FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS MICROFILTRAÇÃO,ULTRAFILTRAÇÃO E OSMOSE INVERSA. A filtração por membranas é quase sempre tangencial!!!

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1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS DA INDÚSTRIA FARMACÊUTICA ALM 602 FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS MICROFILTRAÇÃO,ULTRAFILTRAÇÃO E OSMOSE INVERSA Processos de filtração por membranas MEMBRANA: barreira seletiva entre 2 fases a interface é uma barreira física que é permeável a alguma das substâncias presentes na corrente. Os processos de filtração por membranas englobam: microfiltração ultrafiltração osmose inversa ACCÁCIA JÚLIA GUIMARÃES PEREIRA MESSANO 2010 A filtração por membranas é quase sempre tangencial!!! Configurações PROCESSOS BIOTECNOLÓGICOS Usos de membranas em Biotecnologia 1

2 Aplicações filtração membranas- indústrias farmacêuticas e de cosméticos Fracionamento, concentração e purificação de macromoléculas solúveis, tais como: proteínas de plasma, vacinas, polipeptídicos, enzimas e fermentos Separação e concentração de microssolutos tais como: antibióticos, vitaminas e ácidos orgânicos Fracionamento e concentração de sangue, plasma, albumina e globulina Fermentação contínua via remoção dos agentes reativos e fracionamento seletivo Fracionamento e concentração em fermentação por bateladas Aplicações filtração membranas- indústrias farmacêuticas e de cosméticos Purificação e concentração de extratos animais e vegetais para reduzir consumo de agentes de precipitação fracionada (ex. etanol) Dessalinização de compostos orgânicos Remoção de contaminantes (Ex. purificação de uréia) Água ultrapura (USP PW, USP WFI ) para injetáveis e de uso farmacêutico geral Recuperação de reagentes Redução de problemas de descarte de processos tais como: centrifugação, precipitação e filtração convencional. PROCESSOS DE MEMBRANA NA BIOTECNOLOGIA FILTRO 0,22 um AR FERMENTADOR TANQUE MEIO DE CULTURA PRÉ-FILTRO FILTRO 0,22 um MICROFILTRAÇÃO ULTRAFILTRAÇÃO 2

3 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS Filtração por membranas- Definições: Alimentação = solução a ser concentrada ou fracionada. Permeado = o filtrado, liquido que passa através da membrana Retido ou Retentato = o concentrado, o liquido retido Fluxo = taxa (velocidade) de saída do permeado medida em litros por metro quadrado da superfície da membrana por hora (L/m 2 /h) POROSIDADE (área aberta, volume de vazios): é uma medida de todos os espaços vazios (poros) de uma membrana. Em geral as membranas apresentam 50-90% de espaços vazios. A vazão é diretamente proporcional à porosidade da membrana para um dado tamanho de poros e espessura do meio filtrante. MEMBRANA MICROPOROSA: uma membrana delgada com pequenos poros (canais) (0.01 µm to 10 µm). O diâmetro desses poros está relacionada com a porosidade da membrana. Pode ser usada para a filtração de material suspenso em líquidos e em gases REQUISITOS DAS MEMBRANAS Proporcionar o grau de separação desejado, em condições de grande permeabilidade e durante períodos prolongados de trabalho Suportar a limpeza e desinfeção, de acordo com as necessidades de manutenção do grau higiênico desejado na operação. Possuir um tempo de vida suficientemente longo sob as condições de trabalho. Ser relativamente barata e de fácil reposição COMO SELECIONAR MEMBRANAS? Objetivo da filtração Compatibilidade química e térmica Resistência mecânica Adsorção Toxicidade / extraíveis CLASSIFICAÇÃO DAS MEMBRANAS (a) NATUREZA: sintéticas (orgânicas ou inorgânicas) e biológicas (vivas ou não vivas); (b) ESTRUTURA OU MORFOLOGIA: simétricas (porosas ou não porosas) e assimétricas; (c) APLICAÇÃO: separação gasosa, sólidolíquido, gás-líquido, líquido-líquido, por exemplo; e pelo seu, (d) MECANISMO DE SEPARAÇÃO: exclusão, difusão, migração num campo elétrico, solubilidade; 3

