O ABC DA ADEQUAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DA ÁGUA PARA DIALISE.
PRÉ-TRATAMENTO E OSMOSE INVERSA
Nas matérias publicadas anteriormente falamos da adequação bacteriológica da
água de dialisado, por meio do ozônio, pós-osmose inversa, como assim também
da manutenção estéril das instalações (loop de distribuição), em contato com a
água posterior a tal equipamento.
Na presente matéria nos abocaremos ao pré-tratamento e osmose inversa,
mantendo o conceito, de que estamos tratando água endovenosa e que devemos
considerá-la como um medicamento.
Introdução
Ao ver uma Planta de tratamento de água para diálise, no referente ao tratamento
Físico-químico, é habitual observar uma bomba pressurizadora inicial, seguida de
uma série de filtros de leitos tais como, profundidade (areia), Carvão ativado,
Resina aniônica (amolecedor e, eventualmente, resinas catiônicas seletivas (para
seqüestrar nitratos), todos estes elementos são evidentemente prévios a um
equipamento de osmose inversa, no que se dispõem uma série de membranas,
geralmente poliamídicas, alimentadas por uma bomba de alta pressão.
É possível encontrar variantes com respeito aos dispositivos analógicos e/ou
digitais de registro e controle de parâmetros, tais como pressões, vazões,
condutividades, etc., mas em geral o esquema é o que foi descrito anteriormente.
Com conhecimento de causa, ao estar em contato com outras Indústrias, este
esquema não varia do que pode se encontrar, por exemplo: na Indústria química
para a fabricação de qualquer produto que requer água desmineralizada, ou na
fabricação da mal chamada água destilada que é vendida em qualquer posto de
gasolina para o circuito de refrigeração de nosso veículo.
É possível então que pensemos que esta é a única forma de tratar a água para
reduzir seus íons em valores que estejam em média em 99%. O sentido desta
matéria é desenvolver outras alternativas de adequação fisioquímica, que de modo
algum tentam desacreditar os tratamentos convencionais, porque de fato
demonstraram através do tempo que cumprem com sua função desde o ponto de
vista químico.
A idéia é propor alternativas particularizadas para a adequação da água de
hemodiálise, já que nossos desenvolvimentos se direcionam a esta aplicação,
tendo como eixo os conceitos descritos anteriormente, respeito de considerar a
esta água como um medicamento, dado que 95% do que vai interagir com o
sangue através do filtro de diálise é água. (sobre este conceito se desenvolveram
as anteriores matérias).
Muitos dos que lerem esta matéria acharão que estamos descrevendo o processo
que estão utilizando, já que não falaremos de uma etapa de desenvolvimento, mas
sim desde a experiência que nos deu a aplicação em mais de 80 casos em nosso
país, e uma quantidade considerável em outros países, tratando águas de
características absolutamente diferentes.
Por último, nesta etapa introdutória quero plasmar um conceito que geralmente
não o relevo em hemodiálise, dado que o tratamento de água é considerado como
uma unidade integral, este conceito é que todo o prévio à osmose inversa tem
como única função proteger as membranas deste Equipamento. Isto parece
elementar, mas se contássemos com membranas a custos aceitáveis que
suportassem em diferentes faixas de concentração e obviamente, rejeitassem; os
sólidos em suspensão, as partículas coloidais, o cloro e as cloraminas, os
carbonatos, os nitratos, todos os íons e partículas descritas em uma porcentagem
da ordem de 99%, garanto-lhes que não seria necessário nenhum tipo de pré-
tratamento e somente se disporia de um Equipamento de osmose inversa de
simples ou dupla passagem segundo a condutividade e composição iônica da
água a tratar.
Pré-tratamento Físico-Químico
A continuação se mostra um diagrama funcional, com duas alternativas de prétratamento, este diagrama será a referência para desenvolver os conceitos sobre
os possíveis pré-tratamento e osmose inversa.
Como já foi mencionado no texto introdutório e pode ser observado no diagrama
de processo, há no mínimo dois pré-tratamentos possíveis, prévios ao sistema de
osmose, com certas variantes. A eleição do sistema mais conveniente dependerá
basicamente das características da água a tratar.
