La ultrafiltración ( UF ) es una variedad de filtración por membrana en la que fuerzas como la presión o los gradientes de concentración conducen a una separación a través de una membrana semipermeable . Los sólidos suspendidos y los solutos de alto peso molecular se retienen en el llamado retentado, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular pasan a través de la membrana en el permeado (filtrado). Este proceso de separación se utiliza en la industria y la investigación para purificar y concentrar soluciones macromoleculares (10 3 –10 6 Da ), especialmente soluciones de proteínas .
La ultrafiltración no es fundamentalmente diferente de la microfiltración . Ambas se diferencian en función de la exclusión por tamaño o la captura de partículas. Es fundamentalmente diferente de la separación de gases por membrana , que se separa en función de diferentes cantidades de absorción y diferentes tasas de difusión . Las membranas de ultrafiltración se definen por el límite de peso molecular (MWCO) de la membrana utilizada. La ultrafiltración se aplica en modo de flujo cruzado o de punto muerto .
Industrias como la fabricación de productos químicos y farmacéuticos , el procesamiento de alimentos y bebidas y el tratamiento de aguas residuales emplean la ultrafiltración para reciclar el flujo o agregar valor a productos posteriores. La diálisis sanguínea también utiliza la ultrafiltración. [ cita requerida ]
La ultrafiltración se puede utilizar para eliminar partículas y macromoléculas del agua cruda y producir agua potable. Se ha utilizado para reemplazar los sistemas de filtración secundaria (coagulación, floculación, sedimentación) y terciaria (filtración con arena y cloración) existentes que se emplean en plantas de tratamiento de agua o como sistemas independientes en regiones aisladas con poblaciones en crecimiento. [1] Cuando se trata agua con un alto contenido de sólidos suspendidos, la ultrafiltración a menudo se integra en el proceso, utilizando tratamientos primarios (cribado, flotación, filtración) y algunos secundarios como etapas de pretratamiento. [2] Los procesos de ultrafiltración se prefieren actualmente a los métodos de tratamiento tradicionales por las siguientes razones:
En la actualidad, los procesos de UF están limitados por el alto costo que implica el ensuciamiento y reemplazo de las membranas. [4] Se requiere un pretratamiento adicional del agua de alimentación para evitar daños excesivos a las unidades de membrana.
En muchos casos, la UF se utiliza para la prefiltración en plantas de ósmosis inversa (OI) para proteger las membranas de OI. [ cita requerida ]
La UF se utiliza ampliamente en la industria láctea; [5] particularmente en el procesamiento de suero de queso para obtener concentrado de proteína de suero (WPC) y permeado rico en lactosa. [6] [7] En una sola etapa, un proceso de UF puede concentrar el suero de 10 a 30 veces la alimentación. [8]
La alternativa original a la filtración de membrana del suero era utilizar calentamiento con vapor seguido de secado en tambor o secado por aspersión. El producto de estos métodos tenía aplicaciones limitadas debido a su textura granulada e insolubilidad. Los métodos existentes también tenían una composición de producto inconsistente, altos costos de capital y operativos y debido al calor excesivo utilizado en el secado a menudo desnaturalizaban algunas de las proteínas. [6]
En comparación con los métodos tradicionales, los procesos de UF utilizados para esta aplicación: [6] [8]
La posibilidad de ensuciamiento es un tema ampliamente discutido, ya que se lo identifica como un factor importante que contribuye a la disminución de la productividad. [6] [7] [8] El suero del queso contiene altas concentraciones de fosfato de calcio que pueden generar depósitos de sarro en la superficie de la membrana. Como resultado, se debe implementar un pretratamiento sustancial para equilibrar el pH y la temperatura del alimento para mantener la solubilidad de las sales de calcio. [8] [9]
El principio básico de funcionamiento de la ultrafiltración utiliza una separación inducida por presión de los solutos de un disolvente a través de una membrana semipermeable. La relación entre la presión aplicada sobre la solución que se va a separar y el flujo a través de la membrana se describe más comúnmente mediante la ecuación de Darcy:
donde J es el flujo (caudal por área de membrana), TMP es la presión transmembrana (diferencia de presión entre la corriente de alimentación y la corriente de permeado), μ es la viscosidad del solvente y R t es la resistencia total (suma de la resistencia de la membrana y la suciedad). [ cita requerida ]
