PROCESSO DE SEPARAÇÃO COM MEMBRANAS

Os processos de separação por membranas são baseadas na transferência dos solutos através de uma membrana semipermeável. A membrana é uma barreira física permeável e seletiva que separa duas fases distintas, restringindo o transporte de componentes de uma fase para outra.

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Os setores da indústria química que utilizam membranas em seus processos são muito diversos: biotecnologia, tratamento de águas industriais, indústria alimentar, farmacêutica e outros. A vantagem das membranas nesses processos se refere à especificidade e baixo consumo de energia.

Desde 1960 os processos de separação por membranas têm sido sugeridos como uma alternativa para a extração do ácido láctico (Prado-Rubio, 2010). Avanços nas tecnologias baseadas na separação e purificação com membranas, particularmente em microfiltração, ultrafiltração e eletrodiálise levaram a criação de novos processos de produção do ácido láctico que não produzem um sal como resíduo (Datta e Henry, 2006), como no processo tradicional de precipitação.

A eletrodiálise é um método de separação em que são usadas membranas trocadoras de íons, catiônicas e aniônicas, que são seletivamente permeáveis aos íons positivos e negativos, respectivamente. Essas membranas são dispostas alternadamente entre o cátodo e o ânodo, e pela aplicação de um potencial elétrico entre os eletrodos, ocorre a migração dos cátions em direção ao cátodo e dos ânions em direção ao ânodo.

As membranas empregadas em eletrodiálise são poliméricas, não porosas e possuem

espessura entre 10 e 500 m (Porciúncula, 2007). Entre as suas principais aplicações destacam-se

a remoção de sais de soluções ou para concentrar substâncias iônicas (Hábová et al., 2004). Um tipo especial de configuração é a eletrodiálise com membranas bipolares. Estas membranas

podem dividir e separar a água em prótons (H+) e íons hidroxila (OH-), como mostrado na Figura

2.6. As membranas podem operar com aproximadamente 80% da eficiência termodinâmica teórica (Datta e Henry, 2006).

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Figura 2.6: Esquema e operação de uma membrana bipolar de eletrodiálise (Datta e Henry, 2006

Adaptado).

O Instituto de Biotecnologia de Michigan (MBI) e o Laboratório Nacional de Argonne (ANL) desenvolveram um processo que emprega duas eletrodiálises, como mostrado na Figura 2.7, obtendo resultados muito promissores. O processo usa uma eletrodiálise de dessalinização para remover os cátions multivalentes e concentrar o sal de lactato e uma unidade de eletrodiálise para a separação da água com membranas bipolares, produzindo um ácido láctico concentrado e reciclando a amônia. A etapa de eletrodiálise de dessalinização é muito importante, pois proporciona ao processo uma operação eficiente e econômica. Nessa etapa, o sal de lactato é concentrado em duas vezes ou mais (de uma concentração no caldo de 8-10% para cerca de 20% em peso); o produto é purificado, os íons divalentes são rejeitados em 98-99%; o rendimento de recuperação é alto e o consumo energético é baixo (0,33 kWh/kg). Essa configuração com dupla eletrodiálise mostrou um grande potencial para promover um processo eficiente e econômico de recuperação e purificação do ácido láctico derivado da fermentação sem a geração de sal como resíduo (Datta e Henry, 2006).

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Figura 2.7: Esquema de processo com dupla eletrodiálise (Datta e Henry, 2006 Adaptado).

Diversos estudos de recuperação do ácido láctico utilizando membranas têm sido reportados:

 Kim e Moon (2001) estudaram a viabilidade econômica da aplicação da

eletrodiálise no processo de recuperação do ácido láctico utilizando a eletrodiálise de um estágio.

O processo possibilitou uma alta produtividade volumétrica do ácido láctico (71,7 g/dm3 h) e se

mostrou uma alternativa viável em termos de redução de custos e melhora no processo de separação.

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 Madzingaidzo et al. (2002) estudaram o desenvolvimento e otimização do

processo de purificação do ácido láctico utilizando eletrodiálise. Redução significativa na cor e minerais na corrente de produto foi observada durante a purificação.

 Choi et al. (2002) estudaram a recuperação do ácido láctico a partir do lactato de

sódio usando a eletrodiálise convencional, que consiste em membranas de troca catiônica e aniônica e a eletrodiálise de substituição iônica, que consiste em membranas somente de troca catiônica. Os experimentos mostraram eficiente produção de ácido láctico, removendo 95% dos íons sódio da solução de alimentação.

