Metode Moderne in Procesarea Alimentelor

CAPITOLUL 2TEHNICI DE SEPARARE CU MEMBRANE

INTRODUCERE

n ultimele dou decenii procesele de separare prin membrane s-au dezvoltat la nivel de aplicaii industriale. Cele mai importante procese de separare prin membrane sunt: microfiltrarea i ultrafiltrarea folosite, mai ales, pentru purificarea apei, dar i pentru concentrarea i recuperarea unor produi valoroi din diferite amestecuri, osmoza invers pentru producerea apei potabile sau a apei demineralizate, electrodializa pentru concentrarea sau ndeprtarea ionilor dizolvai, separarea gazelor pentru recuperarea sau ndeprtarea unor gaze din amestecuri gazoase i pervaporaia folosit pentru separarea i concentrarea amestecurilor lichide, n special a celor azeotropice. n afara ariilor tradiionale, tehnicile de separare cu membrane s-au impus i n alte domenii cum ar fi biotehnologia, microelectronica, ingineria biomedical i industria alimentar. Folosirea tehnicilor membranare ofer o serie de avantaje cum ar fi:

Consum de energie redus;

Posibilitatea operrii continue;

Condiii de operare simplu de asigurat;

Posibilitatea de cuplare a acestor tehnici cu alte procedee clasice de separare;

Costuri de investiie i de operare sczute.

n general, procedeele utilizate pentru separarea amestecurilor fluide pot fi clasificate n dou categorii:

Procese de separare care decurg la echilibru;

Procese de neechilibru (bazate pe diferene ntre vitezele de transport).

Cele mai multe procedee industriale de separare decurg la echilibru. Absorbia, distilarea, rectificarea, evaporarea, extracia, adsorbia, cristalizarea sunt numai cteva exemple de procedee de separare care decurg la echilibru. n aceste procese amestecul care urmeaz a fi separat (faza I) este pus n contact cu o a doua faz. Dup un anumit timp ntre cele dou faze se stabilete echilibrul termodinamic. Aceasta nseamn c ambele faze vor avea aceeai temperatur i toi componenii vor avea acelai potenial chimic n ambele faze, dup cum se poate observa i din figura 1a, n care este ilustrat principiul separarrilor la echilibru.

Separrile prin membrane se bazeaz pe diferene ntre vitezele de transport a speciilor care urmeaz a fi separate. n figura 1b este ilustrat principiul separrilor cu membrane. n aceste separri sub influena unei fore motoare, care poate fi un gradient de presiune, de concentraie, de temperatur sau de cmp electric, componenii amestecului care urmeaz a fi separat i care se afl la un potenial chimic mai mare vor migra prin membran ctre zona cu potenial chimic mai sczut. Separarea este asigurat de diferenele ntre vitezele de transport ale componenilor. Gradientul de potenial chimic trebuie meninut pe toat durata separrii prin ndeprtarea continu a componenilor care au migrat n zona de potenia sczut. n caz contrar, se va ajunge la echilibru i separarea nu se va mai produce.

Figura 1a. Principiul separrilor la echilibru

Figura 1b. Principiul separrii prin membrane

Definirea membranelor-Clasificare

Membrana este o barier selectiv care particip activ sau pasiv la transferul de mas ntre fazele pe care le separ. Membrana poate fi privit ca o zon de discontinuitate interpus ntre dou faze, rolul su fiind acela de a aciona ca o barier selectiv care s permit trecerea preferenial a unui component sau a unor componente dintr-un amestec, dup cum se poate observa i din figura 2. Exist o mare diversitate de membrane, difereniate prin structura i funcia pe care o ndeplinesc. Cteva dintre criteriile de clasificare ale membranelor i tipurile de membrane vor fi prezentate n continuare.

Dup natura chimic lor membranele se clasific n membrane organice, anorganice i mixte. Ca membrane organice pot fi amintite cele polimerice, dintre care cele mai utilizate sunt derivaii de celuloz, poliamidele, polisulfona i polietersulfona. Ca membrane anorganice se pot aminti cele ceramice (oxizi de aluminiu, de zirconiu sau de titan). Un exemplu de membran mixt ar fi membranele formate din polimeri i zeolii.

Dup sarcina electric pot fi membrane neutre sau membrane ncrcate electric ( membrane schimbtoare de ioni).

Dup grosime membranele pot fi groase i subiri.

Dup porozitate membranele pot fi membrane poroase i membrane neporoase.

Figura 2. Reprezentarea schematic a principiului de separare cu ajutorul membranelor.

Evident, c nu exist o unanimitate n ceea ce privete aceste clasificri, mai ales, dup criteriul porozitii. De exemplu, chiar o membran considerat neporoas poate avea pori ai cror diametru s fie n demeniul 5.10-10-10-10 m. Totui, comportarea unei astfel de membrane justific considerarea ei ca fiind neporoas. Membranele poroase se utilizeaz n procese de microfiltrare (MF), de ultrafiltrare (UF) i de nanofiltrare (NF). La rndul lor membranele poroase pot fi constituie din macropori (dp>50 nm, utilizate MF, UF), mezopori (ntre 2-50 nm, utilizate n UF) i micropori (dp