Lubricantes para sistemas de vacío industrial: presión de vapor, compatibilidad química y selección por tipo de bomba
El aceite de una bomba de vacío no solo lubrica: define el vacío final que el sistema puede alcanzar. La presión de vapor del aceite establece el límite teórico mínimo de presión. Un aceite convencional con presión de vapor de 1 mbar a 40°C hace imposible alcanzar el vacío fino en una bomba de paletas sin trampa de frío. Esta guía analiza cada tecnología de bomba, el lubricante correcto y los criterios de cambio.
Publicado
15 enero 2027
Autor
Fillcore Industrial — Dpto. Técnico
Estándares
ISO 21360 · GMP 21 CFR Part 211
El concepto fundamental: presión de vapor del aceite de bomba
En una bomba de vacío de paletas rotativas con aceite, el lubricante cumple cuatro funciones simultáneas: lubrica las paletas y el rotor, sella el espacio entre paletas y la carcasa (impidiendo el retorno de gas), refrigera los componentes y actúa como trampa de partículas del gas bombeado. Esta multifuncionalidad convierte al aceite en el componente más crítico del sistema de vacío.
La presión de vapor del aceite es la presión parcial que ejerce el vapor del aceite en equilibrio con la fase líquida a una temperatura dada. En el interior de la bomba, el aceite está a temperaturas de 40-80°C y en contacto con el gas bombeado a presiones decrecientes. Cuando la presión de proceso se acerca a la presión de vapor del aceite, las moléculas del aceite se evaporan y "contaminan" el vacío: el vacío final alcanzable queda limitado por la presión de vapor del aceite, no por las características mecánicas de la bomba.
Aceite mineral convencional
Presión de vapor
0.1 – 1 mbar
Vacío final típico
10⁻¹ – 10⁻² mbar
Aceite mineral muy refinado (vacío)
Presión de vapor
{'<'}0.01 mbar a 20°C
Vacío final típico
10⁻³ – 10⁻⁴ mbar
PFPE (Fomblin, Krytox)
Presión de vapor
{'<'}10⁻¹⁰ mbar a 20°C
Vacío final típico
10⁻⁸ – 10⁻¹⁰ mbar
Aditivos EP en aceites de bomba de vacío: prohibidos
Los aditivos EP a base de azufre (polisulfuros, ZDTP) se descomponen parcialmente en el interior de la bomba de vacío bajo las condiciones de temperatura y presión reducida. Los productos de descomposición (H₂S, SO₂, tioles) son volátiles y pasan al vacío, contaminando el proceso. En industrias como semiconductor, farmacéutica o electrónica óptica, esta contaminación puede inutilizar todo el proceso aguas abajo. Los aceites de bomba de vacío deben ser completamente libres de aditivos EP azufrados.
1. Bombas de paletas rotativas (Busch, Leybold, Becker, Edwards)
Las bombas de paletas rotativas son las más extendidas en el vacío industrial de proceso: envasado al vacío en alimentaria, moldeo por inyección de plástico, termoconformado, sujeción de piezas en mecanizado (chuck de vacío), secadores industriales, evaporadores al vacío y filtración a vacío. Su rango de trabajo es vacío bajo y medio: 1 mbar a 10⁻³ mbar.
1.1 El aceite de bomba de vacío de paletas: parámetros clave
PARÁMETRO
Presión de vapor
REQUISITO
{'<'}0.01 mbar a 20°C
MOTIVO
Define el vacío final alcanzable. Por debajo de este valor la bomba puede llegar a 10⁻³ mbar con trampa de frío.
PARÁMETRO
Viscosidad
REQUISITO
VG 46-68 (ISO)
MOTIVO
VG 46: bombas de alta velocidad (1500-3000 rpm) y trabajo continuo. VG 68: bombas de menor velocidad o en zonas frías. La viscosidad baja reduce la potencia absorbida y el calentamiento.
PARÁMETRO
Índice de acidez (TAN)
REQUISITO
{'<'}0.5 mg KOH/g
MOTIVO
El gas bombeado puede contener vapores ácidos (HCl, HF en procesos de semiconductor) que acidifican el aceite. TAN alto {'>'} 2 indica aceite degradado que corrroe las paletas y el rotor.
PARÁMETRO
Contenido de agua
REQUISITO
{'<'}500 ppm (Karl Fischer)
MOTIVO
Las bombas de vacío condensan vapor de agua en el aceite al partir en frío. El agua emulsiona el aceite, reduce la viscosidad y genera corrosión. Las bombas con gas ballast reducen este problema.
