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Filter design for the separation of microorganisms present in water through ultrafiltration membranes

Diseño de filtro para la separación de microorganismos presentes en agua a través de membranas de ultrafiltración

Liliana Cifuentes Y.1, Diego Vergara D.2, Brayan Valencia V.3 1lcifuentesy@unbosque.edu.co, 2dvergarad@unbosque.edu.co, 3bavalenciav@unbosque.edu.co

Universidad El Bosque Bogotá, Colombia

Artículo de Investigación

Abstract

In Colombia, 28% of the rural population lacks an aqueduct system, which implies the direct consumption of water from water sources without due chemical and microbiological treatment. Even with certain water purification processes the elimination of some parasites such as Toxoplasma gondii is not guaranteed. This article presents the design of a filter designed to improve the quality of the water consumed by the inhabitants of the rural area of the municipality of Aquitaine. The methodology followed for the design is described. It had rigorous laboratory tests to evaluate the main component of the filter, a membrane with a pore size of 100 nm that allows to make ultrafiltration to separate the T. gondii oocysts from the water. We present the laboratory results from which the structure and dimensions of the final filter could be determined.

Keywords: Escherichia coli, Toxoplasma gondii, ultrafiltration, membrane filtration Resumen

En Colombia el 28% de la población rural carece de sistema de acueducto, lo que implica consumo de agua directo de las fuentes hídricas sin el debido tratamiento químico y microbiológico. Incluso con ciertos procesos de potabilización del agua no se garantiza la eliminación de algunos parásitos como Toxoplasma gondii. Este capítulo presenta el diseño de un filtro pensado para mejorar la calidad de agua que consumen los habitantes de la zona rural del municipio de Aquitania. Se describe la metodología seguida para el diseño; la cual tuvo unas rigurosas pruebas de laboratorio con el fin de evaluar el componente principal del filtro, una membrana con tamaño de poro de 100 nm la cual permite hacer ultrafiltración para separar ooquistes de T. gondii del agua; y se presentan los resultados de laboratorio a partir de los cuales fue posible determinar la estructura y dimensiones del filtro final.

Palabras clave: Escherichia coli, Toxoplasma gondii, ultrafiltración, filtración por membrana

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 269-276, 2017

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción

El problema de potabilidad de agua en Colombia es bastante común en muchos de los territorios rurales nacionales, teniendo así que el 28% de esta población campesina carece de sistema de acueducto, lo que implica consumo de agua directo de las fuentes hídricas, sin el debido tratamiento químico y microbiológico; razón por la cual tan solo el 15.1% del agua que se utiliza en el campo colombiano, se encuentra en condiciones óptimas para el consumo humano. Estas cifras reveladas por el Instituto Nacional de Salud evidencian un gran problema sanitario y de salud pública que contempla diversas enfermedades provocadas por la constante contaminación del líquido [1].

Las principales fuentes de abastecimiento de agua de la población de Aquitania, Boyacá, son el Lago de tota y el Páramo de las alfombras. La laguna de tota es una de las más importantes del país y hace parte de los municipios de Aquitania, Cuítiva y Tota. El agua suministrada por los prestadores de servicio no es del todo segura para el consumo humano, pues tienen procesos de potabilización que no garantizan la eliminación de muchos de los microorganismos patógenos además no cuentan con continuidad las 24 horas [1]. Por ello algunas personas recurren a otras fuentes de agua como quebradas o reservorios.

En el agua circulan diferentes microorganismos parásitos, tales como el protozoo Toxoplasma gondii en su estado de ooquiste. Toxoplasma gondii es un protozoario de gran importancia epidemiológica que puede adquirir diferentes estadios como el ooquiste, el taquizoito y el quiste. Este parásito es capaz de provocar encefalitis en pacientes con inmunodeficiencia, complicaciones en mujeres embarazadas causando daño a nivel cerebral, muerte fetal y puede ser causante de aborto, convirtiéndose así en un problema de gran importancia para la salud pública en Colombia. Este parásito puede infectar al ser humano y a la mayoría de animales de sangre caliente, principalmente por vía oral, a través de la ingestión de ooquistes excretados por su principal hospedero, el gato doméstico, o por consumo de alimentos y aguas contaminadas [2].

