Filtración con membranasFiltración con membranasRosa Isela Ortiz Basurto
Contenido
Membranas * Definición * ClasificaciónProcesos de Membranas * Descripción * CaracterísticasAplicaciónes en la Industria de Alimentos * Obtención de Jarabe Natural y aprovechamiento integral de la Tuna en UTT * Industria Láctea * Producción de Vino * Clarificación de jugos
R.I. Ortiz-Basurto
Orgánicas Inorgánicas
Membranas
Membranas SintéticasMembranas Biológicas
Porter, 1990
VidrioMetálicasCerámicas
Estructura de membranas porosas
Ortiz-Basurto et al 1999
Estructuras SimétricasEstructuras Simétricas
Heterogénea con poros cilindricos
Heterogénea con poros irregulares
Homogénea densa
Estructuras AsimétricasEstructuras Asimétricas
Porosa con capa superficial
Porosa Compuesta con capa densa sobreun soporte poroso
Frontal (Perpendicular)
Tangencial(Flujo Cruzado)
Membrana
Permeado Permeado
Tejeda A. (1995)
Tipo de Filtración
Alimentación
Macrosolutos Retenidos
Solvente yMicrosolutos
Macrosolutos
Retenidos
Solvente yMicrosolutos
Solvente yMicrosolutos
Alimentación
Configuración de membranas
Tejeda A. (1995)
Módulos de Membrana
Espiral Enrrollado
Plato y Marco
Módulos de Membrana Tubular
Fibra Hueca canales <0.5 mm
Tubulares(inorgánicas)
canales >10 mm Capilar o multicanal; canales de 0.5 a 10 mm
Salida de retenido
Espacio interno de Alimentación Entrada
Alimentación
Salida de permeado
Salida de permeado
Sel lo
Sel lo
Membranas de fibra hueca
Soporte del ensamble de fibras huecas
Soporte del ensamble de fibras huecas
Arreglo de un modulo de Fibras Huecas
(Zeman y Zydney, 1996
(Zeman y Zydney, 1996
Balance: transferencia de masa efectiva, costo de bombeo y flujo de recirculación a lo largo de la superficie de la membrana
Balance: transferencia de masa efectiva, costo de bombeo y flujo de recirculación a lo largo de la superficie de la membrana
(Zeman y Zydney, 1996).
Proceso de Separación por Membranas
Permeado
Retenido o Concentrado
Alimentación
Solutos Retenidos
Flux
Membrana
Flux = Volumen de Filtrado
(Sup. de Membrana) (Tiempo)
Fuerza Motriz= Gradiente de Presión Transmembrana
Porter, 1990
Membrana
Es una barrera la cual separa dos fasesy restringe el transporte de varias especiesquímicas en una manera demasiado específica (Tamaño, Carga, Forma etc.)
Porter, 1990
IDAGUA SA
DPDPPMPM
Fibra insolubleSemillas
JusdefruitsJugo deJugo defrutasfrutas
EauAgua
Filtración
0,1µmUltrafiltraUltrafiltracciióónn
0,001µm
0,0001 µm
Materia suspendidabacterias
PolisacaridosProteinasvirus
OligosacaridosIones divalentescolorantes
Iones monovalentesMono y disacaridosSales
Osmosis InversaMicroMicrofiltrafiltracciióónn
NanoNanofiltrafiltracciióónn
www.TIA.FR0,01 µm
10 µm
Separación de componentes de un jugo de frutas procesos barométricos
Procesos de membrana
x
xx
x
xx
xx
xx
xx
xx
xx
xx
x
xx
Partículas suspendidas P. M. 100,000
Microfiltración
Ultrafiltración50 - 500 A°
Macromoléculas
Nanofiltración(8 - 50A°)
Osmosis Inversa (Hiperfiltración)
(1 - 8 A°)
Agua
Iones MetálicosSales monovalentesAcidos undisociadosP.M. 1-180
AzúcarSales bivalentesAcidos disociadosP.M. 180-10,000
AlmidónBacteriasCélulas de la sangrePigmentos P.M.
