CONCENTRAÇÃO DE PROTEÍNAS DE SORO DE QUEIJO …uricer.edu.br/eal_hp/DissertPDF/Turma2003/Dissertacao_Leo_Serpa... · que viveu bem, riu muitas vezes e amou muito. Que conquistou

LÉO SERPA

CONCENTRAÇÃO DE PROTEÍNAS DE SORO DE QUEIJO

POR EVAPORAÇÃO A VÁCUO E ULTRAFILTRAÇÃO

Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de

Mestrado em Engenharia de Alimentos da URI-Campus de

Erechim, como requisito parcial à obtenção do grau de

Mestre em Engenharia de Alimentos, Área de

Concentração Engenharia de Alimentos da Universidade

Regional Integrada do Alto Uruguai a das Missões-URI,

Campus de Erechim.

ERECHIM, RS - BRASIL

MAIO DE 2005

ii

CONCENTRAÇÃO DE PROTEÍNAS DE SORO DE QUEIJO POR EVAPORAÇÃO A VÁCUO E ULTRAFILTRAÇÃO

Léo Serpa

Dissertação de Mestrado submetida a Comissão Julgadora do Programa de

Mestrado em Engenharia de Alimentos como parte dos requisitos necessários à

obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Alimentos, Área de Concentração:

Engenharia de Alimentos.

Comissão Julgadora:

Prof. Marco Di Luccio, D.Sc.

Orientador

Prof. Alexandre José Cichoski, D.Sc.

Co-Orientador

Profª. Francine Padilha, D.Sc.

Prof. Jose Roberto Delalibera Finzer, D.Sc.

Erechim, 09 de maio de 2005

iii

Serpa, Léo Concentração de proteínas em rejeitos de queijarias/ Léo Serpa;

Orientador Marco Di Luccio e Alexandre José Cichoski. – Erechim, RS: 2005. 95 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos) –

Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões.

1.Engenharia de Alimentos 2.Evaporação a vácuo 3.Ultrafiltração I. Título II Di Luccio, Marco

CDU:

Lucilenne Mara Battisti CRB 10/1486 Bibliotecária

iv

A toda minha família, em especial a meu

filho Bruno, motivo da busca pelo grau de

mestre.

v

AGRADECIMENTOS

A meus orientadores Marco Di Luccio e Alexandre Cichoski, pela paciência,

exigência, compreensão, dedicação e, principalmente, pelo apoio nos momentos

difíceis; pois quando tudo parecia perdido e os obstáculos insuperáveis, me

incentivavam a criar forças e continuar;

A Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões,

professores, funcionários colegas e alunos, em especial às professoras Helen

Treichel e Eunice Valduga pelo apoio e suporte nas atividades experimentais; e a

Claudia Kuiawinski pela amizade e apoio.

A Escola Agrotécnica Federal de Concórdia, na pessoa do Diretor Geral Neri

Jorge Golynski, e aos meus amigos e colegas de trabalho;

A CAPES, pelo apoio financeiro; à COCEL (Erechim) e TIROL (Chapecó) pelo

fornecimento de matéria-prima para os experimentos; e ao SENAI (Chapecó) pela

disponibilização da unidade piloto de ultrafiltração;

A meus amigos Jolcemar Ferro e Mathias Alberto Schramm, pelas inúmeras

tentativas de incentivo ao ingresso no mestrado;

A Valdirene Gasparetto pelo apoio e incentivo; ao companheiro Milton De

Faveri e minha estagiária Fernanda Fátima Hauber, pelo suporte nas atividades

experimentais;

A minha família, pais, irmãos; e meu filho Bruno, que acompanharam a

realização deste estudo.

vi

“O homem que venceu na vida, foi aquele

que viveu bem, riu muitas vezes e amou

muito. Que conquistou o respeito das

pessoas inteligentes e o amor das crianças.

Que preencheu um lugar e cumpriu uma

missão. Que deixou o mundo melhor do que

encontrou e que procurou o melhor nos

outros e deu o melhor de si”.

(Robert Louis)

vii

Resumo da Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Engenharia de

Alimentos, como parte integrante dos requisitos necessários para a obtenção do

grau de Mestre em Engenharia de Alimentos.

CONCENTRAÇÃO DE PROTEÍNAS DE SORO DE QUEIJO POR EVAPORAÇÃO

A VÁCUO E ULTRAFILTRAÇÃO

LÉO SERPA

Maio/2005

Orientadores: Marco Di Luccio e Alexandre José Cichoski

Neste trabalho investigou-se a aplicação dos processos de evaporação a

vácuo e de ultrafiltração na obtenção de concentrado protéico de soro de queijo tipo

mussarela. Foi analisado o fator de concentração frente à variação de temperatura,

agitação e pressão, quando submetido a evaporação a vácuo; e temperatura,

pressão e vazão de alimentação, quando submetido a ultrafiltração. As diferentes

condições testadas foram definidas por um planejamento fatorial completo 23 em

ambos os casos. Foram monitorados os teores de proteína, sólidos totais e solúveis

(ºBrix), lactose, pH, acidez titulável e cor. A concentração do soro por evaporação foi

realizada em evaporador a vácuo Stephan Geiger, e por ultrafiltração foi realizada

em sistema piloto com membranas de 10.000 Daltons, avaliando-se a polarização de

concentração e fouling. Foram realizados fracionamentos em membranas de 0,45

µm, 100.000 e 20.000 Daltons. A melhor concentração do soro por evaporação a

vácuo foi a 50ºC, 230 rpm e pressão de -0,8 kgf/cm2. No estudo da ultrafiltração foi

possível a caracterização dos parâmetros responsáveis pela redução de fluxo, bem

como a obtenção de concentrados protéicos com fator de concentração de até 5,9

vezes. A menor redução de fluxo de permeado foi obtida em temperatura de 45ºC,

pressão de 1,5 kgf/cm2 e vazão de alimentação de 65 L/min. Não foi detectada

influência significativa (p<0,05) das variáveis estudadas (temperatura, pressão e

vazão de alimentação) sobre os tempos de concentração, porém detectou-se

influência significativa (p<0,05) de ambas sobre o fluxo de permeado. Com base nos

resultados pode-se sugerir a utilização dos processos de separação por membranas,

viii

dado a minimização de danos sensoriais no soro de queijo, aliada a maior eficiência

de concentração.

Palavras chaves: Soro-proteínas, evaporação a vácuo, concentração,

ultrafiltração e separação por membranas.

ix

Abstract of Dissertation presented to Food Engineering Program as a partial

fulfillment of the requirements for the Master degree in Food Engineering.

CONCENTRATION OF CHEESE WHEY PROTEIN CONCENTRATION FOR

VACUUM EVAPORATION AND ULTRAFILTRATION.

LÉO SERPA

May/2005

Advisors: Marco Di Luccio and Alexandre José Cichoski

In this work the application of the vacuum evaporation and ultrafiltration

processes on the concentration of mozzarella cheese whey was investigated. The

concentration factor was analyzed in function of temperature, stirring rate and

pressure, when submitted to the vacuum evaporation; and temperature, pressure and

feed flow rate, when submitted to the ultrafiltration. The different tested conditions

were defined by a complete 23 factorial design in both cases. The protein, total and

soluble solids (°Brix), lactose, pH, acidity and color were monitored. Whey

concentration by evaporation was carried out with a Stephan Geiger vacuum

evaporator, and for ultrafiltration a pilot system with 10.000 Daltons membranes was

used, evaluating the polarization of concentration and fouling. Fractioning of whey

was carried out with membranes of 0,45 µm, 100.000 and 20.000 Daltons. The

highest concentration of whey achieved by vacuum evaporation was at 50ºC, 230

rpm and 0,8 kgf/cm2. In ultrafiltration it was possible to determine the parameters

responsible for the flow reduction, as well as the attainment of proteic concentrates

with concentration factor up to 5,9 times. The lowest reduction of permeate flux was

at 45ºC, 1.5 kgf/cm2 and feed flow rate of 65 L/min. A significant influence (p<0,05)

of the variables studied (temperature, pressure and feed flow rate) to the

concentration time was not detected. However, significant (p<0,05) influence of

manipulated factors on permeated flux was found. Based on the obtained results, the

x

use of ultrafiltration could be suggested, due to the minimization of sensorial

damages in the cheese serum, allied to the best concentration efficiency.

Keywords: Whey protein, vacuum evaporation, concentration, ultra filtration

and membranes separation.

xi

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS

RESUMO

ABSTRACT

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO.....................................................................................1

CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRAFICA ...............................................................3

2.1 LEITE ...................................................................................................................3

2.1.1 Produção e demanda de leite bovino ...........................................................4

2.2 SORO DE QUEIJO ..................................................................................................5

2.3 PROTEÍNAS LÁCTEAS.............................................................................................7

2.4 PROCESSOS DE CONCENTRAÇÃO E SEPARAÇÃO...................................................10

2.4.1 Processo de Concentração por Evaporação ..............................................10

2.4.2 Processos de Separação por Membranas .................................................13

2.7 FATORES LIMITANTES DOS PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS..............21

2.8 CARACTERIZAÇÃO DE PROTEÍNAS.........................................................................25

2.9 LIMPEZA DOS MÓDULOS DE MEMBRANAS ...............................................................26

2.10 VIDA ÚTIL DAS MEMBRANAS ................................................................................27

CAPÍTULO 3: MATERIAL E MÉTODOS..................................................................29

3.1. EVAPORAÇÃO A VÁCUO.......................................................................................29

3.1.1. Matéria-prima ............................................................................................29

3.1.2. Evaporador................................................................................................29

3.1.3. Período de evaporação .............................................................................30

3.1.4. Níveis das variáveis experimentais (evaporação) .....................................31

3.1.5. Amostras ...................................................................................................31

3.1.6. Fator de concentração...............................................................................32

3.1.7. Determinações físico-químicas no soro bruto e nos concentrados ...........32

3.1.8. Análise dos resultados ..............................................................................35

3.2. PROCESSO DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS (PSM) ............................................35

3.2.1. Matéria-prima ............................................................................................35

xii

3.2.2. Equipamentos ...........................................................................................36

3.2.3. Níveis das variáveis experimentais (PSM) ................................................37

3.2.4. Amostras ...................................................................................................38

3.2.5. Ultrafiltração ..............................................................................................38

3.2.6. Limpeza do módulo de membranas ..........................................................39

3.2.7. Determinações físico-químicas .................................................................39

3.2.8. Fracionamento de proteína .......................................................................39

CAPÍTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÃO.........................................................42

4.1. EVAPORAÇÃO A VÁCUO.......................................................................................42

4.1.2. Evaporação a vácuo..................................................................................44

4.1.3. Determinações analíticas realizadas no soro bruto...................................45

4.1.4. Concentrados ............................................................................................47

4.2. ULTRAFILTRAÇÃO ...............................................................................................53

4.2.1. Ultrafiltração de água com reciclo total......................................................53

4.2.2. Ultrafiltração de soro com reciclo total.......................................................56

4.2.3. Ultrafiltração de soro sem reciclo (concentração)......................................62

4.2.5. Limpeza da Membrana (CIP) ....................................................................81

4.2.6. Fracionamento ..........................................................................................83

CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES E SUGESTÕES......................................................87

5.1 CONCLUSÕES DO TRABALHO ................................................................................87

5.1.1 Evaporação a vácuo...................................................................................87

5.1.2 Ultrafiltração ...............................................................................................87

5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...............................................................89

xiii

INDICE DE EQUAÇÕES

EQUAÇÃO 1: Coeficiente de rejeição ......................................................................19

EQUAÇÃO 2: Diferença de pressão.........................................................................25

EQUAÇÃO 3: Fator de concentração .......................................................................32

EQUAÇÃO 4: Percentagem de sólidos totais ...........................................................33

EQUAÇÃO 5: Diferença de cor.................................................................................34

EQUAÇÃO 6: Relação proteína/lactose ...................................................................34

EQUAÇÃO 7: Percentagem de variação da relação proteína/lactose ......................35

EQUAÇÃO 8: Modelo impirico para predição de fluxo de permeado .......................61

EQUAÇÃO 9: Modelo impirico para predição de fluxo de permeado .......................66

xiv

INDICE DE FIGURAS

FIGURA 1: EVOLUÇÃO DA PRODUÇÃO E IMPORTAÇÃO DE LEITE, DE 1980 A 2002. ........................................................................................................5

FIGURA 2: CONSUMO PER CAPITA DE LEITE, DE 1980 A 2002 (CNPGL/EMBRAPA, 2002). .....................................................................5

FIGURA 3: CLASSIFICAÇÃO DAS MEMBRANAS QUANTO A SUA SELETIVIDADE......................................................................................14

FIGURA 4: MODELO DE UM CARTUCHO DE UM MÓDULO DE MEMBRANA DE FIBRA OCA............................................................................................16

FIGURA 5: PRINCÍPIO DE ESCOAMENTO FRONTAL E TANGENCIAL................17

FIGURA 6: COMPORTAMENTO DO FLUXO DE PERMEADO EM FUNÇÃO DO TEMPO DE PERMEAÇÃO.....................................................................22

FIGURA 7: EVAPORADOR A VÁCUO. ....................................................................30

FIGURA 8: SISTEMA E MÓDULO DE ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANAS DE FIBRA OCA. .....................................................................................36

FIGURA 9: MÓDULO DE BANCADA DE MICRO E ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA PLANA..............................................................................37

FIGURA 10: ESQUEMA DE FRACIONAMENTO DE PROTEÍNAS ATRAVÉS DE MICRO E ULTRAFILTRAÇÃO. ..............................................................40

FIGURA 11: VOLUME DO SORO DE QUEIJO, SUBMETIDO À EVAPORAÇÃO A VÁCUO EM TEMPERATURA DE 45, 55, E 65ºC; PRESSÃO DE –0,8 kgf/cm2, E AGITAÇÃO DE 230 RPM, DURANTE UM PERÍODO DE 40 MINUTOS...............................................................................................42

FIGURA 12: CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS SOLÚVEIS (ºBRIX) NO SORO DE QUEIJO, QUANDO SUBMETIDO À EVAPORAÇÃO A VÁCUO NAS TEMPERATURAS DE 45, 55, 65ºC; PRESSÃO DE –0,8 kgf/cm2, E AGITAÇÃO DE 230 RPM, DURANTE O PERÍODO DE 40 MINUTOS. .43

FIGURA 13: DIAGRAMA DE CORES PARA ANÁLISE DE COLORIMETRIA..........49

FIGURA 14: VARIAÇÕES DOS VALORES DE COR (L*), E PERCENTAGEM DE PROTEÍNA.............................................................................................49

FIGURA 15: VARIAÇÕES DOS VALORES DE COR (EIXO b*), E PERCENTAGEM DE PROTEÍNA PRESENTES NOS CONCENTRADOS.................................................................................50

FIGURA 16: GRÁFICO DE PARETO DOS EFEITOS ABSOLUTOS DAS VARIÁVEIS MANIPULADAS SOBRE O FATOR DE CONCENTRAÇÃODO SORO. ...............................................................52

xv

FIGURA 17: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4...............54

FIGURA 18: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8...............55

FIGURA 19: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS PONTOS CENTRAIS..............55

FIGURA 20: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4..........................................................................................................57

FIGURA 21: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8..........................................................................................................57

FIGURA 22: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS PONTOS CENTRAIS. ............................................................................................58

FIGURA 23: SUPERFÍCIE DE RESPOSTA E CURVA DE CONTORNO DE PRESSÃO E VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO SOBRE FLUXO DE PERMEADO...........................................................................................62

FIGURA 24: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4...................................................63

FIGURA 25: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8...................................................63

FIGURA 26: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS PONTOS CENTRAIS..................................................64

FIGURA 27; SUPERFICIE DE RESPOSTA E CURVA DE CONTORNO DA PRESSÃO E VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO SOBRE O FLUXO...............67

FIGURA 28: AMOSTRAS DE SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO ATRAVÉS DE MEMBRANAS DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS...69

FIGURA 29:TEORES DE ACIDEZ, DAS AMOSTRAS DE SORO CONCENTRADO COLETADAS A CADA 20 MINUTOS DE CONCENTRAÇÃO.................................................................................70

FIGURA 30: TEORES DE LACTOSE, DAS AMOSTRAS DE SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO. .........................................................72

xvi

FIGURA 31: PERCENTAGENS DE PROTEÍNAS PRESENTES NO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO, DETERMINADOS POR NKT. .......................................................................................................74

