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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Concentração e Purificação das Proteínas do
Soro de Queijo por Ultrafiltração
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Jaqueline Rodrigues Boschi
Porto Alegre
2006
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Concentração e Purificação das Proteínas do
Soro de Queijo por Ultrafiltração
Jaqueline Rodrigues Boschi
Dissertação de Mestrado apresentada como requisito
parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Química
Área de concentração: Pesquisa e Desenvolvimento de
Processos
Orientador:
Prof
a
. Dr
a
. Keiko Wada
Co-orientador:
Prof
a
. Dr
a
. Isabel Cristina Tessaro
Porto Alegre
2006
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
E
SCOLA DE ENGENHARIA
D
EPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
P
ROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação Concentração e
Purificação das Proteínas do Soro de Queijo por Ultrafiltração, elaborada por Jaqueline
Rodrigues Boschi, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia
Química.
Comissão Examinadora:
Prof. Dr. Caciano Pelayo Zapata Noreña
Prof
a
. Dr
a
. Talita Furlanetto Mendes
Prof
a
. Dr
a
. Lígia Damasceno Ferreira Marczak
Agradecimentos
Em primeiro lugar agradeço a Jesus Cristo, que meu deu muita força de vontade,
tranqüilidade e coragem para continuar a conclusão quando não parecia haver uma luz no fim
do “túnel”.
Ao meu bolsista voluntário Alan Ambrosi por toda sua dedicação e força de vontade
em aprender e contribuir para a conclusão do mesmo e principalmente por suas horas de
trabalho realizadas nas madrugadas.
À Sirley Secchi por toda sua dedicação em me ajudar com seu grande conhecimento
técnico e no seu empenho de adquirir o material do laboratório necessário para desenvolver
minhas análises. Além de poder desabafar nas horas mais necessária, quando ocorria algum
problema se tornando minha amiga.
Ao meu noivo Rodrigo Zamora Wilke por acreditar na minha capacidade e
inteligência em concluir essa dissertação sendo a pessoa que mais acredito, confio e amo.
Às minhas amigas de coração Emmanuelle de Almeida Marcinkowski e Florencia
Cladera por seus conhecimentos na área de alimentos e, principalmente, por poder contar em
todos os momentos na vida profissional e pessoal.
Ao meu colega Marcus Darci por me ensinar a utilizar as ferramentas computacionais
e equipamentos, enfim, a sua “paciência”.
Aos meus pais Irajá e Ieda, sem eles, eu com certeza não teria conquistado tudo que já
consegui na vida.
Ao Departamento de Engenharia Química da UFRGS, que proporcionou recursos
humanos e materiais, indispensáveis à minha formação.
À empresa Elegê Alimentos pelo apoio técnico e à CAPES pela bolsa de mestrado.
Às professoras Isabel Cristina Tessaro e Keiko Wada pela orientação.
Deus
Passei tanto tempo Te procurando...
Olhava para o infinito, mas não Te via...
E pensava comigo mesmo:
Será que Tu existes?
Não me contentava e prosseguia, tentando
Te encontrar nas religiões e pastores
E não Te encontrei.
Senti-me só, vazio, desesperado e descrente.
E, na descrença, Te ofendi.
E, na ofensa, tropecei.
E, no tropeço, caí.
E, na queda, senti-me fraco.
Fraco, procurei socorro.
E, no socorro, encontrei amigos.
E, nos amigos, encontrei carinho.
E, no carinho, vi nascer o amor.
Com amor, eu vi um mundo novo.
E, no mundo novo, resolvi viver.
O que recebi, resolvi doar.
Doando alguma coisa, muito recebi.
E, recebendo,senti-me feliz.
E, ao ser feliz, encontrei a paz.
E, tendo paz, foi que enxerguei
Que tu estavas dentro de mim.
E, sem procurar-Te, foi que Te achei.
Na Moita
VI
Resumo
O processamento do leite visando a produção de queijo resulta num grande volume
de soro, aposto cada litro de leite processado são gerados de 0,6 a 0,9 litros de soro. O soro
de queijo é considerado como uma importante fonte de proteínas que podem ser utilizadas
para o consumo humano e, assim, justifica o interessa sobre a possibilidade de reutilizá-lo
comercialmente. Por outro lado, devido a sua elevada carga orgânica este não pode ser
descartado diretamente no solo ou no leito de rios e, portanto, a sua reutilização elimina o
problema ambiental causado pelo descarte deste efluente. A tecnologia de separação por
membrana, especialmente a ultrafiltração (UF), está sendo empregada atualmente nas
indústrias de laticínios para a obtenção de concentrados protéicos a partir do soro, os quais,
dependendo do grau de pureza, são utilizados na fabricação de produtos lácteos,
embutidos, pães, chocolates, biscoitos e bebidas, entre outros. Dentro deste contexto, o
objetivo deste trabalho é concentrar e isolar as proteínas do soro de queijo por UF e, para
agregar maior valor ao concentrado protéico, utilizou-se a diafiltração (DF). Os
experimentos foram realizados em um sistema piloto, com uma membrana de UF com
massa molar de corte de 10 kDa. As seguintes condições de operação foram mantidas na
UF constantes em todos os experimentos: temperatura de 50
o
C, pressão transmembrana de
2 bar e vazão de alimentação de 850 L. h
-1
. O soro de queijo foi reconstituído a partir do
soro em pó fornecido por uma indústria de laticínios da região e pré-filtrado em um filtro
de cartucho com tamanho de poro nominal de 1μm para prevenir o fouling por material em
suspensão. Os seguintes parâmetros foram avaliados durante o processo de concentração e
purificação das proteínas do soro: fluxo de água pura, fluxo permeado da solução, pH,
condutividade elétrica, concentrações de proteína, lactose e sólidos totais. Para dar um
tratamento matemático aos resultados experimentais, foi desenvolvido um programa
computacional, usando software MATLAB ® versão 5.3, o qual permite a otimização do
processo de purificação da proteína usando DFs. Os resultados obtidos indicaram que este
processo é adequado para obtenção de concentrado protéico com diferentes graus de
pureza, a fim de atender o mercado para diversas aplicações.
VII
Abstract
Milk processing for cheese production results in a great volume of whey: 0,6 to 0,9
liters of whey are generated for each liter of processed milk. Cheese whey is considered an
important source of proteins for human consumption, and the increasing world production
justifies the interest in studies aiming its commercial use. On the other hand, due to its high
organic load, it is unacceptable to discard cheese whey directly to the soil or rivers, and
therefore its utilization eliminates the environmental problem caused by this effluent.
Membranes separation technology, especially ultrafiltration (UF), has being used in the
dairy industry to obtain whey protein concentrates, which, according to the degree of
purity attained, may be applied in the production of dairy products, sausages, breads,
chocolates, cookies and beverages, among others. In this context, the objective of this work
is to concentrate and purify cheese whey protein by ultrafiltration and diafiltration (DF)
was used in order to add greater value to the protein concentrate. Experiments were carried
out in a pilot plant using an ultrafiltration membrane of 10 kDa molecular weight cut.
Operating conditions were kept constant in all experiments: temperature of 50°C,
transmembrane pressure of 2 bar and feed flow rate of 850 L. h
-1
. Powdered cheese whey
supplied by a local dairy industry was reconstituted and filtrated through a cartridge filter
with 1μm nominal pore size to prevent fouling caused by suspended solids. The following
parameters were evaluated during the concentration process and purification of the whey
proteins: pure water flux, permeate flux, pH, electric conductivity, protein, lactose and
total solids concentrations. Experimental results were used to develop an optimization
routine in the software MATLAB® version 5.3, in order to optimize the protein
purification process by DF. Results indicate that this process is well adapted for obtaining
whey protein concentrates with different degrees of purity, in order to suit several
applications.
VIII
Sumário
Resumo ............................................................................................................................ VI
Abstract..........................................................................................................................VII
Sumário ........................................................................................................................ VIII
Lista de Figuras ................................................................................................................X
Lista de Tabelas.............................................................................................................XII
Lista de Abreviaturas e Símbolos .............................................................................. XIII
Introdução..........................................................................................................................1
Fundamentos Teóricos e Revisão Bibliográfica..............................................................4
2.1 Processos de separação por membranas..................................................................4
2.1.1 Membranas .....................................................................................................6
2.2 Aplicação de PSM na indústria de laticínios...........................................................7
2.3 Princípios de UF....................................................................................................12
2.3.1 Membranas de UF ........................................................................................15
2.3.2 Módulos de UF.............................................................................................16
2.3.3 Fatores que afetam o desempenho do processo de UF.................................18
2.3.3.1 Fouling.................................................................................................19
2.3.3.2 Polarização por concentração..............................................................20
2.4 O soro de queijo.....................................................................................................21
2.4.1 Proteínas do soro de queijo...........................................................................25
2.4.2 Processamento do soro de queijo por PSMs.................................................27
2.4.3 Produtos derivados do soro de queijo e respectivas aplicações....................28
Materiais e Métodos........................................................................................................32
3.1 Solução de Soro de Queijo Ácido..........................................................................32
3.2 Reagentes Analíticos .............................................................................................33
3.3 Membrana de UF...................................................................................................34
3.4 Equipamento..........................................................................................................35
3.5 Métodos Analíticos................................................................................................38
3.5.1 Análise de Concentração de Proteína – Método de Kjeldahl.......................38
3.5.2 Análise de Concentração de Lactose por Cromatografia Líquida (HPLC)..39
3.5.3 Análise de pH ...............................................................................................40
3.5.4 Análise de Condutividade Elétrica...............................................................40
3.5.5 Análise de Extrato Seco Total......................................................................40
3.6 Limpeza do Sistema de Membranas......................................................................40
3.7 Metodologia Experimental....................................................................................41
3.7.1 UF do Soro de Queijo...................................................................................41
3.7.2 DF do Soro de Queijo...................................................................................42
IX
3.8 Otimização do processo de purificação.................................................................43
Resultados e Discussão....................................................................................................44
4.1 Escolha e determinação das condições de operação para os processos UF e DF..44
4.1.1 Pressão transmembrana de operação............................................................44
4.1.2 Temperatura de processo..............................................................................45
4.1.3 Vazão de alimentação de UF e DF...............................................................46
4.2 Concentração e purificação das proteínas do soro de queijo.................................46
4.2.1 Experimentos de concentração das proteínas do soro de queijo ..................47
4.2.2 Experimentos de purificação das proteínas do soro de queijo......................49
4.3 Limpeza e sanitização do equipamento.................................................................54
4.4 Análise da variação do fluxo permeado com as concentrações dos
componentes do soro.............................................................................................55
4.4.1 Variação de fluxo permeado com teor de proteínas.....................................55
4.4.2 Variação de fluxo permeado com teor de sólidos totais...............................56
4.4.3 Variação de fluxo permeado com teor de lactose.........................................58
4.4.4 Variação do fluxo permeado com teor de sais..............................................60
4.4.5 Variação de fluxo permeado com pH...........................................................61
4.4.6 Variação de fluxo permeado com as concentrações dos componentes
permeáveis no concentrado .............................................................................61
4.4.7 Equações empíricas do fluxo permeado da UF e DFs com teor de
proteína............................................................................................................63
Modelagem.......................................................................................................................65
5.1 Otimização do processo de purificação.................................................................65
Conclusões e Sugestões....................................................................................................76
6.1 Conclusões.............................................................................................................76
6.2 Sugestões...............................................................................................................77
Referências Bibliográficas ..............................................................................................78
Apêndice A - Dados Experimentais ...............................................................................86
Apêndice B - Resultados da Otimização para o processo de purificação das proteínas
do soro de queijo........................................................................................................96
Anexo A - Metodologia Analítica.................................................................................101
X
Lista de Figuras
Figura 2.1: Aplicação dos PSM para separação de componentes do leite em função do
seu tamanho.............................................................................................................7
Figura 2.2: Representação esquemática da filtração tangencial do soro na membrana
de UF .....................................................................................................................13
Figura 2.3: Esquema do módulo de UF. ..........................................................................18
Figura 2.4: Fluxograma da produção de queijo mussarela...............................................24
Figura 2.5: Fluxograma da produção de soro de queijo em pó........................................25
Figura 3.1: Fotografia do módulo da membrana de UF...................................................35
Figura 3.2: Fotografia da unidade piloto de UF...............................................................36
Figura 3.3: Representação esquemática da unidade piloto de UF....................................36
Figura 3.4: Representação esquemática do processo de UF. ...........................................42
Figura 3.5: Representação esquemática do processo de DFs...........................................43
Figura 4.1: Fluxo permeado de água e soro com diferentes pressões..............................45
Figura 4.2: Fluxo permeado de água com tempo durante a compactação da membrana
de UF. ....................................................................................................................47
Figura 4.3: Fluxo permeado de soro com tempo..............................................................48
Figura 4.4: Fluxo permeado de soro em função do fator de concentração. .....................49
Figura 4.5: Fluxo permeado nas diafiltrações de concentrado de soro com tempo.........50
Figura 4.6: Retenção dos componentes do soro com o tempo.........................................53
Figura 4.7: Fluxo permeado do Experimento 1 versus concentração de proteína no
concentrado............................................................................................................56
Figura 4.8: Variação de fluxo permeado do Experimento 2 com concentração de
proteína no concentrado.........................................................................................56
Figura 4.9: Variação de fluxo permeado do Experimento 1 com o percentual de
sólidos totais no concentrado.................................................................................57
Figura 4.10: Fluxo permeado do Experimento 2 com o percentual de sólidos totais no
concentrado............................................................................................................58
Figura 4.11: Fluxo permeado no Experimento 1 com a concentração de lactose............59
Figura 4.12: Fluxo permeado no Experimento 2 com a concentração de lactose............59
Figura 4.13: Variação de fluxo permeado do Experimento 1 com a condutividade
elétrica. ..................................................................................................................60
Figura 4.14: Variação de fluxo permeado do Experimento 2 com a condutividade
elétrica. ..................................................................................................................61
Figura 4.15: Fluxo permeado do Experimento 1 com os componentes permeáveis no
concentrado............................................................................................................62
Figura 4.16: Fluxo permeado do Experimento 2 com os componentes permeáveis no
concentrado............................................................................................................62
Figura 4.17: Fluxo permeado da UF do Experimento 1 e Experimento 2 em função da
concentração de proteína.......................................................................................63
Figura 4.18: Fluxo permeado do Experimento 1 e Experimento 2 com a primeira e
segunda DFs em função da concentração de proteína...........................................64
Figura 5.1: Curva de otimização para 30 L de soro.........................................................71
Figura 5.2: Tempo total do processo de purificação com DF em função do número de
DFs. .......................................................................................................................72
Figura 5.3: Volume ótimo de água em função do número de DFs. .................................73
Figura 5.4: Fração mássica de proteína no produto obtido com volume ótimo de água..73
XI
Figura 5.5: Concentração de proteína no sistema em função do tempo para 4 DFs........74
Figura 5.6: Concentração de proteína no sistema em função do tempo com 10 DFs......74
Figura A.1: Curva de calibração do HPLC com as concentrações de lactose..................94
Figura A.2: Curva padrão do método HPLC com as respectivas concentrações.............95
XII
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Classificação dos PSMs relacionados pelo tamanho de poros das
membranas e respectivas pressões de operação. .....................................................5
Tabela 2.2: Comparação da produção de diferentes queijos através de processos
tradicional e com uso de UF para cada 100.000 kg de leite..................................12
Tabela 2.3: Composição do leite e dos soros doce e ácido. .............................................22
Tabela 2.4: Composição do soro ácido. ...........................................................................23
Tabela 2.5: Propriedades e concentração das proteínas do soro de queijo.......................26
Tabela 2.6: Composição típica de concentrados e isolados protéicos..............................28
Tabela 3.1: Características físico-químicas do soro em pó..............................................32
Tabela 3.2: Características nutricionais do soro em 100 g...............................................33
Tabela 3.3: Reagentes utilizados, grau de pureza e fornecedor. ......................................34
Tabela 3.4: Informações técnicas da membrana de UF....................................................35
Tabela 4.1: Variação do fluxo permeado do soro de queijo com a vazão de
alimentação na pressão transmembrana de 2 bar...................................................46
Tabela 4.2: Características do concentrado e do permeado do Experimento 1................51
Tabela 4.3: Características do concentrado e do permeado do Experimento 2................52
Tabela 4.4: Medidas de fluxo de água após enxágüe em cada etapa da limpeza
química. .................................................................................................................54
Tabela A.1: Experimento 1, dados da determinação de proteínas....................................86
Tabela A.2: Experimento 1, dados da determinação dos sólidos totais............................87
Tabela A.3: Experimento 1, dados da determinação da lactose.......................................88
Tabela A.4: Experimento 1, dados da determinação da condutividade elétrica...............89
Tabela A.5: Experimento 1, dados da determinação do pH.............................................89
Tabela A.6: Experimento 2, dados da determinação de proteínas....................................90
Tabela A.7: Experimento 2, dados da determinação dos sólidos totais............................91
Tabela A.8: Experimento 2, dados da determinação da lactose.......................................92
Tabela A.9: Experimento 2, dados da determinação da condutividade elétrica...............93
Tabela A.10: Experimento 2, dados da determinação do pH...........................................93
Lista de Abreviaturas e Símbolos
α-La alfa-lactolbumina
β-Lg beta-lactoglobulina
A área da membrana de UF (m
2
)
BSA albumina do soro bovino
C custo médio do tratamento de efluente (R$ 0,45. m
-3
)
C
a
concentração da água + pseudo-componente ( g. L
-1
)
C
b
concentração da alimentação ( g. L
-1
)
C
f
concentração de soluto na alimentação ( g. L
-1
)
C
i
concentração do componente i ( g. L
-1
)
C
o
concentração inicial do componente i ( g. L
-1
)
C
P
concentração de soluto no permeado ( g. L
-1
)
CPS concentrado protéico de soro
C
sl
concentração de pseudo-componente ( g. L
-1
)
C
w
concentração das macromoléculas ( g. L
-1
)
DF diafiltração
dt
dm
a
variação da massa da solução do tanque com tempo de processo (kg. h
-1
)
dt
dm
sl
variação da massa de pseudo-componente do tanque com tempo de processo
dt
dv
variação do volume do tanque com tempo de processo (L. h
-1
)
DQO demanda química de oxigênio (g O
2
. L
-1
)
ED eletrodiálise
F função objetivo
FC fator de concentração
G consumo total do processo (R$)
G
1
consumo de energia elétrica (R$. (kWh)
-1
)
G
2
consumo de tratamento de efluente (R$. m
-3
)
G
3
consumo de água adicionada (R$. L
-1
)
G
4
consumo associado ao processo de secagem (R$. kg
-1
)
HPLC cromatografia líquida de alta eficiência
XIII
XIV
Ig imunoglobulina
IPS isolado protéico de soro
J
p
fluxo de permeado (L. m
-2
. h
-1
)
MF microfiltração
m
H2O
massa de água evaporada (kg)
MMC massa molar de corte (kDa)
NF nanofiltração
OI osmose inversa
P preço da água (R$ 2,00. m
-3
)
PC polarização por concentração
P
consumida
potência consumida (kW. h
-1
)
P
f
preço final do produto (R$)
PI ponto isoelétrico
PSM processo de separação por membranas
P
vapor
preço da água evaporada (R$ 0,20. kg
-1
)
R coeficiente de rejeição/retenção
ST sólidos totais (%)
t tempo (h)
UF ultrafiltração
v volume do permeado (L)
V
efluente
volume do efluente (m
3
)
V
F
volume permeado da solução (L)
V
o
volume inicial da solução (L)
V
R
volume do retido (L)
Capítulo 1
Introdução
Os processos de separação por membranas (PSM) vêm sendo utilizadas nas indústrias
com a finalidade de separar, purificar ou concentrar determinados componentes da mistura de
interesse. A ultrafiltração vem sendo empregada nas indústrias de laticínios, principalmente
na recuperação de produtos como as proteínas do soro de queijo e no seu fracionamento. A
ultrafiltração permite uma variação na relação de concentração entre os vários componentes
do soro, devido à retenção seletiva de proteína e outros materiais coloidais, retenção parcial
de compostos nitrogenados mais simples e da permeação da lactose, sais minerais e outros
compostos com menor massa molar.
O soro de queijo constitui-se no líquido remanescente após a precipitação e remoção
da caseína do leite durante a fabricação de queijo. Este subproduto representa cerca de 80% a
90% do volume de leite utilizado e retém 55% dos nutrientes do leite, sobretudo lactose (4,5-
5% w. v
-1
), proteínas solúveis (0,6-0,8% w. v
-1
), lipídios (0,4-0,5% w. v
-1
), e sais minerais (8-
10% do extrato seco). Contudo, devido a sua baixa concentração de matéria sólida (6-7% w.
v
-1
), o soro de queijo é normalmente considerado um efluente (RECH, 2003).
O descarte do soro direto ou indiretamente nos cursos dos rios, sem qualquer tipo de
tratamento gera um grande problema ambiental, pois o potencial poluidor do soro de queijo é
aproximadamente cem vezes maior que o esgoto doméstico, ou seja, cada 1000 L de soro não
tratado por dia equivale uma poluição diária de 470 pessoas. Essa poluição é causada por sua
elevada demanda química de oxigênio (DQO) em torno de 50.000 a 60.000 mg de O
2
. L
-1
que
ultrapassa o limite máximo permitido de acordo com as normas ambientais, dependendo do
processo utilizado na elaboração do queijo (MOSQUIM et al., 1999). Industrialmente, o soro
pode ser processado mediante diversas técnicas, tais como a filtração, centrifugação,
evaporação, secagem, ultrafiltração, osmose inversa, tratamento térmico, fermentação,
desmineralização e cristalização, entre outras.