P.M. 10,000 - 100,000ADN, Virus, GelatinaAlbúminaVitamina B12
Pervaporación Gases
Electrodiálisis Carga de partícula
-+
Anodo
Cátodo
Na
Na
Na
NaNa
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
(Alimentación)Agua Salada
Celdas
Agua desalinizadaSales
Agua de enjuaguedel cátodo
Agua de enjuaguedel ánodo
MembranaSelectivaCatiónica
Membrana SelectivaAniónica
Electrodiálisis
EElectrodiálisis lectrodiálisis Técnica de separación en la cual los iones son transportados
mediante un electrolito a través de una membrana debido a la acción de un campo eléctrico1.
PPrincipales aplicaciones de la electrodiálisis :rincipales aplicaciones de la electrodiálisis : 1. 1. DESALINIZACIÓN DE AGUAS SALOBRES: aplicación más antigua. Producción mundial 1,200,000 m3/día 2,400,000 m2 de membranas. La tasa de salinidad entre 0.5 y 10 g/L, > (intercambio iónico, ósmosis inversa, destilación).
2. PRODUCCIÓN DE SALMUERA A PARTIR DE AGUA DE MAR: Japón. La producción es de 1,200,000 ton / año de sal, 1,000,000 m2. Producciôn de Agua
3. DESMINERALIZACIÓN DEL LACTOSUERO: Francia. La producción es de 100,000 ton / año con una superficie de membrana total de 250,000 m2.
Ø Desmineralización y desacidificación de jugo de frutas (mosto de uva, maracuya, citricos, etc). • Estabilización tartárica de vinos. • Separacion de AAS
Procesos de Membrana
Características
Estructura
Partículas retenidas (Aº)
Fuerza de Manejo
Presión de operación (Kpa)
Flux de Permeado (L/m h)
Procesos Típicos
2
Asimétricas
10 - 1000
Grad. Presión
100 - 500
10 - 200
Clarificación
U F
No porosa
1 - 10Perm. - solv.
G.P. > P. Osm.
700 - 20000
1 - 20
Concentrar
O I
Porosa oAsimétrica
1000- 100,000
Grad. presión
160 - 500
50 - 1000
Estéril. en frío
M F
Red polim. concarga específica
Perm. a ionesImperm. a solv.
Campo eléctrico
286 - 414
3786 m /día
Desalinizar
3
ED
R.I. Ortiz-Basurto
BAROMEMBRANASBAROMEMBRANAS
Categorías de aplicación de los procesos de membrana
Clarificación: Jugos de frutas, vinagre, jarabes, vino, etc.
Concentración: Jugos de frutas, café, clara de huevo, cerveza, agentes de colores naturales, jarabes, etc.
Modificación y mejoramiento del producto y/o del proceso: Estabilización del vino, remoción de alcohol de cerveza y vino, proteínas de frijol soya, etc.
Aplicación de Membranas
ProductoProceso deMembrana
Area
Ind. QuímicaInd. Farmacéutica
Ind. Alimentaria
Ind. ElectrónicaInd. de GasesMedio AmbienteMedicina
•Recuperación sustancias•Prod. fermentación•Proteínas•Vacunas•Enzimas•Agua potable•Jugos de frutas•Bebidas alcohólicas•Quesos•sal•Agua electropura•H2, N2, O2, CO2, Metano•Tratamiento de efluentes•Purificación de sangre•Oxigenación de sangre
MF, UFMFUFUFUFUF, OIMF, UF, OIMF, UF, OIUF, OIElectrodiálisisOISepar. de gasesMF, UF, OIRiñón ArtificialPulmón artificialR.I. Ortiz-Basurto
Usos de Membranas en la Industria de Alimentos
Area deAplicación
Proceso deMembrana
Industria de Alimentos
Procesamiento
de Proteínas
•Concentración de proteína de soya•Separación de colores y sales de hidrolizados de proteína vegetal•Remoción de olor de leche de soya•Concentración de renina (cuajo)•Concentración de gelatina
UFUF, OI
UF, OIUF, OI
UF
Azúcar •MELAZAS: Desalinización, remoción de azúcares pesados, color, separación de sacarosa.•Concentración de jugo de caña•Recuperación de azúcar
NF, ED
NFNF
Café y Té •Extractos, concentración•Descafeinización
OIOI
M. Pizzichini, 1995
Factores a Considerar para la Aplicación de Membranas
Propiedades del soluto y características de la membrana (Tamaño, propiedades de superficie y estructura de la membrana)
Composición de la mezcla a procesar (Células, proteínas, polímeros, sales, lípidos, etc.)
