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