Apesar do conhecimento deste fato, por muito tempo, o soro foi descartado como um
efluente ou mesmo usado in natura na alimentação de animais em fazendas, sobretudo porcos.
Portanto, o não-aproveitamento do soro traz o problema de contaminação do meio ambiente e,
por esse motivo, vem se exigindo das indústrias o seu tratamento antes do seu descarte.
INTRODUÇÃO 2
O desenvolvimento de novas tecnologias capazes de solucionar o problema do soro de
queijo pode trazer benefícios econômicos e ambientais, pois o soro é considerado uma
importante fonte de proteína a ser utilizada para consumo, assim, justificam-se estudos sobre a
possibilidade de utilizá-lo comercialmente.
As proteínas do soro, isoladas (purificadas) ou não, têm elevado valor funcional e
nutricional não-encontrado noutras proteínas comumente utilizadas como aditivos na indústria
alimentícia, por isso tem havido um crescente interesse na sua recuperação. Dentre as
principais proteínas do soro destacam-se as betalactoglobulina (b-Lg), alfalactalbumina (a-
La), albumina do soro bovino (BSA) e imunoglobulinas (Ig). Outras proteínas, embora em
menores proporções, também estão presentes: lactoferrina, lisozima e peptídios derivados da
caseína.
Durante as últimas décadas foram desenvolvidos processos em escala industrial para
produzir concentrado protéico de soro (CPS) e isolado protéico de soro (IPS) de elevado grau
funcional e conteúdo protéico variável, entre 35% e 90%, e amplo uso como ingrediente para
realçar as características de coagulação, geleificação e emulsificação dos mais diversos
produtos. O IPS pode ser aplicado em alimentos lácteos e não lácteos, cosméticos e em
indústrias medicinais, de acordo com Rossano et al. (2001), por sua vez o CPS pode ser
utilizado para fabricação de requeijão cremoso light, substituindo parcialmente a gordura,
segundo Silva e Van Dender (2005), na conservação de carnes, na incorporação de proteínas
para a produção de vários tipos de queijos moles, semiduros e duros, segundo Hinrichs
(2001), em produtos extrusados a base de milho, batata e arroz, conforme Onwulata et al.
(2001), e em iogurtes, sorvetes e bebidas.
Os fatores que determinam a dificuldade no aproveitamento do soro de queijo são os
elevados teores de água, de sais e de lactose. O método convencional de concentração de soro
é a evaporação térmica. As principais desvantagens deste método são o elevado consumo
energético e o elevado teor de sais e açúcares no produto concentrado.
Neste contexto, a ultrafiltração,UF, se apresenta como um método alternativo bastante
atraente, uma vez que não faz uso do calor e não envolve mudança de fase, o que torna o
processo de concentração mais econômico. A UF é um PSM tipicamente usado para reter
macromoléculas como as proteínas do soro de queijo, permitindo que pequenas moléculas de
baixa massa molar, tais como lactose, sais e água atravessem livremente a membrana.
INTRODUÇÃO 3
Portanto, além da remoção de água, a UF é capaz de reduzir o teor de sais e de lactose, desde
que a membrana seja escolhida adequadamente.
Nas aplicações industriais a UF pode ser conduzida no modo de operação chamada de
diafiltração, DF. A DF é uma Operação Unitária, que consiste na adição contínua de água ao
concentrado da UF para promover uma remoção mais eficiente de contaminantes de menor
massa molar, no caso do soro, a lactose e os sais minerais.
O objetivo deste trabalho foi recuperar as proteínas do soro de queijo através da UF e
posterior purificação do concentrado protéico por DF procurando aumentar ainda mais o valor
agregado ao produto. Neste trabalho a DF é usada como o modo de eliminar os componentes
das proteínas do soro de queijo como os sais e lactose o que propícia a purificação destas
proteínas, sendo os sais e lactose considerados impurezas
Neste trabalho, os experimentos foram realizados em uma unidade piloto de UF,
utilizando-se membranas poliméricas com massa molar de corte de 10 kDa em módulos em
espiral.
No Capítulo 2 são apresentados os fundamentos teóricos dos PSMs, enfocando o
processo de UF em membrana espiral, sua aplicação na concentração e purificação das
proteínas do soro de queijo por UF e DF. Incluindo-se, também, uma revisão bibliográfica
sobre emprego dos PSMs nas indústrias de laticínios, caracterização do soro de queijo e sua
composição e ,finalmente, as aplicações dos componentes do soro em diversos alimentos.
No Capítulo 3 são apresentados os produtos químicos e equipamentos utilizados no
desenvolvimento do trabalho experimental. Também são descritos os métodos de análise e a
metodologia experimental adotada em cada etapa do trabalho.
No Capítulo 4 são apresentados e discutidos os resultados obtidos experimentalmente.
No Capítulo 5 são apresentadas equações utilizadas no desenvolvimento de
modelagem matemática do processo, capaz de predizer as melhores condições operacionais.
No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões sobre os resultados obtidos e as
sugestões para trabalhos futuros nessa área.
Capítulo 2
Fundamentos Teóricos e Revisão Bibliográfica
Neste capítulo é apresentada uma revisão da literatura sobre as características do soro
de queijo, fundamentos teóricos sobre os PSM, assim como os fatores que afetam a eficiência
das membranas, como o fouling. Também foi realizada uma revisão de trabalhos publicados
nessa linha de pesquisa sobre o aproveitamento do soro de queijo através do uso de
membranas como a microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF), osmose
inversa (OI), eletrodiálise (ED) e o emprego de diafiltração (DF). Tendo em vista o objetivo
deste trabalho, é dada ênfase ao emprego da UF entre os PSM.
2.1 Processos de separação por membranas
Os processos de separação por membranas, PSMs, , são operações que utilizam
membranas no fracionamento de misturas, soluções e suspensões envolvendo espécies de
tamanho e natureza química diferentes, com o objetivo de separar, purificar ou concentrar as
substâncias presentes. As membranas devem apresentar características específicas conforme a
separação desejada. As propriedades de separação das membranas dependem de fatores como:
a natureza química do material constituinte, existência ou não de poros e, no caso de
membranas porosas, o tamanho dos poros e sua distribuição. Outro fator que influi no
desempenho das membranas é a forma como as membranas são acondicionadas em módulos.
Quando comparados aos diversos processos de separação convencionais usados
industrialmente, os PSMs se destacam devido ao baixo consumo energético, a operação
ocorre à temperatura ambiente, podendo ser aplicados no fracionamento de substâncias
termolábeis, como as proteínas do soro. Outras vantagens que favorecem o emprego dos
PSMs são: a possibilidade de operar em sistema contínuo ou em batelada, a simplicidade de
operação, o pequeno espaço físico, a facilidade de ampliação de escala e a possibilidade de
interagir com outros processos clássicos de separação.
O transporte de uma dada espécie, através da membrana, ocorre devido à existência de
gradiente de potencial químico ou potencial elétrico. O potencial químico é uma função que
2.1 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 5
depende de temperatura, pressão e composição da mistura, mas em determinadas condições a
influência de uma ou outra variável pode ser mais significativa.
Entre os processos de separação por membranas que se encontram na indústria de
laticínios podem ser citados: MF, UF, NF, OI e ED. O mais promissor processo para a
concentração de proteína do soro de queijo é o processo de UF, pois de acordo com o
tamanho das moléculas que compõem as proteínas do soro de queijo, expressa por kDa, são
retidas pelos poros da membrana de UF.
A Tabela 2.1 apresenta a faixa de tamanhos de poros das membranas para os PSMs e a
faixa de pressão aplicável para cada processo.
Tabela 2.1: Classificação dos PSMs relacionados pelo tamanho de poros das membranas e
respectivas pressões de operação.
PSM Tamanho de poros
(nm)
Limites de pressão
(bar)
Microfiltração 50 - 10000 0,1 - 2,0
Ultrafiltração 1 - 100 1,0 - 10,0
Nanofiltração < 2 10,0 – 25
Osmose Inversa sem poros 15 – 80
Fonte: Mulder (1986).
As membranas de MF possuem diâmetro de poro entre 0,1μm e 10μm, sendo maiores
que os da UF, e retêm partículas com massas molares acima de 100 kDa. A MF em
comparação com os métodos convencionais, tal como a centrifugação, para a remoção de
glóbulos de gordura é mais eficiente, pois não ocorre a quebra de moléculas que fornecem o
sabor aos alimentos.
A UF é adequada à concentração de soluções, em pressões inferiores a 10 bar, usando
membranas com tamanho de poro de até aproximadamente 100 nm. São retidos compostos
com massa molar na faixa de 1 kDa a 100 kDa.
A NF é um processo de concentração que permite separar alguns tipos de íons salinos,
como Na
+
, K
+
e Cl
-
, de moléculas orgânicas com massa molar na faixa de 100Da a 500Da,
com base na carga e no tamanho destas partículas. Os íons permeiam a membrana segundo
suas características de difusão e carga.
Os processos que envolvem a OI visam gerar tanto água pura (permeado) quanto
soluções aquosas ricas em sais minerais e outras moléculas de massa molar maior
2.1 PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS 6
(concentrado). As membranas de OI operam a uma pressão de aproximadamente de 100 bar e
retêm compostos com massa molar superior 100 Da.
A ED é uma técnica de separação com membranas, cujo critério de separação não é o
tamanho do composto, mas sim a carga elétrica. Fundamenta-se no princípio da
movimentação de íons, sob um campo elétrico, em soluções aquosas e através de membranas
carregadas positiva ou negativamente, resultando em soluções concentradas em íons e em
soluções diluídas. Uma importante aplicação da ED na indústria de laticínios é o
fracionamento de proteínas, baseado no seu ponto isoelétrico (PI).
2.1.1 Membranas
As membranas podem ser produzidas com diferentes tipos de materiais. De acordo
com tipo de material utilizado são classificadas em dois grupos: membranas orgânicas e
membranas inorgânicas. As membranas inorgânicas são produzidas com materiais cerâmicos,
vítreos e metálicos e as membranas orgânicas com materiais poliméricos sintéticos
(polietersulfona, polissulfona e policarbonato) ou biológicos.
As membranas cerâmicas são mais resistentes em termos da limpeza química e
térmica do que as membranas poliméricas. No entanto, as membranas cerâmicas possuem
custo mais elevado, o que torna o seu emprego mais restrito. As membranas poliméricas, pr
sua vez, dominam o mercado devido a sua diversidade quanto aos diferentes tipos de
polímeros existentes e quanto à disponibilidade no mercado, além de apresentarem um campo
de aplicação muito amplo.
De um modo geral, as membranas podem ser classificadas em duas grandes
categorias: densas e porosas. A membrana é denominada porosa quando o transporte através
da mesma ocorre devido à diferença de tamanhos entre as partículas e os poros da membrana.
As membranas densas, por sua vesz, não possuem poros e o transporte dos componentes
envolve a sorção e a difusão através do material que constitui a membrana. Tanto as
membranas densas como as porosas podem ser simétricas ou assimétricas, dependendo se
apresentam ou não as mesmas características morfológicas ao longo de sua espessura. As
membranas assimétricas se caracterizam por uma região superior muita fina de
aproximadamente 1 μm, que pode ou não conter poros, denominada de pele, sendo suportada
por uma estrutura porosa. Quando ambas as regiões são constituídas por um único material a
2.2 APLICAÇÃO DE PSM NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 7
membrana é do tipo assimétrica integral. Caso materiais diferentes sejam empregados no
preparo de cada região da membrana é denominada de assimétrica composta.
A escolha adequada do uso de uma membrana, densa ou porosa, no processo de
separação, implica em conhecer as características da membrana e da solução a ser separada.
O módulo é caracterizado como a menor unidade onde a membrana está
acondicionada. As membranas podem estar dispostas nas mais variadas configurações, como
tubular, capilar, fibra oca, placa e quadro e espiral. Os principais aspectos a serem
considerados na seleção do módulo são as variáveis de processo e as características da
solução a ser tratada.
2.2 Aplicação de PSM na indústria de laticínios
Segundo Brans et al. (2004), a tecnologia de separação por membranas é uma escolha
adequada para o fracionamento do leite, pois muitos dos seus componentes podem ser
separados por diferença de tamanho. A Figura 2.1 apresenta o tamanho dos componentes do
leite e o respectivo PSM que poderia ser empregado na separação destes.
MF
UF
NF
OI
células somáticas
submicelas de caseínas
séries de proteínas
lactose
sais
água
glóbulos de gordura
bactérias e esporos
10 µm
1 µm
100 nm
10 nm
1nm
0,1n m
MF
UF
NF
OI
células somáticas
micelas de caseínas
séries de proteínas
lactose
sais
água
glóbulos de gordura
bactérias e esporos
10 µm
1 µm
100 nm
10 nm
1nm
0,1n m
Figura 2.1: Aplicação dos PSM para separação de componentes do leite em função do seu
tamanho.
Fonte: Brans et al. (2004).
De acordo com Brans et al. (2004), a MF reduz a quantidade de bactérias e esporos
sem afetar o sabor do leite e promove a durabilidade do produto tanto quanto a pasteurização
2.2 APLICAÇÃO DE PSM NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 8
do leite, além de promover a separação dos glóbulos de gordura de leite que possuem
diâmetro entre 0,1μm a 15μm.
Conforme Bird e Bartlett (2002) e Giraldo-Zuñira et al. (2004), a MF pode ser
utilizada industrialmente como uma alternativa para a pasteurização ou a esterilização (a frio)
parcial de alimentos, pois retém microorganismos durante a operação. Como não necessita de
calor para a operação, não ocorre alteração de estado físico da solução e as características
sensoriais e nutricionais dos compostos processados não são alteradas.
Segundo Giraldo-Zuñira et al. (2004) a MF é de emprego recente na indústria de
laticínios, adequando-se ao fracionamento de proteínas do soro e à separação de
microorganismos e glóbulos de gordura de leite e de soro são retidos pela membrana com
tamanho nominal de poro entre 0,2mm a 2mm.
Prudêncio et al. (2005) utilizaram os mesmos parâmetros de MF, com membrana de
tamanho de poro de 1,4 μm, empregados no processamento do leite bovino tais como: vazão,
pressão de entrada e de saída, temperatura, velocidade e tempo na obtenção de leite desnatado
de búfala. Constataram que os mesmos valores podem ser usados ao processamento desse
leite. No entanto, a única mudança foi feita na pressão, pois obtiveram menores valores de
fluxo permeado, devido a um maior fouling durante a MF.
Baruah et al. (2006) utilizaram uma planta piloto de MF com módulo tubular cerâmico
e tamanho moninal de poro de 0,2 μm na recuperação das proteínas imunoglobulinas de leite
de cabra, obtendo uma recuperação de 90% de proteínas.
A UF é uma tecnologia que pode ser aplicada na indústria de laticínios para o
processamento do leite integral, semidesnatado ou desnatado (Prudêncio et al., 2004), sendo
inclusive utilizada, segundo Cheang e Zydney (2004), Guadix et al. (2004), Akoum et al.
(2004) e Erdem et al. (2006) na separação de lactose do leite, na padronização do valor
nutricional de diferentes tipos de leite, na concentração do leite para a fabricação de queijos,
na recuperação de proteínas do soro de queijo e na pré-concentração do leite para a produção
de iogurte.
A UF tem sido implementada há muitos anos, desde que Maubois, Mocquot e Vassal
(1969), propuseram, pela primeira vez, a utilização de UF na fabricação de queijo através do
uso de leite ultrafiltrado. Segundo Van Dender e Massaguer-Roig (1996), Castro e Gerla
(2005) e Atra et al. (2005), a UF é usada na recuperação e no fracionamento das proteínas do
2.2 APLICAÇÃO DE PSM NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 9
soro e na produção de queijos de leite ultrafiltrado, principalmente, os queijos moles como
Minas Frescal, Cottage, Feta e cream cheese.
Segundo Hinrichs (2001), o princípio da produção de queijo com leite ultrafiltrado é
de reter grande parte das proteínas dentro do queijo, sendo que,dessa forma o valor nutricional
e o rendimento do produto é aumentado. De acordo com Erdem (2005), a qualidade do queijo
está diretamente relacionada com a concentração e à proporção dos glóbulos de gordura e das
caseínas de leite, pois estes interferem no sabor e na textura do queijo.
Ribeiro e Massaguer-Roig (1996) propuseram o uso da UF do leite na produção de
queijo prato analisando o efeito do fator de concentração. Veiga e Viotto (2001) estudaram a
fabricação de queijo Petit Suisse por UF de leite coagulado. Também mencionam que a
produção do queijo Quark por UF em outros países resulta em economia de energia, maior
rendimento e maior valor nutritivo. Erdem (2005) constatou a eficiência da UF na produção
de queijo branco usando o leite concentrado e o leite desnatado quando comparados com
métodos convencionais. Govindasamy-Lucey et al. (2005) utilizaram dois tipos de
concentrado do leite por UF, com 15,2% e 13,5% em teor de sólidos (TS) na produção de
queijos para pizza, como o queijo mussarela, e concluíram que o queijo para pizza pode ser
fabricado com alto teor de caseínas e gorduras.
No entanto, de acordo com Hinrichs (2001), a tecnologia de UF não pode ser aplicada
com sucesso para a produção de queijos com alto conteúdo de sólidos, tais como o queijo
semiduro e queijo duro devido à baixa viscosidade desses queijos.
A UF pode ser projetada para operações em batelada ou contínua, sendo a operação
contínua a preferida para o processo em larga escala. Guadix et al. (2004) projetaram a
instalação de uma unidade de UF de soro de queijo em processo contínuo. Cheang e Zydney
(2004) apresentaram uma proposta para obtenção de proteína isolada de soro em uma unidade
de produção com dois estágios de UF com recirculação total do concentrado, e, Morison e She
(2003) desenvolveram uma metodologia para o projeto e otimização de uma planta de UF de
soro em múltiplos estágios.
Apesar das membranas de UF serem empregadas quase que exclusivamente na
recuperação de proteínas e no seu fracionamento, Akoum et al. (2004) aplicaram sistemas de
membranas vibratórias de UF e OI no tratamento de águas de processos da indústria de
laticínios.
2.2 APLICAÇÃO DE PSM NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 10
Nguyen et al. (2003) utilizaram a NF para recuperar produtos orgânicos do soro de
queijo Cottage, tais como gordura, proteína e lactose obtendo uma concentração total de
sólidos de 24% no concentrado e uma redução de sal no mesmo. Esse tratamento é adequado
nesse tipo de soro que é ácido, pois seu emprego é ainda muito restrito na incorporação em
alimentos e outros laticínios.
Rektor e Vatai (2004) e Atra et al. (2005) expõem que a NF pode ser usada para
concentrar o permeado da UF do leite ou do soro. Segundo estes autores o resultado obtido na
NF foi uma alta concentração de lactose no concentrado com uma recuperação de 90% e o
permeado propício para a reutilização na linha de produção. De acordo com Balannec et al.
(2005), Akoum et al. (2004) e Khider et al. (2004) a NF vem sendo usada no tratamento de
águas residuais na indústria de laticínios.
A NF, mais recentemente, está sendo aplicada, de acordo com Martinez-Ferez et al.
(2006) na produção de derivados de lactose, como os oligossacarídeos do leite de cabra,
através da filtração tangencial usando dois estágios com membranas cerâmicas de UF e NF
obtendo um concentrado com mais de 80% em oligossacarídeos, que são usados em
formulações de produtos para crianças para combater doenças.
O processo de OI pode ser combinado com outros PSMs para separar vários
componentes. De acordo com Brans et al. (2004), a OI é usada na remoção de água do soro e,
de acordo com Giraldo-Zuñiga et al. (2004) na pré-concentração ou concentração do leite e do
soro, da lactose e de proteínas do soro.
Greiter et al. (2004), comparando o desempenho de uma unidade de ED com uma de
troca iônica na desmineralização do soro, relataram o melhor desempenho da primeira técnica
em relação à separação de íons e o menor consumo de energia na operação. Uma etapa de pré-
concentração do soro, anterior a desmineralização, eleva o conteúdo de sólidos para 20% a
30%, como conseqüência aumenta à capacidade de utilização da unidade e reduz o consumo
de energia.
Os fatores limitantes associados à utilização da ED em processos envolvendo
laticínios são os custos de reposição das membranas, dos espaçadores e dos eletrodos, que
representam cerca de 40% dos custos totais de funcionamento de uma planta de ED. Devido à
precipitação dos fosfatos de cálcio nas superfícies da membrana de troca catiônica e aos
depósitos de proteínas na superfície da membrana de troca aniônica reduzir o tempo de vida
útil das membranas (GIRALDO-ZUÑIGA et al. 2004).
2.2 APLICAÇÃO DE PSM NA INDÚSTRIA DE LATICÍNIOS 11
Outra Operação Unitária empregada juntamente nos PSMs é a DF que consiste em
adicionar água ao retentado dos PSMs. As indústrias que utilizam essa operação são as de
alimentos, bebidas, biotecnologias e fármacos com finalidade de purificar o produto de
interesse. A DF está associada com alto consumo de líquido diafiltrante, normalmente água,
com alto teor de pureza. Na indústria de laticínios, a DF é normalmente empregada após a
pré-concentração do soro por MF, UF ou NF que permite maior separação de lactose e sais
minerais elevando a proporção de proteínas no retentado.
