L’operazione unitaria di filtrazione con membrane può essere considerata una tecnologia non convenzionale con applicazioni alimentari in parte consolidate e in parte emergenti, con un effetto significativo su diversi processi dell’industria alimentare come, per esempio, la separazione o la purificazione, rappresentando uno strumento essenziale per migliorane l’efficienza, la qualità e la sostenibilità sia economica che ambientale delle produzioni.
Andrea Bassani – GSICA – Gruppo Scientifico di Confezionamento Alimentare; DiSTAS – Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari per una filiera agro-alimentare Sostenibile, Università Cattolica del Sacro Cuore, Piacenza.
Le prime applicazioni industriali delle membrane sintetiche, attorno agli anni ’60, erano state pensate e sviluppate per il trattamento delle acque reflue, ma con un rapido sviluppo, le membrane hanno trovato applicazioni pratiche anche nell’industria lattiero-casearia (prima grande area di applicazione alimentare), nei settori del vino, della birra, dei succhi di frutta fino alle ultime e innovative applicazioni per alimenti funzionali e per lo sviluppo di imballaggi alimentari intelligenti.
Caratteristiche e principi di funzionamento
I processi a membrana si basano sua una separazione selettiva, ottenuta facendo passare un fluido, tramite una forza motrice, attraverso una membrana dotata di pori di dimensioni controllate. Le sostanze che passano attraverso la membrana vengono definite permeato, mentre le altre che vengono trattenute costituiscono il retentato. Questo processo è maggiormente selettivo rispetto ai filtri convenzionali che, pur similari alle membrane, sono limitati nella separazione di sospensioni particellari superiori ai 10 µm circa.
I processi a membrana possono essere suddivisi in due categorie a seconda della forza motrice che rende possibile il trasporto del fluido e delle specie presenti in soluzione, ovvero il gradiente di pressione o il campo elettrico. Per quanto riguarda la prima categoria le membrane utilizzate possono essere ulteriormente suddivise in funzione della dimensione dei loro pori e della pressione a cui operano. In particolare, possiamo avere membrane (Figura 1) per:
- Microfiltrazione (MF): Tali membrane sono utilizzate per la separazione di impurità (particelle in sospensione, virus, spore e batteri) con una dimensione compresa tra 0,1 e 10 µm, applicando una pressione relativamente bassa (< 2 bar). La MF è molto usata nella chiarifica di latte, vino, birra e succhi.
- Ultrafiltrazione (UF): Queste membrane, con dimensioni dei pori 1-100 nm, permettono il passaggio di microsoluti e sono impiegate per trattenere proteine, polisaccaridi e colloidi, lasciando passare sali e zuccheri, utilizzando una pressione idrostatica compresa tra 1 e 10 bar.
- Nanofiltrazione (NF): Queste membrane presentano una selettività verso soluti non carichi con un cutoff di circa 1 nm ed opera ad una pressione fino a 50 bar. Tali membrane trattengono si ioni bivalenti, zuccheri complessi e piccole molecole organiche e consente la parziale demineralizzazione, utile ad esempio nel trattamento del siero di latte. È importante sottolineare che le membrane NF presentano problemi di controllo della riproducibilità della dimensione dei pori della membrana e della distribuzione delle dimensioni dei pori.
- Osmosi inversa (RO): Queste membrane presentano una dimensione dei pori attorno agli 0.1 nm, lavorando a una pressione operativa di 70-150 bar. Fondamentalmente, l’acqua è l’unica sostanza che può penetrarle, mentre tutte le altre sostanze non saranno in grado di passarvi attraverso. La RO può essere utilizzata per la dissalazione a scopo potabile e per la depurazione di acqua a scopo industriale e farmaceutico.
