Carbón Activado: Avances Modernos para una Tecnología Antigua

Carbón Activado:
Avances Modernos para
una Tecnología Antigua
Por Jeffrey A. Trogolo, Ph.D.
Desde el año 1500 AC, cuando los antiguos egipcios e
hindús filtraron por primera vez el agua y las medicinas
con carbón activado, éste ha sido utilizado como filtro
para eliminar las impurezas del agua, aire, gases, bebidas
procesadas y productos farmacéuticos. Hoy en día, ya sea en
bloque o granulado, el carbón activado sigue siendo uno de
los principales elementos de filtración en los filtros de agua
industriales, comerciales y domésticos, proporcionándoles a los
usuarios agua sin sabores, olores, partículas, y otras impurezas
no deseadas.
El carbón activado ha sido el principal elemento de filtración
de agua durante varios milenios; sin embargo, aún hay espacio
para mejorar. Durante los últimos 30 años, numerosos estudios
científicos han demostrado que el carbón activado tiene un
problema con la contaminación bacteriana al ser utilizado en
aplicaciones de filtración de agua. Simple y sencillamente,
el carbón es un excelente medio para el
crecimiento de bacterias propagadas a
través del agua. Una vez que las bacterias
hayan colonizado un filtro de agua de carbón
activado, éstas introducen más bacterias al
efluente que el agua que está ingresando al
filtro, a menudo introduciendo las mismas
impurezas que el agua está tratando de
eliminar. Es importante indicar que los filtros
que contienen un antimicrobiano y que tienen
certificación bacteriostática NSF-42 tienen
la intención de limitar la ‘amplificación’ típica
de las bacterias HPC en el efluente del filtro
de carbón de del flujo de ingreso de agua
potable, al contrario de un filtro de purificación
de agua, que tiene el objetivo de purificar el
agua microbiológicamente insegura.
Para resolver este problema, los
innovadores tecnológicos han utilizado un
‘material inteligente’ de zeolita basado en una de las tecnologías
antimicrobianas más antiguas conocidas a la humanidad: la
plata. Las zeolitas de plata proveen una excelente protección
antimicrobiana para los materiales en un sinnúmero de
aplicaciones, incluyendo dispositivos médicos, productos de
salud, equipo para servicio y manufactura de alimentos, y
productos del consumidor. Al adherirse a un filtro de carbón
activado, estas zeolitas sueltan iones de plata de una manera
eficiente, controlada, que impide exitosamente el crecimiento
Figura 1. Un diagrama esquemático
de la estructura cristalina de
la zeolita, Las esferas azules
representan a la plata en los poros.
bacteriano a lo largo de la vida efectiva del filtro, protegiendo
a los filtros de la contaminación bacteriana. El mecanismo de
liberación de plata es el intercambio iónico; las condiciones que
permiten el crecimiento de bacterias (humedad y nutrientes,
incluyendo los electrolitos) son las condiciones que provocan la
emisión de plata. Al alcanzar el equilibrio diseñado para lograr
una concentración antimicrobiana, la plata dejará de ser emitida.
Esta combinación de tecnologías antiguas y ciencia de materiales
del siglo 21, representa la próxima generación de tecnologías
de filtración.
El problema con el carbón
A lo largo de los años 1970s y 1980s, las quejas e inquietudes
del público respecto al sabor, olor, y hasta las implicaciones de
salud de las impurezas presentes en el agua potable, dieron
origen a una explosión en la popularidad de la filtración por
carbón activado. Las municipalidades
empezaron a utilizar carbón activado para
combatir los problemas de sabor, olor y
contaminantes orgánicos en los suministros
de agua, mientras que los consumidores y
negocios instalaron filtros para el punto de
uso y punto de entrada en sus tuberías de
agua. A raíz de estas tendencias, se llevaron
a cabo varios estudios en los años 1980s y
1990s para evaluar la eficacia de los filtros
de carbón activado, al igual que su problema
con la contaminación bacteriana. Durante
esos años, investigadores de Montana,
California y Ontario publicaron estudios
independientes sobre la contaminación de
los filtros de carbón activado en la revista
Applied and Environmental Microbiology.