Cuando se produce la filtración, la concentración local de material rechazado en la superficie de la membrana aumenta y puede saturarse. En la ultrafiltración, el aumento de la concentración de iones puede desarrollar una presión osmótica en el lado de alimentación de la membrana. Esto reduce la TMP efectiva del sistema, reduciendo así la tasa de permeación. El aumento de la capa concentrada en la pared de la membrana disminuye el flujo de permeado, debido al aumento de la resistencia que reduce la fuerza impulsora para que el disolvente se transporte a través de la superficie de la membrana. La CP afecta a casi todos los procesos de separación de membrana disponibles. En la ósmosis inversa, los solutos retenidos en la capa de membrana dan lugar a una mayor presión osmótica en comparación con la concentración de la corriente a granel. Por lo tanto, se requieren presiones más altas para superar esta presión osmótica. La polarización de la concentración desempeña un papel dominante en la ultrafiltración en comparación con la microfiltración debido al pequeño tamaño de poro de la membrana. [10] La polarización de la concentración se diferencia del ensuciamiento, ya que no tiene efectos duraderos en la propia membrana y se puede revertir aliviando la TMP. Sin embargo, tiene un efecto significativo en muchos tipos de ensuciamiento. [11]
[12] Las siguientes son las cuatro categorías mediante las cuales se pueden definir los contaminantes de las membranas UF:
Los siguientes modelos describen los mecanismos de deposición de partículas en la superficie de la membrana y en los poros:
Como resultado de la polarización de la concentración en la superficie de la membrana, las concentraciones de iones aumentadas pueden superar los umbrales de solubilidad y precipitarse en la superficie de la membrana. Estos depósitos de sales inorgánicas pueden bloquear los poros, lo que provoca una disminución del flujo, la degradación de la membrana y la pérdida de producción. La formación de incrustaciones depende en gran medida de factores que afectan tanto a la solubilidad como a la polarización de la concentración, incluidos el pH, la temperatura, la velocidad del flujo y la tasa de permeación. [14]
Los microorganismos se adhieren a la superficie de la membrana y forman una capa de gel, conocida como biopelícula . [15] La película aumenta la resistencia al flujo y actúa como una barrera adicional a la permeación. En los módulos enrollados en espiral, los bloqueos formados por la biopelícula pueden provocar una distribución desigual del flujo y, por lo tanto, aumentar los efectos de la polarización de la concentración. [16]
Dependiendo de la forma y el material de la membrana, se pueden utilizar diferentes módulos para el proceso de ultrafiltración. [17] Los diseños disponibles comercialmente en módulos de ultrafiltración varían según las restricciones hidrodinámicas y económicas requeridas, así como la estabilidad mecánica del sistema bajo presiones de operación particulares. [18] Los principales módulos utilizados en la industria incluyen:
El diseño del módulo tubular utiliza membranas poliméricas moldeadas en el interior de componentes de plástico o papel poroso con diámetros que suelen estar en el rango de 5 a 25 mm y longitudes de 0,6 a 6,4 m. [6] Varios tubos están alojados en una carcasa de PVC o acero. La alimentación del módulo pasa a través de los tubos, lo que permite la transferencia radial del permeado hacia el lado de la carcasa. Este diseño permite una fácil limpieza, sin embargo, el principal inconveniente es su baja permeabilidad, la gran retención de volumen dentro de la membrana y la baja densidad de empaquetamiento. [6] [18]
Este diseño es conceptualmente similar al módulo tubular con una disposición de carcasa y tubo. Un solo módulo puede constar de 50 a miles de fibras huecas y, por lo tanto, son autoportantes a diferencia del diseño tubular. El diámetro de cada fibra varía de 0,2 a 3 mm, con el alimento fluyendo en el tubo y el permeado del producto recogido radialmente en el exterior. La ventaja de tener membranas autoportantes es la facilidad con la que se puede limpiar debido a su capacidad de retrolavado. Sin embargo, los costos de reemplazo son altos, ya que una fibra defectuosa requerirá que se reemplace todo el conjunto. Teniendo en cuenta que los tubos son de diámetro pequeño, el uso de este diseño también hace que el sistema sea propenso a bloquearse. [8]
Están compuestos por una combinación de láminas de membrana planas separadas por un material espaciador de malla fina que sirve como soporte de una pantalla de plástico poroso. Estas láminas se enrollan alrededor de un tubo perforado central y se ajustan a una carcasa de recipiente a presión de acero tubular. La solución de alimentación pasa sobre la superficie de la membrana y el permeado se enrolla en espiral hacia el tubo de recolección central. Los módulos enrollados en espiral son una alternativa compacta y económica en el diseño de ultrafiltración, ofrecen un alto rendimiento volumétrico y también se pueden limpiar fácilmente. [18] Sin embargo, está limitado por los canales delgados donde las soluciones de alimentación con sólidos suspendidos pueden provocar un bloqueo parcial de los poros de la membrana. [8]
