Engenharia Bioquímica I Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Industrial Engenharia Bioquímica I Prof. Júlio César dos Santos

Filtros fibrosos e de membrana Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Industrial Esterilização do ar Filtros fibrosos e de membrana

Filtros fibrosos Lã de vidro: poros são maiores que as fibras, as quais têm diâmetro médio da ordem de 3-19 μm Esterilização em profundidade (as partículas são retidas ao logo de toda a altura da camada filtrante): não é só retenção mecânica (impacto direto)

Filtros fibrosos

Filtros fibrosos Recipiente de inox de 2 a 3 metros de altura e de 1 a 1,5 m de diâmetro A camada filtrante ocupa a parte central do conjunto apresentando dimensões variáveis, que depende de fatores como : vazão de ar e diâmetro do recipiente, compactação da camada filtrante (massa de fibras no volume da filtração), diâmetro da fibra e eficiência de retenção desejada

Filtros fibrosos A eficiência da coleta de contaminantes depende da velocidade de passagem do ar e, portanto, depende da vazão do ar e do diâmetro do recipiente Espessuras (altura) da ordem de 1,3 a 1,8 m -A lã é sustentada por grade de ferro e comprimida por uma segunda grade, colocada na parte superior

Filtros fibrosos empacotamento da lã de vidro deve ser feito com cuidado para evitar a formação de zonas mortas ou caminhos preferenciais Cuidado especial com o empacotamento das regiões próximas à parede (zonas periféricas) Trabalha-se com camadas filtrantes compactadas e, por isso, de menor espessura.

Filtros fibrosos Caso camadas espessas sejam necessárias, colocam-se grades adicionais. Pode-se utilizar lã de vidro embebida em resinas e compactada em mantas de pequena espessura -Quando se usam filtros de lã de vidro, trabalha-se em temperaturas superiores a ambiente, para evitar condensação da água. Camadas umedecidas têm menor eficiência

Filtros fibrosos O ar aquecido por compressão é resfriado a cerca de 40-50°C Pode-se também usar resistores para aquecer o ar. Esses resistores podem também ser empregados para a esterilização do filtro por calor seco

Filtros fibrosos Esterilização do filtro : vapor saturado a 1 kgf/cm² por 2 h ou 3 kgf/cm² por 1 h. Após o processo, passa-se ar quente para secar o leito fibroso Vapor pode : compactar a camada filtrante deteriorar a lã, resultando em fibras opacas e quebradiças, havendo um nítido aumento da perda de carga e diminuição da eficiência de coleta da camada filtrante e arraste de pequenos pedaços de fibras, juntamente com a corrente de ar

Filtros fibrosos Leito filtrante precisa ser trocado periodicamente (a cada 4 meses, quando se executa uma esterilização do filtro por semana)

Filtros fibrosos Dimensionamento de filtros fibrosos - Richards (1967): descrição simples para ilustrar o princípio básico do filtro, facilitando o dimensionamento: se uma partícula entra em contato com o filtro, ela permanece acoplada. Concentração uniforme de partículas ao longo da espessura do filtro. Logo, cada camada reduz a população em uma mesma proporção dN / dx = - k N N : número de partículas do ar X : Espessura do filtro K : Constante de eficiência da coleta - A constante k, desde que fixadas as características do leito filtrante e do aerosol considerado, dependente apenas da velocidade do ar

Filtros fibrosos Define se X90 como espessura do filtro necessária para remover 90% do total de partículas que nele entram

Filtros fibrosos Exemplo Deseja-se fornecer uma vazão de ar de 10 m³/min a um fermentador de 20 m³. O tempo de fermentação será de 100 h. Sabendo-se que, para o material usado, a velocidade linear ótima do ar foi de 0,5 m/s e k = 1,535 cm-1, calcular o valor de X90 e as dimensões do filtro. Dados : No = 200 micro-organismos/m³; grau aceitável de contaminação para esta fermentação : 1 em 1000. a) calcule x, raio e diâmetro b) o que aconteceria se a velocidade do ar fosse reduzida para 0,3 m/s e k fosse 0,2 cm-1 ?

Filtros de membrana São microporosos e feitos de material polimérico, em geral hidrofóbico Retenção por impacto direto das partículas com o filtro, cujos poros devem ser de dimensões menores que as dos micro-organismos a serem retidos 0,20-0,22 μm ou 0,45 μm (filtros absolutos)

Filtros de membrana Material : PTFE (Teflon) São esterilizados por vapor (porém a água deve ser eliminada para não favorecer a proliferação de micro-organismos ou obstruir a passagem) Filtros são fornecidos na forma de discos ou cartuchos contendo a membrana filtrante montada sobre uma estrutura de polipropileno - Os elementos filtrantes podem ser acomodados em recipientes de aço inox sendo que estes recipientes são construídos a fim de abrigar um número variável de elementos esterilizantes e, ainda, de dimensões distintas - A retenção dos microorganismos não depende da velocidade do ar (ao contrário dos filtros fibrosos)

Filtros de membrana Os elementos filtrantes podem ser acomodados em recipientes de aço inox sendo que estes recipientes são construídos a fim de abrigar um número variável de elementos esterilizantes e, ainda, de dimensões distintas A retenção dos micro-organismos não depende da velocidade do ar (ao contrário dos filtros fibrosos)

Filtros de membrana Mais velocidade : maior perda de carga (além disso, velocidades excessivas podem provocar vibrações inconvenientes, comprometendo os sistemas de vedação.) Maior comprimento dos cartuchos : menor perda de carga Maior pressão de entrada : menor perda de carga Obs.: usa-se um pré-filtro (construídos com materiais mais grosseiros e de baixo custo) para filtrar partículas maiores. Não são esterilizados.

Filtros de membrana

Filtros de membrana Esterilização do filtro: Como se pode observar, deve-se prever a entrada de vapor a fim de esterilizar o filtro, devendo este vapor ser devidamente filtrado, para evitar o acúmulo de sólidos na superfície do elemento filtrante. Nos instantes iniciais, a válvula de dreno do recipiente que contém o filtro deve ser mantida aberta para a expulsão do ar, para que se possa atingir a temperatura adequada de esterilização.

Filtros de membrana Também, após a esterilização, passa-se ar pelo sistema, permitindo que este ar saia pelo dreno de linha , a fim de drenar a água que tenha ficado retida. Finalmente, pode-se fechar esse dreno e abrir a válvula que comunica o filtro com o reator.

Filtros de membrana Os filtros presentes no mercado são resistentes ao processo de esterilização : 150 esterilizações a 145°C por 30 min. Se houver 3 esterilizações por semana > 3 anos de operações. Há sugestões na literatura de substituição de filtros 1x por ano

Filtros de membrana A troca de elementos filtrantes é simples e rápida, mas requer alguns cuidados: Evitar danos à membrana Posicionar corretamente os anéis de vedação Verificar vazamentos (testes de pressão interna) e a eficácia da esterilização (amostradores)

Filtros HEPA Empregados em câmaras assépticas ou áreas limpas (predominam nas chamadas câmaras de fluxo laminar) Membranas de acetato de celulose que apresentam eficiência de 99,97% na remoção de partículas com diâmetro médio de 0,3 μm

Filtros HEPA Membranas de fibra de vidro, com eficiência de 99,97% na remoção de partículas superiores a 0,5 μm São montados com vários elementos filtrantes separados por folhas de alumínio, de forma a se obter uma grande área para a passagem do ar e, desta forma, possibilitar o uso de ventiladores, evitando a necessidade de compressores, em virtude da baixa perda de pressão através do leito filtrante.