Moduły Membranowe w Filtracji: Rodzaje i Zastosowanie

Szczegóły: Opublikowano: 28. October 2025

Techniki membranowe stały się popularnymi metodami rozdzielania mieszanin. Większość membran dostępnych na rynku zbudowana jest z wysoce selektywnych i przepuszczalnych materiałów, a postęp w pracach nad polimerami syntetycznymi sprawił, że wzrosło zainteresowanie wykorzystaniem membran w tzw. dużej skali - w przemyśle.

Rodzaje Technik Membranowych

W zależności od materiału, z którego zbudowana jest membrana oraz jej właściwości selektywnych, membrany służą do prowadzenia procesu rozdziału cząstek o wielkości rzędu od dziesiątych części mikrometra (µm) do dziesiątych części nanometra (nm). Do technik membranowych zalicza się takie procesy jak mikrofiltracja, ultrafiltracja, nanofiltracja, odwrócona osmoza.

Mikrofiltracja (MF) - usuwa nierozpuszczone substancje stałe i bakterie.
Ultrafiltracja (UF) - separuje większe białka i wirusy.
Nanofiltracja (NF) - pozwala na usuwanie jonów wielowartościowych oraz większych cząsteczek organicznych.
Odwrócona osmoza (RO) - skutecznie usuwa nawet najmniejsze zanieczyszczenia, w tym sole i metale ciężkie.

Zalety Technik Membranowych

Techniki membranowe to techniki separacji, do zalet których zalicza się takie aspekty jak:

Niskie zużycie wody.
Stosunkowo proste zwiększanie skali technologicznej, dzięki modułowemu systemowi, który ułatwia rozbudowę stacji membranowej.
Możliwość sprawnego prowadzenia procesu rozdziału w sposób ciągły.
Możliwość zautomatyzowania pracy stacji membranowej.
Możliwość łączenia stacji membranowej z innymi maszynami prowadzącymi odrębne procesy jednostkowe w technologicznym parku maszynowym hali produkcyjnej.

Ograniczenia i Konserwacja Membran

Należy wspomnieć o ograniczonej żywotności membran, która wynika z wytrzymałości chemicznej i termicznej, która choć wysoka - ma swój okres użyteczności. Membrany można oczyszczać w sposób naturalny stosując przepływ wsteczny. Jest to skuteczny sposób na oczyszczanie porów membran z cząsteczek odkładających się na powierzchni membran wskutek zjawiska o nazwie fouling. Strumień filtratu ulega ograniczeniu, zapychanie membran wzmaga konieczność okresowego ich czyszczenia.

Wskazane jest, aby wcześniej uzdatniać wodę podawaną do stacji membranowej, co znacznie wzmocni efekt separacji, tych cząsteczek na których rozdział zaprojektowana była stacja. Membrany są tworami delikatnymi, dlatego wskazane jest, aby uzdatniać wodę, gdyż zanieczyszczenia w niej obecne mogą uszkodzić membrany. O wydajności danej instalacji decyduje jednostkowa wydajność membran.

Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej

W trudnych warunkach pracy instalacji membranowej, tj. niskie pH lub wysoka temperatura, w technologii wykorzystywane są również membrany ceramiczne wykonane z alfa-tlenku glinu. Regeneracja może następować za pomocą silnie agresywnych chemikaliów oraz dezynfekowanych parą wodną. Łatwy dobór typu i wielkości membran ułatwia fakt stosowania ich zarówno na skalę laboratoryjną jak i przemysłową.

Nowoczesne Rozwiązania w Konstrukcji Membran

Nowoczesne podejście do projektowania przekroju niekołowego membran pozwala na osiąganie możliwie jak największej powierzchni filtracyjnej membran. Bardzo ważna jest także możliwość uzyskania zbilansowanej relacji pomiędzy powierzchnią filtracyjną a wielkością instalacji. Daje to możliwość projektowania instalacji na skalę laboratoryjną oraz przemysłową.

