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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, operados por pressão, podem ser empregados para separar componentes de meios fermentados: - Microfiltração

- Ultrafiltração

- Osmose inversa

- Diafiltração

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Algumas vantagens destes processos são:

  • Emprego de moderadas ou mesmo baixas temperaturas
  • Baixo efeito químico e mecânico prejudiciais
  • Não envolvem mudança de fase
  • Concentração e purificação pode ser alcançada em uma etapa
  • Fácil ampliação de escala e flexibilidade

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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 ou emulsão é retido
  • Principais aplicações: esterilização de líquidos e gases, purificação de fluidos

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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”
  • Nanofiltração (NF): para solutos menores que UF

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B

= 15 kD

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Osmose

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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

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4. Diafiltração (DI)

  • Membranas possuem características de MF e de UF
  • Consiste em adicionar continuamente um solvente puro ou solução tampão na solução a ser processada em vazão equivalente à vazão de permeado que sai do sistema.
  • 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

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Características das membranas de acordo com o processo de filtração

- Pressão empregada

- Tamanho do poro da membrana

- Exemplos de partículas separáveis

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10-4 – 10-3

10-1 – 101

10-3 – 10-2

10-2 – 10-1

Pressão (bar)

Microfiltração < 1

Osmose Reversa 30 - 60

Ultrafiltração 1 - 10

Nanofiltração 20 - 40

•

•

•

•

•

Bactéria, gordura

Proteinas

Lactose

Minerais (sais)

Água

Retido

(concentrado)

Permeado

(filtrado)

​

Entrada

​

Tamanho de poro da membrana (μm)

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Tipos de membranas

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Filtração tangencial

  • A solução ou suspensão escoa paralelamente à superfície da membrana, enquanto o permeado é transportado transversalmente à esta
  • Solvente e soluto(s) passam pela membrana por convecção através dos poros
  • Processo também emprega pressão

​

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Clarificação

Filtração Tangencial

O fluxo de filtrado é influenciado pela formação de um gradiente de concentração de células ou solutos próximo à superfície da membrana e pelo fouling

A tensão de cisalhamento do fluído minimiza o acúmulo de células e seus fragmentos na superfície da membrana

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Tipos de sistemas de filtração tangencial

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Filtro tipo cartucho espiral.

Membrana

Macrossolutos retidos

Separador de membrana

Solventes e

Microssolutos

Retido

Alimentação

Permeado

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Sistema de filtração tangencial tipo placa

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Sistema de filtração tangencial tipo placa

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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)

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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

​

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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: ajustar corretamente a velocidade de escoamento (ve) e a pressão transmembrana (PTM).

.

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A velocidade de escoamento (ve) é dada por: ve = Φa / At

onde: Φa 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:

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)

​

PTM = (Pa + Pr) - Pf

2

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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)

N

m2

kg N s2 m.s m2 kg

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Onde μ 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”

J =

PTM

µ (Rm + Rcp + Rf)

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N

m2

m s

m2 kg

kg N s2

L/h.m2

m3

m2 s

N

m2

kg N s2 m.s m2 kg

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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.

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