FIGURA 32: PERCENTAGENS DE PROTEÍNAS PRESENTES NO SORO, NO CONCENTRADO E NO PERMEADO, DETERMINADO PELA METODOLOGIA DE BRADFORD (1976). .............................................76

FIGURA 33: COEFICIENTE DE REJEIÇÃO (CR) DE PROTEÍNAS DA MEMBRANA DE ULTRAFILTRAÇÃO DE 10.000 DALTONS DETERMINADA POR NKT E BRADFORD (1976).................................77

FIGURA 34: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4. .............................................................................79

FIGURA 35: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8. .............................................................................80

FIGURA 36: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS DAS 5 RÉPLICAS DOS PONTOS CENTRAIS......................81

FIGURA 37: FLUXO DE PERMEADO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE MICROFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 0,45 µm. ...................................................................83

FIGURA 38: FLUXO DE PERMEADO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 100.000 DALTONS. .................................................84

FIGURA 39: FLUXO DE PERMEAÇÃO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 20.000 DALTONS. ...................................................85

xvii

INDICE DE TABELAS

TABELA 1: COMPOSIÇÃO CENTESIMAL DO LEITE BOVINO................................4

TABELA 2: COMPOSIÇÃO CENTESIMAL DO SORO DE QUEIJO..........................7

TABELA 3: NÍVEIS DAS VARIÁVEIS ESTUDADAS NO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 ....................................................................31

TABELA 4: NÍVEIS DAS VARIÁVEIS ESTUDADAS NO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 ....................................................................37

TABELA 5: MATRIZ DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23

(VALORES REAIS E CODIFICADOS). ..................................................44

TABELA 6: AVALIAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DAS AMOSTRAS DE SORO BRUTO UTILIZADAS EM CADA ENSAIO DO PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS...................................................................................45

TABELA 7: PERCENTAGEM DE LACTOSE, PROTEÍNA (BASE SECA), RELAÇÃO PROTEÍNA/LACTOSE, DIFERENÇAS DE LUMINOSIDADE E COR ENTRE O SORO BRUTO E OS CONCENTRADOS E FATORES DE CONCENTRAÇÃO. .....................47

TABELA 8: MATRIZ DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23, VALORES REAIS E CODIFICADOS. ....................................................53

TABELA 9: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE ÁGUA ESTABILIZADO. ................................56

TABELA 10: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE SORO DE QUEIJO .......................................60

TABELA 11: ANÁLISE DE VARIÂNCIA DOS FLUXOS DE SORO COM RECICLO TOTAL....................................................................................................61

TABELA 12: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE SORO DE QUEIJO E TEMPO DE CONCENTRAÇÃO.................................................................................65

TABELA 13: ANÁLISE DE VARIÂNCIA DOS FLUXOS DE SORO SEM RECICLO (CONCENTRAÇÃO) ..............................................................................66

TABELA 14: PERCENTAGENS MÉDIAS DE SÓLIDOS TOTAIS PRESENTES NO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO UTILIZADO NO EXPERIMENTO E SEU DESVIO PADRÃO...........................................68

TABELA 15: RELAÇÃO PROTEÍNA/LACTOSE E % DE VARIAÇÃO (EQUAÇÃO 2) DO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO......................73

TABELA 16: RESULTADOS DAS DETERMINAÇÕES DE COR DOS CONCENTRADOS ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO ........................78

xviii

TABELA 17: PERMEABILIDADE HIDRÁULICA DA MEMBRANA ANTES E APÓS A ULTRAFILTRAÇÃO COM SORO DE QUEIJO. ..................................82

TABELA 18: RESULTADOS DAS DETERMINAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS DE SORO CONCENTRADO E PERMEADO EM MEMBRANA DE MICROFILTRAÇÃO DE 0,45 µm, E ULTRAFILTRAÇÃO DE 100.000 DALTONS E 20.000 DALTONS. ............................................................86

xix

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Alim - Alimentação

A/V – Relação área superficial/volume

BA - Lactoglobulina

BSA – Albumina sérica bovina

C – Croma (diagrama de cores)

Ca – Concentração de alimentação

CIP – Clean in place (sistema de limpeza por circulação interna)

CNA – Confederação de agricultura e pecuária do Brasil

CNPGL – Centro nacional de pesquisa em gado leiteiro

Cp – Concentração de permeado

CR – Coeficiente de rejeição

Cut off – Massa molar de corte

ESD – Estrato seco desengordurado

EST – Estrato seco total (sólidos totais)

Fc – Fator de concentração

h – Localização de cor (ângulo ab) (diagrama de cores)

HPLC – Cromatografia líquida de alta performance (High Performance Liquid

Chromatography)

IBGE – Instituto brasileiro de geografia e estatística

J – Fluxo

Js,c/r – Fluxo de soro de queijo com reciclo de permeado

Js,s/r – Fluxo de soro de queijo sem reciclo de permeado

LA – Lactoalbumina

xx

Lac - Lactose

Lp – Permeabilidade hidráulica

MAA – Ministério da agricultura e abastecimento

Mc – Massa de soro após a concentração

MF - Microfiltração

MM – Massa molar

Msb – Massa de soro bruto na alimentação

NKT – Nitrogênio kjeldahl total

P – Pressão (kgf/cm2)

Pa – Pressão inicial (kgf/cm2)

Pc – Pressão do concentrado (kgf/cm2)

Pf – Pressão final (kgf/cm2)

Pp – Pressão do permeado (kgf/cm2)

Ps – Pressão de saída (kgf/cm2)

Pt – Proteína

R – Coeficiente de correlação

RIISPOA – Regulamento de inspeção industrial e sanitária dos produtos de origem

animal

RPt/Lac – Relação proteína/lactose

SECEX – Secretaria do comércio exterior

T - Temperatura

UF - Ultrafiltração

V – Vazão de alimentação

∆∆∆∆a – Diferença de variação de cor no eixo vermelho ao verde (diagrama de cores)

∆∆∆∆b – Diferença de variação de cor no eixo amarelo ao azul (diagrama de cores)

xxi

∆∆∆∆E – Diferença de cor (diagrama de cores)

∆∆∆∆L – Diferença de variação de luminosidade (diagrama de cores)

∆∆∆∆P – Diferença de pressão

ºDornic – Unidade de medida de acidez

ºBrix – Unidade de medida de sólidos solúveis

%RLp – Percentagem de redução de permeabilidade hidráulica

%V – Percentagem de variação da relação proteína/lactose

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO

O leite é considerado um dos alimentos mais completos, sob o ponto de vista

nutritivo, propiciando inúmeras alternativas de industrialização e transformação em

produtos derivados. Porém, quando utilizado no processamento de queijos,

aproximadamente 85 a 90% de seu volume é retirado sob a forma de soro.

O soro de queijo, que é rico em proteínas, é pouco aproveitado, sendo que

grandes volumes ainda são desperdiçados, enviados para nutrição de suínos, ou

direcionados a sistemas de tratamento de efluentes com baixa eficiência,

contaminando drasticamente corpos receptores; o que gera problemas ambientais

como a demanda bioquímica de oxigênio de 30.000 a 50.000 mg/L (HOSSEINI et al.,

2003).

No Brasil, ao contrário de outros países, o soro de queijo ainda é considerado

um produto de má qualidade e de pouca importância sob o ponto de vista nutritivo.

Nos Estados Unidos, grande parte dos resíduos de queijarias são aproveitados e

90% destes são destinados à alimentação humana, o que, em 2001 representou

mais de 500.000 toneladas. O Brasil entre 1998 a 2001, importou mais de 140.000

toneladas de soro em pó, devido à falta de capacidade interna de produção

(ALMEIDA, et al., 2001; USDEC, 2004). Este desperdício, aliado ao valor nutritivo do

soro de queijo, leva a direcionar a atenção do meio científico ao seu estudo, para a

criação de alternativas economicamente viáveis para o aproveitamento de suas

proteínas, que apresentam alto valor nutricional e comercial. Logo, é interessante o

estudo de alternativas que venham aproveitar o soro de queijo utilizando processos

que minimizem os danos a seus componentes, como os processos de evaporação a

vácuo (baixa pressão) e separação por membranas.

A evaporação a baixa pressão reduz os custos operacionais de processo,

além de diminuir as perdas físico-químicas por ação da temperatura.

Os processos de separação por membranas, inicialmente utilizados para a

dessalinização da água do mar, hoje se apresentam como uma alternativa para a

Capítulo 2: Introdução 2

concentração de alimentos proteícos sem a necessidade da utilização de altas

temperaturas (LINDEN; LORIENT, 1996; COELHO, 2002).

A aplicação destes processos para a recuperação de proteínas do soro pode

ser bastante vantajosa, pois as frações protéicas presentes no soro de queijo são

termolábeis, sendo a α-lactoglobulina a mais termorresistente, seguida pela

β-lactoglobulina e imunoglobulinas (PEREIRA; GONÇALVES, 2002).

Com o objetivo de criar alternativas para minimizar os desperdícios de soro de

queijo e minimizar o impacto ambiental causado pelo seu mau aproveitamento, o

presente trabalho foi desenvolvido a fim de se obter dados sobre os processos de

concentração de soro de queijo através de evaporação a vácuo e ultrafiltração,

avaliando-se os efeitos das condições de operação sobre as características físico-

químicas do soro de queijo.

CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRAFICA

Neste capítulo serão apresentados dados sobre produção e consumo de leite

bovino, discussões sobre soro de queijo e proteínas lácteas, e os métodos de

concentração através de evaporação a vácuo e processos de separação por

membranas.

2.1 Leite

O leite é um dos alimentos mais completos já conhecidos; utilizado como

única fonte de alimentação em períodos restritos da vida dos mamíferos. Sua

composição é variável, apresentando influência da espécie, raça, idade, fase de

lactação, alimentação e sanidade em sua composição centesimal, o que dificulta a

caracterização de seus componentes quantitativos. Devido a esta variação, tem sua

composição alterada durante o período de sua extração (ordenha) (TRONCO, 1997).

O leite, em um processo de extração, se apresenta mais acizentado no início,

composto por proteínas, vitaminas e açúcares e, minutos após, torna-se mais branco

e rico em gordura, visando fornecer inicialmente um produto menos energético,

aumentando gradativamente o teor de energia no decorrer da extração,

principalmente para que este seja bem absorvido no caso de amamentação

(CARREIRO, 2004)

O leite humano é conhecido como leite albuminoso, característica fornecida

por sua composição protéica, composta por 80 partes de albumina para cada 20

partes de caseína, é altamente digestível para alimentação de recém nascidos,

considerando suas proteínas presentes. Em contrapartida, o leite bovino, com 20

partes de albumina para cada 80 partes de caseína, é pouco digestível para

alimentação humana, principalmente para recém nascidos (BEHMER,1986;

TRONCO, 1997; CARREIRO, 2004). O leite, quando submetido a fabricação de

queijo, produz um resíduo industrial, o soro, composto basicamente por albumina,

Capítulo 2: Revisão Bibliográfica 4

atualmente já encontrada desidratada e comercializada como fonte energética e

nutritiva sob a forma de pó (ALMEIDA, et al., 2001).

A Tabela 1 apresenta a composição centesimal do leite bovino, base de

obtenção da matéria prima utilizada neste trabalho.

TABELA 1: COMPOSIÇÃO CENTESIMAL DO LEITE BOVINO

Componentes %

Água 87,45 ±0,21

Extrato seco total (EST) 12,08 ±0,02

Gorduras 3,50 ±0,14

Extrato seco desengordurado (ESD) 8,58 ±0,16

Proteínas 3,30

Lactose 4,80 ±0,14

Minerais 0,90 ±0,14

FONTE: LUQUET et al. (1993); TRONCO (1997).

2.1.1 Produção e demanda de leite bovino

A produção do leite bovino é influenciada diretamente pelo manejo, genética e

a alimentação dos animais. Assim, um aumento na produção depende, no mínimo,

de elevados investimentos e tecnologias na área de melhoramentos genéticos. O

Brasil encontra-se distante do maior produtor de leite bovino, considerando

quantidade de litros produzidos, reservando este lugar aos Estados Unidos, com 76

bilhões de litros produzidos/ano em 2001, seguido da Rússia com 40 bilhões de

litros produzidos/ano. Os laticínios americanos, na época totalizavam mais de 830

unidades, sendo que 360 destinavam-se somente à produção de queijos,

movimentando em 2001 mais de US$ 85 bilhões por ano (CNPGL/EMBRAPA,

2002).

O Brasil, em 2002, já contava com uma produção de 23,6 bilhões de litros de

leite, um plantel de 19,2 mil cabeças de gado bovino, e um consumo de apenas 21,0

bilhões de litros de leite. De 1998 a 2001, importou mais de 140.000 toneladas de

soro em pó, devido à falta de capacidade interna de produção (CNPGL/EMBRAPA,

2002).


A Figura 1 mostra a evolução da produção e importação de leite no Brasil, de

1980 a 2002.

FIGURA 1: EVOLUÇÃO DA PRODUÇÃO E IMPORTAÇÃO DE LEITE, DE 1980 A 2002.

FONTE: CNPGL/EMBRAPA ( 2002).

A Figura 2 mostra o consumo per capita de leite, de 1980 a 2002.

FIGURA 2: CONSUMO PER CAPITA DE LEITE, DE 1980 A 2002 (CNPGL/EMBRAPA, 2002).

No Brasil o soro de queijo ainda é considerado um produto de má qualidade e

de pouca importância sob o ponto de vista nutritivo. O próprio RIISPOA

Brasil - Produção e Importação de Leite

0

5000

10000

15000

20000

25000

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Ano

Milh

ões

de

Lit

ros

Produção

Importação

Consumo Per Capita de Leite no Brasil

0

20

40

60

80

100

120

140

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

Ano

Lit

ros/

hab

itan

te/a

no

FONTE: IBGE; MAA; MF; SECEX/MDIC; CBCL; CNA; LEITE BRASIL (2002).


(Regulamento de Inspeção Industrial e Sanitária dos Produtos de Origem

Animal-Decreto 30.691/52), conhecido como o regulamento do SIF, de 1952

(atualmente ainda vigente), considera o soro de queijo como um produto para

alimentação animal. Nos Estados Unidos, grande parte do soro de queijo, é

aproveitado, e 90% deste, quando transformado em pó, é destinado à alimentação

humana, o que em 2001 representou mais de 500.000 toneladas

(CNPGL/EMBRAPA, 2002).

O Brasil é o sexto maior produtor mundial de leite bovino, com uma taxa anual

de aumento de produção na faixa de 4%. Cerca de 35% da produção é destinada à

fabricação de queijos, onde as maiores produções são de queijo mussarela, prato e

minas frescal (FARRO; VIOTTO, 2003).

2.2 Soro de Queijo

O soro de queijo é um produto resultante da precipitação de gorduras e

caseína do leite durante a fabricação de queijos. Este produto representa de 85 a

90% do volume de leite e retém 55% de seus nutrientes, dentre eles a lactose (4 a

5%) e proteínas (0,6 a 0,7%). O soro de queijo pode representar um importante

problema ambiental, com uma demanda bioquímica de oxigênio de 30.000 a 50.000

mg/L, caso seja destinado diretamente em rios ou esgotos públicos, o que

atualmente não é permitido. A alta percentagem de água presente no soro de queijo,

inviabiliza economicamente sua desidratação, e o fato de ser perecível agrava o

problema, impossibilitando seu armazenamento prolongado, direcionando as

pesquisas a seu aproveitamento na produção de biogás, etanol e proteínas

concentradas. Estudos realizados também sugerem o aproveitamento de soro de

queijo para a produção de fermento de panificação e antibióticos (ALMEIDA, et al.,

2001; HOSSEINI et al., 2003).

O soro de queijo possui em sua composição, pouca quantidade de gordura,

composta por ácidos graxos de baixo ponto de fusão (em torno de 29ºC); proteínas

hidrossolúveis, dentre elas a α-lactoalbumina e a β-lactoglobulina, respectivamente

com massas molares (MM) em torno de 14.000 e 18.000 Daltons; lactose; minerais e

vitaminas hidrossolúveis (BEHMER,1986; SGARBIERI,1996).


A Tabela 2 apresenta a composição centesimal média do soro de queijo,

matéria prima utilizada no presente estudo.

