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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL USP
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ANDRÉ GUSTAVO THOMAZ ZACHARIAS
Orientador: Prof. MSc. Antonio Carlos da Silva
ESTUDO DE CASO DE UM SISTEMA PURIFICADOR DE ÁGUA E
PROPOSTAS DE MELHORIA
LORENA – SP
2012
ANDRÉ GUSTAVO THOMAZ ZACHARIAS
ESTUDO DE CASO DE UM SISTEMA PURIFICADOR DE ÁGUA E
PROPOSTAS DE MELHORIA
Trabalho de conclusão de curso
apresentado ao Departamento de
Engenharia Química da Escola de
Engenharia de Lorena – Universidade
de São Paulo, como parte dos
requisitos para a conclusão do curso
de Engenharia Química.
Orientador: Prof. MSc. Antonio Carlos
da Silva
LORENA – SP
2012
AGRADECIMENTOS
Os meus mais sinceros agradecimentos a:
Deus pela graça da vida.
Aos meus pais Claudimir e Tânia e ao meu irmão Gui, que me
ajudaram a construir valores e me incentivaram incondicionalmente
a buscar meus objetivos.
À Vivi que com me escutou, aconselhou e acima de tudo deu-me
confiança e amor em todos os momentos da execução deste
trabalho.
Aos meus amigos que estavam presentes durante todo o período
de graduação.
A empresa que disponibilizou os dados para estudo.
A todos que de uma forma ou de outra contribuíram para a
execução desse trabalho.
RESUMO
Neste trabalho foi realizado um estudo de caso do sistema de purificação de
água de uma multinacional do ramo de cosméticos e farmácia, a fim de
propor melhorias. Este trabalho focou nos três estágios do sistema, pré-
tratamento, geração e armazenagem/distribuição, propondo uma melhoria
para cada estágio. O sistema estudado foi originalmente projetado para
purificar, via osmose reversa, cerca de 10 m³ de água por hora seguindo os
padrões estabelecidos pela USP (United States Pharmacopeial). O trabalho
teve como objetivo principal propor melhorias para o aperfeiçoamento do
processo produtivo aumentando sua a produtividade e diminuindo perdas. Foi
proposta uma mudança de configuração para a osmose reversa bem como a
substituição do gerador de ozônio do setor de distribuição e eliminação do
processo de recloração.
.
Palavras-chave: Purificação de água; osmose reversa; ozônio; UV;
Farmacopéia.
ABSTRACT In this paper, a case study about a water purification system utilized in
pharmacy industry was carried out. This work focused at three stages of the
system, pre-treatment, generation and storage/distribution proposing
improvements in each one. The system studied was originally designed to
generate about 10 m³ of purified water per hour. This paper had as objective
to propose improvements for the manufactories processes and developing
their productivity and decreasing the losses. It was proposed a change in
reverse osmosis configuration, an exchange of the ozone generator and the
elimination of chloration process.
Key words: Water purification; reverse osmosis; ozone; UV; pharmacopeia
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Distribuição da água no planeta terra Fonte: (Revista Escola, 2012) ....... 7
Figura 2 - Principais empregos da água Fonte: (Revista Escola, 2012) ................... 8
Figura 3 - Água para aplicações farmaceuticas Fonte: (THE UNITED STATES
PHARMACOPEIAL CONVENTION, 2011)............................................................ 18
Figura 4 – Ultrafiltração Fonte: Acervo Pessoal ................................................... 21
Figura 5 – cloração Fonte: Acervo Engenharia Johnson & Johnson ...................... 22
Figura 6 – Equipamento de destilação Fonte: (Aqua Chem) ................................. 23
Figura 7 – Deionizador Fonte: (Aqua Chem) ........................................................ 25
Figura 8 – Abrandadores Fonte: Acervo Engenharia Johnson & Johnson .............. 26
Figura 9 - eletro-deionizador Fonte: (AMORIM, GOMES, et al., 2005) .................. 27
Figura 10 - espectro eletromagnetico Fonte: (Aquafine) ....................................... 28
Figura 11 - Mutação do DNA ou RNA Fonte: (Aquafine) ....................................... 29
Figura 12 - Osmose reversa Fonte: (Medonline) .................................................. 30
Figura 13 - Skid osmose reversa Fonte: Acervo Engenharia Johnson & Johnson .. 31
Figura 14 - Sistema de purificação de água Fonte: Acervo pessoal ...................... 33
Figura 15 - Processos de filtração Fonte: (SureAgua) .......................................... 34
Figura 16 – Cloração Fonte: Acervo Engenharia Johnson & Johnson .................... 35
Figura 17 – Ozonificação Fonte: Acervo Engenharia Johnson & Johnson .............. 38
Figura 18 – Injeção de O3 Fonte: Acevo pessoal .................................................. 38
Figura 19 - Membrana da Osmose Reversa Fonte: .............................................. 39
Figura 20 - Simples passo Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002) ............................. 42
Figura 21 - Duplo passo Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002) ................................. 43
Figura 22 - Simples passo, Duplo estágio Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002) ........ 43
Figura 23 - Design atual Fonte: Acervo pessoal ................................................... 44
Figura 24 - Exemplo simples passo Fonte: (PAREKH, 1988) ................................ 45
Figura 25 - Exemplo duplo estágio Fonte: (PAREKH, 1988) ................................. 46
Figura 27 - Sistema proposto Fonte: Acervo Pessoal ........................................... 47
Figura 26 - aumento de TDS vs qualidade do permeado Fonte: (AL-ENELI e FAWZI,
2002) ................................................................................................................ 47
Figura 28 - Inativação dos microrganismos E.coli(■), S. aureus(●), BST (▲) e
Bacillus (▼), por ozonificação (B) e cloração (C) ................................................. 49
Figura 29 - Processos de desinfecção Fonte: (LECHEVALLIER e AU, 2004) ......... 50
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 7
2. REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................................ 11
2.1. A ÁGUA NA INDÚSTRIA FARMACÊUTICA................................................................................. 11
2.2. CONTAMINANTES DA ÁGUA ................................................................................................ 12
2.3. EMPREGOS DA ÁGUA........................................................................................................ 14
2.4. TIPOS DE ÁGUA ............................................................................................................... 15
2.5. TECNOLOGIAS DE PURIFICAÇÃO DE ÁGUA ............................................................................... 18
2.5.1 Filtração ................................................................................................................. 19
2.5.2 Ultrafiltração .......................................................................................................... 20
2.5.3 Cloração ................................................................................................................. 21
2.5.4 Destilação .............................................................................................................. 22
2.5.5 Deionização ............................................................................................................ 23
2.5.6 Eletro-deionização .................................................................................................. 26
2.5.7 Ultravioleta ............................................................................................................ 27
2.5.8 Osmose reversa ...................................................................................................... 29
2.6 GERAÇÃO, ARMAZENAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA PURIFICADA. ........................................... 31
2.7 DESCRIÇÃO DO SISTEMA .................................................................................................... 33
2.7.1 Pré-tratamento ....................................................................................................... 34
2.7.2 Geração .................................................................................................................. 38
2.7.3 Armazenagem e distribuição ................................................................................... 40
3 METODOLOGIA .............................................................................................................. 41
4 PROPOSTAS DE MELHORIA .............................................................................................. 42
4.1 Design da Osmose Reversa ...................................................................................... 42
4.2 Eliminação da etapa de cloração ............................................................................. 48
4.3 Substituição do gerador de Ozônio .......................................................................... 51
5 CONCLUSÃO................................................................................................................... 54
6 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 55
7
1. INTRODUÇÃO
A água é um dos recursos fundamentais para a vida. Sua abundância
no planeta causa um falso sentimento de inesgotabilidade, porém inúmeras
são as previsões relativas à escassez de água.
