Introducción
La turbidez es una medida de la claridad de un líquido y es un parámetro muy importante en la determinación de la calidad del agua. Un líquido cristalino tiene baja turbidez, mientras que uno con mayor opacidad (es más difícil ver a través del mismo) tiene una alta turbidez.
En un día caluroso no hay nada mejor que tomar un vaso de agua fría para saciar la sed, darse un baño para bajar nuestra temperatura y eliminar el sudor del cuerpo. Cuando abrimos la llave del grifo, esperamos ver un agua limpia, completamente cristalina, sin ningún color que pueda asociarse a tierra, sucio o mal olor.
Cuando vamos a un río podemos observar que el agua tiene un cierto color y si nos acercamos lo suficiente, se perciben partículas muy pequeñas flotando, dependiendo de la ubicación y cuidado del río pueden llegar a ser apenas visibles. Por otro lado, existen cuerpos de agua que evidencian una mayor cantidad de arena suspendida y un color más fuerte; por lo general, esta característica nos hace cuestionarnos si es seguro sumergirnos allí o buscamos otra opción más agradable para nuestro día de diversión.
En algunas bebidas como la cerveza, el vino, café y ciertos jugos de frutas, cierto nivel de turbidez juega un papel importante en el sabor y características organolépticas del producto; sin embargo, debe controlarse muy de cerca para que no limite la fecha de expiración del mismo.
Como podemos ver, la turbidez es un parámetro de calidad presente en nuestra vida diaria que puede impactar tanto en nuestra salud como en las preferencias de consumo. Puede determinarse en laboratorio, en campo y en línea y forma parte de los análisis de calidad de rutina en industrias de agua, bebidas, alimentos y cosméticos.
¿Qué es la turbidez?
La turbidez es una medida de la opacidad de un líquido. La pérdida de transparencia se produce debido a la presencia de partículas en suspensión en el seno del líquido que dispersan la luz, haciendo que parezca nublado o turbio. Esas partículas pueden ser sólidos o pequeñas gotas de líquido insoluble que forman una suspensión coloidal.
Técnicamente, la turbidez es una característica óptica y se determina cómo la cantidad de luz que es dispersada por el material suspendido cuando un haz de luz atraviesa una muestra del líquido. Mientras más alta es la turbidez, más intensa es la luz dispersada.
Turbidez en la calidad de agua
La turbidez es un parámetro determinante de la calidad del agua. Dependiendo del tipo de agua estemos estudiando (natural, industrial, potable o embotellada) el impacto de la turbidez será diferente y por lo tanto, los niveles de aceptación descritos por las normas de calidad serán más o menos estrictos.
Entendiendo que tanto el agua de aplicación industrial, como la de distribución en la red doméstica y el agua embotellada, provienen de recursos naturales con niveles de tratamiento diferentes, podemos asumir que las fuentes de turbidez en el agua, en cualquiera de las etapas del proceso son las mismas y que dependiendo del destino final, los procesos de tratamiento serán más efectivos para su eliminación.
¿Qué causa turbidez en el agua?
La turbidez en el agua se debe a la presencia de material particulado de origen tanto orgánico como inorgánico. Arcilla, arena, limo, algas, microorganismos, minerales, plancton, materia orgánica.
Las fuentes de los compuestos causantes de la turbidez pueden diferenciarse en naturales (o de fondo) e inducidas. El sedimento proveniente de la erosión natural del suelo de tierras altas, ribereñas así como los canales de arroyos y estanques, se consideran fuentes naturales de turbidez. Sin embargo, las actividades humanas como la agricultura, los movimientos de tierra para construcción así como para la extracción minera y petrolera, pueden acelerar significativamente el proceso de erosión, incrementando la cantidad de sedimento a un nivel que ya no es natural del ciclo geológico.
Las algas y microorganismos acuáticos son fuentes naturales de turbidez. Su concentración en el agua puede incrementar de forma significativa producto de la presencia de una mayor cantidad de nutrientes como fósforo y nitrógeno. Por lo tanto, cualquier actividad que pueda inducir un aumento en la concentración de nutrientes como las descargas de escorrentías agrícolas, aguas residuales municipales y rurales, resultará en un aumento en la cantidad tanto de algas como de microorganismos y en consecuencia, habrá una mayor turbidez.
Impacto de la turbidez en el agua
Dependiendo de la aplicación y destino final del agua en cuestión, el impacto de niveles de turbidez fuera de los límites permitidos será diferente. En cuerpos de agua naturales una alta turbidez puede ocasionar serios problemas de salud del ecosistema. La disminución de la concentración de oxígeno disuelto es una de los principales problemas ocasionados por la turbidez en este tipo de aguas.
Las partículas suspendidas bloquean la luz solar que incide directamente sobre el cuerpo de agua, limitando la fotosíntesis de plantas acuáticas, lo que disminuye la producción de oxígeno aprovechable para la respiración de los peces. En su lugar, las partículas suspendidas absorben la luz del sol y ocasiona el incremento de la temperatura del cuerpo de agua, lo que disminuye la solubilidad del oxígeno disuelto y facilita su evaporación.
Por otro lado, el incremento de sedimentos en el fondo del cuerpo de agua pueden ocasionar que los lagos profundos alcancen más rápidamente su cota máxima. Además, cubren los huevos de los peces y sofocan las larvas, dificultando su reproducción.
La red de distribución de agua municipal también puede verse afectada por altos niveles de turbidez en los cuerpos de agua naturales. Durante la temporada de lluvias, cuando el lodo y el limo se lavan en ríos y arroyos, la alta turbidez puede bloquear rápidamente los filtros, disminuyendo su efectividad. La alta turbidez también llenará tanques y tuberías con barro y limo, y pueden dañar válvulas y grifos.
En el caso del agua potable y embotellada, realizar un adecuado tratamiento que minimice la turbidez es crítico para la salud humana. El material particulado es un excelente refugio para organismos patógenos como la Giardia lamblia cysts y la Cryptosporidium parvum oocysts, responsables de las enfermedades intestinales más comunes causadas por el agua. Estos protozoarios se insertan en los poros de las partículas, reduciendo su exposición a los químicos desinfectantes que se utilizan en el tratamiento del agua. Por lo tanto, la presencia de material particulado promueve el recrecimiento de los patógenos en el agua y disminuye el rendimiento del proceso de desinfección.
Turbidez en la industria de bebidas
En la industria de bebidas se presentan una amplia gama de tolerancias con respecto a la turbidez que dependen del tipo de producto y las preferencias de los consumidores.
Bebidas refrescantes
La claridad es importante en el diseño de bebidas que buscan saciar la sed, en general los consumidores asocian la claridad con sensaciones refrescantes y frescas. En la producción de bebidas saborizadas y energéticas es necesario controlar la formación de suspensiones generada por la adición de nutrientes y saborizantes que no son solubles en agua y constituyen la mayor fuente de turbidez. Mayormente se trata de líquidos oleosos que forman gotas de aceite microscópicas generando suspensiones coloidales. Este tipo de mezcla también se da por la dispersión de polvos finamente divididos en el líquido, dando como resultado una bebida turbia.- Para eliminar la turbidez en este tipo de mezclas se controlan las variables de proceso con la finalidad de disminuir el tamaño de partícula de los componentes insolubles por debajo de la longitud de onda de la luz natural. De esta manera, ya no generan un fenómeno de dispersión de la luz y el líquido parece una mezcla homogénea transparente.
- Controlar la turbidez del producto final permite identificar la efectividad de los tratamientos para la homogeneización de la mezcla y obtener un líquido completamente claro, atractivo para el mercado de bebidas refrescantes.
Cervezas
Actualmente el mercado de la cerveza ofrece un abanico de opciones para satisfacer distintos gustos y paladares. Dependiendo del tipo de cerveza que se produzca, las preferencias en sabor y cuerpo, así como los requerimientos de almacenamiento para mantener la estabilidad, determinarán el nivel de turbidez aceptado para la liberación del producto.- Anteriormente, la turbidez en la cerveza era una pesadilla para los productores industriales. En los últimos años el mercado y preferencia de los consumidores ha ido cambiando y las cervezas con cierta turbidez se han vuelto más populares. La medida de la turbidez es un parámetro que ayudará a monitorear la calidad de ambos estilos de cerveza y mantener la consistencia entre lotes de producción.
- Dependiendo de la naturaleza de las partículas que aportan turbidez en la cerveza, su impacto en la calidad del producto puede ser positivo o negativo, por lo que es esencial medir la turbidez en distintos puntos del proceso de producción.
- Las partículas que aportan características organolépticas claves en el sabor y cuerpo de la cerveza provienen de la formación de un complejo entre las proteínas producto del proceso de fermentación y otras moléculas llamadas polifenoles que están presentes en el producto final. Esta unión se da mediante la formación de enlaces de hidrógeno durante los primeros días de almacenamiento del producto, formando moléculas de mayor tamaño que se separan de la solución.
