Separação por membranas, Notas de aula de Destilação

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Operações Unitárias

Alice Gomes Miranda

alicegmiranda30@gmail.com

Processo de separação por

membrana

Operações Unitárias

UFVJM - Diamantina - 2019

INTRODUÇÃO

Em operações industriais, em particular de processos químicos, com a finalidade de produzir compostos com determinadas especificações, é necessário separar, concentrar e purificar espécies presentes em diferentes correntes dos processos envolvidos. Para estas operações, os processos de separação por membranas têm-se destacado como alternativas bastante promissoras aos processos clássicos de separação, uma vez que estes oferecem vantagens no que se refere ao consumo de energia, especificidade e facilidades de scale-up.

Em aplicações na área da biotecnologia, com vista à recuperação de bio-produtos de valor acrescentado (proteínas, antibióticos, vitaminas, amino ácidos, etc.), é bem conhecido que existem alguns problemas que dificultam o processamento de correntes provenientes de processos biotecnológicos, nomeadamente as características do mosto das fermentações que normalmente se apresenta em concentrações muito baixas. Os custos energéticos envolvidos nesta etapa de recuperação de compostos a partir de soluções muito diluídas são muito superiores aos custos das matérias-primas e da fermentação/bioconversão e são determinantes para tornar economicamente viável a produção dos produtos finais.

Outro desafio que é preciso enfrentar na separação de produtos biotecnológicos prende-se com o fato de produtos como os antibióticos e proteínas, serem muito sensíveis a variações drásticas de temperatura, pH e força iónica da solução. O recurso à separação por membranas permite, de algum modo, resolver esse tipo de problemas. Processos baseados em membranas como a Microfiltração, Ultrafiltração e a Nanofiltração, têm sido apontados como uma boa solução, por serem processos de baixo consumo energético e que proporcionam um tratamento eficiente do mosto, quer para recuperar produtos celulares ou intracelulares, quer para obter o mosto clarificado.

O desempenho ou eficiência de uma membrana é determinada por dois parâmetros: a seletividade e o fluxo. A seletividade é normalmente expressa pelo coeficiente de retenção, R = 1 – C P

/C

F

- C

F representa a concentração do soluto na alimentação

• CP a concentração do soluto no permeado ou filtrado. O fluxo ou velocidade de permeação é definido como o volume de solução que atravessa a membrana por unidade de área e por unidade de tempo (L 3 .L 2 .Θ

)

No processo de separação por membranas, a corrente de alimentação com concentração do soluto CF é alimentada em escoamento tangencial ao longo da superfície da membrana e divide-se em duas correntes, o concentrado ou retido e o permeado. A corrente do retido é essencialmente constituída por partículas e solutos rejeitados pela membrana, cuja concentração CR é superior à CF, enquanto a de permeado por solvente ou solução clarificada.

Os principais processos de membranas utilizam como força motriz o gradiente de potencial químico e/ou o gradiente de potencial eléctrico. Como a maioria dos processos ocorrem em condições isotérmicas, o gradiente de potencial químico é expresso em termos do gradiente de pressão, concentração ou pressão parcial de acordo com a equação, μi - potencial elétrico da espécie i, λi - coeficiente de atividade, xi - fracção molar, vi - volume molar e ΔP – o gradiente de pressão.

TIPO DE MEMBRANAS E CONFIGURAÇÕES

Mais recentemente, têm surgido no mercado membranas baseadas em materiais inorgânicos, dos quais se destacam aquelas preparadas a partir de materiais cerâmicos, tais como alumina, zircónio, sílica e hematite. Estas membranas apresentam maior vida útil e permitem operar em intervalos alargados de pH e temperatura. Entre as desvantagens, estão o seu elevado custo e a pouca flexibilidade por serem materiais duros e quebradiços e com baixa resistência ao impacto.

As membranas são utilizadas em diversas configurações: tipo planar, tubular, fibra ocas e em espiral. As membranas planares formam uma configuração do tipo “plate and frame”, isto é, são dispostas paralelamente, separadas por espaçadores e suportes porosos. apresentam uma densidade de empacotamento (área superficial de membrana por volume de módulo, A/V) baixa que pode variar entre 100 a 400 m 2 /m 3 .

A configuração tubular é constituída por tubos de material polimérico ou cerâmico, cujo diâmetro normalmente é superior a 10 mm, inseridos dentro de módulos de geometria cilíndrica. A relação A/V do módulo também é considerada baixa, sendo sempre menor que 300 m 2 /m 3 .

Tubular