Segundo a FAO (Food and Agriculture Organization), agência das
Nações Unidas para agricultura e alimentação, sediada em Roma, o consumo
de água dobrou em relação ao crescimento populacional do ultimo século.
Em varias partes do mundo, produtores agrícolas, enfrentam graves
problemas de estiagem ao tentar produzir alimentos suficientes e obter renda.
Como mostrado na Figura 2, o principal vilão do consumo de água é a
agricultura, principalmente nos países de terceiro mundo. Nos países da
Europa e America do norte, a indústria consome 55% e 48%. (Folha de São
Paulo 1999, apud (MACEDO, 2000)).
Figura 1 - Distribuição da água no planeta terra (Fonte: (Revista Escola, 2012))
8
A água proporciona conforto, riqueza e saúde ao homem, por meio de
seus inúmeros usos como abastecimento da população, irrigação e produção
de energia. A ameaça da falta de água obriga a humanidade a refletir sobre
esta problemática em beneficio de suas gerações futuras.
No Brasil, a previsão é que nos próximos dez anos, por consequência
dos desperdícios, poluições dos mananciais e uso sem planejamento, falte
Figura 2 - Principais empregos da água (Fonte: (Revista Escola, 2012))
9
água, não somente nos grandes centros como São Paulo, Rio de Janeiro e
Recife, mas também em todas as regiões metropolitanas do país.
Estima-se que em São Paulo, as perdas cheguem a alcançar 40%,
número que é prontamente contestado pela SABESP (Companhia de
Saneamento Básico de São Paulo), que sustenta números na faixa de 17% a
24%. Em países do primeiro mundo estas perdas chegam a alcançar 30%.
Somente levando em consideração os vazamentos, estes elevam as
perdas em até 20% o que é o dobro do padrão aceito pela comunidade
internacional. (DIAS, 2007)
Além de afetar diretamente no custo da água encanada, a poluição dos
recursos hídricos causam problemas sérios à saúde pública, principalmente
em países em desenvolvimento. (Rainho 1999 apud (MACEDO, 2000))
As principais fontes de contaminação dos recursos hídricos são
esgotos sem tratamento lançados em rios e lagos; aterros sanitários que
afetam os lençóis freáticos; defensivos agrícolas que são carregados para os
rios após as chuvas; os garimpos que jogam produtos químicos tóxicos e as
indústrias que utilizam dos rios como fonte de recurso e como meio de
dispersão de resíduos. (Embrapa 1994 apud (MACEDO, 2000))
Portanto, aliadas à falta de água estão, a má distribuição e
contaminação do recurso. Cerca de 1,4 bilhões de pessoas não tem acesso a
água limpa, a cada oito segundos morre uma criança vitima de doença
relacionada com água contaminada, como disenteria e cólera. (Rainho, 1999
apud (MACEDO, 2000))
A Água na Indústria
A água é largamente utilizada como matéria prima, ingrediente e
solvente em processos, formulação e manufatura de produtos farmacêuticos,
princípios ativos, intermediários e reagentes analíticos. O controle da
qualidade da água, principalmente ao que se refere a controle microbiológico,
é importante e se faz necessário, pois muitos dos produtos fabricados a partir
desta, são produtos voltados para a saúde e estética do consumidor. (THE
UNITED STATES PHARMACOPEIAL CONVENTION, 2011)
10
Os processos de fabricação na indústria farmacêutica foram sempre os
mais exigidos quanto a qualidade e confiabilidade. A fabricação dos
princípios ativos e a fabricação dos medicamentos são, em maioria,
processos de batelada, também chamados lotes.
As exigências dos departamentos governamentais, tais como a
vigilância sanitária (municipal, estadual e federal), ANVISA (Agência Nacional
de Vigilância Sanitária), e a internacional FDA (Food and Drug
Administration), contribuíram para as indústrias farmacêuticas não mudarem
seus sistemas de fabricação com o passar dos anos. Além disso, a qualidade
é garantida por uma série de normas, regulamentações e critérios
denominados GMP (Good Manufactory Process).
Por se tratarem de processos extremamente sensíveis e críticos, os
processos farmacêuticos, acabam sendo validados devido ao tempo e não
apresentam mudanças, em outras palavras, os profissionais deste tipo de
indústria se mostram relutantes a alterar o processo justificando que estes se
apresentam eficientes do jeito que são empregados e que qualquer mudança
pode acarretar em graves prejuízos às companhias. Daí provém a
estagnação nos projetos de melhoria em sistemas de purificação de água em
farmacêuticas.
O presente trabalho tem com objetivo apresentar o processo de
Purificação de água, propor mudanças que aumentem a eficiência deste e/ou
que mantenham a qualidade físico-química e microbiológica da água
purificada utilizada na empresa Johnson & Johnson Industrial Ltda.
11
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. A Água na Indústria Farmacêutica
A estrutura química da água é peculiar, com um momento dipolo e
grande facilidade em formar ligações de hidrogênio. Essas propriedades
tornam a água um excelente meio para solubilizar, absorver, adsorver ou
suspender diversos compostos, inclusive para carrear contaminantes e
substâncias indesejáveis, que vão alterar a pureza e eficácia de um produto
farmacêutico (SAÚDE, 1990).
A água é sem dúvida o insumo mais importante utilizado na indústria
farmacêutica e cosmética. Seu emprego estende-se dos processos, onde é
utilizada como veículo ou matéria prima para fabricação de primária (drogas
ativas) e secundária (produção de medicamentos), aos processos de limpeza,
sanitização e testes para produtos finais (BOTET, 2006).
A água de alimentação é contaminada por inorgânicos e orgânicos ,
adquiridos devido a exposição ao meio ambiente no trajeto da fonte à entrada
no sistema. EUA, Japão e Comunidade Européia adotam como base para o
sistema de purificação, que a água de entrada deve chegar com
características de água potável (MACEDO, 2000).
Os requisitos da água potável, no Brasil, são definidos pela Portaria 36,
de 19 de janeiro de 1990, do Ministério da Saúde (SAÚDE, 1990), que
apresenta as normas e padrão de potabilidade da água destinada ao
consumo humano. Esta água pode ser utilizada na limpeza, extração, mas
não em produtos farmacopêicos. Quando utilizada para fabricação de
fármacos, esta deve ser purificada seguindo as normas vigentes e
classificada como água purificada, água para injetáveis ou água estéril.
Geralmente a água provém de superfície e sofre tratamento em
estações de tratamentos gerenciadas pelo poder público. Em geral unidades
fabris localizadas fora do trecho urbanizado utilizam águas de subsolo (poços
artesianos) (GONÇALVES, 2003).
12
2.2. Contaminantes da água
O controle da contaminação da água é crucial tendo em vista sua alta
capacidade de agregar compostos e se recontaminar após a purificação. Os
contaminantes da água podem ser divididos em dois grupos:
Contaminantes químicos:
São os contaminantes inorgânicos e orgânicos advindos das mais diversas
interações da água com o meio, como absorção de gases; extração de
materiais que entraram em contato; resíduos poluentes; resíduos de produtos
utilizados na limpeza e sanitização de equipamentos. Estão incluídos neste
grupo, as endotoxinas bacterianas, contaminantes críticos e que devem ser
removidos adequadamente (HENDRICKS, 2011).
Esses contaminantes podem ser avaliados utilizando ensaios de TOC
(carbono orgânico total) e condutividade. A condutividade avalia a quantidade
de íons dissolvidos na água levando em conta seu poder de condutância
expresso em microsiemens por centímetro (µS/cm).
A maioria dos compostos orgânicos podem ser removidos por osmose
reversa pois possuem alto peso molecular; os compostos com baixo peso
molecular devem ser submetidos a técnicas adicionais para serem removidos .
