Estabilização
1. Filtração
1.1 Filtração
1.2 Principio da filtração
1.3 Porosidade
1.4 Equação da filtração
1.5 Fases da filtração
1.5.1 Filtração a caudal constante
1.5.2 Filtração a pressão constante
Fernanda Cosme
Filtração
Operação unitária que visa a separação de duas fases através de uma parede
porosa sendo atravessada por um das partes mas retida pela outra.
Pode fazer-se a separação:
Sólido/líquido
Sólido/ gás
Liquido/gás
Conceitos
Mistura de alimentação – suspensão sólido/líquido
Filtrado – liquido que sai do filtro
Meio de filtração – camada filtrante
Bolo ou torta de filtração – sólidos separados
Principio da filtração
Para impor a passagem do fluido através da parede filtrante recorre-se a um
diferencial de pressão (∆P = P1 –P2), este ∆P é possível ser alcançado por
diferentes vias e termos assim:
Filtração à pressão atmosférica
Filtração sob pressão
Filtração sob vácuo
Considerando a área de filtração unitária, o caudal de filtração será:
Q= dv/dt = ∆P/ ∑ Ri
Sendo: ∆P = diferencial de pressão
∑ Ri = conjunto de resistência da membrana e do bolo
Porosidade
Porosidade define-se pelo valor da relação:
ε = volume total de poros/ volume do bolo
Se:
ε constante – bolo incompressível
ε diminui – bolo compressível
Aumento da espessura do bolo
Aumento do diferencial de pressão aplicado
Exprime a fracção do volume aparente disponível para a passagem do fluido
EX: Kiselguhr
Papel
Placa de celulose
Membrana de Naylon
84-94 %
60-90 %
75-85 %
70-80 %
Equação da Filtração
A resistência global que se opõe à filtração decorre de:
Viscosidade do fluido
Resistência oferecida pelo bolo
Resistência oferecida pela membrana
A resistência ao nível do bolo é proporcional a Rb lb, em que:
Rb – resistência especifica do bolo
lb – espessura do bolo
A resistência da membrana à filtração traduz-se por Rbl, em que:
l = espessura fictícia da membrana traduzida na espessura equivalente em bolo logo,
a resistência global à filtração exprime-se por:
∑ Ri = η [Rblb
+ Rb l] = η Rb[[lb + l]
[
Em que η traduz a viscosidade dinâmica do fluido
O valor de lb estabelece-se do seguinte modo:
Se forem:
X – volume de sólido/volume de filtrado
V – volume de filtrado
A – área de filtrado
O volume de sólido retidos correspondente ao volume V de filtrado será xv, pelo que:
lb= xv/A
Considerado a área de filtrado unitária, o volume instantâneo de filtrado (dv/dt):
dv/Adt = ∆P/∑ Ri = ∆P/ η Rb((XV/A +l)
Para o filtro de área A, o caudal de filtração será:
dv/dt = Α∆P/
Α∆ η Rb((XV/A +l)
Equação geral de filtração aplicação a líquidos e gases
Fases da Filtração
Filtração a caudal constante
Considerando a equação geral da filtração
dv/dt = Α∆P/
Α∆ η Rb((XV/A +l)
A constância do caudal implica que dv/dt = k = v/t onde:
v/t = Α∆P/
Α∆ η Rb((XV/A +l)
Daqui se calcula o .∆
∆P a atingir para recolher o volume v no tempo t, a caudal
constante
∆P = vη
η Rb/At (xv/A + l)
Porque v/t = k, é possível estabelecer-se
:∆
∆P = kη
ηRbx/A2 .v+ kη
ηRbl/A
∆P = k’.v+ k’’
∆P versos v conduz a uma recta
Portanto são conhecidos os valores de A, x e de η a partir da recta calcula-se
-Rb, deduzível do coeficiente angular
-l, deduzível da ordenada na origem
Fases da Filtração
Filtração a pressão constante
Se na equação geral de filtração:
dv/dt = Α∆P/
Α∆ η Rb((XV/A +l)
For constante ∆P, dv/dt diminui à medida que aumenta o volume de filtrado (v)
Estabelece-se a relação entre v e t, separando variáveis e efectuando a integração
donde se tem:
t = ηRbx/2 A2∆P * V2 + ηRb l/A∆
∆P * V
Representação parabólica
O volume recolhido sob ∆P = K tende para um limite assimptótico
Permeabilidade
Permeabilidade, traduz a facilidade de passagem de um fluido através do
meio, considerando o movimento laminar:
Ter-se-à
Bo (permeabilidade) = 1/R
É avaliada em “darcy” unidade que traduz a permeabilidade do cubo do meio
poroso (aresta de 1 cm) através do qual passa o caudal de 1 cm 3 s -1 de um
fluido com η = 1 cP quando entre duas fases opostas se impõe ∆P =1 atm cm -2
Exemplos de permeabilidades (a título indicativo):
Darcy
Terras grosseiras
1-7
Terras médias
0.35-0.50
Terra finas
0.03-0.30
Placas clarificantes
0.15-2
Placas esterilizantes
0.017
A porosidade e a permeabilidade definem a performance de uma superfície filtrante
Optimização da exploração dos filtros intermitentes
Ciclo de trabalho: Filtração /lavagem/desmontagem/montagem
Fixar a duração de modo eu o equipamento funcione no máximo da capacidade
diária
- Se o período de filtração for muito curto
- Se o período de filtração for demasiado longo
Para cada ciclo de filtração o caudal médio traduz-se por:
Qm = v / (tm+tf)
Em que
tm – periodo morto
tf – periodo de filtração
Influência da compressão do bolo
Natureza das partículas em suspensão de um vinho e o seu poder de colmatação:
Influência da compressão do bolo
Natureza das partículas em suspensão de um vinho e o seu poder de colmatação:
Equação da Filtração
Q= A.∆
∆PBo/η
ηe
Q-caudal de filtração
A-área de filtração
∆P-diferencial de pressão
Bo-permeabilidade
η−viscosidade dinâmica do fluido
e – espessura do bolo (camada filtrante)
A filtração é condicionada pela área, pela resistência especifica e pela espessura
do bolo e da parede, assim como pela viscosidade do fluido a filtrar.
O caudal é directamente proporcional à área, ao diferencial de pressão e á
permeabilidade, e inversamente proporcional à viscosidade e à espessura
do bolo
Fases da Filtração
Fase Inicial – caudal constante
Diminuta resistência do bolo pelo que a velocidade de filtração depende apenas
do volume de suspensão levado ao filtro.
Com o aumento da espessura do bolo torna-se necessário aumentar a pressão
para manter o caudal constante.
.
Fases da Filtração
Fase de pressão constante – alcançados os limites de pressão e porque o bolo
continua a aumentar, ocorre um decréscimo do caudal.
Não existe correlação directa entre a turvação e o poder colmatante de um vinho.
A colmatagem depende mais da dimensão das partículas do que da intensidade
da Turvação
Na prática a retenção de partículas por uma superfície filtrante resulta da acção
dos dois Mecanismos, a tamisagem e a adsorção.
Os elementos mais grosseiros retidos por tamisagem formam uma camada
superficial que mantêm alguma permeabilidade.
Os elementos finos penetram nos poros podendo colmatar o filtro mais depressa.
As partículas de diâmetro menor que os poros ficam retidas no interior do meio
filtrante por adsorção, retenção mecânica ou por atracção electroestática.
Adjuvantes de Filtração
-Converter um bolo compressível em um quase incompressível
-São produtos inertes
-Constituídos por partículas
Adjuvantes mais comuns
Diatomite
-Rochas silicatadas formadas por sedimentos de algas microscopicas
-Terra de diatomáceas = terra infusórias = farinha fóssil=kieselgur
As diatomáceas são comercializadas com vários nomes (dicalite, diatomite,…)
e podem classificar-se em função da granulometria.
