVK (Acid Chrome violet K), carmín de índigo.
Oxidación directa de As(III): el ozono reacciona con un exceso de As(III); el residual de As(III) se valora con I2.
Absorción UV (253-260nm): presenta bastantes interferencias. Detección amperométrica: Como lo muestra la Fig. 5.
Purga (stripping) del ozono disuelto hacia la fase gaseosa.
Medida de Potencial Redox: útil en la motorización de tratamientos.
FIG. 5: DETECCIÓN AMPEROMÉTRICA
16
2.6 VELOCIDAD DE ABSORCIÓN
La velocidad de absorción se expresa de cuatro formas diferentes, utilizando coeficientes individuales o globales basados en las fases gaseosa o líquida. Para la mayor parte de los cálculos se utilizan coeficientes volumétricos debido a que es más difícil determinar los coeficientes por unidad de área, ya que el propósito del cálculo del diseño consiste por lo general en determinar el volumen total del absorbedor.
La velocidad de absorción por unidad de volumen de la columna empacada se determina por cualquiera de las siguientes ecuaciones, donde Y y X se refieren a la fracción mol del
componente que se absorbe.
� = � − � (2.6)
� = � �− (2.7)
� = � (2.8)
� = � ∗− (2.9)
Dónde:
r = velocidad de absorción.
a = área de superficie de contacto.
ky y kx = coeficientes individuales.
Ky y Kx = coeficientes globales.
La diferencia de presión parcial (p - pi) se puede utilizar como la fuerza potencial para la fase gaseosa, puesto que es proporcional a (y - yi). Los diagramas basados en las relaciones molares Y y X se usan ciertas veces, pues la línea de operación es recta, pero esta aproximación no se recomienda porque ΔY y ΔX no son medidas válidas para la fuerza impulsora.
Los coeficientes individuales kya y kxa están basados en una unidad de volumen, como lo están por lo general los coeficientes globales Kya y Kxa. La a en todos los coeficientes es el área de la superficie de contacto por unidad de volumen de la columna empacada u otro aparato. Es difícil medir o predecir a, pero en la mayoría de los casos resulta innecesario conocer el valor real, puesto que los cálculos de diseño se basan en los coeficientes volumétricos.
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�= � � (2.10)
�= � � (2.11)
Dónde:
m = pendiente de la curva de equilibrio.
�= resistencia a la transferencia de masa en la película gaseosa.
�= resistencia a la transferencia de masa en la película líquida.
En la ecuación 2.10, los términos
� y � son las resistencias a la transferencia de masa
en la película gaseosa y la película líquida, respectivamente. Cuando los coeficientes kya y kxa son del mismo orden de magnitud, y m es mucho mayor que 1.0, se dice que la resistencia de la película líquida está controlada de acuerdo a Harriot (2007).
El ozono es capaz de oxidar una gran variedad de materiales orgánicos en una solución acuosa. El proceso de oxidación por ozono involucra el fenómeno de transferencia de masa con reacciones químicas simultáneas, basado en los resultados obtenidos por Poznyak, donde una ozonización simple con un modelo de mezcla de i-componentes con pH 7 ha sido tratado.
El modelo matemático propuesto por Poznyak (2005) es utilizado para entrenar un observador de redes neuronales diferenciales (DNNO). Este modelo es cubierto por las siguientes ecuaciones diferenciales ordinarias:
��� =� �� [ �� (� �� − ��� ) − ( + � ∑ (��= � − �))] = − � �� (��� − ���−ℎ)− − � �� (��� − ��� ) � = − � �
���� , � = ,̅̅̅̅̅ (2.12)
Dónde:
��� = Concentración de gas en fase gaseosa. Qt = Ozono disuelto en fase líquida.
� = Concentración de compuestos orgánicos en el tiempo t.
Vgas = Volumen de la fase gaseosa que se asume constante. Wgas = Flujo de gas.
Ksat = Constante de saturación.
Qmax = Ozono máximo saturado en fase líquida.
18
En el cual se puede ver que la concentración del ozono en fase gaseosa es dependiente del gas disuelto en fase líquida, así como el flujo del gas, pudiendo concluir que la transferencia de masa se puede manipular a través del flujo del ozono.