(SAÚDE, 1990)
Contaminantes Microbiológicos
São constituídos principalmente por bactérias e são originários da própria
microbiota da fonte de água ou colonização nos equipamentos. A formação
de biofilmes em equipamentos devido à limpeza ou sanitização inadequada,
instalam um ciclo vicioso no qual os próprios contaminantes orgânicos
servem de nutrientes para os microrganismos.
A presença de bactérias pode comprometer a qualidade da água, pois
podem desativar reagentes ou alterar substratos por ação enzimática,
aumentar o conteúdo de TOC, produzir pirogênios e endotoxinas.
13
A contagem de bactérias geralmente é feita por unidades formadoras de
colônia por mililitro (UFC/mL) a qual aumenta conforme o tempo de
estocagem aumente.
Os contaminantes mais comuns são os bastonetes gram-negativos,
principalmente dos gêneros Alcaligenes, Pseudomonas, Escherichia .
(Farmacopeia Brasileira, 2012)
Escherichia coli
Os coliformes fecais têm como principal representante a Escherichia coli,
que faz parte da flora intestinal da maioria dos mamíferos e representa um
importante indicador de contaminação fecal da água.
Em geral esses coliformes podem causar diarreia e graves infecções.
A diarreia é causadora de 4% das mortes em todo o mundo e cerca de 2.2
milhões de pessoas morrem anualmente devido a infecções causadas por
E.coli.(WHO 2007 apud (DIAS, 2007))
Pseudomonas
São microrganismos capazes de causar infecções externas no corpo
somente pelo simples contato com a água contaminada.
A Pseudomona Aeruginosa está largamente difundida na natureza e
pode causar doenças como infecções de ouvidos, olhos , trato urinário e
meningite.
Além de ser um das maiores causadoras de infecções hospitalares no
mundo (Arruda,1998 apud (DIAS, 2007)), a P.Aeruginosa também vem
preocupando pelo fato de aparecer em alto número em galões de água
mineral. (MACEDO, 2000)
14
2.3. Empregos da Água
A água pode ser empregada de duas formas distintas:
Matéria-prima – suas características e uso são estritamente
regulamentados
Utilidades
o Caráter Crítico – a água pode entrar em contato com os produtos
então deve ser regulamentada (por conveniência segue-se a
mesma regulamentação usada na água como matéria-prima).
Utilizada na limpeza e lavagem de materiais.
o Caráter Não-crítico – a água nunca entra em contato com
produtos. Utilizada em trocadores de calor, esta não necessita
ser regulamentada fato que não quer dizer que não é tratada.
Águas para trocadores de calor, caldeiras, etc, passam por
tratamentos específicos a fim de proteger os equipamentos
(BOTET, 2006).
Partindo das aplicações descritas acima se conclui que em geral duas
categorias englobam todos os tipos de água:
Águas “regulamentadas” – tem suas características definidas por
alguma farmacopeia pois se trata de uma matéria prima e tem emprego
bem definido.
Águas “não-regulamentadas” – águas não utilizadas como matéria
prima e cujas características não estão definidas por uma norma. Cada
empresa cria a normalização que melhor atenda suas necessidades.
Segundo a United States Pharmacopeial existem diferentes graus de
pureza para águas de uso farmacêutico. Estas águas regulamentadas podem
por sua vez ser separadas em dois grupos:
15
Bulk Waters – geralmente produzidas on site (produzidas no local de
uso);
Sterile Waters – são produzidas, envasadas e esterelizadas afim de
manter a qualidade evitando o desenvolvimento microbiano (BOTET,
2006).
2.4. Tipos de água
Água potável – Como primeira diretriz, a água potável é o ponto de
partida para qualquer processo de purificação de água para fins
farmacêuticos. Essa é obtida por tratamento da água retirada de
mananciais, por meio de processos adequados para atender às
especificações da norma - Anvisa; USP; Ph.Eur.- vigente, relativa aos
parâmetros físicos, químicos, microbiológicos e radioativos, para um
determinado padrão de potabilidade e, portanto, não possui monografia
específica.
Normalmente esta água é empregada em etapas iniciais, processos de
limpeza e como matéria prima para obtenção de águas de mais alto
grau de pureza. Também pode ser empregada na síntese de
ingredientes intermediários ou em sistemas de refrigeração. É
fundamental um controle rigoroso da qualidade dessa água a fim de
garantir que o sistema utilizado de purificação esteja adequado à
qualidade da fonte de entrada.
A maioria das aplicações requer tratamento adicional da água potável,
por meio de destilação, deionização, troca iônica, osmose reversa,
isolados ou acoplados, ou outro processo adequado para produzir a
água purificada, livre da interferência de contaminantes que possam
afetar a qualidade dos medicamentos produzidos. (Farmacopeia
Brasileira, 2012)
Água Purificada (PW) – A água pura é produzida a partir da água
potável e deve seguir as características descritas na monografia que se
pretende seguir. Essa água não possui aditivos e é obtida via uma
16
combinação de sistemas de purificação enfileirados de maneira lógica
tais como destilação, troca iônica, osmose reversa, eletrodeionização,
ultra filtração ou qualquer outro processo capaz de atender com
eficiência os limites estabelecidos para contaminantes.
Esta é empregada como excipiente em formas farmacêuticas não
parenterais e em formulações magistrais, desde que não haja
recomendação do uso de água com maior grau de pureza ou que não
necessite ser apirogênica (que não cause febre). Também é permitida
sua utilização para preparo de reagentes, lavagem de material,
microbiologia geral e análises clinicas principalmente as menos
exigentes.
Dependendo da aplicação pretendida esta água pode ser ester ilizada,
sem necessariamente atingir os limites de endotoxinas bacterianas
normalizados para Água para Injetáveis.
A Água Purificada não possui inibidor de crescimento microbiológico,
portanto necessita de monitoramento via contagem do total de
organismos aeróbicos viáveis na produção e estocagem.
A caracterização mínima para uma água estar classificada como
purificada é alcançada quando de obtém condutividade menor do que
1,3µS/cm (25ºC) ; TOC menor do que 0,50 mg/L (30-35ºC) e contagem
de unidades formadoras de colônia menor do que 100 UFC/mL.
O sistema de purificação deve ser validado a fim de assegurar a
qualidade da água que está sendo produzida. É permitido, que água do
padrão PW seja produzida e estocada para utilização em locais
diferentes de sua fabricação. Contudo, para esta modalidade, a água
deve ser produzida e estocada de forma a conter o crescimento
biológico, que a desclassificariam. (THE UNITED STATES
PHARMACOPEIAL CONVENTION, 2011)
Água Ultrapurificada (HPW) – Esta água possui maior grau de pureza
que a água purificada. Esta modalidade é empregada em análises e
diluições mais exigentes bem como na limpeza de final de
equipamentos e utensílios que entrem em contato direto com a amostra
17
que requeira esse nível de pureza. É idealmente empregada em
métodos de análise que exigem mínima interferência para máxima
precisão e exatidão. A água ultrapurificada deve ser utilizada no
mesmo dia em que é produzida ou coletada.
A caracterização mínima para uma água estar classificada como Água
Utrapurificada é alcançada quando de obtém condutividade de 0,055 a
0,1µS/cm (25ºC ± 0,5ºC) ; TOC menor do que 0,05 mg/L e contagem de
unidades formadoras de colônia menor que 1 UFC/100mL.
Obs. Esta água somente é descrita na normalização da farmacopeia
Europeia. (BOTET, 2006)
Água para Injetáveis (WFI) - Utilizada na preparação de produtos
parenterais de pequeno e grande volume, fabricação de princípios
áticos de uso parenteral, excipientes e quaisquer outros produtos que
exijam o controle de endotoxinas bacterianas e não são submetidos
processo para remoção destes. Também é utilizada na limpeza e
preparação de processos, equipamentos e quaisquer componentes que
entrem em contato com as formas de parenterais na produção.
