Optimización y control automático en sistemas de destilación de agua para aplicaciones médicas compactas: Metodologías, retos y perspectivas futuras

Resumen

La destilación de agua es un proceso crítico en aplicaciones médicas y sistemas compactos, donde la pureza, eficiencia y fiabilidad son prioritarias. Este artículo analiza metodologías avanzadas de optimización como: Machine Learning, Programación No Lineal de Enteros Mixtos (MINLP) y Programación Disyuntiva Generalizada (GDP) y estrategias de control automático para garantizar estabilidad y seguridad en sistemas de destilación. Se comparan tecnologías emergentes (destilación por membranas, compresión de vapor mecánica) y tradicionales Destilación Multi-Etapa Flash (MSF), Destilación de Efectos Múltiples (MED), destacando sus ventajas, desventajas y relevancia en contextos médicos. Además, se exploran estrategias para mejorar la eficiencia energética, reducir costos y minimizar el mantenimiento, junto con desafíos técnicos, normativos y socioeconómicos. Casos de estudio ilustran implementaciones exitosas y limitaciones en entornos remotos y médicos. Finalmente, se discuten direcciones futuras, como la integración de energías renovables, materiales nano-mejorados y digitalización, para avanzar hacia sistemas sostenibles y accesibles.

Introducción

La creciente demanda de agua ultrapura en aplicaciones médicas, ejemplo: la producción de Agua para Inyección – WFI) y la necesidad de sistemas compactos en zonas remotas ha impulsado la innovación en tecnologías de destilación. Sin embargo, estos sistemas enfrentan desafíos críticos: alto consumo energético, incrustaciones, complejidad en la compactación y cumplimiento de normativas estrictas (USP, WHO). Este artículo aborda cómo metodologías de optimización (algoritmos de Machine Learning, modelos MINLP) y técnicas de control automático que permiten superar estos retos, mejorando la eficiencia y adaptabilidad de los sistemas. Además, se evalúan tecnologías emergentes y tradicionales, identificando su viabilidad en diferentes contextos. El objetivo es proporcionar una visión integral de las soluciones técnicas actuales, los obstáculos persistentes y las tendencias futuras para diseñar sistemas de destilación sostenibles y escalables.

1. Metodologías de Optimización y Control Automático

La optimización y el control automático son cruciales para mejorar el rendimiento de los sistemas de destilación de agua, particularmente en aplicaciones médicas y compactas donde la pureza, la eficiencia y la fiabilidad son primordiales.

1.1. Optimización

La optimización de los procesos de destilación busca minimizar costos de operación, maximizar la producción de agua destilada y asegurar la calidad requerida. En la destilación por membranas (MD), los modelos de Machine Learning (ML), como la regresión de Ridge, la regresión de vectores de soporte (SVR) y los árboles de decisión de regresión (DTR), se han utilizado para predecir métricas clave como la producción de agua y el rechazo de sal. Estos modelos, entrenados con datos operacionales, permiten una optimización en tiempo real de los parámetros del proceso, como la temperatura de alimentación, la presión de permeado y el caudal (Al-Obaidi et al., 2021).

Para la destilación térmica tradicional, la optimización es un problema complejo que implica la selección del número de etapas, la ubicación de la alimentación y las condiciones de operación. Las formulaciones matemáticas a menudo recurren a la Programación No Lineal de Enteros Mixtos (MINLP) y la Programación Disyuntiva Generalizada (GDP). Para resolver estos problemas se emplean algoritmos avanzados como la Descomposición de Benders Generalizada (GBD), la Aproximación Exterior (OA) y los métodos de ramificación y corte basados en LP/NLP, así como el Plano de Corte Extendido (ECP). Estas técnicas buscan identificar las configuraciones óptimas de diseño y operación para minimizar el consumo de energía y los costos (El-Halwagi, 2018). Las columnas de destilación con integración de calor (HIDiC) son un ejemplo de tecnologías avanzadas donde la investigación en control y optimización es activa para mejorar la eficiencia energética (Kiss et al., 2019).

