OUTLINE OF A SOLUTION

Se denom ina módulo de m em brana a la uni­ dad más pequeña en la que se puede em paque­ tar la m em brana. La geometría en 3a que se fabrican las m em branas puede ser plana o cilin­ drica. Las m em branas planas se pueden em pa­ quetar para d a r lugar a módulos de platos y marcos o módulos en espiral. A su vez,las m em ­ branas cilindricas pueden disponerse en módu­ los tubulares y m ódulos do fibras huecas. A con­ tinuación se describe cada una de estas configu­ raciones:

• M ódulos de platos y marcos (figura 7.18). Las m em branas en forma de láminas se apilan para d ar lugar a una especie de sándwich formado por dos mem branas y un separador plano entre las mismas que delim ita el espacio útil para la circulación ele las fases fluidas. Las corrientes entre

2 : fase acuosa

Figura 7 .1 7 . Extracción, absorción y destilación con membranas.

fase Z orgánica 2 extracción con membrana hidrófilo líq u id o 1 g as ab so rció n vapor disolución 2 (fría) disolución 1 (caliente) _Z d e s t ila c ió n

las que se produce el intercambio de materia se desplazan de forma alternati­ va por el interior de los canales con direc­ ciones de flujo relativas en paralelo, con­ tracorriente o flujo cruzado. U n paráme­ tro de diseño del m ódulo que resulta esencial es la densidad de empaqueta­ miento, ya que indica el área de membra­

na disponible por unidad de

volumen

módulo. En el caso d e

los

platos y marcos la densidad de empaque­ tamiento suele estar comprendida entre IDO y 400 m2/m3.

FIGURA 7.1 9. M ódulo de m embrana de píalos y marcos.

* M ódulos en espiral (figura 7.19). E n esta configuración la membrana de partida es plana pero al enrollarse alrededor de un tubo central adquiere una disposición cilindrica. A dem ás d e la membrana, se

incluyen láminas que actúan como espa­

ciadores de los conductos en los que se

encuentran alternativamente las co­

rrientes fluidas entre las que se produce

la transferencia de materia. La parte

final de las láminas en el enrollamiento

está sellada para evitar la mczxla de las

dos fases fluidas. La disolución alimento

se desplaza por los conductos existentes

entre las láminas en dirección longitudi­

nal, En cambio, la fase permeada se

mueve en dirección radial a lo largo de

las espirales para desembocar en el tubo

central que sirve de colector de la

misma.

El conjunto se sitúa en el interior de

una carcasa metálica que hace posible la

aplicación de diferencias de presión. Con

frecuencia, en caso de necesitarse eleva­

das áreas de membrana para llevar a

cabo la separación, se suelen disponer

varios módulos en serie.

Un parámetro fundamental de diseño

de estos módulos es el espaciado de los

amales. Cuanto menor sea, mayor es la

densidad de empaquetamiento pero tam­

bién se produce un incremento en las

pérdidas de presión por rozamiento y,por

tanto, en los axiles de bombeo. Compara­

dos con los módulos de platos y marcos,

los módulos en espiral poseen densidades

de empaquetamiento superiores, del

orden de 800 in2/m \

Figura 7 .1 9 . M ódulo da mem­

FIGURA 7 .2 0 , Módulo de mem­

brana tubular. perm eado

* M ódulos tu b u la res. L a configuración m ás h ab itu al de este tip o de m ódulos es aquella en la que varias m em branas tubulares, co n d iám etro s m ayores de 10 mm, se sitú an en el in te rio r de una c a r­ casa cilindrica. Com o p u e d e observarse en la figura 7.20, el conjunto es bastante p arecido a la disposición de un cam bia­ d or de calor m ullitiibular. Así, una de las fases, g en e ralm e n te el alim ento, cir­ cula por el in te rio r de las m em branas tub u lares m ien tras que la o tra se d es­ plaza p o r la carcasa. P resen tan la v e n ta ­ ja de ser fáciles de d esm o n ta r y lim piar, p o r lo que están especialm ente in d ica­ dos p ara aquellos sistem as en los que se produce un ensuciam iento apreciable de la m em b ran a. Com o principal incon­ veniente de los m ódulos tubulares cabe citar su baja densidad de. em p a q u e ta ­ m iento, n o rm alm en te en el intervalo 50- 100 m2/m 3.

• M ódulos capilares y de fibras huecas. E n am bos casos, las unidades fu n d am en ta­

les son m em branas tubulares de d iám e­ tro m uy pequeño, inferior a 10 mm. Se diferencian en tre sí p recisam ente en el v alor de) diám etro, siendo b astan te más red u cid o en el caso de las fibras huecas, h ab itu alm en te m enores de 100 pin. Las fibras se em p aq u e tan den tro de la c a rc a ­ sa al igual que en los m ódulos tubulares, tal y com o se m u estra en la figura 7.21. Sin em bargo, en este caso la disolución alim en to suele circular por el ex terio r de las fibras, recogiéndose el p erm e ad o en su in terio r a fin de evitar una posible obstrucción de las fibras si existe una tendencia al ensuciam iento d e la m e m ­ brana.

Com o ventajas de este tipo de m ó d u ­ los destacan sus el evadís imas densidades de em paquetam iento, entre 600 y 1.200 m2/m3 en los m ódulos capilares y h asta de 30.000 m2/m3 en los módulos de fibras huecas. Asimismo, dado el p equeño d iá­ m etro de las fibras, pueden so p o rtar ele ­ vadas diferencias de presiones.