O processo de produção da água WFI é preferencialmente uma
sequência de processos sendo iniciado por um conjunto de pré-
tratamento e preferencialmente uma unidade de destilação (ou
processo superior) fabricada em aço inox AISI 316L, vidro neutro ou
quartzo.
O sistema de purificação bem como o de distribuição e
armazenamento, deve ser validado e ter um controle robusto de
qualidade a fim de assegurar a não ocorrência de contaminação
microbiana e endotoxinas.
A água para injetáveis deve atender aos requisitos pré-estabelecidos
para Água Purificada além de possuir contagem de unidades
formadoras de colônia menor do que 10 UFC/100mL, esterilidade,
particulados e endotoxinas bacterianas num valor máximo de 0,25 UI
18
de endotoxina/mL. (THE UNITED STATES PHARMACOPEIAL
CONVENTION, 2011)
2.5. Tecnologias de purificação de água
Os projetos, equipamentos e a operação dos sistemas para produção dos
variantes tipos de água purificada, não apresentam diferenças consideráveis
tendo em vista que a única diferenciação está no controle de endotoxinas.
Figura 3 - Água para aplicações farmaceuticas Fonte: (THE
UNITED STATES PHARMACOPEIAL CONVENTION, 2011)
19
2.5.1 Filtração
Processo em que a água passa por um material poroso que retira
fisicamente as partículas insolúveis. A eficiência do equipamento depende do
tamanho da partícula que se deseja remover e do tamanho do poro. Para
obtenção de água farmacêutica, porém, são limitados pela proliferação de
bactérias nos poros e consequente entupimento. Para evitar tal
consequência, utiliza-se métodos de filtração tangencial (BOTET, 2006).
Geralmente a filtração é empregada a fim de proteger os equipamentos e ou
processos subsequentes (MACEDO, 2000).
Para a filtração de micro-partículas e filtração absoluta de bactérias no
ponto de uso, indica-se filtro com porosidade de 0,22 µm ou menor. A
filtração não remove pirogênios, gases ionizados, sólidos ionizados
dissolvidos e materiais orgânicos dissolvidos (MACEDO, 2000).
Existem diferentes tipos de filtração:
Filtração em profundidade – neste processo o fluido com material
particulado é passado por um leito de material filtrante que os retém
mecanicamente. A filtração em profundidade pode basear-se na
gravidade (fluxo de cima para baixo) ou em pressão (fluido é obrigado
a atravessar colunas cheias de material filtrante). Os materiais mais
comumente usados são a areia e o carvão antracito mineral, que por
ser muito poroso, retém uma quantidade maior de impurezas do que a
areia. Os leitos podem também possuir camada mista.
Elementos filtrantes possuem grande capacidade e operam a
baixíssimos custos podendo trabalhar na faixa de 10-40 µm e não são
danificados pela ação do cloro. Porém, o risco de proliferação
bacteriana é mais grave em filtros deste tipo quando comparado aos
demais. Este tipo de filtro costuma utilizar de mecanismos que
garantam a eliminação das impurezas acumuladas, como retrolavagem.
Filtração frontal – o tamanho dos poros está diretamente relacionado
ao tamanho de particulado que será retido. Os poros são facilmente
obstruídos e apresentam grande risco de proliferação de micróbios. O
20
principal emprego dos filtros tipo barreira é o controle de partículas
fugitivas como resinas, areia, carvão, restos de incrustações, etc.
Filtração Tangencial – O tamanho dos poros do elemento filtrante
também determina o tamanho das partículas que poderão ser
eliminadas. A obstrução dos filtros é mais difícil, mas há também maior
consumo de água. Igualmente apresentam risco de contaminação.
Filtro por carvão ativado – o carvão ativado, ou ativo, é composto de
carbono puro caracterizado por sua alta superfície específica (em
alguns casos 1 cm³ de carvão ativo pode alcançar superfície específica
de 100m²). O carvão ativado apresenta uma grande porosidade e pode
reter em seus micro-poros, impurezas e elementos poluentes.
Os leitos filtrantes de carvão ativo permitem também a eliminação de
cloro e algumas moléculas orgânicas. É uma técnica simples de al ta
capacidade e baixo custo, porém que apresenta evidente risco de
contaminação e, portanto deve receber rotinas de sanitização e retro-
enxugamento. Aconselha-se também a instalação de outro filtro a
jusante para capturar partículas de carvão fugitivas (BOTET, 2006).
2.5.2 Ultrafiltração
Processo no qual a água é forçada a passar através de pequenos dutos
sob pressão. Nesse processo duas variáveis influenciam a filtração, massa
molar e tamanho de partícula.
É considerado um processo com baixo consumo de energia com
possibilidade de regeneração da membrana e portanto considerado de baixo
custo. Considerando a pequena porosidade da membrana, é capaz de
remover pirogênio, microorganismos, material coloidal, material particulado e
material orgânico dissolvido de alto peso molecular (MACEDO, 2000).
21
2.5.3 Cloração
Quando em contato com as bactérias presentes no fluido, o cloro induz
a uma série de eventos associados à atividade da membrana celular, como
alteração da permeabilidade, e modifica os ácidos nucleicos causando
mutações. A inativação dos vírus ocorre por modificações nos ácidos
nucléicos e na envoltória protéica. O cloro não apresenta boa eficiência na
remoção de protozoários devido a seu maior tamanho o que requer então um
processo auxiliar de remoção (GONÇALVES, 2003).
Dentre os fatores intervenientes, o tempo de contato bem como a
dosagem do desinfetante e a homogeneização do meio, são os que por
interferência externa aumentariam consideravelmente a eficiência do
processo.
Para desinfecção, três modalidades de cloro predominam no mercado:
Cloro gasoso, hipoclorito de sódio e hipoclorito de cálcio.
Cloro gás (Cl2) – Gás que a pressão e temperatura ambiente se
apresenta amarelo-esverdeado e com densidade maior que o ar.
Quando comprimido sobre suas pressões de vapor o gás liquefaz
Figura 4 – Ultrafiltração
22
liberando calor e reduzindo seu volume em aproximadamente 450
vezes facilitando seu transporte em cilindros.
Hipoclorito – as formas de hipoclorito de sódio e hipoclorito de cálcio
também são muito utilizadas na desinfecção via cloração. A
concentração de cloro presente nessas espécies é normalmente
expressa em termos de cloro livre ou cloro disponível. Comercialmente
o hipoclorito de cálcio é encontrado na forma sólida, sendo
relativamente estável. O hipoclorito de sódio por sua vez é vendido na
forma líquida e apresenta instabilidade que varia de forma exponencial
com sua concentração, ou seja, quanto mais concentrado mais instável
quimicamente (MACEDO, 2000).
2.5.4 Destilação
O processo de destilação, consiste no aquecimento, evaporação,
condensação e resfriamento da água em um dispositivo conhecido como
destilador. Sendo um processo de purificação, evolve mudanças de fase da
água do estado liquido para vapor e depois por condensação, o vapor passa
para fase liquida, deixando no destilador, impurezas não voláteis. (MACEDO,
2000)
Figura 5 – cloração
23
A desvantagem presente neste processo são os líquidos mais voláteis
que a água que são carregados para a fase pura pós condensador
comprometendo a qualidade da água. É um processo simples que não requer
nenhum insumo além de energia para aquecimento.
2.5.5 Deionização
Processo que utiliza resinas sintéticas para permitir a troca seletiva de
íons H+ e OH- por impurezas ionizadas presentes na água.
Os íons adicionados à água após a troca não comprometem sua
qualidade.
A água que será deionizada deve primeiramente ser submetida a um
pré-tratamento que consiste geralmente em dois filtros de cartucho, para
retenção de partículas de 5 e 1 µm respectivamente e um filtro de carvão
ativado que possui a função de reter cloro residual e alguns compostos
orgânicos (MACEDO, 2000).