Podczas procesu produkcyjnego, gdy dopasowane są już wszelkie parametry, na porowaty nośnik membrany z tlenku tytanu nanosi się aktywną warstwę filtrującą. Z procesem filtracji przepływowej związane są wysokie koszty energii, ze względu na to, że cała doprowadzona do systemu ciecz musi być do niego wtłoczona. Możliwa jest także filtracja typu dead-end przy wykorzystaniu wkładów filtracyjnych.

Moduły membranowe powinny być regularnie czyszczone. Membrany myje się stosując przepływ zwrotny, czyli stosując kierunek przeciwny do normalnego trybu pracy membran. Proces filtracji w trybie ciągłym generuje dwa strumienie wychodzące: filtrat i koncentrat.

Zastosowanie Technik Membranowych w Przemyśle

Z biegiem lat rosną oczekiwania klientów, które wymuszają na dostawcach coraz to sprawniejsze i nowocześniejsze techniki przygotowania surowców i produktu finalnego. Techniki separacji membranowej niewątpliwie umożliwiają osiągnięcie wysokiego stopnia separacji membranowej, co dla konwencjonalnych technik rozdziału jest często wręcz niemożliwe do osiągnięcia.

Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów

Technika mikrofiltracji stosowana jest między innymi do filtracji napojów i produktów fermentacji w sterylnych warunkach, w tym celu stosuje się membrany spiralne lub moduły wraz z membranami ceramicznymi.
Ultrafiltracja stosowana jest w celu zagęszczenia lub frakcjonowania produktu z wykorzystaniem prawidłowo dobranych modułów.
Nanofiltracja stosowana jest w celu oddzielenia jonów metali ciężkich bądź cząsteczek o bardzo małych rozmiarach.

W wyniku filtracji typu dead-end powstaje tak zwany placek filtracyjny, który, gdy osiągnie określoną grubość, staje się jednocześnie warstwą filtrującą, a w pewnym momencie dochodzi do zatkania filtra, co kończy proces filtracji i wymusza jego czyszczenie w przepływie wstecznym.

Zastosowanie w Przemyśle Mleczarskim

W przemyśle mleczarskim techniki filtracji membranowej wykorzystywane są do zagęszczania, standaryzacji białek i kazeiny, zagęszczania białek w mleku czy serwatce czy izolacji białek z mleka bądź serwatki. Za pomocą membran filtracyjnych możliwe jest też usunięcie bakterii. Membrany stosuje się także w produkcji na przykład sera feta, sera fromage czy serka mascarpone, a także do produkcji świeżego sera z mleka ukwaszonego lub śmietany. Techniki membranowe wywarły w ostatnich trzech dekadach ogromny wpływ na polski przemysł mleczarski.

Dostawcy Rozwiązań Membranowych

Na rynku, dostawcami rozwiązań z wykorzystaniem modułów membranowych są takie firmy jak: Intermasz (przedstawiciel firmy Tami Industries) i Lenntech. Tami Industries w swojej ofercie ma produkty chętnie wybierane przez producentów z różnych branż i gałęzi przemysłu. Firma zajmuje się projektowaniem i wytwarzaniem membran.

Zalety Membran Ceramicznych Tami Industries

Membrany ceramiczne proponowane przez tę firmę mają wiele zalet, do których zaliczyć można między innymi:

Odporność na wysoką temperaturę
Odporność na kwasy i zasady
Odporność na rozpuszczalniki
Odporność na wysokie ciśnienie
Długi okres przydatności do użycia

Mikrofiltracja w Mleczarstwie

Rosnąca popularność filtracji membranowej wynika zarówno z ciągłego udoskonalania materiałów stosowanych do produkcji membran, jak i ciągle poszerzającego się obszaru ich aplikacji w praktyce przemysłowej. Techniki membranowe stosowane są wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba klarowania, frakcjonowania bądź zatężania substancji występujących w strumieniach technologicznych. Stosunkowo najnowszą, a zarazem najdynamiczniej rozwijającą się techniką filtracji membranowej w mleczarstwie jest mikrofiltracja.

Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru

Szeroki zakres granic rozdziału membran mikrofiltracyjnych oferuje rozległe możliwości ich zastosowania - nie tylko do znanych od blisko 2 dekad aplikacji z zakresu usuwania bakterii i przetrwalników z mleka czy też solanki serowarskiej, lecz coraz częściej także do odpylania i odtłuszczania serwatek czy też frakcjonowania składników mleka, maślanki oraz słodkiej i kwaśnej serwatki. W odróżnieniu od popularnych w mleczarstwie procesów ultrafiltracji, nanofiltracji, czy odwróconej osmozy, w których dominującą pozycję odgrywają membrany polimerowe, w przypadku instalacji mikrofiltracyjnych bardzo często lub też wyłącznie (usuwanie bakterii i przetrwalników z mleka, czy serwatki) wykorzystywane są membrany ceramiczne.

Jak dowodzi praktyka przemysłowa, instalacje ceramiczne, pomimo wyższych kosztów inwestycyjnych, okazały się niezawodną i atrakcyjną alternatywą dla układów opartych na membranach polimerowych. Kilkukrotnie wyższa wydajność filtracji z jednostki powierzchni, wyższa selektywność rozdziału składników mleka (standaryzacja kazeiny w mleku procesowym lub frakcjonowanie białek przy produkcji koncentratów kazeinowych), długa żywotność, łatwość i niski koszt regeneracji chemicznej membran to podstawowe zalety membran ceramicznych, które sprawiły, że membrany te na stałe zadomowiły się w wielu polskich zakładach mleczarskich.

Wyłącznym przedstawicielem handlowym i technicznym Tami Industries w Polsce jest firma Intermasz - Filtracja membranowa, która proponuje membrany ceramiczne do zastosowania przemysłowego oraz laboratoryjnego, które łączy w moduły. Firma w kwestii zastosowań na małą skalę proponuje rozwiązania instalacji laboratoryjnych z membranami rurowymi, z membranami płaskimi czy półtechniczne instalacje z membranami rurowymi. Takie instalacje znajdują zastosowanie w pracach badawczych, podczas gdy instalacje na skalę przemysłową wykorzystywane są podczas procesu produkcyjnego.

Filtracja Membranowa Przepływu Krzyżowego (CMF)

Filtracja membranowa przepływu krzyżowego (CMF) to nowoczesna i skuteczna technologia separacji, szeroko stosowana w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym oraz w ochronie środowiska. W przeciwieństwie do konwencjonalnej filtracji, w której przepływ odbywa się prostopadle do powierzchni filtracyjnej, w filtracji przepływu krzyżowego strumień surowca porusza się równolegle do membrany.

Filtracja membranowa przepływu krzyżowego może być realizowana w procesach wsadowych (batch) lub półciągłych. W procesie wsadowym retentat jest recyrkulowany przez moduł membranowy, a jego objętość stopniowo maleje w miarę usuwania permeatu. Kluczowym parametrem operacyjnym jest ciśnienie transmembranowe (TMP), które stanowi różnicę ciśnień między stroną retentatu a permeatu. Podczas filtracji membranowej wzrost TMP zazwyczaj prowadzi do zwiększenia strumienia permeatu. Warstwa polaryzacyjna powstaje, gdy substancje zatrzymane przez membranę koncentrują się w jej bezpośrednim sąsiedztwie, tworząc dodatkowy opór dla przepływu permeatu.

Przy projektowaniu systemów filtracji membranowej należy uwzględnić szereg czynników, które mają wpływ na wydajność i trwałość systemu. Membrany stosowane w filtracji mogą być wykonane z różnych materiałów, co wpływa na ich odporność chemiczną, trwałość i zdolności separacyjne.

Typy Membran Syntetycznych

Polimerowe membrany syntetyczne - np. polisulfon (PS), polietylenosulfon (PES), politetrafluoroetylen (PTFE), poliamidy.
Włókna kapilarne - duża powierzchnia filtracyjna i możliwość płukania zwrotnego, stosowane m.in.
Moduły rurowe - przeznaczone do cieczy o wysokiej lepkości i dużej zawartości substancji stałych.