Casi universalmente, estos equipos
investigativos hallaron niveles bacterianos
significativamente mayores en el agua que fluía desde los filtros
de carbón activado que en el agua afluente (Tobin, Smith y
Lindsay, 1981). Durante la vida normal útil de un filtro de agua,
las bacterias que ocurren naturalmente y que se encuentran
presentes en el agua afluente colonizaron el carbón activado
dentro de los filtros de agua. Una causa significativa de la
contaminación de los filtros es la higiene inapropiada durante
la instalación del filtro. La utilización de guantes para evitar el
contacto de las manos con el filtro y el uso de componentes con

cobertura mojada debiera ser una práctica común durante el
reemplazo de filtros.
Esta contaminación bacteriana no es una sorpresa; las
mismas características que hacen del carbón activado un
filtro tan efectivo lo convierten en un medio acogedor para las
bacterias. Las bacterias se adhieren fácilmente a la superficie
porosa del carbón activado, la cual posteriormente las protege
de las fuerzas de fluidos que podrían desprender la colonia en
crecimiento. Las propiedades adsortivas del carbón enriquecen
las concentraciones de nutrientes y oxígeno en la matriz de
carbón, proporcionando comida para la colonia, al mismo tiempo
que se adhiere a, y neutraliza los compuestos de cloro que de
otra manera podrían matar a las bacterias.
En la mayoría de los casos, los organismos
son no-patogénicos, de la variedad que se
encuentra en casi cualquier suministro de agua;
sin embargo, queda la posibilidad de que los
filtros de carbón activado podrían ser también
un medio fértil para la reproducción de bacterias
patogénicas, si es que estas contaminan un
suministro de agua.
Aunque estas bacterias rara vez presentan
un riesgo para la salud de los usuarios que
beben, cocinan, limpian o preparan bebidas
con agua filtrada, sí reducen la eficacia del
filtro además de producir productos residuales
que contaminan el agua efluente. Cuando las
bacterias colonizan un filtro de agua, éstas
producen una biopelícula resbaladiza—una
acumulación de microorganismos y proteínas
extracelulares, ADN y azúcares secretadas de las células—que
cubre el carbón. La biopelícula reduce la capacidad adsortiva del
carbón activado, por lo que filtra el agua de manera menos efectiva.
Además, la biopelícula puede verdaderamente desprenderse del
filtro, produciendo sabores y olores desagradables, y partículas
en el efluente que al final de cuentas será consumido como agua
potable, hielo o bebida preparada, como agua gaseosa o café.
La limpieza mecánica puede eliminar las biopelículas de
los componentes de filtro, proporcionando una solución de corto
plazo para este problema, pero a menudo los componentes de
un sistema de filtración en un enfriador de agua, refrigeradora o
filtro en línea son difíciles de accesar. El mantenimiento cotidiano
y el reemplazo frecuente de filtros de grado comercial o grado
industrial pueden incurrir un costo significativo de materiales y
tiempo del personal, mientras que los consumidores podrían
olvidarse o ignorar las recomendaciones del fabricante para la
limpieza y reemplazo de filtros. Sea cual sea el caso, el resultado
es el mismo: se introducen impurezas en el agua de efluente a
través del filtro en sí. Para resolver este problema, en primer
lugar los fabricantes necesitan elaborar o utilizar una tecnología
para prevenir la colonización bacteriana de los filtros de agua
de carbón activado.
Materiales inteligentes, soluciones inteligentes
Para proveerles a los filtros de agua de carbón activado
una protección antimicrobiana duradera, los fabricantes de filtros
se dirigieron a otra tecnología antigua, la plata antimicrobiana.