O cloro residual deve majoritariamente ser removido, pois oxida a
estrutura da resina com o passar do tempo prejudicando a capacidade de
troca iônica.
Figura 6 – Equipamento de destilação (Fonte: (Aqua Chem))
24
A atividade do carvão deve ser constantemente monitorada a fim de
garantir sua eficiência sendo muito comum a monitoração pela dosagem de
cloro pós-filtração.
A deionização ocorre em leito misto onde os íons são retirados até que
as resinas atinjam sua máxima capacidade se tornando saturadas e são
regeneradas ou em alguns casos substituídas (MACEDO, 2000).
É necessária a instalação de um filtro após o deionizador a fim de
evitar partículas fugitivas da coluna que podem tanto ser partículas geradas
dentro da coluna como resinas quebradas.
As resinas catiônicas, as quais retém cátions, são regeneradas com
acido clorídrico ou sulfúrico com concentrações que variam entre 2 e 4 %. As
resinas aniônicas, as quais retém anions, são regeneradas com solução de
hidróxido de sódio com concentrações que variam entre 2 e 10%. A eficiência
de deionização esta diretamente relacionada à uma regeneração eficaz das
resinas. (MACEDO, 2000)
A contaminação dos leitos das resinas é um evento comum com o
passar do tempo. Bactérias encontram um ambiente muito propício para
formar biofilmes e consequentemente comprometer a qualidade da água.
(BOTET, 2006)
A troca iônica é um processo eficaz na remoção de sólidos e gases
dissolvidos, porém não é capaz de remover particulado, material orgânico
dissolvido, bactérias e pirogênio. Como vantagem apresenta um custo baixo
para instalação e operação e as resinas podem ser regeneradas. (MACEDO,
2000)
O abrandamento é um processo de deionização muito utilizado para
retirar a dureza da água.
25
Uma água dura é aquela que contém carbonatos, bicarbonatos ou
sulfatos de magnésio e cálcio dissolvidos. O problema relacionado a dureza
da água é a formação de depósitos insolúveis em tubulações, caldeiras ou
quaisquer outros equipamentos (LEE, 1999)
No processo de abrandamento, a água passa por uma resina de troca-
iônica onde os íons Ca2+ e Mg2
+ são substituídos por Na+ que não são
prejudiciais ao sistema.
O abrandador normalmente conta com duas células que funcionam de
forma continua e não simultânea. Enquanto uma célula está tirando a dureza
da água, a segunda célula está em processo de recuperação.
Na recuperação uma solução saturada de NaCl é passada pelo
abrandador onde os íons de Na+ voltam à resina expulsando os Ca2+ e Mg2
+
que são drenados. (SKOOG, HOLLER e NIEMAN, 2001)
Abrandamento:
R(-SO3Na)2 + Ca2+ → R (-SO3)2Ca + 2Na+ (1)
R(-SO3Na)2 + Mg2+ → R (-SO3)2Mg + 2Na+ (2)
Regeneração:
R(-SO3)2Ca + 2Na+ → R(-SO3Na)2 + Ca2+ (3)
R(-SO3)2Mg + 2Na+ → R(-SO3Na)2 + Mg2+ (4)
(SILVA e CARVALHO)
Figura 7 – Deionizador (Fonte: (Aqua Chem),2012)
26
2.5.6 Eletro-deionização
Processo de tratamento onde a separação se dá devido a diferença de
potencial de compostos iônicos ou ionizáveis, devido a ação de eletrodos
carregados entre os quais são apresentadas membranas íon-seletivas e
resinas de troca iônica (MACEDO, 2000).
Os eletrodos induzem o movimento dos íons, sendo estes atraídos para
os eletrodos de carga oposta e após serem aceitos ou não a passar pela
membrana seletiva, fluem para o rejeito. A função da resina é capturar os
íons e manter a corrente elétrica entre eletrodos, uma vez que ao atingir
níveis de extrema pureza, a condutividade do meio é insuficiente para que a
energia elétrica atraia os íons.
Figura 8 – Abrandadores
27
Este processo é capaz de garantir um alto grau de pureza no
tratamento de água porém necessita de um processo de pré-tratamento que
garanta a ausência de particulado, microrganismos, compostos moleculares e
orgânicos.
2.5.7 Ultravioleta
A radiação ultravioleta, em geral no comprimento de onda 254nm e
185nm, tem a propriedade de atuar diretamente no código genético dos
microorganismos, causando rapidamente sua inativação ou morte.
Esta também é muito empregada na destruição de ozônio, cloro e para
redução de TOC (Total Organic Carbon).
Figura 9 - eletro-deionizador Fonte: (AMORIM, GOMES, et al., 2005)
28
Geralmente esta técnica é utilizada como complementar no tratamento
de processos, como descritos anteriormente, ou para evitar a proliferação de
microorganismos nos recipientes de água tratada (MACEDO, 2000).
O processo é capaz de inativar a maioria dos microrganismos
presentes na água, porém seu uso é questionado, uma vez que sua eficiência
decresce com a utilização das lâmpadas além de sua eficiência diminuir
conforme aumenta a distancia entre o microrganismo e a parede da lâmpada
(DIAS, 2007).
Figura 10 - espectro eletromagnetico (Fonte: (Aquafine),2012)
29
2.5.8 Osmose reversa
A osmose reversa é um processo baseado no fenômeno natural da
osmose, onde a água passa de uma solução salina menos concentrada para
mais concentrada através de uma membrana semi-permeável. Ao aplicar uma
pressão hidráulica muito forte na solução concentrada, o fluxo de água
através da membrana mudará, passando do meio mais concentrado para o
meio mais diluído. Por isso aplica-se o nome reversa ao processo osmótico
(PAREKH, 1988).
Figura 11 - Mutação do DNA ou RNA (Fonte: (Aquafine),2012)
30
Antes da purificação via osmose reversa, devem existir filtros para
particulado e carvão ativado posicionados imediatamente antes da entrada no
equipamento para evitar a entrada de cloro livre e ou quaisquer produtos que
degradem a membrana.
Durante o processo parte da água permeia pela membrana
semipermeável deixando para trás a maior parte das substâncias que se
encontravam diluídas ou não na água de alimentação (MACEDO, 2000).
A grande vantagem de se utilizar um sistema de tratamento via osmose
reversa está diretamente relacionada ao gasto de energia uma vez que não
ocorrem mudanças de estado físico da água.
As membranas diferentemente dos leitos de resina de troca iônica, não
saturam como o material, porém algumas substâncias podem degradá-la e
microrganismos podem criar biofilme em sua superfície, o que compromete
sua eficiência no processo (PAREKH, 1988).
A água produzida por osmose reversa é de alta pureza química e
microbiológica, sendo isenta de material particulado, microrganismos,
endotoxinas, material orgânico e inorgânico dissolvidos e material insolúvel.
Entretanto este tipo de tratamento não é capaz de remover gases ionizáveis
dissolvidos (MACEDO, 2000).
Figura 12 - Osmose reversa (Fonte: (Medonline),2012)
31
2.6 Geração, Armazenamento e Distribuição de água purificada.
Na fábrica de produtos formulados da Johnson & Johnson - São José
dos Campos, o sistema de purificação de água é reconhecidamente um dos
pontos mais importantes de todo o processo. A água purificada não é
somente utilizada em todas as formulações, mas também na lavagem de
todos os reatores e ferramentais utilizados nas linhas de envase. O processo
de limpeza e sanitização é tão importante que, caso não seja totalmente
eficaz, contaminações chamadas cruzadas (contaminações de ferramentais
utilizados diretamente em contato com o produto) ocorreriam, resultando
eliminações de lotes inteiros e consequentemente em perdas contábeis.