Lipnizki et al. (2002) expõem um estudo comparativo de operar a DF de três formas:
processos contínuos, batelada e contracorrente sobre o concentrado de proteínas de UF, com a
intenção de analisar o consumo mínimo de água, mas mantendo a qualidade de purificação do
produto. Todas as técnicas apresentaram vantagens e desvantagens, no entanto a operação em
contracorrente foi a que menos utilizou água por reciclar o líquido da DF.
Cheang e Zydney (2004) obtiveram uma recuperação acima de 90% para as proteínas
α-lactalbumina (α-La) e β-lactoglobulina (β-Lg) através da combinação dos processos de UF
e DF e Xu et al. (2000) usaram duas etapas de DFs no concentrado do soro de queijo da UF
para concentrar as proteínas como as imunoglobulinas e glicomacropeptídeos. Esses dois
compostos passaram pelo processo de secagem por spray dryer e no permeado restaram
proteínas como α-La, β-Lg e albumina do soro bovino (BSA).
Leite et al. (2006) relatam que, em todo o mundo, estão instaladas cerca de 300.000
m
2
de área de membranas aplicadas na indústria de laticínios. O Brasil, apesar de ser um país
onde a implementação de PSMs é relativamente nova, já possui plantas de membranas de UF.
O queijo Minas Frescal, produzido com auxílio da técnica de UF, vem sendo comercializado
no Brasil desde 1988, podendo ser encontrado na forma tradicional e também com baixo teor
de gordura. Neste tipo de processamento todas as proteínas do leite são aproveitadas, o que
permite fazer todo o processo em sistema fechado. A Tabela 2.2 apresenta a produção de
diversos tipos de queijos por método tradicional e por UF, observando-se que a última
possibilita aumentos de produção em todos os casos.
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 12
Tabela 2.2: Comparação da produção de diferentes queijos através de processos tradicional e
com uso de UF para cada 100.000 kg de leite.
Tipo de
queijo
Produção tradicional
(kg)
Produção UF
(kg)
Aumento de Produção
(%)
Feta 13.700 17.800 30
Mussarela 9.930 11.750 18
Cheddar 10.360 12.290 18
Queijo Fresco 11.432 14.824 30
Fonte: Cheryan (1998) apud Leite et al. (2006).
As principais vantagens atribuídas à utilização da UF para produção de queijos, em
relação ao processo tradicional, consistem em: aumento de rendimento, possibilidade de
fabricação contínua e automatizada de queijos, economia de mão de obra e ingredientes, e a
produção do soro com menor poder poluente.
Outras pesquisas, como por exemplo, o uso de membranas na obtenção de iogurte com
baixo teor de lactose, para atender consumidores que apresentam má absorção ou intolerância
à lactose, têm sido desenvolvidas.
2.3 Princípios de UF
A UF é um PSM usada para concentrar ou fracionar macromoléculas, onde estas são
retidas total ou parcialmente pela membrana, enquanto as pequenas moléculas atravessam a
membrana livremente. O processo de UF utiliza como força motriz a diferença de pressão.
As membranas, feitas com vários polímeros, destinam-se a reter moléculas com
massas molares acima de 20 a 30 kDa. No caso específico da concentração das proteínas do
soro de queijo o seguinte processo pode ser visualizado: o soro flui, sob pressão, através da
membrana, a qual permite a passagem de água, sais e lactose, que irão constituir a solução
chamada de permeado cujas partículas são de tamanho inferior aos poros da membrana; as
gorduras e as proteínas são partículas de tamanho superior em relação aos outros constituintes
mencionados do soro, logo, são retidos pela a membrana e esta solução é denominada de
concentrado ou retentado. Com a UF é possível obter um teor de sólidos de 25 a 35% no
concentrado.
Nos processos com membranas há dois tipos de filtração, a convencional e a
tangencial. Na filtração convencional, o fluido escoa perpendicularmente através da
membrana filtrante e na tangencial, o escoamento é paralelo à área da membrana. Este último
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 13
tipo de sistema de filtração, largamente utilizado em processamento do leite e soro de queijo é
mais eficiente, pois facilita o arraste dos solutos, evitando que estes se acumulem sobre a
superfície da membrana. A Figura 2.2 mostra o mecanismo de transporte na filtração
tangencial através de uma membrana semipermeável.
Pressão
Soro Retentado (proteína, lactose, minerais e água)
Permeado (lactose, minerais e água)
Proteína
Lactose
Sais
Pressão
Soro Retentado (proteína, lactose, minerais e água)
Permeado (lactose, minerais e água)
Proteína
Lactose
Sais
Figura 2.2: Representação esquemática da filtração tangencial do soro na membrana de UF
Fonte: Kesler et al. (1996) apud Giraldo-Zuñira et al. (2004).
As membranas de UF comercialmente são especificadas através da sua massa molar
de corte (MMC) cuja unidade mais utilizada é Dalton (Da). A MMC é definida como a massa
molar para a qual a membrana apresenta uma retenção igual a 95%. As medidas de
desempenho das membranas de UF são o fluxo permeado e a retenção de macromoléculas, tal
como as proteínas.
O fluxo permeado depende das propriedades da membrana, do produto a ser separado
e das condições de operação como a pressão transmembrana, velocidade de escoamento
tangencial, fator de concentração, temperatura, pH e força iônica do meio.
A seguir são apresentadas algumas definições comumente utilizadas em PSM para
melhor entendimento da leitura deste trabalho.
O fluxo através da membrana é definido como o volume de permeado que fui através
da membrana por unidade de área e tempo, como mostrado na Equação 2.1:
tA
v
J
p
.
=
(2.1)
onde:
J
p
= fluxo do permeado (L. m
-2
h
-1
);
A = área da membrana de UF (m
2
);
v = volume do permeado (L);
t = tempo (h).
A retenção ou coeficiente de rejeição durante o processo de UF é definido de acordo
com a Equação 2.2:
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 14
Cf
Cp
R −= 1 (2.2)
onde:
R = coeficiente de rejeição;
Cp = concentração de soluto no permeado (g. L
-1
);
Cf = concentração de soluto na alimentação (g. L
-1
).
O valor de R varia entre 0 (soluto e solvente passam livremente pela membrana) e 1
(soluto sendo completamente retido).
Além dessas características é desejável que a membrana possua uma boa estabilidade
química, térmica e mecânica.
O fator de concentração (FC) é uma variável importante quando o objetivo é
concentrar substâncias de interesse. O FC é definido conforme a Equação 2.3:
()
FR
VV
V
V
V
FC
−
==
0
00
(2.3)
onde:
FC = fator de concentração de uma dada espécie;
V
0
= volume inicial da solução (L);
V
R
= volume do retido (L);
V
F
= volume da solução permeada(L).
No processo de concentração de um dado componente através de UF, a concentração
de um soluto durante o processo varia em função tanto da redução de volume, como da
retenção (R) do soluto pela membrana. A concentração em função do fator de concentração é
apresentada na Equação 2.4:
(
)
R
i
FCCC
0
=
(2.4)
onde:
C
i
= concentração de componente i (g. L
-1
);
C
0
= concentração inicial do componente i (g. L
-1
);
FC = fator de concentração de uma dada espécie;
R = coeficiente de rejeição.
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 15
A vantagem de se aplicar a UF é reforçada pela sua relativa simplicidade, baixo
consumo energético e, segundo Atra et al. (2005), na elevada eficácia na separação de
proteínas do soro. De acordo com Rattray e Jelen (1996) apud Giraldo-Zuñira et al. (2004) a
UF não desnatura as proteínas do soro mantendo as propriedades funcionais dos CPS
inalteradas.
2.3.1 Membranas de UF
As membranas de UF possuem poros na faixa de 0,01 a 0,1μm e são caracterizadas
pela massa molar de corte (MMC), portanto, soluções ou suspensões com componentes em
uma ampla faixa de massa molar (1 a 10
3
kDa) podem ser tratadas por UF.
Vários materiais podem ser usados na confecção de membranas de UF. Os materiais
mais freqüentemente empregados são poliméricos, cerâmicos, metálicos ou vítreos.
Nas indústrias de laticínios, normalmente, são encontradas membranas de materiais
poliméricos e cerâmicos. Doyen et al. (1996) apud Brans et al. (2004) realizaram um estudo
comparativo no tratamento do soro com membranas poliméricas de polifenilsulfona e
polivinilsulfona, cerâmicas e organominerais. Constataram que o fator limitante para a
concentração de proteínas do soro de queijo foi formação de fouling e não a permeabilidade
nas membranas.
As membranas de polissulfona aromáticas, incluindo polifenilsulfona, polietersulfona,
poliarilsulfona e polissulfona são usadas exclusivamente em membranas de MF e UF. Este
material é altamente resistente a agentes oxidantes, solventes e temperatura, suportando
temperaturas acima de 100°C. Quanto à resistência química, essas membranas aceitam
limpeza e desinfecção com ácidos, bases, cloro e peróxido de hidrogênio. Devido a essas
características são apropriadas para as condições de operação em indústrias de alimentos.
Segundo Leite et al. (2006) as membranas de polietersulfonas são as mais utilizadas na
indústria de laticínios.
As membranas inorgânicas devem ser utilizadas em processos industriais sujeitos às
condições severas de limpeza e esterilização. As membranas inorgânicas são compostas de
uma fina camada de material inorgânico sobre um suporte cerâmico ou metálico. Os materiais
para as membranas inorgânicas incluem vidro, metal sintetizado, materiais cerâmicos e ainda
os poliméricos inorgânicos.
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 16
2.3.2 Módulos de UF
As membranas de UF são montadas em várias configurações, juntamente, com
espaçadores, canais de escoamento, suportes e acessórios para vedação. O conjunto resultante
desta montagem é denominado módulo ou elemento. Os principais objetivos do projeto de
módulos das membranas é acomodar grandes áreas de filtração em um espaço pequeno,
suportar as pressões utilizadas pelos processos e permitir elevadas taxas de escoamento.
Os módulos podem ser de quatro geometrias diferentes: placa e quadro, tubular, fibra
oca e espiral. A escolha da geometria para uma determinada separação depende de uma série
de fatores, tais como: densidade de empacotamento (m
2
. m
-3
), custo, resistência ao fouling,
considerações operacionais, características da mistura a ser fracionada, facilidade de limpeza
e manutenção.
Segundo Morison e She (2003), Guadix et al. (2004) e Cheang e Zydney (2004) os
módulos de UF podem ser empregados em processos contínuos ou em batelada e devem ser
projetados de forma a possibilitar uma limpeza eficiente, com uma proporção vantajosa entre
a superfície de filtração instalada e o volume da câmera de pressão, e de modo que a
substituição das membranas possa ocorrer com baixo custo.
Os módulos tipo placa e quadro possuem configuração física similar ao filtro-prensa,
pois são constituídos por sanduíches de membranas intercaladas por espaçadores e suportes,
onde essas membranas estão dispostas paralelamente. Camadas do conjunto podem ser
empilhadas, tal que o concentrado de uma placa alimente a próxima, até atingir a recuperação
desejada. Estes módulos são adequados para experimentos onde a vazão de alimentação é
baixa, pois apresentam uma densidade de empacotamento baixa e módulos com essa
concepção têm custo de fabricação elevado. Entretanto, as condições de escoamento da
alimentação e do permeado podem ser facilmente controladas, bem como as membranas que
forem danificadas durante a operação podem ser substituídas sem a perda do módulo.
Os módulos em fibra-oca são constituídos por um feixe de membranas poliméricas, na
forma de cilindros finos e longos, presos nas extremidades por placas, inseridos em um tubo
maior de modo semelhante à configuração de um trocador de calor de casco e tubos. A
alimentação é bombeada para o interior do tubo e o permeado é coletado na extremidade após
percorrer pelo interior das fibras. As principais vantagens desta configuração são: a alta
superfície de membrana por unidade de volume, facilidade de operação e manutenção e baixo
consumo de energia.
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 17
Nos módulos tubulares, a membrana é suportada na superfície interna ou externa de
um tubo poroso. Este tubo pode ser de material polimérico, fibra de vidro, cerâmica, carbono
ou aço inoxidável. Os tubos podem ser conectados em série através de suas extremidades de
acordo com a taxa de recuperação requerida. Tendo como principais vantagens: a baixa
tendência ao fouling, devido à possibilidade de operar com alta velocidade de escoamento
tangencial, facilidade de limpeza e podem operar em altas pressões. As desvantagens desse
tipo de configuração estão na pouca área superficial por unidade de volume, custo elevado e
poucas opções de tipos de materiais de membrana.
Os módulos espirais apresentam um eficiente empacotamento de membrana em folha
plana sob uma forma cilíndrica. Um envelope retangular, com três arestas coladas, é formado
por duas membranas com a camada seletiva voltada para a parte externa do envelope. Dentro
do envelope, é colocada uma malha fina, espaçador interno, que permite o escoamento do
permeado em seu interior. A extremidade aberta do envelope é conectada a um tubo coletor
através de pequenos furos que permitem o escoamento do permeado de dentro do envelope
para o interior do tubo. Dependendo do diâmetro desejado para o módulo a ser construído,
vários envelopes podem ser enrolados ao redor do tubo coletor. Entre dois envelopes, uma
malha grossa, espaçador externo, é colocado a fim de criar o canal para o escoamento da
corrente de alimentação e promover a sua turbulência. A corrente de alimentação percorre
longitudinalmente o módulo em espiral, entre os espaçadores dos envelopes de membranas,
tangencial às suas superfícies, e o permeado escoa transversalmente através das membranas
para dentro dos envelopes, percorrendo todo o caminho em espiral até o tubo central coletor
de permeado.
O tipo de módulo de membrana a ser escolhido para um dado processo deve levar em
conta as seguintes considerações: tipo de separação empregada, relação custo e benefício,
flexibilidade requerida para as condições de processo, facilidade de manutenção, operação e
limpeza.
O módulo em espiral, que foi utilizado no presente trabalho, é composto por um
envelope de membrana de polietersulfona com espaçadores de polipropileno e seu esquema
está apresentado na Figura 2.3:
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 18
Membrana (1)
Espaçador (2)
Tubo de Permeado (4)
Alimentação
Suporte (3)
Concentrado
Concentrado
Permeado
Membrana (1)
Espaçador (2)
Tubo de Permeado (4)
Alimentação
Suporte (3)
Concentrado
Concentrado
Permeado
Figura 2.3: Esquema do módulo de UF.
Fonte: Rautenbach e Albrecht (1989).
O módulo de UF é composto pelos seguintes elementos, conforme a Figura 2.3:
membrana de UF (1), possui formato de uma folha plana de material semi-
permeável feita de um polímero fino;
espaçador (2), consiste de uma tela plástica de polipropileno de malha grossa que é
colocada entre as folhas de membranas;
suporte de membrana (3), uma tela de malha fina colocada entre as folhas da
membrana feita de material polimérico;
tubo de permeado (4), tubo com furos que recolhe o permeado do módulo.
2.3.3 Fatores que afetam o desempenho do processo de UF
Nos PSMs ocorrem fenômenos que prejudicam a eficiência da membrana, tais como:
polarização por concentração (PC) e fouling. Esses fatores afetam o fluxo permeado e as
características de retenção da membrana, que são alterados com o tempo de operação.
Rao (2002) estudou os mecanismos da diminuição do fluxo durante a UF na indústria
de laticínios e a influência do pH no fluxo permeado do soro e buttermilk e determinou que o
principal fator limite da UF em produtos de laticínios é a queda do fluxo em função do tempo
devido ao fouling e à PC. Estes dois fatores serão discutidos a seguir separadamente.
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 19
2.3.3.1 Fouling
De acordo com Cheryan (1986), o grande problema enfrentado na indústria de
laticínios durante os processos de UF do leite e do soro é a formação de fouling na membrana.
O fouling se manifesta com um declínio de fluxo de permeado com o tempo de operação,
quando todos os parâmetros operacionais, tais como: pressão, taxa, temperatura e
concentração de alimentação são mantidas constantes.
O fouling é definido como um fenômeno de camada limite em que os solutos se
depositam e/ou são adsorvidos na superfície e nos poros da membrana, modificando a sua
estrutura e as propriedades de separação da mesma. Os principais fenômenos que contribuem
para o fouling estão apresentados a seguir:
adsorção das moléculas de soluto na superfície da membrana e/ou no interior de
seus poros devido às interações físico-químicas com o material da membrana;
entupimento de poros por moléculas ou partículas em suspensão; trata-se da ação
mecânica de bloqueio de poros, que pode ocorrer tanto na superfície como no
interior da membrana, dependendo de sua morfologia;
depósito de material em suspensão sobre a superfície da membrana com formação
de uma torta de filtração.
Rao (2002) menciona que todos os componentes de baixa massa molar precipitam, via
de regra, por atingir o limite de solubilidade durante a UF formando o fouling que se
manifesta na maioria dos casos como um decréscimo contínuo do fluxo permeado ao longo do
tempo.
Para prevenir a formação de fouling diferentes estratégias foram avaliadas na
literatura. Bansal et al. (2006) realizaram a remoção do fouling na MF causado pelas proteínas
de α-La através de 2 métodos de lavagem: o primeiro com água destilada, obtendo um
aumento de 6% no fluxo permeado, e o segundo com limpeza alcalina recuperando o fluxo
permeado em até 90%. Argüello et al. (2005) utilizaram detergentes enzimáticos como P3-
Ultrasil 62 e observaram que, após a limpeza, uma eficiência de 100% no fluxo permeado foi
atingida. Brans et al. (2005) expõem que o método de backpulsing é mais eficiente que outros
métodos, tais como promotores de turbulência e backwashing, pois a remoção dos
2.3 PRINCÍPIOS DE UF 20
componentes da superfície da membrana se mostrou mais eficiente podendo ser controlado
em larga escala.
O fouling está sendo controlado, mais recentemente, segundo Muthukumaran et al.
(2004) e Chen et al. (2006) através da vibração dos módulos de membrana por ultra-som. Os
autores constataram que o banho de ultra-som não interfere na permeabilidade da membrana e
não danifica o material da mesma.
2.3.3.2 Polarização por concentração
O termo polarização por concentração é usado para descrever o acúmulo do soluto
próximo à superfície da membrana, onde a concentração do soluto é muito maior do que a
concentração na solução de alimentação. Com o aumento de acúmulo de soluto na superfície
da membrana, aumenta-se o gradiente de concentração que favorece a contra difusão do
soluto da superfície da membrana para o seio da solução em escoamento, atingindo-se um
estado estacionário. A esta camada dá-se o nome de camada de polarização por concentração.
Este fenômeno pode ocasionar um aumento na passagem de soluto através da mesma.
Rao (2002) expõe que altas concentrações de proteínas em sistemas com leite
promovem a concentração por polarização que interfere no fluxo permeado ocasionando a
diminuição deste.
Segundo Mulder (1986), a concentração de solutos sobre a superfície da membrana
causada pela polarização por concentração que proporciona uma maior passagem de solutos
através da membrana. Polarização de concentração pode ser reduzida pelo aumento da
turbulência da corrente de alimentação, ao passo que o fouling não é reduzido apenas por
turbulência, devido à natureza química da sua interação com a superfície da membrana.
As conseqüências, segundo Mulder (1986), da polarização por concentração estão
apresentadas a seguir:
a retenção pode ser baixa, devido ao aumento da concentração do soluto na
superfície da membrana, ou retenção intrínseca; isto ocorre geralmente com
solutos de massas molares baixas;
a retenção pode ser alta, este é o caso das moléculas com elevada massa molar
onde a concentração por polarização pode ter uma forte influência na seletividade
da membrana, devido a formação secundária de outra membrana;
2.4 O SORO DE QUEIJO 21
o fluxo permeado poderá ser baixo, devido ao aumento de resistências formadas na
superfície da membrana, tais como resistência devido à adsorção, bloqueio dos
poros, camada gel.
Rao (2002) constatou que os fluxos permeados de ambos os soros estudados, doce e
ácido, foram fortemente influenciados pelo pH. O autor descreveu que, para o soro doce, o
fluxo aumenta inicialmente com o aumento do pH, mas também aumenta o fouling,
provocando uma redução posterior do fluxo. Ao diminuir o pH, diminui-se o fluxo inicial,
mas diminui também o fouling posterior. Um efeito inverso foi constatado pelo mesmo autor
para creme de leite. As mudanças de fluxo com o pH foram atribuídas ao efeito combinado do
pH nas proteínas e minerais, em particular no cálcio. Os efeitos diferentes do pH no soro e no
creme de leite são devidos ao fato de que o soro possui muito menos proteínas e não possui
micelas de caseína. O aumento no fluxo inicial a altos valores de pH para o soro pode ser
explicado por mudanças no estado das proteínas do soro. Por exemplo, as proteínas α-
lactoglobulina existem como octomêros na faixa de pH entre 3,5 e 5,2, mas se dissociam em
monômeros em condições alcalinas.
Além desses dois fenômenos que afetam diretamente a eficiência da membrana,
existem as propriedades físico-químicas da solução que interferem na permeação de fluxo
através da mesma. Dentre essas podem-se citar: pH, viscosidade e massa específica de cada
componente que compõe o soro, cujos valores estão diretamente relacionados com a
concentração. A concentração que mais se altera no concentrado utilizado neste trabalho é a
da proteína, pois esta não é permeável à membrana de UF, dessa forma, uma alteração na
concentração afeta as propriedades do concentrado principalmente a viscosidade que
influencia significantemente a taxa de permeação.
Outras variáveis que também interferem no fluxo de permeado são as condições
operacionais do processo de UF como a temperatura, pressão transmembrana e vazão de
alimentação.
