Desenvolvimento de um processo de nanofiltração para remoção da acidez volátil em vinhos

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1 Desenvolvimento de um processo de nanofiltração para remoção da acidez volátil em vinhos Joana Rita Viais Temido Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química Orientadores: Prof. Dr. Ana Maria de Figueiredo Brites Alves Prof. Dr. Vítor Manuel Geraldes Fernandes Orientador externo: Dr. Rui Brito Estrela Júri Presidente: Prof. Dr. José Manuel Félix Madeira Lopes Orientador: Prof. Dr. Ana Maria de Figueiredo Brites Alves Vogais: Dr. Paulo Jorge Ferreira Cameira dos Santos Julho de 2015

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3 Agradecimentos A elaboração desta dissertação de mestrado não poderia ter sido realizada sem o apoio de algumas pessoas. Agradeço desde já aos meus orientadores, Professora Doutora Ana Maria Alves e Professor Doutor Vítor Geraldes, pela orientação e proposta do trabalho. Sem eles teria sido impossível prosseguir o trabalho experimental assim como a elaboração deste relatório. Também um especial agradecimento ao Professor Doutor António Conceição, que embora não conste na lista de orientadores, teve um papel como tal. Agradeço ao Doutor Rui Estrela por me confiar o desenvolvimento deste trabalho. Agradeço ao Instituto Superior Técnico pela disponibilização do espaço e dos materiais necessários. Agradeço à Engenheira Ana Sofia Figueiredo e a todas as pessoas que partilharam comigo o Laboratório de Membranas e que de uma maneira ou outra me ajudaram no trabalho experimental. Agradeço também as pessoas do Laboratório de Química Estrutural pelo apoio prestado. Agradeço aos meus pais e restante família pelo apoio ao longo destes meses, por acreditarem em mim e nunca me deixarem desistir dos meus objetivos. Por último, mas não menos importante, agradeço ao meu namorado e amigos porque sem eles seria muito complicado ultrapassar tanto os bons com os maus momentos. i

4 Resumo e palavras-chave O excesso de acidez volátil no vinho tem que ser rigorosamente controlada durante o processo de vinificação pois a lei obriga a que a concentração de ácido acético seja mantida num valor igual ou inferior a 1,2 g/l. Neste trabalho foi estudado um processo para remover o ácido acético do vinho recorrendo à nanofiltração. Foram testadas cinco membranas de nanofiltração: NFX, NF200, NF1, NF3A e NF4. A membrana NF1 foi sumariamente descartada por falta de desempenho. Os ensaios foram efetuados com soluções de ácido acético, acetato de etilo, etanol e alguns dos ácidos orgânicos mais representativos do vinho como o tartárico, málico e láctico. As membranas NF3A e NF4 apresentaram fluxos de permeação mais elevados. A NF3A, em geral, foi a que apresentou valores de fatores de rejeição, f A, mais baixos não só para o ácido acético e para o acetato de etilo, o que constituía um dos objetivos do trabalho, mas também para todos os solutos estudados. As restantes membranas apresentaram sempre um comportamento muito semelhante para o vinho pelo que o único parâmetro que as distingue é o fluxo de permeação. Conseguiu-se uma boa separação do ácido acético dos restantes componentes mas sempre acompanhada, porém, pela remoção do etanol. A separação destes dois compostos entre si é, pois, difícil. Também se concluiu que a separação do ácido acético e do etanol dos restantes componentes é mais favorável a ph 3,2. Palavras chave: Nanofiltração; Vinho; Acidez volátil; Ácido acético. ii

5 Abstract and key-words Volatile acidity must be carefully controlled in wine during the winemaking process. By law, the wine content in acetic acid must not exceed 1,2 g/l. In this work a process to remove the acetic acid from wine has been studied using nanofiltration. Five different membranes have been tested: NFX, NF200, NF1, NF3A and NF4. However, membrane NF1 was immediately discarded due to its low performance. Experiments were performed with solutions of acetic acid, ethyl acetate, ethanol and some of the most representative organic acids in wine such as tartaric, malic and lactic. Membranes NF3A and NF4 showed the higher permeation fluxes. NF3A, showed, in general, the lower rejection factors, f A, not only for acetic acid, one of the main objectives of this work, but also for all the studied solutes. All the other membranes showed similar behavior for wine, permeation flux being the only parameter distinguishing them. A good separation between acetic acid and the other components was achieved but not from ethanol which comes in the permeate, as well. The separation between these two compounds is thus very difficult. Acetic acid and ethanol separation is more effective at a ph of 3,2. Key words: Nanofiltration; Wine; Volatile Acidity; Acetic acid. iii

6 Índice Agradecimentos...i Resumo e palavras-chave... ii Abstract and key-words... iii Lista de figuras... vii Lista de tabelas... xi Lista de símbolos e unidades... xii 1. Introdução O vinho Fermentação Maturação A acidez volátil Processos de Separação com Membranas Breve história Membranas Tipo de materiais e preparação de membranas Módulos de membranas Processos conduzidos por pressão... 8 Caracterização das membranas Polarização por concentração Mecanismos de Fouling Modelo das resistências em série Adsorção Formação da camada gel Bloqueamento dos poros e deposição externa ou formação de bolo Outras causas da diminuição do fluxo Modelo da pressão osmótica Mecanismos de transporte em nanofiltração Objetivos Pesquisa Bibliográfica Materiais e Métodos Materiais iv

7 Reagentes Membranas Métodos Métodos analíticos Condutividade Índice de refração Cromatografia ph Membranas Instalação ª Lavagem e compactação Caraterização das membranas Procedimento Lavagens e PWP Resultados e Discussão Correlações para calibração Correlações de condutividade e índice de refração para soluções binárias de ácido acético e etanol Correlações de condutividade para soluções de ácidos orgânicos Ácido Tartárico Ácido Málico Ácido Láctico Correlações de condutividade para soluções de caracterização das membranas Cloreto de sódio Sulfato de Magnésio Correlações de índice de refração para soluções de Acetato de Etilo Correlações para os resultados obtidos por HPLC Ácidos orgânicos Etanol Ensaios com membranas Permeabilidade hidráulica Caracterização com solutos de referência v

8 Avaliação do desempenho em relação à existência de fluxo limite Soluções de ácido orgânico monocarboxílico: Ácido acético Soluções de Ácidos Orgânicos Hidroxicarboxílicos Soluções de Acetato de Etilo Soluções de uma mistura modelo multi-componente Soluções de vinho com adição de ácido acético Vinho Branco Vinho Tinto Recuperação da membrana Conclusão Recomendações de processo Perspetivas de trabalho futuro A. Bibliografia B. Anexo B.1. Dados para a correlação de condutividade da solução aquosa de ácido acético e etanol B.2. Dados das correlações de HPLC para os ácidos orgânicos B.3. Dados da correlação de HPLC para o Etanol B.4. Dados das soluções de ácido orgânico monocarboxílico: ácido acético B.5. Lavagens das membranas B.6. Evolução do PWP das membranas vi

9 Lista de figuras Figura Esquema do processo de filtração por membranas Figura Tipos de configurações geométricas de membranas: plana (a), enrolados em espiral (b), tubulares (c) e fibras ocas (d) [8] Figura Esquema dos diferentes tipos de partículas separadas por membranas conduzidas por pressão [11] Figura Representação esquemática do modo de operação para qualquer configuração modular para processos de separação com membranas. Qa, Qp, Qr caudal de alimentação, permeado e rejeitado, respetivamente; CAa, CAp concentração de soluto A na alimentação e no permeado, respetivamente [7, 8] Figura Permeabilidade hidráulica Figura Perfil de concentrações em estado estacionário. Polarização por concentração [8] Figura Fluxo limite (adaptado de [8]) Figura Diagrama da região das membranas de nanofiltração relativamente à osmose inversa e à ultrafiltração [7] Figura Modelos de transporte em membranas: (a) modelo de exclusão molecular, (b) modelo de solução difusão [7] Figura 4.1 Variação da condutividade molar com a concentração para eletrólitos fortes e fracos Figura Exemplo típico de uma representação do método da curva de calibração [42] Figura Instalação Alfa Laval, LabStak M20 completa Figura Instalação Alfa Laval, LabStak M20 parcial: (a) parte de cima onde estão situadas as membranas, tanque de alimentação, permutador de calor e controlo de pressão, (b) parte de baixo onde se encontra as duas bombas, azul bomba centrifuga e amarela bomba hidráulica Figura 5.1 Representação dos resultados experimentais e teóricos da Eq Figura 5.2 Representação dos resultados experimentais e teóricos das equações Eq. 5.4 à Eq Figura 5.3 Representação da variação do índice de refração com a concentração de etanol Figura 5.4 Representação do ajuste da Eq aos pontos experimentais para o Ácido Tartárico.36 Figura 5.5 Representação do ajuste da Eq aos pontos experimentais para o Ácido Málico Figura 5.6 Representação do ajuste da Eq aos pontos experimentais para o Ácido Láctico Figura 5.7 Representação dos resultados experimentais e do ajuste teórico para a solução aquosa de NaCl Figura 5.8 Representação dos resultados experimentais e dos ajustes teóricos para a solução aquosa de MgSO Figura Variação do índice de refração com a concentração de acetato de etilo Figura Permeabilidade hidráulica Figura 5.11 Representação da variação do fluxo com a pressão para uma solução contendo ácido acético e etanol Figura Variação do fluxo com a concentração de ácido acético para as membranas NFX e NF200 e seus respetivos PWP para a pressão de 10bar vii