TABELA 2: COMPOSIÇÃO CENTESIMAL DO SORO DE QUEIJO

Componentes %

Água 93,39 ±0,44

Extrato seco total (EST) 6,61 ±0,44

Gorduras 0,43 ±0,19

Extrato seco desengordurado (ESD)

Proteínas 0,78 ±0,25

Lactose 4,90 ±0,11

Minerais 1,59 ±0,02

FONTE: OLIVEIRA (1986); PEREIRA (1992); LINDEN; LORIENT (1996); TRONCO (1997); KAR; MISRA (1999); FARRO; VIOTTO (2003).

Aproximadamente 50% do soro mundialmente produzido já se encontra

industrializado, sob a forma de bebidas fermentadas, sucos, aditivos para

panificação, e utilizado na nutrição animal, como complemento para leitões. Uma

parcela é desidratada e comercializada como fonte energética e nutritiva sob a forma

de pó, pois o mesmo retêm aproximadamente 75% dos nutrientes do leite, além de

ser responsável por uma parcela que varia entre 80 a 90% de sua composição total

(ALMEIDA, et al., 2001).

2.3 Proteínas Lácteas

O leite bovino possui em sua composição centesimal, quatro grupos

protéicos, as caseínas (com baixa digestibilidade para alimentação humana), as

proteínas do soro, proteínas das membranas, e as proteínas dos glóbulos de

gordura. As duas grandes frações são as caseínas e as proteínas do soro, que

juntas representam de 3,3 a 3,5% de sua composição, sendo 2,9% de caseínas e

0,6% de proteínas do soro (SGARBIERI, 1996).

As caseínas são, de forma geral, definidas como as proteínas precipitadas em

pH 4,6 a 20ºC. A partir das caseínas são obtidos três principais componentes,

α-caseína (50% do total), β-caseína (33%) e k-caseína(15%). Quando a fração de

caseína é retirada por meio ácido, o soro resultante é chamado de soro ácido.


Quando esta é retirada por meio enzimático, o soro recebe a denominação de soro

doce. As proteínas do soro são compostas por duas principais frações, a

α-lactoalbumina e a β-lactoglobulina, que são responsáveis por 70 a 80% da

composição das proteínas presentes no soro de queijo (TRONCO,1997;

SGARBIERI,1996).

A fração α-lactoalbumina é considerada uma das mais importantes sob o

ponto de vista do trabalho em questão. Até pouco tempo desconhecida, ou de pouca

importância econômica e tecnológica, a α-lactoalbumina começou a ganhar espaço

devido a suas propriedades específicas não encontradas em outras proteínas. No

entanto, possui alto custo de obtenção e extração, o que muitas vezes torna seu

consumo inviável. Até então se tinha a albumina de ovo como a proteína mais

importante sob o aspecto nutritivo. A α-lactoalbumina de soro de queijo, possui de 23

a 25 % de aminoácidos de cadeia ramificada, a maior concentração já presente em

uma proteína (KINEKAWA; KITABATAKE, 1996).

Devido à sua solubilidade, digestibilidade e composição de aminoácidos, a

α-lactoalbumina possui alto valor biológico, o que a difere da albumina do ovo. Rica

em quadripeptídeos, pobre em fenilalanina, arginina (aminoácido essencial) e

glutamina (aminoácido condicionalmente essencial), a α-lactoalbumina possui a

capacidade de aumentar a produção endógena de glutationa, antioxidante de papel

importante no sistema imunológico humano (KINEKAWA; KITABATAKE, 1996).

As proteínas do soro são amplamente utilizadas na indústria de alimentos

pelas suas propriedades funcionais. Alguns estudos direcionaram a atenção para o

acompanhamento das propriedades funcionais das proteínas isoladas e/ou dos

concentrados protéicos, e concluíram que a soma das propriedades das proteínas

podem limitar suas aplicações. Desta forma, se busca técnicas de separação e

isolamentos de suas frações, podendo ser citadas dentre estas, as precipitações

seletivas e ácidas, conjugadas com temperaturas, uso de membranas, enzimas e a

combinação entre ambos os métodos. Embora estes fracionamentos já apresentem

viabilidade de separação e purificação em laboratório, muitas técnicas ainda não

foram implementadas industrialmente devido à sua complexidade, seu alto custo e

baixa produtividade. As frações obtidas através de uma combinação de técnicas,


utilizando temperaturas de 25 a 40ºC para a precipitação e separação com

membranas de 15.000 Daltons apresentaram altos índices de cinzas (de 6,1 a

13,7%), sugerindo processos de purificação prévios, antes de serem enviados à

indústria (ALOMIRAH; ALLI, 2002).

As proteínas concentradas de soro de queijo também são muito utilizadas

como ingredientes funcionais na alimentação humana, porém seu uso comercial é

limitado devido às suas variações funcionais, causadas pelas grandes variações em

suas composições, principalmente de cálcio, sódio e fósforo. Outro fator é sua

estabilidade frente à temperatura, pois quando os concentrados protéicos de soro de

queijo com pH médio 6,9 são aquecidos a temperaturas mínimas de 75ºC, as

moléculas de proteínas se desdobram formando uma rede gel. Alguns estudos já

direcionam atenção para determinar a influência das concentrações de minerais nas

propriedades das proteínas presentes nos concentrados protéicos de soro de queijo,

principalmente a presença de cálcio e sódio. Estes concluem que os danos às

proteínas secundárias e BSA (albumina sérica bovina) na temperatura citada

ocorrem mais rápido nas frações de α-lactoalbumina, seguido pelas frações de

β-lactoglobulina. Deve-se observar também que as perdas das características

funcionais das soroproteínas presentes em soro doce ocorrem mais rapidamente do

que nas soroproteínas presentes em soro ácido (HAVEA et al., 2002).

As proteínas do soro (albuminas) apresentam excelentes propriedades de

emulsificação, sendo desta forma bastante utilizadas em emulsões e na fabricação

de géis, utilizando lipídios como enchimento. Quando utilizadas para a fabricação de

géis, suas propriedades mecânicas são diretamente dependentes das propriedades

físico-químicas da gordura, composição e quantidades de proteína, bem como seu

tamanho e morfologia. Porém, em estudos realizados, as frações que apresentaram

bons resultados nas propriedades mecânicas de géis foram a α-lactoalbumina e

β-lactoglobulina (MOR-ROSENBERG et al., 2004).

Com baixa massa molecular, comparada a outras proteínas, as albuminas

são solúveis em pH acima de 4,6 e temperaturas inferiores a 20ºC. São chamadas

de homoproteínas, por serem formadas apenas por aminoácidos, diferentes da


caseína, a qual não possui somente aminoácidos em sua composição (KINEKAWA;

KITABATAKE, 1996).

As α-lactoalbuminas (LA), são compostas por 9 dos 20 aminoácidos

formadores de proteínas, sendo eles; triptofano (3,2%), lisina (10,9%), metionina

(2,35%), cistina (3,15%), leucina (14%), isoleuciona (6,55%), fenilalanina (4,05%),

valina (6,85%) e treonina (6,70%). Estas proteínas possuem massa molecular por

volta de 17.000 Dalton (KINEKAWA; KITABATAKE, 1996).

A β-lactoglobulina é a proteína mais abundante presente no soro de queijo,

com massa molecular em torno de 18.000 Daltons. Difere da α-lactoalbumina, em

sua composição, por dois aminoácidos. Apesar de baixo grau de semelhança,

compartilham algumas propriedades comuns de ligações hidrofóbicas. A

β-lactoglobulina apresenta uma notável estabilidade em pH baixo. Devido à sua

estabilidade em pH ácido, já chegou a ser utilizada para isolar ácidos gordurosos

produzidos por lipase gástrica, minimizando os efeitos adversos na mucosa

(BERINGHELLI et al., 2002).

A β-lactoglobulina, devido às suas propriedades, é largamente utilizada na

indústria de alimentos principalmente por possuir influência no aroma dos alimentos

e ser solúvel em pH de 2,0 a 10,0 (JOUENNE; CROUZET, 2000).

2.4 Processos de Concentração e Separação

2.4.1 Processo de Concentração por Evaporação

Evaporação é um processo de desidratação que consiste na retirada de

umidade do produto. Quando submetido a baixa pressão (vácuo), temos uma

redução no ponto de ebulição da água pura o que minimiza energia para sua

mudança de fase (BRENNAN, 1996).

Com a concentração, vários efeitos podem ser observados nas propriedades

do leite e/ou soro de queijo, como o aumento nas interações, na condutividade

elétrica, na densidade, na viscosidade, na molaridade e na força iônica. Por outro

lado, diminuem a ionização, o teor de cálcio iônico, o pH e a atividade de água

(SILVA et al., 1997; COELHO, 2002).


A água, em pressão ambiente (101,3 MPa) possui ponto de ebulição a 100ºC

e ponto de congelamento a 0ºC. Se a água for submetida à pressão de 210 MPa e à

temperatura de -22ºC, ainda será mantida em estado líquido. Se a água for

submetida a uma pressão negativa (vácuo), inicia-se um declínio gradativo de seu

ponto de ebulição, minimizando energia para a evaporação. Em muitos casos, são

acoplados aos evaporadores, sistemas de agitação, para aumentar a transferência

térmica, acelerando o processo (SILVA et al., 1997; COELHO, 2002).

Os produtos lácteos, devido à sua composição protéica também são

suscetíveis a danos nas proteínas, causados pela alteração brusca de pressão

(SILVA et al., 1997; COELHO, 2002).

Gonçalves et al. (2004) analisou os efeitos térmicos de temperaturas acima

de 80ºC em isolados protéicos de soro de queijo. O isolado protéico continha 93,5%

de proteínas totais, sendo 74% de α-lactoalbumina, 18% de β-lactoglobulina e 6% de

albumina sérica bovina; também continha 0,2% de gordura e lactose, 0,5% de sódio,

0,1% de cálcio e 0,1% de potássio. A presença de resíduos de aminoácidos

hidrofóbicos ativados pelo calor, gerou uma mudança da conformação molecular das

proteínas. A β-lactoglobulina, proteína principal do isolado protéico de soro,

apresentou seu ponto máximo de resistência a 77ºC.

A influência da temperatura nas propriedades físico-químicas do leite e do

soro de queijo é foco de diversas pesquisas que buscam criar alternativas que

minimizem estes danos. Desta forma, Minin et al. (2002) também direcionaram sua

atenção para definir a influência da temperatura nas propriedades do leite submetido

a tratamentos térmicos.

Talvez uma preocupação qualitativa faça parte do grupo de variáveis que

podem nortear um processo de desidratação e separação de proteínas de produtos

alimentícios, como é o caso do soro de queijo: a quantidade de proteína extraída e a

qualidade desta proteína ao final da extração. Muitas proteínas, como é o caso de

algumas das frações das soroproteínas, são termolábeis, e sofrem desnaturação

quando submetidas a altas temperaturas por longos períodos. No caso do soro de

queijo, as frações protéicas possuem termoestabilidades diferentes, sendo a

α-lactoglobulina, a mais termorresistente, seguida pela β-lactoglobulina, BSA e


imunoglobulinas. Várias técnicas são citadas para mensurar a desnaturação de

soroproteínas, dentre elas se destacam Kjeldahl, cromatografia líquida de alta

eficiência, método colorimétrico e eletroforese, dentre outros (PEREIRA;

GONÇALVES, 2002).

Logo após a ordenha, o leite requer tratamento térmico para redução de sua

carga microbiana. Porém, quando submetido a evaporação em temperaturas

superiores a 75ºC, pode apresentar desnaturações em suas frações protéicas (LAW;

LEAVER, 2000).

O pH do soro de queijo pode interferir nas determinações da influência da

temperatura sobre a desnaturação das proteínas presentes. Estudos mostram que a

desnaturação de soroproteínas pode apresentar duas fases principais, a primeira

através de aquecimentos moderados acima de 60ºC, apresentando mudanças

reversíveis de conformação, e a segunda, através de aquecimentos mais severos,

apresentando associação entre proteínas de soro ou com micelas de caseína.

Estudos mostram que estes processos são bastante distintos e ocorrem em

diferentes extensões, influenciados pelo pH, concentração de proteínas e força

iônica. Vários estudos analisaram os efeitos do pH e do aquecimento sobre a

mudança de conformação de concentrados protéicos de soro de queijo, concluindo

que as proteínas de soro, quando associadas às micelas de caseína durante a

coagulação do leite, podem ser retidas no coalho, aumentando significativamente o

rendimento na fabricação de queijos (LAW; LEAVER, 2000).

A redução do pH favorece a precipitação de proteínas. Desta forma, alguns

estudos mostram que as percentagens de desnaturação das frações protéicas

presentes no soro de queijo, quando submetidas a temperaturas de 80ºC por

períodos de até 20 minutos, são diretamente influenciadas pelo pH. A

β-lactoglobulina apresenta um aumento de 100% em suas percentagens de

desnaturação quando o pH é aumentado de 5,2 a 6,0, e a α-lactoalbumina

apresenta o mesmo efeito quando seu pH é aumentado de 6 para 9. O mesmo

comportamento não é apresentado pelas frações BSA, lactoferrina e

imunoglobulinas. Quando o leite é acidificado, o fosfato de cálcio é afastado das

micelas de caseína, aumentando os níveis de cálcio no soro, e com o aumento do


pH as estruturas secundárias das proteínas são mais facilmente quebradas (LAW;

LEAVER, 2000).

Estudos comprovam que concentrados protéicos de soro de queijo com pH

7,0 e presença de sacarose expostos a aquecimentos entre 30º a 90ºC,

apresentaram elevação de 6 a 8ºC em seu ponto de desnaturação térmica

(KULMYRZAEV et al., 2000).

Com grande utilização na área de alimentos, as proteínas do soro de queijo

apresentam propriedades funcionais dependentes de sua origem e método utilizado

para o fracionamento e purificação. Dado as suas aplicações, surgem alguns

desafios aos investigadores que buscam estudar as propriedades funcionais destas

proteínas, um é a variabilidade de propriedades das soroproteínas, outro é a

aplicabilidade frente à grande variabilidade de alimentos com composições e

exigências diferentes. Alguns componentes podem interagir com as proteínas do

soro e alterar suas propriedades funcionais, como polissacarídeos, açúcares,

vitaminas, lipídios, surfactantes e aromatizantes (KULMYRZAEV et al., 2000).

2.4.2 Processos de Separação por Membranas

Os processos de separação por membranas (PSM) surgiram na década de

1960, visando a dessalinização da água do mar. Porém, em escala comercial, seu

desenvolvimento emergiu na década de 1980, nos EUA e na Noruega (MULDER,

2000; HABERT et al., 2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

Uma membrana pode ser definida como uma película que, servindo como

barreira, separa componentes de uma solução. Para fazer essa separação, o

processo e separação por membranas, pode apresentar 4 alternativas de métodos

com base na massa molar de corte (exclusão por tamanho) (MULDER, 2000;

HABERT; et al., 2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

Na área de alimentos, muitas das soluções contêm água como principal

solvente. Desta forma, membranas de micro e ultrafiltração geralmente são

utilizadas como barreira para separação dos componentes de uma solução. O

componente que se pretende isolar pode estar tanto presente no permeado quanto

no concentrado (MULDER, 2000; HABERT et al., 2000; SCHNEIDER; TSUTIYA,

2001).


Na Figura 3 pode-se observar a classificação das membranas quanto a sua

seletividade.

FIGURA 3: CLASSIFICAÇÃO DAS MEMBRANAS QUANTO A SUA SELETIVIDADE

Conforme observado na Figura 3, as membranas de microfiltração geralmente

retêm células e materiais em suspensão, enquanto as membranas de ultrafiltração já

permitem a retenção de moléculas de alta massa molar (MULDER, 2000;

SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

Há inúmeras vantagens na utilização dos processos de separação por

membranas, dentre elas, a possibilidade de separação de componentes sem a

necessidade de utilização em altas temperaturas, mudanças de fase ou alterações

de pH, mantendo as propriedades físico-químicas e sensoriais dos alimentos. A

baixa demanda de energia, a alta seletividade e a simplicidade de operação e

escalonamento, também são vantagens que viabilizam a aplicação de processos de

separação por membranas no meio industrial (MULDER, 2000; HABERT et al.,

2000).

