Sistemas de Fermentação para Alimentos e Ingredientes Alimentícios
Visão geral
Produtores de alimentos a granel e ingredientes alimentícios como aminoácidos, ácidos orgânicos e vitaminas utilizam a fermentação como base da sua produção. Os processos de biotecnologia modernos utilizam culturas de células microbianas purificadas que são cuidadosamente selecionadas para produzir uma variedade cada vez maior de ingredientes visando aumentar a produtividade.
Durante a fermentação, os microrganismos se multiplicam nos biorreatores industriais, utillizando uma fonte de carboidrato para obter energia. O curso do crescimento microbiano progride sob condições bem controladas de aeração, taxa de agitação, temperatura, pH e outros parâmetros. A fermentação pode durar desde algumas horas até diversos dias. Os produtos metabólicos finais produzidos por microrganismos são a base de muitos ingredientes utilizados hoje em dia.
Após a fermentação, seguem-se etapas importantes de extração e purificação dos metabólitos de interesse da massa celular. A primeira etapa é a clarificação do caldo de fermentação para remover células gastas e outros sólidos suspensos do conteúdo do fermentador. A clarificação do caldo principal é realizada por diversos métodos que vão de centrifugação à filtração. Fabricantes de ingredientes da atualidade buscam soluções de clarificação mais econômicas, que forneçam a mais alta qualidade de produto e rendimento máximo, garantindo a segurança do processo e minimizando a quantidade de resíduos.
O desafio
Um grande produtor de aditivos alimentícios e vitaminas precisava de tecnologia para fabricar uma variedade de produtos em um sistema fechado. Devido às mudanças nas condições do mercado, esse produtor desejava um grau de flexibilidade na operação adequado ao tipo de produto específico sendo fabricado. O caldo de fermentação continha, em média, de 20 a 25% de sólidos, uma carga relativamente alta. As características variáveis da corrente de alimentação e as condições de produção exigiam flexibilidade adicional do sistema.
Era necessária a máxima eficiência na separação dos componentes desejados do caldo de fermentação para obtenção de um produto padrão de alta qualidade. A tecnologia de clarificação escolhida precisava alcançar Fatores de concentração volumétrica (VCF) muito altos a fim de maximizar a produção. O sistema escolhido precisava ser automatizado, confiável, simples de operar e o mais robusto possível contra falhas de energia e interrupções no processo.
A solução
A Tecnologia crossflow de Membrana Cerâmica Membralox® foi escolhida para essa nova instalação de última geração por sua capacidade de fornecer de modo confiável a mais alta qualidade de filtrado independente das características do caldo. Ao contrário da centrifugação, onde o tamanho e a densidade das células, bem como a viscosidade do fluido influenciam a eficiência da separação, a separação por membrana oferece uma barreira física absoluta que sempre oferecerá excelente separação.
Além disso, a tecnologia cerâmica ofereceu uma solução que poderia operar sem incorrer no armazenamento, manuseio e desperdício típicos da tecnologia de pré-revestimento baseada em auxiliares filtrantes. Uma vantagem adicional dessa solução é a capacidade de usar posteriormente a corrente de retentado do produto, por exemplo, secando-o para uso como ração animal.
Membranas com canais de grande diâmetro foram selecionadas para lidar com alta quantidade de sólidos na alimentação. Isso resultou no mais alto possível Fator de concentração volumétrica (VCF) e uma concentração de retentado superior a 45%. Para maximizar ainda mais a recuperação, foi utilizada diafiltração que resultou em um aumento adicional no rendimento de mais de 25%. O teste piloto inicial realizado em um sistema de pequena escala determinou o tamanho adequado dos poros da membrana e os parâmetros do processo para aumento da escala. Durante essa primeira fase, o pessoal dos Serviços Científicos e Laboratoriais da Pall® (SLS) colaborou com o cliente para otimizar os parâmetros do processo e oferecer suporte técnico detalhado. Mesmo depois do comissionamento do sistema, a unidade piloto continua a ser utilizada para teste de novas cepas de bactérias e de novas técnicas de fermentação, o que tem permitido o desenvolvimento e a melhoria contínua de novos produtos.