Reitero que conceitualmente, todos os elementos prévios às membranas de
osmose têm por único objetivo protegê-las de incrustações e/ou roturas. É
importante realizar o mínimo pré-tratamento para lograr este objetivo, já o produto
final será água endovenosa, e o tratamento deve ser o mais sanitário possível,
com o propósito de limitar todos os pontos que favoreçam o desenvolvimento
bacteriano, como assim também, lograr maior eficiência nos processos de
sanitização.
A continuação se descrevem todos os elementos envolvidos e a função que os
mesmos cumprem no processo:
-Bomba pressurizadora auxiliar, alimentada por água de rede ou profundidade,
com uma pressão de alimentação mínima, de 500 grs/cm2. Esta bomba é comum
aos dois sistemas de pré-tratamento.
-Em caso do pré-tratamento químico, serão dispostos dois tanques de um volume
mínimo de 50 l com controle de nível e bombas dosadoras para injetar na impulsão
da bomba auxiliar, metabissulfito de sódio e anti-incrustante. Isto marca uma
diferença notável com as plantas de tratamento de água tradicionais, já que são
substituídos os filtros de carvão e resina pelas dosagens mencionadas, gerando
deste modo um circuito mais limpo e direto até as membranas de Osmose inversa,
com menores probabilidades de contaminação e maior facilidade e eficiência nas
sanitizações.
O metabissulfito de sódio em proporções pré-calibradas segundo a água a tratar
recombina o cloro livre e cloraminas segundo se indicam nas seguintes equações:
S2O5Na2 +2CI2 +3 2NaHSO4+4 HCI
3 S2O5Na2+2 NH3+6 Cl2+9 H2O 6 NaHSO4 +10HCI+2NH4CI
O anti-incrustante é um poli acrilato fosfatado, de alto peso molecular, que captura
por afinidade química íons tais como: cálcio, magnésio, ferro, alumínio, sílice, etc.;
evitando a precipitação e conseqüente incrustação das membranas de osmose
inversa, dado o tamanho destas moléculas é garantida a rejeição das mesmas
pela via do concentrado das membranas. Ambos os produtos estão certificados
pela FDA (Food and Drug Administration dos EUA).
A aplicação de metabissulfito versus carvão ativado trai associadas vantagens e
desvantagens em ambos os casos, resulta um tema amplo e tecnicamente muito
especifico, para que as propriedades de cada um deles sejam desenvolvidas na
presente matéria. Além disto, quero comentar que nossa experiência no uso de
ambos os sistemas, mais toda a bibliografia disponível e outras experiências, nos
fazem concluir que o metabissulfito como redutor de cloro e cloraminas, associado
a um sensor de cloro residual on-line, resulta ser mais conveniente para a
adequação físico-química da água de diálise.
Aproveito para comentar que estamos em etapa de desenvolvimento de um
sistema de lâmpada de irradiação na gama amarela, para a redução do cloro livre
e cloraminas, associado ao mesmo sensor de cloro on-line que já desenvolvemos
e estamos utilizando, que se funcionasse correta e de forma confiável, seria um
método superador incluso do metabissulfito.
A aplicação de anti-incrustante dependerá do tipo de água a tratar, altas
concentrações de partículas coloidais, geralmente presentes em águas de tipo
superficial (provindas de rios, lagoas, diques, etc.), não são compatíveis com esta
aplicação. Nestes casos a aplicação de resina catiônica forte (amolecedor) resulta
mais recomendável. Cabe aclarar, que águas de alta dureza, valores da ordem ou
superiores a 200 mg/l de Carbonato de cálcio, não eliminam o uso de antiincrustante, pelo contrário, nestes casos o poliacrilato se encontra com maior
concentração de íons para realizar a recombinação química.
-A outra alternativa de pré-tratamento é o tradicional: trem de filtros de leitos de
profundidade (areia ou multimídia), carvão e resina catiônica forte (amolecedor), e
perante a presença de nitratos superiores a 30mg/l, é recomendável acrescentar
um filtro desnitrificador com resina aniônica seletiva para nitratos, caso não se
conte com dupla passagem de osmose. Este ponto será desenvolvido um pouco
mais adiante.
