Tecnologías de Separación por Membranas: Ósmosis Inversa y Ultrafiltración

Introducción a la Separación por Membranas

Las técnicas de separación por membranas permiten separar solutos de pesos moleculares diferentes de una disolución, utilizando una membrana semipermeable. Existen dos procesos principales: la ósmosis inversa y la ultrafiltración.

Ultrafiltración (UF)

La ultrafiltración (UF) es un método de separación que distingue moléculas de alto peso molecular de las de bajo peso molecular, utilizando presiones relativamente bajas (1-10 atm). Se emplea principalmente en la industria láctea (concentración de leche y suero, separación de la lactosa), separación de proteínas, enzimas y eliminación de bacterias.

Ósmosis Inversa (OI) o Hiperfiltración

La ósmosis inversa (OI), también conocida como hiperfiltración, separa solutos de bajo peso molecular, lo que requiere el uso de presiones muy elevadas (50-100 atm). Se utiliza para concentrar zumos de frutas, café y leche; para clarificar vino y cerveza; y, especialmente, para desmineralizar el agua. Representa una alternativa a la concentración por evaporación.

Características Comunes y Diferencias

La característica común a ambos procesos es que se realizan a una presión superior a la atmosférica. Se diferencian en la magnitud de la presión necesaria para efectuar la separación y en el tamaño de las partículas retenidas por la membrana.

Principios Teóricos de la Separación por Membranas

En las separaciones por membrana, el flujo de disolvente se dirige desde la solución más concentrada hacia la menos concentrada. Por ello, es necesario aplicar suficiente presión en uno de los lados para superar la presión osmótica.

Las moléculas de mayor tamaño generan presiones osmóticas pequeñas, por lo que se requieren bajas presiones (UF). Por el contrario, al trabajar con solutos de bajo peso molecular, se originan altas presiones osmóticas (OI).

En la OI, el rechazo de solutos es teóricamente del 100%. En la UF, el rechazo es del 95-100% para los solutos de elevado peso molecular y del 0-10% para los de peso molecular más bajo, los cuales atraviesan la membrana casi libremente.

Tipos de Membranas Utilizadas

Las características generales exigidas a los materiales usados en la fabricación de membranas son: alta permeabilidad al agua, capacidad de retención de solutos, resistencia física y química, larga vida útil y bajo coste. Se emplean membranas ultradelgadas (0,05-0,1 µm), lo que disminuye su resistencia mecánica; por esta razón, se fabrican membranas asimétricas.

• Membranas celulósicas: Fabricadas con acetato de celulosa. No soportan temperaturas superiores a 50 °C y operan en un rango de pH de 3 a 7.
• Membranas de polímeros orgánicos: Incluyen materiales como polisulfonas, poliamidas, poliuretanos, cloruro de polivinilo (PVC) y poliestireno, entre otros. Ofrecen mayor estabilidad química y térmica, junto con una resistencia mecánica superior. Soportan hasta 80 °C y un rango de pH entre 1 y 13.
• Membranas minerales (inorgánicas): Son las más recientes, compuestas por materiales como óxido de zirconio (ZrO₂) y óxido de aluminio (Al₂O₃). Soportan temperaturas superiores a 100 °C y cualquier pH (rango de 1 a 14). Son muy costosas y se utilizan principalmente en UF.