2.7 DESINFECCIÓN DE AGUA CON OZONO
Ya que el ozono es un oxidante poderoso, segundo después del radical libre hidroxil, entre los químicos es utilizado típicamente en el tratamiento de agua. Por esto es capaz de oxidar muchos compuestos orgánicos e inorgánicos en el agua. Estas reacciones entre compuestos orgánicos e inorgánicos causan una demanda de ozono cuando es tratada, que debe de ser satisfecha durante la ozonización, antes de desarrollar un residuo medible.
Como se muestra en la Fig. 6 de EPA (1999), el ozono puede reaccionar de dos maneras
en una solución acuosa:
Oxidación directa de compuestos por ozono molecular (O3(aq)).
Oxidación de compuestos por los radicales libres de hidroxil producidos durante la descomposición del ozono.
19
2.7.1 INACTIVACIÓN DE BACTERIAS
El ozono es muy efectivo contra las bacterias. Estudios han demostrado el efecto de bajas concentraciones de ozono disuelto con E.coli cmo se mostró en Wuhrmann (1955) y Legionella pneumophila de acuerdo a Domingue (1988). Los niveles de E.coli fueron
reducidos en 4 logs (99.99 por ciento removidos) en menos de un minuto con 9 mg/L de ozono residual a una temperatura de 12ºC. Los niveles de Legionella pneumophila fueron
removidos más de 2 logs (99 por ciento removidos) con un tiempo de contacto mínimo de 5 minutos con una concentración de ozono de 0.21 mg/L.
Resultados similares a lo de E.coli han sido encontrados para la inactivación de Staphylococcus sp. Y Pseudomonas fluorescens. Staphylococcus faecalis requirió el
doble de tiempo de contacto con la misma concentración, y Mycrobacterium tuberculosis
requirió un tiempo de contacto seis veces mayor para la misma reducción como con
E.coli.
En lo respectivo a las bacterias vegetativas, E.coli es uno de los tipos de bacteria más
sensibles. Además, ha sido encontrada una diferencia significativa entre los bacilos Gram-negativo, incluyendo E.coli y otros patógenos cómo Salmonella, los cuales son sensibles
a la inactivación por ozono, donde los cocci Gram-positivos, (Staphylococcus y Streptococcus), el bacilo Gram-positivo (Bacillus) y la Mycobacteria son las formas más
resistentes de bacterias
Las formas de bacterias esporulares siempre son por mucho más resistentes a la desinfección con ozono que las formas vegetativas de acuerdo a Bablon (1991), pero todas son fácilmente destruidas por niveles relativamente bajos de ozono según EPA.
La tabla 4 muestra algunas especies de patógenos que fueron inactivados por ozonización con diferentes protocolos; que son las diferentes técnicas de ozonización. El ozono residual se refiere al ozono remanente en el agua después de haber reaccionado con los patógenos y materia disuelta. La 'CT' se refiere a la concentración por tiempo, y sus unidades son [mg/min/L] según la EPA.
La tabla 5 de Mayra O BATALLER (2010) muestra una comparación entre Cloro libre, Cloramida, Dióxido de Cloro y Ozono, utilizados como desinfectantes para la inactivación de diferentes patógenos; E.coli, Polio virus, Rotavirus, Giardia Lamblia, Giardia muris y
Cryptosporidium parvum.
20
Tabla 4: Resumen de Requerimientos Reportados en la Ozonización para la inactivación del 99% de Cryptosporidium Oocycts
Especies Protocolo de
Ozono residual Ozono mg/L
Tiempo
(min) Temperatura (ºC) (mg/min/L) CT
C. baileyi Lote líquido,
Lote modificado Ozono
0.6 & 0.8 4 25 2.4 – 3.2
C. muris Flujo a través de
un contactor gas continuo
22 - 25 7.8
C. pavum Lote líquido,
lote de ozono 0.50 0.50 7.8 18 22 7 9.0 3.9
C. pavum Lote líquido,
lote de ozono 0.77 0.51 6 8 Ambiental 4.6 4
C. pavum Lote líquido,
Gas continuo 1.0 5% 10 25 5 – 10
C. pavum Flujo a través de
un contactor Gas continuo
22 - 25 5.5
Tabla 5: Valores de CT para la inactivación de 2 log
21
2.8 DISOLUCIÓN DE OZONO EN AGUA
Una vez que el ozono en gas es transferido al agua, el ozono disuelto reacciona con los constituyentes orgánicos e inorgánicos, incluyendo a los patógenos. El ozono no transferido al agua de proceso durante el contacto, es liberado del contactor como gas de salida según EPA.