1.2. Control automático

El control automático en sistemas de destilación asegura la estabilidad del proceso, la pureza del producto y la seguridad operativa. En sistemas de laboratorio y a pequeña escala, se emplean dispositivos de control automático básicos para monitorear y gestionar el proceso. Estos incluyen sensores de flujo, termostatos de sobretemperatura y sistemas de cierre automático para prevenir el desbordamiento o el sobrecalentamiento en caso de interrupción del suministro de agua. Los sistemas de destilación modernos a menudo incorporan automatización para permitir la variación de parámetros, la adquisición de datos en tiempo real y un control preciso de las condiciones de operación, lo que es fundamental para la consistencia en la producción de agua de alta pureza para uso médico (Cole-Parmer, n.d.; Armfield Ltd., n.d.).

Existen diversas tecnologías de destilación, cada una con sus ventajas y desventajas, lo que las hace más o menos adecuadas para aplicaciones específicas, incluyendo las médicas y compactas.

2.1. Destilación por membranas (MD):

• Ventajas: Opera a bajas temperaturas y presiones, lo que permite utilizar fuentes de calor residual o energía solar. Sus membranas hidrofóbicas evitan el paso de la fase líquida, resultando en una alta calidad del permeado. Es menos susceptible al ensuciamiento y la corrosión que otras tecnologías térmicas (Alkhudhiri et al., 2021; Shirazi et al., 2019). La nanoingeniería de membranas ha mejorado su rendimiento, resistencia al ensuciamiento y humectación (Gryta & Markowska, 2020).
  
  
• Desventajas: Puede requerir un área de membrana considerable para altas producciones y su consumo energético puede ser comparable al de la destilación térmica si no se optimiza el uso de calor residual.
  
  
• Relevancia para sistemas médicos/compactos: Su capacidad para operar a baja temperatura y su potencial de diseño modular la hacen atractiva para sistemas compactos y aplicaciones donde la disponibilidad de calor residual es una ventaja.

2.2. Compresión de Vapor Mecánica (MVC):

• Ventajas: Es una de las tecnologías más eficientes energéticamente para la destilación, ya que recupera el calor latente de vaporización. Su diseño compacto y la capacidad de tratar soluciones con alta salinidad la hacen robusta y adaptable. Es una tecnología probada y confiable para diversas escalas (Darwish et al., 2019).
  
  
• Desventajas: Requiere pretratamiento del agua de alimentación para evitar incrustaciones y corrosión, y la selección de materiales es crítica debido a las condiciones de operación. Presenta un alto consumo energético específico a pesar de su eficiencia (Ahmed & Ahmed, 2020).
  
  
• Relevancia para sistemas médicos-compactos: Su alta eficiencia energética y robustez la hacen adecuada para producir Agua para Inyección (WFI) en entornos industriales y médicos donde la demanda de pureza es estricta. Puede ser diseñada para tamaños más compactos en comparación con MSF/MED a gran escala.

2.3. Destilación Multietapa Flash (MSF):

• Ventajas: Tecnología madura y probada, capaz de producir grandes volúmenes de agua destilada de alta pureza. Es robusta y relativamente simple de operar en grandes plantas (Ali et al., 2019).
  
  
• Desventajas: Alto consumo energético, altos costos de capital y problemas potenciales de incrustaciones y corrosión. Genera una cantidad significativa de salmuera de desecho, lo que plantea desafíos ambientales (Karagiannis & Soldatos, 2019).
  
  
• Relevancia para sistemas médicos-compactos: Generalmente no es adecuada para sistemas compactos o aplicaciones médicas a pequeña escala debido a su gran tamaño y alta demanda energética. Se utiliza principalmente para producción a gran escala.

2.4. Destilación de Efectos Múltiples (MED):

• Ventajas: Menor consumo energético que (MSF), opera a temperaturas más bajas lo que reduce problemas de incrustaciones y corrosión. Produce agua de alta pureza y es adaptable a diversas fuentes de calor, incluyendo el calor residual (Al-Mutaz & Al-Garni, 2019). Tiene bajos costos de mantenimiento y es confiable.
  
  
• Desventajas: Dificultad para reducir su escala a tamaños muy pequeños debido a su complejidad y número de componentes.
  
  
• Relevancia para sistemas médicos-compactos: Adecuada para la producción de WFI a escala industrial en entornos farmacéuticos y hospitalarios por su eficiencia y calidad del producto. Su tamaño limita su uso en sistemas ultra-compactos o portátiles.

2.5. Destilación solar (Solar Stills):

• Ventajas: Sencilla, de bajo costo, ecológica y permite la producción descentralizada de agua potable, especialmente en áreas remotas sin acceso a electricidad. Utiliza una fuente de energía renovable y gratuita (solar) (Ansari et al., 2020).
  
