Microfiltración

Quizás el uso más destacado de las membranas de microfiltración se relaciona con el tratamiento de agua potable. Estas membranas son un paso clave en la desinfección primaria del agua de captación. Dicha agua puede contener patógenos como los protozoos Cryptosporidium y Giardia lamblia , responsables de numerosos brotes de enfermedades. Ambas especies muestran una resistencia gradual a los desinfectantes tradicionales (por ejemplo, el cloro ). ^{[ 7 ]} El uso de membranas de microfiltración ofrece un método físico de separación (una barrera) en contraposición a una alternativa química. En este sentido, tanto la filtración como la desinfección se realizan en un solo paso, eliminando el costo adicional de la dosificación de productos químicos y el equipo correspondiente (necesario para su manipulación y almacenamiento).

De manera similar, las membranas de microfiltración se utilizan en efluentes de aguas residuales secundarias para eliminar la turbidez y también para proporcionar tratamiento de desinfección. En esta etapa, se pueden agregar coagulantes ( hierro o aluminio ) para precipitar especies como fósforo y arsénico que de otro modo serían solubles. ^{[ 8 ]}

Otra aplicación crucial de las membranas de microfiltración (MF) reside en la esterilización en frío de bebidas y productos farmacéuticos . ^{[ 9 ]} Históricamente, se utilizaba calor para esterilizar bebidas como zumos, vino y cerveza, en particular; sin embargo, se observaba una clara pérdida de sabor al calentarlas. De manera similar, se ha demostrado que los productos farmacéuticos pierden su eficacia al aplicarles calor. Las membranas de MF se emplean en estas industrias como método para eliminar bacterias y otras suspensiones indeseadas de los líquidos, un procedimiento denominado «esterilización en frío», que elimina el uso de calor.

Además, las membranas de microfiltración se utilizan cada vez más en áreas como el refinado de petróleo, ^{[ 10 ]} donde la eliminación de partículas de los gases de combustión es de particular importancia. Los principales desafíos/requisitos para esta tecnología son la capacidad de los módulos de membrana para soportar altas temperaturas (es decir, mantener la estabilidad), pero también el diseño debe ser tal que proporcione una lámina muy delgada (espesor < 2000 angstroms ) para facilitar un aumento del flujo . Además, los módulos deben tener un bajo perfil de ensuciamiento y, lo más importante, estar disponibles a bajo costo para que el sistema sea financieramente viable.

Además de las aplicaciones mencionadas, las membranas de microfiltración (MF) se utilizan ampliamente en áreas importantes de la industria láctea, especialmente en el procesamiento de leche y suero. Estas membranas facilitan la eliminación de bacterias y esporas de la leche, impidiendo el paso de especies dañinas. Esto también puede utilizarse como paso previo a la pasteurización , lo que permite prolongar la vida útil del producto. Las microbacterias parecen ser capaces de atravesar las membranas de 0,8 y 1,2 μm y resistir la pasteurización HSTS. ^{[ 11 ]} 

Otra técnica prometedora para las membranas de microfiltración en este campo se refiere a la separación de la caseína de las proteínas del suero (es decir, las proteínas séricas de la leche). ^{[ 12 ]} Esto da como resultado dos corrientes de producto, ambas muy demandadas por los consumidores: una corriente de concentrado rico en caseína , utilizada para la elaboración de queso, y una corriente de proteína de suero que se procesa posteriormente (mediante ultrafiltración ) para obtener concentrado de proteína de suero. La corriente de proteína de suero se somete a una filtración adicional para eliminar la grasa y así lograr un mayor contenido proteico en los polvos finales de WPC (concentrado de proteína de suero) y WPI (aislado de proteína de suero).

