Tecnología del Agua

La necesidad de producción de agua de altapureza para uso en la industria farmacéutica(agua purificada y agua para inyectables),veterinaria, cosmética, biotecnología, indus-tria microelectrónica y generación y distribu-ción de vapor puro en calderas de alta pre-sión en el sector de la energía, hapropiciado el desarrollo y avance de dife-rentes tecnologías de tratamiento del aguadirigidas a la eliminación de todas las impu-rezas presentes en el agua. En el campo dela desionización después de la aplicación enprimer lugar del proceso de intercambioiónico con resinas de intercambio iónico yposteriormente la aparición de los procesosde membrana basados en ósmosis inversa yelectrodiálisis reversible [1], la electrodesio-nización en continuo (continuous deioniza-tion CEDI, en inglés) representó un cambioradical en el diseño de instalaciones para laobtención del agua de alta pureza [2].Aunque la electrodesionización ya fue des-crita por Kollsman en 1957, no es hasta1987 que se introduce en los procesos deproducción de agua de alta pureza de laindustria farmacéutica, microelectrónica yproducción de energía en calderas de altapresión [2]. Al igual que los procesos de ósmosis inversasustituyen los procesos de intercambioiónico basados en las cadenas de desmine-ralización con columnas catión y anión, laelectrodesionización sustituye el proceso deintercambio iónico basado en los lechosmezclados de resina catiónica y aniónicadestinados a obtener la máxima calidad depureza del agua. En ambos casos las consi-

deraciones de prevención de riesgos en lamanipulación de los regenerantes químicosy del impacto ambiental por los vertidos dela regeneración han sido unos motivosmotor de la sustitución de las tecnologías deintercambio iónico.Durante los últimos diez años el proceso deelectrodesionización en continuo se hadesarrollado con objeto de mejorar las pres-taciones de los equipos en la producción deagua de alta pureza, proceso de fabricaciónde los mismos, reducción de costes enmateriales y mantenimiento, reducción delespacio requerido, sanitización con agua a80ºC y simplificación del diseño [3-6].

Descripción del proceso deElectrodesionización en Continuo (CEDI)La electrodesionización en continuo (CEDI)es un proceso continuo de producción deagua de alta pureza. En este proceso inter-vienen una pequeña cantidad de resinas deintercambio iónico, membranas semiperme-ables aniónicas y catiónicas alternadas y unacorriente eléctrica continua entre dos elec-trodos (cátodo y ánodo). El agua proce-dente habitualmente de un sistema deósmosis inversa, atraviesa el módulo dondedebido al potencial eléctrico aplicado a loselectrodos se provoca la migración de losiones, produciéndose la desionización y des-viándose así los iones al compartimiento delconcentrado. El paso de los cationes y aniones está limi-tado por las membranas catiónicas y anióni-cas. De esta forma el agua es desionizadaen las celdas del diluido o producto y se

concentran los iones en las celdas del con-centrado. Las concentraciones de iones enel agua son bajas en la parte inferior delcompartimiento del diluido o producto , porlo que el agua es ionizada en las zonas dealto voltaje y los protones e iones hidroxiloque se forman regeneran las resinas catióni-cas y aniónicas, respectivamente, haciendoque las resinas regeneradas in situ puedancontinuar desionizando el agua [7].En los primeros equipos de desionización encontinuo las celdas de diluido o producto yde concentrado contenían resinas catiónicasy aniónicas mezcladas al uso de los lechosmixtos de intercambio iónico (figura 1).La migración de los cationes y aniones enlos compartimientos de diluido y concen-trado se muestran en detalle en las figuras 2y 3.La configuración de los módulos del tipoplato y marco incluyen en la actualidad, des-pués de nuevos desarrollos de los módulosCEDI, resinas de intercambio iónico catióni-cas y aniónicas separadas en las celdas deldiluido o producto (foto 1) [4].En los sistemas de electrodesionización encontinuo los módulos de la configuraciónplato y marco se pueden instalar, depen-diendo de la aplicación y el caudal reque-rido, individualmente o agrupados en basti-dores como se muestran en la foto 2.La configuración habitual de una planta deelectrodesionización en continuo incluyepreviamente la filtración, descalcificación ypaso a través de una ósmosis inversa (foto3).La calidad obtenida en los sistemas de elec-

Producción de Agua de Alta Pureza:Electrodesionización en Continuo (CEDI)

Joan Sanz (*), Leopoldo Guerrero (*), Manel Roca (**). VEOLIA Water Solutions & Technologies. (*) Dirección

Técnica. (**) División Agua de Alta Pureza.