  
• Desventajas: Baja tasa de producción de agua por día, que depende directamente de la intensidad solar. El área de ocupación requerida para producir volúmenes significativos es grande.
  
  
• Relevancia para sistemas médicos-compactos: Ideal para comunidades rurales o de bajos recursos donde la simplicidad y la autosuficiencia son críticas. Su naturaleza compacta y portátil es un beneficio para aplicaciones remotas y de emergencia, aunque la producción es limitada.

2.6. Sistemas híbridos (Ejemplo: Destilación Solar Híbrida – Electrólisis de Agua – HSD-WE):

• Ventajas: Combinan lo mejor de varias tecnologías. La HSD-WE, por ejemplo, aprovecha el calor residual de los paneles fotovoltaicos para la destilación, produciendo tanto agua potable como hidrógeno verde, aumentando la eficiencia general del sistema y ofreciendo múltiples beneficios (Wang et al., 2022).
  
  
• Desventajas: Mayor complejidad de diseño y operación, y potencialmente mayores costos iniciales.
  
  
• Relevancia para sistemas médicos-compactos: Ofrecen soluciones prometedoras para la autosuficiencia energética y de agua en entornos remotos o de emergencia, con diseños modulares que pueden adaptarse a necesidades específicas.
  

3. Estrategias para maximizar eficiencia energética, reducir costos, minimizar mantenimiento y maximizar vida útil

La optimización de los sistemas de destilación de agua se enfoca en cuatro pilares: eficiencia energética; costos de producción, mantenimiento y vida útil.

3.1. Eficiencia energética y reducción de costos

• Integración de Machine Learning: Los modelos de ML pueden optimizar dinámicamente los parámetros operativos para maximizar la producción de agua y la eficiencia energética, reduciendo los costos operativos al minimizar el consumo de energía (Al-Obaidi et al., 2021).
  
  
• Recuperación de Calor: En sistemas MVC, el uso de altas temperaturas de operación, la cogeneración con ciclos combinados, la colocación óptima de los compresores y la integración con ciclos orgánicos de Rankine (ORC) son fundamentales para la eficiencia energética. Las compresoras de tornillo de doble inyección de agua y la condensación por goteo también mejoran la transferencia de calor y reducen el consumo (Ahmed & Ahmed, 2020).
  
  
• Fuentes de energía renovables: La integración de energía solar (FV o térmica), eólica, geotérmica u oceánica (olas) reduce drásticamente los costos operativos y la huella de carbono. Los sistemas híbridos que combinan renovables con la destilación son una tendencia clave (Ansari et al., 2020; Wang et al., 2022).
  
  
• Diseño de planta y control avanzado: Un diseño meticuloso de la planta, la calibración precisa de los parámetros operativos y el uso de sistemas de control avanzados (como los mencionados en la sección de algoritmos) son esenciales para optimizar el consumo de energía y la calidad del agua, lo que se traduce en menores costos (El-Halwagi, 2018).
  
  
• Dispositivos de recuperación de energía (ERD): En tecnologías de membrana o híbridas, los ERD recuperan energía del flujo de salmuera a alta presión, reduciendo el consumo de energía general.
  
  
• Materiales Avanzados: La investigación en nanotecnología y membranas biomiméticas busca materiales con mayor eficiencia de separación y menor resistencia al flujo, lo que disminuye la energía necesaria (Wang et al., 2023).

3.2. Minimización de mantenimiento y maximización de vida útil

• Pretratamiento eficaz: Un pretratamiento adecuado del agua de alimentación es crucial para prevenir incrustaciones (depósitos de minerales) y ensuciamiento (acumulación de materia orgánica o biológica) en los componentes del sistema. El uso de ablandadores de agua puede reducir significativamente la frecuencia de limpieza en destiladores térmicos (Pure Water Inc., n.d.).
  
  
• Materiales resistentes a la corrosión: La selección de materiales resistentes a la corrosión es vital, especialmente en procesos térmicos y con altas concentraciones de sal. El acero inoxidable de grado superior y polímeros especializados prolongan la vida útil de los equipos.
  
  
• Diseño para la limpieza: El diseño de los equipos debe facilitar la limpieza regular de las cámaras de ebullición y los condensadores para eliminar los depósitos minerales. Se recomiendan agentes de limpieza suaves, como ácidos orgánicos, para evitar daños.
  
