Modelos matemáticos de la colmatación de membranas en microfiltración tangencial

Mathematical models of membrane fouling in cross-flow micro-filtration

La mayor dificultad durante la microfiltración tangencial es la formación de una capa de torta en la superficie membranaria, también llamada “colmatación”, la cual afecta el desempeño del sistema. La colmatación se ha relacionado al decaimiento del flux de permeado como resultado de cambios en las variables de operación. Muchos trabajos se han publicado para explicar este fenómeno, pero aún no se ha entendido totalmente porque depende de interacciones específicas solución/membrana y de diversos parámetros. El objeto de este trabajo es presentar una revisión analítica de los modelos matemáticos recientemente publicados para explicar el fenómeno de colmatación. Aunque los modelos revisados se ajustan a cualquier tipo de aplicación, en el caso particular de jugos de frutas tropicales, un modelo sencillo de “polarización de la concentración” es conveniente para describir la deposición de los sólidos insolubles en la superficie de la membrana.

Introducción

La microfiltración tangencial (MFT) es un proceso que utiliza membranas semipermeables para la concentración, purificación o separación de partículas finas, microorganismos  y  gotas de emulsión en procesos biotecnológicos, en la industria de alimentos y en el tratamiento de aguas residuales,  entre otros. La separación es debida a la presión, fuerza motriz del proceso. Tangencialmente a la superficie de filtración fluye un “retenido” constituido por sustancias que  no  pueden atravesar los poros de la membrana, y  paralelo  a  ella, hay un flujo de “permeado” que en la mayoría de los casos tiene un alto valor comercial, constituido por partículas que pueden pasar la membrana (Vaillant et al., 2004). Las membranas usadas en estos procesos tienen una estructura microporosa, fabricadas en diferentes materiales y que por su tamaño de poro separan partículas con tamaños entre 0,02–20 μm. Este proceso de separación tiene ciertas ventajas con respecto a otros: es atérmico, no involucra cambios de fase, requiere baja presión hidrostática, se realiza a baja temperatura. Por eso es muy usado para producir líquidos puros, para concentrar suspensiones, recuperar productos de gran valor y para regenerar líquidos de proceso (Vyas et al., 2002).

El proceso de MFT está limitado principalmente por la formación de una torta en la superficie de la membrana y por la colmatación interna de la membrana. El entendimiento de estos fenómenos resultaría en un uso más económico ya que la progresiva formación de esta capa afecta negativamente las condiciones de la operación, haciendo difícil el control del proceso e incrementando paradas de planta para limpieza de las membranas. Cuando se procesan jugos de fruta ricos en pulpa los polisacáridos presentes en las paredes celulares, como pectina, celulosa, lignina y hemicelulosa, son responsables de la capa de colmataje. En tales casos se hidrolizan los polisacáridos  mediante  enzimas  para  mejorar  el  filtrado.