MMiiccrroo-- oorrggaanniissmmooss

MMaaccrroommoollééccuullaass ee VVíírruuss

MMoollééccuullaass ddee mmééddiiaa MMMM

MMoollééccuullaass ddee bbaaiixxoo PPMM

ee ííoonnss

ÁÁttoommooss

- 5

- 6

-- 99

-- 1100

1100

1100

1100

1100

1100

1100

PPSSMM -- FFoorrççaa mmoottrriizz ∆∆∆∆∆∆∆∆PP

11 µµµµµµµµ mm

DDiimmeennssõõeess ddaass ppaarrttííccuullaass ee mmoollééccuullaass ((mm))

11 ÅÅ

- 7

- 8

água sais Macromoléculas

Células / Colóides Material em suspensão

Membrana

P

Água Sais

Macromoléculas

Membrana

P

Água Sais Membrana

P

OOssmmoossee iinnvveerrssaa

Água

Sais

Membrana

P

Moléculas de médio PM


NNaannooffiillttrraaççããoo

UUllttrraaffiillttrraaççããoo

MMiiccrrooffiillttrraaççããoo


FONTE: MULDER, 2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001.


Mesmo apresentando alta fragilidade, as membranas inorgânicas suportam

altas pressões, soluções com pH de 0 a 14 e temperaturas superiores a 400ºC

(MULDER, 2000; DI LUCCIO, 1997; JULIANO et al., 1987).

Em função das aplicações a que se destinam, as membranas podem

apresentar diferentes estruturas, com características morfológicas diferentes. As

membranas podem ser classificadas como isotrópicas ou anisotrópicas,

apresentando diferentes características morfológicas ao longo de sua estrutura

(MULDER, 2000; HABERT et al., 2000).

As membranas de micro e ultrafiltração são utilizadas para os processos de

separação de maior importância comercial no mundo, movimentando mais de US$ 1

bilhão por ano (dados de 1997) (ZEMAN; ZYDNEY, 1996; MULDER, 2000). As

membranas de micro e ultrafiltração são, geralmente, porosas, e seu princípio de

separação é exclusão por tamanho, retendo as partículas com tamanhos maiores do

que os tamanhos médios de poros. A seletividade das membranas de microfiltração,

ultrafiltração e osmose inversa é determinada com base na massa molar das

moléculas, que apresentam um coeficiente de rejeição mínimo de 95% (MULDER,

2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

A rejeição e o fluxo em membranas de microfiltração dependem do diâmetro

dos poros e de sua porosidade. Geralmente as membranas industriais são

depositadas sobre suportes microporosos para aumentar sua resistência mecânica

(MULDER, 2000; HABERT et al., 2000; JULIANO et al., 1987). O conhecimento

sobre o diâmetro médio de poros de uma membrana é fundamental para sua

caracterização, o qual geralmente é realizado através de microscopia eletrônica ou

de técnicas baseadas em permeação de soluto padrão (ZEMAN; ZYDNEY, 1996;

RODRYGUEZ et al., 1999).

Na seqüência, serão citados os módulo de ultrafiltração.

•••• Módulos

Os módulos são as estruturas necessárias para viabilizar a operação do

processo de separação. Há várias configurações possíveis para esses módulos,

dentre elas destacam-se os módulos do tipo placa, tubulares, espirais e fibra oca. A


relação entre a área superficial e o volume do módulo (A/V) varia bastante com as

suas configurações e geometria. As membranas de fibra oca podem apresentar uma

relação A/V de até 10.000 m2/m3 (MULDER, 2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

Os módulos com membranas de configurações tubulares são amplamente

utilizados, pois seus canais de diâmetro largo permitirem a filtração de soluções com

elevado teor de solutos (RODRYGUEZ et al., 1999).

Na Figura 4 pode-se observar o cartucho de um módulo de membranas de

fibra oca, que foi o tipo de módulo utilizado neste estudo.

FIGURA 4: MODELO DE UM CARTUCHO DE UM MÓDULO DE MEMBRANA DE FIBRA OCA.

Na seqüência discute-se as opções de escoamento do fluido em processos

de separação por membranas.

•••• Escoamento

O fluido, durante um processo de separação por membrana, pode ser

bombeado em direção paralela (escoamento tangencial) ou perpendicular

(escoamento frontal) à superfície filtrante da membrana, conforme pode-se observar

na Figura 5.

Fibras ocas

Carcaça

Alimentação

Anel de fixação das fibras

Concentrado

Permeado

Coletor do permeado

FONTE: SCHNEIDER; TSUTIYA (2001).


O escoamento tangencial fornece algumas vantagens em relação ao frontal,

pois promove um arraste de partículas concentradas na superfície da membrana,

minimizando o fenômeno conhecido como polarização de concentração (MULDER,

2000; SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001), o que será discutido mais adiante, neste

trabalho.

FIGURA 5: PRINCÍPIO DE ESCOAMENTO FRONTAL E TANGENCIAL.

A seguir serão apresentados os processos de separação por membranas

mais utilizados na área de alimentos – micro e ultrafiltração -, os quais foram

empregados neste trabalho.

•••• Microfiltração

O soro de queijo possui alguns componentes residuais de seu

processamento, que muitas vezes são considerados indesejáveis para alguns

objetivos tecnológicos. Apesar de o leite apresentar teor inicial de gordura de 3,6%,

após o desnatamento pode atingir índices próximos a 0,3%. Quando utilizado na

Permeado

Permeado

Membrana

Membrana

Alimentação

Alimentação

Concentrado

Escoamento Frontal

Escoamento Tangencial

FONTE: SCHNEIDER;TSUTIYA (2001)


fabricação de queijos, o seu produto residual, o soro ainda retém cerca de 0,19 a

0,20% de gordura (CUNHA et al., 2003).

A microfiltração, quando utilizada com membranas de diâmetro de poro de 0,8

µm, pode reter até 50% da gordura presente. Esta percentagem de gordura restante

no permeado é devida à grande variabilidade de tamanho dos glóbulos de gordura

(CUNHA et al., 2003).

Estudos realizados com soro de queijo microfiltrados com membranas de

alumina com tamanho de poro de 0,8 µm em fluxo tangencial mostraram que quanto

maior a vazão de alimentação e maior a pressão, maiores são as percentagens de

proteínas retidas no concentrado. Porém, deve-se considerar que bons resultados

foram obtidos com velocidades de 6,2 m/s e pressão de 1,6 kgf/cm2, com rejeição

média de 79% das proteínas presentes no soro de queijo microfiltrado (CUNHA et

al., 2003).

•••• Ultrafiltração

Para a separação de componentes do soro de queijo, uma das técnicas de

maior destaque na separação por membranas é a ultrafiltração. Tecnologia utilizada

para clarificação de sucos, vinhos, cervejas e concentração de produtos lácteos

(CARMINATTI et al., 2004), é capaz de separar componentes com massas molares

de 300 a 500.000 Daltons (SIRKAR; WINSTON, 1992).

Trabalhos desenvolvidos com ultrafiltração visam criar alternativas para

maximização dos parâmetros de processo (concentração), implantando

pré-tratamentos antes da ultrafiltração, como peneiragem e microfiltração, visando

reduzir os índices de gordura e fragmentos de caseína, clarificando-o e facilitando a

ultrafiltração. Também são sugeridos tratamentos térmicos, a temperaturas de 55ºC,

por períodos de 15 minutos, e correção de pH para 7,3 antes de ser submetido a

pré-tratamentos de microfiltração e posterior ultrafiltração (FARRO; VIOTTO, 2003).

Ultrafiltração de leite com temperaturas mais elevadas (55ºC), em membranas

com massa molar de corte de 10.000 Daltons, área superficial de 1,4 m2 e pressão

de 1,5 kgf/cm2, obteve rejeição de gordura de 100%. O soro do queijo elaborado

com leite submetido a este processo apresentou uma redução de 50% em sua


−=

a

p

C

CCR 1

concentração de proteína do soro (α-lactoalbumina, retida no retentado),

minimizando a concentração protéica do permeado (CUNHA et al., 2002).

O tratamento térmico do leite ou do soro de queijo influencia no fluxo de

permeado, o qual diminui com o aumento da temperatura. A redução da temperatura

de 85°C/30min para 72°C/15 segundos, pode reduzir o tempo de concentração em

até 76%, caracterizando a influência da temperatura na formação de micelas de

proteínas minimizando a permeabilidade hidráulica da membrana (VEIGA; VIOTTO,

2001).

A eficácia dos processos de separação por membranas apresentados (micro

e ultrafiltração), geralmente é medida através do parâmetro denominado coeficiente

de rejeição (CR) da membrana frente ao componente que se deseja separar

(SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001), o que será discutido na seção seguinte.

•••• Coeficientes de rejeição

A percentagem de um componente retido pela membrana em um processo de

filtração pode ser determinado pelo coeficiente de rejeição (CR) que esta membrana

possui em relação ao componente que se pretende isolar. O coeficiente de rejeição

também pode ser expresso como percentagem em fase aquosa, e pode ser

calculado através da Equação 1 (REIS et al., 2003).

(EQUAÇÃO 1)

onde: Cp é a concentração do permeado e CA é a concentração de alimentação.


2.6 Aplicações da tecnologia de membranas na concentração de soro de queijo

Os processos de separação por membranas através de micro e ultrafiltração

vêm sendo bastante estudados para a concentração e fracionamento de proteínas

do leite e do soro de queijo. Porém, também ressalta-se sua aplicação na remoção

de microorganismos lácteos e sistemas de tratamento de efluentes (OLIVEIRA;

PETRUS, 2003; BRANS et al., 2003).

A utilização da ultrafiltração para a remoção de proteínas do soro de queijo,

para a elaboração de soro desproteinizado, pode ser uma alternativa para a

fabricação de bebidas lácteas fermentadas com propriedades terapêuticas dentro

dos padrões e critérios dietéticos requeridos para produto, criando alternativas de

bioconservação, principalmente contra Eschericha coli, Staphylococcus aureus,

Shigella dysenteriae e Bacillus cereus (KAR; MISRA, 1999).

Além de largamente utilizada na indústria de alimentos, a ultrafiltração permite

a obtenção de constituintes com maior importância comercial, pois tem se mostrado

uma das aplicações mais promissoras na concentração de soroproteínas, aplicadas

às indústrias de laticínios. Estudos utilizando processo de separação por membranas

também apresentam bons resultados na hidrólise de lactose frente a processos

tradicionais realizados em batelada (CARMINATTI et al., 2004).

Rektor e Vatai (2004) também utilizaram a ultrafiltração para a filtração de

soro de queijo tipo mussarela, obtendo retenção de 98,7% de gordura e 67% de

proteína, e com membranas de microfiltração, obteve retenção de 100% de gordura

e 75% de proteínas.

Estudos propuseram a utilização de micro e ultrafiltração para a fabricação de

queijos com baixo teor de gordura, na busca de tecnologias inovadoras a fim de

minimizar os danos causados pelos tratamentos térmicos, aos quais o leite é

submetido antes de ser processado em queijo (RODRYGUEZ et al., 1999); e a

utilização do leite ultrafiltrado como leite desnatado para consumo, com teor

reduzido de gordura residual (CUNHA et al., 2003).

Em alguns casos, o processo de ultrafiltração de soro de queijo também é

utilizado para a concentração de componentes sólidos com fins fermentativos,

diminuindo a atividade de água e aumentando a percentagem de nutrientes. Em


estudos realizados com soro de queijo ultrafiltrado para fermentação de Lactococcus

lactis, suplementado com 0,5% de peptona e 0,5% de extrato de levedura, e pH

ajustado a 6,5, submetido a 9 horas de fermentação a 30ºC, se detectou que uma

elevação no pH auxiliou significativamente para um aumento de fluxo. Nesse caso, a

membrana se mostrou eficiente na rejeição de células, porém, devido a seu diâmetro

de poro, não foi eficiente na rejeição de proteína (BRONSTEIN; MONTE ALEGRE,

1998).

O soro de queijo também é citado na literatura como produto de ampla

utilização para a determinação de efeitos de pressão e vazão de alimentação sobre

o fluxo de permeado, utilizando albumina sérica bovina (BSA) para esta

caracterização (BOWEN; GAN, 1991; KELLI; ZIDNEY, 1997; FARRO; VIOTTO,

2003)

A ultrafiltração permite ainda operações de fracionamento de proteínas

através de exclusão por tamanho. Desta forma, pode ser utilizada para

fracionamento e purificação de proteínas lácteas com índices de purificação de 90%

de β-lactoglobulina, em misturas binárias com α-lactoalbumina (CHEANG; ZYDNEY,

2004).

2.7 Fatores Limitantes dos Processos de Separação por Membranas

Apesar da importância do processo de separação por membranas na indústria

de alimentos, este ainda apresenta alguns fatores que ocasionam o declínio de fluxo

de permeado, dentre eles a polarização de concentração, fouling, bloqueio dos

poros e formação de camadas géis, considerados fatores de redução de fluxo

(CHERYAN, 1998; BASSETTI et al., 2003; JAMES et al., 2003). Estes problemas se

agravam em ultrafiltração devido aos altos fluxos e baixos coeficientes de

transferência de massa (MULDER, 2000).

A viabilidade financeira destes processos depende muito de uma máxima taxa

de permeação, com a maior rejeição de soluto e o menor consumo de energia

(CHERYAN, 1998; BASSETTI et al., 2003; JAMES et al., 2003).


A Figura 6 apresenta uma representação esquemática dos diversos fatores de

resistência que podem ocorrer nas membranas, reduzindo o fluxo de permeado em

função do tempo.

FIGURA 6: COMPORTAMENTO DO FLUXO DE PERMEADO EM FUNÇÃO DO TEMPO DE PERMEAÇÃO.

∆P constante

“Fouling”

Polarização

de

Concentração

O fouling pode ser caracterizado como um fenômeno irreversível de redução

de fluxo, causado pelas interações físico-químicas entre a membrana e os vários

componentes presentes no fluido de alimentação. Os efeitos do fouling geralmente

são similares aos efeitos da polarização de concentração, porém a polarização de

concentração é um fenômeno reversível e pode ser minimizado pela simples

mudança nas condições de operação, sendo que o próprio escoamento tangencial já

minimiza sensivelmente a formação de polarização de concentração através do

arraste de partículas presentes na superfície da membrana (ZEMAN; ZYDNEY,

1996; MULDER, 2000).

A polarização de concentração pode levar à formação de uma membrana

secundária, chamada de camada gel. A literatura cita a albumina sérica bovina

(BSA), como proteína modelo para a caracterização de polarização de concentração

de membranas de ultrafiltração. Porém, a literatura também indica que pouco se

sabe o que esta proteína pode formar na superfície da membrana. A BSA contém

uma percentagem de ácidos graxos, e alguns pesquisadores detectaram a influência

de ácidos graxos no comportamento da BSA frente à polarização de concentração

(E-COLLEN; LENCKI, 1999; GAO

FONTE: HABERT et al. (2000).


et al., 2001).

Em estudos realizados com amostras de leite pasteurizado a 75ºC, durante

um período de 20 segundos, observou-se uma efetiva desnaturação da proteína,

formando micelas de caseína, sendo retidas por membranas de ultrafiltração.

Quando submetidos a 3 horas de ultrafiltração, com pressão inicial de entrada de

440 kPa, buscando um fator de concentração no retentado de aproximadamente 6,4

vezes, notou-se que a grande concentração protéica era de caseína, talvez pela sua

presença em maior quantidade na solução (RODRYGUEZ et al., 1999).

O leite, quando submetido à ultrafiltração visando fator de concentração de

3,5, utilizando pressão de 1 kgf/cm2, em membranas com tamanho de poro de 0,08

µm, submetido a tratamento térmico prévio em temperatura de 75ºC durante 15

segundos, obtiveram fluxos de permeados de até 9,73 kg/h.m2. Porém, quando o

leite foi submetido a tratamento térmico prévio de 85ºC por 30 minutos, a

desnaturação protéica e a formação de micelas geraram uma aderência protéica à

membrana e um aumento significativo do fouling, diminuindo significativamente o

fluxo para 3,4 kg/h.m2. Os dois ensaios citados anteriormente, sofreram com o efeito

de compactação da membrana nos primeiros 50 minutos, o que reduziu o fluxo

inicial em até 70%. Desta forma a diminuição da temperatura dos tratamentos

térmicos está diretamente ligada ao aumento de fluxo de permeado em processos

de ultrafiltração com a presença de proteínas lácteas (VEIGA; VIOTTO, 2001).