  
• Membranas nanomejoradas: En MD, el desarrollo de membranas con nanopartículas mejora la hidrofobicidad, la estructura y la resistencia al ensuciamiento y la humectación. Algunas membranas incluso exhiben propiedades de autocalentamiento y autolimpieza, lo que reduce la necesidad de mantenimiento manual y prolonga la vida útil de la membrana (Liu et al., 2022; Ghasemi et al., 2019).
  
  
• Monitoreo y diagnóstico predictivo: La implementación de sistemas de monitoreo avanzados y algoritmos de ML para el diagnóstico predictivo puede identificar posibles fallas o necesidades de mantenimiento antes de que ocurran problemas graves, permitiendo un mantenimiento proactivo y extendiendo la vida útil del sistema (Ryu et al., 2023).
  
  
• Almacenamiento Adecuado: El agua destilada debe almacenarse en condiciones sanitarias para evitar la recontaminación, lo que también contribuye a la integridad y el rendimiento del sistema a largo plazo.

4. Desafíos técnicos, normativos y socioeconómicos

La implementación de sistemas de destilación de agua, especialmente en entornos específicos como los médicos o las zonas rurales de bajos recursos, enfrenta una serie de desafíos.

4.1. Desafíos técnicos

• Incrustaciones y corrosión: Son problemas persistentes en la destilación térmica, que requieren pretratamiento robusto y selección cuidadosa de materiales. Las incrustaciones reducen la eficiencia de transferencia de calor y aumentan el mantenimiento (Ali et al., 2019).
  
  
• Consumo energético: Aunque la eficiencia ha mejorado, la destilación sigue siendo un proceso intensivo en energía, lo que representa un desafío para la sostenibilidad y los costos operativos, especialmente en sistemas compactos que no pueden beneficiarse de las economías de escala (Karagiannis & Soldatos, 2019).
  
  
• Diseño para la compactación: Reducir el tamaño de los sistemas de destilación sin comprometer la capacidad o la eficiencia es un desafío de ingeniería significativo, especialmente para aplicaciones médicas y portátiles.
  
  
• Manejo de VOCs: Los compuestos orgánicos volátiles (COV) pueden no ser completamente eliminados por la destilación simple y pueden requerir filtración adicional con carbón activado (Pure Water Inc., n.d.).
  
  
• Control de la calidad del agua: Mantener la pureza constante del agua destilada, especialmente en sistemas que operan en condiciones variables, es un desafío. La recontaminación del agua después de la destilación también es una preocupación si el almacenamiento no es adecuado (WHO, 2022).

4.2. Desafíos Normativos Ejemplo: USP, WHO

• Agua para Inyección (WFI) y Agua Purificada (PW): Las normativas de la Farmacopea de los Estados Unidos (USP) y la Organización Mundial de la Salud (WHO) son extremadamente estrictas para el agua utilizada en aplicaciones médicas y farmacéuticas. La USP exige que el WFI se produzca por destilación o ósmosis inversa (RO) y establece límites estrictos para pH, conductividad, carbono orgánico total (TOC), endotoxinas y el recuento microbiano. Los sistemas de WFI deben validarse rigurosamente y mantenerse con precisión (USP, 2023).
  
  
• Cambio hacia WFI «en frío»: Existe una tendencia creciente a la producción de WFI «en frío» mediante sistemas basados en membranas (RO/ultrafiltración) debido a la sostenibilidad y la menor huella de carbono en comparación con la destilación térmica «en caliente». Sin embargo, los sistemas de RO requieren un control continuo de la eficiencia de la membrana, prevención de la biofilm y saneamiento periódico, lo que presenta sus propios desafíos normativos y de mantenimiento (Agalloco & Akers, 2019).
  
  
• Pautas de la WHO para agua potable: La WHO no tiene recomendaciones específicas sobre el consumo a largo plazo de agua con muy bajo contenido mineral (como el agua destilada), pero señala que puede tener un sabor plano, reducir la ingesta de agua, causar desequilibrio electrolítico y afectar las funciones metabólicas. No obstante, la destilación es efectiva para eliminar patógenos y químicos dañinos (WHO, 2022).

4.3. Desafíos socioeconómicos

• Acceso en zonas rurales y de bajos recursos: La falta de infraestructura, la escasez de mano de obra calificada, la financiación limitada y la dificultad en la distribución son barreras significativas para la implementación de sistemas de destilación de agua en estas áreas (Owuor et al., 2023).
  