Otras aplicaciones comunes que utilizan la microfiltración como proceso de separación principal incluyen:

• Clarificación y purificación de caldos celulares donde se deben separar las macromoléculas de otras moléculas grandes, proteínas o restos celulares. ^{[ 13 ]}
• Otras aplicaciones bioquímicas y de bioprocesamiento, como la clarificación de la dextrosa . ^{[ 14 ]}
• Producción de pinturas y adhesivos. ^{[ 15 ]}

Las membranas de microfiltración generalmente pueden funcionar en una de dos configuraciones.

Filtración de flujo cruzado : donde el fluido pasa tangencialmente a través de la membrana. ^{[ 20 ]} Parte del flujo de alimentación que contiene el líquido tratado se recoge debajo del filtro, mientras que parte del agua pasa a través de la membrana sin tratamiento. La filtración de flujo cruzado se considera una operación unitaria, no un proceso. Consulte la Figura 2 para ver un esquema general del proceso.

Filtración de extremo ciego ; todo el fluido del proceso y todas las partículas de tamaño superior al de los poros de la membrana se detienen en su superficie. Toda el agua de alimentación se trata a la vez, con la consiguiente formación de torta. ^{[ 21 ]} Este proceso se utiliza principalmente para la filtración por lotes o semicontinua de soluciones de baja concentración. ^{[ 22 ]} Consulte la Figura 3 para ver un esquema general de este proceso.

• Capacidad y demanda de la instalación.
• Porcentaje de recuperación y rechazo.
• Características del fluido ( viscosidad , turbidez , densidad )
• Calidad del fluido a tratar
• Procesos de pretratamiento

• Costo de adquisición y fabricación de materiales
• Temperatura de funcionamiento
• Presión transmembrana
• flujo de membrana
• Características del fluido de manipulación (viscosidad, turbidez, densidad)
• Supervisión y mantenimiento del sistema
• Limpieza y tratamiento
• Eliminación de residuos del proceso

A continuación se analizan algunas heurísticas de diseño importantes y su evaluación:

• Al tratar fluidos crudos contaminados, los materiales duros y afilados pueden desgastar y dañar las cavidades porosas del microfiltro, volviéndolo ineficaz. Los líquidos deben someterse a un pretratamiento antes de pasar por el microfiltro. ^{[ 24 ]} Esto puede lograrse mediante una variación de los procesos de macroseparación, como el cribado o la filtración con medios granulares.
• Al realizar los regímenes de limpieza, la membrana no debe secarse una vez que haya estado en contacto con la corriente del proceso. ^{[ 25 ]} Se debe realizar un enjuague a fondo con agua de los módulos de membrana, tuberías, bombas y otras conexiones de la unidad hasta que el agua final parezca limpia.
• Los módulos de microfiltración suelen configurarse para operar a presiones de 100 a 400 kPa. ^{[ 26 ]} Dichas presiones permiten la eliminación de materiales como arena, limos y arcillas, así como bacterias y protozoos.
• Cuando se utilizan los módulos de membrana por primera vez, es decir, durante la puesta en marcha de la planta, es necesario establecer condiciones adecuadas. Generalmente, se requiere un arranque lento al introducir el fluido en los módulos, ya que incluso pequeñas perturbaciones por encima del flujo crítico provocarán una obstrucción irreversible. ^{[ 27 ]}

Al igual que cualquier otra membrana, las membranas de microfiltración son propensas a ensuciarse. (Véase la figura 4 a continuación). Por lo tanto, es necesario realizar un mantenimiento regular para prolongar la vida útil del módulo de membrana.