Autores, pesquisando o tema, tiveram dificuldades de separação da

lactoalbumina de soro de queijo da hemoglobina presente, como citado por Cheang

e Zydney (2004), pois as duas apresentam massas molares idênticas, ressaltando a

importância da ultrafiltração nos processos de separação. Nos estudos, foi utilizado

soro de queijo bovino com adição de proteína pura. O concentrado protéico era

adicionado sob a forma de pó, a um soro com pH 7,0, controlado com adição de

fosfatos. O sistema de filtração tangencial com reciclo total manteve constante a

concentração de proteína. Foram coletados dados com diferentes fluxos, mantendo

a taxa de filtração em 50 L.m.-2 h.-1. Foram ultrafiltradas soluções contendo 10 g/L de

proteínas do soro enriquecidas com 1 g/L de BSA.


Cheang e Zydney (2004) purificaram uma combinação binária de proteína, a

α-lactoalbumina (LA) e a β-lactoglobulina (LG), porém com rendimentos e eficiências

significativos, onde a utilização de membranas de 100.000 Daltons gerou proteínas

com fatores de purificação 10 com 95% de eficiência, enquanto membranas com

30.000 Daltons atingiram eficiência máxima de 85%. Para lactoglobulinas, os

resultados não foram os esperados, pois atingiu-se fatores de purificação 8 para

membranas de 100.000 Daltons e 4 para membranas de 30.000.

O aumento da temperatura pode levar a um aumento do fluxo, devido a seus

efeitos sobre a densidade e viscosidade do fluido (CHERYAN, 1998). Porém, altas

temperaturas podem resultar em desnaturações de proteínas presentes, formando

micelas e agravando os problemas de fouling, e bloqueio dos poros das membranas

(VEIGA; VIOTTO, 2001). O bloqueio geralmente ocorre quando o fluido apresenta a

presença de proteínas lácteas, como é o caso do soro de queijo, com a presença de

α-lactoalbumina, β-lactoglobulina (LINDEN; LORIENT, 1996) e um residual de

caseína em sua composição. A pasteurização a temperaturas de 85ºC e períodos

mais longos, pode formar micelas com tamanhos maiores do que os tamanhos dos

poros da membrana. A adsorção de proteínas e a cristalização de sais de cálcio

podem ser os principais mecanismos que afetam o fouling neste tipo de processo

(VEIGA; VIOTTO, 2001).

Tratamentos térmicos podem ser efetuados para reduzir o efeito de minerais,

precipitando o excesso de sais de fosfato de cálcio e reduzindo o cálcio iônico no

líquido de alimentação, o que leva à diminuição do fouling e, conseqüentemente, ao

aumento da taxa de permeação. Durante o aquecimento, as proteínas também são

afetadas. A α-lactoalbumina e a β-lactoglobulina são desnaturadas e se associam à

micela de caseína. Essa associação ocorre inicialmente por interações hidrofóbicas

e posteriormente por ligações dissulfídicas com a k-caseína. Um tratamento térmico

mais intenso do leite, por exemplo, a 85°C por 30 min, resulta em maior interação

entre proteínas do soro e caseína, quando comparado a leite tratado a temperaturas

como 75°C, por menos de 20 minutos, o que pode afetar o desempenho da

membrana (VEIGA; VIOTTO, 2001).


A remoção prévia da gordura residual do soro de queijo através de

microfiltração, pode reduzir o fouling, aumentando o rendimento e reduzindo o tempo

de processamento. Além disso, a presença de gorduras prejudica as propriedades

de emulsificação e aeração dos concentrados protéicos de soro (CUNHA et al.,

2003)

Em micro e ultrafiltração o transporte de componentes através da membrana

ocorre devido à existência de uma força motriz, que geralmente é uma diferença de

pressão (HABERT et al., 2000), a qual pode ser calculada a través da Equação 2.

(EQUAÇÃO 2)

onde: ∆P é a diferença de pressão usada como força motriz; Pa é a pressão de entrada no módulo; Ps é a pressão de saída de concentrado do módulo; Pp é a pressão do permeado; a média entre a pressão de entrada e saída do módulo se faz necessária devido à perda de carga existente.

Medidas de permeabilidade da membrana permitem o cálculo do fluxo de

permeado em condições de operação, bem como a avaliação do coeficiente de

rejeição da membrana. O fluxo de permeado geralmente é expresso em L/m2h e a

permeabilidade da membrana pode ser expressa como o fluxo de permeado

normalizado em relação à pressão (força motriz). Para membranas de microfiltração,

a permeabilidade de água é acima de 500 L/m2h, e de 50 a 500 L/m2h para

membranas de ultrafiltração (DI LUCCIO, 1997; MULDER, 2000).

2.8 Caracterização de Proteínas

As frações de α-lactoalbumina e β-lactoglobulina presentes em soro de queijo

tipo mussarela, são caracterizadas com alta eficiência quando utilizada análise

quantitativa através de eletroforese, e a determinação de pureza e rendimentos

através de cromatografia líquida de alta eficiência (ALOMIRAH; ALLI, 2002). Na

psa P

PPP −

+=∆

2


rotina industrial é muito utilizada a metodologia de Micro Kjeldahl, para a

determinação de proteína (GAO et al., 2001).

2.9 Limpeza dos módulos de membranas

Outro fator relevante na utilização de processos de separação por

membranas é o sistema e metodologia de limpeza, pois conforme o tipo de fluido e

a condição de processo, pode ocorrer a formação de várias camadas orgânicas e

inorgânicas nas paredes da membrana. Portanto, após o processo de limpeza, se

torna necessária uma análise de fluxo em uma condição padronizada (VEIGA;

VIOTTO, 2001).

Periodicamente, são necessárias paradas para limpeza dos módulos e das

membranas, que consomem energia, tempo, e geram custos ao processo de

separação. Porém, a limpeza não só aumenta a vida útil da membrana como

também maximiza as condições de operação. Até recentemente, poucos estudos

eram realizados a fim de definir métodos de limpeza de membranas. Atualmente, no

entanto, já se tem indicações de protocolos de limpeza química com soluções ácidas

e alcalinas e até a aplicação de enzimas para otimizar os processos de limpeza. As

reduções de fluxo geralmente estão associadas a processo de polarização de

concentração, que é um fenômeno reversível, porém isto não isenta a membrana de

bloqueios irreversíveis como é o caso do fouling (ARGÜELLO et al., 2002).

Na limpeza de resíduos de proteínas de soro de queijo, sÃo obtidos bens

resultados com a utilização de detergentes enzimáticos, como é o caso do P3-

Ultrasil 62 (Henkel Ibérica), aplicados a temperatura entre 48 a 52ºC, pH de 9,5 a

10,0, considerando que, com temperaturas acima de 52ºC, corre-se o risco de

desnaturação da enzima (ARGÜELLO et al., 2002).

Diversos processos podem ser utilizados para retirada de partículas e limpeza

dos módulos e das membranas de fibra oca. Sirkar e Winston (1992) sugerem

soluções de 0,05 M de NaOH e 0.5 M NaCl a 45-55 °C, enxagüando o módulo com

água deionizada a temperaturas entre 45 a 55°C.

A utilização de enzimas proteolíticas também tem sido testada como

coadjuvante nos processos de limpeza. Argüello et al. (2002) testou a limpeza


enzimática de membranas de ultrafiltração utilizando alcalase, que tem uma boa taxa

de reação em temperaturas de 50 a 70ºC e pH entre 6-10. Neste experimento, as

membranas foram utilizadas para a ultrafiltração de soro de queijo e levadas a uma

concentração de 10 a 50 g/L de concentrado protéico de soro de queijo.

Inicialmente, as membranas sujas eram submetidas a um fluxo de água, seguido de

circulação com a solução com enzima sem recirculação de permeado, atingindo

graus de hidrólise de resíduo de 20% em períodos de 20 minutos, considerando a

temperatura ótima abaixo de 52ºC.

Veiga e Viotto (2001) cita outra metodologia para realização da limpeza dos

módulos, baseada na seguinte seqüência: 1) enxágüe com água deionizada; 2)

limpeza com solução de hidróxido de sódio 1%, a 70°C, por 30min; 3) enxágüe com

água deionizada até neutralização; 4) lavagem com solução de ácido nítrico 0,35%,

a 50°C, por 30min; 5) enxágüe com água deionizada até neutralização. Após, a

limpeza, o fluxo de água pura foi medido a 25°C, para avaliar a eficiência da limpeza

e, quando o fluxo foi inferior ao fluxo inicial, o processo de limpeza foi repetido. Antes

de cada processamento, a membrana foi sanitizada, seguindo a seqüência: 1)

enxágüe com água deionizada; 2) limpeza com solução de hipoclorito de sódio 200

ppm, à temperatura ambiente, por 30 minutos; 3) enxágüe com água deionizada até

pH neutro e desaparecimento do cheiro de cloro. O fluxo de água pura era medido a

25°C.

2.10 Vida útil das membranas

Após a conclusão da fase de projeto, inicia a fase operacional das unidades

de membranas, que deve ser norteada pela maximização da vida útil das

membranas. A maximização do período de utilização de uma membrana pode ser

definida pelo monitoramento dos parâmetros de operação e planejamento adequado

das medidas de intervenção, dentre elas os ciclos de limpeza, medidas de

monitoramento de formação de fouling coloidal e biológico (SCHNEIDER; TSUTIYA,

2001).

A formação de biofilmes microbianos na superfície da membrana, juntamente

com a ação de produtos de limpeza, podem influenciar diretamente na redução da

vida útil da mesma, causando degradação. Esta formação pode ser monitorada


através de células de fluxo continuo com pedaços de membranas sem

pressurização, operando em paralelo ao sistema principal de filtração, que podem

ser removidas periodicamente para análise. Desta forma, o monitoramento da

pressão de operação, perda de carga dos módulos, fluxo de permeado e

concentrado, e condutividade elétrica do permeado, podem ser parâmetros

operacionais, que se bem monitorados auxiliarão para uma maximização da vida útil

das membranas, juntamente com a minimização dos custos operacionais

(SCHNEIDER; TSUTIYA, 2001).

CAPÍTULO 3: MATERIAL E MÉTODOS

3.1. Evaporação a vácuo

3.1.1. Matéria-prima

Soro de queijo tipo mussarela foi utilizado como matéria-prima para a

realização dos ensaios que constituíram o experimento, obtido de uma cooperativa

local (COCEL, Erechim, RS). As amostras foram transportadas em bombonas

plásticas de 30 litros até o local do experimento, em períodos de no máximo, 45

minutos após sua obtenção. Logo após a chegada no laboratório, eram resfriadas à

temperatura de 4ºC. A empresa utiliza soro fermento para a fabricação do queijo tipo

mussarela.

Cada lote de soro teve monitorado seu pH, acidez titulável (°Dornic), teores

de sólidos totais (EST), solúveis (ºBrix), lactose, proteína e cor. Em cada ensaio

experimental utilizou-se 3 kg de soro, em função da capacidade volumétrica do

evaporador.

3.1.2. Evaporador

Foi utilizado neste estudo um evaporador a vácuo Stephan Geiger número

3678, motor 9706, modelo UMMSK-12, composto por uma cuba de 8 litros,

realizando o aquecimento através de parede dupla com circulação de vapor, com

controle manual de temperatura e pressão (de 0,9 a –0,9 kgf/cm2), sistema de

agitação com controlador digital de rotação para direção horária e anti-horária. O

equipamento contém uma cuba com duas pás agitadoras, posicionadas

respectivamente a 2 e 4 cm do fundo da câmara de evaporação, conforme pode ser

observado na Figura 7.

Capítulo 3: Meterial e Métodos 30

FIGURA 7: EVAPORADOR A VÁCUO.

3.1.3. Período de evaporação

Para a determinação do período de evaporação, foram realizados testes

preliminares, operando em temperaturas entre 40º a 50ºC, pressão relativa de -0,4 a

-0,9 kgf/cm2; agitação entre 170 a 230 rpm, em períodos de até 40 minutos. Estes

testes foram realizados para se obter respostas em relação a fatores de

concentração e possíveis incrustações de sólidos nas paredes da câmara de

evaporação. O período de evaporação foi padronizado em 30 minutos.

O período necessário para a estabilização da temperatura no equipamento

variou entre 1 a 2 minutos. Estabilizada a temperatura, abria-se a válvula da bomba

de vácuo e iniciava-se a cronometragem do tempo de evaporação.


3.1.4. Níveis das variáveis experimentais (evaporação)

A avaliação dos efeitos das variáveis temperatura, pressão e agitação, no

fator de concentração de soro de queijo mussarela, contou com a utilização da

técnica de planejamento de experimentos.

Padronizado o tempo de concentração, foram definidos os limites das demais

variáveis para a elaboração da matriz experimental que são apresentados na Tabela

3. Como variáveis de resposta, foram utilizados os fatores de concentração e as

percentagens de proteínas, lactose e sólidos totais.

A Tabela 3 apresenta os níveis das variáveis: temperatura, pressão e

agitação utilizadas nos ensaios experimentais.

TABELA 3: NÍVEIS DAS VARIÁVEIS ESTUDADAS NO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23

Níveis

Temperatura (T)

(ºC)

Pressão (P) (vácuo) (kgf/cm2)

Agitação (A)

(rpm)

-1 40 -0,4 170

+1 50 -0,8 230

0* 45 -0,6 200

NOTA: * Ponto central.

A escolha dos níveis de temperatura observados na Tabela 3 baseou-se no

limite de pressão do sistema de vácuo, e temperatura mínima e máxima para

evaporação (acima de 65ºC havia o risco de caramelização de lactose). O sistema

de agitação apresenta como agitação mínima 170 rpm (acima de 230 rpm, as pás do

agitador projetavam o soro nas paredes internas da câmara de evaporação,

causando uma pequena sucção de líquido através do sistema de vácuo).

3.1.5. Amostras

Em cada ensaio experimental foram coletadas amostras de 100 mL do soro e

100 mL de concentrado, acondicionados em frascos âmbar com volume de 110 mL e

mantidos sob congelamento a temperatura de -20ºC (±1), para posteriores

determinações físico-químicas.


3.1.6. Fator de concentração

O fator de concentração foi utilizado como variável de resposta no

planejamento de experimentos e foi definido como a razão entre a massa de soro no

início do processo e a massa de soro ao final do tempo de evaporação.

O módulo era alimentado com 3 kg de soro a uma temperatura de 25ºC (±2),

e a massa obtida ao final da concentração definia o fator de concentração daquele

ensaio, calculado através da Equação 3.

( EQUAÇÃO 3)

onde: Msb, é a massa de soro na alimentação do evaporador e Mc, é a massa de soro obtida após a concentração.

3.1.7. Determinações físico-químicas no soro bruto e nos concentrados

Em cada ensaio utilizou-se uma amostra de soro de queijo coletada em

condição real de processamento. Desta forma, monitorou-se as características

físico-químicas de cada lote, juntamente com os concentrados obtidos.

•••• pH

Determinado utilizando um potenciômetro digital GEHAKA modelo PG 2000,

realizando-se leituras diretamente na amostra, a uma temperatura de 20ºC (±1) (IAL,

1985; AOAC, 1997).

•••• Acidez Dornic

Realizada através de titulometria de neutralização, utilizando solução padrão

de NaOH 0,11 N e indicador de fenoftaleína, segundo a metodologia de TRONCO

(1997) e SILVA et al. (1997).

•••• Densidade

Determinada a 20ºC (±1), através de leitura direta com termolactodensímetro

imerso em 250 mL de amostra, disposto em uma proveta de 250 mL, com resultado

de determinação corrigido a 15ºC (BEHMER, 1986).

c

sbc

M

MF =


•••• ºBrix

Determinado através de leitura direta da amostra a 20ºC (±1) em

refractómetro de bancada, modelo 2WAJ (IAL, 1985).

•••• Sólidos totais

Determinados em duplicata através do método gravimetrico (SILVA et al.,

1997), através da desidratação da amostra em estufa FANEM modelo 320-SE, à

temperatura de 105ºC, conforme descrito por Tronco (1997), até massa constante,

que acontecia em 16 horas.

A percentagem de sólidos totais foi calculada através da Equação 4.

(EQUAÇÃO 4)

onde: Pf é a massa do cadinho com areia e amostra seca após a desidratação a 105ºC, T é a tara do recipiente com areia e Pi é a massa do cadinho com areia e amostra inicial (SILVA et al., 1997).

