Aula 11: Técnicas de Purificação

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1 Aula 11: Técnicas de Purificação Felipe Curtolo, Fernanda Ribeiro Sumário Processos de separação por membrana Classificação e transporte por membranas Avaliação dos processos de separação por membrana Filtração tangencial e fouling de membrana Processos cuja força motriz é: Diferença de pressão Diferença de potencial elétrico Diferença de concentração Geometria de membranas e Módulos 1

2 Processo de Purificação Células ou microrganismos (produtos intracelulares) Rompimento de células ou microrganismos Remoção de fragmentos de células Fração sólida Meio de cultivo com células ou microrganismos em solução Clarificação (Separação células/meio) Sobrenadante (produtos extracelulares) Purificação de baixa resolução (Separação/ concentração) Purificação de alta resolução Produto puro Tratamentos Finais Processos de Separação por Membrana (PSM) Processos downstream: Clarificação do mosto/recuperação das células: Como uma primeira etapa para a recuperação de um produto é possível utilizar a microfiltração com escoamento tangencial como uma alternativa ao uso de centrífugas e filtros rotativos com auxiliar de filtração. Purificação de baixa resolução: Processos de ultrafiltração e mais recentemente de nanofiltração e osmose inversa são operações unitárias utilizadas em plantas biotecnológicas para a separação e concentração de bioprodutos de valor agregado. Processos upstream: Esterilização contínua do meio de cultura e ar de alimentação Biorreatores a membrana: Biorreatores onde a reação e a separação do produto ocorrem simultaneamente e, se possível, em um mesmo equipamento. 2

3 Vantagens dos Processos de Separação por Membrana DEFINIÇÃO DE MEMBRANA: Barreira que separa duas fases e restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma ou de várias espécies químicas presentes nas fases. VANTAGENS: Economia de Energia Especificidade Separação de Termolábeis - operados a temperatura ambiente Simplicidade de Operação e de Ampliação de Escala Classificação de membranas sintéticas 1. Tipo de material Membranas cerâmicas - Ex: Óxidos de alumínio, carbeto de silício, óxido de zircônio. Apresentam elevada estabilidade térmica e química, é biologicamente inerte e tem maior vida útil que as membranas poliméricas, porém tem um custo mais elevado e só recentemente começaram a disputar o mercado com as poliméricas. Membrana cilíndrica LiqTech CoMem de carbeto de silício para microfiltração com escoamento tangencial Membranas poliméricas - Ex: Derivados de celulose, polissulfonas, poliamidas, etc. São largamente utilizadas em indústrias, mais baratas e possuem diversas características físico-químicas que permitem que sejam utilizadas em diferentes condições de operação. Membrana cilíndrica SynderFiltration FR de polímero para microfiltração com escoamento tangencial 3

4 Classificação de membranas sintéticas 2. Tipo de estrutura da membrana Extraído de Pessoa Jr, A & Kilikian BV, Purificação de Produtos Biotecnológicos. 1ed., Ed Manole, Barueri, SP, Figura 4.1 Transporte através de membrana Tipos de transporte: 1. Difusivo: É o movimento de moléculas ou átomos que se dá de uma região de maior potencial químico para uma região de menor potencial químico até que o sistema atinja o equilíbrio, onde a entropia do sistema é máxima. 2. Convectivo: Combinação de difusão com advecção, que é o movimento de moléculas em fluídos devido à uma corrente/fluxo hidrodinâmico. Tipos de Força Motriz: 1. Gradiente de Potencial Químico (μ): Sistema termodinâmico fora do equilíbrio leva a um gradiente de potencial químico, que é uma função apenas de um gradiente de pressão e de um gradiente de concentração, pois a temperatura é constante. 2. Gradiente de Potencial Elétrico (E): Devido ao uso de membranas carregadas. 4

5 Parâmetros para a seletividade da membrana FORÇA MOTRIZ MORFOLOGIA Anisotrópica Isotrópica Anisotrópica Porosa Densa Pele densa Convecção Difusão Difusão Microfiltração Ultrafiltração Nanofiltração Diálise Pervaporação Permeação de gases Osmose Inversa Avaliação dos processos de separação por membranas Parâmetros: Fluxo Permeado: Volume ou a massa da espécie que permeia a membrana, por unidade de tempo e por unidade de área. Controle das condições de escoamento (Lei de Fick). Geometria de membranas e tipos de módulos. Capacidade Seletiva: Definida de diferentes formas dependendo da força motriz e da morfologia da membrana. Membranas porosas: a capacidade seletiva está relacionada ao tamanho das espécies em relação ao tamanho dos poros. Membranas densas: a capacidade seletiva depende da afinidade da espécie pelo material da membrana e da sua permeabilidade. 5