Filtracja membranowa przepływu krzyżowego to wydajna i ekologiczna technologia separacji, pozwalająca na skuteczne usuwanie zanieczyszczeń i odzysk cennych składników.

Moduły Membranowe - Konstrukcja

Zwartą jednostkę konstrukcyjną, która zawiera odpowiednio upakowane membrany i zapewnia dużą powierzchnię rozdziału przyjęto nazywać modułem membranowym. Konstrukcje dostępnych modułów membranowych opierają się na dwóch podstawowych formach membrany: płaskiej i rurowej.

Moduły płytowe - stosowane w procesach filtracji i odwróconej osmozy. Są zbudowane z płaskiej membrany o najczęściej kołowym kształcie, płyty nośnej membrany oraz płyty prowadzącej strumień zasilający. Elementy te łączone są w stosy pionowe lub poziome.
Moduły spiralne - stosowane w procesach ultrafiltracji, nanofiltracji i odwróconej osmozy. Są wykonywane poprzez sklejenie dwóch prostokątnych arkuszy membran wzdłuż trzech krawędzi membran oraz ich zrolowanie. Pomiędzy sklejone arkusze wprowadzany jest elastyczny materiał porowaty.
Moduły poduszkowe - stosowane w procesach ultrafiltracji, nanofiltracji i odwróconej osmozy. W konstrukcji przypominają one moduły spiralne. Charakteryzują się małą ilością uszczelnień oraz małymi stratami ciśnienia po stronie permeatu. Można je stosować w procesach wysokociśnieniowych. Są odporne na zanieczyszczenia.
Moduły rurowe - stosowane w ultrafiltracji i mikrofiltracji. Zasada konstrukcji polega na uformowaniu membrany w kształcie rury o średnicy 10-25 mm i osadzeniu jej we wnętrzu lub na zewnątrz porowatej lub perforowanej rury nośnej. Membrany te umieszcza się na ogół w ciśnieniowej obudowie. Tego typu moduły można czyścić mechanicznie. Są one niewrażliwe na blokowanie.
Moduły kapilarne i mikrorurkowe - stosowane w ultrafiltracji. Są zbudowane z dużej liczby kapilar tworzących pęk, umieszczonych w płaszczu cylindrycznym.

Sposoby Eksploatacji Instalacji Membranowych

Zastosowanie różnych sposobów eksploatacji instalacji membranowych wynika z chęci osiągania najwyższej wydajności w ciągu jak najdłuższego czasu eksploatacji, przy możliwie najmniejszych kosztach. Biorąc pod uwagę cel separacji wyróżnia się instalacje do oczyszczania, koncentrowania oraz frakcjonowania. Natomiast rozpatrując tryb pracy wyróżnia się instalacje o działaniu ciągłym lub o działaniu okresowym.

Układ jednokierunkowy (dead-end): roztwór zasilający jest wprowadzany w kierunku prostopadłym do powierzchni membrany aż do momentu osiągnięcia koncentracji.
Przepływ krzyżowy (cross-flow): roztwór zasilający (nadawa) przepływa równolegle do powierzchni membrany i rozdziela się na dwa strumienie: permeat i retentat.

Czynniki Określające Efektywność Filtracji

Istnieją dwa czynniki określające efektywność procesu filtracji przez membrany; selektywność i produktywność. Selektywność jest wyrażona przez parametr zwany współczynnikiem retencji lub separacji (wyrażonym w jednostkach l/m2·h). Produktywność jest wyrażona jako parametr nazywany strumieniem ("flux") (wyrażonym w jednostkach l/m2·h). Selektywność i produktywność są zależne od membrany.

Membrany są wprowadzane w kilku typach modułów. Istnieją dwa główne typu; są to membrany cylindryczne (tubular-shaped membranes) oraz systemy membran typu "plate & frame" (systemy membran typu "płyta i rama"). Systemy membran cylindryczne są podzielone na systemy o włóknach cylindrycznych, kapilarnych i "wydrążonych". Systemy typu "płyta i rama" są podzielone na systemy spiralne oraz membrany w kształcie poduszek.