Toxoplasma gondii es el agente causante de la toxoplasmosis, una de las infecciones más difundidas en el mundo debido a la gran variedad de hospederos de T. gondii. La infección humana suele originarse por la ingestión de ooquistes maduros del parásito en el agua, en alimentos o en carnes de origen bovino o porcino crudas o mal cocidas. En Colombia se han realizado diferentes estudios epidemiológicos de la toxoplasmosis adquirida en mujeres embarazadas. Según el estudio nacional de Salud la tasa de positividad es de 47,1% con predominancia en la zona Atlántica. En este mismo estudio el 1.8% de las mujeres embarazadas presenta índices altos de anticuerpos IgG T. gondii lo cual podría ser un indicativo de infección reciente [3].

Algunos estudios han asociado la infección con el consumo de agua no tratada o del acueducto [4], lo que nos indica que los métodos de potabilización con compuestos clorados son ineficientes y eso se debe a que T. gondii en su estado ooquistico es muy resistente a los procedimientos químicos de potabilización y

pasteurización convirtiéndose así, el agua sin filtrar como fuente importante de transmisión de los ooquistes, para tener en cuenta al evaluar riesgo de infección

Como una alternativa para mejorar la calidad del agua y disminuir los riesgos de infección por microorganismos en poblaciones vulnerables como la zona rural del municipio de Aquitania, se ha planteado un sistema de retención de parásitos de forma mecánica antes de que el agua sea utilizada: se trata de un sistema de ultrafiltración con tecnología de membrana, la cual tiene unas características específicas. Se utiliza una membrana MARTIN, la cual está hecha en material Polímero orgánico de poliéter sulfonas (PES), que son polímeros termoplásticos con propiedades elásticas y mecánicas adecuadas para el filtrado a grandes presiones y es resistente a la corrosión por agentes microbianos.

La membrana está diseñada con un límite de separación de ultrafiltración, ya que el poro máximo de la membrana tiene 0,1 µm de diámetro, de tal manera que es capaz de filtrar sólidos en suspensión, bacterias y tipos de virus que tengan un tamaño mayor a 0,1 µm [5]. Los ooquistes de T. gondii tienen un diámetro en promedio 10 µm [6,11] lo que hace ideal la membrana MARTIN para la filtración de estos parásitos, separando no solo este protozoo, sino que también otros posibles patógenos que pueden estar en el agua como se comprobó en las pruebas de laboratorio.

2. Metodología y Desarrollo

El desarrollo del proceso de diseño para la

concepción del filtro final estuvo acompañado de una rigurosa parte experimental en el laboratorio; de una serie de encuestas realizadas a la población de Aquitania y de superar cada etapa del proceso de diseño ingenieril. Los experimentos en el laboratorio se realizaron con dos fines principalmente: verificar la capacidad de la membrana para separar microorganismos del agua y determinar propiedades tales como caudal y flujo de filtración. Las encuestas sirvieron para definir e alcance y con ello delimitar el problema teniendo como resultado los requerimientos de diseño para el filtro. Las diferentes etapas del diseño, principalmente diseño conceptual y en detalle lograron tener como resultado las dimensiones y estructura del filtro adecuado para cumplir con los requerimientos establecidos.

2.1 Desarrollo ingenieril

Para acotar más el problema planteado inicialmente

se decidió identificar zonas que fueran vulnerables, en las cuales se pudiera hacer un impacto significativo con el diseño final. Por ello se tuvo en cuenta estudios nacionales de la calidad de agua en diferentes regiones de Colombia, seleccionando con ello una población y posteriormente la realización de encuestas para identificar factores importantes que orientaran el diseño. Una vez definidos los requerimientos se empezó una búsqueda de filtros comerciales que pudieran dar ideas a una nueva propuesta centrada a la solución del problema planteado, a partir de ello se realizó la generación de conceptos y selección posterior del mejor para realizar por último el diseño en detalle.

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Planteamiento del problema. Algunos estudios reportan que en Colombia el 28% de la población rural carece de sistema de acueducto, lo que implica consumo de agua directo de las fuentes hídricas sin tratamiento químico y microbiológico. Además, se considera que el agua que utiliza el campo colombiano no es de la mejor calidad, el Instituto Nacional de Salud revela que sólo el 15.1% consume agua en condiciones óptimas para [7]. Esto implica problemas de salud pública que contemplan diversas enfermedades provocadas por la contaminación microbiológica del líquido.

Entre esos microorganismos contaminantes se encuentra T. gondii, caracterizado por ser un parásito protozoario y un grave problema de salud pública, debido a la alta tasa de prevalencia: 47.1% [8]. Entre los estudios que se han llevado a cabo, se reporta la transmisión de T. gondii por consumo de vegetales y agua contaminada con ooquistes, siendo estos altamente resistentes a condiciones ambientales e inclusive a tratamientos químicos, logrando sobrevivir hasta 54 meses y en suelo aproximadamente 1 año [9,10].