La plata ha sido utilizada por sus propiedades antimicrobianas
por casi tanto tiempo como el carbón activado ha sido utilizado
para la filtración. Tan temprano como el siglo 6 AC, Cirio,
Rey de Persia, decretó que su agua debía ser transportada
solamente en recipientes de plata para mantener su pureza. La
plata es un antimicrobiano de amplio espectro que elimina las
bacterias a través de múltiples modos de acción: interfiere con el
metabolismo de las bacterias, ataca las proteínas que forman las
bacterias, e impide la replicación bacteriana. Aun en cantidades
muy pequeñas, elimina efectivamente las bacterias con muy poco
chance de que éstas desarrollen resistencia. En comparación con
otros iones fácilmente disponibles (metálicos y de otro tipo), la
plata impide el crecimiento microbiano a niveles cercanos a 20
Figura 2. Tasas de inhibición de crecimiento microbiano
ppb, un nivel mucho menor que las sustancias similares tales
como el cobre, cinc, o sustancias químicas antimicrobianas (ver
la Figura 2).
Las zeolitas de plata han comprobado ser el medio más
efectivo para proteger los filtros de carbón activado contra la
contaminación bacteriana, ya que sueltan iones de plata de una
manera controlada, proporcionando protección antimicrobiana
a lo largo de la vida asignada al filtro. La estructura cristalina
de una zeolita de plata atrapa los iones de plata dentro de
una estructura porosa interna, interconectada. Esta estructura
microscópica hace que una superficie tratada sea un material
inteligente, ya que los iones de plata son soltados solamente
cuando las condiciones para la colonización bacteriana están
presentes. Por lo tanto, cuando una superficie se encuentra
mojada, la superficie que contiene zeolita se hace activa,
emitiendo plata a una concentración antimicrobiana. Una vez
la concentración llega a niveles antimicrobianos, la zeolita se
apaga, preservando el reservorio de plata para proveer una
vida útil más prolongada. Las zeolitas de plata ya están siendo
utilizadas en varias aplicaciones antimicrobianas que requieren
la emisión controlada de iones de plata y, por lo tanto, están
registradas con la US EPA para su uso en contacto con los
alimentos y el agua potable, y son utilizadas en aparatos médicos
aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos
(FDA, en inglés). La tecnología de zeolita de plata también
satisface los altos estándares establecidos para la seguridad
de contacto de los alimentos y el agua establecidos por la US

EPA, la European Food Safety Authority (Autoridad Europea
de Seguridad de Alimentos), la National Sanitation Foundation
(Fundación Nacional de Saneamiento) y el California Department
of Pesticide Regulation (Departamento de Reglamentación de
Pesticidas de California). Aunque los consumidores podrían
no estar enterados de la naturaleza rigorosa de la certificación
bacteriostática de la NSF, los fabricantes de filtros comprenden
que un filtro que ha recibido esta certificación, provee una
protección antimicrobiana duradera, altamente efectiva. Aunque
los iones de plata son bactericidas, en términos de tipo de filtro, un
filtro bacteriostático está diseñado para que el agua de efluente
contenga aproximadamente la misma concentración de bacterias
que el agua afluente. El término bactericida se referiría a un
contexto de purificación del agua en el cual el filtro haría el agua
microbiológicamente contaminada segura para su consumo.
Figura 3. Crecimiento rápido de HPC en GAC
Un nuevo paradigma
La tecnología de filtros de carbón activado de zeolita de plata
provee una excelente oportunidad para los fabricantes de filtros
que están buscando diferenciar sus productos en un mercado
maduro de filtración de agua. Hay poco mercado por ganar
al poner a competir un filtro de carbón activado desprotegido
contra otro. Sin embargo, los consumidores educados y los
distribuidores de filtros reconocerán la protección antimicrobiana
incorporada en los filtros de carbón activado como un puto
clave de diferenciación. Los consumidores y empresas que
utilizan filtros de carbón activado claramente se preocupan de
los beneficios estéticos del agua filtrada, y están dispuestos a
pagar por filtros que proveen protección demostrable contra la
contaminación bacteriana.