La electrodesionización en continuo (CEDI) es un proceso que empleauna combinación de membranas de intercambio iónico, resinas deintercambio iónico y un campo eléctrico de corriente continua paradesionizar el agua. Los diseños estándar para obtener agua purificada,agua para inyectables y agua de alta pureza emplean una combinaciónde ósmosis inversa y electrodesionización en continuo. Con este diseñoel proceso CEDI puede producir agua con concentracionesde iones específicos cercanas o inferiores a los límites dedetección. El proceso CEDI está en la actualidad ampliamenteaceptado para la producción de agua de alta pureza en la industriafarmacéutica, microelectrónica y producción de energía.

28 NOVIEMBRE/DICIEMBRE06 FARMESPAÑA INDUSTRIAL

trodesionización en continuo se adapta adiferentes especificaciones, obteniéndoseresistividades del agua producida entre 1 y18 MΩ-cm. En la tabla 1 se muestran lasprestaciones que se obtienen en sistemasde este tipo [4].Los nuevos desarrollos aparecidos reciente-mente proponen junto a la configuraciónplato y marco, la aplicación de la configura-ción cilíndrica [5] y enrollamiento en espiralsimilar al empleado en ósmosis inversa [6].En este último caso el agua de alimentacióndebe proceder imperativamente de un sis-tema de ósmosis inversa previo con unaconductividad inferior a 40 µS/cm (tabla 2).

Pretratamiento. Sistema completo deproducción de agua de alta purezaEl agua de alimentación a un sistema deproducción de agua de alta pureza contienediferentes concentraciones de compuestosy contaminantes a eliminar: sales solubles,partículas, compuestos orgánicos, salesincrustantes, óxidos de hierro y manganeso,coloides, microorganismos y pirógenos. Enfunción de cada tipo de agua de alta purezay su destino, se especifican diferentes con-

centraciones máximas para los constituyen-tes críticos [8].De forma general los procesos empleadosantes de la electrodesionización en continuoincluyen el pretratamiento previo al procesode ósmosis inversa y el posterior acondicio-namiento del permeado antes de su entradaen el proceso CEDI. La selección del pretra-tamiento a la ósmosis inversa plantea losmismos esquemas de selección de procesosde tratamiento que en los sistemas deósmosis inversa sin CEDI posterior y engeneral viene regida por la calidad del aguade aporte. En función de la calidad delagua de aporte al pretratamiento y las espe-cificaciones exigidas al agua de alta pureza,el proceso de ósmosis inversa se plantea enuna o dos etapas. Debido a la sensibilidad

de la electrodesionización a la dureza delagua (ver tabla 2), en los sistemas de ósmo-sis de un solo paso se considera de formacomplementaria la reducción de la durezamediante intercambio iónico en ciclo sodio.

AplicacionesINDUSTRIA FARMACÉUTICA

El agua es el elemento más empleado enesta industria, no siendo sólo una materiaprima del proceso productivo sino que ade-más es usado para procesos de limpieza yenjuague, estando en contacto continuo conuna gran variedad de productos y equiposfarmacéuticos y siendo un aspecto crítico [9].La calidad del agua en la industria farma-céutica está regulada por las diferentes Far-macopeas y en concreto por la Farmacopea