A pesar de que en la actualidad existen diversos métodos de identificación de ooquistes en muestras ambientales contaminadas, sin embargo, son pocos los descritos para separación de este estado de desarrollo del parásito, entre los métodos ya existentes se reporta la separación inmunomagnética de ooquistes de muestras de suelo, agua y vegetales, [9] sin embargo, aunque es una técnica de alta especificidad es de uso

experimental en laboratorio y por ende no es accesible a la comunidad como tal.

Teniendo en cuenta la problemática existente en las zonas rurales de Colombia, donde el proceso de potabilización es nulo o deficiente, solo pudiéndose tratar una parte de los residuos o un porcentaje del agua, la población en la cual se enfocó el estudio y la utilización de un filtro, con la utilización del sistema de membranas MARTIN para la separación de ooquistes de T. gondii presentes en agua.

La población elegida para el estudio, teniendo en cuenta lo reportado por el “Informe nacional de la calidad del agua para consumo humano año 2013 con base en el IRCA” realizado por el Ministerio de Salud y Protección Social - Subdirección de Salud Ambiental, publicado en diciembre 10 de 2014 fue Aquitania y sus zonas veredales. Aquitania, siendo un municipio ubicado en el departamento de Boyacá, registra en la zona rural 45,24 IRCA rural (Índice de Riesgo de la Calidad de Agua para consumo humano) y un % IRCA de 28,73 lo cual refleja que el agua distribuida presenta un riesgo medio, es decir no es apta para el consumo humano (Tabla 1), donde los resultados fueron calculados con base en análisis de la muestras de vigilancia de la calidad física, química y microbiológica del agua para consumo humano, de acuerdo a lo estipulado en el Capítulo VI de la Resolución 2115 de 2007 de los Ministerios de Salud y Protección Social y de Vivienda, Ciudad y Territorio [1].

Tabla 1. Análisis del IRCA del municipio de Aquitania, Boyacá, en 2013 [1]

Población Urbana Rural Muestra Puntos

reportados Meses

reportados IRCA Rural

IRCA Urbano

IRCA %

Nivel Riesgo Rural Urbana Reportada

15.577 6.267 9.310 20 13 33 7 9 45.24 3.32 28.73 Medio

Requerimientos. Se establecieron dos tipos de requerimientos los cuales son los requerimientos funcionales que son los parámetros que se deben cumplir para un óptimo funcionamiento del sistema y los requerimientos del cliente que son aquellos que se deben cumplir para satisfacer las necesidades que se expresaron. Además, se elaboró una matriz de requerimientos donde se evaluó los siguientes parámetros tanto funcionales como del cliente, donde se establece que a cada requerimiento se da una razón en contraste con los demás requerimientos.

Del cliente. El cliente es una población rural que busca principalmente tener accesibilidad constante al recurso sin tener un riesgo muy grande, además de también buscar comodidad económica para poder llegar a tener acceso al producto, por lo que el filtro construido buscó que fuese un modelo de bajo costo para el consumidor, es decir, que lo materiales con que fuese hecho el sistema fueran baratos sin perder la calidad del filtro, y de esta manera cualquier persona tenga acceso a este.

Cabe resaltar que se realizó una salida técnica a la población de Aquitania, Boyacá donde se

realizó una encuesta para sondear cómo es la percepción de los pobladores en cuanto a la calidad del agua que consumen donde se obtuvo información valiosa acerca del uso de agua y de la cantidad de personas que utilizan este recurso. Entre la información obtenida se puede destacar que muchos habitantes coinciden en cuanto a que se percibía un sabor a cloro del agua, por lo que se veía como una opción realizar un filtro químico por medio de alguna técnica química o física para remover químicos tóxicos del agua, pero al realizar pruebas de laboratorio se observó que no era un factor concluyente en la calidad del agua.

De las encuestas se encontró un índice de personas que tienen enfermedades digestivas de manera frecuente y creen que esto puede ser producto de la mala calidad del agua a la cual se ven expuestos por lo que podría ser un índice de un alto porcentaje de microorganismos que afectan al sistema digestivo de las personas, además de que en la zona se encuentran muchos animales domésticos que también pueden verse afectados o pueden contaminar la zonas

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aledañas a las que se encuentran por lo que el riesgo biológico en agua y suelo se aumenta.

