Por Venkateswarlu Sunkesula, Ph.D., Gunvantsinh Rathod, Ph.D.
La tecnología de filtración por membrana ha revolucionado la industria alimentaria y láctea al proporcionar soluciones prácticas, sostenibles y de óptimo costo, permitiendo la producción de alimentos lácteos mínimamente procesados, nuevos ingredientes lácteos y la recuperación de componentes bioactivos. En el proceso de filtración por membrana, los componentes se separan según el tamaño molecular y la permeabilidad a través de una membrana semipermeable con un tamaño de poro específico. Según la permeabilidad selectiva de las membranas, el proceso de filtración por membrana se clasifica en cuatro categorías, a saber: microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF) y ósmosis inversa (RO).
Aplicaciones de la tecnología de membrana en la industria alimentaria
En el procesamiento de productos lácteos, la filtración por membrana ha transformado la fabricación de productos e ingredientes lácteos, en particular a partir de leche y suero de leche. La MF regular (tamaño de poro de 1 μm) elimina las bacterias en varios flujos de productos lácteos para prolongar la vida útil. Mientras que la MF con un tamaño de poro más pequeño (~0.14-0.2 μm) fracciona la caseína micelar de la leche descremada. La UF se utiliza para concentrar las proteínas de la leche y separar la lactosa y los minerales. La NF ayuda a la reducción parcial de minerales y a concentrar sólidos para producir productos lácteos con alto contenido de proteínas, como concentrados y aislados de proteína de leche. La combinación de MF, UF y NF ayuda a ajustar la proporción de caseína a proteína de suero y a reducir el contenido mineral de la leche para imitar la composición de la leche humana para la fabricación de leche de fórmula infantil. La combinación de MF y UF se utiliza para separar y concentrar la membrana del glóbulo de grasa de la leche y los fosfolípidos de la leche, el suero de leche y el suero de mantequilla, para utilizarlos como suplemento dietético.
La MF y la UF se utilizan ampliamente en la industria de bebidas para clarificar y esterilizar zumos de frutas, cerveza y vino. La RO se utiliza para concentrar zumos y purificar agua. La UF se utiliza ampliamente en la industria cervecera para eliminar impurezas particuladas como levaduras, sólidos en suspensión y polifenoles seleccionados sin afectar el sabor. Las industrias de la carne y las aves de corral utilizan ampliamente una combinación de MF-RO y UF-RO para reciclar las aguas residuales con el fin de reducir la materia orgánica para limitar la demanda biológica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO) y para recuperar proteínas y péptidos valiosos de los subproductos, contribuyendo a la sostenibilidad y reduciendo los residuos. Las industrias del azúcar y los edulcorantes utilizan la UF para la clarificación (que reduce el tiempo de operación y limita el uso de agentes de clarificación) y la NF para la concentración de azúcar de fruta de los zumos de frutas, lo que mejora la producción de edulcorantes de alta pureza como el jarabe de maíz de alta fructosa y el jarabe de glucosa. Una combinación de UF y NF decolora, desala y purifica el azúcar de caña y otros edulcorantes. Con la creciente demanda de alimentos de origen vegetal, la filtración por membrana, como la UF y la RO, se utiliza para la extracción, concentración y purificación de proteínas de fuentes como la soja, el guisante y la almendra. Mejora la textura, el sabor y el contenido nutricional de los productos de origen vegetal debido al procesamiento por membrana a baja temperatura en comparación con el procesamiento tradicional. En general, el procesamiento por membrana es ventajoso si se considera la separación a baja temperatura y el efecto mínimo en la calidad nutricional y funcional de los componentes. Sin embargo, los desafíos asociados con la tecnología de membrana, como el ensuciamiento de la membrana, la reducción de la tasa de flujo y el alto consumo de energía, siguen siendo oportunidades para mejorar el rendimiento general del procesamiento de la membrana.
Avances recientes en la tecnología de membranas
El desarrollo de polímeros (como nanocompuestos de polímeros, compuestos de película delgada modificados, polisulfona y poliéter sulfona), y el avance en la escala de producción y la tecnología de membranas ayudan a desarrollar membranas más delgadas con una distribución de tamaño de poro reducida. Las membranas modernas con tecnologías de detección inteligente se adaptan a las variaciones en las condiciones de procesamiento de alimentos, como la presión, la temperatura y los niveles de contaminación, y mejoran el rendimiento de la separación ajustando el tamaño de sus poros. Los nanomateriales como el óxido de grafeno y los nanotubos de carbono se han integrado en las estructuras de las membranas para mejorar la durabilidad, la resistencia al ensuciamiento y la selectividad. Las innovaciones recientes también incluyen recubrimientos de membrana bioinspirados y autolimpiantes (como el óxido de titanio, los polifenoles-ácido tánico) que previenen la acumulación de biopelículas, proteínas y otros contaminantes. Los avances recientes también se centran en los sistemas de filtración de baja energía para reducir el consumo de agua y energía. El desarrollo de la ósmosis directa (FO) y la filtración por membrana accionada eléctricamente ha proporcionado métodos alternativos que mejoran la sostenibilidad al tiempo que mantienen un alto rendimiento de filtración. La combinación de la filtración por membrana (UF/RO) con otras técnicas, como la evaporación, ayuda a aprovechar la limitación de la concentración del retentado, evitando el ensuciamiento y los mayores requisitos de energía para las bombas sin comprometer la calidad final del producto y la economía.
Perspectivas futuras de la tecnología de membranas
Desde productos lácteos y bebidas hasta proteínas de origen vegetal y refinación de azúcar, la filtración por membrana sigue siendo una herramienta indispensable en la fabricación moderna de alimentos. A medida que avanza la innovación, estas tecnologías afrontarán los desafíos mundiales de la producción de alimentos y garantizarán la disponibilidad de productos alimenticios seguros, nutritivos y de alta calidad con mejor sostenibilidad.
Referencias:
- Osman, A. I., Chen, Z., Elgarahy, A. M., Farghali, M., Mohamed, I. M., Priya, A. K., Hawash, H.B. & Yap, P. S. (2024). Membrane technology for energy saving: principles, techniques, applications, challenges, and prospects. Advanced Energy and Sustainability Research, 5(5), 2400011.
- Ayed, L., M'hir, S., & Asses, N. (2023). Sustainable whey processing techniques: Innovations in derivative and beverage production. Food Bioscience, 53, 102642.
- Petukhov, D. I., & Johnson, D. J. (2024). Membrane modification with carbon nanomaterials for fouling mitigation: A review. Advances in Colloid and Interface Science, 103140.
- Charcosset, C. (2021). Classical and recent applications of membrane processes in the food industry. Food Engineering Reviews, 13(2), 322-343.
Venkateswarlu (Venkat) Sunkesula, Ph.D., lidera el departamento de investigación y desarrollo como vicepresidente de Investigación y Desarrollo en Idaho Milk Products, Jerome, Idaho. Obtuvo su doctorado en Fabricación de Productos Lácteos en la South Dakota State University y cuenta con más de 20 años de amplia experiencia en las industrias láctea y alimentaria.
Gunvantsinh Rathod, Ph.D., trabaja como científico principal asociado de I+D en Idaho Milk Products, Jerome, Idaho. Obtuvo su doctorado en Ciencia de los Alimentos en la Kansas State University. Tiene más de 10 años de experiencia en el procesamiento e investigación de productos lácteos.