- Para la producción de cervezas claras, se acude a procesos de separación de fases (centrifugación y filtración) y se eliminan estás partículas en una extensión determinada por el diseño de la bebida. Por su parte, para las cervezas turbias o brumosas, esa turbidez cuya formación ha sido controlada en el diseño del proceso de producción, se mantiene.
- Por otro lado, existen una variedad de otros compuestos producto de malas prácticas de producción que pueden aportar turbidez a la cerveza. Alto contenido de metales traza en el agua de elaboración, malta mal modificada o malta con alto contenido de β-glucano, cantidades excesivas de los últimos derrames del macerado, una ebullición menos que vigorosa en el hervidor, un remolino ineficaz en el hervidor para obtener proteínas y partículas de lúpulo. sedimentación, levadura no floculante, levadura o mosto infectado, proteínas y taninos en suspensión por sedimentación insuficiente durante el almacenamiento, filtración ineficaz y alta concentración de oxígeno disuelto posterior al envasado o infecciones, son todos factores en la turbidez de la cerveza.
¿Cómo se mide la turbidez?
Dependiendo de la aplicación, la precisión deseada y el tipo de muestra a analizar, la turbidez puede medirse con diferentes instrumentos. De forma general, podemos separarlos en métodos visuales y turbidímetros.
Métodos visuales
El más básico se denomina Disco de Secchi, el cual proporciona una indicación de la profundidad máxima a la que la vida vegetal puede crecer al identificar la profundidad donde la luz ya no penetra en el agua. Para ello, se sumerge el disco atado a una cuerda, directamente en el cuerpo de agua natural que se desea estudiar y se anota la profundidad a la que el disco deja de ser visible.
La fotosíntesis no puede tener lugar sin luz, por lo que las plantas no crecerán a profundidades por debajo del nivel donde el disco de Secchi es visible cuando se sumergen. Para aplicaciones cualitativas en las que se tiene definido, según la variación estacional, las profundidades en las que se define un criterio de aceptación, el disco de Secchi es una opción económica, fácil de operar y que provee resultados rápidos.
Turbidímetro
Esencialmente, todos los medidores de turbidez operan bajo el mismo principio: se hace pasar a través de la muestra un haz de luz a una longitud de onda determinada. Un sensor detecta la cantidad de luz dispersada por las partículas no disueltas presentes en la muestra. Luego, un microprocesador convierte las lecturas en unidades de turbidez.
Existen diferentes diseños instrumentales que se adaptan a las variadas aplicaciones en las que se utilizan las medidas de turbidez, debido a que las variaciones en el tamaño, número, forma y color de las partículas suspendidas en ese fluido pueden afectar las lecturas proporcionadas.
Turbidímetros convencionales
El detector colocado a un ángulo de 180˚ con respecto a la muestra, mide la atenuación del haz de luz incidente una vez que ha atravesado la muestra a analizar. Esta medida puede verse afectada de forma importante por la presencia de moléculas coloreadas que absorban la luz en la misma longitud de onda utilizada, resultando en medidas no confiables por la incertidumbre que se genera al no poder discriminar la naturaleza de la atenuación de la intensidad del haz de luz incidente.
Por otro lado, cuando hay poca concentración de material suspendido o su diámetro es muy pequeño, hay poca dispersión de la luz, por lo que la atenuación de la intensidad del haz incidente puede ser muy baja y difícil de detectar a 180˚.
Nefelómetros
Un nefelómetro mide la cantidad de luz reflejada por la muestra en un ángulo de 90 grados desde una fuente de luz colimada. La posición del detector en ángulo recto, minimiza el efecto de variables como el tamaño y el color de las partículas que pueden interferir en la detección de la luz dispersada.
Esta técnica aumenta la sensibilidad del instrumento, permitiendo medir valores de turbidez menores incluso en el rango ultra-bajo. Por otro lado, en una muestra con una longitud de trayectoria de medición de 1 pulgada, las señales nefelométricas de dispersión de luz comienzan a disminuir a valores de turbidez que exceden las 2000 NTU. En este punto, un aumento de la turbidez dará como resultado una disminución de la señal nefelométrica.
Turbidimetría radiométrica
En este diseño se mide tanto la luz transmitida a través de la muestra (180˚), como la luz dispersada en varios ángulos 90˚, 135˚ y 70˚. El microprocesador calcula la turbidez en función de las diferencias en las lecturas de los 4 detectores. Este tipo de medidor tiene la ventaja de que maneja un rango de medida muy amplio y es ideal para analizar aguas residuales con valores altos de turbidez, aguas donde el material suspendido tiene una amplia distribución de tamaño de partícula, así como donde exista una gran incertidumbre por la presencia de compuestos coloreados.