Diseño del sistema (Tubular, Fibra Hueca, Planas, Espiral enrrollado etc.)
Condiciones de operación (Hidrodinámica, conc. del soluto retenido, ºC, µ, pH...)
Modo de operaciModo de operacióónn
Zeman 1996
Diafiltración
Cerrado (Batch) Cerrado alimentado
Continuo (paso-simple)
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
Agua
Diafiltración
Cerrado (Batch) Cerrado alimentado
Continuo (paso-simple)
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
Agua
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
RSoRs
P
RSo
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
P
R
P
R
P
RSoRs
P
RSoRs
P
RSo
P
RSo
P
REau
P
REau
A) Mode fermé (Batch) B) Mode fermé alimenté
C) Mode continu (single-pass) D) Mode diafiltration
Agua
Obtención de Jarabe Natural de Tuna
JARABE NATURAL DE FRUTAS
Edulcorante permitido de uso directo en la industria de los alimentos naturales
Potenciador de sabor en néctares, Jugos y productos de frutas
Azúcar de fácil asimilación y mayor poder edulcorante
Costo/Ton, base húmeda: $7,500.00
OBTENCIÓN DEL NÉCTAR
Malla 1mmDespulpado
PROCESO CON SISTEMAS DE MEMBRANAS
Pectinasa 1Hr. 45ºC
UF Membrana Mineral
Pulpa Néctar
OIMembranaPolimérica
Permeado
Evaporación Concentración50ºC
Productos Obtenidos a Partir de Tuna (Opuntia sp.)
Ortiz y col.
Pruebas preliminares de UF de Aguamiel
Concentrado
Aguamiel Fresca
Permeado
Pruebas preliminares de UF de Aguamiel concentrada
Leche
Concentración de leche entera, descremada y suero.
Fraccionamiento de leche entera o suero.
Recuperación de proteínas del suero.
Remoción de caseína, grasas y lactosa del suero.
Desmineralización del suero.
UF , OI
UF
UF
MF, OI
ED
AplicaciónProceso deMembrana
M. Pizzichini, 1995
LecheUltrafiltrada
Proceso Tradicional para la Producción de Queso Madurado
Leche entera
Precipitado (cuajo)
Queso
Suero + Proteínas
(Contaminante)
Pasteurización 72ºC x 16s ó 85ºC
Coagulación -Acid. natural- Renina-Adición de ácido
MaduraciónCambios biológicosReacciones químicas
R.I. Ortiz-Basurto M. Pizzichini, 1995
Producción de Queso Mediante el Proceso MMV(Moubois, Mocquot, Vassal)
Lactosa +H2O
Pasteurización ºC
Ultrafiltración
Coagulación
Maduración
Microfiltración
Ultrafiltración
Coagulación
Centrifugación
Maduración Maduración
Crema
Queso cottage
Leche descremadaLeche Concentrada Deslactosada
R.I. Ortiz-Basurto
Leche pasteurizadasin residuos moos
Ventajas del Proceso MMV
Incrementa la cantidad de renina usada (aprox. 80%)
Elimina el uso de grandes tanques usados para el cocimiento del cuajo
Reduce costos de capital y energía
Elimina la producción de suero
Permite generar nuevos productos
R.I. Ortiz-Basurto
Procesamiento del Suero de Leche
Suero
Ultrafiltración
Diafiltración
Lactosa + Minerales- Medio de cultivo
(Levadura, Vitaminas, Antibióticos,alcohol, ác. láctico, ác. acético, PUC)
Conc. Proteína (60% p/p)- Suplemento alim. animal
Conc. Proteína(85 % p/p)
-Yoghurt, queso cottage-Alim. para bebés- Bebidas
Lactosa Hidrólisis Jarabe
R.I. Ortiz-Basurto
Vinos
• Esterilización del jugo antes de la fermentación (controlada).
• Clarificación y esterilización después de la fermentación.
• Desalcolización.
• Recuperación de agua reutilizable.
• Clarificación de vinagre.
Aplicación Proceso deMembrana
MF
UF
OI
UF, OI
MF, UF
M. Pizzichini, 1995
Producción de Vinos
Fermentación
Clarificador
Tanque desedimentación
FiltraciónSeparación
AcabadoDecantador Vino Fresco
Vino Oxidado
SO2 Proceso Tradicional
Fermentación UF
Retenido
Vino Fresco
Proceso con Membranas
M. Pizzichini, 1995
SO2
Ventajas de Utilizar Ultrafiltración en la Producción de Vino
Eliminación de residuos de los aditivos químicos usados
en la clarificación.