•••• Proteína

Para a determinação de proteína foram utilizados dois métodos. O primeiro

método utilizado foi o colorimétrico descrito por Bradford (1976), o qual utiliza a

complexação da proteína com corante Comassie Blue G 250, pois este apresenta

uma absorbância máxima a 465 nm, e quando complexado com proteínas, causa um

deslocamento da faixa ótima para 595 nm. A formação do complexo é estável em no

máximo 2 minutos, e pode perdurar por mais de 1 hora. Esta determinação pode ser

utilizada para proteínas e polipeptídeos com massas molares acima de 3.000

Daltons, apresentando elevada reprodutibilidade e sensibilidade (menos que 1 µg de

soralbumina) (SGARBIERI, 1996). Para as leituras de absorbância foi utilizado um

espectrofotômetro AGILENT modelo 8453.

O segundo método utilizado foi o de Kjeldahl, considerado como método de

referência. Este método consiste na destruição da matéria orgânica pela sua

100% ⋅−

−=

TP

TP

i

f

EST


digestão com ácido sulfúrico, passando o nitrogênio presente para a forma de sulfato

de amônio, conhecido também por método NKT (Nitrogênio Kjeldahl Total)

(TRONCO, 1997).

•••• Lactose

O método de cloramina T (SILVA et al., 1997) foi utilizado para a

determinação do teor de lactose das amostras. O método consiste na quantificação

de iodo liberado por uma amostra adicionada de hipoclorito de sódio (na forma de

cloramina T) e iodeto de potássio. A lactose presente consome hipoclorito para a

formação de ácido iodídrico, e o teor de iodo é titulado com tiossulfato de sódio,

utilizando amido solúvel como indicador.

•••• Cor

Para a determinação de cor foi utilizado o colorímetro minolta CR 400. Foram

efetuadas leituras diretas em triplicata, utilizando 25 mL de amostras em placa de

petri a 0,4 cm de distância entre a base do colorímetro e a superfície da amostra. Os

parâmetros de cor medidos foram L* (luminosidade); a* (eixo vermelho – verde); b*

(eixo amarelo – azul) e ∆E (variação da cor), conforme a Equação 5.

222 baLE ∆+∆+∆=∆ (EQUAÇÃO 5)

•••• Relação proteína/lactose

A relação proteína/lactose, considerada por Farro e Viotto (2003) um fator de

análise da composição proteíca em concentrados de soro foi determinada através da

Equação 6.

(EQUAÇÃO 6)

onde: RPt/Lac é a razão de relação proteína lactose; %Pt é a percentagem de proteína e %Lac é a percentagem de lactose.

Lac

Pt

Lac

PtR%

%=


•••• Percentagem de variação da relação proteína/lactose

A percentagem de variação (V) (FARRO; VIOTTO, 2003) utilizada para

determinar a variação da relação proteína sobre o teor de lactose em processo de

separação por membranas, foi utilizada para calcular a variação da relação protéica

com os teores de lactose nos concentrados, em relação à encontrada no soro bruto,

conforme a Equação 7.

(EQUAÇÃO 7)

onde: %V é a percentagem de variação do componente (proteína/lactose); (Pt/Lact)Fc é a relação proteína total sobre lactose no concentrado; e (Pt/Lact)Alim é a relação proteína total sobre lactose na alimentação.

3.1.8. Análise dos resultados

Os resultados foram analisados estaticamente, com índices de confiança de

95%, utilizando o programa Statistica 5.1 (StatSoft, 1996), obtendo-se médias,

desvios padrões e desvios percentuais. Os efeitos absolutos apresentados na forma

de gráfico de Pareto e análise de variância, realizada visando a validação de modelo

matemático e a obtenção de superfície de resposta em relação às variáveis

estudadas (temperatura, pressão e agitação).

3.2. Processo de separação por membranas (PSM)

Para a realização das atividades experimentais de concentração de soro de

queijo tipo mussarela através de ultrafiltração, foi utilizada a unidade piloto de

ultrafiltração do SENAI de Chapecó-SC.

3.2.1. Matéria-prima

Soro de queijo tipo mussarela foi utilizado como matéria-prima para a

realização do experimento, obtido de um laticínio local (Tirol-Chapecó-SC),

100%

%

%

%%

lim

⋅

−

=

AFc

VLac

Pt

Lac

Pt


transportado em bombonas plásticas a uma temperatura de 34 a 40ºC até a unidade

de processamento do SENAI-Chapecó. Foi utilizado um módulo de fibra oca de

10.000 Daltons.

Logo após a filtração em peneira com tamanho de poro de ±1 mm para a

retirada de partículas em suspensão e possíveis blocos de caseína, o soro de queijo

foi submetido ao processo de ultrafiltração.

Foi monitorada a acidez Dornic do soro de alimentação, fator que poderia

influenciar na precipitação de proteínas. Por se tratar de soro de queijo já

pasteurizado e com baixa acidez, o mesmo não foi repasteurizado nem teve seu pH

ajustado como indicado por Bassetti, et al. (2003), para experimentos desta

natureza.

3.2.2. Equipamentos

•••• Ultrafiltração e concentração

Para a realização dos experimentos de ultrafiltração, foi utilizado ultrafiltro

com escoamento tangencial, com módulo (cartucho) de membrana de fibra oca,

modelo UFP/10/E/65, com área filtrante de 4,4 m2, e massa molecular de corte (cut

off) de 10.000 Daltons, com controle de temperatura, pressão e vazão de

alimentação, conforme Figura 8.

FIGURA 8: SISTEMA E MÓDULO DE ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANAS DE FIBRA OCA.


•••• Fracionamento

Para realizar o fracionamento de proteínas, foi utilizado módulo de bancada

com escoamento tangencial, com membrana plana de micro e ultrafiltração (Figura

9).

FIGURA 9: MÓDULO DE BANCADA DE MICRO E ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA PLANA

3.2.3. Níveis das variáveis experimentais (PSM)

A avaliação dos efeitos das variáveis: temperatura, pressão e vazão de

alimentação sobre o fluxo de permeado e a concentração de soro de queijo tipo

mussarela, foi realizada através de um planejamento fatorial completo 23, com três

variáveis de entrada e réplicas (cinco) do ponto central, totalizando 13 ensaios

experimentais. Os níveis das variáveis experimentais, utilizados no trabalho, são

demonstrados na Tabela 4.

TABELA 4: NÍVEIS DAS VARIÁVEIS ESTUDADAS NO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23

Níveis

Temperatura (T)

(ºC)

Pressão (P)

(kgf/cm2)

Vazão de alimentação (V)

(L/min)

-1 25 0,5 45

+1 45 1,5 65

0* 35 1,0 55

NOTA: *Ponto central.


Os níveis das variáveis mostrados na Tabela 4, foram definidos com base na

bibliografia e nos limites técnicos do equipamento de ultrafiltração, mostrados na

Figura 8. Trabalhos realizados com soro de queijo mussarela, minas frescal e

parmesão, definiram faixas de temperaturas entre 20 a 50ºC para a ultrafiltração de

soro de queijo (BRONSTEIN; MONTE ALEGRE, 1998; BASSETTI, et al., 2003;

CARMINATTI et al., 2004).

O experimento foi desenvolvido com níveis de temperatura entre 25 e 45ºC,

pois não havia unidade de refrigeração de fluido na alimentação, e acima de 45ºC

poderia haver danos à membrana. A pressão utilizada no experimento foi limitada

em decorrência de que o módulo de ultrafiltração utilizado apresentava pressão

máxima de operação de 2 kgf/cm2; estava equipado com sistema de segurança (a

bomba do ultrafiltro se desligava com vazões de alimentação acima de 70 L/min).

3.2.4. Amostras

A cada ensaio experimental foram guardadas amostras de 250 mL de soro

bruto, de soro concentrado e permeado, a cada 10 minutos de ultrafiltração. As

amostras foram mantidas sob congelamento a -20°C (±1), por um período que variou

entre 2 a 60 dias após a coleta.

3.2.5. Ultrafiltração

O módulo foi operado com água durante 60 minutos antes de cada

experimento, em regime de reciclo total, para se obter dados sobre a compactação

da membrana.

O módulo era alimentado com 50 litros de soro, a uma temperatura de 25ºC.

O soro de queijo mussarela, previamente filtrado (peneira com tamanho de poro de

±1mm), foi submetido à ultrafiltração com reciclo total, para o acompanhamento da

formação de fouling e polarização de concentração, durante um período de 60

minutos; pois não havia alteração de concentração de soluto na alimentação.

Após este tempo, o soro foi submetido à concentração, através da

ultrafiltração sem reciclo. A determinação do final da concentração foi feita através

da coleta de 40 litros de permeado, considerando que o módulo armazena 1,50 litros

de fluido já permeado, entre a saída da tubulação de coleta de permeado e a

superfície externa do módulo de membranas, o que permite uma permeação de


41,50 litros, com um fator de concentração de 5,9 vezes. Nesta fase, o soro da

alimentação não apresentava mais uma concentração normalizada, pois a

concentração aumentava com o tempo, a partir da retirada de solvente.

3.2.6. Limpeza do módulo de membranas

Entre cada um dos ensaios experimentais, o processo de limpeza do módulo

era realizado através do sistema CIP (clean-in-place), onde, para preparar o

equipamento para uma nova operação, era necessário enxágüe triplo com água

pura de recirculação, solução de NaOH (6%) (pH>10) durante 60 minutos, um novo

enxágüe triplo e mais 60 minutos de recirculação com ácido fosfórico (0,01%)(pH

3,5), finalizando com enxágüe triplo à base de água pura. A recuperação de fluxo

somente ocorria após o relaxamento da membrana (efeito da redução de pressão);

provavelmente porque o sistema CIP era operado em pressão de 1,5 kgf/cm2,

mantendo a compactação da membrana durante as operações de limpeza.

3.2.7. Determinações físico-químicas

O pH, acidez Dornic, sólidos solúveis (ºBrix) e sólidos totais, teor de proteínas,

lactose, cor e a relação proteína lactose do soro bruto, concentrado e permeado

foram determinados conforme citado no item 3.1.7. deste Capítulo.

3.2.8. Fracionamento de proteína

A avaliação preliminar do fracionamento das proteínas de soro de queijo

mussarela, foi realizada com base nos dados bibliográficos existentes e em nível de

bancada utilizando módulo de escoamento tangencial, apresentado na Figura 9. A

partir destes, se definiu uma seqüência operacional, iniciada pela concentração do

soro de queijo em 5,9 vezes, em membrana com cut off de 10.000 Daltons (item

3.2.5).

• Microfiltração

Após a concentração e caracterização, as amostras concentradas

selecionadas para o fracionamento foram submetidas a microfiltração, em

membranas de 0,45 µm, com o objetivo de reter partículas no concentrado, dentre

elas microorganismos e proteínas insolúveis.

Foi utilizado um módulo de escoamento tangencial de membrana, mostrado

na Figura 9, e 500 mL de soro concentrado foram colocados em um frasco cônico


com capacidade para 1000 mL, para alimentação do sistema. O sistema entrou em

regime com reciclo de concentrado, e o tempo de permeação foi cronometrado a

partir da coleta da primeira gota de permeado em uma proveta de 250 mL. Foram

coletados 290 mL de permeado, medindo-se o fluxo a cada 10 mL de permeado

coletado. O sistema apresentava um volume morto de alimentação de

aproximadamente 110 mL de fluido, fator que limitou a quantidade de permeado

coletado; o qual operou a uma pressão de 1,0 kgf/cm2, temperatura de 25ºC e vazão

de alimentação de 1 L/min.

A Figura 10 apresenta a seqüência de operações utilizadas no processo de

fracionamento.

FIGURA 10: ESQUEMA DE FRACIONAMENTO DE PROTEÍNAS ATRAVÉS DE MICRO E ULTRAFILTRAÇÃO.

• Ultrafiltração

O permeado da microfiltração foi submetido a ultrafiltração, através de

membrana com cut off de 100.000 Daltons, visando a separação de frações de

Soro Alimentação

Concentrado Proteínas

Bactérias, impurezas e gordura

Proteínas MM > 100.000

(Caseína - MM 23.000)

Proteínas permeadas

Proteínas 10.000 < MM < 100.000

(αα --llaaccttooaallbbuummiinnaa (MM 14.176) e ββ --llaaccttoogglloobbuulliinnaa (MM 18.362)

Proteínas MM < 20.000 (αα --llaaccttooaallbbuummiinnaa (MM 14.176) e ββ --llaaccttoogglloobbuulliinnaa (MM 18.362)

Proteínas 20.000 < MM <

100.000 (BSA - MM 66,200)

10.000 Daltons

100.000 Daltons

0,45 ηm

20.000 Daltons

Aminoácidos lactose e sais


proteínas solúveis com massas molares acima de 100.000 Daltons, retidas no

concentrado, e frações com massas molares entre 10.000 e 100.000 Daltons

presentes no permeado. O permeado desta etapa foi novamente submetido à

ultrafiltração em membranas com cut off de 20.000 Daltons, com o objetivo de fazer

a retenção no concentrado, de frações com massa molares entre 20.000 e 100.000

Daltons, e a permeação de frações com massas molares entre 10.000 e 20.000

Daltons, considerando um coeficiente de rejeição de 95 %.

CAPÍTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste Capítulo são apresentados os resultados obtidos no processo de

concentração de soro de queijo por evaporação a vácuo e, posteriormente, os

resultados de concentração e fracionamento de soro por ultrafiltração.

4.1. Evaporação a vácuo

Efetuaram-se vários ensaios preliminares para definir os limites das variáveis

a serem estudadas. A não existência de dados sobre a possibilidade de incrustação

nas paredes internas do evaporador, os limites de temperaturas e o comportamento

do soro frente à agitação, motivaram a realização destes ensaios prévios.

4.1.1. Ensaios preliminares

Para a realização dos ensaios preliminares foram fixados: tempo de

evaporação em 40 minutos, pressão em -0,8 kgf/cm2 e agitação em 230 rpm,

variando-se a temperatura (45, 55 e 65ºC), obtendo-se como resposta o fator de

concentração e o teor de sólidos solúveis (através da determinação de ºBrix).

Pode-se observar os valores de volume do soro, que determinaram o fator de

concentração, através da Figura 11.

FIGURA 11: VOLUME DO SORO DE QUEIJO, SUBMETIDO À EVAPORAÇÃO A VÁCUO EM TEMPERATURA DE 45, 55, E 65ºC; PRESSÃO DE –0,8 KGF/CM2, E AGITAÇÃO DE 230 RPM, DURANTE UM PERÍODO DE 40 MINUTOS.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50

Tempo (minutos)

Vo

lum

e (m

L)

45ºC

55ºC

65ºC

Capítulo 4: Resultados e Discussão 43

Nos primeiros 20 minutos de concentração nas temperaturas estudadas,

ocorreu redução no volume, de 51,7 a 92,3%; sendo que a 65ºC ocorreu a maior

redução de volume, mostrada na Figura 11.

O evaporador utilizado no trabalho (Figura 7) possui duas pás agitadoras, a 2

e 4 cm do fundo da câmara de evaporação. Desta forma, quando o volume do

concentrado é menor do que 300 mL, não é tocado pelas pás do agitador. Nos

ensaios conduzidos a 55 e 65ºC, após transcorridos 30 minutos, o volume de soro já

se encontrava abaixo de 300 mL, sendo os ensaios conduzidos a partir daí, com

deficiência de agitação. Desta forma, não foi possível a retirada de amostras de

todos os concentrados nos tempos programados, havendo a formação de uma fina

camada de sólidos depositada nas paredes internas da câmara de evaporação, com

espessura aproximada de 1 mm.

Com a redução do volume, ocorreu aumento no teor de sólidos solúveis,

medidos através da determinação dos graus Brix. Estes valores encontram-se na

Figura 12. A redução do volume durante a evaporação levou a uma redução de

pressão, que chegou próxima a –0,9 kgf/cm2 ao final do período de evaporação (40

minutos).

FIGURA 12: CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS SOLÚVEIS (ºBRIX) NO SORO DE QUEIJO, QUANDO SUBMETIDO À EVAPORAÇÃO A VÁCUO NAS TEMPERATURAS DE 45, 55, 65ºC; PRESSÃO DE –0,8 KGF/CM2, E AGITAÇÃO DE 230 RPM, DURANTE O PERÍODO DE 40 MINUTOS.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50

Tempo (minutos)

ºBri

x 45ºC

55ºC

65ºC


Na temperatura de 65ºC ocorreu maior elevação nos teores de sólidos

solúveis, pois o grau Brix do soro passou de 9 para 65 ºBrix após 30 minutos de

evaporação (Figura 12), sendo necessária a retirada do soro antes do tempo

programado, devido à grande redução de volume (Figura 11) e problemas de

agitação.