Existen varias técnicas para disolver gases en agua, como los reactores agitados mecánicamente, las columnas de burbujeo, la columna de flujo en descenso o inyector, los cuales se describirán a continuación.
2.8.1 REACTORES AGITADOS MECÁNICAMENTE
Presentan un rango de operación bastante amplio que, dependiendo del diseño y de los parámetros de operación, va desde una operación similar a las columnas de burbujeo hasta una operación parecida a una columna empacada.
En general, se emplean cuando se requiere una alta dispersión de la fase gaseosa en el medio líquido, acompañada de un alto grado de movimiento másico y con flujo turbulento.
FIG. 7: REACTOR AGITADO MECÁNICAMENTE
TABLA 6 : VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CONTACTO POR COLUMNA AGITADA MECÁNICAMENTE
Ventajas Desventajas
La transferencia de ozono es aumentada por una turbulencia resultante en pequeñas burbujas.
Requiere inyección de energía.
Profundidad del contactor menor a la
columna de burbujeo. Se debe mantener un flujo de gas constante. Turbinas aspiradoras pueden tomas gas de
22 Elimina preocupaciones porque el difusor se tape.
2.8.2 COLUMNAS DE BURBUJEO
Los contactores difusores de burbujas son utilizados comúnmente para el contacto del ozono en los Estados Unidos y el mundo. Este método ofrece la ventaja de no tener requerimientos adicionales de energía, tasas altas de transferencia de ozono, flexibilidad de proceso, simplicidad de operación y no tener partes móviles según EPA.
Permiten un flujo tipo pistón, con tiempos de retención grandes, haciéndolas adecuadas para reacciones donde la etapa limitante es la reacción química. Son reactores de diseño sencillo y fácil de operar.
FIG. 8: COLUMNA DE BURBUJEO
TABLA 7 : VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CONTACTO POR COLUMNA DE BURBUJEO
Ventajas Desventajas
Sin partes móviles Cuencas para contacto profundas.
Transferencia de ozono efectiva. Direccionamiento vertical de las burbujas. Baja carga hidrostática. Mantenimiento de juntas y tubería.
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2.8.3 COLUMNAS DE FLUJO DESCENDENTE
Son reactores que permiten manejar altas velocidades nominales de líquido y altos contenidos de gas, perfectamente disperso, donde los tiempos de contacto son pequeños, y por lo tanto se emplean en reacciones globalmente rápidas. De acuerdo a F.R.Carillo P (1998).
FIG. 9 : COLUMNA DE FLUJO DESCENDENTE
2.8.4 INYECTORES TIPO VENTURI
Un inyector es un dispositivo utilizado para bombear fluidos utilizando el efecto Venturi. Utiliza un fluido a alta presión que sale por una boquilla a alta velocidad y baja presión convirtiendo su energía potencial en energía cinética. En esta zona de baja presión se mezcla con el fluido que se quiere bombear y le imparte energía cinética (velocidad). A continuación ambos fluidos mezclados entran por otra boquilla donde la energía cinética vuelve a convertirse en potencial, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. El fluido bombeado puede ser o líquido o gaseoso y, en algunos casos puede llevar sólidos en suspensión. En todos los casos el fluido propulsor y el bombeado salen totalmente mezclados a la salida del inyector.
24
FIG. 10: SISTEMA DE INYECCIÓN EN LÍNEA E INYECCIÓN CON CORRIENTE LATERAL
FIG. 11: INYECTOR TIPO VENTURI
Para llegar a los requerimientos de desinfección CT, se requiere tiempo adicional de contacto después del inyector, normalmente en un reactor de contacto. El volumen adicional de contacto es determinado con la dosis aplicada de ozono y la concentración estimada de ozono para satisfacer los requerimientos de desinfección CT de acuerdo a EPA.
TABLA 8: VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CONTACTO POR INYECCIÓN
Ventajas Desventajas
La inyección y mezclado son estáticos, no
tienen partes móviles. Uso de energía adicional debido a los mezcladores estáticos, que pueden requerir bombeo.
Transferencia de ozono muy efectiva. Capacidad de bajar limitada por el sistema de inyección.
Profundidad del inyector menor que la
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Para el sistema desarrollado en el presente proyecto se eligió el inyector tipo Venturi principalmente porque ofrece una transferencia de O3 más efectiva.
