Membranska tehnologija obuhvata sve inženjerske mjere i metode za transport materijala između dvije frakcije, uz pomoć propusnih membrana. To obično znači postupke mehaničkog odvajanja tokova plinovitog ili tečnog materijala, korištenjem tehničkih membrana.
Membranski sistemi za odvajanje mogu se graditi modulski, tako da se mogu postupno prilagoditi opsegu problema razdvajanja. Međutim, budući da se ukupni napor povećava proporcionalno veličini sistema, u većini membranskih procesa postoji kritična vrijednost iznad koje su klasični procesi odvajanja – ako su primjenjivi za dati problem – ekonomičniji.
Primjena thumb|300px|Ultrafiltracija u otvorenom bazenu thumb|300px|Skema Vensko-arterijske opreme ECMO za novorođenče Posebna prednost procesa membranskog odvajanja je u tome što može izvesti bez zagrijavanja i stoga su obično energetski isplativiji od uobičajenih procesa termičkog odvajanja (destilacija, sublimacija ili kristalizacija). Ovaj proces razdvajanja je čisto mehanički i njegove odvajanje omogućuje upotrebu oba frakcije (permeata i retentata), tj. filtrata i propuštene supstance. Zbog toga je odvajanje pomoću hladnih membranskih procesa postalo posebno popularno u prehrambenoj tehnologiji , biotehnologiji i farmaciji. Nadalje, razdvajanje se može postići uz pomoć membrana koje termičkim procesima nije moguće, naprimjer zato što azeotropne ili izomorfne kristalizacije onemogućuju razdvajanje destilacijom ili prekristalizacijom . Ovisno o tipu membrane koja se koristi, moguće je selektivno razdvajanje pojedinih tvari ili određenih mješavina tvari. Važne tehničke primjene su proizvodnja vode za piće putem reverzne osmoze (oko 7 miliona kubnih metara godišnje širom svijeta), filtracija u prehrambenoj industriji , iskorištavanje organskih para, naprimjer benzinske pare i elektroliza za proizvodnju hlora. Ali membranska tehnologija takođe postaje sve važnija u pročišćavanju otpadnih voda. Uz pomoć UF i MF (ultra –/mikrofiltracije) moguće je ukloniti čestice, koloide i makromolekule, kako bi se otpadne vode mogle dezinficirati na ovaj način. To je neophodno ako će se otpadne vode ispuštati u posebno osjetljive prihvatne vode ili jezera za kupanje .Munir Cheryan, Handbuch Ultrafiltration, Behr, 1990, Otprilike polovina tržišta ima upotrebu u medicini.Pimjenjuje se, naprimjer, kao vještački bubreg za uklanjanje otrovnih tvari, pranjem krvi i kao umjetna pluća opskrbom krvi kisikom bez mjehurića . Membrane se takođe sve češće koriste u modernim tehnologijama proizvodnje energije, naprimjer u gorivim ćelijama i u osmotskim elektranama .
Transport mase Razlikuju se dva osnovna modela za transport mase na membrani: model rastvor –difuzija i hidrodinamički model . U stvarnim membranama ova dva transportna mehanizma mogu se sigurno pojaviti jedan pored drugog, posebno kod ultrafiltracije.
Model rastvor – difuzija Transport se odvija difuzijom, za što se komponenta koja se prenosi mora prvo rastvoriti u membrani. Ovaj princip prevladava u gustim membranama bez stvarnih pora , poput onih koje se koriste u reverznoj osmozi i odvajanju plinova. Tokom procesa filtracije na membrani se stvara granični sloj . Ovaj gradijent koncentracije uzrokuju molekule koje ne mogu proći kroz membranu. Taj se efekt naziva koncentrirana polarizacija ; ako se dogodi da za vrijeme filtracije, transmembranski protok je smanjen. Polarizacija koncentracije je u osnovi reverzibilna – ako se membrana opere, izvorni tok se gotovo može obnoviti. Primjena poprečnog protoka na membranu (tangentno filtriranje protoka ) također minimizira polarizaciju koncentracije.
