Generación Electrolítica de Ozono y su Aplicación en Sistemas del Agua Pura Por Bruce Stanley

Resumen: A través de los años, los fabricantes se han percatado más de la importancia de la pureza del agua y su efecto sobre la calidad del producto final. Uno de los mayores problemas que enfrentan los operadores de sistemas de agua pura es la recontaminación bacteriana poco después que el agua ha salido del equipo de purificación. Existen varios métodos recomendados para prevenir o eliminar dicha contaminación, pero la mayoría de ellos tienen desventajas inherentes. El método más innovador y más eficaz, que ha sido adoptado por las principales compañías farmacéuticas y fabricantes de semiconductores, involucra la ozonación del agua en el sistema y su reducción antes del primer punto de uso utilizando rayos ultravioleta. Una manera eficiente de producir ozono consiste en utilizar un generador electrolítico de ozono, el cual produce ozono del agua que está siendo tratada. El ozono, y particularmente el ozono electrolítico, es idealmente apto para los circuitos de agua pura ya que solamente se requieren concentraciones menores para sanear el sistema y no quedan subproductos ni residuos reprobables después que el ozono se ha descompuesto en oxígeno.

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in importar qué tan bien haya sido diseñada y construida una planta de tratamiento de agua, es virtualmente imposible evitar la contaminación bacteriana en una red de agua pura, cuando no se ha tomado ninguna medida especial. Éste es especialmente el caso cuando un sistema no se llena continuamente con agua dulce de recuperación, por ejemplo durante la noche o los fines de semana, cuando la producción se detiene y el agua está dentro de un tanque o circula a través de un circuito cerrado. Los organismos regulatorios solamente requieren el cumplimiento de ciertos criterios para aplicaciones específicas y le solicitan a los operadores de dichas plantas que lleven a cabo pruebas de validación. En todos los demás casos se deja que los operadores recurran a sus propios medios y cumplan con las normas aceptadas para establecer y mantener la integridad de sus sistemas de agua pura. Metodos Hay varios métodos estándar que son utilizados por los operadores para desinfectar sus sistemas de agua pura, sin embargo, cada uno de ellos tiene ciertas desventajas que afectan la calidad del agua: • Desinfección por choque * Desventajas: A) interrupción de la operación B) trabajo intensivo C) problemas químicos asociados D) calidad del agua fluctúa * NOTA: utilizando productos químicos tales como peróxido o hiperclorito

• Esterilización por choque con vapor: Desventajas: A) interrupción de la operación B) instalación y servicio costoso C) es necesario usar vapor no contaminado D) calidad del agua fluctúa • Radiación con luz ultravioleta (UV): Desventajas: A) riesgo de desinfección reducida marzo/abril 2004

B) solamente un efecto localizado C) filtro estéril es beneficioso D) reemplazo habitual de componentes

• Filtración estéril: Desventajas: A) crecimiento bacteriano no es afectado B) reemplazo habitual requerido C) peligro de estallar D) es de alto costo

De los métodos estándares antes mencionados, la desinfección por choque usando productos químicos o la esterilización por choque con vapor parecen producir los mejores resultados, siempre y cuando pueda tolerarse la interrupción del servicio y la fluctuación en la calidad del agua. Un método innovador y alternativo para la desinfección de los circuitos de agua pura, sin ninguna de las desventajas antes mencionadas, consiste en la introducción de ozono al flujo de la circulación. Existen varias ventajas al usar ozono: No quedan subproductos* ni residuos reprobables cuando el agua es desinfectada con ozono. En la ausencia de sustancias oxidables el ozono se descompone para formar oxígeno. Tan pronto como aparecen las sustancias oxidables, se formarán vestigios de dióxido de carbono. Estas sustancias no presentan ningún problema mayor en conexión con la calidad del agua.

* NOTA: sino bromatos en la presencia del ion del bromuro en agua cruda Debido a que el ozono eventualmente decae para formar oxígeno— la molécula del ozono es solamente moderadamente estable y tiene una vida media de 30 a 60 minutos bajo condiciones normales de servicio— no existe ningún problema duradero con vestigios de productos químicos para la desinfección. La experiencia obtenida en la industria farmacéutica ha demostrado que las concentraciones muy bajas de ozono, en la magnitud de 0.1 a 0.2 miligramos por litro (mg/L), son suficientes para mantener los conteos de gérmenes por debajo de 1 unidad de la formación de colonias (ufc) por cada 100 mililitros (ml). La Figura 1 muestra el crecimiento microbiano como función de la concentración de ozono. La desinfección con ozono es un proceso continuo y, en la mayoría de los casos, se puede regular a través de medios sencillos. Sin embargo, de ser requerido, la tasa de producción de ozono puede ser controlada a través de los parámetros de proceso para evitar la dosificación incorrecta y asegurar una eficiencia óptima. Debido a la vida media del ozono, éste debe ser producido en el sitio, donde y cuando se requiera. A pesar de que esto significa que debe hacerse una inversión adicional por una cantidad adicional mínima de infraestructura en forma de un generador de ozono, se evita el transporte de productos químicos potencialmente peligrosos o los altos costos de funcionamiento de una unidad de esterilización con vapor. El Potencial de Oxidación Electroquímica (POE) del ozono es considerablemente más alto que el de otros agentes desinfectantes (ver Tabla 1).