2.9 CALIDAD O CARACTERÍSTICAS SANITARIAS DEL AGUA
Para que el agua pueda considerarse potable, debe cumplir con ciertos requisitos fundamentales como: que sea uniformemente clara o exenta de turbiedad, fresca, en lo posible con temperatura que varía entre los 5º y 15º C., sin olor, agradable al paladar, aireada, no tener gérmenes o enfermedades infecciosas, bacterianas parasitarias o materia orgánica, y que la concentración de iones esté por debajo de la estipulada en las normas para que no sea demasiado mineralizada u origine trastornos a los individuos que las consuman.
Características físicas: Las características físicas son las que más impresionan al pueblo consumidor sin embargo, tienen menor importancia desde el punto de vista sanitario. Ellas son: color, turbiedad, olor, sabor y temperatura.
Color: Es la impresión ocular producida por las materias en el agua. Precisa distinguir el color aparente del color verdadero. El primero resulta ligado a la turbiedad. El color verdadero depende de las substancias minerales disueltas, especialmente sales de hierro y manganeso y materias coloidales de naturaleza orgánica.
El agua debe ser incolora, a pesar de que en grandes masas toma una coloración azulada, a veces verdosa. En la coloración influyen, además de la presencia de sales minerales en la disolución y materias coloidales, las algas microscópicas, tierras arcillosas, residuos industriales y putrefacción de materias orgánicas.
Se determina el color por comparación con colores patrones según la escala de platino-cobalto, que toma como unidad de color la producida por 1 mg de platino (en forma de ión cloroplatinado) por litro de agua.
Turbiedad: En el agua se debe esencialmente a materias en suspensión, tales como arcilla y otras sustancias inorgánicas finamente divididas, o materias similares y organismos microscópicos. Se mide por comparación con patrones convencionales a través de un instrumento llamado turbidímetro (se acepta como unidad de turbiedad la que produce, en peso, una parte de sílice, tierra de diatomeas o tierra de Fuller, en un millón de partes [ppm.] de agua destilada). El turbidímetro puede ser un instrumento de laboratorio de bastante precisión, o simplemente una regla graduada que en su extremo dispone de una aguja de platino.
Olor y Sabor: Olor es la impresión producida en el olfato por las materias volátiles contenidas en el agua. Sabor es la sensación gustativa que producen las materias contenidas en el agua. Los sentidos del gusto y del olfato, aunque distintos, están íntimamente relacionados; referente al agua, muchos de los llamados sabores son, en realidad, olores.
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Temperatura: La temperatura del agua en verano debe ser inferior a la temperatura ambiente, y en invierno debe ocurrir lo contrario. La temperatura desempeña un papel en el ciclo hidrológico y en ciertos procesos de tratamiento. El máximo de densidad de agua se tiene a la temperatura de 4º C. sobre cero. Si ésta continúa bajando, el volumen del agua se incrementa levemente hasta que se solidifica (0º C). En este caso aumenta sensiblemente el volumen, y su fuerza de dilatación llega a ser tal que puede romper las cañerías de distribución. El hielo es más liviano que el agua, y por esta razón flota.
Características químicas: Las sustancias minerales contenidas en el agua deben quedar comprendidas entre los límites que la experiencia ha encontrado necesario o tolerable para el consumo humano, los cuales en su mayor parte han sido fijados por normas.
Las cantidades máximas de sustancias químicas en disolución que permiten la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 están en las Tablas 9 y 10 donde los límites se expresan en mg/litro, excepto cuando se indique otra unidad.
TABLA 9: LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Característica Límite permisible
Aluminio Arsénico Bario Cadmio
Cianuros (como CN-) Cloro residual libre Cloruros (como Cl-) Cobre 0.20 0.005 0.70 0.005 0.07 0.2 – 1.5 250.00 2.00 Cromo total
Dureza total
Fenoles o compuestos fenólicos Fluoruros (Como F- )
0.05 500.00 0.3 0.3 Hidrocarburos aromáticos en microgramos/l:
Benceno Etilbenceno Tolueno
Xileno (tres isómeros)
10.00 300.00 700.00 500.00 Manganeso Mercurio
Nitratos (como N) Nitritos (como N)
Nitrógeno amoniacal (como N)
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TABLA 10: LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS (CONT.)