29NOVIEMBRE/DICIEMBRE06FARMESPAÑA INDUSTRIAL

Componente Salida OI Salida CEDI Retención en CDI %Aniones determinados por IC (µg/L)Cloruro 750 <0,02 >99,99Nitrato 58 <0,02 >99,96Fosfato 27 <0,02 >99,92Sulfato 210 <0,05 >99,97Cationes determinados por IC (µg/L)Sodio 1100 0,24 >99,97Amonio 7 <0,05 >99,28Potasio 26 <0,02 >99,92Calcio 6 <0,02 >99,66Trazas de metales determinados por ICP-MS (µg/L)Aluminio 0,22 <0,003 >98,63Boro 13 <0,05 >99,61Litio 0,05 <0,002 >96,00Manganeso 0,03 <0,002 >93,33Potasio 23 <0,1 >99,56Rubidio 0,04 <0,001 >97,50Sílice 110 <0,5 >99,54Sodio 1300 0,26 >99,98Zinc 0,09 <0,005 >94,44

TABLA 1. ANÁLISIS DE AGUA OBTENIDA EN EL SISTEMA COMBINADO DE ÓSMOSISINVERSA (OI) Y ELECTRODESIONIZACIÓN EN CONTINUO (CEDI).

Figura 1. Diseño básico de la electrodesionizaciónen continuo

Figuras 2 y 3. Migración de los iones en el concentrado y Migración de los iones en el diluido

Americana (USP) y la Farmacopea Europea(Ph Eur). La Farmacopea Americana definedos calidades de agua: agua purificada (PW)y agua para inyectables (WFI) (tabla 3). LaFarmacopea Europea define tres calidadesde agua: agua purificada, agua para inyec-tables y agua altamente purificada (tabla 4). Los sistemas más avanzados (sistemaORION®, foto 4) combinan la tecnología deósmosis inversa y electrodesionización encontinuo en sistemas sanitizables con aguacaliente (80ºC) de acuerdo con los estánda-res de la Farmacopea Americana, Europea yFDA. De la misma forma estos sistemascumplen con las especificaciones de calidadfijadas al agua de alta pureza empleada enla veterinaria y cosmética.

INDUSTRIA DE LA ENERGÍA

El tratamiento de agua para la operación decalderas de alta presión y generación devapor para producción de energía eléctricaimplica el diseño de plantas con alta dispo-nibilidad, fiabilidad y calidad química delagua producida. El diseño convencional sebasa en la aplicación de cadenas de inter-cambio iónico con columnas catiónicas yaniónicas seguidas de lechos mixtos paraalcanzar unos valores de conductividad infe-rior a 0,10 µS/cm y concentración de sílice(SiO

2) inferior a 0,10 µg/l.

La introducción de diseños basados en lacombinación de la ósmosis inversa y elec-trodesionización en continuo ha permitidorespecto al diseño convencional mejoras enla reducción de costes de operación, elimi-nación de la manipulación de productoscorrosivos, reducción del impacto ambientalal eliminar los vertidos procedentes de laregeneración de las resinas catiónicas y anió-

nicas y la consecución de una garantía demayor estabilidad de la calidad del aguaproducida [10].La figura 4 muestra el diagrama de flujo de laplanta de producción de agua desionizadapara alimentación a calderas de alta presión ytorres de refrigeración instalada en la plantade cogeneración en ciclo combinado de 95,4MW de Iberdrola Soluciones Energéticas/EnergyWorks para GE Plastics en Cartagena[11]. Esta planta está diseñada para una capa-cidad de producción de 2850 m3/día deagua de conductividad inferior a 0,1 µS/cm.El pretratamiento consiste en un sistema declarificación en base al proceso Actiflo( y fil-tración multimedia tricapa. La línea de trata-miento es un sistema Sirion® con dos pasosde ósmosis inversa y una capacidad de pro-ducción de 3000 m3/día, mientras el sistemade electrodesionización en continuo está for-mado por cinco grupos de 8 módulos cadauno operando a una conversión del 95%. Latabla 5 muestra la calidad de alimentación alpretratamiento del sistema y la del agua des-ionizada obtenida para la alimentación a cal-dera de alta presión. La foto 5 muestra un detalle de la electrode-sionización en continuo del sistema Sirion®.