4 CLASSIFICAÇÃO DAS MEMBRANAS MEMBRANAS MICROPOROSAS: a membrana comporta-se mais como um filtro de fibra e separa por um mecanismo de peneiramento determinado pelo tamanho de poros e tamanho da partícula. São construídas com materiais como polímeros, materiais cerâmicos, grafite, óxidos metálicos, etc. O diâmetro dos poros pode variar entre 1 nm a 20 µm. CARACTERÍSTICAS DE MEMBRANAS MICROPOROSAS Polímeros em lâminas extremamente delgadas Estrutura resistente Retenção das partículas na superfície Tamanho de poro definido Alta porosidade Retenção não depende da vazão ou pressão Não libera fibras Teste de integridade não destrutivo CLASSIFICAÇÃO DAS MEMBRANAS MEMBRANAS HOMOGÊNEAS: são formadas por uma película densa através da qual uma mistura de moléculas é transportada por um gradiente de pressão, concentração ou potencial elétrico. TIPOS DE MEMBRANAS Esta membrana pode separar substâncias químicas de peso molecular e difusividades similares quando suas concentrações apresentarem diferenças significativas. Membranas simétricas e assimétricas TIPOS DE MEMBRANAS assimétrica ou anisotrópicas SIMÉTRICAS: os diâmetros dos poros não variam de maneira significativa através da área transversal da membrana ASSIMÉTRICAS: os diâmetros dos poros aumentam de um lado para outro de um fator de 10 a 1000 através da área transversal 4

5 MEMBRANAS HIDROFÍLICAS Possuem afinidade pela água. Um filtro hidrofílico pode ser umidecido com quase todos os líquidos USOS : esterilização de soluções remoção de partículas contagem microbiológica contagem de partículas Clarificação de soluções EXEMPLOS : Ésteres de celulose, policarbonato com aditivos, polieterssulfona modificada, nylon, PVDF modificado MEMBRANAS HIDROFÓBICAS Repelem água. Os filtros hidrofóbicos não podem ser umedecidos por soluções aquosas ou por líquidos de tensão interfacial elevada sem que sejam previamente umedecidos com agentes de baixa tensão superficial como álcoois USOS: Filtração de solventes orgânicos. Filtração de ar e gases. Ventilação ou respiro. Quebra de vácuo EX.: PVDF, PTFE, PP, Polissulfona, Policarbonato TIPOS DE MEMBRANAS MEMBRANA TRADICIONAL FILTRO DE MEMBRANA MEMBRANA COMPOSTA DE FILME PVDF PTFE CARACTERÍSTICAS MAIS RELEVANTES DAS MEMBRANAS TIPO DE MEMBRANA TAMANHO DO PORO FUNÇÃO Microfiltração 0,1 a 2,0 micron Remover sólidos em suspensão UltraFiltração 0,01 a 0,1 micron Remover substâncias coloidais,bactérias,pirogê nio NanoFiltração 0,001 a 0,01 micron Remover virus,íons inorgânicos e substâncias de peso moleculares acima de 400 Osmose Reversa 0,0001 a 0,001 micron Remover compostos orgânicos,sais dissolvidos,virus,batérias, e pirogênio 5

6 Vantagens da concentração por membranas em relação à evaporação: a concentração por membrana não envolve mudança de fase e usa a energia de modo mais eficiente. menor custo operacional e de mão de obra instalação simples operação com uma única válvula de controle não necessita da instalação de caldeiras Vantagens da concentração por membranas em relação à evaporação: produto não é aquecido perdas desprezíveis do princípio ativo no caso de medicamentos. Os processos que empregam membranas necessitam de menos energia que as operações convencionais de concentração. A energia necessária para evaporação de água é cerca de 25 kw/m 3 enquanto que para osmose inversa é de cerca de um décimo ou 2,5 kw/m 3.. Vantagens da concentração por membranas em relação à evaporação: Há diminuição do risco de superaquecimento, da perda de aromas devido à perda de voláteis durante a evaporação não são necessários grandes volumes de água para refrigeração MATERIAS MEMBRANAS FILTRANTES ACETATO/NITRATO DE CELULOSE PVDF (difluoreto de polivinilideno) PTFE (politetrafluoretileno) POLISSULFONA POLIAMIDA POLICARBONATO POLIPROPILENO ETC. Diâmetro dos Poros - MEMBRANAS Partes de um sistema de filtração por membranas Membrana Microporosa 0,05-10 µm Ultrafiltração 0,001-0,05 µm Osmose Inversa 0,0005-0,001 µm micrometro - µm m (10-3 mm / 10-6 m) 6

7 Limitações da concentração por membrana variação na vazão do produto quando ocorrem variações na concentração da alimentação custos de instalação superiores aos da evaporação concentração máxima de 30% de sólidos totais entupimento das membranas ( fouling ), devido à deposição de polímeros na membrana, o que reduz o tempo de operação entre os períodos de limpeza. Filtração por membranas- MEMBRANE FOULING = deposição de sólidos sobre a membrana de modo irreversível durante o processamento Membrane fouling FOULING Proteinas adsorvidas na Superfície da Membrana Restrição dos Poros Redução de Fluxo Redução da vazão de Água após o Processo Indica o Grau de Fouling Principais agentes do membrane fouling Partículas suspensas e coloidais Matéria orgânica em suspensão Sais pouco solúveis (ex. sulfato de cálcio) Crescimento de microrganismos "POLARIZAÇÃO DE CONCENTRAÇÃO" O acúmulo de soluto na interface é denominado de "polarização de concentração" acarreta uma diminuição rápida do escoamento. O acúmulo de soluto na interface acarreta a formação de uma camada viscosa que dificulta o escoamento do fluido através da membrana 7

