¿QUÉ ES LA FILTRACIÓN POR MEMBRANA?
La filtración por membrana es un método de separación física que permite separar moléculas de diferentes tamaños y características. El principio es bastante simple: La membrana funciona como una pared de separación selectiva (como un filtro). Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana, mientras que otras quedan atrapadas en ella. Hay varios métodos para permitir que las sustancias atraviesen una membrana. Ejemplos de estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial eléctrico.
¿CÓMO FUNCIONA LA FILTRACIÓN POR MEMBRANA?
CLASIFICACIÓN
MICROFILTRACIÓN Y ULTRAFILTRACIÓN
Por un lado, tenemos la microfiltración y la ultrafiltración que permite la separación mecánica de sólidos suspendidos o disueltos mediante un tamiz. La principal diferencia entre ambos procesos es el tamaño de poro de la membrana, que determina qué solutos pueden ser eliminados en el proceso de filtración. Las sustancias de mayor tamaño que los poros de la membrana son retenidas totalmente, e incluso algunas sustancias más pequeñas que los poros también pueden ser retenidas parcial o totalmente dependiendo de la selectividad de la membrana. Además de la influencia del tamaño de los poros, la distribución de éstos en la estructura de la membrana también es importante en ambos procesos. La microfiltración es capaz de separar pequeñas partículas y la ultrafiltración macromoléculas.
En concreto las membranas de microfiltración tienen un tamaño de poro que permite separar tamaños de partículas de distinta naturaleza (sólidos en suspensión, partículas finas, coloides, algas y microorganismos como bacterias) dentro del rango: 0.1 μm – 10 μm, y las membranas de ultrafiltración entre 0,04 y 0,1 μm. Además la productividad de ambos procesos es alta, aunque la permeabilidad es mayor en las membranas de microfiltración y las presiones de trabajo de este proceso son también las más bajas, la ultrafiltración también se caracteriza por unas diferencias de presión requeridas bastante bajas, ya que apenas existen diferencias osmóticas.
Las membranas de ultrafiltración son generalmente membranas porosas y se clasifican por el peso de corte molecular, que equivale al peso molecular de la molécula más pequeña que pueden retener sus poros al 90%, y que oscila entre 1.000 y 500.000, es decir, moléculas y macromoléculas. La microfiltración se utiliza para la esterilización en frío de alimentos líquidos y productos farmacéuticos, para la reducción de microorganismos del agua y es común como pretratamiento del agua para nanofiltración y ósmosis inversa. Por su parte, la ultrafiltración se aplica para la eliminación de sustancias orgánicas, en la eliminación de trihalometanos del agua, en el tratamiento de aguas residuales y en la industria textil.
NANOFILTRACIÓN
La nanofiltración es un proceso intermedio entre la ósmosis inversa y la ultrafiltración por los niveles de separación que permite y por las presiones de aplicación que requiere. La membranas de nanofiltración son de estructura microporosa y pueden retener partículas con un tamaño de 0,1 nm-0,001 µm, lo que permite separar del agua la mayoría de moléculas, aunque las de peso molecular más bajo queden retenidas en la membrana parcialmente. Por lo que este proceso permite la separación de sustancias orgánicas (proteínas, azúcares), microrganismos y algunas sales multivalentes. Además, en este proceso la separación de sustancias se lleva a cabo de manera combinada tanto por el tamaño de los poros, como por los mecanismos de disolución-difusión que caracterizan el proceso de ósmosis inversa y que explicamos más en profundidad en el siguiente punto.
La nanofiltración se utiliza para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales, para descontaminación de las aguas residuales, para la eliminación de nitratos, para la eliminación del color y también como pretratamiento antes de la ósmosis inversa.
OSMOSIS INVERSA
Este proceso de membranas retiene prácticamente todas las moléculas más pequeñas de partículas y sales, incluidas las sales monovalentes, mientras que las moléculas de agua pueden pasar libremente a través de la membrana.