Após avaliação preliminar, estabeleceu-se o tempo máximo de evaporação

em 30 minutos, para evitar a redução de volume abaixo do mínimo necessário para

que houvesse agitação, e minimizar a formação de incrustação nas paredes internas

da câmara de evaporação.

4.1.2. Evaporação a vácuo

Padronizado o tempo de concentração, foram definidos os limites das demais

variáveis para a elaboração da matriz experimental, cuja temperatura variou entre 45

a 65ºC, pressão entre -0,4 e -0,8 kgf/cm2 e agitação entre 170 e 230 rpm.

Na Tabela 5, pode-se observar a matriz real e codificada, composta pelos 11

ensaios experimentais com suas respectivas variáveis e seus níveis.

TABELA 5: MATRIZ DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 (VALORES REAIS E CODIFICADOS).

Ensaio T (°°°°C) P (kgf/cm2) A (rpm)

01 40 (-1) -0,4 (-1) 170 (-1)

02 40 (-1) -0,4 (-1) 230 (+1)

03 40 (-1) -0,8 (+1) 170 (-1)

04 40 (-1) -0,8 (+1) 230 (+1)

05 50 (+1) -0,4 (-1) 170 (-1)

06 50 (+1) -0,4 (-1) 230 (+1)

07 50 (+1) -0,8 (+1) 170 (-1)

08 50 (+1) -0,8 (+1) 230 (+1)

09(a) 45 (0) -0,6 (0) 200 (0)

09(b) 45 (0) -0,6 (0) 200 (0)

09(c) 45 (0) -0,6 (0) 200 (0)

NOTA: T = temperatura; P = pressão; A = agitação.


O experimento foi realizado com base na matriz apresentada na Tabela 5.

Como variáveis de resposta foram utilizados os fatores de concentração, e as

percentagens de proteínas frente às variáveis temperatura, pressão e agitação, a

95% de confiança (p<0,05).

4.1.3. Determinações analíticas realizadas no soro bruto

Cada ensaio experimental utilizou uma amostra de soro coletada em um

laticínio local, em condições reais de processamento. Desta forma, monitorou-se as

características físico-químicas de cada lote.

A Tabela 6 apresenta os resultados, as médias e os desvios das

determinações analíticas efetuadas no soro bruto utilizado em cada ensaio,

juntamente com a relação proteína/lactose que, conforme Farro e Viotto (2003),

serve como um parâmetro para acompanhamento de concentração.

TABELA 6: AVALIAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DAS AMOSTRAS DE SORO BRUTO UTILIZADAS EM CADA ENSAIO DO PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS.

Ensaio Umidade

(%)

EST

(%) pH º D

Lactose

(%) º

Brix Densidade Proteína1

(%)

Proteína2

(%)

Relação

Ptn(NKT) /Lactose

1 93,47 6,53 6,58 12,0 4,82 8,90 1,02 0,81 0,21 0,17

2 94,31 5,69 6,87 11,0 5,43 9,00 1,02 0,80 0,21 0,15

3 93,47 6,53 6,58 12,0 4,82 8,90 1,02 0,83 0,25 0,17

4 94,31 5,69 6,87 11,0 5,43 9,00 1,03 0,84 0,25 0,16

5 93,06 6,94 6,85 14,0 4,93 9,40 1,03 0,88 0,22 0,18

6 93,98 6,02 6,92 12,0 4,92 9,20 1,03 0,83 0,22 0,17

7 93,08 6,92 6,71 12,5 4,82 9,50 1,03 0,91 0,34 0,19

8 93,98 6,02 6,92 12,0 4,92 9,20 1,03 0,90 0,31 0,18

9(a) 93,06 6,94 6,85 14,0 4,92 9,40 1,03 0,84 0,16 0,17

9(b) 93,98 6,02 6,92 12,0 4,92 9,20 1,03 0,77 0,21 0,16

9(c) 93,98 6,02 6,92 12,0 4,92 9,20 1,03 0,81 0,20 0,16

Média 93,70 6,30 6,82 12,23 4,99 9,17 1027 0,84 0,24 0,17

Desv.Pad. 0,49 0,49 0,13 0,98 0,22 0,21 1,21 0,04 0,05 0,01

% Desv. 0,52 7,78 1,91 8,01 4,41 2,29 0,12 4,76 20,83 5,88

NOTA: 1NKT (%), 2BRADFORD (1976) (%)


Alguns trabalhos realizados com soro de queijo proveniente da fabricação de

queijo prato e frescal apresentaram uma composição de 93 a 94,1% de umidade; 5,9

a 7,0% de sólidos totais (EST); 0,86 a 0,99% de proteínas, e lactose entre 4,59 a

5,00% (LINDEN; LORIENT, 1996; FARRO; VIOTTO, 2003). Estes percentuais

também são citados por Veisseyre (1988), Luquet et al..(1993) e Tronco (1997).

Porém, Kar e Misra (1999), utilizando soro de queijo para fabricação de bebidas

fermentadas, encontraram percentagens de 0,46% de proteína, ressaltando assim,

variações físico-químicas encontradas no soro de queijo.

No presente estudo, os valores de umidade determinados no soro bruto

utilizado nos onze ensaios experimentais variaram entre 93,06 a 94,31%, sólidos

totais (EST) entre 6,02 a 6,14%, lactose entre 4,82 e 5,43% e proteína entre 0,77 a

0,91% (Tabela 6), estando estes valores próximos aos citados na literatura.

O soro de queijo mussarela, por apresentar um teor de acidez inferior a 18º

Dornic, é considerado um soro doce, apresentando pH próximo a 6,5 (VEISSEYRE,

1988; LUQUET et al., 1993). A média da acidez Dornic e pH dos onze ensaios foi

12,23°D e pH 6,73, concordando com os valores citados por Veisseyre (1988),

Linden e Lorient (1996), Tronco (1997) e Farro e Viotto (2003).

Luquet et al. (1993) encontraram valor médio de pH de 5,4 em amostras de

soro bruto utilizado na alimentação do processo de concentração por membranas.

Neste caso, o valor médio de pH encontrado no soro dos onze ensaios foi superior,

variando de 6,58 a 6,92.

As raças, fase de lactação, alimentação dos animais e tipo de queijo

influenciam na composição do soro obtido, justificando assim a variação nos valores

físico-químicos encontrados entre os dados obtidos no soro bruto do experimento e

os citados na literatura (LINDEN; LORIENT, 1996; VEISSEYRE, 1988).

A quantificação de proteína do soro realizada através do método NKT,

retratou o descrito por Linden e Lorient (1996) e Farro e Viotto (2003). Porém,

quando submetida à determinação pelo método colorimétrico de Bradford (1976),

ocorreu sub-quantificação dos percentuais protéicos, provavelmente porque o

padrão utilizado foi o BSA. Desta forma, verificou-se que este método pode não ser


eficiente para determinação de proteínas lácteas, conforme pode ser observado na

Tabela 7.

4.1.4. Concentrados

Após a realização dos 11 ensaios experimentais de evaporação (Tabela 6),

determinados pela matriz do planejamento de experimentos (Tabela 5), foram

determinados os teores de lactose, proteína, relação proteína/lactose, diferenças de

cor entre o soro bruto e os concentrados, e os fatores de concentração, que se

encontram na Tabela 7.

TABELA 7: PERCENTAGEM DE LACTOSE, PROTEÍNA (BASE SECA), RELAÇÃO PROTEÍNA/LACTOSE, DIFERENÇAS DE LUMINOSIDADE E COR ENTRE O SORO BRUTO E OS CONCENTRADOS E FATORES DE CONCENTRAÇÃO.

Ensaio Lactose

(%) Proteína

(%)1

Relação

Ptn(NKT) /Lactose

∆∆∆∆L* ∆∆∆∆a* ∆∆∆∆b* C h

(º)

∆∆∆∆E2

FC

01 5,34 12,30 0.15 -4.81 0.43 -1.73 1.79 -20,34 5,13 1,0059

02 5,08 11,83 0.16 -2.71 0.59 -0.31 0.84 -45,00 2,79 1,1877

03 5,62 12,76 0.15 -1.19 -0.08 -0.59 0.59 -48,49 1,33 1,0018

04 5,79 12,21 0.15 -4.36 0.38 -0.65 0.75 -33,82 4,42 1,2121

05 5,68 12,58 0.15 -1.06 -0.28 -0.22 0.36 -34,61 1,12 1,0032

06 5,75 12,71 0.14 -0.16 -1.29 -1.09 1.68 -32,62 1,69 1,0874

07 6,55 7,52 0.14 -0.68 -0.36 -0.17 0.40 -24,23 0,79 1,0482

08 6,06 12,26 0.15 -1.02 -1.68 -1.03 1.97 -27,92 2,22 1,2240

09(a) 5,24 11,90 0.16 -0.54 -0.35 0.15 0.38 -39,69 0,66 1,0125

09(b) 5,52 11,86 0.14 0.98 -0.46 -0.30 0.55 -69,81 1,12 1,0813

09(c) 5,72 12,62 0.14 0.90 -0.67 -0.17 1.12 -65,65 1,13 1,0668

NOTA: 1base seca (NKT)(percentagem calculada sob a massa de sólidos totais), 2 222 baLE ∆+∆+∆=∆ E ∆L* (diferença de luminosidade); ∆a* (diferença de variação entre vermelho – verde); ∆b* (diferença de variação entre amarelo – azul); C (CHROMA); h (ângulo no eixo ab); ∆E (variação da cor)

•••• Percentagem de variação da razão proteína/lactose

Farro e Viotto (2003), no processo de separação por membranas, calculam a

percentagem de variação proteína/lactose (%V), que é obtida através da variação


entre a razão (proteína/lactose) dos concentrados e do soro bruto, que é calculada

através da Equação 7, citada nos materiais e métodos.

Farro e Viotto (2003) descrevem uma percentagem de variação na relação

proteína/lactose de até 3610,9%, em soro doce concentrado 15 vezes, obtendo a

razão de 36,11 vezes maior que a encontrada no soro bruto. Isto se justifica em

processos de separação por membranas (microfiltração e ultrafiltração), porque

ocorre concentração de proteína e não de lactose, aumentando a percentagem de

variação da relação. Em concentração de soro de queijo realizada através de

evaporação a vácuo, ambos os componentes (proteína e lactose) são concentrados,

logo, a relação proteína/lactose não apresenta essa percentagem de variação.

Os resultados físico-químicos das Tabelas 6 e 7 possibilitaram o cálculo da

relação proteína/lactose, juntamente com sua percentagem de variação (%V), onde

os valores variaram de -27,08 a 4,91%, tendo como média -11,97 % de variação. Os

resultados mostram que ocorreu concentração de ambos os componentes (proteína

e lactose), sendo que os valores negativos indicam uma pequena concentração de

lactose superior à proteína, considerado normal em evaporação a vácuo,

provavelmente devido à incrustação de proteína nas paredes da câmara de

evaporação.

•••• Determinação de cor

Quando as amostras foram submetidas a determinação de cor através de

colorímetro, apresentaram uma variação entre a cor do soro e a dos concentrados,

determinada pelo ∆E, não sendo possível correlacionar esta diferença de cor com a

concentração de lactose. A amostra do Ensaio 1 da matriz experimental (Tabela 5),

evaporada na condição mais branda (45ºC, 0,4 kgf/cm2, e 170 rpm), apresentou o

maior valor de ∆E, caracterizando a maior diferença de cor entre o concentrado e o

soro bruto (Tabela 7). No entanto, quando determinados os valores independentes

de L*, a* e b*, foi observada correlação isolada das percentagens de proteína com

as variações de cor, conforme pode ser observado na Figura 13, que apresenta o

diagrama de cores utilizado pelo calorímetro Minolta.


FIGURA 13: DIAGRAMA DE CORES PARA ANÁLISE DE COLORIMETRIA.

onde: L* (luminosidade); a* (eixo vermelho – verde); b* (eixo amarelo – azul); ∆E (variação da cor).

Com os dados da Tabela 7 pode-se localizar a coloração do soro no diagrama

de cores apresentado na Figura 13, sendo que o soro de queijo mussarela (bruto e

concentrado até 1,22 vezes) se localiza no quadrante L* (+), a* (-) e b* (+),

apresentando cor amarelo-esverdeado com pouca luminosidade. Durante a

evaporação, as amostras apresentaram, em média, diminuição da luminosidade (∆L*

de –4,81 a 0,98), aumento médio na saturação de verde (∆a* de –1,68 a 0,59) e

redução média na saturação de amarelo (∆b* de -1,73 a 0,15), provavelmente em

função do aumento da concentração de proteínas.

A Figura 14 apresenta as variações dos valores de cor, com base na

luminosidade (L*), juntamente com a variação das percentagens de proteínas

presentes nas amostras de soro bruto.

FIGURA 14: VARIAÇÕES DOS VALORES DE COR (L*), E PERCENTAGEM DE PROTEÍNA PRESENTE NO SORO BRUTO.

10,00

11,00

12,00

13,00

14,00

15,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Amostras de Soro Bruto

Pro

teín

a (%

)

38,00

39,0040,00

41,00

42,0043,00

44,00

Co

r (L

*)

Proteína

Cor

(+) azul

L* (escuro)

L* (claro)

-a* verde

+a* vermelho

(-) amarelo

(-) amarelo

(+) azul

-a* verde

+a* vermelho

b

b

b

b


Pode-se observar na Figura 14 a correlação entre a luminosidade das

amostras de soro bruto e seus percentuais de proteínas presentes, calculadas em

base seca. Desta forma, confirma-se a influência da composição protéica do soro em

sua luminosidade: quanto maior o percentual de proteína, mais branco é o soro.

A Figura 15 apresenta as variações dos valores de cor com base nas leituras

do eixo b* (amarelo ao azul), juntamente com a variação das percentagens de

proteínas presentes nos concentrados.

FIGURA 15: VARIAÇÕES DOS VALORES DE COR (EIXO B*), E PERCENTAGEM DE PROTEÍNA PRESENTES NOS CONCENTRADOS.

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ensaios Experimentais

Pro

teín

a (%

)

-8

-6

-4

-2

0

2

Co

r (b

*)

Proteína (base seca)

Cor (b)

Pode-se observar na Figura 15 uma correlação do teor protéico do soro

concentrado com a variação de cor, similar à encontrada na Figura 14, referente ao

soro bruto, que no caso dos concentrados foi determinada no eixo b* do diagrama

de cores (Figura 13). Desta forma, pode-se afirmar que a variação no teor protéico

altera a coloração do soro entre o amarelo e o azul, sendo que a maior percentagem

de proteína torna-o mais saturado na coloração amarela.

Esperava-se que os parâmetros de cor (L*, a* e b*) indicassem a

caramelização das amostras submetidas às maiores temperaturas e menores

pressões (maior vácuo); no entanto, pela análise dos resultados de ∆a* e ∆b*

(Tabela 7), observa-se que não houve alteração de coloração amarela e vermelha

após a concentração, sugerindo baixa ocorrência deste tipo de reação dentro da

faixa estudada.


•••• Fator de concentração

Com base nos resultados de fator de concentração (FC) da Tabela 7, os quais

não apresentaram a mesma desidratação obtida nos ensaios preliminares, pode-se

afirmar que durante as evaporações realizadas no experimento, a pressão

manométrica foi rigorosamente padronizada nos valores determinados pela matriz

do planejamento (Tabela 5). Para tal, era necessário um alívio manual na válvula da

linha de vácuo do equipamento (Figura 7), permitindo entrada de ar no sistema.

Assim, pode-se dizer que o experimento operou com pressões manométricas

de -0,4, -0,6 e -0,8 kgf/cm2, respectivamente, com +0,6, +0,4 e +0,2 kgf/cm2 de

pressão absoluta.

Os maiores fatores de concentração foram obtidos nas condições que

apresentavam a maior agitação (230 rpm), pois o aumento da velocidade de

agitação favorece o maior contato entre o líquido e a camisa de vapor do

evaporador, e ainda aumenta a transferência de calor no interior do líquido. Uma

avaliação mais precisa dos efeitos das variáveis manipuladas sobre o fator de

concentração foi obtida através da análise estatística dos resultados do

planejamento, realizada com o auxílio do programa Statística 5.1, podendo ser

observada na Figura 16.

