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Aplicaciones
del intercambio iónico
Guía general

Sumario

1. Tratamiento de agua

1.1. Ablandamiento
1.2. Descarbonatación
1.3. Desmineralización
1.4. Lechos mezclados
1.5. Agua potable

2. Industria azucarera

2.1. Ablandamiento de agua para la extracción de azúcar
2.2. Ablandamiento antes de evaporar
2.3. Proceso NRS
2.4. Proceso Gryllus
2.5. Desmineralización antes de evaporar
2.6. Decoloración de jarabes después de evaporar
2.7. Proceso Quentin
2.8. Recuperación de azúcar en melazas
2.9. Inversión de sacarosa
2.10. Separación cromatográfica
2.11. Tratamiento de glucosa

3. Otras aplicaciones en la industria alimenticia

3.1. Productos lácteos
3.2. Bebidas
3.3. Jugos de fruta
3.4. Recuperación de polifenoles
3.5. Ácido cítrico
3.6. Aminoácidos
3.7. Desmineralización de sorbitol
3.8. Desmineralización de gelatina

4. Otras aplicaciones en la industria química

4.1. Recuperación y eliminación de metales
4.2. Producción de sosa y de cloro
4.3. Fenol
4.4. Purificación de peróxido de hidrógeno
4.5. Eliminación selectiva de varios elementos

5. Catálisis

5.1. Alquilación
5.2. Condensación
5.3. Esterificación
5.4. Eterificación
5.5. Deshidratación
5.6. Hidrogenación

6. Industria farmacéutica

6.1. Extracción y purificación de antibióticos
6.2. Medicamentos de liberación progresiva
6.3. Resinas utilizadas directamente como medicamento
6.4. Enmascarantes de gusto
6.5. Cromatografía de producción

7. Aplicaciones diversas

7.1. Industria minera
7.2. Inmovilización de enzimas
7.3. Hidrocultura


1. Aplicaciones de resinas intercambiadoras de iones
en el tratamiento de agua

Véase también la página de introducción (en español) al intercambio iónico con una descripción sencilla y reacciones del ablandamiento y de la desminerallización. Otra página (en inglés) deicribe métodos de regeneración.

Robinet1.1. Ablandamiento

Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina. El agua ablandada sirve para varios usos:

Resinas recomendadas: Calidad del agua tratada:
Dureza residual < 0,02 meq/L (0,1 °f) con regeneración a contra-corriente

Regeneración: salmuera (NaCl en solución de 10 %)

1.2. Descarbonatación

En muchas regiones del mundo — por ejemplo en Europa central y meridional — las aguas naturales contienen bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos se pueden elminar con resinas débilmente ácidas en forma hidrógeno. Este proceso se llama también eliminación de la dureza temporal. El agua tratada contiene gas carbónico que se puede eliminar con una torre de desgasificación. La salinidad del agua tratada es más baja que la del agua bruta. Agua descarbonatada sirve:

Resinas recomendadas: Calidad del agua tratada:
Alcalinidad residual = muy baja (fín de ciclo tradicional a 10% del TAC del agua bruta)
Dureza residual = dureza permanente (TH – TAC)

Regeneración: ácido (de preferencia HCl en solución de 5 %)

1.3. Desmineralización

Para eliminar todos los iones, el agua pasa primero a través de una columna intercambiadora de cationes en forma hidrógeno, después a través de una columna intercabiadora de aniones en forma base libre o hidroxilo. Todos los cationes se cambian por iones H+ de las resinas catiónical, y los aniones por iones OH de las resinas aniónicas. Estos iones se recombinan formando nuevas moléculas de agua (H2O). El agua tratada no contiene sino trazas de sodio y de sílice.

Resinas recomendadas:

El uso de resinas débiles depiende de la composición del agua bruta y del tamaño de la planta de tratamiento.

Calidad del agua tratada:
Conductividad de 0,2 a 1 µS/cm en regeneración a contra-corriente
Slice residual de 5 a 50 µg/L según la cantidad de sílice en el agua bruta y de la tasa de regeneración.
El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada.
Estos valores son más bajos que los obtenidos con otros procesos, tales como destilación u ósmosis inversa.

Regeneración
Intercambiadores de cationes: un ácido fuerte (HCl o H2SO4)
intercambiadores de aniones: sosa cáustica (NaOH)

1.4. Lechos mezclados

1.4.1. Lechos mezclados de pulido

MBPara obtener una calidad de agua desmineralizada aún mejor, parecida a la del agua totalmente pura, se puede instalar una columna de resinas mezcladas: una catiónica fuertemente ácida en forma H+ y una aniónica fuertemente básica en forma OH. Estas resinas tienen que estar mezcladas en la fase de producción (agotamiento) pero hay que separarlas para regenerar. Esta separación se hace contralavando el lecho de resinas con una corriente ascendente y necesita resinas de granulometría y de densidad adecuadas.