• Para lograr esto, se utiliza el retrolavado rutinario . Dependiendo de la aplicación específica de la membrana, el retrolavado se realiza en duraciones cortas (normalmente de 3 a 180 s) y a intervalos moderadamente frecuentes (de 5 min a varias horas). Se deben utilizar condiciones de flujo turbulento con números de Reynolds superiores a 2100, idealmente entre 3000 y 5000. ^{[ 28 ]} Sin embargo, esto no debe confundirse con el "retrolavado", una técnica de limpieza más rigurosa y completa, que se practica comúnmente en casos de incrustaciones de partículas y coloides.
• Cuando se requiere una limpieza profunda para eliminar partículas adheridas , se utiliza la técnica CIP (Clean In Place). ^{[ 29 ]} Para ello, se suelen emplear agentes de limpieza/ detergentes como hipoclorito de sodio , ácido cítrico , sosa cáustica o incluso enzimas especiales. La concentración de estos productos químicos depende del tipo de membrana (su sensibilidad a productos químicos fuertes), pero también del tipo de materia (por ejemplo, incrustaciones debidas a la presencia de iones de calcio) que se desea eliminar.
• Otro método para aumentar la vida útil de la membrana podría ser diseñar dos membranas de microfiltración en serie . El primer filtro se usaría para el pretratamiento del líquido que pasa a través de la membrana, donde las partículas y los depósitos más grandes se capturan en el cartucho. El segundo filtro actuaría como un "control" adicional para las partículas que logran pasar a través de la primera membrana, además de proporcionar un filtrado para las partículas del espectro inferior del rango. ^{[ 30 ]}

El costo de diseño y fabricación de una membrana por unidad de área es aproximadamente un 20 % menor en comparación con principios de la década de 1990 y, en general, está disminuyendo constantemente. ^{[ 31 ]} Las membranas de microfiltración son más ventajosas en comparación con los sistemas convencionales. Los sistemas de microfiltración no requieren equipos externos costosos como floculantes, adición de productos químicos, mezcladores instantáneos, tanques de sedimentación y filtración. ^{[ 32 ]} Sin embargo, el costo de reemplazo de los costos de capital (filtros de cartucho de membrana, etc.) aún puede ser relativamente alto, ya que el equipo puede fabricarse específicamente para la aplicación. Utilizando la heurística de diseño y los principios generales de diseño de planta (mencionados anteriormente), la vida útil de la membrana puede aumentarse para reducir estos costos.

Mediante el diseño de sistemas de control de procesos más inteligentes y diseños de plantas eficientes, se enumeran a continuación algunos consejos generales para reducir los costos operativos ^{[ 33 ].}

• Funcionamiento de las plantas con flujos o presiones reducidas durante los períodos de baja carga (invierno).
• Desconectar los sistemas de la planta durante cortos periodos cuando las condiciones de alimentación sean extremas.
• Un breve período de inactividad (aproximadamente 1 hora) durante la primera crecida de un río después de las lluvias (en aplicaciones de tratamiento de agua) para reducir los costos de limpieza en el período inicial.
• Utilizar productos químicos de limpieza más económicos cuando sea apropiado (ácido sulfúrico en lugar de ácidos cítrico/fosfórico).
• El uso de un sistema de control flexible permite a los operadores manipular variables y puntos de ajuste para lograr el máximo ahorro de costes.

La Tabla 1 (a continuación) ofrece una guía indicativa de los costos de capital y operación de la filtración por membrana por unidad de flujo.

Tabla 1 Costo aproximado de la filtración por membrana por unidad de flujo ^{[ 34 ]}

Nota:

• Los costos de capital se basan en dólares por galón de la capacidad de la planta de tratamiento.
• El caudal de diseño se mide en millones de galones por día.
• Costos de membrana únicamente (en esta tabla no se consideran equipos de pretratamiento ni postratamiento).
• Los costos operativos y anuales se basan en dólares por cada mil galones tratados.
• Todos los precios están expresados ​​en dólares estadounidenses vigentes en 2009 y no están ajustados a la inflación.

Como la separación se logra mediante tamizado, el principal mecanismo de transferencia para la microfiltración a través de membranas microporosas es el flujo masivo. ^{[ 37 ]}

Generalmente, debido al pequeño diámetro de los poros, el flujo dentro del proceso es laminar ( número de Reynolds < 2100). La velocidad de flujo del fluido que se mueve a través de los poros se puede determinar (mediante la ecuación de Hagen-Poiseuille ), la más simple de las cuales supone un perfil de velocidad parabólico .