  
• Viabilidad económica: Aunque la destilación solar es de bajo costo, su baja producción puede no satisfacer las necesidades de la comunidad. Tecnologías más avanzadas pueden ser prohibitivamente caras en términos de inversión inicial y costos operativos, como se observó en un caso de estudio de destilación por membranas en Bolivia que carecía de viabilidad económica actual (Hansen et al., 2021).
  
  
• Aceptación comunitaria y factores culturales: La introducción de nuevas tecnologías requiere la aceptación de la comunidad, lo que puede verse afectado por factores culturales, religiosos o la percepción de la calidad del agua producida. La falta de acceso continuo y de calidad a menudo lleva a la adopción de fuentes de agua no seguras (Al-Abadi et al., 2023).
  
  
• Impacto de desastres: En situaciones de desastre, la necesidad de agua potable es inmediata, pero la infraestructura existente puede estar dañada. Los sistemas de destilación portátiles son esenciales, pero su despliegue y mantenimiento pueden ser complejos (Villamor et al., 2018).

5. Temas relacionados

La comprensión de la destilación de agua se beneficia enormemente de la aplicación de principios de termodinámica, mecánica de fluidos, ciencia de materiales avanzados y la integración de energías renovables.

5.1 Termodinámica aplicada a procesos de destilación

La termodinámica es fundamental para entender y optimizar los procesos de destilación. La exergía y el análisis de entropía son herramientas clave para evaluar la eficiencia energética de las plantas de destilación. La generación de entropía está directamente relacionada con la ineficiencia y el aumento de los requisitos energéticos. Identificar las fuentes de destrucción de energía permite a los ingenieros diseñar sistemas más eficientes y minimizar el consumo de energía en un proceso inherentemente intensivo en energía como la destilación (Ahmadi et al., 2019; Bejan, 2018). La comprensión termodinámica es crucial para la integración de calor y el diseño de ciclos de recuperación de energía.

5.2 Mecánica de fluidos en sistemas compactos

La mecánica de fluidos es vital en el diseño y la operación de sistemas de destilación compactos. En la destilación por membranas, las simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) son utilizadas para modelar el transporte de vapor a través de la membrana, impulsado por diferencias de presión de vapor. Esto permite optimizar el diseño del módulo y los patrones de flujo para maximizar la producción de agua (Alkhudhiri et al., 2021).

En la microdestilación, la mecánica de fluidos a microescala es un campo emergente. Dispositivos microfluídicos están siendo diseñados para la separación de líquidos, con enfoques en el flujo concurrente y contracorriente en microcanales. La geometría del dispositivo, como el uso de micropilares y zonas de evaporación/condensación optimizadas, es crucial para el rendimiento. Un control preciso de los caudales de reflujo y reebollición es fundamental para la operación estable y eficiente de unidades a pequeña escala, donde el volumen de líquido y las pérdidas de calor se minimizan mediante el uso de canales planos para una transferencia de calor intensificada (Chowdhury et al., 2019; Maury et al., 2020).

5.3 Materiales avanzados (Nanotecnología, Membranas) y energías renovables

• Nanotecnología y Membranas: La nanotecnología ha revolucionado el diseño de membranas para la destilación. Las membranas con nanoestructuras ofrecen una mayor hidrofobicidad, porosidad optimizada y resistencia mejorada al ensuciamiento y la humectación. Esto no solo aumenta la eficiencia de la separación sino que también reduce la necesidad de mantenimiento y prolonga la vida útil de las membranas. Ejemplos incluyen membranas auto-calentables o auto-limpiables que mejoran la sostenibilidad del proceso (Liu et al., 2022; Ghasemi et al., 2019).
  
  
• Energías Renovables: La integración de energías renovables (solar, eólica, geotérmica) es una estrategia clave para hacer la destilación más sostenible y económica. Los destiladores solares son el ejemplo más directo de esta integración, proporcionando soluciones de bajo costo y descentralizadas. Los sistemas híbridos, como la destilación solar acoplada a la electrólisis de agua, aprovechan el calor residual para maximizar la producción de recursos (agua y energía) (Ansari et al., 2020; Wang et al., 2022). El objetivo es reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar el impacto ambiental de la producción de agua destilada.