PARÁMETRO
Aditivos EP
REQUISITO
Ausentes
MOTIVO
Los aditivos EP azufrados se descomponen y contaminan el vacío con H₂S y SO₂ volátiles. El aceite de bomba de vacío debe ser base mineral refinada sin paquete EP.
1.2 Gas ballast y dilución del aceite
Las bombas de paletas con válvula de gas ballast (air ballast valve) admiten un pequeño caudal de aire seco al final de la compresión para evitar la condensación de vapores en el aceite. En bombas que extraen gases con alto contenido de vapor de agua o solventes, el gas ballast es imprescindible. Sin embargo, el gas ballast aumenta la temperatura de descarga de la bomba (hasta 80-90°C), lo que acelera la oxidación del aceite y reduce el intervalo de cambio. El aceite de bomba de vacío con índice de viscosidad alto (>95) y paquete antioxidante soporta mejor el ciclo de gas ballast.
2. Bombas de tornillo seco (dry screw vacuum pumps — Busch COBRA, Atlas Copco, Pfeiffer)
Las bombas de tornillo seco son la tecnología de vacío dominante en la industria química fina, farmacéutica y semiconductor donde el proceso no admite contaminación con aceite. Los dos rotores helicoidales (tornillos) giran sin contacto entre sí ni con la carcasa, sincronizados por engranajes externos. La zona de bombeo es completamente seca: no hay aceite en contacto con el gas bombeado.
Engranajes externos de sincronización
Los engranajes que sincronizan los dos rotores están en una cámara separada de la zona de vacío, con sello de labio o retén mecánico que impide la migración de aceite al vacío. El aceite de engranajes debe ser sintético PAO VG 100-150 por tres razones:
- • Temperatura: la descarga del tornillo seco alcanza 200-300°C en la zona de compresión adiabática. El calor se transfiere a la carcasa y de ahí a los engranajes (80-120°C en cámara de engranajes).
- • Estabilidad térmica: el PAO resiste la oxidación a 120°C mejor que el mineral.
- • Ausencia de EP azufrado: aunque los engranajes no están en zona de vacío, cualquier fuga de aceite a través del sello contaminaría el vacío.
Temperatura de descarga: el gran reto
La temperatura de descarga de 200-300°C en bombas de tornillo seco provoca que cualquier condensado de proceso (agua, solventes, ácidos) que entre en la bomba se evapore violentamente en la zona caliente, pudiendo generar reacciones secundarias. Esto es ventaja en procesos con solventes (no condensan en la bomba), pero exige que el aceite de engranajes tenga:
- • Punto de inflamación > 200°C (PAO VG 100-150)
- • Resistencia a la oxidación a > 120°C continuado
- • No contener agua ni condensados en el circuito de engranajes
3. Bombas de anillo líquido y de raíces (Roots blowers)
3.1 Bombas de anillo líquido (liquid ring pumps)
Las bombas de anillo líquido utilizan un líquido de sello (normalmente agua, pero también glicol o aceite mineral blanco para aplicaciones especiales) que forma un anillo rotante dentro de la carcasa. Este anillo actúa simultáneamente como sello de las cámaras de compresión, como refrigerante y como eliminador de partículas. La bomba de anillo líquido es inherentemente limpia: no hay aceite en la zona de bombeo.
La lubricación se limita a los rodamientos externos del eje, que trabajan a temperatura moderada (40-70°C) y sin contaminación especial. Grasa Li NLGI 2 de calidad industrial estándar es suficiente, con intervalo de reengrase de 2.000-4.000 horas. En aplicaciones con líquido de sello corrosivo (agua salina, ácidos diluidos), los rodamientos deben ser de acero inoxidable o con revestimiento anticorrosión, y la grasa debe tener inhibidor de corrosión.
3.2 Bombas de raíces / Roots blowers
Las bombas de raíces (Roots blowers) se usan como primer estadio en sistemas de vacío de dos etapas: la Roots bombea desde vacío medio hasta vacío fino, con una bomba de paletas como respaldo (backing pump). Los dos lóbulos del Roots giran sincronizados por engranajes externos y sin contacto entre sí ni con la carcasa, igual que el tornillo seco, por lo que la zona de bombeo es seca.
Los engranajes de sincronización del Roots trabajan a temperatura de carcasa de 80-120°C. El aceite correcto es aceite sintético VG 68-100 (PAO o mineral refinado sin EP azufrado), con cambio cada 4.000-6.000 horas o anual. El nivel de aceite es el indicador más importante del estado del rodamiento/engranaje en las Roots: un nivel bajo indica fuga por el sello hacia la zona de vacío, lo que contamina el proceso.