A água purificada deve ter um controle rigoroso de condutividade,
pressão, temperatura e TOC(total organic carbon). Essas variáveis devem ser
registradas continuamente a fim de permitir a rastreabilidade deste insumo
nos produtos. (JOHNSON & JOHNSON CONSUMER PRODUCTS COMPANY,
2008)
Um controle de velocidade na tubulação que leva a água até os
reatores ou pontos de utilização em geral, também deve ser feito para
garantir o escoamento turbulento que evita a formação de biofilmes –
“películas” de microrganismos que se aderem a pontos de estagnação ou
também chamados “dead legs” na tubulação (BOTET, 2006).
Figura 13 - Skid osmose reversa
32
Ao longo de todo sistema de geração, alguns pontos são escolhidos
para suportar um sistema de medição de condutividade, que garante que
nenhum volume de água seja transferido para o tanque de armazenagem
caso estejam fora de especificação.
O controle de temperatura é feito através de dois trocadores de calor
que atuam nos quatro anéis de distribuição.
Atualmente são mantidos dois anéis frios (temperatura 22ºC) e dois
anéis quentes (Temperatura 80ºC). O sistema de troca de calor é projetado
para controlar a temperatura de entrada nos tanques de estocagem, ou seja,
tanto para o tanque frio quanto para o tanque quente, toda água é passada
pelo trocador de calor imediatamente antes de ser estocada.
33
2.7 Descrição do sistema
O sistema de purificação de água apresenta-se dividido em três
grandes partes: Pré-tratamento; Geração e Armazenagem/distribuição.
A água a ser purificada provém de seis poços artesianos e passa
previamente por um sistema de Ultra-filtração que eliminina material
particulado com diâmetro de até 0,01µm.
Figura 14 - Sistema de purificação de água
34
2.7.1 Pré-tratamento
O Pré-tratamento conta com três etapas de tratamento e tem por
objetivo realizar a oxidação de microrganismos e abrandamento da água.
2.7.1.1 Primeira etapa: Cloração
Embora ultra-filtrada, a água pode arrastar partículas depositadas na
tubulação até o sistema. Para evitar a entrada de partículas, ao chegar, ao
sistema de purificação, a água passa por um filtro bolsa de 25 mícras que por
medidas preventivas de contaminação é trocado a cada 21 dias.
A água é re-clorada à 2 ppm de cloro livre, utilizando uma solução de
hipoclorito de sódio, que é injetada na tubulação após a passagem pelo filtro
bolsa.
Figura 15 - Processos de filtração (Fonte: (SureAgua),2012)
35
O controle da concentração no tanque de contato é, portanto, feito via
controle antecipatório.
O tanque trabalha de forma a manter-se sempre em uma faixa de nível
que garanta o tempo de contato (entre 10 e 15 minutos) da água com o cloro.
(IDENOR INGENIERIA SRL., 2012).
Este tempo juntamente com a concentração, são estipulados segundo um
modelo que determina o produto da concentração pelo tempo necessário para
eliminar o micro-organismo de maior resistência do meio, que no caso é a
Pseudômona Aeruginosa.
2.7.1.2 Segunda etapa: Abrandamento
O abrandamento é o processo utilizado para desmineralizar, ou retirar a
dureza da água.
Figura 16 – Cloração
36
Uma água dura é aquela que contém carbonatos, bicarbonatos ou sulfatos
de magnésio e cálcio dissolvidos. A água dura forma depósitos insolúveis em
tubulações, caldeiras ou quaisquer outros equipamentos (LEE, 1999).
A água proveniente da primeira etapa passa por um segundo filtro bolsa
de menor micragem (10 µm) que tem por objetivo reter partículas formadas
pelo contato com o cloro.
No processo de deionização chamado abrandamento, a água passa por
uma resina de troca-iônica catiônica forte onde os íons Ca2+ e Mg2+ são
substituídos por Na+ que não são prejudiciais ao sistema. Reações químicas
vide item 2.5.5.
O abrandamento conta com duas células que funcionam de forma contínua
não simultânea. Enquanto uma célula está retirando a dureza da água, a
segunda célula está em processo de recuperação.
Na recuperação uma solução saturada de NaCl é passada pelo
abrandador onde os íons de Na+ voltam à resina expulsando os Ca2+ e Mg2+
que são drenados (SKOOG, HOLLER e NIEMAN, 2001).
A água passa então por mais um filtro bolsa (5 µm) que retém resinas
finas fugitiva.
2.7.1.3 Terceira etapa: Ozonização
O emprego de processos oxidativos no tratamento de água visam:
1. Remover odor e gosto
2. Remover sulfeto de hidrogênio
3. Remover coloração
4. Precipitar ferro e manganês
5. Desinfecção
(CRITTENDEN, TRUSSEL, et al., 2005)
Dentre os métodos mais comuns de desinfecção via oxidação (cloro,
dióxido de cloro, peróxido de hidrogênio, ozônio, permanganato e radiação
37
UV) foi empregado o ozônio devido seu maior potencial de oxidação.
(LAWRENCE e CAPPELLI, 1977)
Tabela 1: Potenciais de Oxidação
O Ozônio é produzido, através de uma descarga elétrica em atmosfera
de oxigênio, é injetado na tubulação do recirculado através de um Venturi,
Figura 18.
Da mesma forma que a etapa de cloração, o sistema fora projetado para
que a água fique exposta ao elemento oxidante pelo tempo necessário para
que mineralize os contaminantes.
Ao final do pré-tratamento tem-se água com um baixo nível de
microorganismos, porém ainda com alta condutividade e presença de carbono
organico que serão removidos na osmose reversa.
OXIDANTE POTENCIAL DE OXIDAÇÃO(V)
Flúor 3,03
Radical Hidroxila (•OH) 2,80
Oxigênio Atômico 2,42
Ozônio (O3) 2,07
Peróxido de Hidrogênio 1,78
Radical Hidroperoxila 1,70
Permanganato de Potássio 1,68
Ácido Hipobromoso 1,59
Dióxido de Cloro 1,57
Ácido Hipocloroso 1,49
Ácido Hipoiodoso 1,45
Cloro 1,36
Bromo 1,09
Fonte: (TEIXEIRA e W.F.JARDIM, 2002)
38
2.7.2 Geração
A água proveniente do pré-tratamento chega à geração carregando
ozônio, cloro e com pH ácido ( ≈ 6,6) o que acarretaria em danos irreparáveis
às membranas da osmose reversa. (PAREKH, 1988)
Figura 18 – Injeção de O3
Figura 17 – Ozonificação
39
Este fluxo é então exposto à radiação UV de 254nm a fim de destruir o
ozônio e logo em seguida recebe dosagens de Metabissulfito de Sódio
(Na2S2O5) e Hidróxido de Sódio (NaOH) para eliminação do cloro e ajuste do
pH respectivamente.
Água é bombeada em alta pressão através da superfície da membrana
sendo a parte que permeia por esta é chamada permeado, o qual é altamente
livre dos solutos presentes na entrada, e a água que não permeia chamada
concentrado ou rejeito (CRITTENDEN, TRUSSEL, et al., 2005).
Os três módulos de RO (Reverse Osmosis) estão ligados em um único
estágio e em simples passo, o permeado segue para o EDI
(eletrodeionizador) e o concentrado é enviado ao dreno.
O EDI recebe uma água com 95% dos solutos retirados apresentando
uma condutividade na faixa de 4-5 µS.
O setor de tratamento via osmose reversa e EDI possui sensores de
condutividade que enviam sinais ao PLC que por sua vez, controlam válvulas
pneumáticas automas e decidem pela armazenagem ou drenagem da água
tratada levando em conta os limites admissíveis segundo as normas.