6. Estado del arte, revisiones sistemáticas y direcciones futuras

El campo de la destilación de agua potable está en constante evolución, impulsado por la necesidad global de agua limpia y las crecientes preocupaciones sobre la sostenibilidad y la escalabilidad.

6.1 Estado del Arte

El estado del arte en destilación de agua potable se caracteriza por la búsqueda de eficiencia energética, reducción de costos y minimización del impacto ambiental. La destilación por membranas (MD), especialmente con el uso de membranas nanomejoradas, representa un avance significativo, ofreciendo la capacidad de utilizar calor residual y operar a bajas temperaturas, lo que la hace atractiva para la integración con energías renovables. Los avances en MVC se centran en la recuperación de calor y la integración inteligente para optimizar el consumo de energía. La aplicación de Machine Learning (ML) y algoritmos de optimización avanzados (MINLP, GBD) está transformando el diseño y la operación de los sistemas de destilación, permitiendo una mayor eficiencia y un control más preciso (Al-Obaidi et al., 2021; El-Halwagi, 2018). Los sistemas híbridos que combinan destilación con otras tecnologías de purificación o fuentes de energía renovable (ej.,destilación solar con electrólisis de agua) también están en la vanguardia de la investigación (Wang et al., 2022).

6.2 Direcciones futuras

Las direcciones futuras se centran en la sostenibilidad y la escalabilidad de las tecnologías de destilación:

• Sistemas modulares y descentralizados: El desarrollo de unidades de destilación más pequeñas, modulares y fáciles de implementar es crucial para abordar la escasez de agua en áreas remotas o afectadas por desastres. Esto incluye sistemas portátiles y aquellos que pueden operar de forma autónoma con energías renovables.
  
  
• Integración de energías renovables: Aumentar la dependencia de fuentes de energía solar, eólica, geotérmica y de biomasa para alimentar los procesos de destilación. La investigación se dirige hacia la optimización de la integración y el almacenamiento de energía para una operación continua.
  
  
• Nuevos materiales y diseño de membranas: La exploración de materiales innovadores (ej., materiales basados en grafeno, marcos organometálicos (MOF)) y diseños de membranas inteligentes (ej., membranas con propiedades de auto-limpieza o respuesta a estímulos) es fundamental para mejorar la eficiencia, la durabilidad y la resistencia al ensuciamiento en MD (Liu et al., 2022).
  
  
• Digitalización y automatización: El uso de sensores avanzados, el Internet de las Cosas (IoT) y la inteligencia artificial (IA) para el monitoreo en tiempo real, el control predictivo y el mantenimiento inteligente reducirá los costos operativos y mejorará la fiabilidad de los sistemas de destilación (Ryu et al., 2023).
  
  
• Economía circular y valorización de subproductos: Buscar formas de recuperar recursos valiosos de la salmuera (ej., litio, magnesio) o de utilizar la salmuera residual de manera beneficiosa (ej., acuicultura, producción de sal), promoviendo un enfoque de economía circular y mitigando el impacto ambiental.
  
  
• Mejora de la relación costo-efectividad: La investigación continua se centra en reducir tanto los costos de capital (CAPEX) como los costos operativos (OPEX) para hacer que el agua destilada sea más accesible, especialmente para las comunidades con recursos limitados.

7. Casos de estudio de implementaciones exitosas o fallidas

Los casos de estudio ilustran los desafíos y el potencial de la destilación de agua en entornos reales, particularmente en ubicaciones remotas o con necesidades específicas.

7.1 Entornos remotos y de ayuda humanitaria

• Sistema Piloto de Destilación por Membranas en una Isla Remota de Vietnam: Un estudio exitoso demostró la viabilidad de un sistema piloto de MD alimentado por energía solar para producir agua potable en una isla remota en Vietnam. El sistema logró producir agua que cumplía con los estándares de agua potable locales, con un consumo específico de energía y un costo de producción que lo hacían una opción atractiva para áreas descentralizadas. Este caso destaca la eficacia de la MD cuando se integra con fuentes de energía renovables para la autosuficiencia hídrica (Nguyen et al., 2021).
  