8 CONCENTRAÇÃO/ POLARIZAÇÃO Polarização de concentração Vazão Tangencial SUPERFÍCIE DA MEMBRANA F L U X O Para contrabalançar a polarização de concentração deve-se: aumentar a velocidade de escoamento diminuir o diâmetro do tubo ou placa de separação uso de zonas curtas de passagem (usando tubos e canalizações curtas) aumento da temperatura do líquido para diminuir a viscosidade e aumentar a velocidade de difusão do soluto fora da superfície da membrana. Filtração por membranas- FATOR DE CONCENTRAÇÃO = concentração (redução de volume obtido pela concentração, i.e.) a razão entre o volume inicial da alimentação para o volume final do concentrado DIAFILTRAÇÃO = uma modificação da ultrafiltração na qual a água é adicionada à alimentação à medida que a filtração ocorre para lavar os componentes da alimentação que poderiam passar através da membrana basicamente lactose e minerais. β = V V volume permeado volume alim entação CONFIGURAÇÕES (FORMATO) DAS MEMBRANAS Formato das membranas a- CONFIGURAÇÕES CONVENCIONAIS Membranas Poliméricas Tubular Espirais Fibra oca (Hollow Fiber) Pratos e moldura, quadros e moldura (Plate &Frame) Membranas Inorgânicas Tubular b-especializadas E/OU CONFIGURAÇÕES PATENTEADAS 8

9 FORMATO MEMBRANAS MÓDULO TUBULAR Cartuchos -TFF Família Cartuchos-TFF de Espirais PrepScale Família de Cassette Pellicon XL Helicon Pellicon 2 Amicon HOLLOW FIBER FIBRA ÔCA ProStak Cartucho Hollow fiber 9

10 FIBRA ÔCA (hollow fiber) MEMBRANAS DE FIBRA OCA (HOLLOW FIBER) Alimentaçã o exterior (fora) das fibras Alimentação dentro das fibras Possuem milhares de fibras configuradas em um único módulo de membrana. As membranas podem ser selecionadas para serem alimentadas por dentro ou por fora das fibras, dependendo do material da membrana e do tipo de alimentação HOLLOW FIBER (fibras ôcas) Hollow fiber (fibra oca) MEMBRANAS MEMBRANA E SUPORTE DE FILTRAÇÃO 293 mm MEMBRANAS planas são mais eficientes para produtos mais viscosos Membranas em espiral são mais adequadas para produtos pouco viscosos 10

11 Filtros e Suportes de membranas Suporte PelliconEscala de Produção. (5-60 m²) Suporte em aço inoxidável (0.5-5 m²) Suporte em Acrílico c/ bomba Peristáltica Suporte Industrial de membranas Suporte Pellicon p/ até 80 m² de área Estrutura com Manômetros, Válvulas e Conexões (0.5-5 m²) Escoamento tangencial em um sistema multicanal MEMBRANAS EM ESPIRAL Elementos filtrantes na carcaça de aço inoxidável MEMBRANAS EM ESPIRAL 11

12 MEMBRANAS EM ESPIRAL MEMBRANAS EM ESPIRAL Membrana em espiral MÓDULO ESPIRAL COM ESPAÇADOR MÓDULO ESPIRAL COM CARCAÇA Membranas poliméricas tubulares 12

13 MEMBRANAS CERÂMICAS e módulos Membranas metálicas PLACA PLANA MEMBRANAS EM PLACAS 13

14 Membrana de placa Sistema de placa e moldura para ultrafiltração VARIAÇÃO DE PRESSÃO EM MEMBRANAS LIMITE DE SEPARAÇÃO PARA MEMBRANAS 14

15 MICROFILTRAÇÃO Aplicações da microfiltração: MÓDULO DE MICROFILTRAÇÃO TUBULAR Filtração esterilizante de suspensões e soluções termossensíveis Filtração de cosméticos Filtração de: Soluções parenterais, orais e tópicas, soro Meios de fermentação Sistemas de água com elevada pureza Pré-filtração para proteção ao filtro final 15

