PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR
MEMBRANAS
• Servem como meio de separação e de concentração
• Se aplicam a moléculas e a partículas finas
Os seguintes processos, operados por pressão, podem
ser empregados para separar componentes de meios
de fermentação: - Osmose inversa
- Ultrafiltração
- Filtração tangencial
- Diálise
Algumas vantagens destes processos são:
• Emprego de moderadas ou mesmo baixas
temperaturas
• Baixo efeito químico e mecânico prejudiciais
• Não envolve mudança de fase
• Boa seletividade, em muitos casos
• Concentração e purificação pode ser alcançada
em uma etapa
• Fácil ampliação de escala e flexibilidade
1. Osmose inversa (OI)
• Usa membranas permeáveis à água mas não
aos sais e outras moléculas
• 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)
Osmose
2. Ultrafiltração (UF)
• Membranas apresentam microporos
• A água atravessa a membrana a custa de
uma pressão moderada
• Pequenos solutos podem passar pela
membrana, mas macrossolutos e colóides
são retidos
3. Filtração tangencial (FT)
•
•
•
•
Constitui uma extensão da ultrafiltração
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
4. Diálise (DI)
• Membranas possuem poros menores que UF
(possuem características de OI e de UF)
• Processo separa mistura de solutos com base,
sobretudo, no tamanho molecular (também por
forma e carga líquida da molécula)
• Separação se dá por diferença de concentração
• Para solutos iônicos, usa-se a eletrodiálise
Características de algumas membranas
de acordo com o processo de filtração
Processo Porosidade Tamanho
(%)
do poro
OI
UF
1-10
FT
30-70
DI
10-20
0,1-20
nm
0,1-1,0
m
0,3-3,0
nm
Pressão
(kPa)
700 a
20000
100 a
500
Vazão
(L/m2.h)
1-20
100 a
500
-
50-1000
10-200
-
Tipos de membranas
Filtração tangencial
Tipos de sistemas de filtração tangencial
Retido
Macrossolutos
retidos
Membrana
Permeado
Alimentação
Filtro tipo cartucho espiral.
Solventes e
Microssolutos
Separador de
membrana
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:
PTM = (Pa + Pr) - Pf
2
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)
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)
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”
A variáveis do processo são as mesmas em qualquer escala.
Após a definição da PTM, da velocidade de escoamento e
da capacidade de filtração (J), a ampliação de escala é feita
em função do volume a ser processado.
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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