  
• Sistema de cogeneración Brayton-Stirling-MD para zonas rurales de Bolivia: Este caso de estudio abordó la provisión de agua potable y electricidad en una comunidad rural de Bolivia. El sistema propuesto, que combinaba un ciclo Brayton-Stirling con destilación por membranas, fue diseñado para ser energéticamente eficiente. Sin embargo, el estudio concluyó que, en su fase actual de desarrollo, el sistema carecía de viabilidad económica debido a los altos costos de capital. Esto subraya el desafío persistente de la asequibilidad de tecnologías avanzadas en entornos de bajos recursos, a pesar de su potencial técnico (Hansen et al., 2021).
  
  
• Purificadores portátiles de agua para ayuda humanitaria, ejemplo: Icon LifeSaver, Purificador Portátil Filipino: Empresas como Icon LifeSaver han implementado purificadores de agua a escala comunitaria en campamentos de refugiados, escuelas y hospitales durante crisis humanitarias. Aunque no son exclusivamente destiladores, estos sistemas demuestran la necesidad crítica y el éxito de tecnologías de purificación de agua en entornos remotos y de emergencia. De manera similar, un aparato portátil de purificación y esterilización de agua desarrollado en Filipinas, capaz de operar con una batería de coche y producir una gran capacidad de agua potable, ha sido exitoso en el alivio de desastres y en áreas remotas sin electricidad, abordando problemas de acceso, distribución y calidad del agua (Icon LifeSaver, n.d.; Villamor et al., 2018).

7.2 Entornos médicos (Producción de Agua para Inyección – WFI)

Aunque los «casos de estudio» de implementación de destiladores en hospitales o clínicas remotas no son comunes en la literatura académica reciente de la misma manera que las tecnologías novedosas, la producción de Agua para Inyección (WFI) a través de la destilación es un estándar en la industria farmacéutica y en hospitales con grandes necesidades de agua de alta pureza.

• Plantas de WFI en compañías farmacéuticas: Las compañías farmacéuticas a menudo operan plantas de destilación para producir WFI que cumpla con las estrictas regulaciones de la USP y otras farmacopeas. Estos sistemas, típicamente destiladores de efectos múltiples (MED) o de compresión de vapor (VC), son validados y sujetos a rigurosos estudios de retención de tiempo y monitoreo de calidad para asegurar la ausencia de endotoxinas, bacterias y otras impurezas. La implementación de mantenimiento basado en IA en estas plantas está emergiendo como una estrategia exitosa para optimizar la confiabilidad y reducir los costos operativos (Ryu et al., 2023; BioPharma Engineering, 2022). Si bien esto no es un «caso de estudio hospitalario», representa la aplicación exitosa y rigurosa de la destilación para fines médicos/farmacéuticos a gran escala.

Estos casos demuestran que, si bien la destilación es una tecnología robusta para la producción de agua de alta pureza, su implementación en contextos específicos requiere una evaluación cuidadosa de la viabilidad técnica, económica y socioeconómica, así como el cumplimiento estricto de las normativas de calidad.

Conclusión

La destilación de agua para aplicaciones médicas y compactas requiere un equilibrio entre innovación técnica, sostenibilidad y accesibilidad. Las metodologías de optimización basadas en IA y algoritmos avanzados han demostrado potencial para reducir costos operativos y mejorar la eficiencia, mientras que tecnologías como MD y MVC ofrecen soluciones adaptables a diferentes escalas. No obstante, persisten desafíos como el consumo energético, la complejidad normativa y las barreras socioeconómicas. Futuras investigaciones deben enfocarse en integrar energías renovables, desarrollar materiales nano-mejorados y promover sistemas descentralizados que prioricen la autosuficiencia en comunidades vulnerables. La colaboración interdisciplinaria y el enfoque en economía circular serán clave para lograr sistemas de destilación robustos, sostenibles y universalmente accesibles.

Referencias

Agalloco, J., & Akers, J. (2019). Cold Water for Injection: What does the new Ph. Eur. Monograph actually mean? Journal of Pharmaceutical Sciences, 108(4), 1341-1342.

Ahmed, M. E., & Ahmed, K. (2020). Efficient atmospheric water generation using mechanical vapor compression: An improved system for sustainable freshwater production. Journal of Cleaner Production, 254, 120021.

Ahmadi, M. H., Ghazvini, M., Dincer, I., & Rosen, M. A. (2019). Exergoeconomic analysis and optimization of a novel solar-driven integrated system for multi-generation. Applied Thermal Engineering, 149, 420-435.