Funcionales. Para los requerimientos funcionales se debe tener en cuenta el tiempo de filtración debido a que en este aspecto se debe tener disponibilidad del agua filtrada de manera constante. También se analizaron los modelos del mercado, en los que se encontró que deben ser de un tamaño considerable debido a que, en la población objetivo, las familias usualmente son numerosas, de donde se obtuvo que, como mínimo, se deben filtrar 14 litros de agua diarios.

Junto con lo anterior se observó la posibilidad de que no solo se pudiesen filtrar microorganismos, sino también partículas de gran tamaño que afectan la calidad y por ende el sabor del agua. Además, estas partículas, como la grava o piedras, podrían llegar a dañar el filtro de membrana por lo que se busca robustez en el modelo, implementando una malla de acero inoxidable, encargada de filtrar partículas de mayor tamaño.

Se tuvo en cuenta que el filtro debe funcionar a plenitud, garantizando una calidad de filtrado alta, para poder cumplir con el objetivo del proyecto: Minimizar el riesgo de consumo de agua. La calidad del agua filtrada se tendrán en cuenta los parámetros de calidad de agua potable descritas en los capítulos II y III de la resolución 2115 del 22 de junio de 2007, en donde se tendrá especial cuidado en el color aparente, el cual debe ser de 15 UPC (Unidades de Platino Cobalto), el olor y el sabor, el cual puede ser aceptable o no aceptable, la turbiedad, que debe ser de 2 UNT (Unidades Nefelométricas de turbiedad), y con 0 UFC/100 cm3 (Unidades Formadoras de Colonias, o microorganismos, por cm3) en cuanto a Escherichia coli. [11] Estos parámetros son los más pertinentes para este proyecto, debido a que se analizará agua común y la membrana no tiene capacidad filtrante para iones, metales pesados y otras sustancias químicas.

Teniendo en cuenta los requerimientos tanto funcionales como del cliente se dieron unos porcentajes a cada ítem de la Tabla 2 para lograr así determinar cuál es el parámetro principal por el cual se guiarán los diseños preliminares y después los finales.

Tabla 2. Tabla de porcentaje de requerimientos para el diseño preliminar

Requerimiento % Velocidad de filtrado 10 Economía 15 Cantidad de agua filtrada 15 Robustez 15 Calidad de agua 30 Tamaño 10 Filtro Químico 10

Total 100

Cada parámetro se basa en la premisa de que se requieren 14 L de agua diarios, por lo que se

debe evaluar la velocidad de filtrado, la cantidad y la calidad del agua, la posibilidad de aplicación de un filtro químico y el tamaño del sistema; y teniendo en cuenta la población objetivo, se debe evaluar el precio y la robustez del sistema.

Diseño conceptual y detallado. Una vez definido el alcance del problema se procedió a generar alternativas o conceptos de filtros. Los diferentes conceptos establecidos se realizaron variando la estructura, forma de acoplar el dispositivo al suministro de agua, disponibilidad de agua filtrada de forma continua o intermitente, entre otros. Algunos de los conceptos generados se presentarán más adelante en los resultados. Luego se evaluó cada uno de los conceptos centrándose en los requerimientos con mayor peso, como lo son la economía, velocidad de filtración de agua, calidad y robustez, de esta evaluación resultó el concepto dominante a partir del cual se llevó a cabo el diseño en detalle.

Una de las características más importantes para un filtro es el área de filtración, ésta define el caudal que se obtendría de agua filtrada. Para dimensionar el tamaño del filtro se realizaron pruebas en el laboratorio a partir de una pequeña muestra de agua (250 mL) y un sistema de filtro al vacío (Figura 2) se logró determinar el caudal de filtración y la velocidad de filtrado o flujo. Con ello se pudo determinar las dimensiones del filtro necesarias para obtener 14 L de agua en un tiempo adecuado para suplir las necesidades de una familia.

Evaluación experimental. Para evaluar la capacidad de filtración de las membranas MARTIN implementadas en la construcción del filtro, se realizaron diversas pruebas de laboratorio con dos tipos de organismos presentes comúnmente en aguas de consumo humano.

Muestras Biológicas. Se utilizaron dos tipos de muestras biológicas. 50 mL de cultivo de E. Coli cepa BL21 en medio LB (Luria Bertani), esta muestra fue proporcionada por el Laboratorio de Genética Molecular Bacteriana de la Universidad El Bosque. La otra muestra de 10mL de ooquistes de Toxoplasma gondii en PBS1X, esta muestra fue obtenida del grupo de Investigación GEPAMOL de la Universidad del Quindío. Todo el material biológico fue manipulado siguiendo estrictamente los protocolos de Bioseguridad de laboratorios nivel BSL2.