Resinas recomendadas:

Para ciertas aplicaciones en la industria de semiconductores o en circuitos de centrales nucleares se emplean resinas de calidad especial. Calidad del agua tratada:
Conductividad de 0,055 a 0,1 µS/cm
Sílice residual de 1 a 10 µg/L.
El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada.

Regeneración
Intercambiadores de cationes: un ácido fuerte (HCl o H2SO4)
intercambiadores de aniones: sosa cáustica (NaOH)

1.4.2. Lechos mezclados de trabajo

En casos de agua bruta de baja salinidad, o cuando el volumen de agua necesario es módico, se pueden emplear lechos mezclados alimentados con agua de abastecimiento municipal o con permeado de ósmosis inversa. Llamamos estos "lechos mixtos de trabajo". Las resinas son las mismas que para lechos mixtos de pulido. Un caso especial es el servicio de desionización (SDI) con botellas regeneradas externalmente.

1.5. Agua potable

El intercambio iónico es una tecnología útil para eliminar ciertos contaminantes de manera selectiva. Véase una página dedicada al taramiento de agua potable (en inglés o francés).

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2. Industria azucarera

Sucre en morceaux2.1. Ablandamiento de agua para la extracción de azúcar

El proceso es idéntico al mencionado en el punto 1.1 (ablandamiento de agua).

2.2. Ablandamiento de jugos de remolacha antes de evaporar

La dureza de los jugos de remolacha produce incrustaciones en los intercambiadores de calor. Para evitar estas, aumentar el rendimiento térmico y ahorrar energía se pueden ablandar los jugos de azúcar. Con jugos ablandados, los intercambiadores se pueden utilizar en modo continuo sin las paradas necesarias para limpiarlos. Se emplean en este proceso resinas semejantes a las del ablandamiento de agua — intercambiadores de cationes fuertemente ácidos — pero tienen que ser de calidad autorizada para el tratamiento de alimentos y resistir las tensiones específicas de concentración y de temperatura de los jugos.

Los iones calcio y magnesio de los jugos que hay que evaporar se intercambian por los iones sodio de la resina. El ablandamiento de hace después de la carbonatación de los jugos. Se instalan generalmente dos columnas en paralelo para asegurar un funcionamiento continuo.

Resinas recomendadas:

2.3. El proceso NRS

Es un proceso ingenioso, en lo cual se regenera la resina con una solución de sosa cáustica diluida en un jugo de azúcar de segunda carbonatación. Lo interesante es que el hidróxido de calcio, insoluble en agua es soluble en una solución de sacarosa. Los vertidos de regeneración se recuperan para reciclar en la cabeza de la instalación, antes de la carbonatación, así que casi ho hay aguas de desecho. Además, no hay dilución de los jugos mismos ya que no existen etapas de desplazamiento de jugo por agua y de agua por jugo. El balance energético es favorable y produce un ahorro de vapor.

Resinas recomendadas:

2.4. El proceso Gryllus

Es un proceso económico más antiguo en lo cual la resina se regenera con un jugo de segunda carbonatación conteniendo una concentración alta de sodio. El consumo de sal es reducido y tampoco hay aquí una dilución de los jugos. El jarabe de regeneración se recupera.

Resinas recomendadas:

2.5. Desmineralización del jugo antes de evaporar

Se eliminan las sales y otras impurezas ionizadas del jugo de segunda carbonatación para aumentar el rendimiento de cristalización del azúcar. En general, cada kg de impureza eliminada produce 1.4 kg de azúcar adicional. El proceso es similar a la desmineralización de agua y emplea una resina fuertemente ácida y una resina débilmente básica, regeneradas con ácido y sosa respectivamente.

Resinas recomendadas:

2.6. Decoloración de jarabes de caña después de evaporar

Los jarabes de caña contienen varios compuestos orgánicos que producen color y bajan el rendimiento de cristalización. La decoloración se hace con resinas fuertemente básicas macroporosas para eliminar moléculas de alta masa molecular. La regeneración utiliza salmuera. El proceso más efectivo emplea dos columnas en serie, la primera con una resina acrílica y la segunda con una estirénica como pulido.

Resinas recomendadas:

2.7. Proceso Quentin

Los iones potasio y sodio contenidos en los jugos de remolacha inhiben la cristalización del azúcar y producen una gran cantidad de melaza. El magnesio es menos "melasígeno" que el potasio o el sodio. En el proceso Quentin, el jugo de azúcar pasa por una columna de resina fuertemente ácida en forma magnesio. De tal manera, la producción de azúcar blanco aumenta, mientras la cantidad de melaza disminuye.

