Qué hace a un filtro HEPA: física, normas y rendimiento real

Un filtro nacido en la era nuclear

El filtro de aire de alta eficiencia para partículas (HEPA) se desarrolló en los años cuarenta, cuando los programas nucleares estadounidenses necesitaban evitar que los trabajadores respiraran partículas radiactivas y que los laboratorios y plantas las liberaran al exterior. Los primeros filtros se llamaban filtros absolutos; el nombre HEPA se generalizó después. La historia de la depuración de aire del Departamento de Energía de EE. UU. describe cómo esta tecnología pasó de esos programas a convertirse en una industria [1].

La idea original sigue fijando la definición estadounidense. La especificación de filtros HEPA del Departamento de Energía exige una eficiencia mínima del 99,97 % para partículas de 0,3 µm, y cada filtro se ensaya individualmente antes de usarse [2]. Lo que empezó como protección contra polvo radiactivo es hoy el núcleo de salas limpias, quirófanos, plantas farmacéuticas, cabinas de bioseguridad y purificadores de aire.

No es un tamiz: cómo las fibras atrapan partículas

Es natural imaginar un filtro como un tamiz con agujeros más pequeños que las partículas que detiene. Un filtro HEPA no funciona así. Su medio es un manto de microfibras de vidrio dispuestas al azar, muchas de menos de un micrómetro de grosor, y los huecos entre fibras son mucho mayores que las partículas que atrapa. Las partículas quedan retenidas porque tocan una fibra y se adhieren a ella por fuerzas de van der Waals, y llegan a tocarla de tres formas principales [3].

• Impacto inercial: las partículas grandes y pesadas no pueden seguir al aire cuando rodea una fibra y chocan contra ella. Funciona mejor con partículas de más de 1 µm aproximadamente.
• Intercepción: la partícula sigue al aire, pero pasa tan cerca de una fibra que su borde la toca. Funciona mejor con partículas de tamaño medio.
• Difusión: las partículas muy pequeñas reciben golpes de las moléculas del aire (movimiento browniano) y vagan a través del flujo hasta chocar con una fibra. Funciona mejor por debajo de unos 0,1 µm, y aún mejor a baja velocidad del aire.

La partícula más difícil de detener

Cada mecanismo es fuerte en un extremo del rango de tamaños y débil en el otro. El impacto y la intercepción crecen con el tamaño de la partícula, y la difusión crece a medida que la partícula se hace más pequeña. Entre ambos hay un tamaño en el que el filtro es menos eficiente, llamado tamaño de partícula más penetrante (MPPS). En medios HEPA de fibra de vidrio suele estar entre 0,1 y 0,3 µm, según el medio y la velocidad del aire [3].

Esto tiene un significado práctico que a menudo se malinterpreta. Un filtro clasificado en su punto más débil es más eficiente para todo lo demás. Un HEPA que detiene el 99,97 % de las partículas de 0,3 µm retiene una proporción mayor tanto del polvo más grueso como de partículas mucho más pequeñas, incluidas las más diminutas, del tamaño de un virus, que la difusión captura con gran eficacia.

Dos maneras de clasificar un filtro HEPA

Hay dos sistemas principales y no son el mismo ensayo. El enfoque estadounidense, del Departamento de Energía y de las prácticas recomendadas del IEST, ensaya a 0,3 µm fijos [2]. La norma europea EN 1822 y la internacional ISO 29463 ensayan en el MPPS de cada filtro, exploran cada filtro en busca de fugas locales y lo asignan a una clase [5][6]. Como el MPPS es más difícil de capturar que 0,3 µm, las cifras no se pueden convertir con exactitud. Una especificación que cite una clase EN 1822 debe responderse con un informe de ensayo de esa clase.

La EN 1822 también define E10, U16 y U17. La ISO 29463 usa un esquema paralelo en el que ISO 35 H corresponde a H13 e ISO 45 H a H14.