10 Figura Variação do fluxo com a concentração de ácido acético para as membranas NF3A e NF4 e seus respetivos PWP para a pressão de 10bar Figura Representação da variação dos fatores de rejeição observados e intrínsecos com o fluxo de permeação para as concentrações de 0,5 e 4 g/l de ácido acético e para a membrana NFX Figura Representação da variação dos fatores de rejeição observados e intrínsecos com o fluxo de permeação para as concentrações de 0,5 e 4 g/l de ácido acético e para a membrana NF3A Figura Curva de dissociação do ácido acético em função do ph [47] Figura Variação dos fatores de rejeição com a concentração de ácido acético para a pressão de 10 bar Figura Curva de dissociação dos ácidos tartárico, málico e láctico em função do ph [47] Figura 5.19 Representação do fluxo em função da pressão para soluções binárias de acetato de etilo (concentração de 100 ppm) e água Figura Representação do fluxo em função da pressão para soluções binárias de acetato de etilo (concentração de 500 ppm) e água para as membranas Figura Representação dos fatores de rejeição reais em função do fluxo de permeação para uma solução binária de acetato de etilo (concentração de 100 ppm) e água Figura Representação dos fatores de rejeição reais em função do fluxo de permeação para uma solução binária de acetato de etilo (concentração de 500 ppm) e água Figura Representação do fluxo em função do ph para a solução multi-componente para a pressão de 4 bar Figura Representação do fluxo em função do ph para a solução multi-componente para a pressão de 8 bar Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido tartárico em função do ph, à pressão de 4 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido tartárico em função do ph, à pressão de 8 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do ph, à pressão de 4 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do ph, à pressão de 8 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do ph, à pressão de 4 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do ph, à pressão de 8 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do ph, à pressão de 4 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do ph, à pressão de 8 bar e em solução multi-componente Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do ph, à pressão de 4 bar e em solução multi-componente viii

11 Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do ph, à pressão de 8 bar e em solução multi-componente Figura Representação da variação do fluxo com a pressão para o ensaio de vinho branco com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação da variação do fluxo com a pressão para o ensaio de vinho branco com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho branco com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação da variação do fluxo com a pressão para o ensaio de vinho tinto com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação da variação do fluxo com a pressão para o ensaio de vinho tinto com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido málico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido láctico em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 1 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de ácido acético em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 2 g/l de ácido acético Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 1 g/l de ácido acético ix

12 Figura Representação dos fatores de rejeição reais de etanol em função do fluxo de permeação para o ensaio de vinho tinto com adição de 2 g/l de ácido acético Figura B.1 - Contração de 50 ppm (ponto utilizado na calibração de todos os ácidos) Figura B.2 - Concentração de 100 ppm (ponto utilizado na calibração de todos os ácidos) Figura B.3 - Concentração de 200 ppm (ponto utilizado na calibração de todos os ácidos) Figura B.4 - Concentração de 300 ppm (ponto só utilizado para a calibração do ácido tartárico) Figura B.5 - Concentração de 400 ppm (ponto só utilizado para a calibração do ácido tartárico) Figura B.6 - Concentração de 500 ppm (ponto utilizado para a calibração de todos os ácidos) Figura B.7 - Concentração de 750 ppm (ponto utilizado para a calibração dos ácidos málico, láctico e acético) Figura B.8 - Concentração de 1000 ppm (ponto só utilizado para a calibração dos ácidos málico, láctico e acético) Figura B.9 - Representação gráfica das curvas de calibração na gama linear para os ácidos orgânicos Figura B.10 - Cromatograma dos quatro pontos do etanol, por ordem crescente Figura B.11 - Curva de calibração para o Etanol Figura B.12 - Evolução do PWP durante os ensaios experimentais x

13 Lista de tabelas Tabela Composição média do vinho [1] Tabela Classificação dos processos de separação por membranas [8, 9] Tabela Resultados experimentais do processo apresentado em [23] Tabela Características e marca dos reagentes usados Tabela Características de referência das membranas utilizadas [34, 35, 36] Tabela 5.1 Equações ajustadas teoricamente para cada concentração de etanol Tabela Tempos de retenção dos ácidos orgânicos para as condições operacionais impostas Tabela 5.3 Correlações obtidas através da técnica de cromatografia para os ácidos orgânicos na gama linear Tabela Permeabilidade hidráulica Tabela Tabela resumo da caracterização das membranas com os sais de referência Tabela Concentrações e respetivos ph utilizados para os ensaios de ácido acético Tabela Dados de fluxo obtidos para os ensaios da variação da concentração de ácido acético com a pressão Tabela Concentrações e ph em que os ensaios dos ácidos tartárico, málico e láctico foram realizados Tabela Resultados obtidos experimentalmente para os ensaios com soluções aquosas dos ácidos orgânicos Tabela 5.10 Propriedades físico-químicas dos ácidos tartárico, málico e láctico [50] Tabela 5.11 Composição da solução modelo simulada Tabela 5.12 ph usado para os diferentes ensaios com a solução modelo multi-componente Tabela Composição do vinho branco original Tabela Variação do ph durante os ensaios com vinho branco Tabela Composição do vinho tinto original Tabela Variação do ph durante os ensaios com vinho tinto Tabela B.1 Resultados obtidos para a correlação da condutividade para soluções binárias de etanol e ácido acético Tabela B.2 Dados utilizados na execução das curvas de calibração dos ácidos orgânicos na gama linear Tabela B.3 Dados utilizados na curva de calibração do etanol Tabela B.4 - Resultados obtidos dos fatores de rejeição observado e intrínseco para os ensaios de soluções aquosas de ácido acético Tabela B.5 - Lavagens das membranas durante os ensaios experimentais xi

14 Lista de símbolos e unidades Símbolo: A c C C Aa C Am C Ap D d D experimental D AW D teórico E ED f A f A HPLC i IR k K L L p MF MM MWCO n η NF OI OIV PG Designação Área da secção transversal Velocidade da luz no vazio Concentração Concentração do soluto A na alimentação Concentração do soluto A na parede da membrana Concentração do soluto A no permeado Diálise Distância entre elétrodos Declive experimental Difusidade do soluto A Declive teórico Potencial Eletrodiálise Fator de rejeição real Fator de rejeição intrínseco Cromatografia líquida de alta eficiência Intensidade de corrente elétrica Índice de refração Coeficiente de transferência de massa Condutividade específica Condutividade Permeabilidade hidráulica Microfiltração Massa molecular Limite de exclusão molecular Índice de refração absoluto Viscosidade Nanofiltração Osmose inversa Organização Internacional do Vinho Permeação de gases xii

15 Símbolo: pk a PV PWP Q a Q p Q r R R 2 R A R C R CP Re R G R M R P Sc Sh T r UF UV v v p v p,água pura α β δ ΔP Δπ ε Λ Λ 0 m Λ eq Λ m Designação Constante de dissociação Pervaporação Permeabilidade á água pura Caudal da alimentação Caudal de permeado Caudal de rejeitado Resistência do eletrólito Coeficiente de correlação Resistência à adsorção Resistência à deposição externa ou à formação de bolo Resistência à polarização por concentração Número de Reynolds Resistência à formação gel Resistência hidrodinâmica Resistência ao entupimento dos poros internos Número de Smith Número de Sherwood Tempo de retenção Ultrafiltração Ultravioleta Velocidade da luz no meio em questão Fluxo de permeação Fluxo de permeação à água pura Fração de ionização Constante da equação de Kohlrausch Espessura Pressão transmenbranar Pressão osmótica Resistência específica Condutividade específica Condutividade molar a diluição infinita Condutividade equivalente Condutividade molar xiii

16 Unidade: bar Da g h L m m 2 min mol Designação Bar Dalton Grama Hora Litro Metro Metro quadrado Minuto Mole ºC Grau Celcius ppm S s v/v w/w Partes por milhão Siemens Segundo Volume / volume Massa / massa xiv

17 1. Introdução 1.1. O vinho O vinho é uma mistura complexa obtida em várias etapas que vão desde a colheita das uvas e seu esmagamento até à sua fermentação e maturação. Apesar de ser de extrema importância a colheita e o esmagamento das uvas é na sua fermentação e maturação que reside o interesse do ponto de vista da engenharia química. Embora existam vários tipos de fermentações, a predominante, neste tipo de bebida, é a fermentação alcoólica que consiste na passagem dos açúcares presentes no mosto a etanol. Entenda-se por maturação todo o processo após a fase da fermentação, que inclui filtração dos resíduos sedimentados (após a fermentação, embora já não exista o engaço há formação de depósitos que necessitam de ser retirados) que deixam o vinho turvo ao engarrafamento e envelhecimento. Nesta fase ocorrem diversas alterações, não só químicas como também físicas, como a mudança de cor, aroma e sabor. A composição do vinho difere consoante a zona onde é produzido e o tipo de castas utilizadas. O clima, o solo, os tratamentos e o tipo de envelhecimento são alguns dos fatores que tornam o vinho diferente de marca para marca. Por exemplo, climas mais quentes dão origem a uvas mais ricas em açúcares e consequentemente teores alcoólicos maiores enquanto que climas mais frios dão origem a vinhos mais suaves mas com um aroma mais frutado. A Tabela 1.1 apresenta os principais compostos presentes no vinho. Tabela Composição média do vinho [1]. Composto: % Água 80,00-90,00 Álcoois e compostos relacionados Etanol 8,00-15,00 Glicerol 0,30-1,40 Carbohidratos 0,10-0,30 Ácidos orgânicos 0,30-1,10 Tartárico 0,10-0,60 Málico 0,00-0,60 Cítrico 0,00-0,05 Sucínico 0,05-0,15 Láctico 0,10-0,50 Acético 0,03-0,05 Taninos 0,01-0,30 Compostos azotados 0,01-0,09 Compostos minerais 0,15-0,40 1