Fácil esterilización del producto a temperatura ambiente.
Eliminación de enfriadores durante la clarificación.
Automatización del Proceso.
Reducción importante en el tiempo global del proceso
(28 a 2 Hr).
Jugos de Frutas y Vegetales
Fraccionamiento y clarificación de jugos de
manzana, cítricos y vegetales.
Disminución de la acidez en jugos.
Concentración en jugos de frutas
Esterilización de Jugos previo al embotellado o la fermentación.
Modificación del color
Recuperación de pectina de las aguas residuales
Aplicación Proceso deMembrana
MF, UF
UF-ED
OI
MF, UF
UF
UF, OI
M. Pizzichini, 1995
Prensa de fruta
Pasteu-rizador
Centrifuga
Trat. enzimático Refinado
Centrifuga
Filtro Diatomeas
Filtro clarificador
Residuos Residuos ResiduosResiduosJugo
clarificado
Residuos
Residuos
Prensa de fruta
Pasteu-rizador
Jugo clarificado
Trat. enzimático
Retenido
Permeado(UF)
Comparación de un proceso convencional y de membranasen la producción de jugo de manzana
Residuos
Zeman L.J., 1996
MF
Ventajas de los Procesos de Membranas en la Clarificación de Jugos de Frutas
Mejora la calidad del producto (sabor, apariencia)
Elimina los costos de clarificación (tierra de diatomeas)
Elimina la etapa de esterilización (deterioro térmico, sabor y costo)
Reduce el tiempo del proceso (de 12-36 a 2 -4 Hrs.)
Incrementa los rendimientos del proceso (de 80-94% a 95-99%)
El proceso puede ser continuo (+ rápido y - capacidad de almacén)
Zeman L.J., 1996
Comparación Económica entre UF y Filtración Convencional en la Clarificación de Jugo de Manzana
Costo Anual (Dólares/Año) UF Convencional
Gasto
Pectinasa
Gelatina
Tierra de diatomeas
Membrana
Soporte del filtro
Energía (bombeo)
Reactivos de limpieza
Mano de obra
Mantenimiento
Total
20,000
- - -
- - -
31,300
- - -
4,200
4,500
10,000
2,400
72,000
80,000
6,300
100,000
- - -
25,000
12,500
- - -
120,000
5,000
348,000
Costo UF < ¼ PROCESO CONVENCIONAL
Ventajas de los procesos de membranas sobre opciones alternas de procesamiento de alimentos
Reducen costos de operación
Incrementan los rendimientos del producto
Mejoran la calidad del producto
Permiten el reciclado de componentes
Incrementan la capacidad de la planta
Abren la posibilidad de crear nuevos productos
Taponamiento
d´p
d´pd
Caso A: Reducción del porod <<dp Adsorción
Caso C: Formación de torta/geld >>dp Deposición
Caso B: Taponamiento del porod = dp Bloqueo
dpd
Areas de Investigación
Tecnología de Membranas
Diseño de Módulos
Condiciones de Operación
Modificación de las Propiedades de
Superficie de las membranas
Inestabilidad
Vórtices
METODOSHIDRODINAMICOS
Flujoturbulento
Inserciones
PulsacionesSuperficie
rugosa
METODOS FISICOS QUIMICOS
pHRelación
D. cél./D. poro
Tratamiento de la sup.de la membrana
Reformulacióndel medio
Reducción de la Polarización y Taponamiento
R.I. Ortiz-Basurto
Bioreactores de Membrana
El proceso puede ser continuo.
Los productos inhibidores
pueden ser removidos continuamente.
La productividad volumétrica puede incrementar.
El biocatalizador puede ser recuperado y reutilizado.
El biocatalizador puede estar inmovilizado o soluble.
?
Dra. Rosa Isela Ortiz Basurto Representante de la Cátedra
UNESCO-SIMEV en México
Ciencia de Membranas Aplicadas al Medio Ambiente
http://www.iemm.univ-montp2.fr/IMG/pdf/Plaquette_UNESCO_ANGLAIS.pdf
riobasurt@ hotmail.com