MICROELECTRÓNICA

La producción de semiconductores en laindustria microelectrónica requiere agua dealta pureza de mayor calidad. Las especifi-caciones de calidad no sólo exigen valoresde resistividad que alcanzan 18 MΩ-cm ,sino que precisan la reducción próxima allímite de detección del carbono orgánicodisuelto, sílice, boro, bacterias y delrecuento de partículas de tamaño superior a0,05 µm [1,12]. En España, la aplicación delos sistemas combinados de ósmosis inversay electrodesionización en continuo seremontan a 1990, siendo la primera aplica-ción del proceso CEDI a escala industrial. Latabla 6 muestra la calidad típica obtenida enla aplicación de aguas de lavado en microe-lectrónica [13].

ConclusionesLos sistemas de electrodesionización encontinuo forman parte desde hace unosquince años de los diseños de producciónde agua de alta pureza para los sectores dela industria farmacéutica y microelectrónica.En el sector de producción de vapor paragenerar energía eléctrica está ganandoaceptación sustituyendo a los diseños con-vencionales basados exclusivamente en elintercambio iónico. Los nuevos desarrollos

30 NOVIEMBRE/DICIEMBRE06 FARMESPAÑA INDUSTRIAL

Tecnología del AguaConductividad (incluido CO

2) (µS/cm) <40

Pretratamiento Permeado de ósmosis inversaTemperatura ºC 5 - 45Presión de entrada (bar) 1,4 - 5Cloro total (Cl

2) <0,02 mg/L

Hierro (Fe) <0,01 mg/LManganeso (Mn) <0,01 mg/LSulfuros (S2-) <0,01 mg/LpH 4 - 11Dureza total (CaCO

2) < 1,0 mg/L

Carbono orgánico total (TOC como C) <0,5 mg/LSílice SiO

2< 1,0 mg/L

TABLA 2. ESPECIFICACIONES PARA EL AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UN SISTEMACEDI CONFIGURACIÓN ENROLLAMIENTO EN ESPIRAL

Agua Purificada PW Agua para Inyectables WFIConductividad <1,1 µS/cm a 20ºC <1,1 µS/cm a 20ºCBacterias <100 ufc/ml <10 ufc/100 mlCarbono orgánico total TOC <500 µg C/l <500 µg C/lEndotoxinas por LAL No aplicable <0,25 EU/ml

TABLA 3. ESPECIFICACIONES FARMACOPEA AMERICANA USP28-NF23

Foto 1 .Vista de un módulo de CEDI donde seaprecia la resina aniónica y catiónica separada

Foto 2 .Vista de un sistema modular deelectrodesionización en continuo

Foto 3 .Vista de un sistema de producción de aguapurificada basado en ósmosis inversa yelectrodesionización en continuo (producción 24m3/día)

en el campo de la electrodesionización encontinuo se han centrado en la reducción delos costes asociada a nuevos diseños de losmódulos disminuyendo el espacio ocupadoy la ingeniería precisa en las instalacionesindustriales. En el sector farmacéutico losnuevos diseños permiten la sanitizaciónperiódica del sistema de electrodesioniza-ción en continuo con agua caliente a 80ºC,manteniendo de esta forma un mejor con-trol de la población bacteriana y sus meta-bolitos.

Bibliografía[1] T. H. Meltzer (1993). High-Purity water

preparation for the semiconductor, phar-maceutical, and power industries. TallOaks Publishing, Inc. 833 pp.

[2] G. C. Ganzi, Y. Egozy, A.J. Giuffrida(1987). High purity water by electrodeio-nization performance of the Ionpure con-tinuous deionization system. UltrapureWater. April, 43-50.

[3] C. Griffin (1991). Advancements in theuse of continuous deionization in theproduction of high-purity water. UltrapureWater. November, 52-59.

[4] J. D. Gifford, D. Atnoor (2000). An inno-vative approach to continuous electro-deionization module and systems designfor power applications. Proceedings ofthe International Water Conference,Pittsburg, Pa, October 2000.

[5] L. Shiang (2003). Evolution in design ofCEDI systems. Ultrapure Water.October, 13-17.

[6] A. Dey, J. Tate (2005). A review of spi-ral-wound electrodeionization technology.Ultrapure Water, July/August, 20-29.