Hidrodinamični model Transport kroz pore – u najjednostavnijem slučaju transport je čisto konvektivan . Zbog toga veličina pora mora biti manja od promjera komponenata koje se odvajaju. Membrane koje djeluju prema ovom principu uglavnom se koriste u mikro– i ultrafiltraciji; uglavnom se koriste za odvajanje makromolekula od rastvora , koloida od disperzije ili bakterija. Čestice ili molekule koji ne prolaze koncentriraju se na membrani u manje ili više kašastoj masi (filtratni kolač, filtracijski kolač). Ako filtraciju ometa začepljenje membrane, može pomoći takozvani metod unakrsnog protoka (tangentna protočna filtracija ). Tečnost koja se filtrira teče duž prednjeg dijela membrane i razgrađuje se na frakcije retentat (koncentrat koji odlazi) i permeat (filtrat) zbog razlike u pritisku između njegovog prednjeg i stražnjeg dijela . To stvara osmotski stres koji ozbiljno ograničava stvaranje filtratskog kolača (stvaranje gornjeg sloja ili obrastanje ).Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Microfiltration and Ultrafitration, Principles and Applications., New York: Marcel Dekker, Inc,1996.Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1996.
Membranske geometrije i njihova proizvodnja thumb|250px|Shematski prikaz transporta materijala kroz modul za navijanje thumb|250px|Skica koja objašnjava postupak mokre pređe šupljevlaknastih membrana thumb|250px|Proces prolaska kroz membranu 250px|thumb|Model slijepog kraja Koriste se različite geometrijjake konstrukcije membranskih filtera, ovisno o primjeni. Klasični oblik je ravna membrana. To su porozne folije izrađene od polimernih ili keramičkih diskova koje su presane ili lijevane. Pored toga, membrana šupljeg vlakna nalik kapilarima koristi se vrlo često, jer se ugrađuje u dijalizator, naprimjer . Uglavnom se proizvode mokrim postupkom predenja . One imaju princip protoka (‚‘Cross-Flow‘- protok), njima se sve češće stvaraju slijepi putevi. Važni su moduli za namotavanje, koji se često koriste u reverznoj osmozi ili nanofiltraciji. To su dva ravna membranska sloja, koji su međusobno odvojeni tkaninom i spiralno su namotana. Tu su i višekanalni elementi – ekstrudirani, keramički cilindri (ili ploče) – koji prolaze kroz unutrašnje presvučene kanale. U takozvanoj kompozitnoj membrani, aktivni membranski sloj nanosi se na porozni nosivi sloj (npr. MF-membrana). Debljina aktivnog sloja tako se može smanjiti, dok mehanička stabilnost ostaje ista. Da bi se postigla veća efikasnost razdvajanja na filterima, oni su opremljeni fino porezanim membranskim slojem. Kod polimernih sistema za to se često koristi premaz silikonom, a kod keramičkih sistema sol–gel postupak . Ostali proizvodni postupci su međufazna kondenzacija (aromatski poliamid na nosaču) ili nuklearno nagrizanje staza (bombardiranje tankih filmova od polikarbonata teškim česticama iz akceleratora).
Polimerne membrane Većina komercijalnih membrana izrađena je od polimera. [Ovdje se koristi veliki broj različitih plastika, a ovisno o području primjene, pred njima se postavljaju vrlo različiti zahtjevi. Dva najčešća oblika su zavojne membrane i šuplja vlakna. Ekstrudiranjem vrlo tankih slojeva polimera moguće je napraviti vrlo tanke slojeve (10 mikrometara). Naknadnom primjenom hemijski različito dizajniranih polimera i ponavljanjem postupka mogu se dobiti različiti izmjenični polimerni slojevi.
Koristeći određene metode, sada se u polimernom sloju mogu napraviti vrlo male mikropukotine, a sloj ostaje naprimjer neprohodan za bakterije. Takvi polimeri se mogu koristiti za membrane za mikrofiltraciju.
Lipofilne polimerne membrane mogu omogućiti prolaz nekih plinova ili organskih tvari, ali su neprohodne za vodu i vodene otopine. Takvi se polimeri koriste, naprimjer, u vodoodbojnoj kišnoj odjeći, u medicinskim uređajima ili u primijenjenim lijekovima.Van Reis R., Zydney A. Bioprocess membrane technology. J Mem Sci. 297(2007): 16-50. Umjesto mikropora u polimernim slojevima, ionske skupine u polimeru također mogu spriječiti prolazak iona kroz membranu. Takve se membrane koriste, naprimjer, u elektrodijalizi.
Ostale membrane su propusne samo za vodu i određene plinove. Takve se membrane mogu koristiti za desalinizaciju morske vode ili za odvajanje kisika iz zraka (odvajanje plinova).Jornitz, Maik W., Sterile Filtration, Springer, Germany, 2006
Keramičke membrane Pored jednostavnih odljevaka, koriste se uglavnom višekanalni elementi. Ovi ekstrudirani elementi uglavnom se upotrebljavaju u područjima koja postavljaju visoke hemijske ili toplotne zahtjeve za filter. Međutim, keramičke membrane sve više pronalaze svoj put do filtracije vode, jer njihov dugi vijek i niži proizvodni troškovi čine njihovu upotrebu sve ekonomičnijom.