Muchos fabricantes ya hacen afirmaciones acerca de
las propiedades antimicrobianas de sus filtros de agua. Sin
embargo, la mayoría de estas afirmaciones no son apoyadas
por los rigorosos procesos de certificación utilizados por
organizaciones tales como NSF. Estos filtros no logran su
certificación porque su rendimiento no es consistente a lo largo
de la vida útil asignada al filtro. Los filtros de zeolita de plata
han sido certificados por NSF por su función bacteriostática y
durabilidad. Esta protección antimicrobiana extendida les confiere
varios beneficios adicionales a los filtros de carbón activado de
zeolita de plata, en relación con los filtros de carbón activado
tradicionales impregnados con plata. Naturalmente, los filtros
Nitrato de plata… El Oro de los Tontos
La forma más sencilla de incorporar sustancias químicas
en el carbón activado es a través de un proceso conocido
como impregnación. El carbón activado impregnado es
a menudo utilizado para eliminar los contaminantes del
gas natural. Para las aplicaciones de filtración de agua,
el filtro de carbón activado es impregnado con nitrato de
plata y luego es calentado para convertir el nitrato a plata
metálica—siendo la teoría que las partículas metálicas
soltarán iones de plata al entrar en contacto con el agua,
proporcionándole protección antimicrobiana al filtro de
carbón.
Sin embargo, como sucede muy a menudo, la solución
más sencilla es a menudo la mejor. Los experimentos han
revelado que los filtros de carbón activado impregnados
con nitrato de plata no poseen protección antimicrobiana
de grado superior (Tobin, Smith y Lindsay, 1981). Más
probablemente, el flujo de agua a través del filtro lava
la plata en una etapa temprana de la vida útil del filtro,
quizás aun durante el proceso de pre-acondicionamiento.
Por lo tanto, los iones de plata no se encuentran
disponibles para proveerle protección antimicrobiana al
carbón al surgir el riesgo de contaminación bacteriana
durante el funcionamiento normal del filtro.
Recientemente, una serie de experimentos privados
llevados a cabo por compañías activas en el campo de
la filtración de agua, analizaron la cantidad de bacterias
por recuento de placas heterotróficas (HPC) en 100 mL
de agua antes y después de la filtración a través de un
filtro de agua de carbón activado granulado impregnado
con plata. Al principio de cada día, el orificio de entrada
fue separado y se dejó correr agua durante un minuto.
En ese momento, se tomó y midió una muestra de agua
(la muestra de afluencia) para determinar las bacterias
HPC. El orificio de entrada fue sujetado de nuevo al filtro
y se dejó correr agua nuevamente por un minuto. En ese
momento, se tomó una segunda muestra de agua (la
muestra de efluente) del conducto de salida del filtro. Se
tomaron muestras posteriores de afluente y efluente en
intervalos de 100 galones.
En más del 80 por ciento de los puntos de datos,
había más bacterias presentes en el agua efluente
que en el agua afluente, y en más de la mitad de los
puntos de datos, había presentes por lo menos cinco
veces más bacterias en el agua de efluente que en el
agua que ingresaba (ver la Figura 3). Este aumento
es probablemente el resultado del desprendimiento
de biopelículas del filtro contaminado, produciendo
altos recuentos de bacterias en el agua de efluente.
Los resultados de estas pruebas son claros. Los filtros
de carbón activado impregnados con zeolita de plata
les proveen a los consumidores y usuarios de filtros
comerciales la protección antimicrobiana que no puede
ser ofrecida por los filtros impregnados con plata.

