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 pré-tratamento, 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 anti-incrustante, 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. Q alimentação Q concentrado Q permeado % produzido 1 1150 l/h 900 l/h 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
