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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS Servem tanto para separação como para concentração Se aplicam a moléculas e a partículas finas Os seguintes processos,

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2 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS Servem tanto para separação como para concentração Se aplicam a moléculas e a partículas finas Os seguintes processos, operados por pressão, podem ser empregados para separar componentes de meios fermentados:- Microfiltração - Ultrafiltração - Osmose inversa - Diafiltração

3 Algumas vantagens destes processos são: Emprego de moderadas ou mesmo baixas temperaturas Baixo efeito químico e mecânico prejudiciais Não envolvem mudança de fase Boa seletividade, em muitos casos Concentração e purificação pode ser alcançada em uma etapa Fácil ampliação de escala e flexibilidade

4 Processo mais próximo da filtração convencional Indicado para retenção de materiais em suspensão e emulsão Pressão de força motriz é da ordem de 3 bar O solvente e todo material solúvel permeiam a membrana Apenas material em suspensão é retido Principais aplicações: esterilização de líquidos e gases, purificação de fluidos 1. Microfiltração (MF)

5 2. Ultrafiltração (UF) Membranas com poros menores que da MF Serve para purificar e fracionar soluções contendo macromoléculas Pressão de força motriz de 2 a 10 bar As membranas apresentam distribuição de tamanho de poro, logo, são caracterizadas por uma curva de retenção nominal Pequenos solutos podem passar pela membrana, mas macrossolutos e colóides são retidos Nanofiltração (NF): para solutos menores que UF

6 B = 15 kD

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8 Osmose

9 3. Osmose inversa (OI) Usa membranas permeáveis à água mas não aos sais inorgânicos e pequenas moléculas orgânicas Membranas de poros menores que UF, necessitando maiores pressões. Alta pressão faz a água atravessar a membrana no sentido da solução mais concentrada para a menos concentrada Outros solventes podem atravessar a membrana semipermeável (ex. álcool)

10 4. Diafiltração (DI) Membranas possuem características de MF e de UF Processo separa mistura de solutos com base, sobretudo, no tamanho molecular Usada para purificar um determinado soluto numa solução onde os contaminantes têm diâmetro menor que o soluto de interesse Para solutos iônicos, usa-se a eletrodiafiltração

11 Filtração tangencial (FT) A solução ou suspensão escoa paralelamente à superfície da membrana, enquanto o permeado é transportado transversalmente à esta As membranas possuem poros maiores que UF Macrossolutos passam pela membrana Solvente e soluto(s) passam pela membrana por convecção através dos poros Processo também emprega pressão

12 Características de algumas membranas de acordo com o processo de filtração ProcessoPorosidade (%) Tamanho do poro Pressão (kPa) Vazão (L/m 2.h) OI--700 a UF1-100,1-20 nm 100 a FT30-700,1-1,0 m 100 a DI10-200,3-3,0 nm --

13 Tipos de membranas

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16 Filtração tangencial

17 Tipos de sistemas de filtração tangencial

18 Filtro tipo cartucho espiral. Membrana Macrossolutos retidos Separador de membrana Solventes e Microssolutos Retido Alimentação Permeado

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20 Equacionamento para FT Microfiltração na qual o meio escoa tangencialmente à superfície do material filtrante Seu desempenho é caracterizado por duas variáveis: fluxo de filtrado e coeficiente de retenção de sólidos em suspensão ou solutos. O fluxo de filtrado (J) varia de 50 a 100 L/h.m 2 e é definido por: J = Q f / A onde: Q f é a vazão de filtrado (L/h) A é a área da membrana (m 2 ) O coeficiente de retenção (R) é definido pela equação: R = 1 – (C f / C r ) onde: C f é a conc. de solutos ou sólidos no filtrado C r é a conc. de sólidos ou soluto no retido

21 Tais parâmetros são influenciados por: Concentração de polarização, que é um gradiente de concentração próximo à membrana Solução: alteração da velocidade tangencial, da pressão ou do pH. Fouling, que é o bloqueio ou estreitamento dos poros pelos solutos ou sólidos (sujamento) Para minimizar estes efeitos: usar velocidade de escoamento entre 0,2 e 0,5 m/s (filtro placa) ou 2 e 5 m/s (filtro tubular) e pressão transmembrana (PTM) entre 100 e 500 kPa.

22 A velocidade de escoamento (v e ) é dada por: v e = a / A t onde: a é a vazão de alimentação de meio (m 3 /h) A t é a área da seção transversal do canal de escoamento (m 2 ) A pressão transmembrana (PTM) é dada por: onde: P a é a pressão de alimentação (N/m 2 ) P r é a pressão do retido (N/m 2 ) P f é a pressão do filtrado (N/m 2 ) PTM = (P a + P r ) - P f 2

23 Onde é a viscosidade do fluido de alimentação R m é a resistência da membrana R cp é a resistência devido à conc. de polarização R f é a resistência devido ao fouling Os dois fenômenos citados mais a resistência da própria membrana de filtração aumentam a resistência à passagem do fluxo de filtrado, sendo este, portanto, representado por: J = PTM µ (R m + R cp + R f )

24 Considerações finais As variáveis de um processo de filtração são as mesmas em qualquer escala. Definindo-se em laboratório a velocidade tangencial de alimentação, a pressão de transmembrana e a capacidade de filtração (J), faz-se a ampliação de escala em função do volume a ser processado.

25 Este processo é usado para dessalinizar soluções aquosas. Usando membranas de alta performance, é possível hoje remover mais de 99% de todos os sais de uma solução aquosa. Sistemas de Osmose Reversa Dulcosmose®


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