Adjuvantes de filtração
Kiselguhr, Terras diatomaceas
Diatomáceas naturais – cinzentas
Moídas e secas
Filtração muito apertada
velocidade de filtração reduzida
colmatam rapidamente
resíduo de matéria orgânica
Diatomáceas calcinadas - Rosas
Isentas de matéria orgânica
Filtrações finas com bons caudais
Diatomáceas “Frittés” - Brancas
Textura grosseira
Obtidas por calcinação carbonato de cálcio
Filtração
Aplicações Enológicas da filtração
Ao vinho
Clarificação – Eliminar contaminantes
. Terras
. Cristais
: Coloides
. Partículas da uva
Estabilização – Eliminar possíveis problemas
.Cristais tartáricos
.Coloides protectores
. Microrganismos
Esterilização – reduzir ao máximo a presença de bactérias e de
leveduras
Filtração
Aplicações Enológicas da filtração
Fluidos de Serviço
Águas – Eliminar contaminantes
Lavagem de vasilhas
Enxaguadoras
Circuito C.I.P.
Ar comprimido – circulação, inertização e limpeza
Filtração
Qualidade da filtração
Limpidez, Retenção
Limpidez obtida sem que no entanto sejam afectadas as características sensoriais
como a cor, aroma ou sabor
Quantidade da filtração
Caudal, Volume Filtrado, Colmatagem
Caudal de filtração é o volume de vinho filtrado por unidade de tempo. Diminui até
à colmatagem do filtro.
Filtração
Qualidade do filtrado
Análise corrente, Análise sensorial, Fracção aromática
Rendimento da filtração – volume total de vinho filtrado por ciclo de filtração (até
à colmatagem).
OBJECTIVO
Clarificar vinhos retirando o máximo de partículas indesejáveis. Modificando o
mínimo possível a estrutura química, ou seja, a qualidade gustativa.
Tipo de Filtração
Filtração Frontal
O fluxo do meio a filtrar é perpendicular à superfície filtrante
Colmatagem fácil
Limiar de retenção limitado
Tipos: Aluvionagem, Placas, cartuchos e membranas
Filtração tangencial
O fluxo do meio a filtrar é paralelo à superfície filtrante
Colmatagem difícil
Limiar de retenção baixo
Tipos: membranas minerais e orgânicas
SISTEMAS DE FILTRAÇÂO
Tamisagem: Os canais da camada filtrante são mais pequenos do que as
partículas a reter, logo como não podem passar obstruem a entrada.
Constata-se
que
a
sua
colmatagem
é
rápida.
SISTEMAS DE FILTRAÇÂO
Profundidade: As partículas finas ficam presas na malha da estrutura porosa da
camada.
Adsorção: Os filtros com trabalho à base de celulose utilizam principalmente a
adsorção, fenómeno superficial de retenção. Os canais do filtro (carga +) com
diâmetro superior as partículas (carga -), irão ser retidas, até que o seu poder de
adsorção esteja saturado. A fixação das partículas neste caso será tanto mais
facilitada, quanto menor for a velocidade de passagem do vinho. Paralelamente,
haverá uma retenção também por tamisagem, tanto mais eficaz, quanto menor o
diâmetro
dos
poros
presentes
na
massa
de
celulose.
Eficácia
Eficácia – exprime em percentagem a eficácia de retenção de um filtro
E (%) = [(Ni – No) / Ni] x 100
Ni – nº de partículas de diâmetro > µm INICIAL
No – nº de partículas de diâmetro > µm FINAL
Tipos de filtração quanto à fase do processo
e grau de limpidez pretendido
Filtração de desbaste
É aplicada a vinhos bastante turvos, em bruto ou a seguir a uma colagem.
È uma filtração aberta, ou seja são usados agentes rápidos.
Usualmente é feita com filtros de terras. Em pequenos volumes podem
usar-se filtros de placas.