Resinas recomendadas:

2.8. Recuperación de azúcar en melazas

Este proceso está basado en el principio de exclusión iónica, un tipo de cromatografía con resinas de intercambio iónico que tienen una granulometría muy fina y muy uniforme. Así se pueden separar el azúcar y las impurezas, aumentando la cantidad de azúcar producido.

Resinas recomendadas:

2.9. Inversión de sacarosa

La sacarosa (azúcar común) es un disacárido. En ambiente ácido, se separa en dos monosacáridos: la glucosa y la fructosa. Este proceso se llama inversión. El azúcar invertido tiene un sabor más dulce que la sacarosa (factor 1,15) y una tendencia menor de cristalizar, lo que es importante para ciertos productos alimenticios. La inversión se hace pasando un jarabe de azúcar por una resina catiónica fuerte de baja reticulación en forma H+.

Resinas recomendadas:

2.10. Separación cromatográfica

Puesto que la fructosa tiene un poder edulcorante más alto que la glucosa (1,3 contra 0,7) se pueden enriquecer en fructosa los jarabes de azúcar invertido pasándolos por una columna de resina con granulometría fina y uniforme. En esta separación cromatográfica, la fructosa se retrasa con respecto a la glucosa, lo que produce fracciones que se puedan separar. La fracción rica de fructosa se recupera por su valor comercial, y la fracción de glucosa se puede vender como jarabe de glucosa o se puede isomerizar por proceso enzimático para producir más fructosa.

Resinas recomendadas:

2.11. Desmineralización de glucosa

El principio es el mismo que la desmineralización de agua o de azúcar. Debido a la temperatura y a la concentración alta de los jarabes de glucosa se deben emplear resinas de buena resistencia física.

Resinas recomendadas:

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3. Otras aplicaciones en la industria alimenticia

Petits-Suisses3.1. Desmineralización de suero de leche

El suero de leche es un líquido obtenido en el proceso de fabricación del queso. Contiene proteinas y varios usos en la industria alimenticia. Se desmineraliza para aumentar su pureza. El principio es el mismo que la desmineralización de agua o de jugos de azúcar.

Resinas recomendadas:

3.2. Industria de bebidas

Hay varias aplicaciones:

3.3. Tratamiento de jugos de fruta

3.4. Recuperación de polifenoles

Los poilifenoles son apreciados por sus propiedades antioxidantes. Se encuentran en muchas frutas, por ejemplo en uva negra. Los antocianinos — una variedad de polifenoles — se pueden recuperar en los mostos de uva.

Resinas recomendadas:

3.5. Ácido cítrico

Se emplea como conservante en muchos productos de la industria de alimentos. Se produce por fermentación, y necesita una purificación por desmineralización.

Resinas recomendadas:

3.6. Aminoácidos

La L-lisina y otros aminoácidos esenciales (no sintetizados por el cuerpo humano) se produce por fermentación. Se extrae de los caldos de fermentación con una resina intercambiadora de cationes en forma amonio.

Resinas recomendadas:

3.7. Desmineralización de sorbitol

El sorbitol es un edulcorante y emoliente usado en goma de mascar y otros productos. Se puede producir por hidrogenación de glucosa, o por procesos enzimáticos. Muchas veces necesita ser desmineralizado.

Resinas recomendadas:

3.8. Desmineralización de gelatina

La gelatina se produce por transformación del colágeno contenido en la piel y los huesos de cerdos. Para obtener un producto de alta pureza una desmineralización es imprescindible.

Resinas recomendadas:

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4. Otras aplicaciones en la industria química

Tissot4.1. Recuperación y eliminación de metales

En talleres de galvanoplastia se pueden eliminar o recuperar metales en solución:

Otros ejemplos:

4.2. Producción de sosa y de cloro

Estos productos se obtienen por electrólisis de salmuera saturada. En este proceso, la presencia de metales divalentes no está permitida. Para eliminar esos (principalmente el calcio) se emplea una resina selectiva quelatante. Esta decalcificación baja la concentración inicial de calcio de 10 - 20 mg/L a valores de menos de 20 µg/L.

Resinas recomendadas:

4.3. Fenol

Dos aplicaciones:

Resinas recomendadas:

4.4. Purificación de peróxido de hidrógeno

Se emplean resinas en dos procesos distintos:

En ambos casos se obtiene una calidad excelente, las "fugas" siendo solo unos µg/L. ¡Cuidado! El peróxido de hidrógeno es un oxidante fuerte y requiere muchas precauciones en ambos procesos.

