Tratamientos por membranas
Filtración convencional
vs.
Filtración por membranas
10-5 m10-6 m10-7 m10-8 m10-9 m 10-4 m
Glóbulos grasos
Micelas de caseína
Proteínas del suero
Agua Na+ Lactosa
Virus Bacterias Levaduras
CONCEPTOS BÁSICOS
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
Procesos de membranas
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.
ProcesoProceso MembranaMembrana
Rango de Rango de Presión (Bar)Presión (Bar)
Especies Especies retenidasretenidas
Especies en Especies en el permeadoel permeado
MFMF
Porosas,
0,1 – 5 mm
0,1 – 3 Células, bacterias,
hongos, grasa
Solventes, sales, macro
moléculas
UFUF
Porosas,
5 – 100 nm
1 – 10 Polisacáridos, proteínas,
taninos, virus
Solvente, sales, moléculas pequeñas (azúcares, polifenoles)
NFNF
Porosas,
1 – 5 nm
10 – 50 Lactosa, ácidos orgánicos,
aromas
Solventes, iones monovalentes
(Na, Cl, K)
OI OI (Hiperfiltración)(Hiperfiltración)
No porosas 10 -100 Sales minerales Solvente
ULTRAFILTRACIÓNULTRAFILTRACIÓN
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:
a) La viscosidad del líquido del permeado es 20 % mayor que la del agua.
b) Las moléculas proteícas se adsorben sobre la membrana reduciendo el tamaño de los poros.
c) Se forma un gradiente de concentración que es contrarestado por el movimiento del líquido a lo largo de la membrana.
d) 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 INVERSAOSMOSIS 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 demembrana espiral
Estructura demembrana orgánica
de fibra hueca
Estructura demembrana tubural
Membranas de cerámica
Estructura de membrana cerámica
Leche1.000
Nata87
leche desn.913
Conc. Prot.170
Permeado743
leche conc.450
Disoluc. Conc.193
“agua”550
desnatado
U. F.
O. I.
Principio de la concentración de la leche por separación centrífuga, U. F. y O. I.. Los números son ejemplos de las
cantidades en Kg.
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