Često korišteni membranski materijali Često se koriste: polisulfoni, polietersulfonska (PES) celuloza , ester celuloze (celulozni acetat, celulozni nitrat), regenerirana celuloza (RC), silikoni , poliamidi ("najlon", tačnije: PA 6, PA 6.6, PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12), poliamidni imid, poliamid-urea, polikarbonat, keramika, nehrđajući čelik, srebro, silicijum, zeoliti (alumosilikati), poliakrilonitril (PAN), polietilen (PE), polipropilen (PP), politetrafluoroetilen (PTFE), poliviniliden-fluorid (PVDF), polivinil-hlorid (PVC), polipiperazinski amid. Kombinacije ovih materijala koriste se za proizvodnju tankoslojnih membrana (‚‘TF“), često od nosivog sloja (npr. celulozni acetat ) i presvlake (npr. poliamida). Izbor materijala ovisi o zadatku razdvajanja ili koncentracije i željenoj brzini protoka po površini membrane i satu [l/(m² · h · bar)], kao i potrebnom prinosu ili maksimalnom gubitku. Rastvarač koji se koristi također utiče na performanse razdvajanja membrane. Hidrofilne membrane teže odbijanju od hidrofobnih supstanci i obrnuto. Međutim, hidrofilne membrane usporavaju polarne sastojke u membrani, tim više što je veći transmembranski pritisak (srednji pritisak na cijeloj površini membrane duž protoka materijala). (Ne)polarni rastvarači ispiraju (ne)polarne supstance iz membrane.
Obložene membrane nude nove mogućnosti primjene za membransku filtraciju, npr. membranska hromatografija . Membrane su presvučene kemijski (npr. Ostacima C18, C8, n- heksana ili sulfonske kiseline). Kao rezultat promijenjena hemija membrane namjerava kombinirati membrane sa svojstvima kolona iz hromatografije.Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson M.E., Belyea R.L. Rausch K.D. Membrane separation of solids from corn processing streams. Biores Tech. 97(2006): 1536-1545.Ripperger S., Schulz G. Microporous membranes in biotechnical applications. Bioprocess Eng. 1(1986): 43-49.
Princip razdvajanja Razlikuju se postupci odvajanja membrane, prema pogonskoj sili na kojoj se odvajanje temelji.
Procesi vođeni pritiskom thumb|700px|center| Pregled različitih procesa membranske filtracije pod pritiskom thumb|700px|center| Granice razdvajanja različitih tehnika filtracije tečnosti 1. Mikrofiltracija Hladna sterilizacija Dezinfekcija voćnih sokova , vina i piva Proizvodnja pročišćene vode Razdvajanje koloidnih oksida ili hidroksida Odvajanje emulzija ulje-voda Odvod laticeta Pročišćavanje otpadnih voda Biotehnologija (prinos ćelija ) 2. Ultrafiltracija Odvajanje proteina (npr. od mlijeka) Hladna sterilizacija u farmaciji (proizvodnja antibiotika) Upotreba metala i tretman otpadnih voda u metalurgiji Liječenje hranom (proizvodnja "PRO-CAL" mliječnog proizvoda koji sadrži malo masti, ali puno proteina i kalcijuma) Odvajanje čestica, mikroorganizama i taloga tokom obrade vode od izvorske vode ili površinske vode Membranski reaktor Reaktor za aktivaciju membrane (MBR).Thomas Melin, Robert Rautenbach, Membranverfahren, Springer, Germany, 2007,
1. Nanofiltracija Tretman vode za piće 2. Hiperfiltracija = reverzna osmoza Vode za desalinizaciju ( dobivanje pitke vode iz morske vode ili slana voda ) Koncentracija sokova ili mlijeka Proizvodnja ultra čiste vode Sužavanje u velikim procesima Diafiltracija je poseban oblik procesa pod pritiskom .
Procesi vođeni koncentracijom Odvajanje plina Pervaporacija Dijaliza Selektivna odvajanja sa tečnim membranama Vještačka pluća
Termički pokretani procesi Membranska destilacija Termo-osmoza (termička difuzija kroz membrane)
Procesi na električni pogon Elektrodijaliza (vidi dijalizu (hemija) Elektrodejonizacija Kloralkalijska elektroliza