Módulos de membranas

A aplicação de processos com membranas, à escala industrial, só foi possível acontecer devido à concepção de arranjos de membranas de elevada área superficial por unidade de volume, designadas por módulos. A corrente de alimentação ao passar através do módulo é decomposta em duas outras correntes: o retentado ou concentrado, que é a fracção retida pela membrana e o permeado, que é a fracção que permeia preferencialmente através da membrana.

Os modelos de módulos existentes baseiam-se em dois tipos de configurações de membranas: planas e tubulares. Os módulos de pratos e os módulos enrolados em espiral envolvem membranas planas, enquanto que os módulos tubulares, capilares e de fibras ocas baseiam-se em configurações de membranas tubulares (Mulder, 1996).

Em geral, uma instalação de membranas é constituída pela associação de vários módulos, que são seleccionados e configurados em paralelo ou em série, consoante o binómio produção/especificação do produto final.

A selecção de módulos e seus arranjos depende de um conjunto de critérios, a salientar:

(i) Considerações económicas – baseiam-se no custo de filtração por unidade de massa do produto, o qual é determinado pelo investimento, funcionamento, limpeza, manutenção e substituição de membranas. Nos custos de investimento inclui-se também o preço de equipamentos anexos, como os envolvidos no pré-tratamento das amostras, bombas, cubas, permutadores de calor, etc. Os custos de funcionamento são principalmente determinados com base no consumo de energia por unidade de volume de permeado produzido (Daufin et al, 1998; Mulder, 1996).

(ii) Aspecto sanitário- é determinante quando se pretende trabalhar com misturas provenientes das indústrias agro-alimentares. O módulo deve ser concebido de modo a evitar zonas mortas, susceptíveis de colmatação e desenvolvimento bacteriano, deve ser de fácil limpeza e, em certos casos, deverá ser mesmo esterilizável com vapor. Os materiais usados no seu fabrico devem estar conformes com a legislação vigente, no que diz respeito

17 ao tipo de materiais que podem ser utilizados para o contacto com produtos alimentares (Daufin et al, 1998).

(iii) Adequação do módulo- este deve responder às exigências do procedimento global, de um ponto de vista qualitativo. A filtração deve ser selectiva em relação ao produto e as condições operatórias seleccionadas não devem alterar a sua qualidade. O conjunto módulo/membrana devem poder trabalhar nas condições operatórias (temperatura, viscosidade, pH, resistência aos produtos de limpeza, etc.) do procedimento global (Daufin et al, 1998).

Na tabela 1.2.3. apresentam-se algumas características dos módulos, a título comparativo. Conforme descrito nesta tabela, os módulos de fibras ocas são os mais compactos, porque apresentam a maior área de membrana (parâmetro usado para o dimensionamento das instalações) por unidade de volume do módulo. No entanto, o controlo da polarização de concentração e colmatação é muito mau. Os módulos enrolados em espiral, para além de muito compactos, aliam condições favoráveis à transferência de massa na camada adjacente à membrana (através da introdução de promotores de turbulência), com baixos custos de funcionamento (Rosa, 1995). Embora o custo dos módulos possa variar apreciavelmente (desde muito elevado a muito baixo), nem sempre é possível escolher o módulo mais económico, uma vez que cada um deles tem o seu campo de aplicação. Assim, por exemplo, embora o módulo tubular tenha o custo mais elevado, ele é muito adequado para o processamento em aplicações onde a polarização de concentração das membranas possa ser severa, porque permite um bom controlo deste fenómeno e, para além disso, uma limpeza fácil das membranas. Por outro lado, o arranjo de preço mais económico, as fibras ocas, é muito susceptível à polarização de concentração e a sua limpeza é muito difícil, requerendo normalmente um pré-tratamento adequado da alimentação.

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Tabela 1.2.3. Comparação entre os módulos (adaptado de Pinho e Rosa, 1995; Mulder, 1996,

Daufin et al, 1998) Tipo de módulo Preço Área de membrana por unidade de volume, m2/m3 Consumo de energia Controlo da polarização de concentração Facilidade de limpeza Possibilidade de substituição de membranas Pratos planos

elevado 100-400 baixo razoável bom sim

Espiral médio 300-1000 baixo pobre/razoável razoável não

Tubular muito elevado

< 300 elevado muito bom muito bom sim/não

Capilar baixo 600 - 1200 baixo pobre mau não

Fibras ocas

muito baixo

 30000 baixo muito mau muito mau não

Muitas vezes vários arranjos podem ser competitivos em dados processos, como por exemplo a aplicação de fibras ocas e módulos enrolados em espiral para a dessalinização da água do mar, separação gasosa e pervaporação (Mulder, 1996).

Na indústria de lacticínios os módulos tubular e de pratos planos foram inicialmente muito utilizados (Mulder, 1996). Verifica-se hoje em dia que os módulos enrolados em espiral vieram, em grande parte, substituir estes.

Novos arranjos modulares têm sido desenvolvidos com o principal objectivo de reduzir o mais possível a colmatação e a polarização de concentração. Uma forma de conseguir atingir este objectivo é, por exemplo no caso das fibras ocas, alterar a direcção de circulação, passando esta a ser transversal, em vez de tangencial, estando a camada activa no exterior das fibras. Neste tipo de módulo a alimentação circula perpendicularmente às fibras, sendo a transferência de massa facilitada; as fibras funcionam como promotores de turbulência (Mulder, 1996). Outros tipos de módulos especiais, desenvolvidos com a mesma finalidade, envolvem o movimento da membrana. São exemplos deste tipo os módulos rotatórios, vibratórios e a utilização de

19 canais de alimentação na forma de tubos curvos, para criar instabilidades, designadas por vórtices de Dean, utilizados por autores como Moll et al. (2007).