4. Bombas turbomoleculares
Las bombas turbomoleculares operan en el rango de vacío fino y ultra-vacío (10⁻³ a 10⁻¹⁰ mbar) mediante discos de paletas que giran a 20.000-90.000 rpm. A esas velocidades, el gas es transferido por colisiones con las paletas antes de que tenga tiempo de seguir una trayectoria de difusión. Las turbomoleculares son esenciales en semiconductor (cámaras de deposición PVD/CVD), investigación (aceleradoras de partículas, microscopía electrónica) y análisis de masa.
4.1 Rodamientos de bolas de alta velocidad: Dn > 2.000.000
Los rodamientos de una turbomolecular pequeña (Dn típico 2.000.000-5.000.000 mm·rpm) son los rodamientos que operan a mayor velocidad en toda la industria, superando incluso a los husillos de rectificadoras de alta velocidad. La selección de lubricante está dominada por dos requisitos absolutamente prioritarios y en cierta medida contradictorios:
Requisito 1: Presión de vapor ultra-baja
El lubricante del rodamiento está en la zona de ultra-vacío del rotor. Cualquier molécula de lubricante que se evapore contamina el vacío y el proceso. La presión de vapor del lubricante debe ser <10⁻¹⁰ mbar a temperatura de operación (típicamente 60-80°C en el rodamiento).
Únicamente PFPE (Fomblin, Krytox) o grasa de PTFE sin portador volátil cumplen este requisito.
Requisito 2: Vida larga sin reengrase
Las turbomoleculares están instaladas en vacío y no son accesibles para reengrase durante la operación. El lubricante debe durar el ciclo completo entre mantenimientos mayores (12.000-20.000 horas en modelos modernos). La grasa de PFPE con espesante de PTFE cumple este requisito: baja evaporación, sin degradación química por los gases bombeados, sin migración.
4.2 Cojinetes magnéticos activos (Active Magnetic Bearings — AMB)
Las turbomoleculares de alta gama (Pfeiffer HiPace, Edwards STP, Leybold TURBOVAC) utilizan cojinetes magnéticos activos que levitan el eje sin contacto mecánico, eliminando completamente la necesidad de lubricante en el rodamiento principal. Los cojinetes mecánicos de aterrizaje (backup bearings / catcher bearings) solo entran en función durante arranque/parada y en caso de fallo del sistema magnético. Estos se lubrican con grasa PFPE de grado especial.
5. Eyectores de vapor y sistemas de vacío farmacéutico
5.1 Eyectores de vapor (steam ejectors)
Los eyectores de vapor utilizan un chorro de vapor de alta presión para crear vacío por efecto Venturi. No tienen partes móviles, por lo que no requieren lubricación del chorro de vacío en sí. Sin embargo, las válvulas de control de vapor y condensado del sistema (válvulas de mariposa, de compuerta, de bola) sí requieren lubricación:
- •Válvulas de vapor de alta temperatura: grasa de alta temperatura base PFPE o silicona de grado técnico (temperatura > 200°C en el vástago) con aditivos de grafito para protección bajo carga de cierre.
- •Actuadores neumáticos de control: aceite VG 32-46 en el FRL del actuador. En entorno de vapor, protección anticondensado en el circuito de aire es prioritaria.
5.2 Sistemas de vacío en industria farmacéutica (GMP 21 CFR Part 211)
La industria farmacéutica bajo GMP (Good Manufacturing Practices) regula todos los materiales que pueden entrar en contacto con el producto o el entorno de producción. El vacío se usa en farmacéutica para secado (liofilizadores, secadores de lecho fluidizado al vacío), filtración estéril, dosificación y envasado de producto.
Estrategia de lubricación en vacío farmacéutico GMP
Bomba de tornillo seco — sin aceite en zona de vacío. La GMP acepta esta opción sin reservas porque no hay riesgo de contaminación del vacío con aceite. El aceite de engranajes externos queda físicamente separado del proceso.
Bomba de paletas con aceite mineral blanco USP H1 — si el proceso lo admite y el riesgo de retorno de aceite al proceso es bajo (trampa de frío en la línea, válvula de no retorno). El aceite mineral blanco USP debe documentarse en el DMF (Drug Master File) o en el system qualification del equipo.
21 CFR Part 211 (FDA), EU GMP Annex 1 (procesos estériles), ICH Q7 (API manufacturing). El lubricante del sistema de vacío debe estar documentado en el qualification del sistema de vacío (DQ, IQ, OQ, PQ).
