Capítulo 3: Resultados e Discussão
3.2. Separação e purificação do extrato BDP através da tecnologia de membranas
3.2. Separação e purificação do extrato BDP através da tecnologia de
membranas.
3.2.1. Caraterização das membranas
As cinco membranas utilizadas nesta atividade experimental (AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35) foram preparadas e caraterizadas seguindo os procedimentos descritos em 2.2.7.1 e 2.2.7.2, utilizando uma instalação com duas membranas de acetato de celulose com uma área de
membrana de 147.84 cm2. De seguida, serão apresentados os valores obtidos e determinados
ao longo das atividades experimentais, tanto a nível da permeabilidade hidráulica (Lp) e limite de exclusão molecular (MWCO).
3.2.1.1. Determinação da permeabilidade hidráulica (Lp)
Para a determinação da permeabilidade hidráulica foi necessário realizar ensaios de permeação com água desionizada e determinar experimentalmente o fluxo volumétrico do permeado (Jp) a diferentes pressões transmembranares (PTM), e através das equações descritas em 1.5.2.1 foi possível relacionar graficamente estes dois parâmetros. Assim sendo, às PTM de 1, 1.5, 2, 2.5 e 3 bar, determinou-se a massa do permeado a um determinado tempo de recolha, e com estes valores foi possível calcular a fluxo volumétrico do permeado (Jp, kg/h.m2). Os valores de Jp
foram corrigidos através da Equação 1.2 para a temperatura de 25 ºC. Estes valores estão descritos no Anexo 3.
Figura 3.18. Determinação da permeabilidade hidráulica para as membranas AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35.
No gráfico da Figura 3.18 estão determinadas as Lps para as diferentes membranas estudadas neste trabalho experimental, ou seja, correspondem aos declives das retas que relacionam o Jp com a ∆P.
Os valores de Lp aumentam com o incremento da quantidade de formamida usada durante a preparação das membranas de acetato de celulose, dado que a formamida é a principal responsável pela porosidade apresentada na membrana (118,125,127). Os resultados obtidos na Tabela 3.6 encontram-se de acordo com os determinados por Minhalma et al. (132).
Tabela 3.6. Permeabilidade hidráulica (Lp) das diferentes membranas de UF.
Membrana AC20 AC22 AC25 AC28 AC35
Lp (kg/m2hbar) 1.886 2.491 10.802 23.788 56.869
3.2.1.2. Determinação do limite de exclusão molecular (MWCO)
A capacidade de rejeição das membranas a solutos orgânicos neutros com massa molecular conhecida permitiu determinar o limite de exclusão molecular (MWCO) de cada membrana de acetato de celulose preparada neste trabalho experimental. Para tal, procedeu-se à preparação de soluções de PEG e DEX a 600 ppm e efetuou-se a sua permeação à PTM de 1 bar, como descrito na Tabela 2.5, sendo registado a massa do permeado, o tempo de recolha do permeado, a temperatura e determinada a concentração dos PEG e DEX nos permeados e nas alimentações (Anexo 4.2).
Para a quantificação da concentração dos DEX e PEG presentes nos permeados e alimentações recorreu-se a um detetor IR, e à construção de retas de calibração com padrões para cada DEX e PEG. No Anexo 4.1, da Figura 6.21 à Figura 6.28, estão representadas as retas de calibração dos solutos orgânicos de referência utilizados, que relacionam a área do pico no cromatograma (µRIU*min) com a concentração (ppm).
Com base nestes valores foi possível determinar o coeficiente de rejeição aparente aos solutos orgânicos para as respetivas membranas (Tabela 3.7), para este cálculo recorreu-se à Equação 1.3.
Tabela 3.7. Coeficiente de rejeição aparente aos solutos orgânicos para as diferentes membranas à PTM de 1 bar, à temperatura de 25ºC e caudal de circulação de alimentação de 180 L/h.
AC20 AC22 AC25 AC28 AC35
PEG 1500 67% 66% - - - PEG 3000 89% 79% 62% - - PEG 6000 97% 96% 75% - - PEG 10000 - - 95% - - PEG 20000 - - - - 34% DEX 40000 - - - 93% 87% DEX 70000 - - - 99% 92% DEX 100000 - - - 100% -
Para calcular o limite de exclusão molecular (MWCO) foi necessário representar graficamente o log (f/ (1-f)) (Anexo 4.3) em função da massa molecular (MM) dos solutos orgânicos para cada membrana. Após a construção das retas log (f/ (1-f)) vs MM (Anexo 4.4 da Figura 6.29 à Figura 6.33) foi possível determinar os limites moleculares, igualando a reta obtida para cada membrana ao valor 1. Os MWCOs das membranas de acetato de celulose preparadas podem ser observados na Tabela 3.8.