Preparación de las membranas MARTIN. Antes de utilizar las membranas MARTIN, éstas fueron sometidas a una preparación previa. Inicialmente se obtuvieron 6 fragmentos de la membrana MARTIN cada uno con un diámetro de 4,5 cm. Dichos fragmentos se sumergieron completamente en agua destilada desionizada por 48 horas. Posterior al tiempo de lavado

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cada fragmento se trasladó a un nuevo recipiente para utilizarlos en los procesos de filtración (Figura 1).

Figura 1. Fragmentos de membrana MARTIN,

diámetro de 4,5cm

Filtración al vacío. Se realizaron varias pruebas de filtración al vacío haciendo uso de los fragmentos de membrana MARTIN preparadas previamente. Se realizó el montaje del sistema de filtración al vacío el cual consiste en un Erlenmeyer con desprendimiento lateral, una bomba de vacío, un embudo para filtración con acople magnético, un vaso de fondo magnético con tapa y una manguera (Figura 2).

Figura 2. Membrana MARTIN ubicada en el

sistema de filtración al vacío

La muestra de E. Coli inicialmente se dividió en dos, cada una de ellas de 25mL. La primera fue filtrada directamente utilizando el sistema de filtración al vacío descrito anteriormente (Tratamiento 1. Tabla 2). La segunda muestra fue sometida a un proceso de centrifugación por 10 minutos a 4000 RPM, el sobrenadante obtenido fue posteriormente filtrado (Tratamiento 2. Tabla 2). Además, se utilizó una muestra 5mL de ooquistes de T. gondii en PBS 1X, la cual se filtró directamente en el montaje de filtración al vacío (Tabla 2). Finalmente se filtró una muestra control definida por 50 mL de agua destilada desionizada (Muestra Control. Tabla 2).

Para cada proceso de filtración se tomaron los tiempos en los cuales se obtuvo un filtrado total y cada fragmento de membrana MARTIN utilizada fue retirada del montaje y sometida al proceso de preparación para caracterización por Microscopía Electrónica de Barrido, MEB. Así mismo, los filtrados de los tratamientos 1 y 2 fueron analizados mediante Tinción de Gram y visualización mediante microscopía óptica convencional.

Tinción de Gram y Microscopía Óptica

Convencional. Para el fijado de las muestras teniendo en cuenta que el cultivo de E. coli estaba en medio líquido, se tomó 1mL del

filtrado de los tratamientos 1 y 2, los cuales se depositaron y extendieron en el portaobjetos, luego se dejó secando a temperatura ambiente aproximadamente 2 horas. Finalmente se fijaron las muestras pasando rápidamente el portaobjetos unas, dos o tres veces sobre la llama del mechero.

Para la tinción de Gram se cubrió completamente el extendido con violeta de genciana y se dejó actuar por 1 minuto, luego, se enjuagó la lámina con agua destilada y se añadió solución de Lugol, dejando actuar 1 minuto. Posteriormente, se decoloró con alcohol al 95%, por 10 segundos, se enjuagó con agua corriente, se cubrió con safranina, dejando actuar por 1 minuto y se enjuagó con agua corriente, posteriormente, se dejó secar la lámina a temperatura ambiente. Finalmente se visualizó cada lámina en un microscopio marca Olympus, serie CX2, modelo CX41 y las imágenes se capturaron con una cámara Canon EOS 700D DSLR, con adaptador AmScope para microscopio, que posee una potencia de aumento de 2X utilizando objetivo 100X.

Microscopía Electrónica de Barrido, MEB. Para el proceso de microscopía electrónica de barrido de las membranas MARTIN utilizadas en la filtración al vació, se realizó un proceso previo de fijación de dichas membranas. Se realizaron varios lavados utilizando diferentes soluciones. Inicialmente se sumergieron las membranas en buffer PBS1X (pH 7.4) por 10 minutos, luego se trasladaron a una solución de glutaraldehido al 2.5%v/v por 6 horas, posteriormente se realizaron tres lavados en soluciones de etanol al 50%, 70% y 95%, por 10 minuto en cada solución. Luego se sumergieron en etanol absoluto por 20 minutos y se realizó un último lavado de 20 minutos en etanol absoluto. Finalmente se trasladaron las muestras a los laboratorios para el proceso de MEB. Previo a la microscopía electrónica de barrido se realizó el proceso de secado por punto crítico y posteriormente el recubrimiento con Au.