Tratamento físico
-Primeiro deve ser disposta uma E.V. (eletro válvula) de entrada que habilita a
passagem de água mediante um comando temporizado eletronicamente.
-Para o tratamento físico, ou seja, a retenção de sólidos em suspensão, para evitar
que os mesmos causem impacto nas membranas de osmose, pode se considerar
duas alternativas, dependendo da quantidade de sólidos em suspensão da água a
tratar.
- filtro de areia (média de partículas filtradas 30 mic) ou multimídia composto por
grava, garnet, areia fina e antracita de maior eficiência (média de partículas
filtradas 10 mic) e com uma atividade adicional respeito da retenção e posterior
remoção por contra lavado de partículas coloidais.
- O passo anterior poderá ser evitado se a concentração de sólidos em suspensão
não for elevada, como ocorre geralmente nas águas de rede ou profundidade
(perfurações).
A alternativa é um filtro de micro fibras de polipropileno com densidade progressiva
desde o diâmetro externo até o interno, que retém um espectro de partículas
desde 25 mic até 1um, dependendo do elemento filtrante que se selecione. Esta
etapa permite substituir um trem de filtrado e o filtro de profundidade na grande
maioria das águas a tratar.
Osmose Inversa passagem simples, medição de parâmetros operativos
A continuação se mostra um diagrama funcional, que resulta ser uma extração do
diagrama geral apresentado anteriormente. Aqui nos abocaremos a desenvolver a
etapa de osmose inversa, somente antepondo a etapa prévia de filtrado de
partículas.
Esta etapa deverá ser assistida com água pré-tratada com uma vazão acorde a
sua dimensão e uma pressão superior a 0.5 Bar.
Antes que a água ingresse à bomba principal, prévia passagem pelo filtro de
partículas deverá ser medida: a condutividade da água de alimentação, a pressão
de alimentação, a vazão de alimentação, o cloro de entrada por meio de um ORP
e uma eletrônica desenvolvida para tal fim. Resulta muito importante ter uma
medição on-line do cloro residual, pós-tratamento de retenção/recombinação do
mesmo, independentemente de qual seja dito tratamento, dado que as membranas
de osmose inversa poliamídicas, que são as utilizadas, suportam máximo 0,1 ppm
de cloro, sendo produzido um rápido deterioro das mesmas perante maiores
concentrações. Se isto ocorrer pode passar ao permeado, este e outros íons
indesejados para a água de dialisado, e é claro o conseqüente custo de reposição
das membranas.
Nesta etapa também deverá se dispor de uma toma amostra sanitária, com a
possibilidade de ser flameado, ou seja, de aço inoxidável, para a extração de
amostras de água pré-tratada. Em caso de se contar com filtros de leitos, é
recomendável agregar uma toma amostra dessas características entre cada um
destes.
À saída da bomba principal (recomenda-se o uso de bombas multicelulares e não
de deslocamento positivo, tipo Procom, já que as primeiras resultam ser de melhor
regulação e menor manutenção), mede-se a pressão de ingresso a membrana; e
na línea de concentrado a vazão e a pressão deste fluxo. Na línea de permeado se
mede a condutividade do produto final.
Todos os parâmetros que relevamos por meio de sensores podem ser realizados
em forma analógica ou digital. Resultam muito mais apropriados para esta
aplicação os sensores digitais, basicamente por dois motivos; o primeiro é que os
sensores digitalizáveis de pressão e vazão se instalam em línea sem a
necessidade de gerar trechos mortos de interconexão, com o conseqüente risco de
uma contaminação bacteriológica e química pós-desinfecções, já que resultam
trechos de difícil remoção. Isto último é o que ocorre no caso de medidores
analógicos como são os presostatos e manômetros.