16 Módulos de microfiltração ULTRAFILTRAÇÃO ULTRAFILTRAÇÃO Ultrafiltração é um processo de separação por membranas capaz de separar moléculas em soluções de acordo com seu tamanho. A pressão é a força motriz do processo A ultrafiltração remove: Moléculas grandes como proteínas, taninos, ácido húmico, etc Colóides e material particulado Bactérias e protozoários como Giárdia cysts e Cryptosporidium oocysts Vírus A ultrafiltração é usada porque: É efetuada a baixa temperatura não é necessária mudança de fase opera a baixa pressão hidrostática opera em condições suaves e não destrutivas não são necessários reagentes químicos pode ser feita uma concentração e purificação simultânea quando desejado manutenção da força iônica e ph constantes do concentrado - evitando a inativação de enzimas é um processo econômico APLICAÇÕES DA ULTRAFILTRAÇÃO a concentração de produtos termolábeis como vacinas, preparação de vírus e imunoglobulinas. Recuperação antibióticos, hormônios ou vitaminas de meios de fermentação, para clarificar soluções e para remover contaminantes de baixo peso molecular antes das técnicas de recuperação convencionais. A mais importante aplicação da ultrafiltração é a remoção de pirogênios. 16

17 Módulo de ultrafiltração OSMOSE INVERSA (REVERSA) OSMOSE INVERSA 17

18 APLICAÇÕES DA OSMOSE INVERSA PURIFICAÇÃO E TRATAMENTO DE ÁGUA: Separações de sais: cloreto, sódio, cálcio, fluoreto, sulfatos, fosfatos, nitratos, carbonatos, alumínio, ouro, prata, níquel, cobre, etc. Remoção de sedimentos e materiais orgânicos Pré-tratamento para deionizadores Remoção de bactérias, esporos, vírus, e algas Água para caldeiras e umidificadores APLICAÇÕES DA OSMOSE INVERSA Separação de enzimas, vírus, de fluidos corporais Misturas aquosas para medicamentos dietas de baixo teor de sódio Água para Eletrodiálise e Rins artificiais Eficiência de retenção de partículas na osmose inversa 18

19 Módulo de Osmose Inversa PRÉ-TRATAMENTO ANTES DA OSMOSE INVERSA Remover sólidos suspensos que poderiam danificar a membrana Remover oxidantes Evitar a precipitação durante a operação PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE OSMOSE INVERSA 1. Qual o tempo de vida útil das membranas de Osmose Reversa? Normalmente a vida média de elementos dos equipamentos de Osmose Reversa é de 04 anos, dependendo das características do projeto, da qualidade da água de alimentação, da freqüência de limpezas que é realizada no equipamento, entre outros fatores. Sendo assim é fundamental que o equipamento seja bem dimensionado, levando em conta o maior número de informações possíveis. 2. Quanto tempo um equipamento de Osmose Reversa pode ficar desligado, sem que ocorra contaminação? Em geral é dito que não mais que 24 horas, porém é necessário levar em conta neste caso, também a qualidade da água de alimentação, a temperatura, e o histórico de contaminações no sistema. De qualquer forma, sempre que necessário realizar este tipo de procedimento, recomendamos entrar em contato com a Purosystems, para obter informações de como se deve proceder corretamente na preservação do sistema. PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE OSMOSE INVERSA 3. Como saber se é necessário fazer limpeza química em um equipamento de Osmose Reversa? Os manuais fornecidos pelas empresas fornecedoras apresentam cálculos de diferenciais de pressão que devem ser observados. Uma boa maneira de se fazer isso é manter no local de instalação uma planilha com os dados operacionais do equipamento, observando os aspectos de pressão dele e a vazão de água tratada. Normalmente quando uma membrana de osmose está suja, a pressão se eleva e a vazão do equipamento abaixa. PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE OSMOSE INVERSA 4. É possível recuperar o rejeito do equipamento de Osmose Reversa? Sim, desde que não seja para realimentar o sistema novamente ou para consumo humano. É possível utilizar a água rejeita para banheiros, lavagens em geral, água de incêndio, etc. É sempre bom realizar antes uma análise nesta água para verificar as condições físicoquímicas e determinar o uso mais correto, e talvez até um tratamento apropriado. 5. O equipamento usado normalmente em indústrias, serve para tratar a água do mar ou efluentes industriais? Não. É necessário utilizar membranas especiais para esta finalidade, levando em conta o fator custo x benefício da atividade. 19

20 PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE OSMOSE INVERSA 6. Nos equipamentos de Osmose Reversa existe um pré-filtro, qual a periodicidade de trocálos? Quando houver um diferencial de pressão entre os manômetros instalados neste filtro, de 12 a 15 PSI. Se isso não ocorrer, troca-se uma vez por mês. 20