Característica Límite Permisible
Plaguicidas en microgramos/l:
Adrín y diedrín (separados o combinados) Clordano (total de isómeros)
DDT (total de isómeros) Gamma-HCH (lindano) 0.03 0.20 1.00 2.00 Hexaclorobenceno
Heptacloro y epóxido de heptacloro Metoxicloro
2.4 - D
1.00 0.03 20.00 30.00 Plomo Sodio
Sólidos disueltos totales Sulfatos (como SO4)
Sustancias activas l azul de metileno (SAAM)
Trihalometanos totales Yodo residual libre Zinc 0.01 200.00 1000.00 400.00 0.50 0.20 0.2 – 0.5 5.00
Características bacteriológicas Las condiciones bacteriológicas del agua son fundamentales desde el punto de vista sanitario. El agua debe estar exenta de gérmenes patógenos de origen entérico y parasitario intestinal.
Los requisitos bacteriológicos actuales para determinar la calidad sanitaria del agua se basan en la determinación del grupo coliforme, el cual representa una contaminación fecal y, por consiguiente, la mayor o menor posibilidad de que se encuentren organismos patógenos.
El contenido de organismos resultante del examen de una muestra simple de agua, debe ajustarse a lo establecido en la Tabla 11 de acuerdo a la NOM-127 (2000).
TABLA 11: LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS NOM-127-SSA1-1994
Característica Límite Permisible
Organismos coliformes totales
E. coli o coliformes fecales u organismos
termotolerantes
Ausencia o no detectable Ausencia o no detectable
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TABLA 12: LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS USEPA
Status
Reg. Status HA Docume nt Nivel Meta Máximo de Contaminant e Nivel Máximo de Contaminant e Técnica de Tratamiento Cryptosporidiu m
Final Final 01 - Técnica de
Tratamiento Sistemas de filtro deben remover 99% de
Cryptosporidiu m.
Giardia lamblia Final Final 98 - Técnica de
Tratamiento 99.9 % inactivo.
Recuento de placa de heterótrofos
Final - NA Técnica de
Tratamiento No más de 500 columnas por mm.
Legionella Final Final 01 Cero Técnica de
tratamiento Sin límite, EPA cree que si inactivan
Giardia y virus
también será controlada.
Mycrobacteria - Final 99 - - -
Coliformes
Totales Final - Cero 5% No más del 5% de muestras totales positivas en un mes. Todas las coliformes se deben analizar. No se permiten coliformes fecales. Turbidez Final - NA Técnica de
tratamiento No superar los 5 puede NTU.
Virus Final - Cero Técnica de
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2.10 MODELOS CINÉTICOS DE INACTIVACIÓN MICROBIANA
La inactivación bacteriana en aguas ha sido bastante estudiada en la última década, aplicando una gran variedad de modelos cinéticos de desinfección. Chick (1908) formula la primera cinética de inactivación de primer orden para la modelización de las gráficas de inactivación lineales. Con ella intenta explicar el proceso de desinfección como si de una reacción química se tratara.
Considera que este proceso es análogo a una reacción química de primer orden, en la que la velocidad de la reacción depende de las concentraciones relativas del desinfectante y los microorganismos, estando el desinfectante en exceso. Este modelo se expresa mediante la siguiente ecuación:
�
= − ∙ � ∙ ⟹ ln��
0 = −ñ ∙ � ∙ (2.13)
Dónde:
Nt = el número de bacterias supervivientes en el instante t.
N0 = el número de bacterias inicial (t=0).
k = la constante de velocidad de la reacción.
Estas cinéticas sencillas asumen que todos los microorganismos de la población presentan la misma sensibilidad al agente letal por lo que, cuando se representa su inactivación frente al tiempo de tratamiento, bajo una intensidad constante, se obtiene una línea recta. Sin embargo, estos modelos lineales no permiten explicar desviaciones observadas en muchos procesos de inactivación microbiana.
Como se refleja en la Fig. 12 la curva de inactivación A representa la cinética de primer orden o muerte exponencial, en la que la velocidad de inactivación es constante e independiente del tiempo de tratamiento. La curva B muestra un hombro inicial (shoulder)
o fase “lag”. Procedimientos analíticos y de tratamiento de datos la que una fracción de
microorganismos supervivientes se mantiene constante en los primeros instantes del tratamiento, produciéndose seguidamente un descenso lineal de los mismos.
Se atribuye a una mezcla inadecuada del desinfectante en la muestra, un retraso en la difusión del desinfectante a los puntos de acción bacterianos o a una resistencia inicial de los microorganismos al ataque del desinfectante. Las curvas C se caracterizan por una fase de inactivación lineal inicial rápida seguida de una disminución de las poblaciones lenta, lo que se traduce en la formación de una cola o tailing-off (Gyürék y Finch, 1998).