Figur a 7 .2 1 , Módulo de mem­ brana de fibras huecas.

Resumen

1. Las operaciones con m em branas perm iten la separación de com ponentes basándose en la capacidad de las m em branas p a ra regular selec­ tivam ente el transporte de m ateria. La fuerza im pulsora de la transferencia de m a teria varía cu función del tipo de operación con m em bra­ nas, podiendo tratarse de una diferencia de con­ centración. d e presión o de p otencial eléctrico. 2. Las operaciones con m em b ran as se utilizan

am pliam ente en la Industria A lim en taria. R es­ pecto de operaciones de separación convencio­ nales, como la destilación o ía extracción, p re ­ sentan una serie de ventajas: bajo consum o de energía, operación a te m p eratu ra am biente, ele­ vada eficacia de separación y utilización d e equi­ pos com pactos y m odulares.

3. E n función del objetivo que persiguen, las ope­ raciones con m em branas pued en ser operacio­ nes de concentración de disolventes, de purifica­ ción y de fraccionam iento. Asim ism o, se clasifi­ can y diferencian entre sí p o r e l tipo de fuerza im pulsora del transporte de m ateria, las fases implicadas, el tipo de m em b ran a y las caracterís­ ticas de los com ponentes perm eados.

4. Las m em branas que se utilizan com ercialm ente suelen ser de naturaleza polim érica, aunque tam bién existen m em branas cerám icas y m etáli­ cas. Según que posean o no p oros en su estru ctu ­ ra, las m em branas se clasifican en porosas y den­ sas, respectivam ente.

5. La perm eación de gases hace posible la separa­ ción de m ezclas de gases o vapores por aplica­ ción de una diferencia de p resión a am bos lados de la m em brana. Se suelen utilizar m em branas densas, resultando esencial que no existan defec­ tos en la m em brana.

6. En pervaporación las fases en contacto con la m em brana son un liquido y u n gas. M ediante la aplicación de una diferencia de presión, d eterm i­ nados com ponentes del líquido se transportan a través de la m em brana, evaporándose a conti­ nuación. Las m em branas de p ervaporación son densas,

7. La diálisis es una operación en la que la m em ­ brana separa solutos en función de su tam año. Las dos fases en contacto con la m em brana son líquidas, estableciéndose com o fuerza im pulsora una diferencia de co ncentración del soluto a

tran sp o rtar. Las m em branas de diálisis son porosas,

8. La electrodiálisis es una operación de se p ara­ ción electroquím ica que perm ite discrim inar e n tre especies iónicas y especies neutras, m ediante la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico como fuerza im pulsora. La clave de la separación radica en el uso de m em ­ branas de intercam bio catiónico y aniónico, situadas alternativam ente, y que dejan pasar a los cationes y a los aniones de la disolución, res­ pectivam ente.

9. La m icrofiítración, u ltra filtra ció n y osmosis inversa son operaciones con m em branas que poseen fundam entos muy similares. P erm iten separar y retener com ponentes en el seno de un disolvente m ediante la aplicación de una dife­ rencia de presión, lo que hace posible que el disolvente se transporte a través de la m em bra­ na. Se diferencian entre sí fu ndam entalm ente en el tipo de especies que retien en y en la diferen­ cia de presión a aplicar para conseguir la se p ara­ ción: microfiítración (partículas sólidas, d iferen­ cias de presión bajas), ultrafiltración (partículas colidales y macromoléculas, diferencias de p re­ sión m oderadas) y osmosis inversa {solutos, dife­ rencias de presión elevadas). Las m em branas de m icrofiítración y ultrafiltración son porosas, m ientras que en osmosis inversa las m em branas suelen ser densas.

10. La polarización de la concentración es un fen ó ­ m eno habitual en la m ayor p a rte de las o p e ra ­ ciones con m em branas. C onsiste en un in c re­ m ento en la concentración del com ponente p erm ead o en las proxim idades de la m em brana en la zona de la disolución alim ento. La p o la ri­ zación de la concentración suele te n er una serie de consecuencias negativas: ensuciam ien­ to de la m em brana por form ación de depósitos sólidos, dism inución en la eficacia de la se p a ra ­ ción e increm ento en la diferencia de p resión a aplicar.

11. El ensuciam iento cíe la m em brana por form a­ ción de depósitos sólidos provoca u n descenso paulatino en el flujo de p erm eado a lo largo del tiempo. Existen diferentes alternativas para pre­ venir o am inorar el ensuciam iento de las m em ­ branas: pretratam icnto de la disolución alim en­ to, modificación de las propiedades de la m em ­ brana, diseño adecuado del m ódulo y de las con-

diciones de operación, inversión periódica del flujo, etc.

Las membranas se fabrican en geometría plana y cilindrica. Las membranas planas se pueden em paquetar para dar lugar a módulos de platos y marcos o módulos en espiral. Las membranas tubulares pueden disponerse en módulos tubula­

res y módulos de fibras huecas. El área de trans­ ferencia de m ateria disponible por unidad de volumen de módulo recibe el nombre de densi­ dad de em paquetam iento. En el caso de los módulos de fibras huecas la densidad de em pa­ quetam iento puede alcanzar valores de hasta 30.000 m2/m3.

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