Generación de ozono El método más avanzado para producir ozono es por medio de una A G U A

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Figura 1. Crecimiento microbiano en función de la concentración de ozono

Tabla 1. Agente Desinfectante

POE (V)

Flúor Radical hidroxilo Oxígeno (atómico) Ozono Dióxido de hidrógeno Hiperclorito Cloro Dióxido de cloro Oxígeno (molecular)

3.06 2.80 2.42 2.08 1.78 1.49 1.36 1.27 1.23

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POE v. Cloro 2.25 2.05 1.78 1.52 1.30 1.10 1.00 0.93 0.90

Descarga de Barrera Dieléctrica, utilizando ya sea aire seco u oxígeno seco como gas de alimentación. El ozono sintético producido por estos generadores es ideal para la desinfección del agua potable, tratamiento de aguas residuales, el blanqueado de pulpa, etc. pero tiene sus limitaciones cuando se trata de sistemas de agua pura. Una manera mucho más sofisticada de producir ozono específicamente para esta aplicación, sin las desventajas inherentes asociadas con los procesos convencionales, consiste en utilizar un generador electrolítico de ozono, el cual divide el agua en sus elementos básicos y luego convierte parte del oxígeno liberado en ozono. Las principales ventajas de producir ozono con un sistema electrolítico son: 1. No hay contaminación iónica porque el agua de alimentación está siendo disociada utilizando una membrana sólida hidratada de intercambio iónico. 2. El agua de proceso que está siendo desinfectada es la fuente del oxígeno para la generación de ozono—por lo tanto, no se introduce ninguna contaminación exterior en el sistema que está siendo tratado. 3. El ozono se disuelve en el agua de proceso tan pronto como se forma—esto da lugar a la ozonación con una cantidad mínima de equipo. 4. Haciendo funcionar la celda bajo presión pueden producirse concentraciones de ozono relativamente altas. Este sistema electrolítico es un método fundamentalmente diferente de disociar el agua, ya que utiliza una membrana sólida de polímero como electrolito, en vez de utilizar un líquido—esta característica, conjuntamente con la reacción anódica intermedia controlada de manera adecuada,

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Figura 2. Célula electrolítica básica del generador de ozono

hacen que este método sea particularmente más apto para desinfectar sistemas de agua pura, sin importar su aplicación. Una celda básica se muestra en la Figura 2. La membrana, la cual funciona como electrolito al igual que como separador entre el ánodo y el cátodo, se encuentra en contacto en ambos lados con los electrodos porosos activados. El agua que se alimenta por el lado del ánodo de la celda es disociada en el punto de contacto entre el ánodo y la membrana, como resultado de la corriente DC que está siendo aplicada. Para asegurarnos de que se produzca tanto ozono como sea posible, el ánodo deberá tener un potencial en exceso del que es necesario para la descomposición y el potencial de reacción del ozono y la capa catalítica deberán inhibir la formación de oxígeno diatómico y estimular la formación de ozono. Integración La mayoría de las redes modernas de agua pura, están construidas como sistemas de circuito cerrado en los cuales el agua es bombeada a través de uno o más circuitos de circulación para diversos puntos de consumo. Dependiendo del uso del agua de proceso, se instalarán distintas cantidades y tipos de equipo en el sistema. Las Figuras 3, 4 y 5 muestran los diagramas de flujo típicos para tres usos diferentes. Para todas las aplicaciones se determinó que es mejor instalar el sistema de generación de ozono en el retorno del circuito, inmediatamente antes que vuelva a entrar al tanque de almacenamiento. El flujo de desviación para el sistema electrolítico se cierra antes de la válvula de retención de presión del circuito y vuelve a introducirse en el lado de presión baja (ver Figura 6). Efecto del ozono El ozono es un agente altamente oxidante con propiedades de desinfección muy potentes. Es bactericida, viricida, fungicida y esporicida— aun más, actúa contra fermentos, parásitos, etc. Uno de los factores importantes que debe tomarse en cuenta al calcular la dosis de ozono es el contenido orgánico del agua que está siendo desinfectada porque, de ser alto, la demanda de ozono será correspondientemente alta y el ozono también será utilizado para reducir el contenido orgánico, en vez de solamente destruir los microorganismos. Durante aquellos períodos en que el ozono se está siendo utilizado para oxidar tanto microorganismos como materia orgánica, la velocidad de eliminación será bastante lenta—tan pronto como el COT haya sido reducido a una cantidad mínima, la velocidad de eliminación aumentará de manera marzo/abril 2004