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Finalmente, las curvas D presentan ambas desviaciones lineales, mostrando una fase inicial de hombro seguida de una fase lineal de inactivación y finalizando con un fenómeno de cola (curvas sigmoideas).
FIG. 12: CURVAS DE SUPERVIVENCIA MICROBIANA POSIBLES
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TABLA 13: MODELOS CINÉTICOS DE ESTUDIOS APLICADOS
2.11QUIRÓFANOS
Se denomina medio quirúrgico a la zona restringida de un centro asistencial en la cual se llevan a cabo procedimientos diagnósticos que requieren cirugía, y por tanto una serie de medidas de seguridad, aislamiento y cuidados que hagan eficaz tales procedimientos. La ubicación de la zona quirúrgica deberá encontrarse, espacial y microbiológicamente aislada.
2.11.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS QUIRÓFANOS.
Dentro del área de quirófano encontramos varias salas de apoyo, que son:
1. Almacén: lugar donde se guardará el material en stock de todo lo que se emplea habitualmente.
2. Área de material estéril y lencería: se deberá encontrar junto al quirófano, a través de ella se abastece el quirófano de todo material estéril.
3. Área de sucio o contaminada: en donde se realiza la preparación de instrumental para mandar a esterilización, dicha zona se encuentra junto al quirófano, comunicándose mediante una ventanilla por la que sale todo el instrumental y material que tiene que limpiarse para su preparación y envío al departamento de esterilización.
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5. Área de lavamanos: se encuentra junto al quirófano; en ella encontraremos los lavabos y los grifos en lo que el mando de agua y del jabón se accionarán con el pie o el codo, el agua tener una carga microbiana mínima y en él se realizará el lavado quirúrgico (Fig. 13)
FIG. 13: LAVAMANOS QUIRÚRGICO
6. Zona restringida: es la zona que coincide con el quirófano y es dónde se realizan los procedimientos estériles; no debe de tener ninguna ventana con el exterior para evitar contaminaciones, tan sólo se comunicará con el área de sucio y con el antequirófano mediante una puerta corredera y con la sala de lavamanos de acuerdo a de PABLO Hernández (2006).
2.11.2 SUMINISTRO DE AGUA
El suministro de agua en el quirófano de un hospital, será por una línea de suministro independiente de la del resto del hospital, filtrada y clorada para minimizar la carga microbiana según PABLO Hernández (2006).
La ozonización es una opción muy importante para la desinfección de un quirófano, ya que es muy eficiente la inactivación de los patógenos, y actualmente es utilizada para desinfectar ropa y sábanas de hospitales, así como desinfectar el quirófano.
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2.12 TIPOS DE CONTROL
En los sistemas industriales se emplean, básicamente, uno o una combinación de los siguientes sistemas de control:
1. De dos posiciones (todo-nada)(on/off)
2. Proporcional
3. Integral
4. Proporcional + Integral
5. Proporcional + Derivada
6. Proporcional + Integral + Derivada
2.12.1 CONTROL TODO-NADA (ON/OFF)
En la regulación todo-nada, la válvula de control adopta únicamente dos posiciones, abierta o cerrada, para un valor único de la variable controlada. Este tipo de control se caracteriza por un ciclo continuo de variación de la variable controlada.
El control todo-nada se emplea, usualmente, con una banda diferencial o zona neutral, dentro de la cual el elemento final de control permanece en su última posición, para valores de la variable comprendidos dentro de la banda diferencial. Los ajustes de control se basan en variar el punto de consigna y la gama diferencial.
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Es evidente que la variable controlada oscila continuamente y que estas oscilaciones variarán, en frecuencia y magnitud, si se presentan cambios de carga en el proceso según Ogata (1995).
FIG. 14: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR TODO / NADA
2.12.2 CONTROL PROPORCIONAL
En esencia es un amplificador con una ganancia ajustable. En el sistema de posición proporcional existe una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control. Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación.
En el algoritmo de control proporcional, la salida del controlador es proporcional a la señal de error, que es la diferencia entre el punto objetivo que se desea y la variable de proceso.
Puede ser expresado matemáticamente como:
Pout = Kp e (t)
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2.12.3 INTEGRAL
En un controlador con acción integral, el valor de la salida del controlador u (t) se cambia a una razón proporcional a la razón de error. En ocasiones, la acción de control integral se denomina control de reajuste (reset) según Ogata(1995).