6 Medida de seletividade Extraído de Pessoa Jr, A & Kilikian BV, Purificação de Produtos Biotecnológicos. 1ed., Ed Manole, Barueri, SP, Figura 4.6 Filtração convencional vs Filtração tangencial Convencional - dead end filtration Tangencial - cross flow filtration (A) (B) O fluxo é direcionado para a membrana. Moléculas maiores que os poros se acumulam na superfície da membrana formando uma torta e bloqueando a passagem do líquido através da membrana. Conforme o volume filtrado aumenta, a polarização de membrana aumenta e o fluxo permeado decai rapidamente (A) (B) A solução de alimentação escoa em paralelo à superfície da membrana, enquanto o permeado é transportado transversalmente a esta. Este fluxo cruzado reduz o efeito de polarização de concentraçãode membrana. A filtração tangencial previne o rápido declínio do fluxo permeado permitindo que um maior volume seja processado por unidade de área da membrana. 6

7 Operações de filtração tangencial Lei da difusão de Fick: Descreve a difusão de moléculas em um sistema fora do equilíbrio químico onde existe um gradiente de pressão. Na filtração tangencial esse lei implica que o fluxo permeado é proporcional ao gradiente de pressão, que pode ser controlado pela velocidade de escoamento. Tornando possível assim maximizar a filtração diminuindo o fouling de membrana. Unidade de filtração tangencial OenoStar 3000A Fouling de membrana Extraído de Pessoa Jr, A & Kilikian BV, Purificação de Produtos Biotecnológicos. 1ed., Ed Manole, Barueri, SP, Figuras 4.24 &

8 Operação do sistema em fluxo cruzado Extraído de Pessoa Jr, A & Kilikian BV, Purificação de Produtos Biotecnológicos. 1ed., Ed Manole, Barueri, SP, Figura 4.27 Processos cuja força motriz é diferença de pressão Microfiltração Ultrafiltração Redução do número de poros Aumento da pressão de operação Nanofiltração Osmose inversa 8

9 Processos cuja força motriz é diferença de pressão Microfiltração (MF) Utiliza membranas sintéticas como barreira seletiva Membranas microporosas (0,05-5um) isotrópicas ou anisotrópicas Empregada para reter partículas em suspensão, tanto no ar quanto em misturas aquosas Permeáveis a compostos solúveis independentemente de suas MMs Dispensa o uso de auxiliares de filtração Esterilização de mostos e do ar, em biorreatores Indústria alimentícia - Clarificação de vinhos 9

10 Ultrafiltração (UF) Possuem poros com diâmetros entre nm. O tamanho do poro define, em princípio, a capacidade seletiva da membrana. Usada principalmente para concentrar proteínas ou trocar tampões em escala industrial. Sistema de UF para concentração de proteína com 250 m² de área de membrana Operação pode ser contínua, em batelada ou por diafiltração (troca de tampão). Nanofiltração (NF) Utiliza membranas anisotrópicas cuja massa molar de corte está entre 300 e 2000 Daltons Características intermediárias entre Ultrafiltração e Osmose Inversa, quanto ao tamanho de poros e pressão aplicada (entre 5 e 25 bar) Obtenção de água potável a partir de águas superficiais Concentração de antibióticos de mostos fermentados e microfiltrados 10

11 Osmose Inversa (OI) Membranas anisotrópicas densas Permeáveis apenas ao solvente Consome energia (pressão aplicada deve ser maior que pressão osmótica). Osmose Inversa (OI) Aplicações: Dessanilização de águas marinhas e salobras. Concentração de suco de frutas. Concentração de antibióticos. Filtros de osmose reversa em planta de dessalinização de água marinha em Carsbad - California 11

12 Diafiltração Modo alternativo de operar processos cuja força motriz é diferença de pressão; Purificação a volume constante Empregado quando se deseja eliminar componentes de menor tamanho ou de menor massa molar Adição contínua de solvente puro ou solução tampão na solução a ser processada, em vazão equivalente à vazão de permeado que sai do sistema Processos cuja força motriz é diferença de potencial elétrico Eletrodiálise A ddp aplicada entre o conjunto de membranas promove a migração dos íons positivos (cátions) em direção ao cátodo, enquanto os íons negativos (aníons) se movem em direção ao ânodo Ao menos uma das espécies a serem separadas deve apresentar carga elétrica Membranas com cargas positivas são posicionadas, alternadamente, com membranas de cargas negativas, formando vários compartimentos 12

13 Processos cuja força motriz é diferença de potencial elétrico - Eletrodiálise Na presença de um potencial elétrico, cargas positivas tendem a se mover em direção ao cátodo, enquanto cargas negativas se movem em direção ao anôdo Processos cuja força motriz é diferença de potencial elétrico - Eletrodiálise Membranas especiais permitem a passagem de apenas íons positivos ou negativos, criando, por fim, duas correntes separadas, uma dessalinizada e uma corrente concentrada de sal 13