Figura 3. Sistema típico para uso farmacéutico

Figura 4. Sistema típico para uso de fabricantes de semiconductor

correspondiente. Sin embargo, debemos estar al tanto de que como la eliminación de las células es causada por lisis y dispersión citoplásmica, esto complementará continuamente el contenido A G U A

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orgánico del agua. Para simular el efecto del ozono producido de manera electrolítica sobre la contaminación normal del agua, el Sr. McRae y sus socios 13

Figura 5. Sistema típico para la producción de agua calidad WFI

tenía una temperatura más alta que el agua utilizada para la primera prueba. A pesar de que hubo cierto enfriamiento durante el período de prueba, la falta de ozono residual detectado puede considerarse un resultado de la temperatura más alta, lo cual reduce la vida media—el ozono empezó a formarse después de 80 minutos cuando la temperatura fue reducida a 28ºC. A pesar de que el contenido de ozono residual estuvo por debajo del límite detectable, la reducción bacteriológica sucedió rápidamente y puede atribuirse al efecto sinérgico del ozono y la temperatura (ver Figuras 9 y 10). Durante la prueba se observó que el Staphylococcus albus y el Pseudomonas diminuta parecían tener una mayor resistencia hacia el ozono, mientras que las otras especies fueron eliminadas rápidamente. Además de las pruebas con bacterias, el Sr. McRae también demostró que el ozono era muy eficaz para combatir otros microorganismos: • Virus: se demostró que el ozono es un potente viricida—por ejemplo, el virus que produce el polio fue desactivado en 2 minutos con una concentración de ozono de 0.05-0.45 mg/L. • Quistes: se eliminó la Enteramoeba hystolytica con una concentración de ozono de 0.3 mg/L durante 2.4 minutos. • Esporas: éstas son diez a quince veces más resistentes al ozono que las células vegetativas debido a la protección adicional producida por la capa de la espora. • Hongos: se esterilizaron exitosamente el Candida albicans y un Penicillium. • Parásitos: el Schistosoma mansoni fue esterilizado después de 3 minutos.

Figura 6. Instalación típica del generador de ozono MEMBREL

Figura 7. Reducción de microorganismos con ozono

llevaron a cabo pruebas en un cultivo mixto de Staphylococcus albus, Pseudomonas diminuta, Flavobacterium devorans y Coryneybacterium pyrogenes, que fueron introducidos en un tanque antes de la ozonación. Se hizo un conteo de la cantidad total de bacterias eliminadas, en lugar de hacerlo para cada especie individual (ver Tabla 2). Todas las especies de bacterias inoculadas pudieron ser detectadas en las placas iniciales. marzo/abril 2004

Se observó que todas las especies fueron eliminadas. Ver también las Figuras 7 y 8. Se llevó a cabo una segunda prueba (ver Tabla 3) utilizando la misma mezcla de cultivos, pero con una mayor producción de ozono. Se hizo un conteo de la cantidad total de bacterias eliminadas, en lugar de hacerlo para cada especie individual. El agua utilizada para la segunda prueba

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Destrucción del ozono Dependiendo del proceso o el producto de interés, resulta a veces necesario eliminar el ozono del agua antes de usarla. Existen varios métodos para eliminar o reducir el ozono (filtros de carbón activado, unidades de conversión catalítica, destructores termales, radiación ultravioleta, etc.) pero, debido a la naturaleza del agua pura y de los sistemas asociados, solamente se considera la radiación ultravioleta. La práctica normal consiste en instalar una unidad UV en el sistema de tubería un poco antes del primer punto de uso, la cual se enciende poco tiempo antes de iniciarse el proceso principal o comenzar la producción, y luego se apaga cuando no ha habido demanda por cierto período de tiempo, por ejemplo durante la noche o el fin de semana. La incorporación de una unidad ultravioleta para la destrucción de ozono también les ofrece a los operadores una ventaja adicional mínima, debido 14