Este módulo utiliza una membrana colocada sobre una placa plana separada por un material similar a una malla. La alimentación pasa a través del sistema desde el cual se separa el permeado y se recoge desde el borde de la placa. La longitud del canal puede variar de 10 a 60 cm y las alturas del canal de 0,5 a 1,0 mm. [8] Este módulo proporciona una retención de volumen baja, un reemplazo relativamente fácil de la membrana y la capacidad de alimentar soluciones viscosas debido a la baja altura del canal, exclusiva de este diseño particular. [18]
Las características del proceso de un sistema de ultrafiltración dependen en gran medida del tipo de membrana utilizada y de su aplicación. Las especificaciones de los fabricantes de la membrana tienden a limitar el proceso a las siguientes especificaciones típicas: [19] [20] [21] [22]
Al diseñar una nueva instalación de separación por membranas o al considerar su integración en una planta existente, hay muchos factores que deben tenerse en cuenta. Para la mayoría de las aplicaciones, se puede aplicar un enfoque heurístico para determinar muchas de estas características y simplificar el proceso de diseño. Algunas áreas de diseño incluyen:
El tratamiento de la alimentación antes de la membrana es esencial para evitar daños a la membrana y minimizar los efectos de la suciedad que reduce en gran medida la eficiencia de la separación. Los tipos de pretratamiento a menudo dependen del tipo de alimentación y su calidad. Por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales, se filtran los desechos domésticos y otras partículas. Otros tipos de pretratamiento comunes a muchos procesos de UF incluyen el equilibrio del pH y la coagulación. [23] [24] La secuenciación adecuada de cada fase de pretratamiento es crucial para evitar daños a las etapas posteriores. El pretratamiento incluso se puede emplear simplemente utilizando puntos de dosificación.
La mayoría de las membranas UF utilizan materiales poliméricos ( polisulfona , polipropileno , acetato de celulosa , ácido poliláctico ); sin embargo, las membranas cerámicas se utilizan para aplicaciones de alta temperatura. [ cita requerida ]
Una regla general para la elección del tamaño de poro en un sistema de ultrafiltración es utilizar una membrana con un tamaño de poro que sea una décima parte del tamaño de la partícula que se va a separar. Esto limita la cantidad de partículas más pequeñas que ingresan a los poros y se adsorben en la superficie de los mismos. En cambio, bloquean la entrada a los poros, lo que permite ajustes simples de la velocidad de flujo cruzado para desalojarlos. [8]
Los sistemas de UF pueden funcionar con flujo cruzado o flujo sin salida. En la filtración sin salida, el flujo de la solución de alimentación es perpendicular a la superficie de la membrana. Por otro lado, en los sistemas de flujo cruzado, el flujo pasa paralelo a la superficie de la membrana. [25] Las configuraciones sin salida son más adecuadas para procesos por lotes con bajos sólidos suspendidos, ya que los sólidos se acumulan en la superficie de la membrana, por lo que requieren retrolavados y limpiezas frecuentes para mantener un flujo alto. Las configuraciones de flujo cruzado se prefieren en operaciones continuas, ya que los sólidos se eliminan continuamente de la superficie de la membrana, lo que da como resultado una capa de torta más delgada y una menor resistencia a la permeación. [ cita requerida ]
La velocidad de flujo es especialmente crítica para el agua dura o los líquidos que contienen suspensiones, ya que impide la acumulación excesiva de suciedad. Se pueden utilizar velocidades de flujo transversal más altas para mejorar el efecto de barrido a lo largo de la superficie de la membrana, evitando así la deposición de macromoléculas y material coloidal y reduciendo los efectos de la polarización de la concentración. Sin embargo, se requieren bombas costosas para lograr estas condiciones. [ cita requerida ]
Para evitar daños excesivos a la membrana, se recomienda operar una planta a la temperatura especificada por el fabricante de la membrana. Sin embargo, en algunos casos se requieren temperaturas más allá de la zona recomendada para minimizar los efectos de la incrustación. [24] Se requiere un análisis económico del proceso para encontrar un compromiso entre el aumento del costo de reemplazo de la membrana y la productividad de la separación. [ cita requerida ]
Las caídas de presión en la separación en varias etapas pueden provocar una disminución drástica del rendimiento del fundente en las últimas etapas del proceso. Esto se puede mejorar utilizando bombas de refuerzo para aumentar la TMP en las etapas finales. Esto implicará un mayor costo de capital y energía que se compensará con la mejora de la productividad del proceso. [24] Con una operación en varias etapas, las corrientes de retentato de cada etapa se reciclan a través de la etapa anterior para mejorar su eficiencia de separación.