14 Processos cuja força motriz é diferença de potencial elétrico - Eletrodiálise Vantagens: Adequado para separação de espécies ionizáveis de componentes não-ionizáveis Pode ser realizada a pressão atmosférica Desvantagens: Matéria orgânica e colóides não são removidos por eletrodiálise Pré-tratamento da água é requerido para evitar a incrustração de partículas grandes na membrana Formação de cloro gasoso no anôdo pode levar a problemas de corrosão da instalação se a ventilação não for insuficiente Processos cuja força motriz é diferença de concentração Permeação de gases Pervaporação Vem despertando interesse no setor industrial, e espera-se considerável aumento do número de aplicações nos próximos anos 14

15 Permeação de gases Força motriz decorrente da diferença de pressão parcial dos componentes entre os lados da alimentação e do permeado No caso de membranas, o transporte de gases ocorre em uma sequência de etapas: solubilização das moléculas do gás na matriz polimérica, difusão e dessorção para o lado de menor pressão parcial Aspectos termodinâmicos As principais variáveis envolvidas nessas etapas são: temperatura, pressão, concentração, massa molar, tamanho e forma da moléculas penetrante, entre outros. Aspectos cinéticos Pervaporação Utilizado para o fracionamento de misturas líquidas Sequência de etapas envolvidas na filtração similar ao mecanismo de permeação de gases (difere apenas pelo fato de que as moléculas são liberadas do outro lado da membrana por um abaixamento da pressão nesse lado), no entanto são comuns os efeitos de nãoidealidade, o que dificulta a elaboração de um modelo geral para o transporte Efeitos de não-idealidade Concentração total dos permeantes na membrana Fluxos permeados são relativamente baixos Viável apenas quando pequenas quantidades devem ser removidas da fase líquida ou quando a membrana apresenta alta seletividade em relação ao componente a ser removido Obs.: Os componentes da mistura líquida passam ao estado vapor apenas depois de permearem a membrana Redução da pressão, por exemplo, aplicando vácuo ao permeado 15

16 Processos cuja força motriz é diferença de concentração - Aplicações Permeação de gases Recuperação de hidrogênio em plantas de amônia Fracionamento do ar para prodrução de nitrogênio Remoção do dióxido de carbono do gás natural Pervaporação Desidratação de solventes orgânicos (etanol-água, por exemplo) Remoção de aromas de frutas e compostos orgânicos voláteis da água Remoção de compostos voláteis que inibem a atividade celular em biorreatores Fracionamento de misturas de difícil separação por destilação Geometria de Membranas As membranas podem ser separadas tanto na geometria cilíndrica quanto na plana Plana Cilíndrica 16

17 Módulos de Membranas Principais características a serem consideradas no projeto de um módulo de membrana são: Controle das condições de escoamento Minimizar a polarização de concentração Limpeza do módulo Condições assépticas de processamento Materiais de baixo custo Maior relação entre área de membrana e volume do módulo Módulos de Membranas Membranas de geometria plana Módulo do tipo placa e quadro Módulo do tipo espiral 17

18 Módulos de Membranas Diâmetro externo cilíndro { Membranas de geometria cilíndrica DE > 3 mm 0,5 mm < DE < 3 mm DE < 0,5 mm Módulo Tubular Módulo Capilar Módulo do tipo Fibra Oca (Hollow Fiber) Módulo de Membranas - Fibra Oca Vantagens: Relação entre a área de permeação e o volume do módulo é muito superior às demais geometrias Melhor emprego do espaço e redução no custo do equipamento Não há necessidade de suporte Redução no custo de produção do módulo de permação 18

19 Módulo de Membranas - Fibra Oca Desvantagens: Entupimento do orifício interno das fibras Alimentação por dentro das fibras Espessura das paredes das fibras é relativamente grande (pois evita o colapso a altos gradientes de pressão) Módulos de Membranas Área/Volume (m2/m3) Características dos módulos Custos de construção Condições de escoamento Custos operacionais Aplicações (processos) Quadro e PLaca Elevados Satisfatórias Baixos Todos PSM Espiral Baixos Ruins Baixos OI, PV e PG Tubular Muito elevados Boas Elevados MF, UF Capilar Baixos Boas Baixos UF, D, PV Fibra oca Muito baixos Ruins Baixos OI, PG, PV 19

20 Referências Pessoa Jr, A & Lilikian BV. Purificação de Produtos Biotecnológicos. 1 ed., Ed Manole, Barueri, SP, Capítulo