Sistem ini menggunakan bundel membran polimer serat berongga untuk memisahkan gas. Ketika udara terkompresi memasuki modul, molekul yang lebih cepat meresap (O₂, CO₂, H₂O) berdifusi melalui dinding membran, sementara nitrogen (kemurnian 95-99,5%) keluar melalui intinya. Proses ini tidak memerlukan bagian yang bergerak atau bahan habis pakai, sehingga ideal untuk operasi jarak jauh.
Meskipun menawarkan kesederhanaan dan perawatan yang rendah, membran memiliki trade-off:
Konfigurasi hibrida semakin populer. Misalnya: