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 en suspensión y los solutos de alto peso molecular se retienen en el llamado retenido, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular atraviesan 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 proteicas .
La ultrafiltración no es fundamentalmente diferente de la microfiltración . Ambos están separados según la exclusión de 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 velocidades 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 sin salida .
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 ultrafiltración. [ cita necesaria ]
La ultrafiltración se puede utilizar para eliminar partículas y macromoléculas del agua cruda para producir agua potable. Se ha utilizado para reemplazar los sistemas de filtración secundaria (coagulación, floculación, sedimentación) y terciaria (filtración de arena y cloración) existentes empleados en plantas de tratamiento de agua o como sistemas independientes en regiones aisladas con poblaciones en crecimiento. [1] Cuando se trata agua con alto contenido de sólidos en suspensión, la UF a menudo se integra en el proceso, utilizando tratamientos primarios (cribado, flotación, filtración) y algunos tratamientos secundarios como etapas de pretratamiento. [2] Los procesos de UF se prefieren actualmente a los métodos de tratamiento tradicionales por las siguientes razones:
Los procesos de UF actualmente están limitados por el alto costo incurrido debido al ensuciamiento y reemplazo de las membranas. [4] Es necesario 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 (RO) para proteger las membranas de RO. [ cita necesaria ]
La UF se utiliza ampliamente en la industria láctea; [5] particularmente en el procesamiento del 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 entre 10 y 30 veces el alimento. [8]
La alternativa original a la filtración por membrana del suero era utilizar calentamiento con vapor seguido de secado en tambor o secado por aspersión. El producto de estos métodos tuvo 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 UF utilizados para esta aplicación: [6] [8]
El potencial de contaminación se discute ampliamente y se identifica como un factor que contribuye significativamente a la disminución de la productividad. [6] [7] [8] El suero de queso contiene altas concentraciones de fosfato de calcio que potencialmente pueden provocar 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 operativo básico de la ultrafiltración utiliza una separación de solutos de un disolvente inducida por presión a través de una membrana semipermeable. La relación entre la presión aplicada sobre la solución 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 de permeado), μ es la viscosidad del disolvente y R t es la resistencia total (suma de la membrana y la resistencia al ensuciamiento). [ cita necesaria ]
Cuando se produce la filtración, la concentración local de material rechazado en la superficie de la membrana aumenta y puede saturarse. En la UF, 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 y, por lo tanto, reduce 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 por membrana disponibles. En OI, los solutos retenidos en la capa de membrana dan como resultado una presión osmótica más alta en comparación con la concentración de la corriente total. Por tanto, se requieren presiones más altas para superar esta presión osmótica. La polarización de la concentración juega un papel dominante en la ultrafiltración en comparación con la microfiltración debido al pequeño tamaño de los poros de la membrana. [10] La polarización por concentración se diferencia del ensuciamiento en que no tiene efectos duraderos en la membrana misma y puede revertirse aliviando el TMP. Sin embargo, tiene un efecto significativo en muchos tipos de incrustaciones. [11]
[12] Las siguientes son las cuatro categorías según las cuales se pueden definir los contaminantes de las membranas de 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 aumentadas de iones pueden exceder los umbrales de solubilidad y precipitar en la superficie de la membrana. Estos depósitos de sales inorgánicas pueden bloquear los poros provocando una disminución del flujo, degradación de la membrana y pérdida de producción. La formación de incrustaciones depende en gran medida de factores que afectan tanto la solubilidad como la polarización de la concentración, incluidos el pH, la temperatura, la velocidad del flujo y la tasa de permeación. [14]
Los microorganismos se adherirán a la superficie de la membrana formando una capa de gel, conocida como biopelícula . [15] La película aumenta la resistencia al flujo, actuando como una barrera adicional a la permeación. En los módulos enrollados en espiral, los bloqueos formados por biopelículas pueden provocar una distribución desigual del flujo y, por tanto, aumentar los efectos de la polarización de la concentración. [dieciséis]
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 operativas particulares. [18] Los principales módulos utilizados en la industria incluyen:
El diseño del módulo tubular utiliza membranas poliméricas fundidas en el interior de componentes de plástico o papel poroso con diámetros típicamente 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, gran retención de volumen dentro de la membrana y baja densidad de empaquetamiento. [6] [18]
Este diseño es conceptualmente similar al módulo tubular con una disposición de carcasa y tubos. Un único módulo puede estar formado por entre 50 y miles de fibras huecas y, por lo tanto, es autoportante a diferencia del diseño tubular. El diámetro de cada fibra oscila entre 0,2 y 3 mm, con la alimentación 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 pueden limpiar debido a su capacidad de retrolavado. Sin embargo, los costes de sustitución son elevados, ya que una fibra defectuosa requerirá la sustitución de todo el haz. Teniendo en cuenta que los tubos son de pequeño diámetro, 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 delgada que sirve como soporte de pantalla de plástico poroso. Estas láminas se enrollan alrededor de un tubo perforado central y se encajan en la carcasa de un recipiente a presión de acero tubular. La solución de alimentación pasa sobre la superficie de la membrana y el permeado gira 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 el bloqueo parcial de los poros de la membrana. [8]