Se pueden aplicar múltiples etapas en serie para lograr corrientes de permeado de mayor pureza. Debido a la naturaleza modular de los procesos de membrana, se pueden disponer múltiples módulos en paralelo para tratar volúmenes mayores. [26]
El postratamiento de las corrientes de producto depende de la composición del permeado y del retenido y de su uso final o de la normativa gubernamental. En casos como la separación de la leche, ambas corrientes (leche y suero) se pueden recolectar y transformar en productos útiles. El secado adicional del retenido producirá suero en polvo. En la industria papelera, el retenido (material orgánico no biodegradable) se incinera para recuperar energía y el permeado (agua purificada) se vierte en los cursos de agua. Es esencial que el agua del permeado tenga un pH equilibrado y se enfríe para evitar la contaminación térmica de los cursos de agua y la alteración de su pH. [ cita requerida ]
La limpieza de la membrana se realiza periódicamente para evitar la acumulación de contaminantes y revertir los efectos degradantes de la contaminación sobre la permeabilidad y la selectividad.
En algunos procesos, se suele realizar un retrolavado regular cada 10 minutos para eliminar las capas de torta formadas en la superficie de la membrana. [8] Al presurizar la corriente de permeado y forzarla a pasar de nuevo a través de la membrana, se pueden desalojar las partículas acumuladas, lo que mejora el flujo del proceso. El retrolavado tiene una capacidad limitada para eliminar formas más complejas de contaminación, como bioincrustaciones, incrustaciones o adsorción a las paredes de los poros. [27]
Estos tipos de contaminantes requieren una limpieza química para eliminarse. Los tipos comunes de productos químicos utilizados para la limpieza son: [27] [28]
Al diseñar un protocolo de limpieza es esencial tener en cuenta:
Tiempo de limpieza : se debe dejar un tiempo adecuado para que los productos químicos interactúen con los contaminantes y penetren en los poros de la membrana. Sin embargo, si el proceso se extiende más allá de su duración óptima, puede provocar la desnaturalización de la membrana y la deposición de contaminantes eliminados. [27] El ciclo de limpieza completo, incluidos los enjuagues entre etapas, puede tardar hasta 2 horas en completarse. [29]
Agresividad del tratamiento químico : con un alto grado de contaminación, puede ser necesario emplear soluciones de limpieza agresivas para eliminar el material contaminante. Sin embargo, en algunas aplicaciones esto puede no ser adecuado si el material de la membrana es sensible, lo que conduce a un mayor envejecimiento de la membrana.
Eliminación de efluentes de limpieza : la liberación de algunos productos químicos en los sistemas de aguas residuales puede estar prohibida o regulada, por lo que esto debe tenerse en cuenta. Por ejemplo, el uso de ácido fosfórico puede provocar que entren altos niveles de fosfatos en las vías fluviales y debe supervisarse y controlarse para evitar la eutrofización.
Resumen de los tipos comunes de contaminación y sus respectivos tratamientos químicos [8]
Para aumentar el ciclo de vida de los sistemas de filtración por membrana, se están desarrollando membranas energéticamente eficientes en los sistemas de biorreactores de membrana. Se ha introducido una tecnología que permite reducir la energía necesaria para airear la membrana para su limpieza, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de flujo. También se han adoptado procesos de limpieza mecánica utilizando granulados como alternativa a las formas convencionales de limpieza; esto reduce el consumo de energía y también reduce el área necesaria para los tanques de filtración. [30]
Las propiedades de las membranas también se han mejorado para reducir las tendencias a la formación de incrustaciones modificando las propiedades de la superficie. Esto se puede observar en la industria de la biotecnología, donde se han alterado las superficies de las membranas para reducir la cantidad de unión de proteínas. [31] Los módulos de ultrafiltración también se han mejorado para permitir una mayor cantidad de membrana para un área determinada sin aumentar su riesgo de formación de incrustaciones mediante el diseño de componentes internos de módulos más eficientes.
El actual pretratamiento de la desulfonación de agua de mar utiliza módulos de ultrafiltración que han sido diseñados para soportar altas temperaturas y presiones y, al mismo tiempo, ocupar un espacio menor. Cada recipiente del módulo es autoportante y resistente a la corrosión, y permite una fácil extracción y sustitución del módulo sin el coste de sustituir el recipiente en sí. [30]
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Medios relacionados con Ultrafiltración en Wikimedia Commons