18 Fermentação A fermentação do vinho ocorre logo após o esmagamento das uvas e pode ser de 4 tipos: Fermentação alcoólica Fermentação glicerol pirúvica Fermentação maloláctica Fermentação acética A fermentação alcoólica é um processo complexo que ocorre em condições de anaerobiose e que consiste maioritariamente na conversão de açúcares (glucose) em etanol e dióxido de carbono segundo a seguinte reação: C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Eq. 1.1 Paralelamente a esta reação têm lugar uma série de processos bioquímicos, químicos e físico-químicos que, ao transformar o mosto em vinho, origina outros compostos que tornam o vinho uma mistura de sabores característicos e com um elevado interesse organolético. De entre os compostos produzidos simultaneamente com o etanol estão outros tipos de álcoois, esteres, ácido sucínico, diacetil, acetona, 2,3-butanediol, ácido acético e etanal [2]. A composição do vinho e o tipo e quantidade dos compostos referidos depende principalmente do tipo de leveduras presentes no mosto e dos tratamentos efetuados às mesmas. A biodiversidade de leveduras presente na fermentação alcoólica depende de vários fatores, entre eles a variedade de castas, o tempo e o estado de amadurecimento das uvas, os tratamentos antifúngicos, condições climáticas do próprio ano da colheita entre outros. Do leque imenso de leveduras, destaca-se a Sacharomyces cerevisiae por ser aquela que tem uma maior contribuição pois resiste a concentrações elevadas de etanol [2]. O glicerol é o terceiro componente mais abundante no vinho, a seguir à água e ao etanol, como pode ser analisado pela Tabela 1.1. Este composto provém da fermentação glicerol pirúvica que pode acontecer por três vias. Maioritariamente o glicerol é produzido por fermentação da glucose quando há sulfitos em solução. As outras duas vias de produção de glicerol são resultantes do crescimento microbiológico das leveduras. No início da vinificação, as leveduras necessitam de substrato para produzirem biomoléculas como proteínas, lípidos, nucleótidos, entres outras, e algumas usam o piruvato (resulta da transformação da glucose e da frutose no processo intracelular chamado glicólise) como substrato, produzindo glicerol antes do início da fermentação alcoólica. Por fim, também há uma percentagem de glicerol que é produzida e usada pelas leveduras como protetor contra altas pressões osmóticas [2]. O processo que consiste na conversão dos ácidos málico em láctico em resultado da atividade bacteriana presente no mosto após a fermentação alcoólica designa-se por fermentação maloláctica. Esta fermentação, conduzida maioritariamente pela bactéria Oenococcus oeni, apresenta um desempenho maior a baixos ph (< 3,8), altas concentrações de etanol (> 10% (v/v)) e altos níveis de dióxido de enxofre (> 50 mg/l) e tem uma contribuição significativa na desacidificação de vinho, oferecendo sabor e aroma mais complexo e 2

19 melhorando a estabilidade microbiológica. Contudo, se a acção da bactéria responsável por esta fermentação não for controlada pode apresentar desvantagens nomeadamente a produção de maus sabores (ácido acético, fenóis voláteis) ou mesmo trazer risco perigosos para a saúde humana (etil carbamato, aminas biogénicas). A fermentação acética é conduzida pelas bactérias da família Acetobacteraceae, que têm origem em ambientes açucarados como frutas e flores. As bactérias deste grupo são aeróbicas e têm a característica única de oxidar o etanol a ácido acético, sendo por isso de extrema importância controlar a entrada de oxigénio no mosto ou no vinho [3] Maturação O envelhecimento do vinho é uma das fases mais importantes se não a mais importante no que diz respeito à diferenciação sensorial entre este tipo de bebidas. Muitas alterações ocorrem nesta fase, sendo a mais notória a alteração da cor do vinho. Contudo, é na alteração do sabor e aroma que está o verdadeiro interesse da enologia. Durante o período de maturação ocorre a polimerização de compostos fenólicos, sendo alguns deles responsáveis pelo amargo, e a redução de acidez (conversão dos ácidos em ésteres, como é o caso do ácido acético que se transforma em acetato de etilo) [4]. Muitas outras alterações ocorrem que não sendo, contudo, relevantes para o trabalho descrito, não serão aqui referidas A acidez volátil A característica do vinho designada por acidez volátil deve-se a um conjunto de ácidos voláteis como o acético, fórmico, propiónico, n-butílico, acetato de etilo, entre outros, mas em que o ácido acético representa mais de 90% do conjunto total. Como já referido anteriormente o ácido acético pode provir de três fermentações diferentes, fermentação alcoólica, maloláctica e acética. A sua concentração não ultrapassa normalmente os 500 ppm em solução mas pode ir até 1,2 g/l [5] que é o limite máximo permitido pela legislação em vigor. O ácido acético é o principal responsável pelo aroma avinagrado" do vinho que se torna particularmente intenso para concentrações acima dos valores oficialmente regulamentados podendo mesmo transformar-se em vinagre. Pelas razões óbvias estas transformações constituem uma preocupação permanente dos produtores de vinho sendo, por esta razão, de extrema importância o controlo rigoroso da evolução da formação do ácido acético desde a fase de fermentação até à maturação completa do vinho. Note-se que na fase de envelhecimento, como já referido, umas das alterações sofridas pelo vinho é a redução da acidez que consiste na transformação do ácido acético a acetato de etilo, pelo que uma diminuição da acidez não significa necessariamente o desaparecimento do ácido acético mas sim uma reação química, continuando a existir um aroma indesejável (o acetato de etilo possui um aroma semelhante a cola ou verniz das unhas) [6]. 3

20 1.3. Processos de Separação com Membranas É neste contexto, de controlo do teor de acidez volátil num vinho, que surgem os processos de separação com membranas Breve história O aparecimento dos processos de separação por membranas remota ao seculo XVII. Em 1748, Able Nolet utilizou a palavra osmose para descrever a passagem de água através de uma membrana. As membranas utilizadas na altura eram feitas de tecidos vivos como bexigas de animais terrestres ou peixes. Uns anos mais tarde, já no início do século XX, são descobertas as primeiras membranas sintéticas de nitrocelulose que apresentavam, à época, uma grande vantagem em relação às membranas naturais devido ao facto de poderem ser replicadas em laboratório. Em 1907, Bechhold desenvolve uma técnica de preparação de membranas que permitia controlar as dimensões dos poros, mas foi outro grupo de cientistas (Elford, Zsigmondy, Bechmann e Ferry) que as tornaram comerciáveis nos anos 30. Nos vinte anos seguintes observou-se um grande desenvolvimento relativamente às membranas de microfiltração e os primeiros testes no terreno, com estas membranas, tiveram lugar no final da segunda guerra mundial para o tratamento de água com o objetivo de obter água potável [7]. Em 1960 um grupo de investigadores desenvolveu novas membranas que começaram por ser utilizadas à escala laboratorial e em algumas aplicações industriais especializadas não tendo ainda, contudo, qualquer peso significativo a nível industrial. No período de 1960 e 1980 houve uma mudança apreciável no desenvolvimento da produção de novas membranas com o recurso a processos como a polimerização interfacial, a moldagem e a formação de multicamadas (membranas compósitas) produzindo-se então membranas de alta performance. Em 1980 a microfiltração, ultrafiltração, osmose inversa e a eletrodiálise já eram processos estabelecidas e aplicados em grandes instalações industriais, a nível mundial [7]. Atualmente os processos de separação por membranas apresentam uma grande disseminação e aplicação nas indústrias química, alimentar e farmacêutica, no tratamento de águas, na medicina e na biotecnologia, com vantagens reconhecidas a nível energético, especificidade e facilidade de scale-up. Clarificação de vinho e cerveja, recuperação de óleos, purificação de proteínas e dessalinização e desmineralização de águas são alguns de entre os inúmeros exemplos de aplicações industriais [8, 7] Membranas Os processos de separação por membranas são classificados não só pela força motriz que os assiste mas também pelo seu mecanismo de separação e pelas dimensões das espécies que ficam retidas na membrana. A membrana é então considerada uma barreira permeável e seletiva que, dependendo da afinidade com os compostos em solução, os deixa ou não passar através dela. Neste processo a corrente de alimentação (ou a solução à tratar) circula tangencialmente à membrana. Da alimentação resultam duas novas correntes, uma que passa através da 4

21 membrana, designada por permeado e outra que é rejeitada por aquela, designada por rejeitado (Figura 1.1). Figura Esquema do processo de filtração por membranas. O fluxo de massa através de uma membrana é proporcional à força motriz que origina o processo de transporte através daquela. Os processos de separação com membranas são classificados de acordo com a força motriz aplicada que pode ser um gradiente de pressão, um gradiente de concentrações ou um gradiente de potencial elétrico e também de acordo com o tipo e dimensões dos solutos em solução. Os diferentes processos de separação de membranas são apresentados na Tabela 1.2. Tabela Classificação dos processos de separação por membranas [8, 9]. Processo Força motriz Mecanismos de transporte Material retido Microfiltração (MF) Gradiente de pressão 0,1-1 bar Exclusão Material em suspensão 0,1-10 μm Ultrafiltração (UF) Gradiente de pressão 0,5-5 bar Exclusão Coloídes, macromoléculas 10 3 < Da < 10 6 Iões de carga dupla ou Nanofiltração Gradiente de pressão Exclusão / superior e moléculas de peso (NF) bar Difusão molecular médio 100 < Da < 1000 Osmose inversa (OI) Gradiente de pressão bar Difusão Todo o material solúvel 10 < Da < 100 Diálise (D) Gradiente de concentração Difusão Sais e microsolutos de macromoléculas em solução Eletrodiálise Gradiente de potencial Migração num Macromoléculas e compostos (ED) elétrico campo elétrico iónicos Permeação de gases (PG) Gradiente de pressão e concentração Solubilidade / Difusão Gases menos permeáveis Pervaporação (PV) Gradiente de concentração Solubilidade / Difusão Líquidos menos permeáveis 5

