Ultrafiltration of cheese whey from fresh pre-mines treaty and microfiltered: effects of the flow volume and pressure in the transmembrane flow of permeate

Orientador : Luiz Antonio ViottoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: Estudos de pré-tratamentos do soro que melhorem a taxa de permeação em processos por membranas de ultrafiltração (UF) são importantes para a viabilização econômica da produção de concentrados protéicos de soro (CPS). Além disso, os pré-tratamentos também podem ser utilizados no melhoramento das propriedades funcionais das proteínas do soro. No entanto, este processo de concentração apresenta uma dificuldade natural durante a DF do soro conhecido como "fouling", ou entupimento das membranas, a qual constitui o ¿principal¿ problema do uso desta tecnología nas indústrias de laticínios; uma vez que causa uma alta redução no fluxo de permeado. O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito de pré-tratamentos do soro; microfiltração, ajuste de pH e tratamento térmico, bem como a influência dos parâmetros operacionais de vazão volumétrica e pressão transmembrana no fluxo do permeado durante a ultrafiltração. Amostras de alimentação, do retentado e do permeado das etapas de microfiltração e ultrafiltração foram tomadas para análise de composição química (conteúdo protéico, gordura, nitrogênio total e cinzas). O soro, obtido da produção de queijo Minas Frescal, foi submetido a dois tipos de pré-tratamentos; ajuste do pH 7,3 antes do tratamento térmico a 55°C por 15 minutos, seguido de microfiltração numa membrana cerâmica (alumina), com diâmetro médio de poro de 1,4 f..lm e área de permeação de 0,24 m2, em condições operacionais fixas de 4,3 m3 fh de vazão volumétrica, pressão transmembrana de 0,5 bar e temperatura operacional constante de 50°C. O permeado da microfiltração foi ultrafiltrado em uma membrana de polisulfona, tipo Fibra Oca da Koch Membrane, com massa molecular de corte de 10000 Da, área de permeação de 1,3 m2. A temperatura desta etapa foi fixada em 50°C, variandose a pressão transmembrana de 0,5 a 2 bar e a vazão volumétrica de 1,8 a 3,6m3fh até fator de concentração (FC) 15, resultando em concentrados protéicos de soro (CPS) com cerca de 70% de proteína total, em base seca. Foi possível verificar, através da análise estatística, QS efeitos significativos da pressão transmembrana e da vazão volumétrica sobre o fluxo de permeado nas faixas estudadas. O fluxo médio máximo de 53,77 kg/m2.h foi 9btido a uma vazão de 3,6 m3fh a 2 bar de pressão. O efeito das variáveis independentes não foi significativo no rendimento protéico que assumiu valores de 0,98 e 0,99, demonstrando que este valor é característico da interação entre a membrana e produto, e não depende dos parâmetros do processo. Foi possível verificar ainda que, com o aumento da vazão volumétrica e da alta pressão transmembrana nas faixas estudadas, houve um aumento da relação entre proteína e lactose (Pt/Lact) a FC 15 em relação à alimentação; sendo que a 3,6m3fh e pressão transmembrana de 2 bar, a relação Pt/Lact assumiu o mais alto valor (3610,89). O modelo de Kuo & Cheryan (1983) para as condições de pressão transmembrana de 0,7-2 bar, vazão volumétrica de 1,8-3,6 m3fh e a temperatura de 50° C apresentou melhor concordância com os dados experimentais do que o modelo de Wu et aI. (1991)Abstract: Pre-treatments of whey to improve the permeate flux in ultra filtration (UF) membrane processes are important for economic viability of whey protein concentrate (WPC) production. Moreover, pre-treatments can also be used to improve functional properties of whey proteins. Nevertheless, membrane fouling is the main technological problem concerned to dairy industries due to the permeate flux reduction during UF processo The goal of this work was to study the influence of pre-treatments like micro filtration (MF), pH adjustment and heat treatment, as well as operational parameters like volumetric flow and transmembrane pressure on ultra filtration permeate fluxo Samples of feed, retentate and permeate at CF 11,5 and 15 were analyzed for chemical composition (protein content, lipids, total nitrogen and ash), on MF and UF steeps, respectively. Sweet whey from Minas Frescal cheese was submitted at two pre-treatments: a combination of pH adjustment and heat treatment followed by micro filtration. Initially, pH was adjusted to 7,3 and heated at 55°C for 15 minutes. After it, the whey was micr filtrated in a ceramic membrane (Alumina), with an average diameter pore of 1,4 _ and permeation area of 0,24 m2. The volumetric flow was maintained constant at 4,3 m3fh, transmembrane pressure at 0,5 bar and temperature at 50°C. The permeate of MF step was then ultra filtered in a polissulfone membrane Hollow Fiber (Koch Membrane), MW lOkDa, with 1,3m2 of permeation effective area at constant temperature at 50°C. The transmembrane pressure varied between 0,5 and 2 bars and flow from 1,8 to 3,6m3fh until a concentration factor (CF) of 15. The WPC produced contain about 70% of total protein, in dry basis. It was observed, by statistical analysis, that transmembrane pressure and volumetric flow had a significant effect on permeate flux in the range value of parameters studied. Maximum flux (53,77 Kg/m2.h) was found with volumetric flow of3,6 m3fh and 2 bars of pressure. Protein yield (with values between 0,98 and 0,99) was not significantly affected by these parameters, which demonstrate that the interaction between the membrane and the product does not depend of there parameters. It was also observed that, with the increase of volumetric flow and the transmembrane pressure resulted, an increase in the percentage of variation of relation protein and lactose (PtlLact) at CF 15 relatively the feed. The maximum value (3610,89%) was obtained at the same condition of the best permate flux Kuo & Cheryan (1983) model showed better agreement to experimental data than Wu et aI. (1991) model, for all combinations of transmembrane pressure and volumetric flow at temperature of 50° CMestradoMestre em Engenharia de Alimento