Tipos de Processos

Existem diversos processos que utilizam membranas como barreira de separação (Tabela 3.4). Dentre esses processos, podem ser citados aqueles que utilizam o gradiente de pressão, ∆P, como força motriz (micro, ultra e nanofiltração e osmose reversa) e aqueles que usam outros gradientes como força motriz, que seria o caso da pervaporação (gradiente de pressão parcial dos componentes entre o lado da alimentação e do permeado, ∆Pa), diálise (gradiente de concentração, ∆C), eletrodiálise (gradiente de concentração, ∆C, e potencial elétrico, ∆E), entre outros. Nesse trabalho será dada atenção especial para o primeiro caso, ou seja, processos que utilizam o gradiente de pressão como força motriz.

Tabela 3.4: Processos de separação por membranas (Fonte: HABERT et al., 2006).

Processo Força motriz Material retido Material que permeia

Microfiltração ∆P (0,5 – 2 atm) Material em suspensão, bactérias. MM >500 kDa Água e sólidos dissolvidos Ultrafiltração ∆P (1 – 7 atm) Colóides, macromoléculas. MM >5000 Da Água, sais solúveis de baixa MM Nanofiltração ∆P (5 – 25 atm) Moléculas de MM média

500 < MM < 2000 Da Água, sais e moléculas de baixa MM Osmose reversa ∆P (15 – 80 atm)

Todo material solúvel ou

em suspensão. Água

Diálise ∆C Moléculas de MM >

5000 Da.

Íons e orgânicos de baixa MM Eletrodiálise ∆E _{compostos não iônicos} Macromoléculas e Íons

Permeação

de gases ∆P e ∆C Gás menos permeável

Gás mais permeável Pervaporação Pressão de vapor Líquido menos

permeável

Líquido mais permeável

MM: Massa Molecular

3.4.1.1 Microfiltração

A microfiltração é o processo de separação com membranas mais próximo da filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros na faixa entre 0,1 e 10

µm, sendo, portanto, indicada para retenção de materiais em suspensão e emulsões. Como as membranas de microfiltração são relativamente abertas, as pressões empregadas como força motriz para o transporte são pequenas, dificilmente ultrapassando 2 bar. Na microfiltração o solvente e todo o material solúvel permeiam a membrana, enquanto que o material em suspensão é retido (CHERYAN, 1998; HABERT et al., 2006; MULDER, 1997).

Na indústria de alimentos, a microfiltração é comumente utilizada na clarificação e esterilização em substituição à centrifugação e da utilização de altas temperaturas, respectivamente (FILTRATION+SEPARATION, 2004).

3.4.1.2 Ultrafiltração

A ultrafiltração é um processo por membranas utilizado quando se deseja purificar, fracionar ou concentrar soluções contendo macromoléculas (FILTRATION+SEPARATION, 2004). As membranas de ultrafiltração apresentam poros na faixa entre 0,001 a 0,1 µm (BAKER, 2004). Como os poros das membranas de ultrafiltração são menores, uma força motriz maior é necessária. Por este motivo, as diferenças de pressão através da membrana variam na faixa de 2 a 10 bar (HABERT et al., 2006).

3.4.2 Membranas

A caracterização das membranas pode ser feita de acordo com sua estrutura morfológica, natureza (material) e configuração modular.

3.4.2.1 Morfologia

A estrutura da membrana é muito importante para entender os mecanismos de separação e difusão. Basicamente, elas podem ser divididas em duas morfologias: membranas densas e porosas (OSADA e NAKAGAVA, 1992).

As membranas são consideradas densas quando o transporte dos componentes envolve uma etapa de dissolução e difusão através do material que constitui a membrana. A membrana é denominada porosa quando o transporte dos permeantes ocorre preferencialmente em uma fase contínua, que preenche os poros da membrana (HABERT et al., 2006).

Tanto as membranas densas como as porosas podem ser isotrópicas (simétricas) ou anisotrópicas (assimétricas), ou seja, podem ou não apresentar as mesmas características morfológicas ao longo de sua espessura. As membranas anisotrópicas podem ser de dois tipos: integral, constituída por um único material, ou composta, quando cada região da membrana é formada por um material diferente (HABERT et al., 2006).

3.4.2.2 Material

As membranas podem ser classificadas em naturais e sintéticas. O primeiro caso é representado pelas membranas biológicas que desempenham funções fisiológicas nos organismos vivos. As membranas sintéticas, por sua vez, podem ser divididas em orgânicas, em sua grande maioria polímeros (acetato de celulose, poli(sulfona), poli(éter sulfona), poli(acrilonitrila), etc), e inorgânicas, como metálicas e cerâmicas (BAKER, 2004; CHERYAN, 1998; HABERT et al., 2006; MULDER, 1997).

A escolha do material da membrana é determinada, principalmente, em função da sua resistência à pressão, à temperatura, ao pH e compatibilidade química. Muitos estudos têm demonstrado que o material da membrana pode ter algumas influências sobre o processo de micro e ultrafiltração (GIRARD e FUKUMOTO, 2000).

3.4.2.3 Configuração

Diversas configurações de membranas (tubular, quadro e placa, fibra oca ou “hollow fiber” e espiral) têm sido utilizadas na indústria de alimentos há vários anos (FILTRATION+SEPARATION, 2004). Segundo Rautenbach e Albrecht (1989) as diferentes configurações devem atender características de interesse, tais como: alta razão de área de permeação por volume ocupado, baixo custo de fabricação, facilidade de operação e de limpeza, além da possibilidade e facilidade de substituição da membrana.

O módulo tubular geralmente está limitado a aplicações envolvendo ultrafiltração. Tipicamente, as membranas tubulares consistem de um filme de solução polimérica depositado sobre a superfície de um tubo poroso, que pode ser de material cerâmico ou um tipo de papel poroso (BAKER, 2004). A vantagem dessa membrana é o fácil ajuste da velocidade da alimentação e limpeza mecânica da incrustação formada (OSADA e NAKAGAWA, 1992).

No módulo de quadros e placas, as membranas planas são dispostas alternadamente entre cada placa, separadas por um quadro, formando canais

retangulares por onde o fluido passa. A alimentação é forçada a atravessar a superfície das membranas e o permeado é coletado em uma linha central de coleta (BAKER, 2004; MULDER, 1997). Essa configuração resulta em maior área por unidade de volume que o sistema tubular (OSADA e NAKAGAWA, 1992).

O modo espiral consiste, simplesmente, de uma série de espaçadores e membranas enroladas ao redor de um tubo central de coleta do permeado (BAKER, 2004). Esse módulo tem uma grande área de membrana por unidade de volume, porém, sofre muito com a formação da incrustação (OSADA e NAKAGAWA, 1992).

A configuração tipo fibra oca consiste de um grande número de capilares, com diâmetro de 0,5 a 1,5 mm, resultando em uma grande área de membrana por unidade de volume (OSADA e NAKAGAWA, 1992).