22 Tipo de materiais e preparação de membranas As membranas podem ser classificadas em relação à sua natureza, em membranas sintéticas ou biológicas. Porém só serão abordadas as membranas sintéticas por as biológicas não apresentarem interesse prático para este trabalho [8, 7]. A membrana é uma barreira que modera a permeação de espécies químicas. A sua interface pode ser molecularmente homogénea (completamente uniforme em composição e estrutura) ou pode ser química ou fisicamente heterógena. As membranas sintéticas estão divididas em três grupos diferentes: as membranas simétricas, assimétricas e as cerâmicas [7]. As simétricas estão subdivididas em membranas microporosas, densas não porosas e carregadas eletricamente. As microporosas tem uma estrutura rígida e poros interconectados com um tamanho na ordem dos 0,01 a 10 µm de diâmetro. Este tipo de membranas funciona essencialmente por exclusão molecular, pelo que só é eficiente quando se pretende separar partículas com tamanhos muito superiores ao tamanho do poro (microfiltração e ultrafiltração). As membranas densas não porosas consistem num filme denso pelo qual o permeado é transportado por difusão com o auxílio de uma força motriz de pressão, concentração ou gradiente de potencial elétrico. A separação dos compostos é dependente da taxa de transporte do soluto na membrana, dependendo da solubilidade e difusidade do soluto. Estas membranas podem assim separar solutos com pesos moleculares semelhantes se a sua difusidade for diferente, e são usadas em processos como a permeação de gases, pervaporação e osmose inversa. Por fim, as membranas carregadas eletricamente podem ser microporosas ou densas mas apresentam-se normalmente como uma estrutura finamente microporosa, onde os iões estão carregados positiva ou negativamente (membranas com iões positivos são aniónicas e negativos catiónicas). A separação neste tipo de membranas é realizada por exclusão iónica e são usadas em eletrodiálise [7]. As membranas assimétricas apresentam dois tipos de camadas distintas, a camada da superfície ativa, extremamente fina, e uma segunda camada de suporte, porosa e espessa. As camadas em membranas compósitas são normalmente feitas de polímeros diferentes e a taxa de permeação é exclusivamente determinada pela camada da superfície, apresentando vantagens ao nível de fluxos elevados. São aplicadas a praticamente todo o tipo de processos de separação por membranas [7] e são normalmente preparadas através de polímeros como esteres celulósicos, poliamida, poliamida-hidrazina, entre outros [10]. Por fim, as membranas cerâmicas são membranas produzidas a partir de materiais inorgânicos e são utilizadas em processos que são realizados em condições extremas de resistência a solventes e estabilidade térmica. Têm normalmente uma estrutura assimétrica e são compostas por duas a três camadas porosas diferentes. As membranas mais comuns são feitas de óxidos alumínio, sílica, titânio ou zicôrnio [10] Módulos de membranas As membranas podem-se apresentar em dois tipos de geometrias diferentes, dependendo do tipo de módulos em que vão colocadas. Em termos de geometrias estas podem apresentar- 6

23 se em folhas planas, que podem ser empregues em módulos de pratos ou enrolados em espiral (Figura 1.2 (a) e (b), respetivamente), ou em tubos capilares onde os módulos usados são os tubulares ou de fibras ocas (Figura 1.2 (c) e (d), respetivamente) [9]. (a) (b) (c) (d) Figura Tipos de configurações geométricas de membranas: plana (a), enrolados em espiral (b), tubulares (c) e fibras ocas (d) [8]. A disposição das membranas em módulos planos, Figura 1.2 (a), é feita paralelamente, separadas por espaçadores e suportes porosos. A alimentação nestes módulos circula num canal estreito, de espessura muito pequena, de secção transversal retangular limitando o escoamento ao regime laminar. Apesar do regime laminar, a transferência de massa é elevada por o comprimento do canal ser reduzido, minimizando assim problemas da camada limite de concentração. A alimentação ao entrar no módulo circula tagencialmente à camada ativa da membrana, saindo depois o rejeitado do lado oposto à entrada daquela. O permeado é recolhido através de canais que estão associados ao prato do mesmo [8, 9]. A configuração de membranas enroladas em espiral, Figura 1.2 (b), é uma das mais usadas a nível industrial. Assim como os módulos planos, a geometria das membranas é plana. As membranas são montadas com a camada ativa para o exterior, onde circula tangencialmente a alimentação, com suportes e espaçadores entre elas e depois enroladas num tubo que coleta o permeado. Nos módulos tubulares, os tubos são revestidos por um filme (membrana) e são feitos de materiais porosos que tenham resistência química, térmica e mecânica. A alimentação circula dentro dos tubos e o permeado sai perpendicularmente a estes devido às suas caraterísticas porosas, Figura 1.2 (c) [9]. 7

24 Por fim, os módulos de fibras ocas são constituídos em forma de cartuchos com bastantes feixes capilares de forma que a alimentação ao entrar no módulo circule axialmente através das fibras, permeando através destas, Figura 1.2 (d) [9] Processos conduzidos por pressão Os processos de separação por membranas conduzidos por pressão são, como já referido na Tabela 1.2, a microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa. Estes processos diferem não só da gama de pressões aplicadas e do mecanismo de separação como também do tipo de partículas que se pretende remover. Neste trabalho, dadas as características da solução estudada será usada a nanofiltração. A comparação entre esta operação e as restantes conduzidas pela pressão encontra-se na Figura 1.3. Figura Esquema dos diferentes tipos de partículas separadas por membranas conduzidas por pressão [11]. Como já referido anteriormente, nos processos de separação por membranas, a corrente de alimentação é dividida em duas, permeado e concentrado. Deste modo, é necessário atribuir uma designação específica a cada uma das correntes de modo a ser mais fácil identificar cada uma destas nas equações que descrevem o processo (Figura 1.4) 8

25 Figura Representação esquemática do modo de operação para qualquer configuração modular para processos de separação com membranas. Qa, Qp, Qr caudal de alimentação, permeado e rejeitado, respetivamente; CAa, CAp concentração de soluto A na alimentação e no permeado, respetivamente [7, 8]. Caracterização das membranas Os parâmetros de caracterização das membranas dividem-se, basicamente, em dois grupos relacionados com: i) estrutura morfológica e ii) desempenho. No que se refere a estrutura morfológica a forma de caraterizar as membranas de ultrafiltração e nanofiltração é diferente. No caso da ultrafiltração as membranas são caracterizadas pelo limite de exclusão molecular ou molecular weight cut-off (MWCO) que é definido como o peso molecular (em Daltons) do componente que é retido 90% ou 95% pela membrana. Cada membrana está sempre acompanhada do valor de MWCO respetivo, que é disponibilizado pelo fornecedor. No caso da nanofiltração em que, como já foi referido, estão envolvidos solutos de pequenas dimensões, a caraterização da membrana é feita, em geral, avaliando a rejeição que se consegue para iões mono e bivalentes e, nalguns casos, para solutos moleculares de baixa massa molar como, por exemplo, açúcares. A caraterização das membranas em termos de desempenho é feita com base na permeação de água pura (PWP pure water permeability). Carman, Bowen e Jenner descrevem o fluxo de permeação da água pura, v p,água pura, como função do cociente entre a pressão, P, e produto da viscosidade dinâmica do solvente, η, com a resistência hidrodinâmica, R M [10]. v p,água pura = ΔP Eq. 1.2 ηr M R M é uma constante de cada membrana e apenas depende, entre outros, da estrutura morfológica e do tamanho dos poros, nunca dependendo da concentração da alimentação ou da pressão aplicada. Por sua vez, na η entram as propriedades do fluido. Para o caso da água, 1 ηr M designa-se por L p, coeficiente de permeabilidade hidráulica. Este é determinado pela relação linear do fluxo de permeação com a pressão (Figura 1.5). v p,água pura = L p P Eq

26 Fluxo 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Declive=L p 1 0, P Figura Permeabilidade hidráulica. A medição do PWP tem uma especial importância pois serve para aferir o estado da membrana. Quando são iniciados os ensaios com as membranas, deve ser escolhido um ponto de PWP de referência (velocidade e pressão) ao qual serão sempre comparados os valores de PWP após o ensaio. Esta metodologia serve não só para perceber os efeitos da permeação da solução de alimentação mas também para contabilizar a frequência com que são necessários executar ciclos de limpeza sobre a membrana. por [9]: Um outro parâmetro do desempenho da membrana é o fator de rejeição observado, definido f A = C Aa C Ap C Aa Eq. 1.4 onde C Aa é a concentração do soluto A na alimentação e C Ap é a concentração do soluto A no permeado. O valor de f A permite quantificar a quantidade de composto que está a passar através da membrana Polarização por concentração A polarização por concentração é um fenómeno que ocorre em todos os processos de separação com membranas. O soluto contido na solução a tratar é transportado através do fluxo convectivo em direção à membrana e daí é removido por difusão. Assume-se que, em estado estacionário, o transporte convectivo e difusivo se encontram em equilíbrio [10]. Dado que o processo difusivo é um processo lento, a acumulação de soluto na camada adjacente à membrana é inevitável, originando aí um perfil de concentração. 10

27 x=δ Figura Perfil de concentrações em estado estacionário. Polarização por concentração [8]. O fenómeno decorrente desta acumulação da massa junto da membrana encontra-se esquematizado na Figura 1.6 e designa-se por polarização de concentração. Decorrente do desenvolvimento do perfil de concentração, o valor da concentração na superfície da membrana (C Am ) pode ser muito superior face à concentração na alimentação (C Aa ). Considerando o esquema representado na Figura 1.6 o balanço de massa ao soluto A efetuado para um elemento diferencial de volume no seio da camada de espessura δ, resulta em [9]: v p C A D AW dc A dx = v pc Ap Com as seguintes condições fronteira: Eq. 1.5 x = 0, C A = C Aa Eq. 1.6 x = δ, C A = C Am Eq. 1.7 C Am C Ap = e C Aa C Ap v p δ D AW Eq. 1.8 onde v p é o fluxo de permeação, C Am, C Ap e C Aa é a concentração do soluto A na membrana, no permeado e na alimentação, respetivamente, δ é a espessura da camada da polarização e D Aw é a difusividade do soluto A na solução (considerando a teoria do filme, o cociente D AW δ e conhecido como k, coeficiente de transferência de massa) [9]. é definido É, então, conveniente definir um parâmetro que caracterize a influência da polarização por concentração na separação dos compostos, o fator de rejeição intrínseco, f A. À semelhança do fator de rejeição observado, descrito na Eq. 1.4, f A também é uma medida da percentagem quantidade de composto que passa através da membrana, porém neste utiliza-se a concentração do soluto na superfície da membrana (C Am ): 11