Pensar en penetración, no en eficiencia

Las cifras de eficiencia cercanas al 100 % ocultan grandes diferencias. Es más claro mirar la penetración, la proporción de partículas que atraviesa el filtro. Un H13 puede dejar pasar hasta 50 partículas de cada 100.000 en su MPPS; un H14, hasta 5. Pasar de H13 a H14 significa por tanto diez veces menos partículas aguas abajo, aunque las eficiencias solo difieran en el tercer decimal.

Esa misma mirada explica por qué el paso tiene un coste. Retener más partículas exige un medio más denso o más medio, lo que suele significar más pérdida de carga o un filtro más profundo, y más energía de ventilador. Por eso H13 sigue siendo la elección habitual en salas ISO 7 e ISO 8, y H14 se elige donde la clase de la sala o la especificación lo exigen.

De un buen filtro a una buena instalación

Un filtro que supera el ensayo de fábrica puede fallar igualmente en el techo. El aire sigue el camino más fácil, y ese camino suele rodear el filtro en lugar de atravesarlo: una rendija en la junta, una esquina dañada, un marco que no ajusta contra la caja. La mayoría de las fugas que se encuentran en la puesta en marcha están en la junta y el marco, no en el medio. Por eso la ISO 14644-3 describe un ensayo de fugas in situ en el que se libera un aerosol aguas arriba y se explora con una sonda toda la cara de salida y la junta [4].

Otras tres cosas deciden cómo rinde un HEPA instalado a lo largo del tiempo. Unos buenos prefiltros evitan que el medio HEPA se cargue rápido. El caudal debe mantenerse dentro del rango nominal, porque la eficiencia para las partículas más pequeñas baja al subir la velocidad. Y el filtro debe tratarse con cuidado: desembalarlo en obra, inspeccionarlo, no tocar nunca el medio e instalarlo de inmediato.

Qué muestra la evidencia en salas reales

Los ensayos de laboratorio muestran lo que un filtro puede hacer; los estudios de campo, lo que hace en uso. Durante la pandemia de COVID-19, un equipo del hospital Addenbrooke's de Cambridge instaló equipos portátiles de filtración HEPA con esterilización UV en una planta COVID-19 y en una UCI, y tomó muestras de aire con los equipos apagados, encendidos y de nuevo apagados. En la planta se detectó SARS-CoV-2 en el aire las semanas en que los equipos estaban apagados y no se detectó la semana en que funcionaban; también bajaron otros bioaerosoles bacterianos, fúngicos y víricos [7].

Los autores fueron prudentes con los límites: era un estudio pequeño y midió virus en el aire, no infecciones. Así conviene leer la mayor parte de la evidencia sobre filtración HEPA. Que los filtros eliminan partículas del aire está bien demostrado; cuánto cambia eso un resultado depende del caudal, de la sala y de todo lo demás que ocurre en ella.

Cómo especificar un filtro HEPA

• Indique la clase y la norma, por ejemplo H14 según EN 1822-1, o 99,97 % a 0,3 µm si su especificación sigue la práctica estadounidense.
• Pida un informe de ensayo individual de cada filtro, con la eficiencia y el resultado de la exploración de fugas.
• Indique el caudal por filtro y la pérdida de carga inicial máxima que puede aceptar.
• Elija la construcción según el uso: paneles minipliegue para techos y FFU, filtros en V o de caja para caudales altos, filtros con separadores para servicio duro o caliente.
• Especifique el material del marco y el sellado (junta o gel) según la caja o la retícula del techo.
• Planifique el ensayo de fugas in situ con el instalador antes de que lleguen los filtros.

Lo que un filtro HEPA no hace

Un filtro HEPA elimina partículas. No elimina gases: olores, vapores de disolventes, amoníaco o gases ácidos lo atraviesan, porque las moléculas son mucho más pequeñas que las partículas y no se adhieren a las fibras de vidrio. Donde importan los gases hace falta un filtro químico con carbón activo o medio impregnado junto a la etapa HEPA. Y un filtro HEPA no compensa una mala distribución del aire: el aire limpio enviado al lugar equivocado, o desviado del puesto de trabajo por una puerta o una fuente de calor, no protege nada.