Ultrafiltrazione e microfiltrazione: cut-off, pori e flusso

Quando l’obiettivo non sono gli ioni ma le macromolecole, le proteine, i colloidi e le particelle, entrano in gioco l’ultrafiltrazione e la microfiltrazione: membrane con veri pori, che separano per dimensione come un setaccio molecolare. Lavorano a pressioni basse e si descrivono con due grandezze diverse, il cut-off in Dalton e il diametro dei pori in micrometri.

Vediamo che cosa trattiene ciascuna, come si definisce il cut-off, perché il flusso di permeato è così alto e dove un fenomeno tipico dei colloidi cambia le carte in tavola.

Setacci a scale diverse

Ultrafiltrazione (UF) e microfiltrazione (MF) separano per esclusione dimensionale: la membrana lascia passare il solvente e le specie più piccole dei pori, trattenendo quelle più grandi. La differenza è la scala. La microfiltrazione ha pori dell’ordine di 0,1–10 µm e trattiene batteri, lieviti, particelle sospese ed emulsioni. L’ultrafiltrazione ha pori molto più stretti, dell’ordine dei nanometri, e trattiene macromolecole: proteine, polisaccaridi, virus, colloidi.

Il cut-off: due unità diverse

La «soglia» di una membrana si esprime in due modi a seconda della scala. La microfiltrazione si caratterizza con il diametro dei pori in micrometri, perché trattiene oggetti visibili al microscopio. L’ultrafiltrazione si caratterizza invece con il cut-off in Dalton (MWCO, Molecular Weight Cut-Off): la massa molare al di sopra della quale una macromolecola viene trattenuta per, convenzionalmente, almeno il 90%. I valori tipici di MWCO vanno da pochi kDa a qualche centinaio di kDa.

MWCO = massa molare trattenuta ≥ 90%  ·  MF: d_poro in µm, UF: MWCO in Da

Flusso alto, bassa pressione

Avendo veri pori e trattenendo specie grandi, UF e MF non devono vincere pressioni osmotiche significative: i soluti macromolecolari, essendo pochi in numero di moli, contribuiscono pochissimo alla pressione osmotica. Per questo lavorano a pressioni basse, tipicamente 0,5–5 bar, con flussi di permeato molto più alti di quelli dell’osmosi inversa. Il flusso, espresso in litri per metro quadro all’ora (L/m²·h, o LMH), è governato dalla pressione applicata e dalla resistenza idraulica della membrana e dello strato di materiale accumulato.

Un effetto colloidale che aumenta il flusso

C’è una sottigliezza che chi viene dalla pura idraulica non si aspetta. Quando una soluzione di polimero scorre in un poro le cui pareti non adsorbono il polimero, accanto alla parete si forma uno strato impoverito di catene (deplezione): lì la viscosità del liquido è più bassa di quella della soluzione di volume. Il risultato è un flusso maggiore di quanto prevederebbe la viscosità di volume. È un effetto reale, misurato, che conta nei pori stretti dell’ultrafiltrazione di soluzioni polimeriche e che spiega scostamenti altrimenti incomprensibili dalle stime idrauliche elementari.

Modalità di esercizio

Microfiltrazione e ultrafiltrazione si gestiscono in due modi. Nella filtrazione frontale (dead-end) tutto il liquido attraversa la membrana e i solidi si accumulano formando una torta: semplice, ma soggetta a intasamento rapido. Nella filtrazione tangenziale (cross-flow) l’alimentazione scorre parallela alla membrana e trascina via il materiale che tenderebbe a depositarsi: si mantiene un flusso più stabile nel tempo, al prezzo di una pompa di ricircolo. La scelta dipende dalla concentrazione di solidi e dalla durata desiderata del ciclo.

Perché conta nella pratica

Saper collocare microfiltrazione e ultrafiltrazione tra le tecniche a membrana significa scegliere quella giusta per chiarificare, concentrare proteine, sterilizzare a freddo o pretrattare un’acqua prima dell’osmosi inversa. Capire che si esprimono con unità diverse — micrometri o Dalton — evita errori di specifica, e conoscere effetti colloidali come la deplezione aiuta a interpretare flussi anomali e fenomeni di flocculazione che un approccio puramente meccanico non spiegherebbe.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra microfiltrazione e ultrafiltrazione?

È la scala dei pori e quindi ciò che trattengono. La microfiltrazione ha pori di 0,1–10 micrometri e ferma particelle sospese, batteri ed emulsioni. L’ultrafiltrazione ha pori nanometrici e trattiene macromolecole come proteine, virus e colloidi. La prima si specifica con il diametro dei pori, la seconda con un cut-off in Dalton.

Che cos’è il cut-off di una membrana?

È la massa molare, espressa in Dalton, al di sopra della quale una membrana di ultrafiltrazione trattiene convenzionalmente almeno il 90% di un soluto modello. Si indica come MWCO (Molecular Weight Cut-Off) e va da pochi kDa a qualche centinaio di kDa. È il modo pratico di caratterizzare la selettività dell’UF, dove parlare di diametro dei pori sarebbe poco maneggevole.

Perché ultrafiltrazione e microfiltrazione usano pressioni basse?

Perché trattengono specie grandi e poco numerose in moli, che contribuiscono pochissimo alla pressione osmotica: non c’è una grande barriera termodinamica da vincere come nell’osmosi inversa. Bastano quindi 0,5–5 bar per ottenere flussi di permeato elevati, governati soprattutto dalla resistenza idraulica della membrana e dello strato di materiale che vi si deposita.

Che cosa significa filtrazione tangenziale?

Nella filtrazione tangenziale (cross-flow) l’alimentazione scorre parallela alla superficie della membrana invece di attraversarla tutta. Il flusso parallelo trascina via il materiale che tenderebbe ad accumularsi, mantenendo il flusso di permeato più stabile nel tempo. Si contrappone alla filtrazione frontale (dead-end), più semplice ma soggetta a intasamento rapido per formazione della torta.

Perché una soluzione polimerica può scorrere più veloce del previsto in un poro?

Perché vicino a una parete che non adsorba il polimero si forma uno strato impoverito di catene, dove la viscosità del liquido è più bassa di quella della soluzione di volume. Questo strato a bassa viscosità funge da «lubrificante» e fa scorrere il liquido più rapidamente di quanto prevederebbe la viscosità di volume. È un effetto colloidale reale, rilevante nei pori stretti dell’ultrafiltrazione.