2.4 O soro de queijo
De acordo com Cayot e Lorient (1997) apud Giraldo-Zuñide (2004), o soro de queijo é
um líquido opaco de cor amarelo-esverdeada, também chamado de soro de leite, sendo
considerado um subproduto da indústria de laticínios, obtido pela coagulação do leite. O sabor
2.4 O SORO DE QUEIJO 22
do soro, ligeiramente ácido ou doce, e a sua constituição dependem do tipo de coagulação do
leite e do processo de fabricação do queijo. O soro doce provém da coagulação enzimática do
leite, pela adição de uma enzima denominada de renina, que tem a propriedade de coagular a
caseína e possui pH entre 6,3 e 6,6. É um soro resultante da produção de queijos, como por
exemplo, o Cheddar ou Emmental. Já o soro ácido, com pH entre 4,3 a 4,6, provém da
coagulação ácida do leite para a fabricação de caseína ou de queijos, como o Camembert ou
Petit Suisse. A Tabela 2.3 indica a composição do leite bovino e dos dois tipos de soro.
Tabela 2.3: Composição do leite e dos soros doce e ácido.
Leite (%) Soro doce (%) Soro ácido (%)
Sólidos Totais (ST) 13 6,4 6,2
Proteína 3,6 0,8 0,75
Gordura 3,9 0,5 0,04
Lactose 4,6 4,6 4,2
Cinza 0,8 0,5 0,8
Ácido lático - 0,05 0,4
Fonte: Antunes (2003)
A composição dos produtos obtidos de proteínas do soro varia segundo diversos
fatores: fonte do leite, método de preparação, tipo de queijo produzido e especificações
individuais dos processadores. Todos esses fatores influem de forma significativa nas
características funcionais de diversos produtos de soro, (ANTUNES, 2003). Outro dado
importante apresentado por outros tipos de leites como o de búfala, cabra, bovino entre outros
é a quantidade de proteínas que diferem entre si.
De acordo com Rodrigues. (2001), as diferenças na acidez e no conteúdo mineral,
entre os dois tipos de soro, são as responsáveis pelas diferentes propriedades físico-químicas
que apresentam.
Geralmente, 100 kg de leite produzem cerca de 10 a 20 kg de queijo e cerca de 80 a 90
kg de soro, segundo Mariotti et al. (1999) e Madaeni e Mansourpanah (2004). A produção
mundial anual do soro está estimada em 100 bilhões de litros.
Apesar de haver um mercado em expansão para os concentrados protéicos de soro,
continua sendo um subproduto poluente, devido a sua elevada demanda química de oxigênio
(DQO) em torno de 50.000 mg de O
2
. L
-1
de permeado (ANDRADE e MARTINS, 2002).
Segundo Antunes (2003), o soro doce é geralmente mais rico em lactose enquanto que
o soro ácido exibe uma maior concentração em minerais. A concentração de lactose no soro
2.4 O SORO DE QUEIJO 23
ácido é menor do que no soro doce, devido ao processo de fermentação, pois uma fração de
lactose é transformada em ácido lático, durante a formação do coalho. Por outro lado, o soro
ácido contém mais cálcio e fósforo que o soro doce, devido à solubilização do complexo
cálcio-fósforo, existentes nas micelas de caseína, em pH ácido. No soro doce, a ação da
enzima não provoca a diminuição do pH, logo os íons de cálcio são retidos no queijo. A
composição protéica de ambos os soros é semelhante no que se refere à maioria das proteínas
(RODRIGUES et al., 2001).
A composição média do soro de queijo ácido conforme dados da literatura está
apresentada na Tabela 2.4.
Tabela 2.4: Composição do soro ácido.
Componente Composição (%)
Água 94 - 95
Lactose 3,8 - 4,2
Proteína 0,8 - 1,0
Sais 0,7 - 0,8
Fonte: Rautenbach e Albrecht (1989)
Após o processamento, o soro se apresenta sob três formas: soro concentrado, soro
seco e soro modificado. O soro concentrado é a substância líquida obtida pela remoção parcial
da água, deixando todos os outros constituintes nas mesmas proporções relativas do soro
original, enquanto que o soro seco difere do soro concentrado pela remoção total da água. Já
o soro modificado constitui uma classe de produtos obtidos do soro por vários processos e
procedimentos; tais alimentos devem ser manufaturados a partir de soro pasteurizado, ou
durante seu processamento devem ser submetidos à pasteurização ou ao processamento
térmico equivalente em termos de destruição de microorganismos.
O procedimento de maior uso para o reaproveitamento do soro, consiste na sua
concentração em evaporadores, seguido da secagem e ensacamento final (de La Fuente et al.,
2002).
O soro em pó utilizado neste trabalho foi fornecido pela ELEGÊ ALIMENTOS,
proveniente da fabricação de queijo mussarela. Este é um soro concentrado em evaporadores
e, posteriormente, seco em Spray Dryer, sendo envasado em embalagens de 25 kg. A Figura
2.4 apresenta o fluxograma da produção de queijo mussarela. Nesta produção, o soro líquido é
gerado nas etapas da coagulação do leite e,,posteriormente, na prensagem da massa
coagulada.
2.4 O SORO DE QUEIJO 24
Expedição
Embalagem / Envase
Prensagem
Coagulação
Pasteurização
Clarificação / Padronização
Estocagem do Leite Resfriado
Resfriamento
Filtração
Recepção do Leite
Salga
Resfriamento do Queijo
Filagem
Fermentação
Estoque
Estocagem do Leite
SORO DE QUEIJO
SORO DE QUEIJO
ExpediçãoExpedição
Embalagem / EnvaseEmbalagem / Envase
Prensagem
Coagulação
PasteurizaçãoPasteurização
Clarificação / PadronizaçãoClarificação / Padronização
Estocagem do Leite ResfriadoEstocagem do Leite Resfriado
ResfriamentoResfriamento
FiltraçãoFiltração
Recepção do LeiteRecepção do Leite
SalgaSalga
Resfriamento do QueijoResfriamento do Queijo
FilagemFilagem
FermentaçãoFermentação
EstoqueEstoque
Estocagem do LeiteEstocagem do Leite
SORO DE QUEIJO
SORO DE QUEIJO
Figura 2.4: Fluxograma da produção de queijo mussarela.
Fonte: Elegê Alimentos (2005).
O processo de secagem do soro consiste principalmente de cinco etapas: filtração,
pasteurização, concentração, cristalização e secagem. A Figura 2.5 apresenta o fluxograma de
produção de soro de queijo em pó.
2.4 O SORO DE QUEIJO 25
Soro Fluido
Filtração
Resfriamento Estocagem do Soro
Recuperação dos Finos
de Caseínas
Concentração
Estocagem de Soro Pasteurizado Pasteurização
Desnate/Clarificação
Cristalização
Secagem Embalagem
Estocagem
Soro FluidoSoro Fluido
FiltraçãoFiltração
ResfriamentoResfriamento Estocagem do SoroEstocagem do Soro
Recuperação dos Finos
de Caseínas
Recuperação dos Finos
de Caseínas
ConcentraçãoConcentração
Estocagem de Soro PasteurizadoEstocagem de Soro Pasteurizado PasteurizaçãoPasteurização
Desnate/ClarificaçãoDesnate/Clarificação
CristalizaçãoCristalização
SecagemSecagem EmbalagemEmbalagem
EstocagemEstocagem
Figura 2.5: Fluxograma da produção de soro de queijo em pó.
Fonte: Elegê Alimentos (2005).
2.4.1 Proteínas do soro de queijo
As principais funções biológicas das proteínas incluem: a reparação celular, a
construção e reparação de músculos e ossos, prover energia e regular uma série de
importantes processos metabólicos do corpo. Os produtos provenientes do soro de queijo
enquadram-se perfeitamente nesse conceito (ANTUNES, 2003).
Carvalho e Huhn (1999), Antunes (2003) e Silva e Van Dender (2005) destacam que
as proteínas totais do leite consistem de duas frações principais: caseínas (80%) e as proteínas
do soro (20%). As caseínas compreendem uma grande família de fosfoproteínas sendo
caracterizadas por apresentarem quantidades relativamente altas de fósforo e do aminoácido
prolina e encontram-se organizadas no leite sob a forma de grandes micelas esféricas
(RODRIGUES et al., 2001).
Segundo Carvalho e Huhn (1999), a caseína pode ser definida como a proteína
precipitada pela acidificação do leite a um valor de pH próximo a 4,6. As proteínas
remanescentes, após a remoção da caseína, são as proteínas do soro.
De acordo com Rodrigues et al. (2001) e Silva e Van Dender (2005) cerca de 80% das
proteínas do soro consistem em β-lactoglobulina (β-Lg) e α-lactoalbumina (α-La),
correspondendo a 55% e 25%, respectivamente. A β-lactoglobulina é a principal proteína do
soro de leite bovino, ovinos e caprinos (ANTUNES, 2003).
Além dessas, encontram-se imunoglobulinas (Ig) e outras proteínas como as
lactoferrina, lisozima e peptídios derivados da caseína, embora em menores proporções. A
2.4 O SORO DE QUEIJO 26
Tabela 2.5 apresenta as propriedades do soro, tais como: a massa molar das proteínas, ponto
isoelétrico e suas respectivas concentrações.
Tabela 2.5: Propriedades e concentração das proteínas do soro de queijo
Proteína Massa molar (kDa) Ponto isoelétrico Concentração (g. L
-1
)
β-Lg
18,362 5,2 2,7
α-La
14,147 4,2 - 4,8 1,2
BSA 69 4,7 - 4,9 0,4
Ig 15 - 1000 5,5 - 8,3 0,65
Peptonas 4,1 - 40,8 3,3 - 3,7 1,4
Lactotransferina 78 9 0,1
Lactoperoxidase 89 9,5 0,02
Glicomacropeptido 7 - -
Fonte: Rodrigues (2001)
Segundo Bryant e McClements (1998) apud Silva e Van Dender (2005), essas
proteínas diferem da caseína por serem menores, globulares, compactas, solúveis em ampla
faixa de pH, termolábeis e não-coaguláveis pela renina. De acordo com as estruturas
globulares, que caracterizam as proteínas do soro, os grupos hidrofóbicos encontram-se
internamente na molécula e os hidrofílicos no exterior. As propriedades funcionais de tais
proteínas dependem de fatores físico-químicos, como a composição e seqüência de
aminoácidos, flexibilidade, tamanho, conformação e distribuição de cargas na estrutura da
molécula e de fatores intrínsecos como pH, temperatura, concentração de proteína e tipos de
íons presentes na solução.
Segundo Antunes (2003), as diferentes proteínas presentes no soro apresentam
funcionalidades distintas no seu estado nativo e após tratamento físico, químico ou
enzimático, devido às várias estruturas conformacionais que possuem e/ou adquirem
(RODRIGUES et al., 2001).
As proteínas do soro são as únicas usadas na sua forma nativa em aplicações
alimentícias, devido à baixa força iônica, o que as torna solúveis em larga faixa de pH,
segundo Silva e Van Denter (2005), sendo consideradas de alta qualidade nutricional e
propriedades funcionais (ANTUNES, 2003).
2.4 O SORO DE QUEIJO 27
2.4.2 Processamento do soro de queijo por PSMs
O tratamento do soro é um dos processos da indústria de laticínios que mais emprega
técnicas com membranas, sendo quatro delas amplamente usadas: MF, NF, UF e OI. O soro
foi o primeiro líquido na indústria de alimentos a ser concentrado por PSM em larga escala
(MADAENI e MANSOURPANAH, 2004).
Rektor e Vatai (2004) expõem todos os métodos de separação por membranas que
foram usados para tratar o soro de queijo mussarela e encontrar uma aplicação potencial.
Foram propostas, em três linhas de tratamento alternativas; que se diferenciam na eficiência
de separação dos componentes valiosos do soro. Em todas as alternativas, o primeiro passo é a
remoção de gordura, seguida da esterilização do soro por MF. A gordura separada pode ser
pasteurizada por técnicas convencionais e é usada como matéria-prima para a produção de
manteiga. Como exemplo citam-se as seguintes utilizações de PSMs.
a NF é usada para a concentração do soro MF, o concentrado produzido é uma
matéria-prima para a produção de sorvete;
a UF é usada para a concentração de proteínas e usando a operação de DF pode-se
obter proteína purificada e concentrada.;
a OI é usada para reduzir o teor de água do soro.
Segundo Giraldo-Zuñira et al. (2004), no processo de concentração por UF é
conveniente remover previamente os glóbulos de gordura por MF para evitar a obstrução dos
poros das membranas de UF, e desta forma aumentar a eficiência da UF.
Segundo Antunes (2003), para o processo de obtenção de CPS com 80% de proteína é
necessário o emprego da DF, que consiste na adição contínua de água ao retentado originário
da UF para promover uma remoção mais eficiente de lactose e sais minerais, passando
novamente o retentado através da membrana de UF.
A DF além de proporcionar a produção de um concentrado protéico mais puro,
permite também melhor controle da composição final do CPS. Assim, se em um processo de
concentração do soro por UF forem alcançados teores de proteínas de cerca de 30%, com a
DF maior concentração será obtida, aproximadamente de até 60 -80% de proteínas em base
úmida (ANTUNES, 2003).
2.4 O SORO DE QUEIJO 28
2.4.3 Produtos derivados do soro de queijo e respectivas aplicações
Aproximadamente 50% da produção mundial soro de queijo é tratada e adicionada em
diversos produtos alimentares, sendo que quase a metade desse total é usada diretamente na
forma líquida, 30% na forma de pó de soro de queijo, 15% como lactose e o restante como
concentrado de proteínas do soro de queijo (SISO, 1996). A utilização completa do soro,
mesmo recorrendo a novas tecnologias, ainda não é possível (CHERYAN, 1986).
Durante as últimas décadas foram desenvolvidos processos em escala industrial para
produzir concentrado protéico de soro (CPS) e isolados protéicos de soro (IPS) de elevado
grau funcional e nutricional. Estes compostos apresentam conteúdo protéico variável, entre
(35% - 90%) e amplo uso como ingrediente funcional para realçar as características de
coagulação, geleificação e emulsificação de vários produtos (ONWULATA et al., 2001).
As propriedades funcionais da fração protéica do soro dependem das propriedades
físico-químicas de cada uma das proteínas, das interações com outros componentes e do
método de preparação do concentrado protéico.
Os CPSs podem ser classificados com base na sua composição, mas geralmente são
agrupados de acordo com o seu conteúdo em proteína. A Tabela 2.6 apresenta a composição
típica do soro concentrado e isolado.
Tabela 2.6: Composição típica de concentrados e isolados protéicos.
Componente (%) Soro em pó CPS (34%) CPS (80%) IPS
Proteína 13 34 80 92
Lactose 75 53 6 1
Sais 8 7 3 2
Gordura 1 3 7 1
Fonte: Huffman e Harper (1999)
Segundo de La Fuente et al. (2002) e Alomirah e Alli (2004), as variações na
composição e funcionalidade de CPS e IPS são devidas às diferenças na composição do leite e
nas condições de processamento durante a fabricação do queijo, como tipo e concentração do
coagulante, pH, temperatura, adição de CaCl
2
para aumentar o rendimento e condições de
pasteurização do leite. O pré-tratamento do soro na remoção de resíduos de lipídios, as
condições operacionais da UF, DF e as de secagem também influenciam nas propriedades
funcionais dos concentrados resultantes.
2.4 O SORO DE QUEIJO 29
Segundo Pisecky (2005), com o uso de spray drying nas indústrias de queijos, leite,
soro e permeado do soro obtêm-se várias tipos de compostos que podem ser utilizados como
ingredientes em produtos alimentícios, como por exemplo, aditivo para a indústria de
produtos lácteos, panificação, salgadinhos, batatas chips, biscoitos, confeitos como
coberturas, massas e sopas.
De acordo com Giraldo-Zuñira et al. (2004), o IPS é obtido principalmente com o
emprego de resinas de troca iônica, em associação com a UF e com a secagem normalmente
por atomização, sendo a secagem uma etapa essencial no acabamento do produto. Na
obtenção de CPS com maior teor protéico pode ser introduzida no processo uma etapa de DF,
para a retirada de lactose e sais. Antunes (2003) expõe os vários produtos de soro
comercialmente disponíveis, os quais estão apresentados a seguir:
concentrados de soro com lactose reduzida: são produtos especiais contendo
menos de 1% de lactose, enquanto que o normal se encontra com 7% de lactose;
soro com minerais reduzidos é o produto obtido pela remoção seletiva de uma
parte dos minerais do soro através dos processos de troca iônica, eletrodiálise ou
outras técnicas de separação por membranas;
concentrado protéico de soro de leite (CPS): é o produto obtido pela remoção de
constituintes não-protéicos do soro de tal modo que o produto final seco contenha,
em geral, entre 25% e 89% de teor protéico sendo que o CPS da ordem de 80% é o
mais disponível comercialmente;
isolado protéico de soro de leite (IPS): é a forma comercial mais pura das proteínas
do soro e contém entre 90 e 95% de proteína, obtido por UF seguida da DF e/ou
também pela utilização de troca iônica, como um pré-tratamento, antes do
processo de UF;
proteína de soro hidrolisada é o produto obtido pela quebra das moléculas de
proteínas durante seu processamento formando segmentos protéicos menores,
chamados peptídios.
Novas aplicações vêm sendo encontradas no reaproveitamento do soro de queijo. O
uso de ingredientes derivados do soro na fabricação de queijos processados melhora as
2.4 O SORO DE QUEIJO 30
características de moldagem, laminação, fatiabilidade, untabilidade e potencializa as
características de derretibilidade, além de, produzir boas propriedades de aroma e aspecto
físico do queijo (USDEC, 2002).
De acordo com Salem et al. (1987) apud Silva e Van Dender (2005), os efeitos da
adição de proteínas de soro em queijo processado com baixo teor de gordura resultam em
melhorias das qualidades sensorias do produto.
Silva e Van Dender (2005) desenvolveram a formulação e padronizaram a técnica de
fabricação de requeijão cremoso light utilizando CPS 34% como substituto parcial de gordura.
O produto obtido apresentou excelentes características sensoriais incluindo textura,
consistência, formação de fios, brilho e sabor. Outras aplicações do CPS em produtos
extrudados como milho, batata e arroz foram propostas por Onwulata et al. (2001), e em
iogurtes, sorvetes e bebidas por Mistry (2002).
Segundo Rossano et al. (2001), os componentes isolados do soro como: proteínas,
lactose, sais e gordura, são altamente valiosos por suas propriedades nutricionais e funcionais,
podendo ser usados nas indústrias de alimentos, cosméticos e medicinais como ingredientes
funcionais.
Mosquim et al. (1999) utilizaram o soro em pó e líquido na produção de soft-drinks
com sucos concentrados visando o aproveitamento do soro de queijo e constataram, através de
testes de aceitação, que os produtos enriquecidos com o soro apresentaram aceitação superior
aos não-enriquecidos.
Mcgregor e White (1990) apud Silva e Van Dender (2005) verificaram que a UF do
leite desnatado poderia melhorar a textura e o sabor do queijo Cheddar com baixo teor de
gordura, primeiramente por diminuir a quantidade de lactose, controlando assim a taxa de
acidez, e segundo por aumentar o conteúdo de proteína do queijo, facilitando a ligação de
umidade.
Segundo Brans et al. (2004), as proteínas do soro, tais como a lactotransferina e α-
lactoalbumina têm aplicações farmacêuticas e a lactotransferina também pode ser usada em
fórmulas para alimentos infantis e como conservante de carnes. A proteína β-lactoglobulina
tem influência nas propriedades físico-químicas dos alimentos, melhorando as características
emulsificantes e gelatinizantes.
2.4 O SORO DE QUEIJO 31
De acordo com Cunha et al. (2006) e Hinrichs (2004) a grande quantidade de
proteínas presentes no retentado da UF do soro de queijo, faz com que seja utilizado para a
produção de queijos tipo Frescal, onde se obtém boas características físicas de sabor e textura.
Capítulo 3
Materiais e Métodos
Neste capítulo são apresentados os equipamentos e reagentes químicos utilizados,
assim como são descritos os métodos analíticos e a metodologia para a realização dos
experimentos.
3.1 Solução de Soro de Queijo Ácido
O soro em pó utilizado neste trabalho foi doado pela Elegê Alimentos (Teutônia, RS),
proveniente da fabricação de queijo mussarela contendo, aproximadamente, um teor de
sólidos totais de 6,5%.
Para o uso experimental, o soro foi reconstituído usando esse soro em pó dissolvido,
manualmente em água destilada com condutividade elétrica 5 μS e pH próximo ao neutro.
Dissolveram-se aproximadamente 70 g de soro em 1 L de água destilada para obter o líquido
com a composição similar ao do soro original da fabricação do queijo mussarela. A massa
específica do soro reconstituído é aproximadamente igual a 1,045 g. L .
-1
O soro de queijo em pó se caracteriza por ser um pó fino e homogêneo de cor
amarelada, sabor suave e odor próprio do produto. As características físico-químicas e
nutricionais do soro são mostradas nas Tabelas 3.1 e 3.2, respectivamente, segundo a
especificação técnica do produto fornecida pela empresa.
Tabela 3.1: Características físico-químicas do soro em pó.
Análises Unidade Mínimo Máximo
Umidade % - 3
Acidez % 0,02 0,1
pH 6 6,6
Massa
específica
g. cm
-3
0,5 0,61
Fonte: a tabela adaptada de Elegê Alimentos (2005)
3.2 REAGENTES ANALÍTICOS 33
Tabela 3.2: Características nutricionais do soro em 100 g.
