Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena

Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia Industrial

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Engenharia Bioquímica I

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Prof. Júlio César dos Santos

Universidade de São Paulo

Escola de Engenharia de Lorena

Programa de Pós-Graduação em

Biotecnologia Industrial

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Esterilização do ar

Filtros fibrosos e de membrana

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Filtros fibrosos

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• 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)

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Filtros fibrosos

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Filtros fibrosos

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• 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

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Filtros fibrosos

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• 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

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Filtros fibrosos

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• 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.

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Filtros fibrosos

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• 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

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Filtros fibrosos

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• 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

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Filtros fibrosos

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• 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

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Filtros fibrosos

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

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Filtros fibrosos

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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

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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

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Filtros fibrosos

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

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Filtros fibrosos

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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 ?

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Filtros de membrana

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• 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)

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Filtros de membrana

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• 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)

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Filtros de membrana

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• 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)

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Filtros de membrana

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• 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.

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Filtros de membrana

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Filtros de membrana

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• 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.

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Filtros de membrana

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• 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.

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Filtros de membrana

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• 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

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Filtros de membrana

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• 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)

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Filtros HEPA

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• 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

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Filtros HEPA

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• 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.