28 Fluxo f A = C Am C Ap C Am Eq. 1.9 Para resolver a Eq. 1.8 é necessário conhecer o coeficiente de transferência de massa, que depende não só das condições físico químicas da solução como também do sistema utilizado. Com essa finalidade, existem na literatura, bastantes correlações publicadas que relacionam as propriedades específicas para cada sistema com o coeficiente de transferência de massa, k. Para a instalação experimental utilizada neste trabalho, um módulo Lab Stak 20 (AlfaLaval) foi desenvolvida uma correlação de transferência de massa específica a partir da qual se pode calcular k [12]. Sh = 0,142Re 0,46 0,37 Sc Eq A polarização por concentração causa, invariavelmente, uma diminuição do fluxo. Como já referido, a polarização por concentração é provocada pela retenção de espécies na superfície da membrana pelo que, um aumento de fluxo de permeado aumenta também a camada de polarização. O aumento da camada de polarização pode ter como consequência o fluxo de permeado permanecer constante com o aumento de pressão. Este valor constante para o qual o fluxo tende é denominado fluxo limite (Figura 1.7). O seu conhecimento é fundamental para determinar a que pressão se deve funcionar, dado que em condições normais de operação não deve ser ultrapassado [13]. v p Figura Fluxo limite (adaptado de [8]). Contudo, o fenómeno de polarização é, regra geral, reversível e pode ser minimizado, por exemplo de entre outras técnicas, com o aumento da turbulência no lado da alimentação [10] Mecanismos de Fouling Fouling é o processo que tem como consequência prática a diminuição do desempenho de uma membrana (visível no fluxo) e que resulta da deposição, na sua superfície ou no interior dos seus poros, de sólidos dissolvidos ou em suspensão. Dependendo da sua origem, o fouling pode ser reversível ou irreversível. Quando o fouling é reversível, e a membrana não recupera os fluxos de permeação com uma lavagem com água, é realizada a lavagem química até que a membrana recupere a sua performance inicial [10]. Conhecer a causa do fouling das membranas é importante pois para além de aumentar os custos de processo pode também diminuir significativamente o tempo de vida da membrana. A 12

29 maneira mais simples de verificar a existência ou não de fouling é medir o PWP depois cada ensaio e compará-lo com o PWP inicial. [10]. A forma mais comum de descrever e quantificar o fouling é utilizando os modelos de resistências em série e de pressão osmótica Modelo das resistências em série De facto, se o fluxo de permeação de água pura for definido através da equação de Carman, Bowen e Jenner, Eq. 1.2, o fluxo de permeação de uma membrana pode ser descrito pelo modelo de resistências em série: ΔP v p = η (R M + R CP + R A + R G + R P + R C ) Eq onde R CP, R A, R G, R P, R C são as resistências devido à polarização por concentração, à adsorção, à formação de uma camada de gel, ao bloqueamento dos poros internos e à deposição externa ou formação de bolo [10]. Adsorção A adsorção é definida como as interações específicas entre a membrana e o soluto. Esta resistência pode ser quantificada através da medição do fluxo de permeado do solvente puro e após a membrana estar em contacto com o(s) soluto(s). A adsorção pode ser classificada consoante o soluto ser maior ou menor que o tamanho dos poros da membrana. Quando o soluto é inferior ao tamanho do poro, a penetração é possível e a adsorção ocorre em ambas superfícies da membrana e no interior dos poros, quando o soluto é superior ao tamanho do poro a penetração não é possível e a adsorção é só na superfície disponível da membrana [10]. Formação da camada gel A formação da uma camada de gel é causada pela precipitação de solutos orgânicos na superfície da membrana. Este fenómeno acontece, geralmente, quando a concentração de soluto orgânico na superfície devido à polarização por concentração excede o limite de solubilidade. Este fenómeno pode não ser irreversível, mas causa uma diminuição do fluxo, sendo que em estado estacionário este tende sempre para o seu valor limite independentemente do aumento da pressão [10]. Bloqueamento dos poros e deposição externa ou formação de bolo Quando os solutos são mais pequenos que os poros da membrana, estes depositam-se no interior dos poros daquela. Esta deposição conduz a uma perda de poros efetivos disponíveis, e o fluxo de permeação diminui. Quando o tamanho dos solutos é semelhante ao dos poros da membrana, o bloqueamento é total e provoca uma redução da porosidade da membrana bem como uma diminuição severa no fluxo. Por fim, quando os solutos têm um tamanho superior aos poros da membrana há a formação de um bolo na superfície daquela. A resistência ao fluxo de permeação devido à formação do bolo depende da permeabilidade e a espessura deste [10]. 13

30 Outras causas da diminuição do fluxo A deterioração da membrana através de agentes físicos como o aumento da temperatura ou o aumento da pressão pode provocar a colmatação dos poros ou alterações irreversíveis. Também através de agentes químicos como a alteração de ph para valores fora da gama de trabalho ou a lavagem com produtos não recomendados podem constituir problemas [14] Modelo da pressão osmótica Um outro modelo que é usado para descrever e quantificar o fouling é o modelo da pressão osmótica. Quando os fluxos e as rejeições do soluto são altos e o coeficiente de transferência de massa é baixo, a concentração dos solutos na superfície da membrana aumenta podendo desenvolver-se aí uma a pressão osmótica significativa. O modelo da pressão osmótica está intimamente ligado à concentração por polarização e é definido pela Eq [10]. v p = ΔP Δπ η R M = L p ( P π) Eq onde Δπ é a diferença de pressão osmótica através da membrana. Para membranas de MF e UF a pressão osmótica, nalguns casos, pode ser desprezada pois estas são utilizadas preferencialmente para separar macromoléculas de solutos de baixo peso molecular e a pressão osmótica pode ser muito pequena [15] Mecanismos de transporte em nanofiltração A nanofiltração é um processo de separação intermédio entre a ultrafiltração e a osmose inversa, como pode ser observado na Figura 1.8. Por este motivo, alguns dos mecanismos de transporte em nanofiltração são comuns à UF e à OI. Figura Diagrama da região das membranas de nanofiltração relativamente à osmose inversa e à ultrafiltração [7]. Os mecanismos de transporte e as características de rejeição de uma membrana de nanofiltração são muito complexos. Têm sido desenvolvidos muitos modelos para identificar os parâmetros mais influentes no transporte de solutos em nanofiltração de modo a prever o 14

31 desempenho das membranas. Contudo, os modelos mais importantes são dois: i) modelo de sorção preferencial e ii) modelo de solução difusão [16, 17]. Na teoria que assiste ao primeiro assume-se uma sorção preferencial de moléculas de água na superfície da membrana e uma desorção de iões multivalentes da mesma. Esta exclusão acontece mesmo para espécies carregadas com dimensões inferiores às dos poros das membranas e designa-se genericamente por exclusão de Donnan. Por outro lado, a exclusão de espécies monovalentes está relacionada com a densidade de carga efetiva da membrana, dimensões dos poros e força iónica da solução. Quando o soluto consegue ultrapassar a barreira constituída pela camada de água sorbida na membrana o seu transporte ocorre nesta por difusão. No que respeita ao modelo de solução-difusão (Figura 1.9 (b)) a membrana é considerada como um filme poroso no qual a água e os iões se dissolvem. A separação é controlada pelas diferenças de solubilidade e de difusão das espécies no material da membrana. Neste modelo o fluxo difusivo é predominante e estabelece-se um gradiente de concentrações à medida que as espécies atravessam a membrana, controlando todo o processo [7]. Este modelo é mais típico de operações com osmose inversa. Ao transporte de espécies não carregadas em NF preside o modelo de exclusão molecular. Neste, (Figura 1.9 (a)), típico da ultrafiltração, o permeado é transportado através do fluxo convectivo que é conduzido pela força motriz pressão. A separação ocorre através dos efeitos estereoquímicos, passando somente as espécies que tem um tamanho suficientemente pequeno para os poros da membrana [7]. Na nanofiltração este modelo é valido para espécies não carregadas ou quando é atingido o ponto isoelétrico da membrana (ph ao qual as cargas da membrana estão neutralizadas). (a) (b) Figura Modelos de transporte em membranas: (a) modelo de exclusão molecular, (b) modelo de solução difusão [7]. Existem ainda, os mecanismos de separação por exclusão dielétrica. De acordo com esta teoria as moléculas de água apresentam uma polarização no poro devido ao seu momento dipolo e a carga da membrana. Esta polarização resulta numa diminuição da constante dielétrica dentro do poro que torna menos favorável a entrada dos solutos carregados. Contudo, quando a constante dielétrica dentro do poro é igual à da água, existe uma alteração da energia eletrostática que provocam a entrada ou não dos iões no poro, dando-se portanto, a exclusão dielétrica [17]. 15

32 2. Objetivos O excesso de acidez volátil no vinho é um problema que pode surgir se não houver um controlo rigoroso desta durante o processo de vinificação. Os produtores deste tipo de bebida têm uma especial preocupação com o teor de acidez volátil pois para poderem comercializar a bebida, a lei obriga a que a concentração de ácido acético se mantenha num valor igual ou inferior a 1,2 g/l. Quando, por algum motivo, são ultrapassados os limites legais da concentração de ácido acético, o vinho fica impróprio para consumo e comercialização e os produtores acarretam com prejuízos que dificilmente são contornáveis. Para solucionar este problema, esta tese pretende estudar um processo de separação que remova o ácido acético (principalmente) e o acetato de etilo do vinho de modo a torná-lo novamente comerciável. Para isso será desenvolvido um processo de separação através de membranas, nanofiltração, onde serão testadas diferentes membranas e condições operatórias. Espera-se, com este trabalho, encontrar a(s) melhor(es) membrana(s) e otimizar as condições operatórias de modo a maximizar a separação do ácido acético do vinho. Pretendese também preservar a acidez fixa do vinho ao mesmo tempo que é removida a acidez volátil. Serão ainda abordados os métodos analíticos indispensáveis para as análises quantitativas e qualitativas das soluções que serão testadas nos ensaios de nanofiltração. De modo a responder aos objetivos acima mencionados, a tese encontra-se estruturada da seguinte forma: 1. Introdução 2. Objetivos 3. Pesquisa bibliográfica 4. Materiais e métodos 5. Resultados e discussão 6. Conclusão 7. Recomendações de processo 8. Perspetivas de trabalho futuro 16