A segunda vantagem radica em que os sensores digitais dão possibilidade de
associar um software desenvolvido especialmente para esta aplicação, que
permitirá mostrar todos os valores em forma digital e incorporar proteções do
equipamento por diferentes variáveis, que resultará em um funcionamento mais
seguro e prolongado de todos os elementos que intervém em uma osmose
inversa. Isto se ampliará na última parte desta nota.
A Bomba multicelular: dará as condições de pressões e vazões de alimentação
da/s membrana/s de osmose inversa para obter o produto (permeado).
Até 5 (cinco) membranas, geralmente podem ser dispostos em série, isto é, que o
concentrado da primeira alimentará a segunda e assim sucessivamente, e os
permeados se conectam. Existem programas de simulação, desenhados pelos
fabricantes de membranas, que ingressando as características físico-químicas da
água de ingresso às membranas, e outros dados tais como temperaturas,
pressões, etc., nos orientam sobre a disposição das membranas, qualidade e
quantidade de água a obter.
A respeito da produção e rejeição de uma osmose inversa, relevei em distintas
oportunidades o seguinte conceito: da água de alimentação à osmose, 50% se
rejeita e o outro 50% se obtém como produto. Este é errôneo, já que cada
membrana produzirá entre 12% e 22% da água que a alimente, dependendo
fundamentalmente da composição físico-química e a temperatura da água a tratar.
As membranas de 4” x 40”, comumente utilizadas nas plantas de tratamento de
água de diálise, produzirão entre 200 l/h e 300 l/h dependendo o tipo de membrana
utilizada.
Apresenta-se uma tabela só a modo de referência.
Quant.
memb.
1
Q
alimentação
1150 l/h
Q
concentrado
900 l/h
Q permeado
% produzido
250 l/h
21,7 %
2
1300 l/h
820 l/h
480 l/h
2 36,9 %
3
1520 l/h
800 l/h
720 l/h
3 47,4 %
4
1740 l/h
780 l/h
960 l/h
55,2 %
5
1960 l/h
760 l/h
1200 l/h
4 5 61,2 %
Nesta tabela se mostram valores conservadores, outro conceito importante a ter
em conta além da porcentagem mínima e máxima de produção de uma
membrana, já comentado, é a velocidade de circulação da água pelo concentrado.
Tendo em conta que Q (vazão) = A (área) x V (velocidade), e a área de uma
membrana é uma constante, a mudança de vazão será diretamente proporcional
com a mudança de velocidade, pelo qual nos seguiremos referindo a vazões. O
mesmo não deveria ser menor a 700 l/h, já que com velocidades menores
estaríamos favorecendo a deposição de minerais e eventual carga orgânica no
lado de concentrado da lamina poliamida da membrana, pois não lograríamos um
fluxo dinâmico com suficiente força de arraste.
A respeito da velocidade máxima de circulação de água pelo concentrado as
categorias variam segundo o tipo de membrana e há diferentes critérios ao
respeito, igualmente podemos tomar como valor máximo 2000 l/h, já que vazões
maiores provocarão altas velocidades de circulação pelo concentrado, que se
traduzirão em uma forte queda de pressão e uma erosão prematura das laminas
poliamidas das membranas.
Todos os conceitos expostos, respeito das vazões, velocidades e % de produção
são aplicáveis para um conserto das membranas em série, e a partir de uma única
passagem, já que para uma segunda passagem de osmose, a água de
alimentação tenderá um muito baixo conteúdo de minerais. Isto nos permitirá
trabalhar com menores vazões de alimentação e maiores de produção, já que a
velocidade mínima de circulação pelo concentrado deixa de ser tão crítica dado
que a deposição de minerais e/ou carga orgânica, de se produzir, resultará ser
muito baixa, e não nos provocará incrustações indesejadas nas membranas.
Por último respeito deste tema, quero comentar que em um conserto de
membranas em série, a velocidade crítica máxima, principalmente a sofrerá a
primeira membrana e a velocidade critica mínima, a última.
Osmose Inversa dupla passagem
Antes de desenvolver tecnicamente este ponto, permito-me comentar, que se está
relevando através do tempo um crescimento da concentração iônica das napas
das diferentes regiões, que se traduz em um aumento da condutividade como
parâmetro global. Este fenômeno está incidido por diversos motivos que não
trataremos nesta matéria.