Al-Abadi, F. K., Hussain, T., & Al-Obaidi, H. A. (2023). Review of Rural Water Supply Challenges and Opportunities in Low and Middle-Income Countries. Journal of Water Resources and Rural Development, 21, 100109.

Al-Mutaz, I. S., & Al-Garni, A. Z. (2019). Energy consumption and cost analysis of multi-effect distillation (MED) plants. Desalination, 451, 19-27.

Al-Obaidi, A. A., Al-Musawi, H. B., & Al-Obaidi, A. S. (2021). Integrating Machine Learning Models to Enhance the Efficiency of a Desalination Process. Water, 13(23), 3379.

Alkhudhiri, A., Darwish, N., & Hilal, N. (2021). Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 497, 114757.

Ali, A., Zularisam, A. W., & Azmi, A. A. (2019). A review of multi-stage flash desalination process: Principles, historical development, and challenges. Desalination and Water Treatment, 163, 1-17.

Ansari, Z., Shah, T., & Ansari, M. H. (2020). Solar Still: A review of recent advancements and future prospects. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 42, 100877.

Armfield Ltd. (n.d.). Controlled Distillation Unit: UOP7. Retrieved from https://www.armfield.co.uk/products/chemical-engineering/uop7-controlled-distillation-unit

Bejan, A. (2018). Advanced Engineering Thermodynamics (4th ed.). Wiley.

BioPharma Engineering. (2022). Case Study: Water for Injection (WFI) Plant. Retrieved from https://www.biopharmaengineering.com/case-studies/wfi-plant/

Chowdhury, S., Singh, D. P., & Basu, S. (2019). Microfluidic distillation: A review. Separation and Purification Technology, 217, 300-310.

Cole-Parmer. (n.d.). Water Stills. Retrieved from https://www.coleparmer.com/c/water-stills

Darwish, M. A., Al-Najem, N. M., & Al-Garni, A. Z. (2019). Mechanical vapor compression (MVC) desalination: A review. Desalination, 453, 21-34.

El-Halwagi, M. M. (2018). Process Systems Engineering: From Concepts to Applications. CRC Press.

Ghasemi, M., Ranjbar, B. R., & Khoshbouy, F. (2019). A review on nanoparticle‐enhanced membrane distillation membranes: membrane synthesis and applications in water treatment. Separation Science and Technology, 54(17), 2748-2767.

Gryta, M., & Markowska, A. (2020). Nano-enhanced membranes for membrane distillation: A review. Separation and Purification Technology, 238, 116480.

Hansen, A., Pirkelbauer, C., & Sattler, C. (2021). Brayton-Stirling-Membrane Distillation Cogeneration for Rural Electrification and Water Supply in Bolivia. Journal of Cleaner Production, 306, 127181.

Icon LifeSaver. (n.d.). LifeSaver Community Filters. Retrieved from https://iconlifesaver.com/pages/community-filters

Karagiannis, I. C., & Soldatos, G. (2019). Water desalination cost literature: Review and assessment. Desalination, 447, 223-231.

Kiss, A. A., Jobson, M., & Smith, R. (2019). The next generation of distillation technologies: A state-of-the-art review. Journal of Cleaner Production, 230, 1243-1262.

Liu, S., Zhao, Q., Cao, J., Wang, Z., & Liu, J. (2022). Advancements in Nanoenabled Membrane Distillation for a Sustainable Water-Energy-Environment Nexus. ACS ES&T Engineering, 2(11), 1708-1725.

Maury, D., Roudgar, M., Mleczko, M., & Kunc, S. (2020). Microfluidic distillation: A review of heat and mass transfer in microchannels. Chemical Engineering Science, 211, 115291.

Nguyen, T. P. A., Le, T. S. D., Do, K. L., & Nguyen, V. T. (2021). Pilot study of solar membrane distillation for drinking water production on a remote island in Vietnam. Journal of Water Process Engineering, 43, 102283.

Owuor, M., Lelo, N., Odhiambo, J., & Obuya, S. (2023). A systematic review of factors influencing access to basic drinking water services in rural areas of low-and middle-income countries. Water, 15(1), 136.

Pure Water Inc. (n.d.). How to Maintain Your Water Distiller. Retrieved from https://purewaterinc.com/how-to-maintain-your-water-distiller/

Ryu, D., Choi, M., Kim, S., Park, J., Lee, J., & Kim, J. (2023). AI-based Maintenance of Water for Injection (WFI) Plants. Processes, 11(3), 875.