Tabela 3.8. Limites de exclusão molecular (MWCO) das membranas AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35.
Membrana AC20 AC22 AC25 AC28 AC35
MWCO
(kDa) 3.8 4.6 8.6 32 62
Assim foi possível efetuar o fracionamento do extrato aquoso de folhas e talos da beterraba (BDP) através das diferentes membranas, sendo que o permeado AC20 vai apresentar os compostos com menores massas moleculares. E os extratos resultantes das permeações da membrana AC35 irão apresentar todos os compostos que permeiam através da membrana mais porosa, MWCO=62 kDa.
3.2.2. Ensaios de permeação do extrato BDP
Após a caraterização das membranas foi possível a realização do fracionamento do extrato aquoso BDP em modo de recirculação total (i.e. com recirculação do permeado e do concentrado para o tanque de alimentação) utilizando as membranas AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35 às PTM de 1, 2 e 3 bar.
Após a preparação do extrato BDP foi efetuado a sua diluição em 1:1 com água desionizada, este extrato foi o utilizado nos ensaios de permeação pelas membranas preparadas. Nestes ensaios foram recolhidas amostras da alimentação antes dos ensaios de permeação pelas membranas AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35, sendo denominadas as amostras AC20_A, AC22_A, AC25_A, AC28_A e AC35_A, respetivamente. No final dos ensaios de permeação recolheu-se a amostra da alimentação correspondente à A_Final.
Com os dados experimentais obtidos, descritos no Anexo 5, foi possível calcular o fluxo de permeação à temperatura 25 ºC (aplicando a Equação 1.2), estes são apresentados na Tabela 3.9.
Também se procedeu à determinação do Pr/PWP, este corresponde ao rácio entre o fluxo a 25ºC obtido com frações permeadas e o fluxo de permeação obtido com água pura. É utilizado como indicador do desvio à idealidade, ou seja, permite comparar o comportamento do extrato utilizado com o comportamento que se obtém para a água (127). Este parâmetro foi determinado através da Equação 3.1. 𝑃𝑟 𝑃𝑊𝑃= 𝐽𝑝(25°𝐶) 𝐿𝑝× ∆𝑃 Equação 3.1
Na Tabela 3.9 pode verificar-se, como esperado, que os fluxos de permeação aumentam com o aumento da PTM e com o MWCO das membranas estudadas. No entanto, tal como Minhalma et
al. (132) verificaram, a polarização de concentração/colmatação das membranas a quando do
processamento de CFs, leva a uma redução significativa no fluxo de permeado, uma vez que a acumulação de solutos à superfície da membrana leva à formação de uma camada que funciona como resistência adicional à permeação, tal é verificado pelos valores baixos da razão Pr/PWP.
Minhalma et al. (132) observaram também que o aumento da PTM leva ao agravamento dos fenómenos de polarização de concentração/colmatação e consequente diminuição dos fluxos.
Tabela 3.9. Dados experimentais para as membranas AC20, AC22, AC25, AC28 e AC35 relativos à variação do fluxo de permeação com a PTM a 25 ºC (Jp 25ºC) e Pr/PWP.
Fração Jp 25ºC (kg/h.m2) Pr/PWP AC20_1 0.689 37% AC20_2 1.546 41% AC20_3 2.528 45% AC22_1 1.382 47% AC22_2 2.913 50% AC22_3 4.082 46% AC25_1 8.453 78% AC25_2 17.483 81% AC25_3 23.957 74% AC28_1 19.546 82% AC28_2 32.876 69% AC28_3 40.218 56% AC35_1 36.905 65% AC35_2 47.228 42% AC35_3 51.654 30%
Neste trabalho, este comportamento foi verificado para as duas membranas de maior MWCO, AC28 e AC35. No entanto, para a membrana de menor porosidade (AC20) verificou-se que o aumento da PTM leva ao aumento da razão Pr/PWP, o que demonstra que esta membrana é menos sensível aos fenómenos de polarização de concentração/colmatação.