Composição Unidade Valores
Carboidratos (lactose) g 77
Proteínas g 12
Gorduras Totais g 1
Colesterol mg < 5
Fibra Alimentar g 0
Cálcio mg 440
Sódio mg 675
Valor energético kcal 350
Fonte: Elegê Alimentos (2005)
De acordo com a Tabela 3.2 os carboidratos correspondem à quantidade total de
lactose presente no soro.
O volume inicial a ser ultrafiltrado foi de 30 L de solução de soro de queijo sendo
preparada a partir de aproximadamente 2 kg de soro em pó dissolvidos em 29 L de água
destilada. As concentrações resultantes de lactose e de proteína foram 50,05 g. L
-1
e 7,8 g. L
-1
,
respectivamente, tomando a massa espefícifica do soro reconstituío como 1,045 g. L
-1
As
quantidades de gorduras para fins de cálculos foram consideradas desprezíveis por
apresentarem valores baixos. Dessa forma, considerou-se que o soro é constituído somente
por proteínas, sais e lactose. Portanto, a concentração de sais no soro reconstituído foi
determinada pela diferença da concentração de sólidos totais pelo somatório de proteínas e
lactose correspondendo a 7,15 g. L
-1
de sais.
3.2 Reagentes Analíticos
A Tabela 3.3 apresenta os reagentes utilizados para a realização das análises e da
limpeza da membrana. As soluções foram preparadas com água destilada para o preparo da
solução de soro e água adicionada em cada DF, e, para análises físico-químicas,
água.deionizada ou água grau HPLC
3.3 MEMBRANA DE UF 34
Tabela 3.3: Reagentes utilizados, grau de pureza e fornecedor.
Reagente Pureza Fornecedor
Ácidos
Ácido Bórico P.A. NUCLEAR
Ácido Cítrico Monohidratado P.A. MERCK
Ácido Sulfúrico P.A. SYNTH
Bases
Hidróxido de Sódio P.A. DINÂMICA
Sulfato de Sódio P.A. MERCK
Outros
Acetonitrila Grau HPLC VETEC
Álcool Etílico P.A. SYNTH
Azul de Metileno Comercial NUCLEAR
Carbonato de Sódio Anidro P.A. SYNTH
Cloreto de Sódio P.A. F.MAIA
Hipoclorito de Sódio 12% Comercial RTA
Kit p/ determinação de Cloro Comercial LAMOTTE COMPANY
Lactose Monoidratada P.A. NUCLEAR
Óxido de Mercúrio amarelo P.A. VETEC
Selenito de Sódio P.A. MERCK
Sulfato de Cobre P.A. SYNTH
Vermelho de Metila Comercial VETEC
3.3 Membrana de UF
A membrana utilizada nos processos de UF e DF é comercial, feita de polietersulfona
em módulo espiral, fabricada pela KOCH MEMBRANE SYSTEMS, que possui como
características massa molar de corte (MMC) de 10 kDa, espaçador de alimentação de 43 mil
(milésimo de polegada) e área de permeação de 0,3 m
2
. A fotografia do módulo da membrana
de UF está apresentada na Figura 3.1.
3.4 EQUIPAMENTO 35
MEMBRANA
A=0,3 m
2
ESPAÇADOR
MEMBRANA
A=0,3 m
2
ESPAÇADOR
Figura 3.1: Fotografia do módulo da membrana de UF.
A membrana é caracterizada pelos dados fornecidos pelo fabricante os quais estão
apresentados na Tabela
3.4.
Tabela 3.4: Informações técnicas da membrana de UF.
Informações técnicas da membrana Faixa de operação
Temperatura Máxima 55°C
Pressão Máxima 8,62 kgf. cm
-2
Pressão de Saída Mínima 0,7 kgf. cm
-2
Máxima Contra-Pressão Admissível 0,35 kgf. cm
-2
Faixa de pH Admissível 1,8 - 11
Volume Interno 0,34 L
Vazão de Recirculação Recomendada 19 L. min
-1
3.4 Equipamento
O processo de UF foi realizado numa planta piloto WGM-KOCH PROTOSEP IV
localizada no Laboratório de Separação por Membrana da UFRGS. A fotografia da unidade
piloto de UF está apresentada na Figura
3.2 e esquematizada na Figura 3.3.
3.4 EQUIPAMENTO 36
Figura 3.2: Fotografia da unidade piloto de UF.
V1,V2,V3 – Válvulas Tipo Esfera
3 – Pré-filtro
4 – Módulo Espiral de UF
2 – Bomba Pneumática
T1 – Termopar
V4 – Válvula de contrapressão
M1, M2 – Manômetros
1 – Tanque de Alimentação V1,V2,V3 – Válvulas Tipo Esfera
3 – Pré-filtro
4 – Módulo Espiral de UF
2 – Bomba Pneumática
T1 – Termopar
V4 – Válvula de contrapressão
M1, M2 – Manômetros
1 – Tanque de Alimentação
Figura 3.3: Representação esquemática da unidade piloto de UF.
A unidade piloto de UF possui os seguintes equipamentos, de acordo com a Figura
3.3:
3.4 EQUIPAMENTO 37
tanque de alimentação encamisado (1) de aço inoxidável 304, com volume de 75
L, fabricado pela SULINOX. O tanque possui um agitador e um sistema de
controle de temperatura que opera na faixa de temperatura de 25 a 150 °C;
bomba pneumática (2) tipo diafragma, modelo VERSAMATIC VM.50, opera com
ar comprimido que passa pelo sistema composto por um Kit FLR (filtro,
lubrificador e regulador de ar);
pré-filtro de cartucho (3), fabricado pela CUNO, constituído de uma carcaça de
PVC e elemento filtrante de polipropileno com tamanho médio de poro de 1μm;
carcaça para módulo em espiral (4), com 30 cm de comprimento e 5,8 cm de
diâmetro, feita em de aço inoxidável 316;
manômetros (M1) e (M2) de aço inoxidável 316, que estão instalados num tê
Sanitech com uma câmara com diafragma, que evita contato do manômetro com o
fluido de processo. Os manômetros possuem escala de 0 a 10,5 kgf. cm
-2
;
válvulas tipo esfera (V1), (V2) e (V3), fabricadas pela VALSUL, e de
contrapressão (V4) de PVC com diafragma.
A utilização de uma bomba pneumática tipo diafragma VERSAMATIC tem como
objetivo evitar o contato do fluido com as partes metálicas da bomba, reduzindo a
possibilidade de contaminação do fluido.
O ar comprimido para o acionamento da bomba foi fornecido por um compressor
SCHULZ com capacidade de 175 L e potência de 2 hp com vazão volumétrica de 0,00472
m
3
.s
-1
. A pressão no equipamento foi ajustada, primeiramente, na válvula reguladora de ar da
bomba pneumática e, após, através da válvula de contrapressão com diafragma que se localiza
na saída do concentrado do módulo de UF. As pressões nas extremidades do módulo de UF
foram medidas pelos manômetros instalados na entrada (M1) e na saída (M2). O valor da
pressão transmembrana de operação no módulo de UF foi 2 bar manométrica, a qual é a
média aritmética das duas pressões medidas.
3.5 MÉTODOS ANALÍTICOS 38
O pré-filtro (3), instalado antes do módulo de UF, tem o objetivo de reter as
impurezas, tais como, gorduras e sólidos em suspensão da corrente de alimentação, evitando o
entupimento do módulo e, consequentemente, aumentando a sua durabilidade.
O tanque de alimentação (1) com o sistema de aquecimento e termostato serve para
manter a temperatura de operação constante e nos experimentos foi usada a temperatura de
50˚C. Esta temperatura foi utilizada tendo em vista a temperatura de saída do soro do
processo de fabricação do queijo (~ 60°C) e a temperatura máxima admissível para a
membrana (~ 55°C). Além disto, na faixa de temperatura 15°C a 45°C ocorre o
desenvolvimento de microorganismos que podem acidificar o soro, tornando o produto
impróprio para posterior utilização (RICHER, 1982 apud CHERYAN, 1986).
3.5 Métodos Analíticos
As características das amostras do concentrado e do permeado dos processos da UF e
DF foram analisadas conforme descrito nos procedimentos a seguir.
3.5.1 Análise de Concentração de Proteína – Método de Kjeldahl
Trata-se de método direto de determinação de nitrogênio protéico e não-protéico. O
método de Kjeldahl determina a matéria nitrogenada total de uma amostra.
O método baseia-se no aquecimento da amostra com ácido sulfúrico (H
2
SO
4
), numa
temperatura entre 370-420 °C, para digestão até que o carbono e hidrogênio sejam oxidados.
O nitrogênio da proteína é reduzido e transformado em sulfato de amônia [(NH
4
)
2
SO
4
]. Após
adiciona-se a este composto formado hidróxido de sódio concentrado (NaOH), e aquece-se
para a liberação da amônia dentro de um volume conhecido de ácido bórico (H
3
BO
3
),
formando borato de amônia [(NH
4
)
3
BO
3
]. Em seguida, titula-se esta solução com a solução
padronizada de H
2
SO
4
. A reação de formação do sulfato de amônia está apresentada na
Equação 3.1:
(
)
()
33443
2
43
34
2
4
42
33
42
orgânico) (N Amostra
BOHSONHBONHNH
NHSONH
SOH
BOH
NaOH
SOH
+⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯
⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯
(3.1)
3.5 MÉTODOS ANALÍTICOS 39
O teor de nitrogênio determinado por esse método precisa ser corrigido para
nitrogênio protéico.
Por intermédio dessa determinação quantifica-se a porcentagem de nitrogênio total
presente na amostra. Esta porcentagem é convertida para porcentagem de proteína bruta
mediante multiplicação por um fator denominado de fator de conversão de Kjeldahl igual a
6,38, o qual é especificado para cada tipo de proteína, (ANTUNES, 2003). A determinação da
quantidade de proteína presente na amostra foi realizada de acordo com as normas de análises
A.O.A.C, que foi adaptado pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Alimentos (ICTA) da
UFRGS (CARVALHO et al. 2002).
Informações mais detalhadas desta técnica estão apresentadas no Anexo A.
3.5.2 Análise de Concentração de Lactose por Cromatografia Líquida (HPLC)
A cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) pode ser utilizada na análise de
qualquer substância solúvel no solvente utilizado como fase móvel. Todas as formas de
cromatografia podem ser definidas como um processo de migração, em que os componentes
da amostra são seletivamente retidos pela fase estacionária. Esta fase pode ser de material
sólido ou líquido imobilizado (ARAÚJO, 1995).
A análise de concentração de lactose foi realizada no cromatógrafo HPLC
PerkinElmer Series 200 com um detector de índice de refração. A fase móvel usada foi 75%
de acetonitrila em água grau HPLC e a coluna utilizada foi Spheri-5-animo (5μ, 220 x 4,6
mm).
Para determinar a quantidade de lactose presente nas amostras da UF e das DFs foi
construída uma curva padrão, que se encontra no Apêndice A, a partir de concentrações
conhecidas de lactose num intervalo de máximo e mínimo de quantidade lactose presente no
soro de queijo. Para cada análise foram usados 20 μL de amostra. As condições de trabalho
usadas foram temperatura de 45°C e vazão de alimentação 1,5 mL. min
-1
.
As amostras do concentrado foram preparadas antes de serem injetadas para evitar a
saturação da pré-coluna do HPLC. Primeiramente, as amostras do concentrado foram
centrifugadas por um período de 30 minutos e, após, as amostras foram passadas através de
uma membrana do tipo GS ESTER CELULOSE da MILLIPORE, com tamanho médio de
poro de 0,5 μm, cujo objetivo é evitar a entrada de microorganismos na coluna do HPLC. Em
3.6 LIMPEZA DO SISTEMA DE MEMBRANAS 40
seguida, as amostras foram diluídas 10 vezes utilizando-se pipetas automáticas da DIGIPET
na faixa de (20-200) μL e (100–1000) μL.
3.5.3 Análise de pH
As análises de pH foram realizadas através do pHmetro DIGIMED, modelo DM20. O
eletrodo utilizado é do tipo DME CV4 com ponte eletrolítica de KCl e é provido de termo-
compensador DMF-NI. As medidas de pH foram realizadas na preparação de soluções de
limpeza da membrana e das amostras de concentrado e permeado. A precisão da medida
apresenta incerteza de ±0,1 e confiança de 95%. O equipamento era calibrado regularmente
com padrões de pH 4 e 6,86 conforme as instruções do fabricante.
3.5.4 Análise de Condutividade Elétrica
A medida da condutividade elétrica é uma medida indireta da concentração de íons na
solução. A condutividade elétrica foi determinada para as soluções de alimentação e de
permeado. O equipamento utilizado para esta análise foi o condutivímetro DIGIMED DM-31,
com eletrodo modelo DMC-010M e K=1 cm
-1
. A precisão da medida tem uma incerteza de
±3,16%, sendo que o equipamento era calibrado com uma solução padrão de 1413 μS a 25ºC,
fornecida pela OAKTON..
3.5.5 Análise de Extrato Seco Total
O valor do extrato seco total é o parâmetro adotado para a verificação da concentração
total de matéria seca não-volátil do soro de queijo. A medida do extrato seco total foi feita
através da técnica gravimétrica de acordo como método apresentado em LANARA, 1981.
Informações mais detalhadas desta técnica estão apresentadas no Anexo A.
3.6 Limpeza do Sistema de Membranas
A limpeza tem por objetivo restituir as características de fluxo e retenção da
membrana e prevenir o desenvolvimento de microorganismos no sistema. Antes e após cada
experimento, o procedimento de limpeza foi efetuado conforme a recomendação do fabricante
(WGM-KOCH), descrita a seguir:
3.7 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 41
enxágüe inicial com água destilada para retirada da solução de soro do sistema;
posteriormente, preenche-se o sistema com água destilada adicionando-se soda
cáustica até atingir pH entre 10 a 10,5, a qual é mantida por 15 a 20 minutos na
temperatura de aproximadamente 50°Ca uma pressão transmembrana de 1,5 bar ;
adiciona-se a solução de hipoclorito de sódio até a concentração de 200 ppm a qual
é mantida por 5 minutos circulando no sistema;
enxágua-se novamente o sistema com água destilada por 20 minutos para remoção
da solução básica, mantendo-se as mesmas condições de processo;
preenche-se o sistema com água destilada, adicionando-se ácido cítrico até atingir
pH 2, esta solução é mantida no sistema por 10 minutos na temperatura de
aproximadamente 50°Ca uma pressão de 1,5 bar;
enxágua-se novamente o sistema com água destilada por 20 minutos.
Antes e após a limpeza, o fluxo permeado de água pura é medido.
3.7 Metodologia Experimental
Os experimentos realizados na unidade piloto de UF foram efetuados em duas etapas
distintas. A primeira etapa teve como objetivo concentrar as proteínas do soro de queijo
através do processo de UF e a segunda etapa consiste em purificar estas proteínas usando a
DF. Para cada uma destas etapas foram obtidos concentrados com características diferentes,
os quais possuem aplicações de acordo com suas características.
3.7.1 UF do Soro de Queijo
Primeiramente, dissolveu-se soro em pó em água destilada, obtendo-se 30 L de
solução de soro, conforme explicado na seção 3.1. Esta solução foi colocada no tanque e
homogeneizada com o agitador mecânico por aproximadamente 15 min.
3.7 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 42
A diferença de pressão transmembrana foi mantida em 2 kgf. cm
-2
e a vazão da
corrente de alimentação do soro de queijo foi de aproximadamente 850 L. h
-1
. A solução entra
em contado com o módulo de membrana de UF onde a corrente concentrada retorna ao
tanque. Essa solução é concentrada até um volume final de 6 L. O permeado foi coletado em
bombonas de 20 L retirando-se, portanto, um volume de 24 L de permeado no final de
experimento. A Figura 3.4 apresenta, de forma esquematizada, o processo de concentração do
soro por UF. No final do processo de UF, o fator de concentração volumétrico foi de
aproximadamente 5.
SORO DE QUEIJO
PROTEÍNA CONCENTRADA DO SORO
UF
PROTEÍNA
LACTOSE
SAIS
PERMEADO
SORO DE QUEIJO
PROTEÍNA CONCENTRADA DO SORO
UF
PROTEÍNA
LACTOSE
SAIS
PERMEADO
Figura 3.4: Representação esquemática do processo de UF.
O fluxo volumétrico do permeado foi determinado através de medida de tempo
necessário para a remoção de 100 mL de permeado, utilizando-se uma proveta graduada.
Foram coletadas, a cada uma hora e meia de operação, simultaneamente, amostras das
correntes de permeado e de concentrado em frascos de vidro âmbar. As análises feitas nas
amostras foram: pH, condutividade elétrica, extrato seco total e as concentrações de lactose e
de proteína.
3.7.2 DF do Soro de Queijo
A DF foi subdividida em duas etapas. A primeira etapa consistiu em realizar duas DFs
no concentrado da UF. Essas DFs têm como objetivo purificar o concentrado protéico.
3.8 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 43
A primeira DF foi feita adicionando-se 6 L de água destilada no concentrado da UF,
obtendo-se um volume total de solução a ser ultrafiltrado de 12 L. A solução foi concentrada
até o volume final de 6 L.
Na segunda DF foi adicionado o mesmo volume da primeira DF de 6 L de água
destilada no retentado gerado na primeira DF, resultando num volume total de solução de 12
litros. Após a solução foi concentrada até o volume final de 6 litros. A Figura 3.5 apresenta de
forma esquematizada os processos de DFs no concentrado da UF.
PERMEADO (2)
UF
UF
2°DF
ÁGUA
ÁGUA
1°DF
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (1)
PERMEADO (1)
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (1)
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (2)
PERMEADO (2)
UF
UF
2°DF
ÁGUA
ÁGUA
1°DF
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (1)
PERMEADO (1)
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (1)
SORO CONCENTRADO PURIFICADO (2)
Figura 3.5: Representação esquemática do processo de DFs.
3.8 Otimização do processo de purificação
Para dar um tratamento matemático aos resultados experimentais, foi criado um
programa computacional, usando o software MATLAB ® versão 5.3, que permite a
otimização do processo de purificação da proteína usando DFs. Essa ferramenta foi escolhida
dentre vários programas computacionais capazes de determinar mais de uma váriavel.
Capítulo 4
Resultados e Discussão
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados da etapa experimental onde
foram realizados testes para a determinação da pressão transmembrana a ser utilizada nos
experimentos de UF e DFs e testes de concentração e purificação das proteínas do soro de
queijo. Nestes experimentos a variação do fluxo permeado com o tempo e com a concentração
do soro foi avaliada. Na segunda fase foi desenvolvido um procedimento computacional, a
partir dos resultados experimentais com o objetivo de criar um modelo matemático capaz de
predizer o comportamento do processo em diferentes condições experimentais, e desta forma
permitir a escolha entre diferentes tipos de concentrado e permeado para as mais diversas
aplicações. Esse procedimento de modelagem se encontra desenvolvido no Capítulo 5. Todos
os dados experimentais apresentados neste capítulo encontram-se tabelados no Apêndice A.
4.1 Escolha e determinação das condições de operação para os
processos UF e DF
A escolha de um bom valor para cada variável de processo como a pressão
transmembrana, vazão de alimentação e temperatura é de fundamental importância para as
demais etapas deste trabalho que consiste na concentração e purificação das proteínas por UF
operando em batelada na etapa de concentração e no modo DF na etapa de purificação.
4.1.1 Pressão transmembrana de operação
Primeiramente foram realizados experimentos medindo-se o fluxo permeado em
diferentes pressões transmembrana com água e ,posteriormente, com soro. A pressão
transmembrana corresponde a diferença entre a média aritmética das pressões de entrada e
saída do módulo de membrana e a pressão da corrente permeada. O objetivo foi determinar a
pressão de operação adequada através do comportamento do fluxo permeado do soro. A
Figura 4.1 apresenta o fluxo permeado do soro em função da pressão transmembrana.
Observa-se que o fluxo permeado do soro é muito menor do que o fluxo de água pura; isto
evidencia que o efeito de polarização por concentração é bastante significativo para o soro na
4.1 ESCOLHA E DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO PARA OS PROCESSOS UF E DF 45
concentração inicial e este efeito tende a se agravar à medida que o soro vai sendo
concentrado. Neste caso pode-se afirmar que o aumento de fluxo é limitado pelo aumento da
camada polarizada, isto é, o aumento de pressão transmembrana é contra balanceado pelo
aumento da resistência total. Observa-se que na pressão transmembrana de 4 bar, já é,
praticamente, atingido o fluxo limite.
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0123456
Pressão (bar)
Fluxo permeado de água
(L. m
-2
h
-1
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Fluxo permeado de soro
(L. m
-2
h
-1
)
Água Soro
Figura 4.1: Fluxo permeado de água e soro com diferentes pressões.
Esse mesmo comportamento foi encontrado por Muller et al. (2003), Rektor e Vatai
(2004) e Atra et al. (2005). Devido à pequena diferença entre os fluxos permeados que foram
de 9,8 a 10,5 L. m
-2
h
-1
para as pressões de 2 a 3 bar, respectivamente, optou-se por trabalhar
na pressão de 2 bar, visto que quanto maior a pressão aplicada maior a quantidade de soluto
que chega à superfície da membrana o que intensifica ainda mais o fenômeno de polarização
por concentração e a tendência de formação de fouling na membrana.