Métodos regulatorios
Debido al impacto que tiene la medida de la turbidez en el aseguramiento de la calidad de agua, sobre todo de consumo humano, se establecieron métodos normativos que permitieran obtener medidas consistentes y confiables cuando se utilizan diferentes instrumentos.
En general, los métodos más aceptados son la Norma USEPA 180.1 y la Norma ISO 7027. En ese sentido, los fabricantes de instrumentos para la medida de turbidez se han abocado a los diseños descritos en estas dos normas.
La Norma USEPA 180.1 "Determinación de la Turbidez mediante Nefelometría" es la más utilizada y contempla la determinación de este parámetro en agua potable, subterránea, superficial y salina, así como en aguas residuales domésticas e industriales, en un rango entre 0 - 40 NTU (Unidades Nefelométricas de Turbidez, por sus siglas en inglés) usando la nefelometría.
Este método especifica el uso de una lámpara de tungsteno como fuente de luz, con una temperatura de color entre 2000 y 3000 K. Así mismo el pico máximo de respuesta espectral para el detector debe encontrarse entre los 400 y 600 nm.
Por su parte, la norma IS0 7027 "Calidad en Agua - Determinación de Turbidez" es el estándar más utilizado en Europa. También utiliza la nefelometría como método de medición pero con una fuente de luz de 860 nm. Para ello se emplea una fuente LED o pudiera ser una lámpara de tungsteno combinado con una serie de filtros para alcanzar la longitud de onda deseada.
Ambas normas hacen uso de la tecnología nefelométrica calibrada con estándares primarios de formazina. Sin embargo, la diferencia en la fuente de radiación es la clave para establecer las ventajas y desventajas en función del tipo de muestras a estudiar.
La norma USEPA 180.1 es excelente para mediciones de rango bajo, como agua potable pero el rendimiento con muestras coloreadas es deficiente debido a la absorbancia de la luz blanca. Por su parte la Norma ISO 7027 usa un LED infrarrojo, que elimina la interferencia por el color de la muestra, la compatibilidad con el método de proporción permite una mayor precisión en muestras de mayor turbidez, pero no es aceptable por la US-EPA para propósitos de informes.
Soluciones para medir la turbidez
La combinación de los diseños nefelométrico y radiométrico ha permitido el incremento de la versatilidad de los medidores de turbidez. Esto ha favorecido el desarrollo de soluciones con un amplio rango de medición, útil para el análisis de muestras de múltiples industrias con un sólo equipo.
Estos equipos de diseño combinado le permiten al usuario seleccionar entre las dos modalidades, de esta manera en un modo de sólo nefelometría puedes medir muestras con bajos rangos de turbidez obteniendo mayor precisión y exactitud, lo cual es sumamente importante para incrementar la confiabilidad de la medida; por el contrario, al seleccionar el modo radiométrico, puedes medir muestras con una mayor cantidad de material suspendido, donde la señal nefelométrica comienza a decaer.
Otro protagonista en el desarrollo instrumental de los medidores de turbidez, ha sido la fuente de luz. Las fuentes de luz LED y de diodo láser son capaces de proporcionar un rendimiento mucho mejor y se han posicionado como alternativas a la lámpara de tungsteno especificada por el método EPA original. Proporcionan una luz estable y más controlable que evita los cambios en la potencia y la geometría del camino óptico, incrementado la estabilidad, precisión y repetibilidad de las lecturas del turbidímetro.
Cada aplicación involucra diferentes requerimientos, limitaciones y preferencias en cuanto a medidas de turbidez se trata. En la actualidad, la tecnología ha evolucionado hasta el desarrollo de equipos portátiles, de laboratorio y de proceso.
Advance ofrece un amplio abanico de productos orientados a satisfacer los exigentes requerimientos de las industrias de agua, ambiente y alimentos. Representamos marcas con diseños especializados y tecnología de punta que brindan robustez, confiabilidad y precisión en las medidas de turbidez.
Turbidímetros de laboratorio
Son el estándar versátil para medir la turbidez de las muestras al azar. Ya se trate de análisis periódicos de agua sin tratar o sedimentada, calibración de analizadores de turbidez de proceso o monitoreo de cumplimiento, un turbidímetro de mesa es la mejor solución para medir múltiples muestras de múltiples fuentes.
Hach ofrece dos tipos de turbidímetro de mesa, especialmente diseñados para el análisis de agua.