33 3. Pesquisa Bibliográfica Os processos de separação com membranas encontram-se, atualmente, fortemente implantados na indústria alimentar. De entre as inúmeras aplicações, destacam-se, por exemplo, o tratamento de óleos vegetais, a remoção de antioxidantes ou a sua desacidificação, a concentração de sumos ou a remoção de álcool de bebidas alcoólicas [16]. No contexto do tratamento de vinho estes processos têm sido utilizados para a redução ou concentração de álcool, redução ou concentração de açúcares no mosto, estabilização tartárica, ou ainda para a redução de acidez volátil ou málica [18]. A remoção de acidez volátil, estudada no presente trabalho, é realizada por uma empresa dos EUA, VA Filtration, num processo que combina uma filtração por membranas de nanofiltração seguido de uma adsorção seletiva da acidez volátil por permuta iónica [19]. Noutra técnica para a remoção daqueles componentes indesejáveis referem-se dois estágios de osmose inversa ou nanofiltração, em que primeiramente são removidos 40 a 50% do ácido acético. O permeado obtido é depois neutralizado e submetido a uma segunda filtração destinada a remover mais de 90% do acetato de potássio (resultante da neutralização do ácido acético com hidróxido de potássio) [20]. Apesar de existirem diversos processos patenteados para a remoção de acidez volátil em bebidas como o vinho, a informação sobre dados experimentais é muito escassa justificando-se assim a realização deste trabalho. Na primeira patente publicada sobre remoção de acidez volátil do vinho [21] é descrito um processo combinado de separação por membranas de osmose inversa (OI) com uma permuta aniónica. Na osmose inversa é removida a acidez volátil constituída maioritariamente por ácido acético e acetato de etilo, que saem no permeado. Este permeado contendo uma grande concentração em acidez volátil passa numa coluna de permuta aniónica com um ph elevado favorecendo a hidrólise do acetato de etilo a ácido acético e etanol. Ainda nesta coluna, que se encontra carregada positivamente, todo o ião acetato é adsorvido. O permeado, uma vez liberto da acidez volátil pela via da permuta iónica, é posteriormente recombinado com o rejeitado da OI. De forma a minimizar a perda de aromas e componentes desejáveis e aumentar a percentagem de redução de acidez volátil, a solução tratada pode ser recirculada ao sistema até ser reduzido o teor de acidez para o desejável. Na mesma patente [21] são apresentadas alternativas a este procedimento. Assim, poderá ser colocada antes da coluna de permuta iónica uma coluna de destilação de baixa temperatura para remover um composto que possua características altamente voláteis (dióxido de carbono, sulfeto de hidrogénio, etanotiol ou dimetilsulfureto) conseguindo-se, num único tratamento remover não só a acidez volátil mas também um dos compostos inumerados anteriormente. Um processo de remoção de acetaldeído também pode ser conseguido através da invenção de Smith pela implementação de uma instalação de OI com membranas apropriadas seguida de uma coluna de destilação de baixa temperatura ou baixa energia. Outra variante é o uso de uma coluna de alta energia a seguir a instalação de OI para remoção ou concentração 17

34 do teor alcoólico no vinho (dependendo do produto da coluna de destilação que será recombinado com o rejeitado da OI) [21]. Numa outra patente [22] é proposta uma técnica para a desacidificação de bebidas pelo processo de membranas com dupla osmose inversa ou nanofiltração. A invenção aí descrita consiste na passagem da solução a tratar por um sistema de NF ou OI. O permeado, que contém a maior concentração do ácido acético inicial proveniente da primeira NF ou OI é neutralizado (com um componente alcalino) e submetido a uma última NF ou OI. O permeado desta segunda filtração com membranas é então misturado com o rejeitado da primeira filtração e a solução resultante corresponde à mistura inicial agora tratada e desacidificada [22]. O volume de componente alcalino (por exemplo KOH) que se junta ao primeiro permeado é calculado consoante a quantidade de acidez que se pretende remover. Sendo esta uma técnica que usa duas etapas de NF ou OI, o processo pode ser montado em contínuo com duas instalações de membranas em série ou em loop (mais aplicado a grandes volumes de misturas a tratar) ou então em descontínuo e só com uma instalação (mais aplicado para pequenos volumes de mistura a tratar) [22]. Numa outra patente consultada [23] o processo apresentado para a desacidificação é efetuado com dois estágios de separação com membranas mas com uma etapa de reação entre as duas filtrações. As membranas podem ser de osmose inversa, nanofiltração ou ultrafiltração, dependendo do tamanho das moléculas que se pretende remover. A etapa de reação consiste na adição de um composto (aditivo), líquido ou sólido, destinado a aumentar o ph da solução. O permeado da primeira etapa de separação com membranas passa pela etapa de reação que, dependendo do estado físico do aditivo, pode ter lugar num reator de leito fixo (sólido) ou simplesmente num tanque de mistura (líquido). No caso de ser um aditivo líquido o mesmo é adicionado no tanque ou na própria corrente, enquanto que no caso de ser um aditivo sólido este já se encontra presente no equipamento. Em qualquer dos casos, o permeado, agora alcalino, é submetido novamente a uma filtração por membranas de onde resulta um permeado que é direcionado para o tanque inicial e um concentrado que retém a acidez volátil e que volta a etapa de reação. Os autores desta patente apresentam três ensaios experimentais em que testam o processo sem aditivo, e com hidróxido de sódio e bicarbonato de sódio como aditivos. Os resultados obtidos apresentam-se na Tabela 3.1. Tabela Resultados experimentais do processo apresentado em [23]. % Remoção Acidez total Acidez volátil Ácido acético Sem aditivo 3,5 9,0 0,0 Com Hidróxido de sódio 2,7 34,0 12,0 Com Bicarbonato de sódio 2,7 7,0 10,0 Em 2010 surge uma nova patente [24] em que o processo descrito é muito semelhante a um dos processos anteriormente descritos [21] mas com a diferença de ser efetuada uma 18

35 nanofiltração ao invés da osmose inversa. O permeado é também submetido a uma segunda etapa de permuta iónica ou outra operação dependendo do componente que se quer remover (cromatografia de afinidade, hidrofóbica, de filtração de gel ou de exclusão de gel). Este processo (usando como segunda etapa uma permuta iónica) é a tecnologia utilizada pela empresa americana VA Filtration em que a percentagem de remoção de acidez volátil ronda os 30% para a apena uma passagem simples no sistema [19]. Neste processo o vinho é também submetido a uma nanofiltração sendo o permeado recolhido posteriormente tratado por permuta aniónica (no caso da acidez volátil) e recombinado com o rejeitado [24]. Dados experimentais publicados de um vinho tinto e um vinho branco tratado através de processo referido em [24] apresentaram percentagens de remoção 48 e 27%, respetivamente [20]. Em 2012 foi publicada uma patente desenvolvida por um conjunto de inventores [25] a qual descreve a remoção da acidez volátil de mostos e vinhos, utilizando uma levedura, Saccharomyces cerevisiae, imobilizada numa matriz de dupla camada de alginato-quitosano e que é colocada em contato com a solução a tratar. O processo de desacidificação por esta via biológica requer um pré-processamento de preparação da levedura após o qual esta é introduzida na solução a tratar (sem que seja preciso qualquer tipo de pré-tratamento) onde fica durante o tempo necessário para atingir a quantidade de redução de acidez volátil desejável. Esta redução depende da quantidade de células em solução, da concentração inicial de ácido acético e de etanol e do ph da solução. Após a desacidificação a levedura imobilizada é removida resultando assim num vinho tratado e límpido [25]. Na mais recente invenção, publicada em 2013, é proposto um processo combinado de nanofiltração e eletrodiálise [26]. Este processo constitui a base do trabalho desenvolvido na presente dissertação. O método descrito nesta patente consiste no processamento da bebida, alcoólica ou não, por osmose inversa, nanofiltração ou ultrafiltração com a finalidade de se obter um permeado contendo os componentes indesejáveis (ácido acético e acetato de etilo) para posterior tratamento. Este permeado é neutralizado de modo a deslocar-se os equilíbrios químicos dos componentes ácidos (aumentando o grau de dissociação do ácido acético) e é submetido a um processo que pode ser de eletrodiálise simples ou eletrodiálise bipolar aniónica, passando o ião acetato através das membranas catiónicas e o iao potássio através das membranas aniónicas. O permeado neutralizado e devidamente tratado pelo processo de eletrodiálise é por fim misturado com o rejeitado proveniente da OI, NF ou UF. Um exemplo de aplicação descrita nesta presente invenção refere o processamento de 1200 litros de vinho tinto com um teor de 1,2 g/l de ácido acético, que após tratamento sofre uma redução para 0,28 g/l que corresponde a uma percentagem de remoção de 76,6% de ácido acético. Os processos descritos destinados a solucionar o problema do excesso de acidez volátil em bebidas, apresentam determinadas características que merecem alguma reflexão. Assim, a osmose inversa face à nanofiltração tem as desvantagens de rejeitar mais ácido acético e acetato de etilo (apenas removem 15% da acidez volátil numa simples passagem) e 19