Zagniwanie (Blokowanie) na Membranie

Podczas procesu filtracji zatykanie się membran jest nieuniknione, nawet z odpowiednim oczyszczaniem wstępnym. Rodzaje i wielkość zablokowania zależą od wielu rożnych czynników, takich jak jakość wody doprowadzanej do filtracji, rodzaj membrany, materiał membrany oraz zaprojektowanie procesu oraz jego kontrola. Nagromadzenie się cząsteczek, rozwój biologiczny oraz tworzenie się kamienia to trzy rożne typu blokowania się membran. Zanieczyszczenia te powodują, że wymagany jest większy nakład pracy aby zapewnić ciągłość działania (pojemność) membran. W pewnym momencie ciśnienie wzrośnie do tego stopnia, że proces nie będzie już ekonomicznie oraz technicznie wydajny.

Czyszczenie Membran

Istnieje wiele technik czyszczenia membran w celu usunięcia wyżej wymienionych czynników powodujących zapychanie membran. Techniki te to "forward flushing" (spłukiwanie w przód), backward flushing (płukanie zwrotne), "spłukiwanie" powietrzem i czyszczenie chemiczne, oraz każda kombinacja tych metod.

Zastosowanie Separatorów Membranowych w Przemyśle

Separatory membranowe są wykorzystywane w wielu sektorach przemysłu m.in. w demineralizacji wody i oczyszczaniu ścieków, aż po kluczowe procesy w przemyśle chemicznym i biotechnologicznym. Ich rola polega na oddzielaniu różnych składników mieszaniny, wykorzystując wyjątkowe właściwości membran przepuszczalnych. Ta technika stała się niezastąpiona dzięki swojej efektywności, precyzji oraz możliwości zastosowania w różnorodnych procesach przemysłowych.

Funkcje Separatora Membranowego

Oddzielanie przyrządu pomiarowego od medium procesowego: Separator membranowy stanowi fizyczną barierę, która izoluje przyrząd pomiarowy ciśnienia od agresywnych, niebezpiecznych lub zanieczyszczonych mediów procesowych.
Przenoszenie ciśnienia do przyrządu pomiarowego: Membrana separatora, będąca często elastyczną strukturą, pełni rolę mediatora. Ciśnienie procesowe przenoszone jest przez elastyczną membranę na ciecz znajdującą się wewnątrz separatora, a następnie przekazywane na element pomiarowy, tzn. manometr lub przetwornik ciśnienia.

Tabela: Rodzaje Filtracji Membranowej i Ich Zastosowania

Rodzaj filtracji membranowej	Zakres wielkości porów	Typowe zastosowania	Ciśnienie robocze
Mikrofiltracja	0,1 - 10 µm	Klarowanie napojów, piwa, sterylizacja mleka, usuwanie bakterii i zawiesin w przemyśle spożywczym i biotechnologicznym	0,05 - 0,3 MPa
Ultrafiltracja	0,01 - 0,1 µm	Oczyszczanie soków, piwa, produkcja skrobi, wydzielanie białek z mleka i serwatki, oczyszczanie antybiotyków	do 0,5 MPa
Nanofiltracja	0,001 - 0,01 µm	Zagęszczanie półproduktów biotechnologicznych, usuwanie białek z serwatki, odsalania wody	wyższe ciśnienia

Moduły Membranowe i Instalacje Pro-mill

Firma Pro-mill oferuje różnorodne moduły membranowe, które mogą być stosowane jako elementy główne lub wspomagające w instalacjach technologicznych. Moduły te są wykorzystywane jako filtry w bioreaktorach, ekstraktorach oraz wszędzie tam, gdzie wymagane są warunki sterylne. Dzięki możliwości skalowania procesu, instalacje filtracji membranowej Pro-mill można dostosować do indywidualnych potrzeb produkcyjnych i specyficznych wymagań procesu.

tags: #moduły #membranowe #filtracja #rodzaje #zastosowanie