4.1.2 Temperatura de processo
A temperatura de processo na concentração e purificação das proteínas do soro de
queijo foi definida em 50°C, devido aos seguintes fatores: a) quanto maior a temperatura
menor será a viscosidade da solução e, conseqüentemente maior será o fluxo permeado; b) a
temperatura de saída do soro no processo de fabricação de queijos é de aproximadamente
60°C e a temperatura máxima permissível à membrana, indicada pelo fabricante, é de 55°C;
c) na faixa de temperatura entre 15°C a 45°C ocorre o desenvolvimento de microorganismos
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 46
que podem acidificar o soro, tornando o produto impróprio para posterior utilização
(RICHER, 1982 apud CHERYAN, 1986).
4.1.3 Vazão de alimentação de UF e DF
Com o objetivo de selecionar a vazão de alimentação mais adequada para a
concentração das proteínas realizou-se um experimento variando a vazão de alimentação com
a medida simultânea do fluxo permeado. A Tabela 4.1 apresenta os resultados obtidos para o
fluxo permeado para diferentes taxas de alimentação na pressão transmembrana de 2 bar.
Observa-se que o fluxo aumenta à medida que a vazão de alimentação aumenta, porém,
devido à limitação do equipamento, tal como oscilações na pressão do compressor que
impulsiona a bomba, optou-se por trabalhar com a vazão de alimentação de 850 L. h
-1
. Além
disso, a vazão de trabalho para as DFs foi de 760 L. h
-1
sendo esta a máxima vazão atingida na
pressão de trabalho de 2 bar nesta etapa. Acredita-se que isto ocorra em função do aumento de
viscosidade da solução ao mesmo tempo em que se aumenta a concentração de proteínas com
redução dos componentes permeáveis (sais, lactose e água). O aumento de viscosidade foi
observado visualmente, embora medidas não tenham sido tomadas, notou-se que a solução
assume um aspecto pastoso.
Tabela 4.1: Variação do fluxo permeado do soro de queijo com a vazão de
alimentação na pressão transmembrana de 2 bar.
Vazão de alimentação (L. h
-1
) Fluxo Permeado (L. m
-2
h
-1
)
576 10,5
685 12,7
850 14,8
900 17,5
4.2 Concentração e purificação das proteínas do soro de queijo
Uma vez determinadas as condições experimentais que são uma função do tipo de
membrana, do equipamento e da solução de alimentação, realizaram-se os experimentos de
concentração e purificação das proteínas do soro de queijo.
Todos os experimentos de concentração foram realizados nas seguintes condições de
operação: pressão transmembrana igual a 2 bar, temperatura de 50ºC e vazão de escoamento
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 47
da corrente de alimentação de 850 L. h
-1
. Nos experimentos de purificação, somente a taxa de
alimentação foi alterada para 760 L. h
-1
.
4.2.1 Experimentos de concentração das proteínas do soro de queijo
A compactação da membrana foi realizada previamente a fim de evitar um declínio de
fluxo permeado devido ao adensamento da microestrutura da membrana durante o processo
UF. Este procedimento foi realizado à pressão transmembrana de 3 bar, acima da pressão de
operação (2 bar), com água pura até o fluxo de permeado se estabilizar em 144 L. m
-2
h
-1
. A
Figura 4.2 apresenta o comportamento do fluxo permeado de água na compactação da
membrana de UF.
0
30
60
90
120
150
180
210
0 10203040506070
Tempo (min)
Fluxo permeado água (L. m
-2
h
-1
)
Figura 4.2: Fluxo permeado de água com tempo durante a compactação da membrana de UF.
A Figura
4.3 apresenta o fluxo permeado de soro em função do tempo para os
Experimentos 1 e 2.
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 48
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0246810
Tempo (h)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 Experimento 2
Figura 4.3: Fluxo permeado de soro com tempo.
Observa-se que o fluxo diminui com o tempo de operação sendo que estes resultados
estão de acordo com os apresentados nos trabalhos de Veiga e Viotto (2001), Rao (2002),
Castro e Gerla (2004), Rektor e Vatai (2004), Khider et al. (2004) e Prudêncio et al. (2005). A
queda inicial mais acentuada foi devida à formação da camada de polarização por
concentração e fouling. Ao longo do processo estes fenômenos podem ser agravados
principalmente pelo aumento de concentração de proteínas no soro que provoca a alteração
das propriedades físico-químicas e de transporte da solução. A redução de fluxo permeado é
um dos fatores limitantes do processo, do ponto de vista operacional. Pode-se notar que o
fluxo permeado do Experimento 1 diminui para aproximadamente a metade ao completarem-
se 8 h de experimento.
A diferença entre os fluxos permeados dos Experimentos 1 e 2 se deve a uma maior
concentração de proteínas no soro utilizado no Experimento 1, o que resultou em um menor
fluxo. Na verdade, a diferença é pequena, mas como a proteína é totalmente retida pela
membrana, e o aumento da concentração de proteína exerce um efeito maior sobre o fluxo
(polarização). Além disso, a polarização por concentração tem um efeito sobre o fouling,
quanto maior a polarização por concentração maior a tendência de ocorrer fouling.
O fator limitante que determinou o final do experimento foi a soma do volume mínimo
de soro no tanque de alimentação com o volume morto, aproximadamente 6 L.
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 49
Conseqüentemente, como o fluxo permeado do Experimento 2 foi maior o tempo necessário
para remover 24 L de permeado de um total de 30 L de alimentação foi menor.
O fluxo permeado de água pura através da membrana UF é de 144,6 L. m
-2
h
-1
.
Observou-se que para as mesmas condições operacionais ocorreu uma diferença significativa
nos fluxos permeados do soro e da água.
A Figura 4.4 apresenta o comportamento do fluxo permeado de soro em função da
razão de concentração volumétrica, fator de concentração. Observa-se que tanto para o
Experimento 1 como para o Experimento 2, o fluxo permeado diminui à medida que o fator
de concentração aumenta, sendo este declínio mais acentuado para o Experimento 1. O fator
de concentração máximo alcançado de 5 foi em função das limitações da unidade
experimental, anteriormente descritas.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0123456
Fator de concentração
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 Experimento 2
Figura 4.4: Fluxo permeado de soro em função do fator de concentração.
4.2.2 Experimentos de purificação das proteínas do soro de queijo
Para a produção de CPS com alto teor de proteína utilizou-se a DF. Este processo
promove a produção de um concentrado protéico mais puro, pois remove sais e lactose do
concentrado protéico. A Figura 4.5 apresenta o comportamento do fluxo permeado de soro em
função do tempo para os experimentos de DF. É importante salientar que não foi realizada
limpeza química, nem tampouco enxágüe com água após o experimento de concentração. No
Experimento 1, a primeira DF iniciou com fluxo permeado abaixo do fluxo inicial da UF,
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 50
devido ao fouling já formado na etapa de concentração das proteínas, e, após diminuiu com o
tempo. O mesmo ocorreu com a segunda DF, pois esta iniciou com fluxo permeado um pouco
menor em relação ao da primeira DF, apesar do teor de sólidos totais ser menor. As DFs do
Experimento 2 apresentam comportamento semelhante ao do Experimento 1.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tempo (h)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF) Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Figura 4.5: Fluxo permeado nas diafiltrações de concentrado de soro com tempo.
As Tabelas 4.2 e 4.3 apresentam os resultados de concentração dos diferentes
componentes do soro no concentrado e no permeado para os Experimentos 1 e 2. A Figura 4.6
apresenta a retenção observada para os componentes do soro no Experimento 1, em função do
tempo, sendo os sete primeiros pontos correspondentes ao processo de concentração por UF
seguidos por 4 pontos da primeira DF e os 3 últimos pontos da segunda DF. Todo o processo
resultou em um total de 15 horas. O Experimento 2 apresentou comportamento semelhante ao
Experimento 1.
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 51
Tabela 4.2: Características do concentrado e do permeado do Experimento 1.
Amostras
Tempo
(h)
Proteína
(g. L
-1
)
Lactose
(g. L
-1
)
Sólidos Totais
(g. L
-1
)
Condutividade
elétrica (mS. cm
-2
)
pH
Concentrado UF
1 0,0 9,1 46 60,0 6,18 6,36
2 1,5 10,5 47 60,4 6,22 6,37
3 3,0 11,4 48 70,0 6,28 6,38
4 4,5 14,4 48 80,2 6,33 6,39
5 6,0 18,3 53 90,1 6,31 6,38
6 7,5 25,5 51 100,5 6,34 6,38
7 9,0 40,0 52 140,8 6,13 6,39
Concentrado 1°DF
1 9,75 18,1 24 56,0 3,45 6,45
2 10,75 24,2 25 67,5 3,54 6,46
3 11,75 36,0 25 85,0 3,62 6,46
Concentrado 2°DF
1 12,5 17,5 11 39,5 1,89 6,52
2 13,5 23,1 23 45,5 1,96 6,52
3 14,5 30,5 12 67,5 2,12 6,51
4 15,5 39,7 13 127,5 2,17 6,41
Permeado UF
1 0,0 - 39 50,1 6,12 6,4
2 1,5 - 43 52,0 6,25 6,39
3 3,0 - 27 53,4 6,26 6,39
4 4,5 - 31 56,5 6,29 6,38
5 6,0 - 36 54,5 6,37 6,38
6 7,5 - 45 64,0 6,47 6,39
7 9,0 - 30 67,5 6,64 6,38
Permeado 1°DF
1 9,75 - 18 25,5 3,29 6,45
2 10,75 - 22 28,0 3,37 6,45
3 11,75 - 20 30,0 3,48 6,46
Permeado 2°DF
1 12,5 - 10 12,0 1,64 6,51
2 13,5 - 9 12,0 1,71 6,53
3 14,5 - 9 13,0 1,79 6,52
4 15,5 - 10 16,0 1,82 6,51
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 52
Tabela 4.3: Características do concentrado e do permeado do Experimento 2.
Tempo
(h)
Proteína
(g. L
-1
)
Lactose
(g. L
-1
)
Sólidos Totais
(g. L
-1
)
Condutividade
elétrica (mS. cm
-2
)
pH
Concentrado UF
1 0,0 8,3 46 65,0 5,76 6,53
2 1,5 9,1 48 70,0 5,87 6,54
3 3,0 11,7 42 73,5 5,88 6,53
4 4,5 15,1 54 79,5 5,91 6,54
5 6,0 20,5 56 89,0 5,93 6,55
6 7,5 32,7 58 102,5 5,72 6,56
Concentrado 1°DF
-
1 9,75 19,6 33 51,0 3,48 6,6
2 10,75 21,3 29 61,0 3,56 6,6
3 11,75 34,5 49 78,0 3,52 6,6
Concentrado 2°DF
1 12,5 16,6 26 37,0 2,04 6,72
2 13,5 22,9 14 45,0 2,12 6,73
3 14,5 33,8 15 61,0 2,25 6,74
Permeado UF
-
1 0,0 - 53 50,0 5,68 6,51
2 1,5 - 55 49,5 5,95 6,52
3 3,0 - 54 50,1 5,95 6,51
4 4,5 - 51 52,0 6,01 6,52
5 6,0 - 57 54,0 6,04 6,51
6 7,5 - 49 56,0 6,1 6,51
Permeado 1°DF
1 9,75 - 24 27,0 3,32 6,61
2 10,75 - 25 28,0 3,44 6,61
3 11,75 - 26 29,0 3,53 6,61
Permeado 2°DF
1 12,5 - 13 13,0 1,83 6,71
2 13,5 - 11 14,7 1,92 6,72
3 14,5 - 19 14,3 2 6,71
4.2 CONCENTRAÇÃO E PURIFICAÇÃO DAS PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO 53
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tempo (h)
Retenção (%)
Proteína ST Lactose
Figura 4.6: Retenção dos componentes do soro com o tempo.
Analisando os resultados da Tabela 4.2 e da Tabela 4.3 observa-se que a concentração
de proteínas aumenta ao longo do experimento de permeação, quase quadruplicando o seu
valor inicial. Analisando a UF e a DF conjuntamente observa-se que a condutividade elétrica
e o teor de lactose diminuíram na DF devido ao efeito de lavagem. Em relação ao teor de
sólidos totais observa-se que houve um aumento nas correntes de concentrado de todas as
etapas devido principalmente ao aumento de concentração de proteína. O pH não sofreu
alterações significativas durante todo o processo, uma vez que a alteração principal na
corrente concentrada é o aumento da concentração de proteína, a qual, aparentemente, não
contribui para alteração de pH.
Nota-se que a concentração de proteína da primeira DF é praticamente a mesma da
segunda DF, no entanto o teor de contaminantes, sais e lactose, da segunda DF é menor que a
primeira DF, pois os teores de lactose e os valores de condutividade elétrica se reduziram
significativamente.
A observação da Figura 4.6 indica que a retenção das proteínas é total, enquanto que a
retenção de sólidos totais aumenta com tempo de experimento. Este aumento se deve ao teor
de proteínas que no limite, quando o teor de componentes permeáveis tendesse a zero, a
retenção resultante seria a de proteínas. Esta tendência é observada na Figura 4.6. Em relação
à lactose, observa-se que a retenção oscila bastante em torno de valor médio aproximado de
20%. Isto leva a crer que a membrana apresenta uma retenção parcial a lactose o que propicia
uma maior dificuldade na purificação das proteínas.
4.3 LIMPEZA E SANITIZAÇÃO DO EQUIPAMENTO 54
A massa de proteínas manteve-se constante, no concentrado, durante os processos e
este resultado está de acordo com o apresentado no trabalho Leite et al., 2006. Já para os
sólidos totais o comportamento não foi o mesmo, pois ocorreu a redução com o tempo de sua
massa no concentrado durante a UF e DFs.
4.3 Limpeza e sanitização do equipamento
Após cada um dos Experimentos 1 e 2 de concentração e purificação das proteínas por
UF, o equipamento foi higienizado de acordo com o item 3.6. O procedimento apresentado a
seguir foi realizado em três etapas de limpeza química e após cada uma dessas etapas a
membrana foi submetida ao enxágüe com água destilada.
Para verificar a eficiência no procedimento de limpeza foram realizadas medidas de
fluxos permeados de água após remover completamente as soluções residuais de limpeza
química da membrana com água destilada. A remoção completa da solução residual de
limpeza é verificada através das medidas de condutividade elétrica. O objetivo é obter valores
de fluxo permeado que servirão como referência para posteriores experimentos mantendo as
mesmas condições de processos que foram estabelecidos inicialmente. Dessa forma pode-se
saber o quanto a membrana vai se incrustando ao longo de cada experimento.
A Tabela 4.4 apresenta o fluxo permeado de água após Experimento 1 e Experimento
2 no final de cada etapa do tratamento químico em que a membrana de UF foi submetida.
Esse procedimento foi realizado na pressão trasmembrana média de 1,5 bar e na temperatura
aproximada de 50°C.
Tabela 4.4: Medidas de fluxo de água após enxágüe em cada etapa da limpeza
química.
Limpeza química Fluxo permeado de água (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 Experimento 2
Solução alcalina 10,9 9,9
Solução hipoclorito 20 18,7
Solução ácida 40 38
Os resultados dos fluxos após Experimento 1 e Experimento 2 não foram os mesmos
mostrando que uma parte da formação de depósitos das partículas do soro é irreversível. No
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
55
entanto, a recuperação de fluxo permeado com a limpeza foi bastante boa. Todas as medidas
de fluxo foram realizadas em triplicata.
Os valores obtidos foram utilizados como referência para cada início de um novo
experimento de concentração do soro.
4.4 Análise da variação do fluxo permeado com as concentrações
dos componentes do soro
A análise do comportamento de fluxo permeado com as concentrações dos
componentes do soro de queijo com os dados obtidos anteriormente tem como finalidade
identificar aqueles que interferem de uma forma significativa na variação do fluxo permeado
durante o processo de concentração e purificação das proteínas. Com esses dados, serão
ajustadas as equações empíricas que serão utilizadas na etapa de otimização do processo de
purificação das proteínas.
4.4.1 Variação de fluxo permeado com teor de proteínas
As Figuras 4.7 e 4.8 mostram o fluxo permeado do processo de concentração
juntamente com as duas DFs em função da concentração de proteína. Observa-se que, tanto
para o Experimento 1 como para o Experimento 2, o fluxo permeado decresce com o tempo
de processo. Na primeira etapa de DF ocorre uma melhora do fluxo de permeação devido ao
processo de diluição com água pura. Comparando a composição do soro inicial, a
concentração de lactose e de sais na solução diluída é menor e, portanto, seria de esperar que
o fluxo permeado na DF fosse superior ao da UF. Contudo, os resultados obtidos para a
segunda DF não seguem a mesma tendência, isto ocorreu, provavelmente, devido ao fouling e
polarização por concentração formados ao longo do tempo de experimento.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
56
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 4 8 121620242832364044
Proteína g. L
-1
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 (UF) Experimento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF)
Figura 4.7: Fluxo permeado do Experimento 1 versus concentração de proteína no
concentrado.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 4 8 121620242832364044
Proteína g. L
-1
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 2 (UF) Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Figura 4.8: Variação de fluxo permeado do Experimento 2 com concentração de proteína no
concentrado.
4.4.2 Variação de fluxo permeado com teor de sólidos totais
O procedimento adotado para acompanhar o aumento de concentração de sólidos
totais no soro é a determinação do extrato seco não-volátil. Este procedimento está baseado na
determinação gravimétrica do resíduo sólido após a remoção da água de uma forma lenta e
gradual por evaporação. Este método apresenta a concentração em percentagem mássica de
sólido presente sem discriminar os seus componentes.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
57
Nas Figuras 4.9 e 4.10 são apresentados os gráficos do fluxo permeado em função do
teor de sólidos totais no concentrado ao longo do processo de concentração e purificação das
proteínas. Observa-se que ocorre uma redução gradual de fluxo permeado à medida que o teor
de sólidos totais aumenta. Este fenômeno é um dos fatores limitantes no processo de
concentração de soluções por UF. Vale salientar que, em função das limitações do
equipamento, não foi atingido o fluxo mínimo admissível, pois este se apresentou mais ou
menos estável quando os experimentos foram terminados (6 e 8 L. m
-2
h
-1
).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Sólidos Totais (%)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 1 (UF) Experiento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF)
Figura 4.9: Variação de fluxo permeado do Experimento 1 com o percentual de sólidos totais
no concentrado.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
58
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 4 6 810121416
Sólidos Totais (%)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 2 (UF) Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Figura 4.10: Fluxo permeado do Experimento 2 com o percentual de sólidos totais no
concentrado.
4.4.3 Variação de fluxo permeado com teor de lactose
O teor de lactose foi determinado por cromatografia líquida de alto desempenho
(HPLC). A curva de calibração do HPLC com as concentrações de lactose encontra-se no
Apêndice A.
Na Figura
4.11 e Figura 4.12 são apresentados os gráficos da variação do fluxo
permeado do processo de UF, juntamente, com as duas DFs em função da concentração de
lactose. Observa-se que tanto no Experimento 1 quanto no Experimento 2 ocorrem variações
significativas de fluxo permeado para concentrações de lactose similares, mostrando que o
fluxo não depende da concentração de lactose.
Por outro lado, acredita-se que as medidas de concentração de lactose não tem boa
precisão, pois, para uma mesma amostra, apresentaram resultados significativamente
diferentes entre si, conforme pode ser constatado no Apêndice A. As possíveis causas para
explicar estes resultados foram atribuídas a erros de amostragem, sendo mais evidentes para
as amostras dos concentrados. As seguintes fontes de erro foram detectadas: a) a coleta de
amostras do soro do tanque de alimentação, onde este entra em contato com o ar, o que pode
propiciar o desenvolvimento de microorganismos, os quais consomem fontes de carbono
presentes na amostra, representada por açúcares, mais especificamente a lactose; b) nas etapas
de centrifugação e de filtração, com a membrana de 0,5 μm de poro, pode ter ocorrido perda
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
59
de amostra; c) erros na etapa de diluição, por se tratar de alíquotas muito pequenas na faixa de
μL.
Portanto, tendo em vista estas variações não foi possível obter uma relação sobre a
variação de fluxo permeado com a concentração de lactose.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10203040506
Concentração de lactose (g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
0
Experimento 1 (UF) Experimento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF)
Figura 4.11: Fluxo permeado no Experimento 1 com a concentração de lactose.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10203040506070
Concentração de lactose (g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Experimento 2 (UF) Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Figura 4.12: Fluxo permeado no Experimento 2 com a concentração de lactose.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
60
4.4.4 Variação do fluxo permeado com teor de sais
A medida da condutividade elétrica no concentrado do soro de queijo da UF e das DFs
foi realizada para verificar se houve alteração das espécies eletricamente ativas. Estas, em sua
grande maioria compreendem os sais de cálcio e sódio dissolvidos, e representam
componentes para os quais a membrana não é seletiva.
As Figura 4.13 e Figura 4.14 mostram os gráficos da variação do fluxo permeado do
processo de UF, juntamente, com as duas DFs em função da condutividade elétrica. Observa-
se que nas figuras do Experimento 1 e do Experimento 2, de modo geral, a condutividade
elétrica do soro permaneceu praticamente constante em cada operação.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Condutividade elétrica (mS.cm
-2
)
Fluxo permeado (L.m
-2
h
-1
)
Experimento 1 (UF) Experimento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF)
Figura 4.13: Variação de fluxo permeado do Experimento 1 com a condutividade elétrica.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
61
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Fluxo permeado (L.m
-2
h
-1
)
Experimento 2 (UF) Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Condutividade elétrica (mS.cm
-2
)
Figura 4.14: Variação de fluxo permeado do Experimento 2 com a condutividade elétrica.
