Le applicazioni della filtrazione tangenziale a membrane nell’ambito dell’industria lattiero casearia sono estremamente diversificate in relazione alla loro capacità di ritenere uno o più costituenti di latte e siero (fig. 1).
Microfiltrazione (MF)
La microfiltrazione è una filtrazione a membrana operante a non più di 1 bar. A pressioni superiori il fenomeno di polarizzazione si accentua. La MF richiede inoltre prodotti esenti da grasso (ad esempio latti e sieri scremati). Pur essendo disponibili membrane polimeriche, la morfologia di membrana più diffusa è di tipo ceramico, operante a caldo (55 °C). Nelle applicazioni di ritenzione batteri- spore, il permeato risulta essere il prodotto- obiettivo, con un fattore di concentrazione 20x (5% di ritentato, 95% di permeato) o anche 200x (0,5% di ritentato, 99,5% di permeato). Nelle applicazioni di separazione delle micelle di caseina dalle sieroproteine, il prodotto-obiettivo è il ritentato e il fattore di concentrazione arriva a un massimo di 3,4x (30% di ritentato, 70% di permeato).
Ultrafiltrazione (UF)
Opera nel campo 1-10 bar. Le molteplici applicazioni mirano soprattutto alla concentrazione proteica. Il prodotto-obiettivo è solitamente il ritentato, con un massimo di concentrazione proteica non superiore al 25% di solidi. Le membrane effettuano anche una blanda demineralizzazione del ritentato. Per applicazioni estreme, per esempio concentrazione di sieri destinati alla produzione di concentrati proteici quali WPC 80, l’ultrafi ltrazione è associata alla diafi ltrazione. Quest’ultimo processo consiste nella continua diluizione del ritentato con acqua, permettendo di progredire nella concentrazione in quanto l’acqua stessa addizionata permea assieme al lattosio e ad alcuni minerali. In tabella 1 è riportato un esempio di bilancio di massa di concentrazione (10,2x) del siero mediante ultrafiltrazione per la produzione di WPC 45.
Nanofiltrazione (NF)
Opera nel campo 20-40 bar. Le membrane permeano acqua e alcuni ioni monovalenti, effettuando una parziale demineralizzazione del ritentato (solidi e ioni divalenti). I solidi totali nel ritentato sono nell’ordine del 20-25%, con riferimento al trattamento siero. È meno utilizzata rispetto alle altre tipologie di membrane, in quanto attualmente ha un campo applicativo di limitato interesse per l’industria lattiero casearia.
Osmosi inversa (RO)
Opera nel campo 30-60 bar. Le membrane permeano principalmente acqua, con eventuali tracce di alcuni costituenti (acidi organici, azoto non proteico), trattenendo la totalità dei solidi presenti. Il prodotto-obiettivo è il ritentato, ma può anche essere contemporaneamente il permeato (acqua purificata). I solidi totali nel ritentato sono nell’ordine, con riferimento al trattamento sieri, del 17-23%. L’acqua del permeato può non essere idonea allo scarico diretto nelle acque superficiali a causa di un elevato COD (Chemical Oxygen Demand, indicatore di inquinamento delle acque). In questo caso può essere ulteriormente trattata con membrane RO polisher (ottenendo acqua pura).
anche espresso in Flux = l/m2/h. Il ritentato finale viene invece determinato in termini di fattore di concentrazione: A (portata prodotto in ingresso) / B (portata ritentato in uscita)
Le principali applicazioni della filtrazione a membrana in ambito lattiero caseario sono riassunte in tabella 2. Le morfologie delle membrane utilizzate variano in relazione alla tecnologia di filtrazione membranica (tabella 3). Le spiralate rappresentano la morfologia di maggiore impiego, in quanto coniugano grandi superfici con la massima economicità. Le altre morfologie sono impiegate prevalentemente per applicazioni speciali. Il singolo elemento membranico è la base di partenza per la realizzazione di un modulo, vale a dire l’oggetto minimo in grado di eseguire un processo di separazione (fig. 2). Più moduli costituiscono un loop ossia l’elemento impiantistico in grado di effettuare una separazione con portate industriali (fig. 3).
Più loop costituiscono il primo stadio dell’Unità di Filtrazione. Se le prestazioni di separazione richieste eccedono la potenzialità del primo stadio, è possibile implementare ulteriori stadi (vi sono casi anche di tre stadi e oltre). Tipicamente gli stadi a partire dal secondo operano con un prodotto di maggiore viscosità (in quanto ricevono il ritentato dallo stadio precedente), quindi presentano prestazioni di minore permeazione. Le scelte tecniche relative al numero di stadi (e alle loro configurazioni) rispondono anche a esigenze di ottimizzazione del processo di separazione nel suo insieme. Quale che sia la morfologia della membrane, il modulo (insieme di più membrane singole) è normalmente concepito per la ricircolazione in continuo del ritentato (fig. 4).
Infatti, nella gran parte dei casi, il fattore di concentrazione desiderato non può essere ottenuto in un unico passaggio del prodotto sulla superficie della membrana. Mentre il permeato fluisce verso l’esterno in continuo fin dall’inizio del processo di filtrazione, il ritentato potrebbe non avere ancora raggiunto la concentrazione attesa, pertanto è necessario che si abbia un “ritorno” del ritentato, ancora da concentrare, prima della sua fuoriuscita. La funzione di ricircolazione e di gestione delle frazioni di permeato e ritentato viene svolta da un loop, nel cui ambito possono essere alloggiati molteplici moduli. Per ottenere il massimo rendimento, il ritentato in fase di concentrazione transita più volte (per esempio 5 o anche 10) sulla superficie della membrana di ogni modulo, in modo da conseguire la ritenzione attesa. Le due principali morfologie di membrane utilizzate in ambito lattiero caseario sono quelle spiralate polimeriche e quelle ceramiche tubolari.