6. Aceites para vacío fino y ultra-vacío: difusión, PFPE y Fomblin
El vacío fino (10⁻⁴ a 10⁻⁷ mbar) y el ultra-vacío (<10⁻⁷ mbar) se alcanzan mediante bombas de difusión o turbomoleculares. Las bombas de difusión son las más utilizadas en recubrimientos por PVD/CVD (semiconductor, herramientas de corte), metalurgia de alta pureza y equipos de investigación por su alta velocidad de bombeo a vacío fino.
6.1 Aceites de bomba de difusión
En una bomba de difusión, el aceite se calienta hasta su punto de ebullición (100-250°C dependiendo del aceite), el vapor asciende por el conducto central y se dirige hacia las paletas deflectoras donde arrastra las moléculas de gas hacia la salida. El aceite condensa en las paredes frías y recircula al calderín. El aceite de la bomba de difusión es simultáneamente el fluido de trabajo y el lubricante (de las paredes del cilindro en contacto con el chorro de vapor).
Aceite de silicona para difusión
- • Tipo: Polidimetilsiloxano de alta pureza (Dow Corning 705, DC 704)
- • Presión de vapor: 10⁻⁹ – 10⁻¹⁰ mbar a 20°C
- • Vacío final: 10⁻⁷ – 10⁻⁸ mbar
- • Ventaja: más económico que PFPE
- • Limitación: retrocontaminación (backstreaming) posible; craqueo con O₂; no apto para procesos oxidantes
PFPE: Fomblin Y, Krytox VP para difusión
- • Tipo: Perfluoropoliéter lineal de alta masa molecular
- • Presión de vapor: <10⁻¹² mbar a 20°C
- • Vacío final: 10⁻⁸ – 10⁻¹⁰ mbar con trampa de frío
- • Ventaja: completamente inerte a O₂, F₂, Cl₂; no craquea; ideal para procesos oxidantes o con gases reactivos
- • Limitación: coste 10-20× superior al aceite de silicona
Trampa de frío (cold trap): imprescindible con aceites de difusión
Todas las bombas de difusión producen retrocontaminación (backstreaming): vapor de aceite que fluye desde la bomba hacia la cámara de proceso. Una trampa de frío refrigerada con nitrógeno líquido (–196°C) o con refrigeración mecánica (–60°C a –80°C) se instala entre la cámara y la bomba para condensar el vapor de aceite antes de que entre en el proceso. Sin trampa de frío, el vacío final en la cámara es siempre peor que el teórico de la bomba, y la contaminación del proceso es inevitable.
Tabla: tipos de bomba de vacío — lubricante, presión de vapor e industria
| Tipo de bomba de vacío | Rango de vacío (mbar) | Lubricante del mecanismo | Presión de vapor aceite | Industria recomendada |
|---|---|---|---|---|
| Paletas rotativas (Busch, Leybold, Becker) | 1 – 10⁻³ mbar (vacío medio) | Aceite VG 46-68 mineral muy refinado, sin aditivos EP | {'<'}0.01 mbar a 20°C | Proceso general, envasado, plásticos, farmacéutica |
| Tornillo seco (Busch COBRA, Atlas Copco) | 10 – 10⁻³ mbar (vacío medio) | PAO VG 100-150 en engranajes externos; sin aceite zona de vacío | N/A (zona de vacío seca) | Procesos limpios, semiconductor, química fina |
| Anillo líquido | 50 – 0.1 mbar (vacío bajo/medio) | Sin lubricante en zona de bombeo; grasa Li NLGI 2 en rodamientos externos | N/A (líquido sello) | Papel, química, extracción de gases húmedos |
| Roots (lóbulos) | 10 – 10⁻⁴ mbar (presurizador) | Aceite sintético VG 68-100 en engranajes de sincronización | N/A (zona de bombeo seca) | Complemento de bomba primaria, semiconductor |
| Turbomolecular | 10⁻³ – 10⁻¹⁰ mbar (vacío fino/ultra) | Grasa cerámica / PTFE ultra-baja presión de vapor, o cojinetes magnéticos | {'<'}10⁻¹⁰ mbar (grasa PFPE) | Investigación, semiconductor, aceleradoras de partículas |
| Difusión de aceite | 10⁻² – 10⁻⁷ mbar (vacío fino) | Aceite de silicona o PFPE (Fomblin) específico para difusión | {'<'}10⁻⁸ mbar (PFPE) | Recubrimientos PVD/CVD, investigación, metalurgia |
| Bomba de paletas – pharma GMP | 1 – 10⁻³ mbar | Aceite mineral blanco USP H1 VG 46-68 o tornillo seco preferido | {'<'}0.01 mbar | Farmacéutica GMP (21 CFR Part 211) |
7. Análisis del aceite de bomba de vacío en servicio
El aceite de bomba de vacío de paletas se degrada por tres mecanismos principales: oxidación térmica (en bombas con gas ballast), dilución por condensación de vapores del proceso (agua, solventes) y acidificación por gases ácidos bombeados (HCl, HF, SO₂). Un programa de análisis periódico permite optimizar el intervalo de cambio, evitando tanto el cambio prematuro (coste innecesario) como el cambio tardío (daño a la bomba y contaminación del vacío).
