Tecnología de membranas

Tecnología de membranas

Mercè Raventós, Sonia Duarte (Universidad Politécnica de Catalunya)

1.- Palabras clave:

tecnología emergente, permeabilidad selectiva, gradiente de presión, microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF), ósmosis inversa (OI), concentración por membranas.

Introducción

La aplicación de las tecnologías de membranas para la conservación y obtención de alimentos es una tecnología emergente en el sector alimentario. De hecho, los procesos de membrana se utilizan para concentrar o bien fraccionar un líquido en dos de diferente composición.

El proceso de separación se fundamenta en la permeabilidad selectiva de un componente o más del líquido a través de la membrana y en un gradiente de presión hidrostática. Los procesos de membranas de filtración más importantes para la industria alimentaria son: microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (OI).

Los procesos de filtración por membranas son cada vez más utilizados en la industria alimentaria, especialmente la láctica y la de bebidas en general. Las ventas anuales de membranas en la industria alimentaria se estiman en más de 300 M€, distribuidos de la siguiente forma: 50% MF, 25% UF, 15% OI y 10% ED (electrodiálisis).

Los motivos expresados por los profesionales del sector para la utilización de esta tecnología en la industria alimentaria son fundamentalmente:

- mejora de la calidad de los productos (82%) (nutricional, bacteriológica y funcional)

- reducción de los costes de producción (32%), aumento del rendimiento, automatización de los procesos, flexibilidad

- nuevos productos y solución a los problemas medioambientales (29%)

Definición de membrana

Una membrana se puede considerar que es una barrera o película permeoselectiva entre dos medios fluidos, que permite la transferencia de determinados componentes de un medio al otro a través de ella y evita o restringe el paso de otros componentes. El transporte de componentes a través de la membrana se realiza siempre aplicando una fuerza impulsora. Esta fuerza impulsora puede ser debida a gradientes de concentración, presión, temperatura o potencial eléctrico.La permeabilidad selectiva viene determinada por la medida de la partícula, la afinidad química con el material de la membrana y/o la movilidad de los componentes a través de la membrana (movimiento difusivo o convectivo). Las membranas, para ser efectivas en los procesos de separación y filtración, han de ser resistentes químicamente (tanto con el alimento como con los productos de limpieza), mecánica y térmicamente estables, y tener una permeabilidad elevada, alta selectividad y resistencia a las operaciones.

Membranas y materiales

Los materiales que se utilizan en muchos procesos de membranas pueden ser muy diferentes, ya que tanto el material como las configuraciones ofrecen muchas posibilidades. Por eso, se pueden establecer varias clasificaciones, según el elemento de referencia.Una de ellas puede ser la naturaleza de la membrana: biológica o sintética. Estos dos tipos de membranas son muy diferentes en estructura y funcionalidad.

Otra clasificación puede ser según la porosidad de la membrana:

- Membrana porosa. Formada por poros que pueden ir desde 5 nm hasta alguna micra. Éste es el fundamento de la microfiltración y la ultrafiltración.

- Membrana microporosa. Formada por poros de 1 a 5 nm de diámetro. En este caso, los efectos de carga de partículas son más importantes en el proceso de separación que los efectos del tamaño de partícula.

- Membrana no porosa. Membrana con poros de tamaño inferior a 1 nm de diámetro.

3.- Operaciones y equipos

Variables que definen el comportamiento

En todo el proceso de membrana, existen tres corrientes:

1) Alimento Disolución que se quiere tratar.

2) Permeado Corriente que es capaz de pasar a través de la membrana. Está constituido por el solvente y algunos solutos. Es rico en sustancias con tendencia a atravesar la membrana.

3) Retenido o concentrado Corriente que no ha pasado a través de la membrana. Ha perdido parte de la disolución del alimento y, por tanto, aumenta la concentración de sustancias que no pueden atravesar la membrana.

La corriente de interés del proceso puede ser el permeado, el retenido o ambos, dependiendo del objetivo de la separación:

- Concentración. El componente deseado se encuentra en concentración baja en la corriente del alimento y es el disolvente (permeado) el que se elimina con el fin de aumentar el componente que se quiere concentrar.