Visa a eliminação das matérias em suspensão e uma certa redução
da carga microbiana
Tipos de filtração quanto à fase do processo
e grau de limpidez pretendido
Filtração clarificante
É uma filtração fina, com objectivo de dar brilho ao vinho.
È aplicada normalmente antes do engarrafamento.
O rendimento e a qualidade desta filtração depende em muito do
trabalho de clarificação/estabilização precedente.
Visa a obtenção de um vinho límpido e estável.
Tipos de filtração quanto à fase do processo
e grau de limpidez pretendido
Filtração esterilizante
Aplicada a alguns vinhos antes do engarrafamento
vinhos com açúcar residual
Vinhos em que haja riscos de fermentação maloláctica em garrafa.
È feita habitualmente em placas muito serradas ou filtros de membranas.
Visa a obtenção de um vinhos brilhante, estável e com uma carga microbiana
praticamente nula.
Função no processo
Classificação
Clarificação abrilhantar
Filtro de profundidade
Prefiltração
Filtro em superfície
Filtração final
Filtro de membranas
Modo de actuação dos principais meios filtrantes
usados em Enologia
Celulose - Elevado poder de adsorção
Diatomáceas - Adsorção e tamisagem
Perlite - Tamisagem (Adsorção reduzida)
Placas - Tamisagem e Adsorção
Membranas - Tamisagem
Na prática, numa filtração há uma actuação conjunta dos dois mecanismos,
Embora com importância relativa diferente, consoante a filtração.
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Coadjuvante de filtração
São produtos que pelas suas características (alta permeabilidade,
porosidade, indeformáveis) permitem filtrar volumes importante.
São
também designados adjuvantes ou terras de filtração. Os mais importantes
são:
Kieselgur -`´E uma rocha natural originada pela acumulação de carapaças
fosseis de algas microscópicas ou diatomáceas
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Perlites –rochas vitrosade origem vulcânica, bastante abrasiva para os
componentes metálicos
Celulose – obtida de madeira por reacções químicas que libertam fibras,
seguido de purificação e acção mecânica, de cuja intensidade depende a
granulometria. Em enologia é usada principalmente no fabrico de placas e
nas pré camadas na filtração por aluvionagem
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Filtração por aluvionagem, com a presença de uma adjuvante em suspensão
- Incompressível assegura um caudal elevado ao longo da filtração
-Baixo custo de filtração
-Efeito de tamisagem
-Efeito de absorção – retenção em profundidade
-Efeito de adsorção limitado –não se verifica
-Grande capacidade de adaptação à turvação
-Área de filtração de 1 a 100 m2
-caudais possíveis até 90 000 L/h
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Velas
Terras depositadas em tubos (velas)
Horizontais e verticais
Principais tipos de filtros de aluvionagem
Filtro de velas
Vantagens
-Superfície de filtração importante
-Aumento da superfície filtrante durante a filtração
Desvantagens
-Manutenção do bolo delicada
-Dificuldade de higienização com gastos de água elevados
-Uma paragem obriga a reiniciar o processo
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Pratos verticais
Terras depositadas nas duas faces dos pratos verticais dispostos ao longo
de um eixo
Principais tipos de filtros de aluvionagem
Filtro de discos verticais
Vantagens
-Filtração dos dois lados do quadro
-Extracção do bolo a seco
-Supressão motor eléctrico rotação elementos filtrantes
-Preço atractivo por superfície filtrante
Desvantagens
-Dificuldade de distribuição uniforme das terras
-Manutenção do bolo delicada
-Uma paragem obriga reiniciar a filtração
-Gastos de água elevados
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Pratos horizontais
Terras depositadas na face superior dos diversos pratos
Principais tipos de filtros de aluvionagem
Filtro de discos horizontais