4.4.5 Variação de fluxo permeado com pH
O pH do soro de queijo foi monitorado com a intenção de verificar possíveis
alterações ocasionadas durante o processo de concentração e purificação do soro. Conforme
os resultados obtidos (vide Tabelas 4.2 e 4.3) o pH permaneceu praticamente inalterado
durante todos os experimentos realizados.
4.4.6 Variação de fluxo permeado com as concentrações dos componentes
permeáveis no concentrado
Realizou-se uma análise da variação de fluxo permeado em função da diferença entre
o teor de sólidos totais e o teor de proteína devido ao fato de que os resultados da análise de
lactose não apresentaram uma precisão boa, como mencionado na seção do 4.4.3. Além disso,
o teor de sais não foi determinado e o seu teor no soro em pó não foi fornecido pela empresa.
Portanto, os teores de lactose, sais e água foram agrupados em uma única variável,
denominada de componente permeável, e, uma vez que este representa o contaminante da
proteína concentrada, a sua influência sobre o fluxo permeado foi analisada. O teor de
componente permeável foi calculado fazendo a diferença entre concentração de sólidos totais
e a concentração de proteína.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
62
As Figuras 4.15 e 4.16 apresentam os gráficos da variação do fluxo permeado em
função componente permeável ao longo do processo de concentração e purificação das
proteínas. Observa-se que o fluxo permeado decresce com a diferença dos sólidos totais e da
proteína; esse comportamento é similar aquele observado com a variação do teor de proteína.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60 80 100 120
Concentração de componente permeável (g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
.h
-1
)
Experimento 1 UF Experimento 1 (1°DF) Experimento 1 (2°DF)
Figura 4.15: Fluxo permeado do Experimento 1 com os componentes permeáveis no
concentrado.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60 80 100 120
Concentração de componente permeável (g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
.h
-1
)
Experimento 2 UF Experimento 2 (1°DF) Experimento 2 (2°DF)
Figura 4.16: Fluxo permeado do Experimento 2 com os componentes permeáveis no
concentrado.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
63
Acredita-se que o fluxo permeado é influenciado mais fortemente pelas proteínas por
se tratarem de macromoléculas; logo para fins de cálculos de otimização serão usadas as
equações empíricas obtidas para o fluxo permeado da UF e DFs em função da concentração
de proteína.
4.4.7 Equações empíricas do fluxo permeado da UF e DFs com teor de
proteína
As Figuras 4.17 e 4.18 apresentam os gráficos da variação do fluxo permeado de soro
com a concentração de proteínas para os processos de UF e DFs. A Figura 4.17 apresenta os
resultados dos Experimentos 1 e 2 no processo de concentração de proteínas por UF. A
equação exponencial foi escolhida a partir de ajustes de equações onde se observou o melhor
coeficiente de regressão (R
2
).
A Figura 4.18 mostra os resultados dos Experimentos 1 e 2 com a primeira e segunda
DFs de ambos Experimentos. A equação foi ajustada sob as mesmas considerações feitas na
UF sendo a exponencial que apresentou o melhor ajuste.
y = 14,167e
-0,0218x
R
2
= 0,6908
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1020304050
Concentração de proteína (g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Figura 4.17: Fluxo permeado da UF do Experimento 1 e Experimento 2 em função da
concentração de proteína.
4.4 ANÁLISE DA VARIAÇÃO DO FLUXO PERMEADO COM AS CONCENTRAÇÕES DOS COMPONENTES
DO SORO
64
y = 14,165e
-0,0178x
R
2
= 0,5928
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1020304050
Concentração de proteína ( g. L
-1
)
Fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
)
Figura 4.18: Fluxo permeado do Experimento 1 e Experimento 2 com a primeira e segunda
DFs em função da concentração de proteína.
Capítulo 5
Modelagem
Neste capítulo serão apresentadas as equações de balanço material e empíricas obtidas
pelas considerações realizadas sobre os dados experimentais, assim como serão discutidos os
resultados da otimização que foi baseada no critério de lucro máximo do produto,
considerando os custos envolvidos no processo e o preço do produto final. Criou-se um
programa computacional utilizando o programa Matlab ® versão 5.3 que se encontra no
Apêndice B.
5.1 Otimização do processo de purificação
Os dados experimentais mostram a redução do fluxo permeado com o tempo de
operação. Esta redução tem como causas principais a polarização por concentração, fouling e
a mudança de propriedades físicas da solução de alimentação. À medida que o tempo de
permeação aumenta, aumenta-se a concentração de proteína na solução no sistema, uma vez
que a membrana escolhida é praticamente impermeável à proteína. Esta mudança de
composição acarreta a variação de propriedades físicas como a massa específica e a
viscosidade do fluido que interferem nas taxas de permeação. Na modelagem, considerou-se
que o fluxo permeado é uma função que depende principalmente da concentração de proteína
na solução de alimentação, ficando os efeitos de polarização e de fouling implicitamente
representados pelos parâmetros das equações empíricas. Foram obtidas equações empíricas
que descrevem o fluxo permeado em função da concentração de proteína na alimentação a
partir dos dados experimentais. Embora, não tenha sido considerado o efeito da concentração
de outros componentes da mistura sobre a taxa de permeação, observou-se que as curvas
experimentais de UF e DF, Figuras 4.15 e 4.16 mostram diferenças, o que sugere a ocorrência
de interferência das concentrações de outros componentes da mistura nas características de
permeação. Como na DF a concentração de lactose e de sais é menor que na UF, acredita-se
que o fluxo permeado na DF é maior em função da menor concentração destes componentes
na mistura. Considerando este fato, foram ajustadas equações distintas para UF e DF,
utilizando os dados experimentais.
Para UF foi obtida a Equação 5.1, conforme a seguir:
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 66
(5.1)
Cp
p
eJ
0218,0
167,14
−
×=
onde:
J
p
= fluxo permeado da UF em L. m
-2
h
-1
;
C
p
= concentração de proteína em kg. L
-1
.
Para a DF a Equação 5.2 obtida é:
(5.2)
Cp
p
eJ
0178,0
165,14
−
×=
onde:
J
p
= fluxo permeado da DF em L. m
-2
h
-1
;
C
p
= concentração de proteína em kg. L
-1
.
Devido à limitação do equipamento, o processo de permeação não pode ser continuado
após o volume da solução no sistema alcançar o valor mínimo de 6 L (volume retido no
sistema), portanto, o término do processo é ditado por este fator, sendo a concentração final
do produto determinado por esta imposição.
A otimização do processo foi baseada no critério de lucro máximo, considerando os
custos envolvidos no processo e o preço do produto final.
Além das considerações anteriormente citadas, foram feitas as seguintes considerações
na modelagem do processo.
a) Para as equações de balanço material:
a mistura formada por lactose, sais e outros componentes minoritários foi
considerada como um pseudo-componente;
a solução a ser processada é constituída por três componentes que são: a proteína,
a água e o pseudo-componente formado por lactose, sais e outros;
desprezou-se a variação de massa específica da solução no sistema com o tempo
de permeação;
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 67
o pseudo-componente e a água são componentes totalmente permeáveis à
membrana (embora houvesse uma pequena retenção de lactose pela membrana);
a membrana é impermeável à proteína;
o volume de água utilizado em cada DF é igual e equivalente ao volume total de
água utilizado na purificação dividido por número de DFs.
b) Para formulação da função objetivo:
o custo de operação do equipamento é proporcional ao tempo de operação do
equipamento e o coeficiente de proporcionalidade é o produto entre a potência do
equipamento e o custo de energia elétrica;
O valor considerado da energia elétrica é de R$ 0,3096 por kWh e a potência
consumida para o acionamento do equipamento foi considerado 1491,4 W.
para cálculo do custo de secagem do produto final foi considerado o valor de R$
0,20 para cada kg de água evaporada;
a concentração de pseudo-componente foi convertida em DQO (demanda química
de oxigênio) usando o fator de conversão de 1 kg m
-3
de pseudo-componente igual
a 1,12 kg m
-3
de DQO. Para o gasto com o tratamento de efluente gerado no
processo, utilizou-se a Equação 5.3 usada por Pollo, 2004:
(
)
[
]
CDQOVG
efluente
+= 05,010
2
(5.3)
onde:
V
efluente
= volume do efluente em m
3
;
DQO = equivalente em DQO correspondente ao pseudo-componente no efluente (kg.
m
-3
);
0,05 = valor limite de DQO acima do qual influi no valor do tratamento de efluente
(kg. m
-3
);
C = custo médio de tratamento de efluente R$ 0,45. m
-3
.
o custo de água utilizada na DF de R$ 2,00 por m
3
;
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 68
o valor final do produto seco varia linearmente com a concentração mássica de
proteína, considerando-se o valor de R$ 3.000,00 para o quilograma de proteína
pura e R$ 1,80 para o quilograma de produto com 12% de proteína.
Salienta-se o fato de que os parâmetros utilizados para o cômputo da função objetivo
são aproximações, que teriam que ser reavaliadas em estudos posteriores de otimização do
processo, uma vez que a otimização do processo não era o objetivo principal deste trabalho.
Com as considerações feitas, chegou-se ao seguinte sistema de equações:
Balanço material global
AJ
dt
dv
p
×−=
(5.4)
onde:
dt
dv
= variação do volume da solução no tanque com tempo (L. h
-1
);
J
p
= fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
);
A = área da membrana (m
2
).
Balanço material para o pseudo-componente
ACJ
dt
dm
slp
sl
××−= (5.5)
onde:
dt
dm
sl
= variação da massa de pseudo-componente com tempo (kg. h
-1
);
J
p
= fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
);
C
sl
= concentração de pseudo-componente (kg. L
-1
);
A = área da membrana (m
2
).
Balanço material para solução de pseudo-componente (água + pseudo-componente)
ACJ
dt
dm
ap
a
××−=
(5.6)
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 69
onde:
dt
dm
a
= variação da massa da solução com o tempo (kg. h
-1
);
J
p
= fluxo permeado (L. m
-2
h
-1
);
C
a
= concentração de água + pseudo-componente (kg. L
-1
);
A = área da membrana (m
2
).
O sistema de equações diferenciais ordinárias do modelo foi integrado utilizando-se o
método de Runge Kutta, obtendo-se o volume final, as massas do pseudo-componente e da
solução de pseudo-componente.
No cálculo de custo associado ao processo de UF e DF, foram usadas as equações a
seguir e a Equação 5.3 já mencionada anteriormente:
A Equação 5.7 apresenta o custo associado ao consumo de energia elétrica, G
1
:
preçoPtG
consumida
⋅
×
×=
1
(5.7)
onde:
t = tempo de operação (h);
P
consumida
= potência consumida (kW. h
1
);
preço = por unidade de energia elétrica (R$ 0,3096. kW. h
-1
).
A Equação 5.8 representa o custo da água adicionada na DF, G3:
PVG
OH
2
3
(5.8)
onde:
V
H2O
= Volume da água (L);
P = preço da água por unidade de volume (L).
A Equação 5.9 representa o custo associado ao processo de secagem do produto, G
4:
vaporOH
PmG
×
=
2
4
(5.9)
onde:
m
H2O
= massa de água evaporada (kg);
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 70
P
vapor
= custo da água evaporada (R$ 0,20. kg
-1
).
A Equação 5.10 representa o custo total do processo, G:
4321
GGGGG
+
+
+
=
(5.10)
onde:
G
1
= custo associado ao consumo de enérgia elétrica;
G
2
= custo associado ao tratamento de efluente gerado no processo;
G
3
= custo de água adicionado;
G
4
= custo associado ao processo de secagem do produto.
A Equação 5.11 apresenta o preço do produto final, P
f
:
)12100(
)12()8,13000(
−
⋅
⋅
⋅
×
=
proteínademássicampercentage
P
f
(5.11)
A Equação 5.12 representa a função objetivo a ser maximizada, F:
GPF
f
(5.12)
onde:
P
f
= preço final do produto;
G = custo total do processo.
Cabe salientar, ainda, que a função objetivo formulada não leva em consideração o
tempo de carregamento de água nem os custos relativos à manutenção dos equipamentos. Os
custos de instalação dos equipamentos e os custos de mão de obra não foram levados em
consideração, uma vez que o aumento do número de DFs não acarreta em modificações nestes
custos. Portanto o valor absoluto do lucro deve ser considerado com cautela, mas o fato
importante é que a otimização pode indicar o melhor valor de volume total e do número de
DFs, correspondente ao maior lucro.
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 71
A otimização foi realizada em relação às duas variáveis do processo que são: o volume
total de água utilizado e o número de DFs. O programa computacional realiza uma otimização
monovariável em relação ao volume de água utilizado para cada número de DFs. O número
de DFs analisado foi de 1 a 20.
Na Figura 5.1, é apresentado o valor da função objetivo usando volume ótimo de água
para cada número de DFs.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
710
715
720
725
numero de DF
valor da função objetovo em R$
Figura 5.1: Curva de otimização para 30 L de soro.
Observa-se nesta figura, que o valor da função objetivo que representa a diferença
entre o preço do produto e o custo, denominado doravante de lucro, é significativo e o lucro
aumenta em função do número de DFs de forma assintótica. Teoricamente o número infinito
de DFs maximiza o lucro. Contudo esta visão é parcial, uma vez que este é o lucro obtido no
processamento de uma quantidade fixa de soro bruto. Para analisar o tempo de processamento
é importante observar na próxima figura.
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 72
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
8
10
12
14
16
18
20
22
numero de DF
tempo gasto na DF em horas
Figura 5.2: Tempo total do processo de purificação com DF em função do número de DFs.
Na Figura 5.2 pode-se observar que o tempo de processamento se reduz a menos da
metade quando se usa cerca de 5 DFs quando comparado a uma única DF e que o aumento do
número de DFs além deste número já não traz uma redução significativa de tempo. Se forem
usadas 5 DFs, pode-se processar mais do que o dobro da quantidade de soro que seria
processada com um única DF, aumentando ainda mais o lucro. Esta redução mais sensível no
tempo de processamento se deve à redução do volume total de água necessário para alcançar o
ponto ótimo, como pode ser observado na Figura 5.3. Observa-se nesta figura que de 1 DF a 4
ou 5 DFs ocorre sensível redução do volume total ótimo de água. Embora se utilize uma
quantidade menor de água com maior número de DFs, o produto final é mais puro, conforme
pode ser observado na próxima figura.
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 73
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
30
40
50
60
70
80
90
numero de DF
volume de água utilizado na DF em L
Figura 5.3: Volume ótimo de água em função do número de DFs.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
numero de DF
fração mássica de proteína no produto seco
Figura 5.4: Fração mássica de proteína no produto obtido com volume ótimo de água.
Na Figura 5.4 mostra que o valor máximo de fração mássica tende para 0,99 e não
para 1. Isto é provavelmente devido à equação que determina o valor do produto final, que
varia linearmente com o teor de proteína. Acima de 5 DFs, a redução no volume de água já
não é tão significativa. À medida que o número de DFs aumenta, reduz-se o volume total de
água e isto faz com que o processo de purificação se realize com a concentração cada vez
mais elevada de proteína no sistema, como pode ser observado nas seguintes figuras.
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 74
0 2 4 6 8 10 12
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
tempo de DF em horas
concentração de proteína em kg/L
Figura 5.5: Concentração de proteína no sistema em função do tempo para 4 DFs.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
tempo de DF em horas
concentração de proteína em kg/L
Figura 5.6: Concentração de proteína no sistema em função do tempo com 10 DFs.
Na Figura 5.5, a concentração mínima alcançada, logo após a adição de água está em
torno de 0,014 kg. L
-1
ao passo que a mesma concentração na Figura 5.6 está em torno de
0,025 kg. L
-1
. Além disso, a freqüência com que a concentração máxima é alcançada é maior,
quanto maior o número de DFs, o que permite mostrar que quanto maior o número de DFs,
maior é a concentração média de proteína no sistema, logo, no limite, quando o número de
DFs tender para infinito, a concentração seria constante e igual à concentração máxima.
Salienta-se que o modelo não inclui a penalização necessária devida a este fato, pois, sabe-se
5.1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PURIFICAÇÃO 75
que a membrana pode sofrer problemas sérios de fouling quando se trabalha constantemente
com elevada concentração de proteína, exigindo uma freqüência maior de limpeza que
diminui a vida útil da membrana, segundo Muller et al. (1999), Foley e Garcia (2000) e Cross
(2002).
Em função do exposto, acredita-se que o número ótimo de DFs deva estar em torno de
4 ou 5.
Capítulo 6
Conclusões e Sugestões
As conclusões deste trabalho e sugestões para o desenvolvimento de trabalhos futuros
são apresentadas neste capítulo.
6.1 Conclusões
As seguintes conclusões podem ser tiradas de acordo com os resultados deste trabalho:
a membrana de UF com MMC de 10 kDa apresentou uma retenção total para
proteína do soro de queijo;
houve um aumento significativo da concentração de proteínas inicial de ( 9 g. L
-1
)
para a concentração final de (40 g. L
-1
);
o teor de impurezas (sais e lactose) em base seca passou de 87 % para 37 %, após
o uso das DFs;
o fator de concentração máximo foi de 5, contudo o fluxo permeado não
apresentou uma queda brusca o que permite supor que um FC superior possa ser
alcançado;
este processo é adequado para obtenção de concentrado protéico purificado de
acordo com a exigência da aplicação;
um programa computacional capaz de descrever o número de DFs e o volume de
água no processo de purificação usando DFs foi obtido, o programa permite
avaliar o número de DFs e a quantidade de água necessária para efetuar DFs com
maximização do lucro.
6.2 SUGESTÕES 77
6.2 Sugestões
Para a continuidade deste trabalho algumas questões foram levantadas durante o seu
desenvolvimento e sugerem-se o desenvolvimento dos seguintes estudos:
Estudo do aproveitamento do permeado resultante do processo de UF;
Estudo do fracionamento das proteínas do soro por ED;
Estudo da viabilidade econômica de uma planta processadora de concentrado do
soro de queijo por UF;
Estudo comparativo da concentração das proteínas do soro de queijo em
membranas cerâmicas e poliméricas;
Determinação da formação de fouling e polarização por concentração durante a
concentração das proteínas do soro;
Estudo da influência da viscosidade no fluxo permeado;
Realização das análises microbiológicas nas amostras de concentrado e permeado
da UF e das DFs.
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Apêndice A - Dados Experimentais
Tabela A.1: Experimento 1, dados da determinação de proteínas.
Concentração de proteínas
(%)
Concentração de proteínas
(%)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 0,88 -
1' 0,93 -
2 1,04 -
2' 1,05 -
3 1,14 -
3' 1,14 -
4 1,46 -
4' 1,42 -
5 1,80 -
5' 1,86 -
6 2,53 -
6' 2,57 -
7 3,94 -
7' 4,06 -
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 1,80 -
1' 1,82 -
2 2,43 -
2' 2,41 -
3 3,62 -
3' 3,58 -
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 1,73 -
1' 1,77 -
2 2,30 -
2' 2,33 -
3 2,98 -
3' 3,12 -
4 3,96 -
4' 3,98 -
DADOS EXPERIMENTAIS 87
Tabela A.2: Experimento 1, dados da determinação dos sólidos totais.
Sólidos Totais (%) Sólidos Totais (%)
Amostra UF Concentrado Permeado
1 6,02 5,1
1' 6,02 5,0
2 6,42 5,2
2' 6,43 5,2
3 7,01 5,3
3' 7,02 5,4
4 8,40 5,7
4' 8,01 5,6
5 8,81 5,5
5' 9,32 5,4
6 11,0 6,4
6' 10,0 6,4
7 14,7 6,7
7' 14,8 6,8
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 5,4 2,5
1' 5,8 2,6
2 6,8 2,8
2' 6,7 2,8
3 8,7 3,0
3' 8,3 3,0
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 3,8 1,2
1' 4,1 1,2
2 4,5 1,2
2' 4,6 1,2
3 6,5 1,3
3' 7,0 1,3
4 12,5 1,5
4' 13,0 1,7
DADOS EXPERIMENTAIS 88
Tabela A.3: Experimento 1, dados da determinação da lactose.
Concentração de lactose
(g. L
-1
)
Concentração de lactose
(g. L
-1
)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 47 40
1' 46 39
2 45 44
2' 49 43
3 47 27
3' 50 28
4 48 32
4' 49 31
5 55 37
5' 51 35
6 52 45
6' 51 45
7 54 31
7' 50 29
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 25 19
1' 23 17
2 25 22
2' 26 22
3 25 20
3' 26 20
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 11 10
1' 12 10
2 23 9
2' 23 9
3 12 9
3' 12 9
4 14 10
4' 12 10
DADOS EXPERIMENTAIS 89
Tabela A.4: Experimento 1, dados da determinação da condutividade elétrica.
Condutividade elétrica
(m.S cm
-2
)
Condutividade elétrica
(m.S cm
-2
)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 6,18 6,12
2 6,22 6,25
3 6,28 6,26
4 6,33 6,29
5 6,31 6,37
6 6,34 6,47
7 6,13 6,64
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 3,45 3,29
2 3,54 3,37
3 3,62 3,48
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 1,89 1,64
2 1,96 1,71
3 2,12 1,79
4 2,17 1,82
Tabela A.5: Experimento 1, dados da determinação do pH.
pH pH
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 6,36 6,40
2 6,37 6,39
3 6,38 6,39
4 6,39 6,38
5 6,39 6,38
6 6,38 6,39
7 6,38 6,38
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 6,45 6,45
2 6,46 6,45
3 6,46 6,46
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 6,52 6,51
2 6,52 6,53
3 6,51 6,52
4 6,41 6,51
DADOS EXPERIMENTAIS 90
Tabela A.6: Experimento 2, dados da determinação de proteínas.