36 também de requerer pressões maiores, o que se traduz num aumento considerável de temperatura. Este aumento pode ter efeitos negativos na qualidade do vinho pois os componentes mais voláteis podem evaporar-se perdendo-se assim aromas importantes. O recurso a permutadores de calor resulta em custos acrescidos ao processo podendo até tornálo economicamente inviável [24]. A remoção da acidez volátil por permuta aniónica dos permeados [21] e [24] apresenta algumas desvantagens associadas não só à dificuldade de controlo de processo como também à retenção, nas resinas, de inúmeros aromas do vinho. Em relação ao controlo de processo a utilização de resinas de permuta iónica requer ciclos de regeneração longos e complexos. Por outro lado, existem dificuldades na determinação do momento de saturação, no controlo do volume que passa pela resina e na lavagem da mesma. De facto, se a resina não se encontrar bem lavada (cheiro a amónia) ou não for bem selecionada pode contaminar a bebida com cheiros e sabores desagradáveis. Às desvantagens referidas acresce que os custos associados a esta operação (coluna + resina + regeneração + mão-de-obra) são bastante avultados pelo que o processo não se torna economicamente competitivo [22, 26]. Em relação aos processos que envolvem neutralização química da acidez volátil [22], estes apresentam o inconveniente de o sal que daí resulta, não ser removido a 100% pela segunda filtração por membranas. Por mais pequena que seja a percentagem de sal que fica no permeado da segunda etapa de filtração este vai ser reincorporado no vinho podendo ser alteradas caraterísticas organoléticas deste. Para além disto, o sal ao ser reincorporados passa a fazer parte de um conjunto de componentes não permitidos pela Organização Internacional do Vinho (OIV). Este processo também resulta numa diminuição de 3% do volume inicial (pode representar um custo elevado consoante o tipo de vinho que se está a tratar), ficando mais concentrado. Adicionar água para obter o mesmo volume está fora de questão até porque é expressamente proibido pela OIV [26]. Em relação aos processos de remoção de acidez volátil pela via biológica estes têm desvantagens na medida em que as enzimas que são responsáveis pela eliminação da acidez volátil podem não só ter atividade sobre estes componentes mas também sobre outros, correndo assim o risco do aparecimento de componentes indesejáveis [26]. A utilização de leveduras imobilizadas em alginato-quitosano [25] facilita a sua remoção do vinho mas também apresenta alguns inconvenientes como a falta de resistência a concentrações elevadas de etanol, a variação de percentagens de remoção de acidez volátil consoante a concentração de ácido acético em solução (concentrações maiores têm taxas de sucesso menores). Por outro lado, a integridade das esferas alginato-quitosano depende do ph (perdem forma para ph mais alcalinos) [25]. Fora do âmbito do tratamento do vinho, a remoção de ácidos orgânicos (como é o caso do ácido acético) aparece descrito noutras aplicações. Modelos de transporte em nanofiltração para soluções de ácido acético foram estudados para 12 membranas e diferentes condições nomeadamente variação de ph, concentração de ácido acético e introdução de outros componentes em solução [27]. Para concentrações constantes de ácido acético o aumento do 20

37 ph (valores de 2,7, 5,6 e 6,8) traduziu-se num aumento de rejeição pelas membranas, sendo estes resultados explicados pela dissociação do ácido acético que é menor para ph menor (ou seja, encontra-se praticamente todo na sua forma molecular) e, consequentemente, passa mais através das membranas neste estado. Quanto à variação da concentração de ácido acético em solução, os autores verificaram que quando esta era aumentada, a sua rejeição e o fluxo permeação diminuíam mas o fluxo do soluto aumentava tendo sido avançada a explicação de que este facto se deve à capacidade de permuta iónica das membranas. As rejeições de ácido acético na presença de cloreto de sódio (peso molecular muito semelhante, MMÁcido acético = 60 g/mol e MMCloreto de sódio = 58 g/mol) foram praticamente iguais para as soluções com ph mais elevados, tendo-se verificado uma grande diferença de rejeições entre os dois solutos para ph de 2,7 porque apenas 12,8% de ácido acético se encontra dissociado. Para a mistura de ácido acético e glucose (MMGlucose = 180 g/mol) como era de esperar, dada a diferença de entre as massas moleculares dos dois componentes, a separação é excelente já que a ph 2,7 praticamente toda a glucose é rejeitada e grande parte do ácido acético encontra-se no permeado. O efeito da temperatura é mais observado nos fluxos, pois como se trata de soluções aquosas a viscosidade destas diminui [27]. Todos os resultados obtidos neste trabalho permite pois concluir que a rejeição ao ácido acético é função do ph, da pressão de trabalho, da concentração em solução, da temperatura e da presença de outros componentes em solução [27]. Ainda no contexto da remoção de ácidos orgânicos foram desenvolvidos outros trabalhos relacionados com o comportamento daqueles em relação à natureza das cargas existentes na superfície das membranas. Este estudo encontra-se publicado por dois grupos de autores [28, 29] e as conclusões são semelhantes: a rejeição dos ácidos orgânicos depende fortemente do ph. Quando os ácidos orgânicos se encontram maioritariamente dissociados os efeitos eletrostáticos predominam na separação sendo a rejeição fortemente dependente da repulsão entre os ácidos e as cargas negativas das membranas. Quando o ph tende para um valor mais baixo a contribuição dos efeitos electroestáticos diminui começando a predominar os efeitos de exclusão de tamanho ou steric hindrance. Em ambos os trabalhos observa-se ainda que existe uma diminuição da rejeição dos ácidos orgânicos quando em soluções estão presentes catiões divalentes, como por exemplo Ca 2+. Esta ocorrência é facilmente explicada pelo facto das membranas terem maior afinidade com iões divalentes, bloqueado a passagem a estes e deixando assim permear mais iões monovalentes. A forte dependência da rejeição dos ácidos orgânicos com o ph e a influência da presença de outros compostos em solução, nomeadamente glucose e xilose, também foram observadas noutros trabalhos [30, 31]. Em alguns casos é possível tirar partido destas ocorrências onde se reporta a separação, porque manipulando as condições físico-químicas de operação conseguese separações muito boas. Por exemplo, obter rejeição negativa para o ácido acético, provocada pelas interações electroestáticas entre este e a membrana, e rejeições superiores a 90% para os açúcares. Note-se que a separação nestes exemplos é efetuada para moléculas que tem uma 21

38 diferença significativa de tamanho o que não é o caso do presente trabalho em que se estuda a separação entre o ácido acético e ácidos orgânicos com semelhante tamanho. A nanofiltração foi também confirmada como operação exequível para a remoção de conjuntos de ácidos orgânicos no tratamento de águas residuais [32] ou em hidrolisados ácidos de palha de arroz [33]. No primeiro estudo, tal como já tinha sido observado noutros trabalhos, é reportado um aumento de rejeição causado pelo aumento de ph. No segundo estudo conclui-se que efetivamente as membranas de nanofiltração conseguem concentrar os açúcares presentes, ou seja, removem os ácidos orgânicos sendo a separação controlada quer pelos efeitos de tamanho quer pela grande afinidade dos furanos e dos ácidos carboxílicos com a membrana. Da pesquisa bibliográfica efetuada destaca-se o facto de não existirem publicados dados experimentais sobre a remoção da acidez volátil por nanofiltração [26]. Inovador é também o estudo efetuado neste trabalho sobre a separação entre o ácido acético e alguns ácidos orgânicos, que têm, todos eles tamanhos moleculares muito semelhantes. 22

39 4. Materiais e Métodos 4.1. Materiais Reagentes As características e marcas de todos os reagentes usados neste trabalho estão listados na Tabela 4.1. Tabela Características e marca dos reagentes usados. Nome: Formula química: Marca: Pureza: Ácido Acético glacial C2H4O2 Panreac 99,7% Ácido DL Málico C4H6O56 Merck 99,5% Acetato de Etilo C4H8O2 Panreac 99,5% Ácido L(+) Láctico C4H6O6 Panreac 88 a 92% Ácido L(+) Tartárico C3H6O3 Merck 99,5% Ácido Sulfúrico H2SO4 Panreac 95 a 98% Cloreto de Sódio NaCl - - Etanol (álcool etílico) C2H6O Manuel Vieira & Cª, 96% Lda (v/v) Hidróxido de Potássio KOH Panreac 85% Metabisulfito de Sódio puro Na2S2O5 Absolve - Metanol (HPLC Gradient Grade) CH4O J. T. Baker - Sulfato de Magnésio heptahidratado MgSO4.7H2O Merck 99,5% Sulfato de Sódio anidro NaSO4 Scharlau 99% Ultrasil 10 Desconhecida Henkel Membranas As características das membranas de nanofiltração usadas neste trabalho estão descritas na Figura 4.3. Tabela Características de referência das membranas utilizadas [34, 35, 36]. Membrana: Marca: Fluxo MgSO4 Rejeição ao NaCl Rejeição ao MgSO4 Gama de ph Pressão máxima Temperatura máxima (ºC) (L/m 2 h) (%) (%) (bar) NFX Snyder 34-34,5 40,0 99,0 3-9, NF200 Filmtec 34,1-97, NF1 Ultura 65 90,0 98, NF3A Ultura 43 40,0 99, NF4 Ultura 64 70,0 99,

40 4.2. Métodos Métodos analíticos Os métodos analíticos escolhidos para a análise das amostras obtidas neste trabalho foram a condutividade das soluções e a Cromatografia Líquida de Alta eficiência (HPLC). Condutividade A determinação da condutividade de uma solução consiste na medição da capacidade que os iões, nessa solução, têm de conduzir a corrente elétrica. Por aplicação de uma diferença de potencial elétrico entre dois elétrodos imersos na solução a medir, os iões positivos catiões, migram para o cátodo enquanto os iões negativos aniões, migram para o ânodo. Este fluxo de iões é o valor medido no condutivímetro. A condutividade de uma solução depende de vários fatores tais como a concentração e a velocidade de migração dos iões presentes e a variação da temperatura [37]. Tal como num condutor metálico, em soluções também se verifica a lei de Ohm, exceto em condições de voltagem ou de frequência muito elevadas [38]. Assim: E = i R Eq. 4.1 em que E é o potencial, i é a intensidade da corrente elétrica que circula entre os elétrodos e R é a resistência do eletrólito que pode ser calculada como o produto de uma constante de proporcionalidade ε (resistência específica) pela distância entre os elétrodos dividido pela área da secção transversal da coluna de solução [37]: R = ε d A Eq. 4.2 por: Como a condutividade, L, de uma solução é o recíproco da sua resistência, pode ser definida L = 1 R = K A d Eq. 4.3 em que K é a condutividade específica e é definida como o inverso da resistência específica, ε. Define-se assim também a condutividade equivalente, Λ eq, ou a condutividade molar, Λ m : Λ eq = 1000 K C Λ m = 1000 K MM Eq. 4.4 Eq. 4.5 em que C é a concentração em equivalentes-grama por litro e MM é a massa molar da solução. A condutividade molar de todos os eletrólitos aumenta com a diluição das soluções mas o comportamento dos eletrólitos fortes e fracos é dispare. Para eletrólitos fortes, a relação entre a condutividade e a concentração molar é dada por (equação de Kohlrausch): 24