 Li e Shahbazi (2006) estudaram a separação do ácido láctico da lactose utilizando

as membranas de ultrafiltração e nanofiltração combinadas. Os resultados mostraram que quando 99-100% da lactose foi retida, 64% do ácido láctico pode ser recuperado no permeato.

 González et al. (2008) estudaram a recuperação do ácido láctico por nanofiltração

utilizando dois tipos de membranas de poliamida. Uma forte influência do pH no transporte do ácido láctico através das membranas foi observado.

 Dey e Pal (2012) estudaram um sistema de membranas integrado a um reator

contínuo para a produção de L-(+) ácido láctico. O sistema forneceu ácido láctico de elevado grau de pureza, rendimento e concentração.

 Lu et al. (2012) estudaram a produção em escala piloto do L-(+) ácido láctico em

um biorreator composto de um fermentador de 3000 L e um equipamento de microfiltração de cerâmica. A membrana de cerâmica mostrou vantagens em relação a tolerância à temperatura, à pressão e ao ácido comparada com a membrana de ultrafiltração orgânica.

 Ecker et al. (2012) estudaram a nanofiltração para a separação do ácido láctico e

aminoácidos variando o material das membranas e os parâmetros do processo. A unidade de nanofiltração não produziu produtos de elevada pureza e mais uma etapa de tratamento entre o ácido láctico e o aminoácido deve ser realizada.

 Sikder et al. (2012) fizeram uma análise tecno-econômica do sistema de

membrana integrada ao biorreator para a produção de ácido láctico com pureza de 95%. As etapas consideradas foram: esterilização, fermentação, microfiltração, nanofiltração e a concentração final por evaporação a vácuo. O custo de produção do ácido láctico de pureza 95% foi avaliado em 3,15 US$/kg. A etapa de fermentação sozinha representou 36% do custo do investimento de capital enquanto que a separação e a purificação (microfiltração, nanofiltração e

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bombas) contribuíram com 2%. Os dois maiores custos de operação foram o extrato de levedura e o custo da matéria-prima, contribuindo com 87% e 6%, respectivamente.

 Ramchandran et al. (2012) adaptaram um processo com membranas que tem sido

tradicionalmente utilizado para tratamento de água. A retrolavagem com meio rico em nutrientes em intervalos regulares de tempo foi efetivo na manutenção do fluxo da membrana. A reposição do meio permitiu que o rendimento e o desempenho das culturas fossem melhorados.

 Pal et al. (2013) produziram L(+) ácido láctico usando um reator híbrido com três

estágios de membrana. Os módulos de membrana de microfiltração e nanofiltração permitiram a produção seletiva de L(+) ácido láctico sob elevada densidade celular com reciclo de células e açúcares não convertidos. Foram obtidos elevado rendimento (0,96 g/g), produtividade (12,4 g/(L.h)), concentração (250 g/L) e pureza (95%).

 Wang et al. (2014) desenvolveram um novo processo em que a fermentação e a

separação foram integradas com o uso da membrana de microfiltração. Esse processo solucionou o problema de inibição por produto e aumentou o tempo de crescimento das células de 41 h para 120 h. A produção de ácido láctico foi melhorada em 23% obtendo uma concentração de 183,4 g/L, o rendimento global foi de 0,97 g/g e a produtividade foi de 1,53 g/(L.h). Os resultados indicaram que o sistema integrado pode ser benéfico para a produção contínua de ácido láctico.

Os processos de separação com membranas oferecem grande flexibilidade na escala de produção dependendo da demanda do mercado. Em virtude da alta seletividade, as membranas podem assegurar elevados níveis de purificação e separação. Como as membranas de seletividade e permeabilidade escolhidas podem ser facilmente integradas com os fermentadores convencionais, permitindo a produção simultânea e a purificação na mesma unidade, elimina-se a necessidade de unidades de separação adicionais, reduzindo-se dessa forma custos com equipamentos (Pal et al., 2009). Apesar das vantagens, o elevado custo das membranas, os problemas de incrustação e polarização impedem o uso dos processos de eletrodiálise. Portanto, mais pesquisas devem ser realizadas para a otimização desse processo (Tugtas, 2011).

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