${\displaystyle v={\frac {D^{2}*\Delta P}{32*\mu *L}}}$

Presión transmembrana (PTM) ^{[ 38 ]}

La presión transmembrana (PTM) se define como el promedio de la presión aplicada desde la alimentación al lado del concentrado de la membrana, menos la presión del permeado. Este método se aplica principalmente a la filtración a presión constante y sirve para determinar si un sistema está suficientemente obstruido como para justificar su reemplazo.

${\displaystyle v={\frac {P_{F}+P_{C}}{2}}-P_{P}}$

Dónde

• ${\displaystyle P_{f}}$es la presión en el lado de alimentación
• ${\displaystyle P_{c}}$es la presión del concentrado
• ${\displaystyle P_{p}}$es la presión del permeado

Flujo de permeado ^{[ 39 ]}

El flujo de permeado en la microfiltración viene dado por la siguiente relación, basada en la ley de Darcy.

${\displaystyle J_{v}={\frac {1}{A_{M}}}*{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu *(R_{u}+R_{c})}}}$

Dónde

• ${\displaystyle R_{u}}$= Resistencia al flujo de la membrana permeable (${\displaystyle m-1}$)
• ${\displaystyle R_{c}}$= Resistencia de la torta de permeado (${\displaystyle m-1}$)
• μ = Viscosidad del permeado (kg m-1 s-1)
• ∆P = Caída de presión entre la torta y la membrana

La resistencia del pastel viene dada por:

${\displaystyle R_{c}=r*{\frac {V_{S}}{A_{m}}}}$

Dónde

• r = Resistencia específica de la torta (m-2)
• Vs = Volumen del pastel (m³)
• AM = Área de la membrana (m2)

Para partículas de tamaño micrométrico, la resistencia específica de la torta es aproximadamente ^{[ 40 ] .}

${\displaystyle r={\frac {180*(1-\epsilon )}{\epsilon ^{3}*d_{s}^{2}}}}$

Dónde

• ε = Porosidad del pastel (sin unidades)
• d_s = Diámetro medio de partícula (m)

Ecuaciones de diseño rigurosas ^{[ 41 ]}

Para dar una mejor indicación sobre la determinación exacta del grado de formación de la torta, se han formulado modelos cuantitativos unidimensionales para determinar factores como:

• Bloqueo completo (poros con un radio inicial menor que el radio del poro)
• Bloqueo estándar
• Formación de subcapas
• Formación de pasteles

Consulte los enlaces externos para obtener más detalles.

Las membranas de ultrafiltración tienen poros con tamaños que oscilan entre 0,1  μm y 0,01  μm y son capaces de retener proteínas, endotoxinas, virus y sílice. La ultrafiltración tiene diversas aplicaciones, desde el tratamiento de aguas residuales hasta la industria farmacéutica.

Las membranas de nanofiltración tienen poros con tamaños que oscilan entre 0,001  μm y 0,01  μm y filtran iones multivalentes, colorantes sintéticos, azúcares y sales específicas. A medida que el tamaño de los poros disminuye, desde la microfiltración (MF) hasta la nanofiltración (NF), aumenta la presión osmótica requerida.

La ósmosis inversa (OI) es el proceso de separación por membrana más fino disponible, con tamaños de poro que van desde 0,0001  μm hasta 0,001  μm. La ósmosis inversa es capaz de retener casi todas las moléculas excepto el agua, y debido al tamaño de los poros, la presión osmótica requerida es significativamente mayor que la de la microfiltración. Tanto la ósmosis inversa como la nanofiltración son fundamentalmente diferentes de la microfiltración, ya que el flujo va en contra del gradiente de concentración, puesto que estos sistemas utilizan la presión para forzar al agua a pasar de una presión osmótica baja a una alta.