3. Resultados y Discusión

3.1 Generación de conceptos

Teniendo en cuenta el objetivo principal, que consiste en diseñar un sistema de filtrado que haga uso de la tecnología de membranas para limpiar agua corriente, se realizó un diseño preliminar del sistema, que se puede observar en la Figura 3, que consiste en un tubo de PVC y dos acoples, uno en el que se acopla una malla de acero inoxidable de tamaño de agujero de 0.05 mm para filtración de partículas grandes con el fin de evitar una saturación de la membrana, y en el otro se acopla la membrana, con un diámetro de ½ in, o 1.27 cm, para la filtración de los ooquistes. Ambos acoples se unen a los extremos del tubo y este se conecta a la tubería de salida del lavavajillas por medio de una derivación de la

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misma con una unión en T, de tal forma que el agua pase primero por la malla metálica y luego por la membrana; la otra derivación de la unión estaría unida a la salida normal del lavavajillas; de esta forma, se tendrían dos salidas de agua: una con agua corriente y otra con agua filtrada para el consumo, esto con el objetivo de alargar la vida útil de la membrana. Esta idea tenía la ventaja de ser simple, económica y utilizar materiales de fácil acceso, sin embargo, en este diseño se encontró que el área de filtrado era demasiado reducida lo que implicaba una reducción en la eficiencia de la membrana y, por otra parte, no se tenía un método confiable para unirla al acople, para que se garantizara que no hubiera fugas de agua alrededor de la membrana.

Figura 3. Diseño preliminar del sistema de filtración

Evaluados dichos aspectos, se realizó un segundo

diseño, basado en los sistemas de filtración que actualmente se encuentran en el mercado, y se realizó una nueva alternativa de filtro de tal manera que se aumentara el área de filtrado, al disponerlo de forma cilíndrica, usando así una mayor superficie de la membrana y de la malla. Como se puede observar en la Figura 4, la entrada de agua causa el llenado del sistema en la parte central, la cual tendrá acoplada la malla al soporte en primer lugar, enrollando alrededor de esta la membrana, dando soporte de esta forma y permitiendo así que el filtrado de partículas grandes se haga de

primera, para que luego el agua atraviese la membrana, filtrando de esta forma microorganismos como los ooquistes.

Figura 4. Segundo diseño preliminar

3.2 Análisis de pruebas de filtración al vacío Se realizaron varias pruebas de filtración, haciendo

uso de uno de los cortes de membrana y el sistema de filtración, que consiste en un Erlenmeyer con desprendimiento, una bomba de vacío, un embudo para filtración con acople magnético, un vaso de fondo magnético con tapa y una manguera. Primero, se acopló el embudo al Erlenmeyer por medio de un corcho, para luego ubicar el corte de la membrana sobre la rejilla en el centro del embudo, como se observa en la figura 2, y encima de este se acopló el vaso de fondo magnético.

Seguidamente, se conectó a través de la manguera, el Erlenmeyer con la bomba de vacío. Hecho esto, se procedió a la realización de las pruebas de filtración, en las que se agregó 250 mL de agua corriente al vaso, luego se tapó y se encendió la bomba de vacío. Finalmente, se cronometró el tiempo en el que se filtraban 50 mL de muestra y se midió la presión por medio del medidor de la bomba. Con base a estas pruebas, se obtuvieron los resultados expuestos en la Tabla 3.

Tabla 3. Resultados de pruebas de filtración al vacío con membrana MARTIN

Volumen filtrado (mL) Tiempo (min) Presión (kPa) Caudal (mL/min) Flujo (mL/min/cm) 50 11.666 14.6 4.286 0.359

100 24.024 14.6 4.163 0.349 150 37.119 14,8 4.041 0.338

A partir de los datos de la prueba se calculó el caudal y el flujo del líquido a través de la membrana, por medio de las ecuaciones (1) y (2), respectivamente.

t

VQ

(1)

Donde Q es el caudal, V es el volumen y t es el tiempo que tardó en filtrar dicho volumen.

A

Qf

(2)

Donde f es el flujo del líquido y A es el área que este

atraviesa, siendo este caso, el área del filtro en el que está ubicada la membrana. Hay que resaltar que a pesar de que el diámetro de la membrana era 4.5 cm el diámetro efectivo del disco de filtrado fue de 3.2 cm para el cual corresponde un área efectiva de filtrado de 8.04 cm2.

