Ces systèmes utilisent des faisceaux de membranes polymères à fibres creuses pour séparer les gaz. Lorsque l'air comprimé entre dans le module, les molécules à perméation plus rapide (O₂, CO₂, H₂O) diffusent à travers les parois de la membrane, tandis que l'azote (pureté de 95 à 99,5 %) sort par le cœur. Le processus ne nécessite aucune pièce mobile ni consommable, ce qui le rend idéal pour les opérations à distance.
Bien qu'offrant simplicité et faible maintenance, les membranes présentent des compromis :
Les configurations hybrides sont de plus en plus populaires. Par exemple :