Resinas recomendadas:

4.5. Eliminación selectiva de varios elementos

He construido una clasificación periódica de los elementos (tabla de Mendeleiev) en inglés con algunos datos sobre la eliminación selectiva de ciertos iones — principalmente metálicos — con resinas intercambiadoras.

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5. Catálisis

Le pleinUn catalizador es un compuesto que aumenta la velocidad de una reacción química hasta su equilibrio sin ser consumido durante la reacción. La mayoría de las reacciones químicas, especialmente en la industria petroquímica, donde se solía emplear un ácido inorgánico como catalizador, se catalizan hoy con resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas en forma H+. Estas resinas funcionan en condiciones difíciles, especialmente a temperaturas altas (130 – 170 °C), y deben tener la acidez más elevada posible.

Mencionaremos unos ejemplos:

5.1. Alquilación

Producto Octilfenol
Reactantes Octano + fenol
Catalizador Amberlyst 15Dry
Temperatura 100 – 120 °C

5.2. Condensación

Producto Bisfenol A
Reactantes Acetona + fenol
Catalizador Amberlyst 131
Temperatura 60 – 80 °C

5.3. Esterificación

Producto Dimetilmaleato
Reactantes Anhídrido maléico
Catalizador Amberlyst 46
Temperatura 110 °C

5.4. Eterificación

Producto Metil-ter-butil éter (MTBE)
Reactantes Isobutileno + metanol
Catalizador Amberlyst 35
Temperatura 40 – 80 °C

5.5. Deshidratación

Producto Isobutileno
Reactantes Isobutanol
Catalizador Amberlyst 35
Temperatura 70 – 80 °C

5.6. Hydrogenación

Producto Metil-isobutilcetona (MIBK)
Reactantes Acetona
Catalizador Amberlyst CH28 (dopado con paladio)
Temperatura 130 – 140 °C
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6. Industria farmacéutica

GélulesLas aplicaciones son numerosas y complejas. La industria farmacéutica es bastante secreta, así que pocos detalles son conocidos. Mencionaremos no obstante unos ejemplos:

6.1. Extracción y purificación de antibióticos

Los procesos valen para varios antibióticos. Se trata de purificarlos después de su extracción de caldos de fermentación. Ejemplos: estreptomicina, gentamicina, cefalosporina, tetraciclina.

Resinas recomendadas:

6.2. Medicamentos de liberación progresiva

Resinas intercambiadoras de iones en polvo de alta pureza se incorporan en formulaciones. Los principios activos del medicamento están inmovilizados en la resina y difunden más lentamente en el organismo humano que si fuesen en su estado bruto.

Resinas:

6.3. Resinas utilizadas directamente como medicamento

Los mismos tipos de resina del punto 6.2 pueden servir como principio activo del medicamento. Evidentemente tienen que cumplir con especificaciones muy estrictas y tener certificados de calidad de las autoridades de salud. Aquí dos ejemplos:

Resinas:

6.4. Enmascarantes de gusto

Resinas semejantes sirven para enmascar el gusto desagradable de ciertos medicamentos.

6.5. Cromatografía de producción

Resinas con una granulometría muy fina sirven para la separación fina de moléculas en lugar de gel de sílice o de otros substratos.

Resinas recomendadas:

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7. Applicaciones diversas

Mine d'uranium7.1. Industria minera

La aplicación más significativa, utilizando millares de metros cúbicos de resina, es la excracción de uranio. El mineral molido de uranio se trata con ácido sulfúrico que solubiliza el metal en forma de sulfato de uranilo. Esta solución pasa después en lechos de resina intercambiadora de aniones fuertemente básica que tienen una afinidad excelente para el complejo de uranio y de sulfato.

Resinas recomendadas:

7.2. Inmovilización de enzimas

En reacciones enzimáticas es más cómodo inmovilizar la enzima en un substrato en lugar de añadirla al medio de reacción. Resinas de intercambio son ideales para esta aplicación.

Resinas recomendadas:

7.3. Hidrocultura

Resinas intercambiadoras de cationes y aniones se pueden usar para fijar los componentos fertilizantes necesarios para el crecimiento de plantas en cultura hidropónica: amonio, potasio, hierro, zinc (cationes) y nitrato, fosfato (aniones). Las resinas contienen también oligoelementos. Esta tecnología permite una difusión progresiva de los elementos nutritivos sin riesgo de sobredosis.

Resinas recomendadas:


Marcas

Amberjet, Amberlite, Ambersep, Amberlyst, Amberchrom, Amberzyme, Dowex, Duolite e Imac son marcas de resinas intercambiadoras de iones o adsorbentes de The Dow Chemical Company.
Lewatit es una marca de resinas de Lanxess.


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