Viscosidad cinemática a 40°C
Límite: ±15% respecto al aceite nuevo
Fuera de límite: cambio inmediato. La reducción de viscosidad indica dilución con solventes condensados. El aumento indica polimerizacion oxidativa.
Contenido de agua (Karl Fischer)
Límite: {'<'}1.000 ppm
Por encima de 1.000 ppm, el aceite puede emulsionarse y perder la función de sello. Comprobar gas ballast y temperatura de descarga.
Índice de acidez total (TAN)
Límite: {'<'}2 mg KOH/g
TAN {'>'} 2 indica degradación del paquete de aditivos antioxidante o entrada de gases ácidos del proceso. Cambiar aceite y revisar la entrada de gases.
Color visual
Límite: Transparente a amarillo pálido
Color marrón oscuro o negro: oxidación avanzada o contaminación con productos del proceso. Color gris o blanco lechoso: emulsión agua-aceite.
Intervalo de cambio típico
En bombas de vacío de paletas rotativas, el intervalo de cambio de aceite recomendado por los fabricantes (Busch, Leybold, Edwards) es 500-1.000 horas de operación o 6 meses, lo que ocurra primero. Para bombas que trabajan con gases limpios y secos (aire, N₂, gas inerte), el intervalo puede extenderse hasta 2.000 horas con confirmación analítica. Para bombas que bombean solventes, vapor de agua o gases ácidos, el intervalo puede acortarse a 250-500 horas o debe determinarse por análisis del aceite en servicio.
8. Sistemas de vacío para manipulación: venturi y ventosas
Los sistemas de vacío venturi y ventosas de sujeción (pick-and-place en robótica, sujeción de piezas en mecanizado) generan vacío a partir de aire comprimido sin bomba dedicada. El vacío se produce en el interior del venturi por efecto Bernoulli. No hay partes lubricadas en el generador de vacío venturi.
Atención: lubricante en FRL y ventosas
Los sistemas venturi se alimentan de aire comprimido del circuito general de planta. Si ese circuito tiene lubricador FRL con aceite convencional, las gotitas de aceite en el aire comprimido se depositan en el interior del generador venturi y de las ventosas. En aplicaciones de ventosa sobre alimentos, materiales electrónicos sensibles o piezas ópticas, el aceite del FRL debe ser sin aceite (air-line filter only) o aceite NSF H1 / aceite blanco VG 32 según la aplicación. En la zona de vacío del venturi nunca se aplica lubricante adicional.
Conclusiones técnicas
La presión de vapor del aceite de bomba de vacío define el límite teórico de vacío alcanzable. Un aceite convencional limita el vacío a 10⁻¹ – 10⁻² mbar. Para vacío fino se requieren aceites de vacío de baja presión de vapor o PFPE.
Los aditivos EP azufrados están absolutamente prohibidos en aceites de bomba de vacío. Sus productos de descomposición (H₂S, SO₂) son volátiles y contaminan el proceso.
Las bombas de tornillo seco son la tecnología preferida en farmacéutica, química fina y semiconductor por su zona de vacío completamente libre de aceite. El aceite de engranajes externos (PAO VG 100-150) queda físicamente separado del proceso.
Las turbomoleculares requieren grasa PFPE o cojinetes magnéticos activos. La presión de vapor del lubricante debe ser {'<'}10⁻¹⁰ mbar para no limitar el vacío fino.
El análisis del aceite de bomba de vacío (viscosidad, agua, TAN, color) es el indicador más fiable del estado del sistema. El intervalo estándar de 500-1.000 h debe ajustarse según el gas bombeado.
En farmacéutica GMP, el lubricante del sistema de vacío debe estar documentado en el qualification del equipo (IQ/OQ) y en el sistema de gestión de riesgo según ICH Q9.
Aceites de bomba de vacío y PFPE: envasado industrial
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