Los resultados indican dos aspectos fundamentales acerca de la filtración promedio de membranas MARTIN: que dado el tiempo que tarda en filtrar 50 mL, 100 mL y 150 mL de agua, su permeabilidad es baja, y que, aunque la presión del Erlenmeyer se mantiene constante, hay una influencia significativa de la cantidad de líquido a filtrar en el tiempo de filtración. Estos cálculos

permitieron evidenciar la velocidad de filtración de la membrana, cuando está sometida a un vacío, de acuerdo con el volumen que se está filtrando. En promedio el caudal es 4.13 mL/min. De esta forma se pudo concretar que el filtrado de la membrana es lento, al filtrar aproximadamente 4 mL cada minuto. Además, el flujo es relativamente bajo, 0.348 mL/min/cm, menor al de otras membranas comerciales, 2mL/min/cm, con tamaño de poro igual al de la utilizada en las pruebas, 0.1µm.

3.3 Diseño final del filtro

Finalmente, se realizó el diseño que se observa en la

Figura 5, con el que se busca, al igual que en los otros, que la primera barrera de filtrado sea la malla de acero inoxidable y la segunda sea la membrana MARTIN. Según las pruebas realizadas se determinó que se necesitaba una mayor área de filtrado que el pensado inicialmente para el segundo diseño preliminar (figura 4). El área de filtración requerida, de acuerdo con los datos de la Tabla 3, debe ser 180 cm2 para filtrar 14 L en dos horas. Según estos datos se determinaron las dimensiones del filtro, las cuales son: altura 22 cm y radio 15 cm. Como resultado se tiene una velocidad de filtración de 116

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mL/min y una capacidad de almacenamiento aproximadamente de agua filtrada de 15 L.

Figura 5. Diseño de filtro final

3.4 Resultados microscopía óptica

Figura 6. A) Filtrado obtenido del Tratamiento 1. Tinción

de Gram. 100X. B) Filtrado obtenido del Tratamiento 2. Tinción de Gram. 100X. Microscopio Olympus CX31

Se realizó la visualización en microscopio óptico utilizando objetivo 100X y se hizo un registro fotográfico

de lo observado. En la lámina del filtrado correspondiente al tratamiento 1 (Figura 6A) y al tratamiento 2 (Figura 6B) no se observaron estructuras de E. coli, lo cual sugiere que la membrana MARTIN realizó exitosamente su proceso de retención del material biológico.

3.5 Análisis de la retención de microorganismos en

Membrana MARTIN La microscopía electrónica de barrido permitió

obtener imágenes de las membranas MARTIN utilizadas en los procesos de filtración. En las Figuras 7A y 7B se observan las bacterias E. coli retenidas en la membrana, así como también se observan partículas del medio de cultivo. Se observa mayor concentración en la figura 7A debido a que esta filtración se realizó para la muestra que contenía la mayor concentración de bacterias y medio de cultivo. En la figura 7B se puede observar el tamaño de varias bacterias encontrándose en un rango entre 1.4cm y 2.7cm de longitud, como lo indica la literatura el tamaño de E. coli oscila en los 3 cm de diámetro.

Figura 7. A) Membrana MARTIN, Tratamiento 1. E. coli cepa BL21; B) Membrana MARTIN, Tratamiento 2. E.coli cepa BL21

Los resultados de este trabajo también evidencian la capacidad de retención de las membranas MARTIN para ooquistes de T. gondii, un parásito de afectación humana que puede establecer mecanismos de infección mediante agua de consumo humano. En la Figura 8 se observa un ooquiste de T. gondii filtrado en una membrana MARTIN con un tamaño aprox. de 7.2 µm de diámetro. Según reportes de la literatura los oosquites de este parásito pueden oscilar entre 7 a 13 µm de diámetro [6, 11].

Figura 8. Membrana MARTIN. Filtración de ooquistes de T.

gondii

En la Figura 9 se puede observar parte de la superficie

estructural de la membrana MARTIN, se aprecian poros con tamaños que oscilan entre 300 a 400 nm de diámetro, también se evidencian poros de tamaños más grandes de aproximadamente 1 y 2 µm de diámetro. Las especificaciones que da el proveedor de la membrana es

que el tamaño de poro máximo es de 100 nm [5], sin embargo, hay que tener en cuenta la forma estructural de la membrana y tal como evidencia las imágenes esta tiene diferentes capas. Los poros observados son los de la superficie y no los de las otras subcapas que podrían tener un tamaño menor.