Por outra parte a hemodiálise a nível mundial, tende a melhorar o Standard de
qualidade físico-química e bacteriológica da água de entrada. A brecha entre os
dois conceitos comentados cada vez é maior. Para poder cumprir e superar o
Standard atual em relação à qualidade físico-química, a alternativa técnica mais
viável resulta ser, por enquanto a dupla, passagem de osmose.
A continuação se mostra um diagrama de fluxo de uma osmose dupla passagem:
A vazão de alimentação da segunda passagem será o permeado do primeiro, pelo
qual resulta muito importante a dimensão do equipamento enquanto à quantidade
e o tipo de membranas colocadas em cada uma das passagens. Este permeado é
tomado por uma segunda bomba multicelular do mesmo modelo que a da primeira
passagem com o objetivo de unificar peças de reposição e minimizar a
manutenção. Também pode ser trabalhado com uma única bomba de maior
pressão, mas resulta mais seguro e equilibrado o esquema de dupla bomba.
Todos os parâmetros relevados: pressões, vazões e condutividades, são
coincidentes com os mencionados para a primeira passagem, tanto nas
características das mesmas como na disposição.
Um conceito interessante resulta ser a reutilização do concentrado da segunda
passagem, já que a qualidade físico-química desta água resulta ser melhor que a
de alimentação da primeira passagem. Conseqüentemente, com o aporte deste
fluxo por meio de uma recirculação com válvula antiretorno como pode ser
observado no diagrama, melhoraremos a qualidade de água de entrada, e em
conseqüência o total de água consumido não variará demasiado, e até poderá ser
menor, respeito de uma osmose de passagem simples, para iguais vazões de
produção.
Respeito aos consumos de água, faremos o seguinte exercício; estamo-nos
referindo à tabela de vazões e porcentagens de produção respeito à água de
alimentação apresentada para osmose de passagem simples de 1 a 5 membranas.
Observamos que para 5 membranas, que é equivalente à quantidade de
membranas da primeira passagem, no diagrama de fluxo apresentado para a
osmose de dupla passagem, a vazão de alimentação era de 1960 l/h, para obter
um produto de 1200 l/h. Agora sim com estes 1200 l/h, vamos alimentar a segunda
passagem, ao se tratar de água de mais baixo conteúdo de minerais, as
membranas sem dúvida produzirão em média, um mínimo de 300 l/h cada uma, ou
seja, um produto final de 600 l/h, pelo qual a rejeição da segunda passagem
resultará ser 600 l/h, que retornarão à entrada, deste modo à vazão de
alimentação de 1960 l/h lhe tiramos estes 600 l/h, dará uma vazão de água crua a
tratar de 1360 l/h para obter um produto final de 600 l/h.
Em conclusão, se compararmos um sistema de passagem simples com um de
dupla passagem, respeito das vazões utilizadas para obter a mesma quantidade
de produto, resultará ser mais eficiente o sistema de dupla passagem.
Por último, uma passagem simples de osmose poderá rejeitar em média 98 % a 99
%, referido isto a condutividade da água de alimentação, nos referimos à
condutividade já que há íons como o nitrato de muito baixo peso molecular, que as
membranas comumente utilizadas rejeitam em uma média de 90 %. Daí, que
quando a presença de nitratos na água de entrada for superior a 20 mg/l, se
dificulta obter no permeado concentrações menores a 2 mg/l, que é o que exigem
as normas vigentes. Neste caso, há que recorrer a resinas seletivas para nitratos,
ou bem a uma dupla passagem de osmose, que é claro dará uma redução de todo
o resto dos íons, já que para um sistema de dupla passagem a porcentagem de
rejeição referida à condutividade da água de entrada resulta ser superior a 99,5%.
Desenho, Métodos Construtivos e Materiais Constitutivos
Neste ponto somente pretendo deixar plasmado o conceito de que é muito
importante partir de um desenho, utilizar materiais e métodos construtivos, que
garantam a biocompatibilidade, do Equipamento resultante com sua aplicação.