Concentração de proteínas
(%)
Concentração de proteínas
(%)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 0,84 -
1' 0,83 -
2 0,90 -
2' 0,92 -
3 1,16 -
3' 1,17 -
4 1,51 -
4' 1,51 -
5 2,05 -
5' 2,06 -
6 3,27 -
6' 3,27 -
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 1,95 -
1' 1,96 -
2 2,12 -
2' 2,14 -
3 3,45 -
3' 3,44 -
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 1,66 -
1' 1,66 -
2 2,28 -
2' 2,30 -
3 3,38 -
3' 3,37 -
DADOS EXPERIMENTAIS 91
Tabela A.7: Experimento 2, dados da determinação dos sólidos totais.
Sólidos Totais (%) Sólidos Totais (%)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 6,5 5,0
1' 6,5 5,0
2 7,0 4,9
2' 7,0 5,0
3 7,2 5,0
3' 7,5 5,1
4 7,9 5,2
4' 8,0 5,2
5 8,7 5,4
5' 9,1 5,4
6 10,0 5,6
6' 10,5 5,6
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 5,1 2,7
1' 5,1 2,7
2 6,1 2,8
2' 6,1 2,8
3 7,8 2,9
3' 7,8 2,9
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 3,7 1,3
1' 4,1 1,3
2 4,5 1,5
2' 4,5 1,4
3 6,1 1,4
3' 6,1 1,4
% em base úmida
DADOS EXPERIMENTAIS 92
Tabela A.8: Experimento 2, dados da determinação da lactose.
Concentração de lactose
(g. L
-1
)
Concentração de lactose
(g. L
-1
)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 45 52
1' 47 54
2 49 55
2' 47 56
3 43 55
3' 42 53
4 54 51
4' 55 52
5 55 57
5' 58 57
6 60 50
6' 56 49
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 33 24
1' 33 25
2 28 25
2' 30 26
3 49 26
3' 49 26
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 26 13
1' 27 13
2 14 10
2' 14 12
3 16 19
3' 14 20
DADOS EXPERIMENTAIS 93
Tabela A.9: Experimento 2, dados da determinação da condutividade elétrica.
Condutividade elétrica
(m.S cm
-2
)
Condutividade elétrica
(m.S cm
-2
)
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 5,76 5,68
2 5,87 5,95
3 5,88 5,95
4 5,91 6,01
5 5,93 6,04
6 5,72 6,11
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 3,48 3,32
2 3,56 3,44
3 3,52 3,53
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 2,04 1,83
2 2,12 1,92
3 2,25 2,01
Tabela A.10: Experimento 2, dados da determinação do pH.
pH pH
Amostra da UF Concentrado Permeado
1 6,53 6,51
2 6,54 6,52
3 6,53 6,51
4 6,54 6,52
5 6,55 6,51
6 6,56 6,51
Amostra da 1° DF Concentrado Permeado
1 6,60 6,61
2 6,60 6,61
3 6,60 6,61
Amostra da 2° DF Concentrado Permeado
1 6,72 6,71
2 6,73 6,72
3 6,74 6,71
DADOS EXPERIMENTAIS 94
Curva de calibração do HPLC
As Figuras A1 e A2 apresentam as diferentes concentrações de lactose em função da
área e do tempo de retenção respectivamente em milivolt (mV). No método de HPLC a área
sob a curva representa a quantidade de lactose presente na amostra. Obteve-se um desvio
padrão de 0,999 na curva de calibração o que mostra a precisão do método, sendo construída
com lactose de pureza 95%. O tempo de retenção é o mínimo necessário para que ocorra o
surgimento do pico. O maior pico representa a solução de acetonitrila de 75% sendo esta a
fase móvel e as posteriores curvas representam a lactose em diferentes concentrações onde o
tempo de retenção nessas curvas padrão é de aproximadamente 6 min na vazão de
alimentação 1,5 mL. min
-1
e na temperatura de 45°C. A curva C
6,0
corresponde à curva de
maior concentração, ou seja, 6 g. L
-1
de lactose seguindo para as curvas de menor
concentração, como a de 0,1 g. L
-1
de lactose. A análise de concentração de lactose tanto nas
amostras de concentrado e de permeado da UF como nas DFs mostraram que seus resultados
ficaram nesse intervalo de tempo entre 5,5 a 6,4 min.
R
2
= 0,999462
y= (10166,664484) + (212802,593961).x
1503892
1003892
503892
3892
46820
Concentração de lactose (g. L
-1
)
Área (μV.s)
R
2
= 0,999462
y= (10166,664484) + (212802,593961).x
1503892
1003892
503892
3892
46820
Concentração de lactose (g. L
-1
)
Área (μV.s)
Figura A.1: Curva de calibração do HPLC com as concentrações de lactose.
DADOS EXPERIMENTAIS 95
C
0,1
C
1,0
C
0,5
C
3,0
C
2,0
C
4,0
C
6,0
C
5,0
Tempo de retenção (min)
mV
C
0,1
C
1,0
C
0,5
C
3,0
C
2,0
C
4,0
C
6,0
C
5,0
Tempo de retenção (min)
mV
Figura A.2: Curva padrão do método HPLC com as respectivas concentrações.
Apêndice B - Resultados da Otimização para o
processo de purificação das proteínas do soro de
queijo
function dery=dyUF(t,y)
global par
global yUF
% parâmetros da equação de fluxo permeado
%y(1) = volume da solução em (L)
%y(2) = massa da solução sem proteína em (kg)
%y(3) = massa de lactose+sais+outros em (kg)
% vetor de constantes
%par(1) = areaS
%par(2) = mprot
% parâmetros da equação de fluxo permeado
a=14.167;
b=-.0218;
cprot = par(2)/y(1);
csol = y(2)/y(3);
%Jp = 14.165 * exp(-.0178*Cp); para diafiltração
%Jp = 14.167 * exp(-.0218*Cp); para ultrafiltração
J = a*exp(b*cprot);
dery(1) = -J*par(1);
dery(2) = -J*par(1)*csol;
dery(3) = -J*par(1)*y(3)/y(1);
dery=dery';
function dery=dyDF(t,y)
global par
global yUF
% parâmetros da equação de fluxo permeado
%y(1) = volume da solução em (L)
%y(2) = massa da solução sem proteína em (kg)
%y(3) = massa de lactose+sais+outros em (kg)
% vetor de constantes
%par(1) = areaS
%par(2) = mprot
% parâmetros da equação de fluxo permeado
a=14.165;
b=-.0178;
cprot = par(2)/y(1);
csol = y(2)/y(3);
J = a*exp(b*cprot);
dery(1) = -J*par(1);
APÊNDICE B - RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO PARA O PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DAS
PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO
97
dery(2) = -J*par(1)*csol;
dery(3) = -J*par(1)*y(3)/y(1);
dery=dery';
function vobj=diafiltra(x)
global par
global yUF
% condição inicial
%yUF(1) = volume da solução concentrada resultante da UF em (L)
%yUF(2) = massa da solução sem proteína no concentrado resultante da UF em
(kg)
%yUF(3) = massa de lactose+sais+outros no concentrado resultante da UF em
(kg)
% vetor de constantes
%par(1) = areaS;
%par(2) = mprot;
%par(3) = vfinal;
%par(4) = ndia;
%par(5) = mlacsal0;
%par(6) = vol0;
%parâmetos para função objetivo
convDQO = 1.121;% fator de conversão (1 kg/L de lactose) --
>(1.121kg_O2/L)limDQO = 5e-5;%DQO limite acima do qual encarece o
tratamento em (g/m3)
prekW = 0.3096; % preço em R$ por 1kW*h
potencia =1.49;% potência da bomba em kW
pretrat = 45e-2; % preço do tratamento de efluente (R$0,45 por
m3)equivalendo ao valor em R$ por m3
limDQO = 0.05;%valor de DQO acima do qual o tratamento de efluente se torna
mais caro (kg/m3)
v1=x/par(4);
vfinal =par(3);
ndia = par(4);
% Preparação para início do loop
dtempo = 0.01; % incremento de tempo em horas
tempo0 = 0; % tempo inicial
ymin = 10000; % valor usado na partida do loop
matsoma = [];% matriz do resultado da integração
tsoma = [];% vetor tempo
y0(1) = yUF(1)+v1;
y0(2) = yUF(2)+v1;
y0(3) = yUF(3);
for j=1:ndia
while ymin > vfinal
tempo1 = tempo0+dtempo;
tspan = [tempo0, tempo1];
[tempo,y]=ode15s('dyDF',tspan,y0);
matsoma=[matsoma;y];
tsoma = [tsoma;tempo];
ymin = y(end,1);
tempo0 = tempo1;
y0 = y(end,:);
end
yfin = y0;
APÊNDICE B - RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO PARA O PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DAS
PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO
98
y0(1) = yfin(1)+v1;
y0(2) = yfin(2)+v1;
y0(3) = yfin(3);
ymin = y0(1);
end
volfim = matsoma(end,1);% volume final do concentrado (deve ser 6L)
lacsalfim = matsoma(end,3); % massa de lactose mais sais no concentrado
final
tempofin=tsoma(end);% tempo total de operação de DF
msolfim= matsoma(end,3);% massa de solução sem proteina final no
concentrado
Veflu = (par(6)+x-volfim)/1000; % volume total do efluente gerado na DF em
(m3)
lacsaleflu = par(5)-lacsalfim; % massa de lactose mais sais no efluente em
(kg)
clseflu = lacsaleflu/Veflu; % concentração de lactose e sais no efluente em
(kg/m3)
%verificar
%yUF(1) = volume da solução concentrada resultante da UF em (L)
%yUF(2) = massa da solução sem proteína no concentrado resultante da UF em
(kg)
%yUF(3) = massa de lactose+sais+outros no concentrado resultante da UF em
(kg)
DQO1 = clseflu*convDQO;% DQO provocado por lactose e sais no efluente
EXDQO = 10*Veflu*(DQO1-limDQO); % parte do DQO que encarece o tratamento de
efluente em (g/m3)
G1 = tempofin*potencia*prekW;% Gasto com bomba em R$
G2a = Veflu*pretrat;
G2b = EXDQO*pretrat;
G2 = G2a+G2b; % gasto com tratamento de efluente em R$
G3 = x/1000*2;% custo da água considerando R$2,00 por m3
G4 = 0.2*(matsoma(end,2)-matsoma(end,3))%custo com a secagem do produto
final
xprot = par(2)/(par(2)+msolfim);% fração mássica de proteína no concentrado
final
P = (par(2)+matsoma(end,3))*(34*xprot*100-408); %preço em R$ da proteína en
função da
% fração mássica de
proteína na solução
vobj = G1+G2+G3+G4-P ;% valor da função objetivo
xx=x
fobj=vobj
result = []
for ndia = 1:20
clear functions;clear all
% Este programa efetua oimização do processo de concentração da proteína do
soro de
% queijo mussarela e a purificação do concentrado utilizando processos com
membranas
% de ultrafiltração
global par
APÊNDICE B - RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO PARA O PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DAS
PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO
99
global yUF
%ndia=input('Entre com o número de diafiltrações:');
%x2 = input('Entre com o volume máximo de água usada na DF em L :');
% dados início
x2 = 100;
areaS = 0.3;% área efetiva da membrana em (m2)
vol0 = 30; % volume inicial da solução de soro em (L)
mpo = 2.057; % massa do soro em pó em (kg)
mag = 29.4; % massa de água no soro reconstituído em (kg)
xp0 = 0.12; % fração mássica de proteína no soro em pó
xlacsal = 0.88; % fração mássica de lactose + sais minerais e outros
vfinal = 6; % volume final do processo em (L)
% dados final
% cálculo das massas
mprot = mpo*xp0;% massa de proteína no soro em (kg)
msol0 = mpo-mprot+mag; % massa inicial da solução excluída de proteína em
(kg)
mlacsal0 = mpo*xlacsal; % massa inicial de lactose+sais+outros
% condição inicial da ultrafiltração
y0(1) = vol0; %volume da solução (aproximadamente o volume de água)em (L)
y0(2) = msol0; % massa da solução sem proteína em (kg)
y0(3) = mlacsal0; % massa de lactose+sais+outros em (kg)
% vetor de constantes
par(1) = areaS;
par(2) = mprot;
par(3) = vfinal;
par(4) = ndia;
par(5) = mlacsal0;
par(6) = vol0;
% Cálculo da ultrafiltração
dtempo = 0.01; % incremento de tempo em horas
tempo0 = 0; % tempo inicial
ymin = 10000;
matsomaU = [];
tsomaU = [];
while ymin > vfinal
tempo1 = tempo0+dtempo;
tspan = [tempo0, tempo1];
[tempo,y]=ode15s('dyUF',tspan,y0);
matsomaU=[matsomaU;y];
tsomaU = [tsomaU;tempo];
ymin = y(end,1);
tempo0 = tempo1;
y0 = y(end,:);
end
tempoini=tsomaU(1);
tempofin=tsomaU(end);
% Término do cálculo de UF
%Início da otimização
yUF = y(end,:);
x1=1;
[volop,fval] = fminbnd('diafiltra',x1,x2)
% volop = volume total de água a ser utilizado na DF otimizado
APÊNDICE B - RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO PARA O PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DAS
PROTEÍNAS DO SORO DE QUEIJO
100
% Início do cálculo de DF com volume otimizado
v1=volop/par(4);
vfinal =par(3);
ndia = par(4)
% Preparação para início do loop
dtempo = 0.01; % incremento de tempo em horas
tempo0 = 0; % tempo inicial
ymin = 10000; % valor usado na partida do loop
matsoma = [];% matriz do resultado da integração
tsoma = [];% vetor tempo
y0(1) = yUF(1)+v1;
y0(2) = yUF(2)+v1;
y0(3) = yUF(3);
for j=1:ndia
while ymin > vfinal
tempo1 = tempo0+dtempo;
tspan = [tempo0, tempo1];
[tempo,y]=ode15s('dyDF',tspan,y0);
matsoma=[matsoma;y];
tsoma = [tsoma;tempo];
ymin = y(end,1);
tempo0 = tempo1;
y0 = y(end,:);
end
yfin = y0;
y0(1) = yfin(1)+v1;
y0(2) = yfin(2)+v1;
y0(3) = yfin(3);
ymin = y0(1);
end
tempotot=tsoma(end)
conc=par(2)./matsoma(:,1);
fraprot=par(2)/(matsoma(end,3)+par(2))
cls = matsoma(:,3)./matsoma(:,1);
% Fim do cálculo de DF com volume otimizado
plot(tsomaU, matsomaU(:,1))
xlabel('tempo de UF')
ylabel('volume da solução sem proteína na UF')
figure
plot(tsoma, matsoma(:,1))
xlabel('tempo de DF')
ylabel('volume da solução sem proteína na DF')
figure
plot(tsoma, cls)
xlabel('tempo de DF')
ylabel('conc de lactose e sais na DF')
figure
plot(tsoma, conc)
xlabel('tempo de DF')
ylabel('concentração de proteína')
Anexo A - Metodologia Analítica
Este anexo apresenta o método analítico adotado neste trabalho. Foram determinadas a
concentração de proteínas e a concentração de sólidos totais nas amostras de concentrado e
permeado da UF e DFs.
Metodologia do extrato seco total (método gravimétrico –
LANARA, 1981)
Princípio
O princípio deste método é a determinação do material obtido após a evaporação da
água da amostra analisada.
Determinação
A determinação gravimétrica do extrato seco total das amostras iniciou-se cobrindo as
cápsulas de fundo chato com 10 g de areia tratada. As cápsulas foram levadas a estufa a uma
temperatura de 105°C permanecendo por uma hora. Após foram levadas a um dessecador
num período de 45 minutos e se fez a pesagem. Cada cápsula recebeu 10 mL de amostra
distribuída na camada de areia formada. A amostra foi então levada ao banho-maria por 30 a
45 min e seca em estufa a 85°C por 2 horas. Esfriar em dessecador e pesar. As operações de
secagem, resfriamento e pesagem foram repetidas até a obtenção de peso constante.
Material:
• cápsula de fundo chato de porcelana (7 cm de diâmetro e 2,5 cm de altura);
• areia tratada;
• dessecador com sílica gel ou cloreto de cálcio;
• pipeta volumétrica de 10 mL;
• banho-maria;
• estufa a 85°C.
ANEXO A - METODOLOGIA ANALÍTICA 102
Cálculo do extrato seco total
V
xP
Extrato
100
% =
onde:
P = peso do extrato seco em gramas;
V = mL de amostra.
Metodologia do teor de proteína bruta (método Kjeldahl –
A.O.A.C, 1984 modificado por ICTA - UFRGS)
Princípio
O princípio deste método é a determinação da matéria nitrogenada total de uma
amostra, aplicando-se a qualquer tipo de alimento.
Determinação
A determinação da proteína total presente na amostra é realizada por três etapas:
digestão, destilação e titulação.
1°) Digestão da amostra:
• pipetar 1 mL de amostra colocando no tubo digestor;
• adicionar 2,5 g de sulfato de sódio;
• veter de 12 a 14 mL da solução sulfo-cúprica;
• ligar trompa d’água do digestor;
• colocar os tubos no aparelho digestor e tampar com os cabeçotes;
• deixar digerindo por 50 min a 420°C;
• retirar os tubos do digestor e deixar esfriar.
2°) Destilação da amostra:
ANEXO A - METODOLOGIA ANALÍTICA 103
• verter cerca de 12 a 14 mL de ácido bórico a 4% em erlenmeyer de 250 mL;
• adicionar 40 mL de água destilada;
• colocar 3 gotas de indicador Taschiro no erlenmeyer de destilação;
• abrir a água do condensador;
• conectar o erlenmeyer ao destilador de modo que a ponteira fique submersa no
liquido;
3°) Titulação da amostra:
• titular a solução destilada através de bureta com acido sulfúrico 0,1 N de concentração
exatamente conhecida, até a virada de cor (verde para roxo);
• anotar o volume de acido sulfúrico gasto para que ocorra esta mudança.
Material:
• aparelho de destilação com retentor de amônia;
• aparelho de titulação semi-automático;
• balança analítica (precisão 0,0001g);
• balões Kjeldahl 500 mL (para destilação);
• digestor de proteína (Tekator) a 420°C;
• tubos para digestão (semi-micro marca Tekator);
• vidraria comum de laboratório.
Reagentes e soluções:
• carbonato de sódio P.A.;
• hidróxido de sódio a 40%;
• sulfato de sódio P.A;
• indicador Taschiro: dissolver separadamente 0,1251g de vermelho de metila e 0,0825
g de azul de metileno em 30 mL de álcool etílico. Veter para balão volumétrico de 100
ANEXO A - METODOLOGIA ANALÍTICA 104
mL e completar o volume com álcool etílico. Filtrar com filtro comum pregueado para
frasco âmbar;
• solução de ácido bórico a 4%;
• solução de ácido sulfúrico 0,1 N: misturar 16 mL de ácido sulfúrico em 4 L de água
destilada.
Padronização: colocar em cadinho de vidro 2 g de carbonato de sódio secar a 280°C por 1
hora (deixar atingir a temperatura antes de colocar o cadinho). Passar para um pesa-filtro,
pesar por diferença 0,19-0,24 g de carbonato de sódio em erlenmeyer de 250 mL.
Adicionar 50 mL de água destilada recentemente fervida e resfriada, usando como
indicador 5 gotas de Tashiro. Titular com ácido sulfúrico até a viragem de cor roxa,
aquecer a erlenmeyer até a fervura, para eliminar o CO
2
(passa para verde). Esfriar e
prosseguir a titulação até a cor levemente roxa.
Cálculo do fator de correção:
3002,5
1000
.
Vx
xP
CF =
onde:
P = peso de carbonato de sódio;
V = volume em mL de ácido sulfúrico usados na titulação.
• solução saturada de sulfato de cobre a 60%: dissolver 19,5 g de sulfato cúprico em 30
mL de água destilada. Deixar sob agitação a 40°C por 2 h;
• solução sulfo-cúprica: 2g de selenito de sódio em 1000 mL de ácido sulfúrico
concentrado, de baixo teor de nitrogênio. Acrescentar, sob agitação constante, 4
porções de 5 mL (perigo de explosão) de solução saturada de sulfato de cobre. Deixar
em repouso alguns dias. O excesso de sulfato de cobre depositado é desprezado por
decantação ou filtração.
Cálculo do teor de proteína
1 mL de ácido sulfúrico a 0,1 N = 0,0014g de N
2
ANEXO A - METODOLOGIA ANALÍTICA 105
Relacionar para 100g de amostra e multiplicar pelo fator de correção apropriado do
tipo de alimento.
P
KxVxFator
oteína =Pr%
onde:
K = FC x 0,0014 x 100;
P = volume da amostra;
FC = fator de correção da solução de ácido sulfúrico 0,1 N;
V = volume da solução de ácido sulfúrico 0,1 N gasto na titulação;
Fator = fator de conversão nitrogênio para proteína.
Para amostra líquida multiplicar o resultado final por 10.
Este fator varia conforme for o alimento:
Leite e produtos lácteos = 6,38
Trigo e produtos tritícolas = 5,70
Gelatina = 5,55
Ovos= 6,68
Arroz = 5,95
Soja = 5,71
Cevada, aveia, centeio = 5,83
Nozes = 5,46
Carnes em geral e alimentos com mistura de proteína animal e vegetal = 6,25.
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