41 Λ m = Λ 0 m β c Eq em que Λ m é a condutividade a diluição infinita, ou seja, quando a concentração é zero a sua 0 condutividade toma o valor máximo. Para eletrólitos fracos a ionização é incompleta pelo que Λ m não pode ser extrapolado pela Eq Como pode ser observado pela Figura 4.1, para diluições infinitas a condutividade molar dos eletrólitos fracos aumenta de tal forma para diluições pequenas que se verifica uma assimptota vertical. Existe uma grande dificuldade de determinar experimentalmente este valor uma vez que requer concentrações de soluto muito baixas [39]. Figura 4.1 Variação da condutividade molar com a concentração para eletrólitos fortes e fracos. Define-se ainda, para eletrólitos fracos, a fração de ionização (α). Esta fração indica a percentagem de iões que se encontram dissociados em solução. α = Λ m Λ m 0 Eq. 4.7 As medições das condutividades das soluções para a determinação das curvas de calibração foram todas realizadas a 25ºC (tendo sido previamente termostatizadas) e sem fator de correção de temperatura no aparelho. O equipamento utilizado foi um condutivímetro da marca CRISON, modelo Conductimeter GLP 32, e uma célula de condutividade também marca CRISON com a referência Índice de refração O índice de refração é uma medida da variação da velocidade da luz de um meio para outro. Quando o meio de referência é o vazio então o valor de índice de refração (n) é absoluto obtido pela Eq. 4.8, em que c é o valor da luz no vazio (3 x 10 8 m/s) e v é a velocidade da luz no meio em questão [40]. n = c v Eq. 4.8 Quando o meio de referência não é o vazio diz-se então que o índice de refração é relativo (n 2,1 ), ou seja, o seu valor é quantificado a partir da velocidade da luz nesse mesmo meio de referência: 25

42 n 2,1 = v 1 v 2 Eq. 4.9 em que v 1 e v 2 são a velocidade da luz no meio de referência e no meio no qual se pretende fazer a medição, respetivamente [40]. Para as medições de índice de refração, as soluções foram devidamente termostatizadas (25ºC) devido à variação desta propriedade com a temperatura. O aparelho utilizado é da marca Gilson, modelo Refractive índex detector 133. Note-se que este aparelho é normalmente acoplado a um HPLC pelo que, entre medições fez-se passar água Millipore para garantir que a célula de amostra se encontrava limpa da solução anterior e que o valor voltava a zero. Cromatografia A cromatografia é uma técnica de separação muito utilizada para a análise de vários tipos de misturas. Todos os métodos cromatográficos têm em comum o uso de uma fase estacionária, que pode ser um sólido ou um líquido, empacotada numa coluna ou espalhada numa superfície, e uma fase móvel (eluente), que se faz passar através da fase estacionária [41]. Este método analítico pode ser classificado de acordo com o modo em que as fases estacionária e móvel são colocadas em contato (cromatografia em coluna ou plana). Também pode ser classificado de acordo com o tipo de fases móvel e estacionária e os equilíbrios envolvidos na transferência do soluto entre elas (cromatografia gasosa, líquida ou de fluído supercrítico). [37] A cromatografia líquida de alta eficiência (de maior interesse para este trabalho), HPLC High Performance Liquid Cromatography, subdivide-se em quatro tipos básicos em que a fase móvel é líquida: cromatografia de partição, de adsorção, iónica e em gel [37]. Em relação aos detetores usados, estes podem ser em resposta à fase móvel (índice de refração) ou às propriedades do soluto (absorvância ou eletroquímicos) [37]. A separação das espécies através de uma coluna cromatográfica é traduzida num pico que é maior ou menor consoante a sua concentração. A quantificação dos picos pode ser em relação à área ou a altura, mas preferencialmente escolhe-se a área pois o erro associado é menor. As áreas diferem de detetor para detetor e sofrem alterações quando são mudadas as condições operatórias ou alguma peça do equipamento, sendo por isso necessário fazer uma curva de calibração da espécie que se está a analisar. A escolha do método de calibração é bastante importante visto que nem todas as misturas se comportam da mesma maneira. De entre os métodos existentes foram testados dois: o método da curva de calibração e o método da adição de padrão. O método da curva de calibração consiste na injeção de soluções padrão simples, com concentrações conhecidas [42]. Como pode ser observado na Figura 4.2, a gama de linearidade é limitada, pelo que é necessário estudá-la e verificar até onde é conveniente fazer as curvas de calibração. 26

43 Figura Exemplo típico de uma representação do método da curva de calibração [42]. O método da adição de padrão foi realizado para verificar a existência ou inexistência de interações entre as espécies que se pretendiam analisar e as restantes que se encontram em misturas reais. Como se verificou a inexistência de interações entre espécies, este método foi descartado e optou-se pelo método da curva de calibração descrito anteriormente. Neste trabalho foi utilizado um cromatógrafo modular marca Thermo Electron Corporation. Os módulos que o constituem são uma bomba modelo Finnigan Surveyor LC Pump Plus, um amostrador modelo Finnigan Surveyor Autosampler Plus e um detetor modelo Finnigan Surveyor PDA Plus Detector (UV). Além dos módulos referidos anteriormente foi também acoplado, ao cromatógrafo, um medidor de índice de refração, LKB 2142 refractive índex (IR), e uma bomba peristáltica que auxilia a passagem de eluente na célula de referência do aparelho. A coluna utilizada foi uma C18 ODS-AQ. Quer as condições operatórias quer a composição da fase móvel foram otimizadas para esta separação. Assim, as condições de operação foram temperatura de 40ºC e um caudal de 0,5 ml / min para uma fase móvel constituída por uma mistura de composição de 8 mm Na2SO4 / 1 mm de H2SO4 a ph 2,8 [43]. As espécies analisadas por HPLC são os ácidos orgânicos mais importantes do vinho e o etanol. No UV são determinados os ácidos enquanto que no IR é determinado o etanol. Todas as amostras antes da injeção foram previamente filtradas, com filtros de 0,45 μm de modo a garantir que nenhuma impureza entrasse no sistema. Para além da filtração, as amostras de vinho sofrem um pré-tratamento onde são forçados a passar por um tubo Finisterre SPE C18 de 500 mg / 6 ml com o auxílio de uma plataforma de vácuo. Este pré-tratamento serve, essencialmente, para remover todos os componentes mais pesados das amostras e que podem interferir com os cromatogramas correntes (os compostos mais pesados têm tempos de retenção maiores e sairiam sobrepostos nos cromatogramas na amostra seguinte). Após utilização da instalação a coluna sofre uma passagem em gradiente de metanol água para lavar e conservar e para que não haja problemas de precipitação. Inicialmente passa-se 80% de água e 20% de metanol durante 30 minutos e depois 30% de água e 70% de metanol durante mais 30 minutos (solução em que a coluna fica durante interrupções). O processo inverso é também realizado no início de cada utilização, é passado durante 30 minutos 80% de água e 27

44 20% de metanol e depois mais 30 minutos do eluente para que a coluna fique apta para a operação. ph O aparelho utilizado para ajustes de ph, nomeadamente na preparação do eluente para o HPLC e também em algumas soluções utilizadas na instalação de membranas, é da marca CRISON, modelo MicropH 2002, com uma célula de referência Membranas Instalação A instalação que foi utilizada é da marca Alfa Laval, modelo LabStak M20, onde as cinco membranas estudadas são colocadas em paralelo (área de cada membrana = 0,036 m 2 ). A instalação é constituída por duas bombas: a bomba centrífuga que bombeia o líquido para o sistema e a bomba hidráulica que pressuriza o módulo com as membranas (as membranas foram pressurizadas a 430 bar). Para além das bombas, a instalação tem ainda um permutador de calor à entrada do líquido nas membranas para que as oscilações de temperatura dentro do módulo não sejam muito significativas. Nas figuras seguintes encontra-se a instalação, Figura 4.3 vista completa e Figura 4.4 vista pormenorizada. Figura Instalação Alfa Laval, LabStak M20 completa. 28

45 (a) (b) Figura Instalação Alfa Laval, LabStak M20 parcial: (a) parte de cima onde estão situadas as membranas, tanque de alimentação, permutador de calor e controlo de pressão, (b) parte de baixo onde se encontra as duas bombas, azul bomba centrifuga e amarela bomba hidráulica. 1ª Lavagem e compactação As membranas após serem colocadas no sistema foram lavadas e compactadas. A primeira lavagem, que tem como objetivo a remoção de todos os conservantes e químicos que as membranas trazem do fornecedor, foi realizada com uma concentração de 0,25% (w/w) de Ultrasil 10, durante 30 min, a uma pressão muito próxima da ambiente (1-2bar) e com uma velocidade de 1 m/s. As membranas foram posteriormente enxaguadas com uma quantidade abundante de água (18 L) para que todos os resíduos de Ultrasil 10 fossem removidos. A compactação da membrana foi realizada durante 2 horas, a uma velocidade também de 1 m/s e à pressão de 30 bar. Caraterização das membranas A caraterização das membranas foi feita de acordo com os solutos e as condições especificadas pelo fornecedor, Tabela 4.2. Prepararam-se soluções de cloreto de sódio (ião monovalente) e de sulfato de magnésio (ião bivalente), ambas com uma concentração de 2000 ppm. Os ensaios foram realizados à temperatura de 25ºC e em circuito fechado, ou seja, os permeados e o concentrado voltam sempre ao taque de alimentação de modo a manter a concentração da solução constante. Procedimento Todos os ensaios efetuados na instalação de membranas seguiram o mesmo procedimento. Estes foram realizados em circuito fechado de modo a manter a concentração da alimentação constante e foi recolhida apenas uma quantidade essencial de permeado para análise. 29