La característica principal de este proceso es que con las membranas de ósmosis inversa el rechazo de solutos no ocurre mediante filtración, sino que el mecanismo de transporte característico es el de disolución-difusión a través de la membrana, es decir que el proceso de separación se debe a la diferente solubilidad y difusividad en la membrana de los distintos componentes de la solución acuosa y por tanto se trata de un proceso físico-químico, ya que las interacciones que existen entre las moléculas de agua, la membrana y los solutos son las responsables de la separación. Las membranas de OI son hidrófilas para que las moléculas de agua sean atraídas fácilmente y por difusión son transportadas a través de la estructura polimérica de la membrana. Por lo tanto los componentes que constituyen el permeado, es decir, los que consiguen atravesar la membrana, deben tener cierta afinidad con el material de la membrana ya que es un factor decisivo para que se puedan disolver en su estructura y posteriormente difundirse a través de ella. De ahí que en ósmosis inversa cobre mucha más importancia el material de la membrana que en los procesos de microfiltración y ultrafiltración.
Además las membranas de ósmosis inversa al ser densas, y no porosas, presentan unos valores inferiores de permeabilidad, debiéndose trabajar a valores superiores de presión que permitan superar la presión osmótica para lograr que exista un flux razonable de fluido desde la fase concentrada al permeado.
La ósmosis inversa es la técnica que más se utiliza en la actualidad para la desalación de agua, ya que permite la eliminación de sales, así como de compuestos orgánicos de bajo peso molecular, permitiendo producir un agua potable de una gran calidad.
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA
Industria
láctea: la
filtración por membrana es una parte valiosa del proceso de producción,
especialmente en la manufactura de ingredientes lácteos. Sus aplicaciones
pueden dividirse en tres categorías: aplicaciones a leche (eliminación de la
lactosa de la leche), aplicaciones a suero (desmineralización parcial del suero,
concentración de proteínas del suero de leche) y otras aplicaciones como el
clarificado de salmuera de queso.
Industria
de almidones y edulcorantes: el beneficio principal es el incremento en el rendimiento
de los productos, entre los que se incluyen la clarificación de jarabes de maíz
como dextrosa y fructosa, la concentración de agua de lavado del almidón, el
fraccionamiento/concentración de agua de maceración. (Recuperación de almidón,
separación de emulsiones)
Industria
del azúcar:
la filtración por membranas se puede utilizar para clarificar el jugo no
procesado sin utilizar clarificadores primarios, eliminando así muchos
problemas ambientales y mejorando la calidad y el rendimiento de otros métodos
tradicionales. Las membranas también pueden clarificar, fraccionar y concentrar
varias soluciones de azúcar en el proceso de producción. (Esterilización en
frio de bebidas (jugos, cerveza), Concentración de jugos de frutas, azúcar,
café.)
Industria
química: muchos
procesos químicos utilizan la filtración por membranas para desalar, diafiltrar
y purificar tintes, pigmentos y abrillantadores ópticos, limpiar las corrientes
de aguas residuales y de lavado, la concentración y deshidratación de minerales
como arcilla caolínica, dióxido de titanio y carbonato de calcio, la
clarificación de cáusticos, la producción de polímeros o la recuperación de
metales.
Industria
farmacéutica: la cosecha de células o recuperación de biomasa es un paso importante en
un proceso de fermentación, especialmente al manufacturar productos como los
antibióticos. La filtración mejora la producción y reduce la tarea del operario
y el costo de mantenimiento. Las membranas son también una parte estándar de
las líneas de producción industrial de enzimas al concentrar enzimas
previamente a otros procesos.
BIBLIOGRAFÍA
- https://blog.condorchem.com/aplicaciones-industriales-de-la-filtracion-por-membranas/#:~:text=Industria%20qu%C3%ADmica%3A%20muchos%20procesos%20qu%C3%ADmicos,di%C3%B3xido%20de%20titanio%20y%20carbonato
- http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/filtracion_por_membrana.pdf
- https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/83393/Castell%C3%B3%3BVidal%3BGras%20-%20Separaci%C3%B3n%20por%20membranas.pdf?sequence=1
- https://www.lenntech.es/tecnologia-de-membrana.htm
- http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/mlci/filtracion_por_membrana.pdf
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