Com base em resultados de teste piloto bem sucedidos, a Pall ofereceu mais de 2.200 m² de área de membrana de ultrafiltração em design de módulo HCB. A linha de módulos Membralox HCB, com sua forma hexagonal única, é capaz de obter uma densidade de empacotamento de membrana extremamente alta, acima de 285 m²/m³, o que reduz significativamente os custos do sistema de filtração.
Três sistemas foram encomendados ao longo de três fases distintas para atender aos requisitos de capacidade de produção em crescimento contínuo dessa planta. Os sistemas foram projetados para fornecer máxima flexibilidade, alto rendimento e controle simples do processo. O processo é baseado em um conceito de feed batch com diafiltração em volume constante. Esse conceito permite alto fluxo médio, baixa área de superfície de membrana e diafiltração de alta eficiência. Os operadores podem modificar os pontos de ajuste como Fator de concentração volumétrica (VCF), fluxo, taxa de diafiltração para acomodar a qualidade de alimentação variável e a produção volumétrica que variam periodicamente. Circuitos simples também podem ser operados independentes uns dos outros em caso de problemas mecânicos, de modo que a produção ainda possa prosseguir de forma limitada. Os módulos de filtração Membralox consistem em elementos de membrana cerâmica porosa, vedados em carcaças de aço inoxidável com gaxetas poliméricas. As principais características incluem:
- Tamanhos de canal de alimentação ID de 3, 4 e 6 mm disponíveis em diversas configurações de módulo para lidar com uma ampla gama de fluxos de alimentação e permitir a configuração ideal do sistema. Elementos extremamente robustos usando uma estrutura de suporte de alfa-alumina ultrapura, com tamanho de poro de 12 µm e porosidade de 30%, levando a uma ampla compatibilidade química, alto fluxo e adequação para operação contínua em alta temperatura
- Vários tamanhos de poros de membranas para microfiltração e ultrafiltração
Na filtração tangencial, a corrente de alimentação se move paralelamente à superfície de filtração da membrana e o líquido purificado passa pela membrana. O fluxo paralelo da corrente de alimentação, combinado com a turbulência da camada limite criada pela velocidade de crossflow, varre continuamente as partículas e outras substâncias que, de outra forma, se acumulariam na superfície da membrana. Como resultado, os filtros tangenciais mantêm rotineiramente taxas de permeado mais altas por mais tempo do que os filtros convencionais dead-end. A tecnologia crossflow oferece a solução ideal para lidar com aplicações de alta carga de sólidos.
Os benefícios
Esse fabricante precisava de um sistema flexível e econômico, capaz de atingir uma alta qualidade no permeado e com operação confiável do sistema. O sistema Membralox ofereceu o seguinte:
- Flexibilidade do processo devido à configuração do sistema em lotes.
- Alta recuperação de produto devido à alta capacidade de manuseio de sólidos e uso de diafiltração. Custo reduzido e maior eficiência do processamento a jusante devido à alta qualidade do filtrado em comparação às tecnologias de centrifugação e pré-capa
- Manutenção e desperdício de processo reduzidos devido à ausência de auxiliares filtrantes.
- Vida útil extremamente longa devido à estrutura do elemento cerâmico.
- Menor exposição do operador e proteção máxima do produto devido ao design totalmente fechado.
- Simplicidade, confiabilidade e segurança no processo devido à automação do sistema.
- Economia de espaço devido ao tamanho compacto do sistema.
Sobre a Pall Corporation
A Pall Corporation é a maior e mais diversa empresa de produtos para filtração, separação e purificação do mundo. A Pall atende os setores de alimentos e bebidas com tecnologia avançada de filtração por membrana e sistemas projetados para confiabilidade e economia. Nossos sistemas são fáceis de instalar, simples de usar e satisfazem uma ampla gama de requisitos de filtração. Nossa abordagem em Gerenciamento total de fluidos℠ oferece aos clientes soluções para atender às necessidades de todo o processo, abrangendo produtos de filtração, serviços e treinamento.