Vantagens
-Poder parar a filtração
-Filtrar todo o vinho da campânula
-Extracção do bolo a seco
-Baixo consumo de água
Desvantagens
-Só filtra de um dos lados dos discos
-Desmontagem dos elementos filtrantes difícil
-Custo elevado
Tipo de Filtros
Filtros de aluvionagem (Filtros de terra)
Rotativos de vácuo
Cilindro rotativo de eixo horizontal cuja superfície é revestida por terras
Filtros de Placas
Placas
Retenção mecânica pela dimensão dos poros e das partículas
Retenção electrostática devido á carga positiva existente nas malhas das placas
Retêm microrganismos e a maior parte dos coloides protectores
Constituídas por fibras de celulose adicionadas de perlite, diatomáceas e resinas
catiónicas que lhes conferem potencial zeta positivo
Filtros de Placas
Filtros de placas
Placas simples
Uma única sequência
Filtros de Placas
Filtros de placas
Polifiltros
Permite mais do que uma sequência de placas e de porosidade
Filtros de placas
Filtros de Placas
Cartuchos lenticulares
Grande superfície de filtração
Flexibilidade de utilização
Grande volume de filtração
Fácil lavagem
Reutilizáveis
Filtros de membrana
Membranas de tamisagem
Membranas de profundidade
Polipropileno
Ésteres de celulose
Policarbonato
Polipropileno
Aplicação
Microfiltração frontal 10 /0.1 µm
Microfiltração tangencial 0.1 /0.02 µm
Ultrafiltração 0.1 /0.002 µm
Osmose inversa 0.01 /0.001 µm
Electrodiálise
Materiais e adjuvantes de filtração
Polipropileno
Grande estabilidade química
Grande estabilidade térmica
Grande estabilidade mecânica
Diferentes níveis de filtração
Muito utilizado como suporte
Muito utilizado como filtro
Policarbonato
Grande estabilidade química
Grande estabilidade térmica
Grande estabilidade mecânica
Muito utilizado como pré-filtro
Materiais e adjuvantes de filtração
Poliamida, Naylon
Nitrato de celulose
Utilizado em membranas
Utilizado em membranas
melhor estabilidade térmica
melhor estabilidade química
melhor resistência mecânica
Utilizadas em misturas com os ésteres
Biologicamente inertes
Autoclaváveis
Resistentes quimicamente
Fluoreto de polivinilideno
Politetrafluoretileno
Utilizado em membranas
Utilizado em micromembranas
grande estabilidade térmica
Boa estabilidade química
grande estabilidade química
Boa estabilidade térmica
grande estabilidade mecânica
Boa estabilidade mecânica
É autoclavável
Materiais e adjuvantes de filtração
Esteres de celulose
Utilizado em membranas
Diacetato e triacetato de celulose
Elevada permeabilidade
boa capacidade de filtração
Muito sensível às temperaturas
Sensível ao pH
Materiais cerâmicos
Atacáveis por microrganismos
Utilizado na ultra e micro filtração
Inertes e inalteráveis
Granulometria e porisidade variável
(óxidos de alumínio, zircónio e titânio)
A Filtração no fluxo de produção
Defecção de mostos brancos
- filtro de vácuo
- filtro de prensa
Clarificação de borras
-filtro de prensa ou de vácuo
Clarificação rápida de vinhos em fim de fermentação
-filtro de terras
Clarificação de vinhos antes do tratamento de estabilização
- filtro de terras
-filtro de placas
Clarificação após tratamento de estabilização
- filtro de terras
-filtro de placas
Clarificação prévia à última filtração
- filtro de terras
-filtro de placas
Engarrafamento
- filtro de placas
- filtro de membrana
•Filtrar mostos para eliminar leveduras e substâncias azotadas
•Filtrar vinhos para:
- separar as massas
- eliminar os precipitados após a refrigeração
- no seguimento dos tratamentos de clarificação
- obter um efeito “brilhante” antes de engarrafamento
- obter um efeito “esterilizante antes do engarrafamento
Substâncias que podem ser eliminadas por filtração
Compostos salinos
Deposito de cristais
Bactérias
Leveduras
Resíduos de clarificação
Dispersões coloidais floculadas
Pectinas
Partículas insolúveis orgânicas e não orgânicas