Microfiltração tangencial de soluções aquosas de pectina utilizando membranas cerâmicas

Abstract

Resumo: Os processos de separação por membranas vêm sendo aplicados nas indústrias com os objetivos de reduzir o consumo de energia, de recursos e de geração de resíduos; além de melhorar a eficiência e a seletividade do processo. A limitação do processo consiste no decaimento do fluxo de permeado durante a operação, devido à polarização por concentração e ao fouling. Este trabalho busca trazer uma contribuição para a compreensão da dinâmica dos processos de microfiltração tangencial, aplicados à retenção de macromoléculas, em especial a pectina. Uma unidade experimental com membranas multicanais de a-alumina com tamanho nominal de poro de 0,44 µm foi construída com sistema de controle de vazão da alimentação, de temperatura da solução e de pressão transmembrana. Ensaios a pressão de 0,4 bar, 0,8 bar, 1,2 bar e 1,6 bar foram realizados para soluções com concentração de 1,0 g/L e 2,0 g/L para avaliar o efeito da pressão transmembrana. Um delineamento fatorial completo de dois níveis e um ponto central foi montado para investigar o comportamento do sistema em reciclo total, com a temperatura da alimentação variando entre 30 °C e 50 °C, a concentração de pectina entre 1,0 g/L e 2,0 g/L e a pressão transmembrana entre 0,4 bar e 1,2 bar. As condições experimentais de maior e menor fluxo de permeado estabilizados foram reproduzidas em reciclo parcial. A seletividade do processo foi avaliada em termos do coeficiente de retenção de pectina. O fluxo de permeado foi avaliado a partir do valor de fluxo estabilizado e pelas resistências descritas pelo modelo das Resistências em Série. O comportamento dinâmico do fluxo foi descrito a partir dos modelos de Bloqueio de Poro, da Filtração Clássica a Pressão Constante, da Renovação de Superfície e pelo Combinado do Bloqueio de Poros e da Formação da Torta Filtrante. O maior valor de coeficiente de retenção obtido foi de 99,0% enquanto que o menor foi de 93,4%. O fluxo máximo para soluções a 1,0 g/L e 2,0 g/L foram obtidos com pressões de 1,2 bar e 0,8 bar, respectivamente. O aumento da temperatura promoveu um aumento no fluxo de permeado, enquanto a elevação da concentração de pectina promoveu a redução. O maior valor de fluxo de permeado estabilizado obtido foi de 238,69 kg/m²h a 50 °C, 1,2 bar e 1,0 g/L; enquanto que o menor valor foi de 112,30 kg/m²h com 30 °C, 0,4 bar e 2,0 g/L. Os valores observados em reciclo parcial foram para estas condições, respectivamente, 12% e 9% menores. Os modelos com maior capacidade preditiva são os descritos pelos modelos de Bloqueio Superficial de Poros e Formação da Torta, caracterizando os efeitos resistivos superficiais como os dominantes do processo. Os ensaios em reciclo parcial apresentaram melhor ajuste pelo modelo da Filtração Clássica a Pressão Constante.

Abstract: Separating processes using membranes have been applied in industry in order to reduce energy consumption, decrease resources use and diminish waste volume. They also improve the processes efficiency and selectivity. During the process the decline in the permeate flux is a major problem that occurs during the operation time. This decline is attributed to the membrane fouling. This work addresses some of the problems and contributes to the understanding of dynamics of crossflow microfiltration process applied to macromolecular retention (pectin). One microfiltration pilot unit with a-alumina tubular ceramic membrane (0.44 µm diameter pores) was constructed with temperature,transmembrane and feed flux controls. Experimental essays to evaluate the membranes were conducted with pectin solution of 1.0 g/L and 2.0 g/L concentration and 0.4, 0.8, 1.2, and 1.6 bar. A full factorial design with two levels and a central point was applied to investigate the behavior of the system at total recycle mode, with the feed temperature ranging from 30 °C and 50 °C, feed pectin concentration ranging from 1.0 g/L and 2.0 g/L and transmembrane pressure ranging from 0.4 bar and 1.2 bar. The experimental conditions of higher and lower of stabilized permeate flux were played on partial recycle mode. The process selectivity was evaluated using the pectin coefficient of retention. The permeate flow profile was evaluated from stabilized flux and resistances described by Resistance in series model. The flux dynamic behavior was described by Pore Blocking, Classic Filtration with constant pressure, Surface Renewal, and the Combined Pore Blockage and Cake Filtration. The greater value of retention coefficient was 99.0% and the lower one of 93.4%. The maximum flux for solutions of 1.0 g/L and 2.0 g/L were obtained, respectively, with pressure of 1.2 bar and 0.8 bar. The increase of temperature promoted an increase of permeates flux, however, the increase of pectin concentration promoted a decrease. The more elevated value of permeate stabilized flux was 238.69 kg/m²h at 50 °C, 1.2 bar and 1.0 g/L; although the small value was 112.30 kg/m²h with 30 °C, 0.4 bar and 2.0 g/L. Respectively, the observed values in partial recycle for these conditions, were 12% and 9% lower. The models with greater predictable capacity are the Surface Blocked of pores and Cake Filtration, which represented the superficial resistances effects as the main significance for the process. The assays in partial recycle presented the best fit by Classical Filtration with constant pressure.