[7] American water Works Association(1998). Tratamiento del agua por proce-sos de membrana. Principios, procesosy aplicaciones. Capítulo 18, Reactoresde membranas de intercambio iónico.McGraw-Hill. 837 pp.

[8] B. S. Parekh (1991). Get your processwater to come clean. ChemicalEngineering, January.

[9] P. L. Parise, B. S. Parekh, G.Waddington (1990). The use of ionpurecontinuous deionization for the produc-tion of pharmaceutical and semiconduc-tor grades of water. November, 14-28.

[10] J. Kasper, P. Parise, G. Korbas, J.Wood (1991). Continuous deionizationfor boiler water makeup production: Acomparison with current technologies.Ultrapure Water, October, 29-42.

[11] Veolia Water Systems (2002). Plantade tratamiento de agua. En: Planta decogeneración en ciclo combinado de95,4 MW, de Iberdrola SolucionesEnergéticas/EnergyWorks para GEPlastics en Cartagena, Murcia.Infopower, Octubre 2002.

[12] B. S. Parekh (1988). Reverse osmosistechnology, applications for high-purity-water production. Marcel Dekker, Inc,New York and Basel. 516pp.

[13] G. C. Ganzi, A. D. Jha, F. DiMascio,J.H. Wood (1997). Theory and practiceof continuous electrodeionization.Ultrapure Water, July/August, 64-68.

31NOVIEMBRE/DICIEMBRE06FARMESPAÑA INDUSTRIAL

Alimentación al pretratamiento Agua desionizadaConductividad 1188-2200 µS/cm 0,1 µS/cm a 25ºCSílice 3 mg/l SiO

2<10 µg/l SiO

2

Sodio + potasio <10 µg/lHierro total <10 µg/lCarbono orgánico total TOC <20 µg/lpH 8,2Temperatura 17-28ºCCloruros 142-256 mg/l <3 µg/lSulfatos 363-700 mg/l <3 µg/lCalcio 130-180 mg/lMagnesio 54-80 mg/l

TABLA 5. CALIDAD DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN AL PRETRATAMIENTO Y EL AGUATRATADA A LA SALIDA DE LA ELECTRODESIONIZACIÓN EN CONTINUO

Soluto Alimentación a CEDI Producto CEDI (µg/L)Bario (µg/L) 0,002 <0,002Boro (µg/L) 0,31 0,05Calcio (µg/L) 0,5 <0,3Magnesio (µg/L) 0,39 0,051Manganeso (µg/L) 0,012 <0,004Potasio (µg/L) 11 <0,5Rubidio (µg/L) 0,014 <0,002Sodio (µg/L) 64 0,69Estaño (µg/L) 0,016 0,018Cloruro (µg/L) <0,02 0,05Sulfato (µg/L) 0,08 <0,05Sílice (µg/L) 3,86 1,27

TABLA 6. CALIDAD TÍPICA OBTENIDA A LA SALIDA DE LA ELECTRODESIONIZACIÓNEN CONTINUO EN LA APLICACIÓN DE LAVADO EN MICROELECTRÓNICA

Agua Altamente Agua Purificada PW Agua para Inyectables WFI Purificada

Conductividad <4,3 µS/cm a 20ºC <1,1 µS/cm a 20ºC <1,1 µS/cm a 20ºCBacterias <100 ufc/ml <10 ufc/100 ml <10 ufc/100 mlCarbono orgánico total TOC <500 µg C/l <500 µg C/l <500 µg C/lEndotoxinas por LAL No aplicable <0,25 EU/ml <0,25 EU/ml

TABLA 4. ESPECIFICACIONES FARMACOPEA EUROPEA PH EUR

Figura 4. Diagrama de flujo de producción de aguade alta pureza para alimentación a calderas de altapresión

Foto 4. Sistema ORION( de producción de aguapurificada combinando ósmosis inversa yelectrodesionización en continuo, sanitizable conagua caliente (producción 134 m3/día)

Foto 5. Equipos modulares de electrodesionizaciónen continuo para producción de agua desionizadapara calderas de alta presión (producción 2850m3/día)