TECNOLOGÍAS DE
MEMBRANAS EN LA AGROINDUSTRIA LÁCTEA
Los procesos membrana ríos constituyen una serie de
técnicas de separación estas consisten en emplear un gradiente, de presión o
electrostático, se realiza con el fin de forzar el paso de componentes de una
disolución, a través de una membrana porosa semipermeable, para que se obtenga
una separación sobre la base del tamaño, e incluso de la carga molecular.
Las áreas de la industria agroalimentarias emplean masivamente estas tecnologías. Para finales
de los años ochenta ya se utilizaban en esta industria alrededor de 250 000 m2
de membrana. Generándose un creciente interés en su funcionalidad de
muchos componentes de la leche.
La permeabilidad de una membrana es adecuada cuando
se registra una relación lineal entre un flujo de agua de baja dureza y la presión
transmembranaria que se registra en la misma. Este
rendimiento de la membrana en términos de la cantidad de permeado obtenido, no
sólo depende de esta presión transmembranaria, sino también de la velocidad del
flujo de alimentación, la temperatura, la concentración del fluido y las
características fisicoquímicas de la membrana.
Las membranas utilizadas para
asegurar un adecuado rendimiento son de una gran diversidad tanto en formas
como en materiales. En términos del material de fabricación, las membranas pueden estar hechas de acetato
de celulosa (celulósicas), de polímeros orgánicos (polisulfonas, teflón, propilenos,
poliamidas, poli sulfuros, polipropilenos), o compuestas de sales inorgánicas.
En términos de apariencia, las membranas pueden ser aplanadas o en forma
de cartucho tubular de paredes permeables, la membrana tubular abierta es la
primera de ellas y corresponde a un tubo con diámetro de entre 1,2 cm a 2,54 cm
y longitudes de 3,66 m en donde a medida que la leche circula por el interior
hueco, ésta se va permeando a través de las paredes del mismo que actúan como
membrana.
Además se tiene una tercera configuración
no muy empleada llamada la configuración de espiral, que trata de maximizar el
área en un mínimo espacio y consiste en capas consecutivas de membranas
enrolladas en espiral dentro de un tubo de soporte en acero perforado.
Aquellos componentes que
traspasan la membrana bajo la acción de la presión y debido a que poseen un tamaño
molecular menor al de las porosidades de la misma, reciben el nombre de
“permeado”, mientras que aquellos no permeables a la misma, se denominan “retenido”.
Por necesidades técnicas y económicas en ocasiones es obligatorio reducir al
máximo el volumen del retenido especialmente si se desea emplear la tecnología
de membranas para la concentración.
Según sea el flujo de la
disolución sometida al proceso de membrana en relación a la presión aplicada,
se habla de un proceso tangencial o de uno frontal.
El principio básico esquemático
general de los procesos de membranas se presenta en la Figura 1.
En el caso de la industria
lechera, las técnicas de filtración generalmente se circunscriben al ámbito de los
procesos tangenciales de membranas donde el permeado se recolecta y el retenido
por lo general sufre de varios ciclos de recirculación en función del producto
final deseado.
Las tecnologías de membranas aplicadas a la industria láctea constituyen
una herramienta única para la concentración y para el fraccionamiento de la
leche en base a las diferencias en el peso y tamaño molecular relativo, la
razón de esta particularidad radica en que estos procesos no involucran un cambio
de fase que pueda ocasionar el deterioro o modificación de las características
fisicoquímicas y organolépticas deseables de la leche. En términos generales un
equipo de membranas de uso industrial podría esquematizarse de acuerdo con la
Figura 2.
A medida que transcurre el tiempo
en un proceso de membranas, se registra una disminución progresiva del volumen
del flujo de permeado debido a toda una serie de fenómenos que ocurren
simultáneamente. En los primeros instantes se registra un rápido decline atribuible
a un fenómeno denominado “polarización de la concentración”; éste consiste en
la formación de una alta concentración de soluto en la superficie adyacente a
la membrana. Esto es provocado por un balance entre el transporte convectivo de
los solutos efectuado por el flujo de solvente, y por la acumulación de soluto
no permeado a través de la misma membrana.
En los procesos aplicados a la leche el colmataje generalmente es ocasionado
por la interacción, adsorción y deposición de proteínas como las caseínas y sus
agregados micelares. Tanto la absorción de proteínas como la interacción
proteína-proteína pueden estrechar u obstruir los poros de la membrana incrementando
el rechazo de partículas que ya no pueden pasar a través de dichos poros; esto
a su vez causa un gradiente de concentración en la superficie de la membrana
que acentúa la polarización de la concentración. Las proteínas además suelen
adsorberse con mucha rapidez en una forma que es generalmente irreversible, a
no ser que se apliquen tratamientos de limpieza química periódicos al terminar
cada proceso y antes de iniciar el siguiente, o bien como promedio después de
seis a siete horas de operación continua según el equipo.
Mientras las proteínas y sales
minerales juegan un papel clave en el colmataje, la grasa suele ser considerada
problemática cuando la leche tiene un contenido alto de la misma, problema que
suele controlarse con el descremado y en forma parcial con el homogenizado. La
grasa aunque puede quedar atrapada en el colmatado de proteína, no promueve la
formación inicial de esta capa colmatante aunque sí está asociada con una
retención de lactosa en dicha capa. La lactosa en sí misma no está considerada
como un promotor del colmataje.
La limpieza química periódica de las membranas es
vital para remover la capa colmatante al final de los procesos. El proceso consiste
en una reacción heterogénea entre el agente químico y la capa colmatante,
dirigida a remover los depósitos y devolver a la membrana todas sus características
prístinas, sin que el tratamiento sea tan agresivo que pueda provocar un
deterioro de la membrana misma. En la industria usualmente es necesario vigilar
que estos agentes químicos de limpieza tengan una buena capacidad buferizante,
que sean compatibles con la membrana y no promuevan su de terioro, que
promuevan la desinfección de superficies y que no representen un riesgo a la
inocuidad.
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