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

• 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

1. Microfiltração (MF)

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

Processo 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

100 a 500

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.

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:

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

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”

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)

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.

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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