= �∫
FIG. 16: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR INTEGRAL
2.12.4 CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL
La acción de control de un controlador proporcional-integral (PI) se define mediante:
= + �
� ∫
Dónde:
Kp= la ganancia proporcional.
Ti = tiempo integral.
Tanto Kp como Ti son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un cambio en el valor de Kp afecta las partes integral y proporcional de la acción de control según Ogata (1995).
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2.12.5 CONTROL PROPORCIONAL + DERIVADA
La acción de control de un controlador proporcional-derivativa (PD) se define mediante:
= + �
La acción de control derivativa en ocasiones denominada control de velocidad, ocurre donde la magnitud de salida del controlador es proporcional a la velocidad de cambio de la señal de error. El tiempo derivativo Td es el intervalo de tiempo durante el cual la acción de la velocidad hace avanzar el efecto de la acción de control proporcional. La acción de control derivativa tiene un carácter de previsión. Sin embargo, es obvio que una acción de control derivativa nunca prevé una acción que nunca ha ocurrido. Aunque la acción de control derivativa tiene la ventaja de ser de previsión, tiene las desventajas de que amplifica las señales de ruido y puede provocar un efecto de saturación en el actuador según Ogata (1995).
FIG. 18: DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN CONTROLADOR PROPORCIONAL-DERIVATIVA
2.12.6 CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVADA
La combinación de una acción de control proporcional, una acción de control integral y una acción de control derivativa se denomina acción de control proporcional-integral-derivativa (PID). Esta acción combinada tiene las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador de esta acción combinada se obtiene mediante:
= + �
� ∫ + �
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2.13 VÁLVULAS
En el control automático de procesos según Solé (2011) la válvula de control juega un papel muy importante. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control. Existen varios tipos de válvulas, a continuación hablaremos de las principales.
Válvula de globo (simple asiento o doble asiento)
Válvula en ángulo
Válvula de tres vías
Válvula de jaula
Válvula de compuerta
Válvula en Y
Válvula de cuerpo partido
Válvula Saunders
Válvula de compresión
Válvula de obturador excéntrico rotativo
Válvula de obturador cilíndrico excéntrico
Válvula de mariposa
Válvula de bola
Válvula de orificio ajustable
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FIG. 20: TIPOS DE VÁLVULAS
2.13.1 ELECTRO-VÁLVULAS
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Como podemos ver en la Fig. 21 las partes que componen a una electro-válvula son:
Bobina Solenoide La bobina solenoide es la encargada de convertir la energía eléctrica en mecánica para mover el émbolo y cambiar la posición de abierta a cerrada, o viceversa.
Émbolo El émbolo es la parte móvil de la electroválvula, que al estar en conjunto con la aguja de la válvula, permite o no el paso del fluido.
Aguja de Válvula La aguja de la válvula es la parte de la electroválvula que interrumpirá el caudal o permitirá su paso dependiendo del estado.
Cuerpo El cuerpo de la válvula es el canal por dónde pasará nuestro fluido.
FIG. 21: DIAGRAMA DE UNA ELECTROVÁLVULA
2.13.2 ELECTRO-VÁLVULAS DE MANGUITO O PELLIZCO
Las electro-válvulas de manguito o pellizco son dispositivos operados por un solenoide, que tienen tres configuraciones; normalmente cerradas, normalmente abiertas, y de tres vías.
Las electro-válvulas de manguito o pellizco están diseñadas para abrir y cerrar una manguera para así controlar el caudal del fluido. Sólo el interior de la manguera está en contacto con el fluido. La manguera es sostenida en su lugar por el émbolo y en ranuras precisas en el cuerpo de la válvula.
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Una electro-válvula de manguito o de pellizco de tres vías tiene dos caminos, uno normalmente abierto, y uno normalmente cerrado, los cuales son operados simultáneamente de acuerdo a Biovhemfluidics (2012).
FIG. 22: DIAGRAMA DE UNA ELECTRO-VÁLVULA MANGUITO O PELLIZCO
Se seleccionaron electro-válvulas de pellizco o manguito para el proyecto, ya que el ozono es un gas muy corrosivo y oxida los metales, entonces no es recomendable que el gas entre en contacto con el cuerpo de la válvula, así con estas válvulas, el gas se controla, pero en ningún momento entra en contacto con la válvula ya que el gas circula a través de una tubería flexible.
