Orientador: Francisco Maugeri Filho

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: A nanofiltração é um processo com membrana por diferença de pressão, enolvendo também mecanismos de sorção e difusão, que pode ser aplicado na etapa de concentração do caldo clarificado na produção de ácido clavulânico. No presente trabalho, o ácido clavulânico foi concentrado, avaliou-se a...

Resumo: A nanofiltração é um processo com membrana por diferença de pressão, enolvendo também mecanismos de sorção e difusão, que pode ser aplicado na etapa de concentração do caldo clarificado na produção de ácido clavulânico. No presente trabalho, o ácido clavulânico foi concentrado, avaliou-se a eficiência do processo e estudaram-se os parâmetros envolvidos na transferência de massa e aplicados ao modelo matemático SEDE-VCh, assim como avaliou-se a ampliação de escala do processo. Esse estudo foi dividido nas seguintes etapas: seleção e caracterização das membranas; aplicação do modelo matemático, nos quais foram realizados experimentos para avaliar o desempenho das membranas NF e NF90 (ambas da FilmtecTM), e NP010 e NP030 (ambas da Microdyn Nadir®); ampliação de escala do processo, na qual a membrana que apresentou os melhores resultados nas etapas anteriores foi utilizada. Quanto à seleção da membrana, as respostas avaliadas foram o coeficiente de retenção, a produtividade e o fator de purificação. Na etapa de caracterização da membrana, foi avaliada a morfologia de superfície das quatro membranas, obtendo-se o tamanho e a distribuição de poros, a rugosidade, a dimensão fractal e a permeabilidade das mesmas, além de estudos que forneceram dados referentes aos efeitos estéricos e elétricos sobre o transporte através das membranas, como suas densidades superficiais e volumétricas de carga, a concentração do soluto nas suas superfícies externas e o coeficiente de transferência de massa do processo. A partir desses dados foi gerado um modelo para explicar o transporte através das membranas. Por fim foram feitos experimentos para verificar o comportamento do processo em uma escala piloto. Os resultados obtidos demonstram que a membrana NF é a melhor para o processo de concentração de ácido clavulânico com coeficiente de retenção médio de 0,988 em escala de bancada e aproximadamente 1,0 em escala piloto. As quatro membranas apresentaram raios de poro inferiores a 1 nm e ponto isoelétrico em pH entre 5 e 6. A membrana NP010 apresentou maior permeabilidade à água, e as demais na seguinte ordem: NP010 > NP030 > NF > NF90. Esse parâmetro se relaciona de forma linear com o diâmetro médio de poros e sua redução aumenta com a diferença entre a dimensão fractal antes e depois do uso das membranas. Foi possível verificar também que em altas adsorções a rugosidade das membranas tendem a ser similares. A membrana NF90 apresentou um maior coeficiente de transferência de massa, seguido da NF, NP010 e NP030, nessa ordem, sendo que a rejeição variou com o pH para as membranas NF e NF90. A constante dielétrica dentro dos poros aumenta inversamente ao tamanho médio dos poros das membranas até quando a mesma atinge o valor da água livre. A seletividade da membrana ao KCl e ácido clavulânico apresenta a mesma tendência da densidade volumétrica de cargas: NF > NF90 > NP030 _ NP010. Com os estudos de ampliação de escala foi possível determinar que o sistema convencional que simula o processo de fluxo tangencial pode ser usado em outros estudos de avaliação de processos e de seleção de membranas visando à aplicação industrial, e que peptídeos e aminoácidos podem atuar melhorando o processo de concentração de ácido clavulânico por nanofiltração. A produtividade final obtida foi de até 6.4 [CA]RET/[CA]0.L.h.

Abstract: Nanofiltration is a pressure driven membrane process, with desorption and diffusion, which is also applied to the concentration of clavulanic acid from a clarified juice. In this study, clavulanic acid was concentrated, and the process had its efficiency evaluated and its mass transfer...

Abstract: Nanofiltration is a pressure driven membrane process, with desorption and diffusion, which is also applied to the concentration of clavulanic acid from a clarified juice. In this study, clavulanic acid was concentrated, and the process had its efficiency evaluated and its mass transfer parameters studied and applied to the mathematical model SEDE-VCh, and in addition scale up was also evaluated. This study was divided into the following stages: selection and characterization of the membranes, and the application of the model, in which experiments were performed to evaluate the performance of the NF and NF90 membranes (both FilmtecTM), and NP010 and NP030 (both Microdyne Nadir®), and the scale up of the process, in which the membrane that showed the best results in the previous steps was used. Concerning the selection of the membrane, the evaluated responses were the retention coefficient, productivity and purification factor. In the characterization of the membrane step, we evaluated the surface morphology of the four membranes, targeting the pore size and pore size distribution, roughness, fractal dimension and permeability, in addition to studies that provided data on the electrical and steric effects over the transport through the membranes, as their surface and volumetric density charges, the concentration of solute in its external surfaces and the mass transfer coefficient of the process. From these data a model was created to explain the transport through the membranes. Finally experiments were carried out to verify the behavior of the process in a pilot scale. The results showed that the NF membrane is best for the process of concentration of clavulanic acid with retention coefficient average of 0.988 in bench scale and almost 1.0 in the pilot plant. All the four membranes had pore radii below 1 nm and an isoelectric point between pH 5 and 6. The NP010 membrane showed the higher water permeability, in the following order: NP010 > NP030 > NF > NF90. This parameter is related linearly with the average pore size and its reduction increases with the difference between the fractal dimension before and after the use of the membranes. It was also verified that at high adsorption the roughness of the membranes tends to be similar. The NF90 membrane showed a higher mass transfer coefficient, followed by NF, NP010 and NP030, in that order and the rejection varied with the pH for the NF and NF90 membranes. The dielectric constant inside the pores increases inversely with pore size of the membranes even when it reaches the value of free water. The selectivity of the membrane to KCl and clavulanic acid shows the same trend as the volumetric density charge: NF > NF90 > NP030 _ NP010. By means of the studies of scale up it was determined that the conventional system with a stirrer that promotes the convection movement in the process can be used in other studies of process evaluation and selection of membranes in view of industrial application, and also that peptide and mino acid substances improve the process concentration of clavulanic acid by nanofiltration. The final productivity was about 6.4 [CA]RET/[CA]0.L.h.