Figura 19 - Membrana da Osmose Reversa
40
2.7.3 Armazenagem e distribuição
A água tratada é escoada através de um trocador de calor do tipo
tubular regulado para liberá-la a temperatura de 22ºC. Esta água é injetada
no tanque de água fria através de “spray-balls”, conforme as normalizações
da United States Pharmacopelial e ANVISA. A água do tanque é ozonificada
novamente através de um sistema de recirculação e passagem por Venturi,
idêntico ao do pré-tratamento sendo que este nunca é desligado afim de não
deixar a água repousar por nenhum momento.
Os tanques de estocagem são importantes, pois permitem a
manutenção preventiva ou corretiva dos sistemas purificadores de maneira a
não comprometer o suprimento de água para a manufatura.
O design é um fator critico e importante afim de evitar ou diminuir a
incidência de biofilmes e corrosões (THE UNITED STATES
PHARMACOPEIAL CONVENTION, 2011).
O tanque quente é preenchido com água proveniente do tanque frio ,
que primeiramente passa por um UV afim de retirar o ozônio e em seguida
pelo trocador de calor que a aquece para 85°C (IDENOR INGENIERIA SRL.,
2012).
O sistema de distribuição deve permitir um fluxo constante turbulento
através de anéis (loopings) a fim de diminuir a incidência de biofilmes. Manter
pressão positiva na linha também é de extrema importância afim de evi tar
entrada de contaminantes (BOTET, 2006).
41
3 METODOLOGIA
YIN (2005) define o estudo de caso como uma pesquisa empírica que
investiga um fenômeno dentro do contexto da vida real - No presente trabalho
foi realizado um estudo de caso do sistema de purificação de água de uma
indústria multinacional do ramo de cosméticos.
A empresa estudada está localizada na cidade de São José dos
Campos – SP, opera no país desde 1933 e hoje conta com aproximadamente
5 mil funcionários somente no Brasil e mais de 115 mil no mundo. Para sua
fábrica de líquidos produz aproximadamente 7.700 m³ de água purificada por
mês.
O sistema estudado foi usado como referência para a exposição do seu
estado atual e a partir da análise deste, propôs-se melhorias no processo de
produção.
Este trabalho foi realizado a partir das seguintes etapas:
1. Compreensão do processo de purificação, envolvendo todo um estudo
acerca de processos químicos e operações unitárias, além da definição dos
pontos com oportunidade de melhoria do processo;
2. Estudo da legislação farmacopêica vigente nacional (ANVISA) e
internacional (USP) aplicada à produção de água purificada na indústria de
fármacos;
3. Definição das grandes áreas do sistema/ processo;
4. Definição dos processos individuais de purificação;
5. Análise das oportunidades encontradas;
6. Definição dos objetivos do trabalho com base no referencial teórico;
7. Elaboração das propostas com base no referencial teórico visando
maior qualidade do produto final e redução de perdas.
É de grande relevância observar que cada sistema gerador de água
purificada é um caso isolado de estudo, mas as propostas apresentadas
podem ser utilizadas como referência para aprimorar o processo de outras
que almejam aprimorar seu processo e sua qualidade
42
4 Propostas de melhoria
4.1 Design da Osmose Reversa
A principal vantagem do emprego da osmose reversa é a simplicidade
de layout quando comparado a sistemas de dessalinização térmica, como a
destilação. Outro ponto favorável é a facilidade de expansão e aumento de
capacidade proporcionada por equipamentos modulados. (AL-ENELI e
FAWZI, 2002)
Segundo Parekh, o caminho que a água de alimentação percorre
através dos módulos de membrana tem grande impacto na qualidade de água
bem como eficiência de purificação.
As duas configurações comumente empregadas são chamadas de
simples passo e duplo passo.
O simples passo ou único estágio é o layout mais simples de todas as
configurações e é comumente empregado em vários processos de
dessalinização (AL-ENELI e FAWZI, 2002)
O duplo passo é comumente empregado quando se necessita de um
permeado de maior pureza (HENDRICKS, 2011), ou seja, no caso da
purificação de água, menor condutividade.
O duplo estágio é empregado em geral para aumentar o “Overall
Recovery” ou eficiência do processo.
Nas figuras 20 , 21 e 22 estão representadas as três configurações
mencionadas anteriormente.
Figura 20 - Simples passo Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002)
43
.
Figura 21 - Duplo passo Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002)
Figura 22 - Simples passo, Duplo estágio Fonte: (AL-ENELI e FAWZI, 2002)
44
O cenário atual
A empresa estudada conta com um sistema de simples passo composto
por três membranas conforme figura 23 abaixo.
O cálculo do Overall Recovery é efetuado segundo Hendricks da
seguinte maneira:
(5)
(HENDRICKS, 2011)
O Overall Recovery ou eficiência da instalação atual é então calculada
a partir desta.
(6)
Enezi afirma que apesar de um sistema em simples passo retirar até
99,5% do TDS (Total dissolved Salts) da água, seu overall recovery é
relativamente baixo e usualmente fica em torno de 50% ou seja, do volume
da alimentação, somente metade é aproveitado.
Com essa eficiência, podemos concluir que de todo esforço, energia e
insumos empregados na ultra-filtração e pré-tratamento, 53,45 % estão sendo
Figura 23 - Design atual
45
enviados para o dreno, sem contar o volume de 12,4 m³/H de resíduo que
está sendo enviado para a ETE por hora.
Proposta de melhoria
Uma possível melhoria a ser empregada no sistema consiste na
mudança do design da osmose a fim de transformá-la de um simples passo
para um simples passo com duplo estágio.
Segundo os exemplos e comentários de Parekh, para águas de
alimentação de TDS inferior a 500 ppm, como é o caso desse sistema que
gira em torno de 340 ppm, o overall recovery pode ser elevado para uma
faixa de 60% até 75% somente com a mudança da configuração da osmose.
Isso implicaria no sistema em um saving de 3,12 m³/H a 6,6 m³/H o que
em média significa o abastecimento de um reator a mais por hora na
fabricação dos produtos.
Duas imagens (mostradas nas figuras 24 e 25) extraídas dos livros
base desta proposta evidenciam esta mudança:
Figura 24 - Exemplo simples passo Fonte: (PAREKH, 1988)
46
Portanto esta proposta incrementaria significativamente os processos
da fábrica como um todo, porém esse aumento na performance da osmose
acarreta em uma desvantagem perante a qualidade da água.
Os sistemas de osmose reversa são dimensionados sempre partindo do
volume necessário de permeado e qualidade de água de entrada.
(HENDRICKS, 2011)
Assim como estudado por Enezi, a mudança do sistema de simples
passo para simples passo com dois estágios acarreta no incremento de TDS
na alimentação do segundo estágio e consequentemente, a qualidade do
permeado proveniente do segundo estágio apresenta-se menor resultando
em uma não conformidade com a normalização.
Figura 25 - Exemplo duplo estágio Fonte: (PAREKH, 1988)
47
Este inconveniente porém se descaracteriza tendo em vista que o
permeado da osmose reversa é ainda eletro-deionizada e seus níveis de
sólidos dissolvidos chegam proximos a zero.
Figura 27 - Sistema proposto
Figura 26 - aumento de TDS vs qualidade do permeado Fonte:
(AL-ENELI e FAWZI, 2002)
48
4.2 Eliminação da etapa de cloração
A desinfecção é um processo essencial nos processos de purificação
de água em geral. Esses processos são importantes, pois mantém os
“clientes” dessa água longe de doenças infecciosas causada por
microrganismos patogênicos.
Dentre os métodos mais comumente empregados na desinfecção de
água costumam utilizar cloro, monocloro, dióxido de cloro, ozônio, peróxido
de hidrogênio, radiação UV e tratamento eletroquímico. A cloração é
historicamente o processo mais empregado na desinfecção de água, porém
os subprodutos formados por este processo tem sido fator de preocupação
atualmente. (LI, FANE, et al., 2008)
O cenário atual
O sistema estudado utiliza de uma etapa de cloração no pré-
tratamento. A água que entra no sistema já se encontra clorada porém o nível
de cloro é elevado à 1 ppm (mg.L -1) e permanece em um tanque de contato
por 15 minutos.