Esto utiliza una membrana colocada sobre una placa plana separada por un material similar a una malla. La alimentación pasa a través del sistema del cual se separa el permeado y se recoge del borde de la placa. La longitud del canal puede oscilar entre 10 y 60 cm y la altura del canal entre 0,5 y 1,0 mm. [8] Este módulo proporciona retención de volumen bajo, reemplazo relativamente fácil de la membrana y la capacidad de alimentar soluciones viscosas debido a la baja altura del canal, exclusiva de este diseño en particular. [18]
Las características del proceso de un sistema UF dependen en gran medida del tipo de membrana utilizada y 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 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 del alimento antes de la membrana es esencial para evitar daños a la membrana y minimizar los efectos del ensuciamiento que reducen en gran medida la eficiencia de la separación. Los tipos de pretratamiento suelen depender del tipo de pienso y de su calidad. Por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales se analizan los residuos 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 prevenir daños en las etapas posteriores. El pretratamiento puede realizarse incluso 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 necesaria ]
Una regla general para la elección del tamaño de poro en un sistema UF es utilizar una membrana con un tamaño de poro que sea una décima parte del tamaño de 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 poros. En lugar de eso, bloquean la entrada a los poros permitiendo ajustes simples de la velocidad del flujo cruzado para desalojarlos. [8]
Los sistemas UF pueden funcionar con flujo cruzado o 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 bajo contenido de sólidos en suspensión, ya que los sólidos se acumulan en la superficie de la membrana, por lo que requieren retrolavados y limpieza frecuentes para mantener un alto flujo. Se prefieren las configuraciones de flujo cruzado 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 necesaria ]
La velocidad del flujo es especialmente crítica para agua dura o líquidos que contienen suspensiones para prevenir una contaminación excesiva. Se pueden usar velocidades de flujo cruzado más altas para mejorar el efecto de barrido a través 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, para lograr estas condiciones se necesitan bombas costosas. [ cita necesaria ]
Para evitar daños excesivos a la membrana, se recomienda operar la planta a la temperatura especificada por el fabricante de la membrana. Sin embargo, en algunos casos se requieren temperaturas superiores a la región recomendada para minimizar los efectos del ensuciamiento. [24] Se requiere un análisis económico del proceso para encontrar un compromiso entre el mayor costo de reemplazo de la membrana y la productividad de la separación. [ cita necesaria ]
Las caídas de presión durante la separación de múltiples etapas pueden resultar en una disminución drástica en el rendimiento del flujo en las últimas etapas del proceso. Esto se puede mejorar utilizando bombas de refuerzo para aumentar el TMP en las etapas finales. Esto supondrá un mayor coste de capital y energía que se verá compensado por la mejora de la productividad del proceso. [24] Con una operación de múltiples etapas, las corrientes de retenido 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 varios módulos en paralelo para tratar volúmenes mayores. [26]
El postratamiento de las corrientes de productos depende de la composición del permeado y retenido y de su uso final o regulación gubernamental. En casos como la separación de la leche, ambas corrientes (leche y suero) pueden recolectarse y convertirse en productos útiles. Un 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 descarga en los cursos de agua. Es esencial que el agua permeada tenga un pH equilibrado y se enfríe para evitar la contaminación térmica de los cursos de agua y la alteración de su pH. [ cita necesaria ]
La limpieza de la membrana se realiza periódicamente para evitar la acumulación de incrustaciones y revertir los efectos degradantes de las incrustaciones sobre la permeabilidad y la selectividad.
En algunos procesos, a menudo se realiza 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 regresar a través de la membrana, las partículas acumuladas se pueden desalojar, mejorando el flujo del proceso. El retrolavado tiene una capacidad limitada para eliminar formas más complejas de incrustaciones, como bioincrustaciones, incrustaciones o adsorción en las paredes de los poros. [27]
Este tipo de incrustaciones 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 considerar:
Tiempo de limpieza : se debe permitir un tiempo adecuado para que los químicos interactúen con las incrustaciones y penetren en los poros de la membrana. Sin embargo, si el proceso se prolonga más allá de su duración óptima, puede provocar la desnaturalización de la membrana y la deposición de incrustaciones eliminadas. [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 incrustación, puede ser necesario emplear soluciones de limpieza agresivas para eliminar el material incrustante. Sin embargo, en algunas aplicaciones esto puede no ser adecuado si el material de la membrana es sensible, lo que provoca 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 se debe considerar esto. Por ejemplo, el uso de ácido fosfórico puede provocar la entrada de altos niveles de fosfatos en las vías fluviales y debe ser monitoreado y controlado para prevenir la eutrofización.
Resumen de tipos comunes de incrustaciones 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 sistemas de biorreactores de membrana. Se ha introducido una tecnología que permite reducir la potencia 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 de limpieza convencionales; esto reduce el consumo de energía y también reduce el área requerida para los tanques de filtración. [30]
Las propiedades de la membrana también se han mejorado para reducir las tendencias a la incrustación modificando las propiedades de la superficie. Esto se puede observar en la industria biotecnológica, donde las superficies de las membranas se han alterado para reducir la cantidad de unión a proteínas. [31] Los módulos de ultrafiltración también se han mejorado para permitir más membrana para un área determinada sin aumentar el riesgo de contaminación mediante el diseño de módulos internos más eficientes.
El pretratamiento actual de la desulfonación del agua de mar utiliza módulos de ultrafiltración que han sido diseñados para soportar altas temperaturas y presiones ocupando un espacio más pequeño. Cada recipiente de módulo es autoportante y resistente a la corrosión y permite una fácil extracción y reemplazo del módulo sin el costo de reemplazar el recipiente en sí. [30]
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Medios relacionados con la ultrafiltración en Wikimedia Commons