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.

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