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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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