Filtracja membranowa opiera się na wykorzystaniu membrany półprzepuszczalnej o porowatej strukturze, na której zachodzi separacja medium filtracyjnego (nadawy) na dwa strumienie – permeat oraz retentat. Siłą napędową procesu jest różnica ciśnień po obu stronach przegrody (membrany filtracyjnej). Przepływ medium przez membranę może odbywać się jednokierunkowo (tzw. dead end) lub krzyżowo (tzw. cross flow). W zależności od przeprowadzanego procesu produkcyjnego, wykorzystuje się różne procesy filtracji membranowej takie, jak np. mikrofiltracja przemysłowa, ultrafiltracja przemysłowa, nanofiltracja przemysłowa czy odwrócona osmoza.

Strumienie mediów występujące w procesie filtracji membranowej to:

• Nadawa – to główny strumień medium filtracyjnego, który zostaje poddany filtracji na membranach.
• Permeat – to strumień, który przedostał się na drugą stronę przegrody. Z tej cieczy zostały odseparowane niepożądane cząstki, większe niż dokładność filtracji membrany. Zazwyczaj permeat gromadzony jest w zbiornikach buforowych lub doprowadzany do dalszych etapów instalacji procesowej celem przeprowadzenia kolejnych procesów jednostkowych. Najczęściej ten strumień jest produktem końcowym procesu technologicznego.
• Retentat – to część nadawy, który stanowi zagęszczoną frakcję odfiltrowanych cząstek, które są większe niż dokładność filtracji membrany. Ten strumień jest recyrkulowany w instalacji i regularnie zasilany świeżym strumieniem nadawy. Dzięki temu ograniczana jest ilość zanieczyszczeń zbierających się na powierzchni membrany filtracyjnej, a tym samym wydłuża się jej czas pracy. Retentat to zazwyczaj strumień odpadowy procesu filtracji przemysłowej.

Po przeprowadzonym procesie filtracji membranowej wymagane jest wykonanie procesu regeneracji membran. Jednym ze sposobów realizacji tego procesu jest mycie specjalnymi środkami chemicznymi w określonych warunkach procesowych. Dzięki temu membrana odzyskuje swoje początkowe parametry pracy.

Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na:

• Mikrofiltrację przemysłową – w zakresie dokładności filtracji 0,1 – 10 um. Membrany mikrofiltracyjne przepuszczają jony oraz niejonowe związki chemiczne (niektóre witaminy i rozpuszczone białka), zatrzymują zaś koloidy, zawiesiny i bakterie. Mikrofiltracja przemysłowa znajduje zastosowanie przede wszystkim w klarowaniu napojów i piwa, w biotechnologii przy sterylizacji pożywek oraz wydzielaniu biomasy. Stosowana jest również jako filtracja sterylna mleka lub solanki.

• Ultrafiltrację przemysłową – w zakresie dokładności filtracji 0,01 – 0,1 um (10 – 100 nm). Membrany ultrafiltracyjne przepuszczają cząsteczki cukrów, soli, wody, a zatrzymują białka, niektóre wirusy i większe cząstki. Proces ultrafiltracji przemysłowej stosuje się w mleczarstwie (np. przy wydzielaniu białek z mleka i serwatki), przemyśle spożywczym (np. oczyszczanie soków owocowych, piwa, produkcja skrobii), jak również przy oczyszczaniu antybiotyków lub odzyskiwaniu barwników.
• Nanofiltrację przemysłową – w zakresie dokładności filtracji 0,001 – 0,01 um (1 – 10 nm). Membrany nanofiltracyjne pozwalają na praktycznie całkowite usunięcie zanieczyszczeń mikrobiologicznych. Nanofiltracja przemysłowa wykorzystywana jest do zagęszczania półproduktów biotechnologicznych, usuwania białek z serwatki, odsalania wody.

Każda z powyższych metod jest powszechnie stosowana w przemyśle spożywczym, biotechnologicznym czy chemicznym. Zaletą filtracji membranowej jest przede wszystkim szeroki zakres dostępnych skuteczności filtracji oraz możliwość skalowania procesu, a więc dostosowania rozmiaru poszczególnych modułów do skali produkcji.