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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS
• Servem tanto para separação como para concentração• Se aplicam a moléculas e a partículas finasOs 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• Boa seletividade, em muitos casos• Concentração e purificação pode ser alcançada
em uma etapa• Fácil ampliação de escala e flexibilidade
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• 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
1. Microfiltração (MF)
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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”
• Pequenos solutos podem passar pela membrana, mas macrossolutos e colóides são retidos
• 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
• Outros solventes podem atravessar a membrana semipermeável (ex. álcool)
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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, gorduraProteinasLactoseMinerais (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
• 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
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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 filtranteSeu 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
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Tais parâmetros são influenciados por:• Concentração de polarização, que é um
gradiente de concentração próximo à membranaSolução: 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.
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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
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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)
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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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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.
Sistemas de Osmose Reversa Dulcosmose®