Figura 9. Membrana MARTIN. Filtración Muestra Control

3.6 Análisis de los tiempos de filtración con

muestras biológicas

Para evaluar la velocidad de filtrado se tomaron los tiempos en filtrar el volumen total de la muestra con material biológico, obteniendo diferencias en los tiempos de filtrado (Tabla 4). Se observó que para la muestra del tratamiento 1 el tiempo de filtración fue de 78.3 minutos considerando que esta muestra contenía además de las bacterias las partículas que componen el medio de cultivo, lo que aumenta el tiempo de filtración teniendo en cuenta que el tamaño promedio de los poros de la

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membrana MARTIN se encuentra alrededor de 100 nm de diámetro. La muestra correspondiente al tratamiento 2 a la cual se le realizó un proceso de centrifugación para eliminar medio de cultivo presentó un tiempo de filtración de 11.41 minutos, así como un tiempo aproximado para la muestra de ooquistes de T. gondii los cuales se encontraban resuspendidos en PBS1X. La muestra control definida solamente por H2Odd se filtró en un tiempo de 6 minutos para 25mL.

Tabla 4. Tiempos de Filtración. Muestras Biológicas

Volumen (mL) Tiempo (min) Muestras

25 78,3 Tratamiento 1 (E. coli) 25 11.41 Tratamiento 2 (E. Coli)

5 11.45 Ooquistes de T. gondii 50 12.4 Muestra Control

4. Conclusiones

Las membranas MARTIN implementadas en los procesos de filtración lograron retener bacterias E. coli de la cepa BL21 y ooquistes de T. gondii, lo cual indica que estas membranas son una gran opción para la construcción de filtros para agua de consumo humano, teniendo en cuenta que en Colombia existen alrededor del 28 % de la población rural consumiendo agua en condiciones de alto riesgo para la salud,

Las membranas MARTIN poseen poros del tamaño de 300 nm en su superficie, lo cual sugiere que cualquier organismo por encima de este tamaño tiene una alta probabilidad de ser retenido en estas membranas.

Si bien las membranas de ultrafiltración son excelentes para separar micropartículas o microorganismos del agua, esta propiedad se compensa teniendo una baja velocidad de filtrado, alrededor de 116 mL/min para el filtro diseñado, con un área de filtrado de 180 cm2.

Para garantizar un mayor caudal de salida de agua filtrada es necesario aumentar el área de filtrado, sin embargo, para el problema planteado no sería necesario pues el filtro se puede acoplar a un sistema de almacenamiento de agua filtrada. Los 14 L de agua que en promedio consume una familia en la población estudiada se filtrarían en dos horas. Con un recipiente que permita almacenar dicha cantidad de agua una familia dispondría de agua filtrada durante el día y en la noche en un par de horas el recipiente de almacenamiento estaría en su capacidad máxima para abastecer de nuevo de agua filtrada.

Para una próxima fase se tiene la fabricación del sistema de filtrado. Se utilizará impresión 3D, usando PLA o ABS y materiales comerciales con el fin de que las piezas sean estándar y de fácil adquisición. Las piezas que requieren impresión 3D son aquellas uniones entre diferentes elementos, acoples y sujeciones que exigen precisión y geometrías particulares; para las piezas de forma tubular, empaques, roscas, entre otras se utilizan elementos de dimensiones comerciales para disminuir costos de fabricación y que sean de fácil reemplazo de ser necesario.

Se ha contemplado la realización de diversas pruebas de filtración con el fin de verificar el funcionamiento del

sistema diseñado una vez construido, donde finalizadas las pruebas de laboratorio se realizarán unas pruebas de campo para evaluar la calidad de filtrado con aguas recolectadas en la zona rural del municipio de Aquitania. Posteriormente se plantea la construcción de varios de estos filtros con la intención de que varias familias lo utilicen por un tiempo para conocer cuál es la experiencia del usuario y el impacto en la sociedad que es uno de los objetivos del proyecto.

Agradecimientos

Vicerrectoría de Investigaciones. Universidad El Bosque. Programa de Bioingeniería. Facultad de Ingeniería. Grupo de Investigación Laboratorio de Genética Molecular Bacteriana de la Universidad El Bosque y Grupo de Investigación GEPAMOL Universidad del Quindío.

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[11] Ministerio de la Protección Social y Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Resolución Número 2115. Por medio de la cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano.

[12] Dubey, J. (2007) The history and life cycle of Toxoplasma gondii. En Weiss L. & Kim, K. (Eds.), Toxoplasma gondii the model apicomplexan: perspectives and methods (pp. 1-17). London: Academic Press.