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
1. Microfiltração (MF)
• 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
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
• 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
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
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
Sistema de filtração
tangencial tipo placa
Sistema de filtração
tangencial tipo placa
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”
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.
Sistemas de Osmose Reversa Dulcosmose®
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.