La serie TL23 de Hach utiliza tecnología radiométrica. Son ideales para muestras industriales y de cualquier otro tipo con un amplio rango de turbidez. Asegura lecturas estables y análisis precisos al capturar lecturas de turbidez una vez que el dispositivo detecta la estabilidad de la muestra. Facilita el cumplimiento de ambas normas internacionales Método EPA 180.1, que utiliza lámpara de tungsteno, y la ISO 7027 que utiliza lámpara LED.
El TU5200 de Hach está diseñado para ofrecer una tecnología revolucionaria de Detección de 360° x 90°. La luz dispersada en un ángulo de 90˚ con respecto al haz incidente, se refleja a través de un espejo cónico en un anillo de 360 ° alrededor de la muestra antes de que la capture el detector. La detección de 360 ° X 90 ° ofrece la mejor precisión y sensibilidad de bajo nivel al tiempo que minimizan la variabilidad entre pruebas. El turbidímetro serie TU5200 está especialmente diseñado para el análisis de agua potable y otras aplicaciones de agua ultrapura, como la industria de alimentos y farmacéutica.
Por su parte, Hanna Instruments ofrece medidores especialmente diseñados para mediciones de calidad del agua, proporcionando lecturas confiables y precisas, incluso dentro de rangos bajos de turbidez. El equipo viene en tres modelos, diferenciándose dos de ellos por el cumplimiento del Método EPA 180.1 y la ISO 7027; mientras que el tercero es una combinación de un nefelómetro acorde al método EPA 180.1 y un fotómetro para medir los parámetros más importantes en el agua potable de forma simultánea: turbidez y cloro.
Turbidímetros portátiles
Son ideales para tomar medidas en locaciones remotas de aguas ambientales e instalaciones de plantas de proceso. Las medidas de turbidez se ven afectadas por la evaporación del agua que se puede dar durante el traslado de las muestras desde el punto de captación hasta el laboratorio de análisis si no se toman las medidas de preservación necesarias, por lo que la medida directa en el punto de estudio es un avance importante para asegurar la confiabilidad de las medidas e incluso ahorrar tiempo y recursos.
El turbidímetro portátil 2100Q de Hach tiene un modo innovador llamado turbidez de solución rápida. Esto proporciona mediciones precisas para las muestras difíciles de medir. Al igual que sus pares de laboratorio, la alternativa portátil se ofrece en dos modelos para el cumplimiento de las normas EPA 180.1 y la ISO 7027.
Hanna Instruments presenta una variedad de medidores portátiles dedicados al análisis de agua para el cumplimiento de ambas normas internacionales. Además ofrece medidores combinados con fotómetros para la medida simultánea de turbidez, cloro libre y total, ácido cianúrico, pH, yodo, bromo y hierro de rango bajo.
Para la industria cervecera, Hanna desarrolló un medidor de turbidez portátil diseñado especialmente para el análisis de calidad de esta bebida. El HI847492 es compatible con ASBC (sociedad estadounidense de químicos de la cerveza), que utiliza un nefelómetro para probar la turbidez causada por la bruma.
Medidores en línea
Los medidores de turbidez en línea permiten obtener resultados inmediatos en cualquiera de las corrientes de proceso involucradas en plantas de tratamiento de agua, plantas potabilizadoras o durante la fabricación de bebidas. Además, eliminan la probabilidad de error que puede surgir durante la toma de muestra aleatoria, preservación de la muestra y manejo de las celdas de muestra.
El monitoreo contínuo de la turbidez permite detectar inconvenientes de forma inmediata y tomar decisiones rápidas para corregir el problema. Además son simples, precisos y de bajo mantenimiento.
Hach, marca líder en el desarrollo de soluciones para la medida de la turbidez, ofrece tres tipos de turbidímetros de proceso que abarcan un amplio rango de aplicaciones en el control de la calidad del agua.
El turbidímetro Surface Scatter 7 sc de alto rango ofrece un rendimiento superior en un rango de medición de 0 a 9999 NTU, debido a que fue desarrollado para minimizar la pérdida de sensibilidad causada por altos valores de turbidez. En líquidos con grandes cargas de sólidos en suspensión, su diseño permite que la limpieza y el reemplazo de la célula de muestras resulten innecesarios.
Por otro lado, la serie TU5 de Hach presenta una plataforma de medida de proceso que utiliza la misma tecnología de detección 360˚ x 90˚ que encontramos en laboratorio. Reduce drásticamente el tiempo necesario para obtener una medición de turbidez en la que puede confiar, con un 98% menos de área de superficie de muestra en línea para limpiar, viales sellados para calibración y la eliminación de la necesidad de indexación y aceite de silicona en el laboratorio.
Conclusiones, soluciones, Advance
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