al hecho que los radicales hidroxilos, que tienen un alto potencial de oxidación, son producidos en la lámpara. Las unidades germicidas UV estándares, con lámparas de mercurio de baja presión y una alta producción UV-C en la longitud de onda de 254 nanómetros (nm), son ideales para reducir el ozono en los circuitos de agua pura, por debajo de los límites mensurables. Al determinar las dimensiones de dichas lámparas debe tomase en cuenta especialmente que la dosis de UV que sea producida por lámpara en sus últimos momentos de utilidad, considerando un caudal máximo, sea suficiente para lograr el nivel de reducción de ozono requerido. La Figura 11 muestra la tasa de reducción de ozono utilizando distintas dosis de radiación UV. Conclusión La experiencia obtenida a través de numerosas instalaciones en varias ramas de la industria e instituciones indican que la desinfección con ozono de los sistemas de agua pura es un método fácil y efectivo que no requiere ninguna especialidad por parte del operador. Debido a que la desinfección con ozono es un proceso continuo que permite una probabilidad muy mínima de recontaminación, muchos operadores dependen ahora únicamente del tratamiento con ozono y han dejado de utilizar la desinfección regular por choque, ya sea con vapor u otros productos químicos. 6 Agradecimientos El traductor y punto de contacto es el Sr. Pedro Da Cruz de Ozonia North America (ONA), en Elmwood Park, Nueva Jersey, EE.UU. El Sr. Da Cruz es ingeniero mecánico y habla español y portugués fluido. Contacto: +1(201) 7943100 ext. 226, +1(201) 794-3358 (fax) o [email protected] Referencias 1. Stucki, S., y H. Baumann, “Application of Electrochemical Ozone Generators in Ultrapure Water Systems”, Procedimientos del 10th Brown Boveri Symposium on Process Technologies for Water Treatment, Brown Boveri Research Center, 1987. 2. MacRae, R.J., et al, “Sterilisation of Water by Ozone”, Corporate Development Report, Fisons PLC, 1988. 3. Möll, F., “Ozonation of Pure Water used in the Manufacture of Medicines”, Procedimientos del CONCEPT Symposium, Fulda, Germany, Spirig Ltd., 1990. 4. Klein, H-P., y B. Steinlin, “Electrolytic Ozone Generation and its Uses”, Corporate Report, Brown Boveri Co. Ltd., 1989. marzo/abril 2004

Figura 8. Destrucción de ozono residual

Figura 9. Reducción de microorganismos con ozono

Figura 10. Concentración residual del ozono durante la desinfección

5. Kogelschatz, U., “Advanced Ozone Generation”, Procedimientos del 10th Brown Boveri Symposium on Process Technologies for Water Treatment, Brown Bovery Research Center, 1987.

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Correción Información para Water Tec de México fue publicada incorrectamente en la Guía del Comprador del número de enero/febrero 2004. La dirección correcta para la sucursal central es: Alce Blanco No. 43–Fracc. Industrial Alce Blanco– Nuacalpan, Edo de México. Contacto: +52 (55) 5357-1352, +52 (55) 5358-7715 (fax), [email protected]

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Tabla 3.

Tabla 2. Parámetros del sistema

Volumen del agua Circulación Caudal para la celda Corriente para la celda Producción de ozono

500 L 500 L/h 100 L/h 10 A ca. 200 mg/h

Tiempo (min) 0 20 40 60 80 100 120

Conteo/ml 26000 2000 1900 650 28 0 0.2

Conteo Log 4.4 3.5 3.3 2.8 1.5 -0.7

Ozono mg/L 0.00 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03

Parámetros del sistema Volumen de agua Circulación Caudal para la celda Corriente para la celda Producción de ozono

: : : : :

500 L 500 L/h 50 L/h 15 A ca. 300 mg/h

Tiempo (min) 0 20 40 60 80 100 120

Conteo Log 4.6 2.7 1.0 -

Ozono mg/L 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.01 0.0

Conteo/ml 41000 800 9.3 0 0 0 0

Figura 11. Reducción del ozono con la irradiación UV

Acerca del Autor El Sr. Bruce Stanley ha trabajado para la empresa Ozonia y su antecesora ABB, por más de 30 años. El Sr. Stanley ha estado involucrado en todos los aspectos de la generación de ozono y de la tecnología de uso (corona y electrolítica) a través de los años que ha trabajado con Ozonia Ltd. (Suiza). Él fue parte del grupo original de diseño que desarrolló el proceso MEMBREL® , tanto para la generación de ozono como para la tecnología de la celda de hidrógeno—discutido arriba. Ozonia International tiene sus oficinas centrales en París, con sucursales y fábricas en Suiza, los Estados Unidos, Escocia, Corea del Sur y Rusia. Ozonia es uno de los líderes mundiales en el desarrollo, fabricación y abastecimiento de equipo de generación de ozono y sistemas ultravioleta (UV) de mediana presión.

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