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

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

1. Microfiltração (MF) 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

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

B = 15 kD

Osmose

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)

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

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

Características de algumas membranas de acordo com o processo de filtração Porosidade (%) Tamanho do poro Pressão (kPa) Vazão (L/m2.h) OI - 700 a 20000 1-20 UF 1-10 0,1-20 nm 100 a 500 10-200 FT 30-70 0,1-1,0 m 50-1000 DI 10-20 0,3-3,0 nm

Tipos de membranas

Filtração tangencial

Tipos de sistemas de filtração tangencial

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

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.m2 e é definido por: J = Qf / A onde: Qf é a vazão de filtrado (L/h) A é a área da membrana (m2) O coeficiente de retenção (R) é definido pela equação: R = 1 – (Cf / Cr) onde: Cf é a conc. de solutos ou sólidos no filtrado Cr é a conc. de sólidos ou soluto no retido

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.

A velocidade de escoamento (ve) é dada por: ve = a / At onde: a é a vazão de alimentação de meio (m3/h) At é a área da seção transversal do canal de escoamento (m2) A pressão transmembrana (PTM) é dada por: PTM = (Pa + Pr) - Pf 2 onde: Pa é a pressão de alimentação (N/m2) Pr é a pressão do retido (N/m2) Pf é a pressão do filtrado (N/m2)

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 (Rm + Rcp + Rf) Onde  é a viscosidade do fluido de alimentação Rm é a resistência da membrana Rcp é a resistência devido à conc. de polarização Rf é a resistência devido ao “fouling”

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.

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