de carbón activado de zeolita de plata proporcionan la misma
filtración de alta calidad de otros filtros de carbón activado,
perola vida efectiva del filtro se extiende mientras se reduce el
daño ocasionado por las bacterias y biopelículas. La carencia de
biopelículas y ensuciamiento bacteriano permite un mayor grado
de eficiencia del filtro, lo cual produce agua potable sin sabores
ni olores desagradables, la cual es beneficiosa y deseable para
aplicaciones de producción de hielo, café, y otras aplicaciones
del campo de servicio de alimentos. Ya sea que se utilicen en
ámbitos industriales, comerciales, o residenciales, los filtros de
carbón de zeolita de plata requerirán un menor mantenimiento,
reemplazo menos frecuente, y un menor costo de propiedad,
proporcionándoles a los usuarios un superior rendimiento, valor
y calidad de agua de efluente.
Conclusión
Los fabricantes innovadores ya se encuentran produciendo
filtros de bloque de carbón que incorporan zeolitas de plata para la
protección antimicrobiana para su uso en numerosas aplicaciones
comerciales y del consumidor, pero aún hay espacio para el
crecimiento en el desarrollo y la popularización de estos filtros.
Muchos usuarios de filtros de carbón activado no están al tanto del
problema de la contaminación bacteriana, y de aquéllos que están
enterados, muchos piensan erróneamente que la impregnación
con plata resuelve el problema. Además, muchos otros tipos de
filtros de carbón activado, incluyendo filtros de carbón activado
granulado, pueden beneficiarse de la aplicación de esta excitante
tecnología antimicrobiana. Los filtros de carbón activado de
zeolita de plata, que proveen vidas útiles más prolongadas y
niveles reducidos de contaminación por bacterias, crecerán sin
duda tanto en la variedad de aplicaciones como en su volumen
de ventas. La industria de filtración del agua podría finalmente
encontrarse al borde de resolver un problema que ha persistido
por 3,500 años.
Acerca del autor
Jeffrey A. Trogolo, Ph.D., Oficial Principal de Tecnología de
Sciessent, está a cargo de las operaciones tecnológicas y
elaboración de productos de la compañía, y fue un integrante
original del equipo que fundó Agion Technologies. Este trabajo
le ha merecido el Premio de Pioneros de Tecnología del 2006
otorgado por el Foro Mundial de la Economía. El Sr. Trogolo se
unió a Agion en 1998, luego de fungir como Científico y Director
de Investigaciones para aplicaciones de
dispositivos ortopédicos en Spire Corporation.
Durante su estadía en dicha, el Sr. Trogolo
elaboró aplicaciones antimicrobianas con plata,
utilizando deposición asistida por rayo de ión
en sub-estratos de metal y polímero y proceso
de modificación de superficie para mejorar el
desempeño de articulaciones artificiales. Antes
de trabajar para Spire Corporation, el Sr. Trogolo estuvo a cargo
de Niche Microstructural Corporation, una firma de consultoría y
caracterización de materiales. Además, es integrante de la Junta
Directiva de Solutions Benefiting Life (SBL), una organización
no lucrativa que tiene la misión de proveer agua más limpia,
más segura, a los países en vías de desarrollo. El Sr. Trogolo
ha publicado artículos en varias publicaciones y obtuvo su
licenciatura y doctorado en ciencias de materiales e ingeniería
del Rensselaer Polytechnic Institute. El Sr. Trogolo aparece como
inventor de 11 patentes emitidas y ocho patentes pendientes.
Acerca de la compañía
Sciessent, ubicada en Wakefield, Massachusetts, es un líder
en proporcionar soluciones al gusto del cliente que realzan el
valor de los productos de los socios. Las marcas Agion y Agion
Active de Sciessent se basan en la plata y otros elementos que
ocurren de manera natural y han sido incorporadas en una amplia
variedad de productos del consumidor, productos industriales y
de cuidado de la salud, incluyendo teléfonos celulares, zapatos,
teclados, filtros de agua, catéteres médicos y máquinas para
hacer hielo. Para obtener más información acerca de Sciessent,
por favor visite www.sciessent.com; para la marca Agion,
visite www.agion-tech.com y www.agionactive.com y siga la
apasionante campaña del consumidor de la marca Agion en
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