Após a recloração a água é enviada ao setor de abrandamento onde é
amolecida e segue para a ozonificação.
Muitas pesquisas vem sendo realizadas afim de comparar a eficiência
de desinfecção entre os métodos citados.
O Ozônio segundo a tabela 1 tem a maior capacidade oxidante e assim
reage com a parede celular dos microrganismos causando grandes danos
antes mesmo de penetrar no plasma. O cloro com menor poder oxidante
causa a inativação dos microrganismos pela reação direta com elementos no
plasma, ou seja não causa danos a parede celular. (LI, ZHU e NI, 2011)
Li realizou experimentos (figura 28) que classificaram a eficiência dos
processos na seguinte ordem processo-eletroquímico > ozonificação >
cloração > monocloroação.
49
Proposta de melhoria
Após o profundo entendimento dos artigos e livros ficou
constatado a ineficiência da cloração frente ao tratamento com ozônio.
A planta purificadora de água conta com os dois processos como
pré-tratamento da água enviada à osmose na sequencia cloração →
abrandamento → ozonificação.
Figura 28 - Inativação dos microrganismos E.coli(■), S. aureus(●), BST (▲) e
Bacillus (▼), por ozonificação (B) e cloração (C)
50
Segundo Hendricks e a fabricante do equipamento de osmose reversa,
Idenor Ingenieria, o contato de cloro com a membrana do equipamento,
mesmo por um curto período de tempo é inaceitável.
Para não permitir este contato, antes de chegar à osmose reversa, 500
mL.H-1 de Metabissulfito de Sódio (Na2S2O5) são dosados no fluxo de água.
O Metabissulfito reage com o cloro segundo a reação
Na2S2O5 + H2O → 2 NaHSO3 (7)
2 NaHSO3 + 2 HOCl → H2SO4 + 2 HCl + Na2SO4 (8)
Como é formado HCl na reação, então o sistema apresenta logo em
seguida uma dosagem de NaOH a fim de neutralizar o ácido.
E é claro o sistema de desinfecção por cloro é descartável tendo
em vista que um sistema mais eficiente (Ozonificação) está presente no pré-
tratamento. E que a concentração versus tempo de contato (15 min) também
não é suficiente para eliminação da maioria dos microrganismos conforme a
figura 29
Figura 29 - Processos de desinfecção Fonte: (LECHEVALLIER e AU,
2004)
51
O sistema de cloração ainda representa perdas consideráveis no
processo:
O cloro em contato com a resina catiônica, compromete sua
integridade (MACEDO, 2000), quebrando-a e esta se acumula no filtro
bolsa de saída do sistema de abrandamento.
A adição de cloro, por consequência, obriga a adição de Metabissulfi to
de Sódio e Hidróxido de Sódio a fim de proteger as membranas. Esta
adição representa um incremento de TDS na solução na alimentação
da osmose reversa que como visto anteriormente está diretamente
relacionada ao overall recovery da osmose reversa. Portanto o cloro
está ajudando a saturar e aumentar a pressão osmótica na membrana
diminuindo sua eficiência.
Basicamente o sistema de cloração não agrega valor ao produto final e
por consequência implica em gastos desnecessários.
4.3 Substituição do gerador de Ozônio
A concentração de ozônio na água em sistemas de purificação
usualmente é empregada com dois objetivos: desinfecção em pré-tratamentos
e/ou manter baixos níveis de TOC nos tanques de armazenagem a frio
(BOTET, 2006).
Cenário atual
O sistema estudado neste trabalho apresenta dois geradores de ozônio.
O primeiro, presente no pré-tratamento, tem a função de oxidar todos os
contaminantes da água, reduzindo cor, sabor, cheiro e eliminando
microrganismos via oxidação da parede celular e elementos do plasma.
O segundo gerador de ozônio é empregado a fim de evitar o crescimento
bacteriológico (TOC) no interior no tanque de armazenagem de 30 toneladas.
Para isso, o gerador mantém a concentração de ozônio no interior do
tanque em 0,2 mg.L-1 (ppm) e mantém a água recirculando, o que dificulta a
formação de biofilmes.
52
O gerador do setor de armazenagem também é empregado para fazer a
sanitização das linhas de distribuição semanalmente, alterando a
concentração do sistema para 0,5 mg.L -1 e circulando por 40 minutos.
O equipamento de geração de ozônio utiliza dos insumos ar-
comprimido, água e energia elétrica 24 horas por dia resultando no custo
médio de R$ 4,00 por hora de utilização.
Energia elétrica 2,65kWh → R$ 0,90 / hora
Ar-comprimido 36 m³/h → R$ 2,90 / hora
Água para refrigeração 90 L/h → R$0,20 / hora
O processo físico de desinfecção por exposição à radiação UV é capaz
de inativar quase todos os microrganismos encontrados em água (MACEDO,
2000).
Na Coreia, 76% dos processos de desinfecção são feitos via UV contra
19% de ozônio (LEE, YU, et al., 2012).
A radiação UV 254nm atua nas bases purínicas e pirimidínicas
constituintes do DNA celular onde a radiação provoca mutações irreversíveis
ou letais como dimerização da timina. Isto impede a replicação do DNA ou
RNA, provocando a inativação e eliminação da célula bacteriana (BOLTON e
LINDEN, 2003).
Segundo experimentos efetuados por Lee, 2012, fica evidenciada a
grande vantagem energética que o UV tem sobre o tratamento convencional
por Ozônio.
Tabela 2 - Eficiência dos processos de desinfecção
Tratamento UV Ozônio
Eliminação de 99% 0,044 1,430
Eliminação de 99,9% 0,052 2,700
Fonte: (LEE, YU, et al., 2012)
Unidade: W.h/L
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Proposta de melhoria
No momento da escolha do processo de desinfecção ou neste caso, de
um processo para manter níveis baixos de TOC, muitos aspectos devem ser
levados em consideração como economia, tecnologia, eficiência e segurança.
Os dois processos mencionados anteriormente são largamente
difundidos, confiáveis e eficientes, porém competem entre si em termos de
economia. (LEE, YU, et al., 2012)
Partindo dos dados de Lee, das afirmações de Hendricks e das
expectativas previstas pelo fabricante do sistema Idenor Ingenieria, podemos
afirmar que um sistema de UV é idealmente mais econômico do que o atual
sistema de Ozonificação.
Segundo o quadro de Lee, o processo via UV utiliza-se de 2% a 3% da
energia necessária para realizar um trabalho via ozonificação.
Levando em conta o mesmo fluxo de recirculação necessária para o
tanque, 18 m³/h e os dados da tabela de Lee pode-se prever um custo
operacional:
Previsão de consumo via UV: 66,25 Wh
Custo do kWh pago pela empresa: 0,034488 R$/kWh
Custo previsto diário: R$ 0,55
Portanto podem-se citar algumas vantagens do UV em relação ao
Ozônio:
Menor custo – redução de 86% no custo diário
Manutenção mais simples e rápida
Mais seguro - o O3 é um gás tóxico
A substituição do ozônio não afetaria os processos de sanitização que
continuariam acontecendo de forma periódica via aquecimento.
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5 CONCLUSÃO
As três propostas de melhoria apresentadas neste trabalho, além de
estarem alinhadas com práticas mais sustentáveis, efetivamente, também
refletem em aumento de produtividade, redução de perdas, aumento da
competitividade e participação no mercado.
Os processos estudados neste trabalho, apesar de especificamente
tratarem de melhorias direcionadas para um sistema de purificação existente,
podem ser adaptados e utilizados na melhoria de sistemas similares ou como
pontos de partida para o design de novos sistemas.
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