Tratamientos por membranas

Filtración convencional vs. Filtración por membranas

10-9 m 10-8 m 10-7 m 10-6 m 10-5 m 10-4 m Glóbulos grasos Micelas de caseína Proteínas del suero Virus Bacterias Levaduras 10-9 m 10-8 m 10-7 m 10-6 m 10-5 m 10-4 m Agua Na+ Lactosa

Rangos de presión según el tamaño de partícula

CONCEPTOS BÁSICOS

Procesos de membranas En cualquier proceso de membrana, la mezcla problema se introduce en un sistema en donde hay una membrana semipermeable; algunos componentes pueden atravesarla y otros no. La fuerza motríz puede ser una diferencia de presión o de potencial eléctrico (electrodiálisis). Los procesos son: º Microfiltración º Ultrafiltración º Nanofiltración º Osmosis inversa

En la Microfiltración (MF) y la Ultrafiltración (UF) se emplean diferencias de presión muy pequeñas, mientras que la Nanofiltración (NF) y la Osmosis inversa (OI) requieren presiones altas.

Especies en el permeado Proceso Membrana Rango de Presión (Bar) Especies retenidas Especies en el permeado MF Porosas, 0,1 – 5 mm 0,1 – 3 Células, bacterias, hongos, grasa Solventes, sales, macro moléculas UF 5 – 100 nm 1 – 10 Polisacáridos, proteínas, taninos, virus Solvente, sales, moléculas pequeñas (azúcares, polifenoles) NF 1 – 5 nm 10 – 50 Lactosa, ácidos orgánicos, aromas Solventes, iones monovalentes (Na, Cl, K) OI (Hiperfiltración) No porosas 10 -100 Sales minerales Solvente

ULTRAFILTRACIÓN

Una membrana de UF es un filtro con poros muy pequeños (aprox Una membrana de UF es un filtro con poros muy pequeños (aprox. 1 nm) a través de los cuales pasan las moléculas pequeñas y los iones, mientras que partículas pequeñas y y macromoléculas quedan retenidas. Al principio, la aw, la fuerza iónica y el pH son iguales a cada lado de la membrana; en el retenido se acumulan las proteínas, lo que va modificando las propiedades del mismo.

FLUJO DE PERMEADO: El flujo es la cantidad q de líquido que atraviesa la membrana por unidad de tiempo y área superficial. Este proceso queda expresado en la ecuación siguiente (Darcy): q = (B/h) * ∆p/η En donde B es coeficiente de permeabilidad de la membrana, h es el espesor efectivo de la membrana, ∆p es la diferencia de presión sobre la membrana y η es la viscosidad del líquido del permeado. q aumenta al aumentar el tamaño del poro pero esto va en contra de la selectividad de la membrana. El flujo no es proporcional al ∆p ya que a altas presiones B disminuye por compresión de las membranas

En general B es del orden de 10-12 m, lo que significa que el flujo de agua a través de la membrana de UF es de 400 kg . m-2 . h-1, para un ∆p de 100 kPa (1 bar). El flujo de permeado de UF de leche desnatada es distinto del obtenido de la UF de agua debido a: La viscosidad del líquido del permeado es 20 % mayor que la del agua. Las moléculas proteícas se adsorben sobre la membrana reduciendo el tamaño de los poros. Se forma un gradiente de concentración que es contrarestado por el movimiento del líquido a lo largo de la membrana. La “capa gelificada” de proteínas reduce el flujo de permeado y mientras más gruesa es aumenta la presión y aumenta la salectividad de la membrana.

Gradiente de concentración y capa gelificada en una membrana sobre la que fluye el líquido a concentrar. C es concentración del soluto. Normalmente una fina capa de la membrana en la cara del retenido es efectiva como filtro. En la UF la velocidad media del flujo del líquido a lo largo de la membrana suele ser unas 106 veces la velocidad de flujo a través de la membrana.

OSMOSIS INVERSA

Se diferencia de la UF por las presiones empleadas en el proceso, para la leche y el lactosuero es aproximadamente 0,7 Mpa. La OI no se aplica a la leche; ya que los glóbulos grasos aumentan la viscosidad y pueden homogeneizarse por la presión lo cual favorece la lipólisis. Además, una gran concentración produce la cristalización de la lactosa, al menos a baja temperatura. Cuando la membrana no puede someterse a altas temperaturas es imposible alcanzar concentraciones superiores a 22 g de lactosa/100 gramos de agua. El lactosuero puede concentrarse hasta un contenido de 24% de S.T.

Membranas empleadas

Tipo Material Características Celulósica Acetato de celulosa Baratas, sensibles a sustancias químicas Temperatura máx. 50ªC pH 3 – 8 Polímeros orgánicos sintéticos Polisulfona, PP, teflón, poliamida Vida útil: 1 año Cerámicas Óxido de circonio, titanio Resistentes a solventes orgánicos y cloro Resiste hasta 300ªC pH extremos Alta vida útil 5 a 7 años Fibra de carbón Son las de última generación, de alto costo.

Estructura de membrana espiral Estructura de membrana orgánica de fibra hueca

Estructura de membrana tubural Membranas de cerámica

Estructura de membrana cerámica

Principio de la concentración de la leche por separación centrífuga, U Principio de la concentración de la leche por separación centrífuga, U. F. y O. I.. Los números son ejemplos de las cantidades en Kg. Nata 87 leche conc. 450 Leche 1.000 desnatado Conc. Prot. 170 leche desn. 913 U. F. Disoluc. Conc. 193 Permeado 743 O. I. “agua” 550