Lembremos mais uma vez que estamos produzindo água endovenosa, e é
precisamente nesta etapa de pré-tratamento e osmose inversa onde devemos
começar a cuidar os detalhes. Permito-me uma reflexão; a soma dos detalhes faz
à qualidade, e a qualidade não é um detalhe.
Um desenho equilibrado e métodos construtivos acordes darão como resultado
elementos e circuitos em contato com o produto, que reduzam ao máximo os
pontos que favoreçam o desenvolvimento bacteriano e o depósito de minerais,
como resultam ser as superfícies com rugosidades maiores a 0,8 RA , equivalente
a 0,2 mic.
Por outra parte, devem se evitar os pontos de baixa ou nula velocidade de
circulação de água, é recomendável que a mesma seja sempre superior a 1,4
m/seg. A partir daqui, garante-se uma remoção dinâmica seja de minerais ou de
carga orgânica. Isto em certos casos não resulta possível, por exemplo, nos filtros
de leito, de não poder ser evitado.
A respeito da seleção dos materiais, é importante utilizar materiais que não sofram
degradação com o tempo, deverá ser tido em conta que estes materiais terão
também contato com diferentes produtos químicos, com concentrações variáveis,
sobretudo durante os processos de desinfecção. Não é um bom conceito que
quando o material se envelheça e/ou se fragilize seja trocado, já que durante esse
processo com certeza liberou diferentes subprodutos à água. Em muitos casos,
ainda não se conhece a incidência que possa ter isto em um paciente de diálise.
Vou citar um caso de um material comumente utilizado em diálise, sobretudo nos
tanques de estoque da água de dialisado, pelo menos no que respeita à
adequação da água; este material é o polietileno. O método construtivo para a
fabricação de tanques é o roto moldado, neste processo se produz uma
polimerização, que dá estrutura ao material, quando este material é atacado por
oxidantes, em forma periódica, que bem podem ser os utilizados em diálise. Eles
podem ser Hipoclorito de Sódio, Acido Peracético, Ozônio, etc., produz-se um
processo de oxidação, que provoca uma despolimerização, neste processo se
liberam subprodutos, e neste caso um deles resulta ser o óxido de etileno, sobre o
qual há suficiente experiência e bibliografia sobre seus efeitos nocivos.
A respeito do comentado por último, não é meu objetivo gerar preocupação, já que
o tema é muito mais profundo e extenso do que pode ser desenvolvido nesta
matéria, devido a que nem sequer sabemos as doses que estamos gerando deste
subproduto, e se algo dele está chegando ao paciente. Mas o conceito que
pretendo deixar plasmado é que perante a falta de certeza, deveríamos usar
materiais que já se tenha comprovado que não sofrem degradação.
Operação, Registros e Alarmes
Todos os conceitos até aqui descritos, quando se traduzem a um Equipamento é
importante que sejam de fácil operação e logrem uma boa relação ergonômica
com quem vai utilizá-los. Com o qual é importante que os Equipamentos sejam
operados desde um painel central e que todos os parâmetros relevados como
pressões, vazões, concentração de cloro, condutividades, rejeição porcentual etc.,
possam ser visualizados em um display digital.
Todos estes parâmetros mencionados deverão estar integrados por meio de um
software, que permite proteger o equipamento por valores mínimos, máximos e
diferenciais destes parâmetros.
No display também poderão se indicar ações de manutenção preventiva como a
mudança de elementos e insumos, como assim também ações de sanitização,
lavados químicos e serviços técnicos por acumulação de horas.
A possibilidade de controlar todos os parâmetros e ações descritas permitirá
manter uma excelente qualidade de produto no tempo, como assim também
reduzir custos operativos e de manutenção.
Por último; comento-lhes que maior informação sobre os conceitos expostos ao
longo desta matéria, já seja traduzida na aplicação tecnológica dos mesmos
através de nossos Equipamentos, ou bem como informação geral, poderão ser
encontradas em nossa página Web www.fgingenieria.com.ar nas seções de:
Equipamentos, Manuais e Publicações.
Ing. Hernán Yannuzzi
fg ingeniería