- Purificación. Las impurezas o los componentes no deseados se eliminan en la corriente de permeado o en el retenido.

- Fraccionamiento. Cuando una mezcla se separa en dos o más componentes deseados.

Si el objetivo del proceso es concentrar, la corriente de interés es el retenido o concentrado. Si se quiere purificar, la corriente de interés es o bien el retenido o bien el permeado, según cuál contenga las impurezas que se quieren eliminar. Si se quiere hacer un fraccionamiento, las dos corrientes -el retenido y el permeado a la vez- pueden ser de interés.

La separación se realiza gracias a la facilidad que tiene la membrana de transportar un componente de las fases a través de la membrana. El transporte a través de la membrana se efectúa por la acción de una fuerza impulsora. En el esquema siguiente, se representa el proceso general de separación por membranas, en el que se distinguen las tres corrientes. El alimento es separado en una corriente más concentrada o retenido y en una corriente menos concentrada o permeado.

Representación esquemática de un proceso de separación por membrana

Modelos con membranas orgánicas

a) Planos

Consisten en una serie de membranas dispuestas horizontal o verticalmente sobre separadores permeables, que actúan como canales y conducen el flujo. Los separadores pueden ser de disco o de placa y marco. La relación superficie/volumen normalmente es baja, comparada con la configuración tubular, y depende de la forma y la eficacia del material utilizado como separador, pero oscila generalmente entre 100-300 m2/m3. No se aconseja para la desalinización del agua, a causa de la baja relación S/V y las altas presiones que tendría que soportar (10-100 bar); sin embargo, es adecuada para la recuperación y concentración de productos de alto valor añadido, como proteínas o vitaminas, en que estas limitaciones no son importantes.

Fig. Módulo plano de disco DDS

Fig.. Módulo plano de placas y marcos

b) Tubulares

Las membranas se encuentran en el interior de un soporte en forma de tubo de acero inoxidable o poliéster reforzado, de 10-40 mm de diámetro interior y de 0,5-3,5 m de longitud. Las membranas se colocan en paralelo o en serie dentro del módulo. La disolución que se quiere tratar entra a presión por un extremo del tubo y llega al final como corriente del retenido, mientras que el permeado pasa a través de la membrana y es recogido en el exterior del módulo. La velocidad de circulación de la solución es del orden de 6 m/s (régimen turbulento). La relación S/V es baja, entre 25-100 m2/m3, y exige más superficie de instalación y mayor coste de inversión y mantenimiento. Su configuración es sencilla y se puede utilizar en MF, UF, diálisis y concentración alimentaria por OI.

Fig. Módulo tubular

c) Cartucho en espiral

Las membranas en forma de lámina se colocan una sobre otra (de 4 a 10 láminas) y se enrollan sobre un eje central, y queda un cilindro que se coloca en el interior de un tubo o cartucho. La capa activa de la lámina se orienta hacia el exterior, de forma que el flujo de permeado va en dirección desde el exterior hacia el interior, y los solutos quedan retenidos en esta superficie activa. Una vez el permeao pasa a la capa activa, una malla porosa entre las láminas es la encargada de conducirlo hacia el interior del tubo o eje central. Entre las dos capas activas se coloca una malla sintética, que conduce el alimento por toda la superficie de la membrana. Este conjunto o “sandwich” es sellado con el fin de no mezclar la corriente de permeado con otras corrientes. La corriente de alimentación y la de concentrado son axiales en la dirección del eje central y paralelas a la superficie de la membrana para poder disminuir el fenómeno de polarización de concentración.

No representan un coste de inversión ni de mantenimiento elevado, ya que sus elementos de membrana se pueden recuperar y ser utilizados nuevamente para configurar nuevas membranas.

Fig. Módulo de membrana en espiral

d) De fibra hueca

Formados por un haz de fibras huecas asimétricas, de diámetro interior de 40 μm y diámetro exterior de 85 μm, aproximadamente. Las fibras actúan como autosoporte y resisten presiones elevadas. El haz consta de entre decenas y millones de fibras y se encuentra dentro de un distribuidor poroso que es sellado por los extremos donde se enlazan las fibras con una resina epoxi. La corriente de alimento se impulsa radialmente hacia el haz y el transporte se efectúa por el interior de las fibras

...