Tendencias tecnológicas en el uso de la filtración por membrana

Se asigna una cantidad significativa de recursos a la investigación y el desarrollo de tecnología de filtración por membrana. Sin embargo, no está claro en qué medida los objetivos de investigación se alinean con la solución de las necesidades de la industria. Sepideh Jankhah, Ph.D, P.Eng. examina la historia, la evolución y las tendencias de I+D+i en este ámbito.

Desde 2001, cada año se ha destinado una cantidad importante de recursos a la investigación y el desarrollo (I+D) de la tecnología de filtración por membranas. Sin embargo, no está claro en qué medida los objetivos de investigación se alinean con la solución de las necesidades de la industria. Este artículo examina la historia y la evolución de las aplicaciones de la tecnología de filtración por membrana e investiga las tendencias de I+D en esta área en base a la literatura revisada por pares. Curiosamente, parece que las necesidades de la industria y la investigación están convergiendo a un ritmo similar, aunque la parte principal varía según el área de aplicación.

Historia de la filtración por membrana

La tecnología de filtración por membrana se utiliza ampliamente en diversas industrias: tratamiento de agua y aguas residuales, procesos de alimentos y bebidas, aplicaciones farmacéuticas y médicas, procesamiento químico y otras aplicaciones de purificación o separación industrial. La historia de la separación de membranas se remonta a principios del siglo XVIII, cuando se utilizó por primera vez la palabra ósmosis para describir la penetración del agua a través de un diafragma.

La tecnología de filtración ha evolucionado desde la ósmosis hasta la electrodiálisis, la filtración de gases y la destilación por membrana, contribuyendo a la invención y mejora de innumerables productos, procesos y aplicaciones industriales. La filtración por membrana ahora se usa comúnmente para concentrar jugos de frutas, eliminar contaminantes del agua y las aguas residuales y recolectar células para la producción de antibióticos.

La tecnología de filtración por membrana tiene varias ventajas sobre las tecnologías de separación convencionales (es decir, coagulación y sedimentación, filtración con arena, flotación con aire disuelto, etc.). Estas ventajas incluyen una mejor calidad del producto, una mayor capacidad de separación, un menor factor de riesgo, una huella más pequeña y, en general, un menor uso de productos químicos.

Se espera que la demanda mundial de membranas crezca un 8,5 % anual, alcanzando los $26 300 millones en 2019.2 Se prevé que solo el mercado estadounidense crezca un 7,9 % anual, alcanzando los $6200 millones en 2018. calidad de descarga de agua potable y aguas residuales, una reducción en el costo de producción y operación de membranas, y avances recientes en la tecnología de membranas.

Principales aplicaciones de membrana

El tratamiento de agua y aguas residuales representa más del 50 % del uso de membranas industriales, seguido de los procesos de alimentos y bebidas (21 %) y las aplicaciones farmacéuticas y médicas (9 %). Durante los próximos cinco años, se espera que las aplicaciones farmacéuticas y médicas sean los mercados de más rápido crecimiento. Esta tendencia está impulsada por el aumento de los estándares de pureza y la expansión de las aplicaciones médicas de esta tecnología. Se espera que el tratamiento de agua (incluida la desalinización) y el procesamiento de alimentos y bebidas mantengan un crecimiento constante.3

Las tendencias de los datos de I+D se derivaron de la cantidad de artículos de revistas revisados ​​por pares publicados entre 2001 y 2016 y ordenados por área de aplicación principal, extraídos de la base de datos de Engineering Village. Durante la última década, las tendencias observadas en la aplicación de la investigación se alinean estrechamente con las aplicaciones industriales. La I+D en agua y aguas residuales representa el 40 %, seguida de nuevo por alimentos y bebidas con un 34 %.

Para la industria, se ha puesto énfasis en el desarrollo de procesos de separación de gases y desalinización. Mientras tanto, I+D se ha centrado en ampliar los límites de la tecnología. Se han asignado recursos adicionales para realizar investigaciones sobre temas como la destilación por membrana, la ósmosis directa, la pervaporación, la electrodiálisis, los óxidos de grafeno y las membranas biomiméticas para agua y aguas residuales.

El uso de estas tecnologías se ha centrado en el desarrollo de nuevos productos o procesos de membrana, así como en la optimización de los productos y procesos de membrana existentes en términos de rendimiento y costos operativos/de capital asociados. Hay algunos avances en la tubería industrial, pero la mayoría aún se encuentran en las etapas preliminares de desarrollo y requieren investigación adicional antes de que prevalezcan en el mercado.

Clasificaciones de membranas

Las membranas se clasifican en cuatro categorías según la capacidad de separación: microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa/directa (RO/FO). Las membranas MF exhiben la distribución de tamaño de poro más grande (en la escala de micras), seguidas por las membranas de UF en el rango de submicras, hasta el tamaño de poro teórico de 0,001 micras de NF y, finalmente, las membranas de RO y FO no porosas.

Actualmente, las membranas MF representan la demanda mayoritaria en la industria (44%). RO/FO (28 %) y UF (25 %) tienen cuotas de mercado similares, dejando a las membranas NF con una pequeña fracción. Para 2019, se espera que el tamaño del mercado de los sistemas de OI alcance los 8800 millones de USD con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 10,5 %. Se espera que este crecimiento sea impulsado principalmente por las aplicaciones de desalinización de agua municipal, junto con el tratamiento y la reutilización del agua de proceso.7

Se observan tendencias similares entre la investigación y la industria en lo que respecta a la clasificación de membranas. Esto repite el mimetismo observado entre estos dos sectores en cuanto a la aplicación. Sin embargo, la prevalencia de la investigación de RO en comparación con la investigación de MF no refleja la participación ligeramente mayor de la industria para las membranas MF.

Esta discrepancia puede deberse a la gran cantidad de trabajo académico centrado en la modificación de superficies de membranas y ósmosis inversa de baja energía. La creciente necesidad de desalinización, reutilización del agua, eliminación de contaminantes emergentes y flujos de salida de alta pureza contribuyen a la urgencia de ampliar la investigación en las áreas de RO y FO.

Mientras tanto, MF y UF son las tecnologías más maduras en la industria de la filtración, con precios relativamente bajos en comparación con otros tipos de membranas. MF y UF se utilizan ampliamente como método de filtración primaria o como paso de pretratamiento para membranas con poros más finos.

Tecnología del futuro

Nuestra investigación indica que los objetivos de investigación (representados por la cantidad de literatura revisada por pares publicada) han seguido de cerca las demandas de la industria durante la última década. La industria se ha beneficiado de los desarrollos logrados por las iniciativas de investigación, y se espera que continúe la correlación positiva observada entre la industria y los objetivos de I+D a medida que enfrentamos nuevos desafíos. Esta simbiosis debería dar como resultado procesos más eficientes y nuevos productos o aplicaciones que aborden las deficiencias de las soluciones actuales de la industria.

Este estudio estuvo limitado en su análisis debido a la incertidumbre acerca de la información de investigación dentro de la industria, y puede estar sesgado debido a la brecha de tiempo entre la investigación realizada y la literatura revisada por pares publicada por las instituciones.

La sinergia entre el desarrollo de tecnología y la adopción de la industria es una vía intrigante para futuras investigaciones. Comprender esta sinergia nos permitiría predecir mejor cuándo o si el desarrollo de tecnologías basadas en modificaciones de la superficie de la membrana, ósmosis diseñada, óxidos de grafeno y membrana biomimética prevalecerán en el mercado.