Não foi possível validar estatisticamente um modelo matemático do fator de

concentração em função das variáveis estudadas (temperatura, pressão e agitação),

sendo possível apenas a obtenção dos efeitos.

•••• Analise estatística do fator de concentração

A Figura 16 mostra o gráfico de Pareto com os efeitos absolutos (que levam

em consideração os desvios padrões) das variáveis manipuladas sobre o fator de

concentração. Observa-se que a agitação apresentou efeito positivo e

estatisticamente significativo (p<0,05) frente à concentração. A pressão de operação

e a temperatura não apresentaram efeitos estatisticamente significativos (p<0,05)

sobre o fator de concentração, provavelmente devido ao grande erro experimental

obtido nos ensaios (Tabela 7).


FIGURA 16: GRÁFICO DE PARETO DOS EFEITOS ABSOLUTOS DAS VARIÁVEIS MANIPULADAS SOBRE O FATOR DE CONCENTRAÇÃODO SORO.

Efeito Absoluto

-1,53267

6,922293

22,36251

p=,05

(1)TEMP

(2)PRESSÃO

(3)AGITAÇÃO

-5 0 15 20 25

Mesmo que a agitação tenha apresentado efeito positivo, observado na

Figura 16, ocorreu pouca retirada de água do soro bruto. Com isso, torna-se

necessária a ampliação da faixa das variáveis estudadas, o que não é viável na

prática, pelos motivos expostos anteriormente. A análise estatística do teor de

proteína nos concentrados mostrou que a 95% de confiança (p<0,05) nenhuma das

variáveis influenciou significativamente nas concentrações protéicas. Os resultados

mostram que, além de ampliar as faixas de estudo, deve-se adequar o equipamento

(Figura 7) para a obtenção de maior repetibilidade dos resultados.

As limitações do equipamento não permitiram a ampliação das faixas das

variáveis em estudo, em função de que -0,9 kgf/cm2 era o limite de pressão do

sistema de vácuo, abaixo de 45ºC não se obteve desidratação, e acima de 65ºC

havia o risco de caramelização de lactose. O sistema de agitação apresenta como

agitação mínima 170 rpm; e acima de 230 rpm, as pás do agitador projetavam o soro

nas paredes internas da câmara de evaporação, causando uma pequena sucção de

líquido através do sistema de vácuo.

De todos os ensaios realizados, observou-se que o maior fator de

concentração foi obtido no ensaio 8, utilizando temperatura de 50ºC, pressão de -0,8

kgf/cm2 e agitação de 230 rpm (Tabela 7).


4.2. Ultrafiltração

A análise dos efeitos dos parâmetros experimentais (temperatura, pressão e

vazão de alimentação) sobre os fluxos de permeado e concentrado, juntamente com

o fracionamento de proteínas de soro de queijo, foi realizada através de um

planejamento fatorial completo 23.

Os resultados obtidos e tratados estatisticamente são apresentados

respeitando a ordem cronológica de realização dos experimentos: concentração e

fracionamento.

A Tabela 8 apresenta a matriz do planejamento de experimentos, composta

pelos 13 ensaios experimentais.

TABELA 8: MATRIZ DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23, VALORES REAIS E CODIFICADOS.

Ensaio T

(°°°°C)

P

(kgf/cm2)

V

(L/min)

1 25 (-1) 0,5 (-1) 45 (-1)

2 25 (-1) 0,5 (-1) 65 (+1)

3 25 (-1) 1,5 (+1) 45 (-1)

4 25 (-1) 1,5 (+1) 65 (+1)

5 45 (+1) 0,5 (-1) 45 (-1)

6 45 (+1) 0,5 (-1) 65 (+1)

7 45 (+1) 1,5 (+1) 45 (-1)

8 45 (+1) 1,5 (+1) 65 (+1)

9* 35 (0) 1,0 (0) 55 (0)

* Ponto central realizado em cinco réplicas.

4.2.1. Ultrafiltração de água com reciclo total

No processo de ultrafiltração é comum as membranas sofrerem efeito da

pressão, causando compactação e diminuindo o fluxo de permeação (BASSETTI et

al., 2003). Porém, observando-se as Figuras 17, 18 e 19, percebe-se que durante a

realização do experimento de ultrafiltração, utilizando água pura em reciclo total, não

se constatou redução de fluxo, contrariamente ao esperado. Isto ocorreu,

provavelmente, devido à remoção das sujidades ainda presentes na superfície das


membranas, que foram sendo removidas durante a operação com água pura,

levando ao aumento do fluxo observado. Neste caso, a redução de fluxo de

permeado, causada pela compactação, pode ter sido menor que o aumento de fluxo

gerado pelo arraste de partículas ainda presentes na superfície da membrana,

caracterizando uma possível falha no processo de limpeza (CIP) previamente

realizado.

FIGURA 17: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 1

Ensaio 2

Ensaio 3

Ensaio 4

Pode-se observar na Figura 17 que o ensaio 4 apresentou um aumento de

fluxo, pois o mesmo operava com a maior pressão (1,5 kgf/cm2) e maior vazão de

alimentação (65 L/min). Considerando a presença de sujidades na superfície da

membrana no início da ultrafiltração, pode-se constatar, através da Figura 17, o

arraste destas através do escoamento tangencial de água a uma vazão de 65 L/min.


FIGURA 18: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 5

Ensaio 6

Ensaio 7

Ensaio 8

Os ensaios 7 e 8 da Figura 18, também apresentaram aumento de fluxo,

provavelmente pelo motivo já citado.

FIGURA 19: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS PONTOS CENTRAIS.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 9

Ensaio 10

Ensaio 11

Ensaio 12

Ensaio 13


Observando a Figura 19, nota-se que as réplicas dos pontos centrais

apresentaram a mesma tendência de aumento de fluxo, mantendo a teoria da

presença de sujidades na superfície da membrana. Porém, as réplicas apresentaram

diferenças de fluxo, caracterizando um elevado erro experimental, provavelmente em

relação a falhas no processo de limpeza CIP.

A Tabela 9 apresenta as respostas de fluxo de água estabilizado do

planejamento fatorial completo 23.

TABELA 9: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE ÁGUA ESTABILIZADO.

Ensaio Fluxo de água

com reciclo

(L/h/m2)**

1 19,09

2 19,09

3 47,73

4 95,28

5 28,72

6 19,09

7 107,45

8 52,64

9* 51,68 ±16,03

*Ponto central realizado cinco vezes (média)

**Fluxo estabilizado

Após a análise estatística, constatou-se que não se pode afirmar a influência

significativa (p<0,05) dos parâmetros estudados (temperatura, pressão e vazão de

alimentação) sobre o fluxo de permeado, provavelmente devido ao elevado erro

experimental nos fluxos obtidos nas condições do ponto central (Figura 19 e Tabela

9).

4.2.2. Ultrafiltração de soro com reciclo total

Quando o soro bruto de queijo tipo mussarela (6,06% de sólidos totais) foi

submetido a ultrafiltração com reciclo total, além do efeito de compactação ocorreu a


queda de fluxo de permeado devido aos efeitos de fouling e polarização de

concentração. A redução de fluxo de permeado ao longo do tempo de operação

pode ser observada nas Figuras 20, 21 e 22.

FIGURA 20: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4.

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 1Ensaio 2Ensaio 3Ensaio 4

Comparando-se os resultados da Figura 20, com os observados na Figura 17,

pode-se notar que os ensaios operados nas mesmas condições apresentaram uma

diferença de fluxo.

FIGURA 21: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8.

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 5

Ensaio 6

Ensaio 7

Ensaio 8


Após o sistema operar em reciclo total com água por 60 min, foi submetido a

ultrafiltração com soro de queijo. Neste momento, devido à presença de sólidos na

alimentação, o sistema apresentou uma expressiva queda de fluxo, que no caso do

ensaio 4, reduziu de 95 L/min (operando com água pura), para 18 L/min (operando

com soro de queijo tipo mussarela).

A Figura 21 retrata a mesma realidade observada no item anterior. Pode-se

perceber que quando submetido a ultrafiltração com soro de queijo, a formação de

fouling e a polarização de concentração na superfície da membrana, passaram a

interferir no fluxo de permeação.

FIGURA 22: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL DE CONCENTRADO E PERMEADO, NOS PONTOS CENTRAIS.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2)

Ensaio 9

Ensaio 10

Ensaio 11

Ensaio 12

Ensaio 13

As Figuras 20 a 22 mostram a estabilização do fluxo após cerca de 30

minutos de operação, semelhante ao ocorrido na permeação com o soro em reciclo

total, citada pela literatura. A queda do fluxo é um comportamento típico da

ocorrência de polarização de concentração e fouling, já observada em outros

trabalhos (MADAENI; MANSOURPANAH, 2004; REKTOR; VATAI, 2004;

MUTHUKUMARAN et al., 2005).

Deve-se notar que a queda do fluxo, neste caso, não se deve ao aumento da

concentração de sólidos na alimentação, uma vez que o sistema foi operado em

reciclo total. A estabilização do fluxo após determinado tempo de operação também


foi observada por Rektor e Vatai (2004), sendo atribuída à formação de uma camada

gel na superfície da membrana, devida ao acúmulo de proteínas.

Pode-se observar nas Figuras 20 e 21, que os ensaios realizados com maior

vazão de alimentação apresentaram menor queda do fluxo ao longo da operação. O

ensaio 8 da matriz experimental foi o que apresentou melhor resultado,

possivelmente pela combinação do efeito da vazão de alimentação e temperatura,

que levam à diminuição da camada de polarização, aumentando o fluxo de

permeado. O aumento da vazão de alimentação induz a um maior arraste de

partículas da superfície da membrana e o aumento da temperatura diminui a

viscosidade do soro, melhorando o escoamento. Porém, esta última também pode

auxiliar na formação de micelas de proteínas, causando bloqueio de poros (VEIGA;

VIOTTO, 2001).

A influência da temperatura e da pressão deve ser considerada com cautela.

A temperatura tem influência sobre as propriedades físico-químicas dos

componentes do soro, principalmente as proteínas, causando desnaturações, devido

à baixa termorresistência.

A pressão influencia na permeabilidade hidráulica da membrana, aumentando

a polarização. Trabalhos desenvolvidos com leite detectaram a formação de micelas

de caseína quando o mesmo foi submetido a tratamentos térmicos com elevação da

temperatura de 72 para 82ºC, bloqueando poros das membranas de ultrafiltração e

reduzindo o fluxo de permeação de 9,73 para 3,34 kg/h.m2, quando utilizada pressão

de 1 kgf/cm2 e fator de concentração de 3,5. Mesmo descaseinado, o soro utilizado

para a realização dos experimentos do presente estudo, apresentou resíduos de

caseína. Influências na desnaturação de proteína sobre o fluxo de permeação

também foram detectadas utilizando leite submetido a tratamento térmico de 92ºC. A

preocupação é que, mesmo não submetendo o soro a tratamento térmico prévio,

como sugerido pela literatura (RODRYGUEZ et al., 1999; VEIGA et al., 2000;

PEREIRA; GONÇALVES, 2002; BASSETTI et al., 2003).

O leite que originou a matéria-prima do experimento (soro) foi pasteurizado a

73ºC antes de ser submetido ao processamento em queijo.


A Tabela 10 apresenta os resultados do planejamento em termos do fluxo

estabilizado de soro de queijo. Comparando-se estes resultados com os da Tabela

9, pode-se observar a expressiva queda do fluxo de permeado em relação ao fluxo

de água pura.

Quando há a presença de solutos na alimentação é inevitável que ocorra

redução de fluxo de permeação, devido à polarização de concentração. Este

comportamento é relatado por diversos trabalhos na área de laticínios (ZEMAN;

ZYDNEY, 1996; CHERYAN, 1998; ARGÜELLO et al., 2002).

Observa-se, na Tabela 10 e Figura 21, maior reprodutibilidade do sistema,

quando comparado às permeações com água pura. Neste caso, o aumento do fluxo

que ocorre devido à presença de sujidades na superfície da membrana, antes da

permeação com soro de queijo, é desprezível, quando comparada à queda

provocada pela polarização de concentração.

TABELA 10: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE SORO DE QUEIJO

Ensaio Fluxo com reciclo (L/h/m2)**

01 9,95

02 6,65

03 14,45

04 18,08

05 9,52

06 9,95

07 13,25

08 19,80

09* 13,93 ±1,24



A Tabela 11 mostra a análise de variância utilizando fluxo como variável de

resposta. Obteve-se um Fcalculado 4,97 vezes maior que o Ftabelado, validando o modelo

matemático (Equação 8) para a predição do fluxo de permeado de soro de queijo

com reciclo total para a faixa estudada.


TABELA 11: ANÁLISE DE VARIÂNCIA DOS FLUXOS DE SORO COM RECICLO TOTAL.

Fontes de variação

Soma dos quadrados

Graus de liberdade

Quadrados médios Fcalculado

Regressão 129,8054 3 43,2685 19,63

Resíduo 19,8336 9 2,2037

Falta de ajuste 9,9168 5 1,9834

Erro puro 2,8999 4 0,7250

Total 149,639 12

Resíduos = Falta de ajuste + Erro Puro

Ftab(3,9) = 3,95

Coeficiente de correlação (R): 0,956

O modelo empírico validado (Equação 8) permitiu a construção da superfície

de resposta e as curvas de contorno, que são apresentadas na Figura 23. O modelo

mostra que a pressão, a vazão de alimentação e a interação entre ambas

apresentaram efeito positivo e significativo (p<0,05) sobre o fluxo de permeado.

Desta forma, se os limites da pressão e da vazão de alimentação forem

aumentados, provavelmente haverá um aumento no fluxo de permeado. Este efeito

é esperado, uma vez que a pressão é a força motriz do processo e o aumento da

vazão diminui a camada de polarização, conforme já discutido. A temperatura não

apresentou efeito significativo (p<0,05) no fluxo de permeado.

Não foi possível a alteração nos limites das variáveis para uma otimização do

processo, em função das limitações técnicas do módulo de ultrafiltração utilizado no

experimento.

VP57,1V96,0P75,399,12J r/c,s ⋅⋅+⋅+⋅+=

(EQUAÇÃO 8)


FIGURA 23: SUPERFÍCIE DE RESPOSTA E CURVA DE CONTORNO DE PRESSÃO E VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO SOBRE FLUXO DE PERMEADO.

4.2.3. Ultrafiltração de soro sem reciclo (concentração)

Quando o soro é submetido a ultrafiltração sem reciclo de permeado, a

concentração de sólidos na alimentação aumenta durante o tempo de operação,

intensificando o fenômeno da polarização de concentração, consequentemente

provocando maior redução de fluxo e aumento do tempo de concentração.

As Figuras 24 a 26 apresentam os fluxos de permeado de soro de queijo sem

reciclo para as diferentes condições estudadas. Pode-se observar que o aumento do

teor de sólidos, compostos basicamente por gordura e proteína, causou uma

redução de fluxo, em função da polarização de concentração.

8,583 9,815 11,047 12,279 13,511 14,742 15,974 17,206 18,438 19,670 above

Pressão(kgf/cm

2)

Vazão deAlimentação

(L/min)

1,5

1,0

0,545

55

65

8,583 9,815 11,047 12,279 13,511 14,742 15,974 17,206 18,438 19,670 above

Pressão (kgf/cm 2 )

Vazão de Alimentação (L/min)

45

55

65

0,5 1,0 1,5


FIGURA 24: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4.

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 1

Ensaio 2

Ensaio 3

Ensaio 4

Observa-se, através da Figura 24, que os valores de fluxos iniciais dos

ensaios do experimento de ultrafiltração de soro de queijo sem reciclo são os

mesmos fluxos estabilizados quando o soro foi submetido a ultrafiltração de soro de

queijo em reciclo total, constatando uma seqüência de operações, sem redução de

fluxo inicial. Porém, quando comparado com os resultados observados nas Figuras

17 a 19, onde o sistema operou com água pura, percebe-se diferença de fluxo.

FIGURA 25: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 5

Ensaio 6

Ensaio 7

Ensaio 8


Observando a Figura 25, pode-se notar uma queda no fluxo do ensaio 8, e ao

comparar com o ensaio 4 da Figura 24 e Tabela 8, pode-se observar que ambos

foram operados na mesma pressão e mesma vazão de alimentação. No entanto, a

temperatura mais alta do ensaio 8 (45ºC) provavelmente contribuiu para a formação

de fouling e na possível polarização de concentração de sólidos na superfície da

membrana, diminuindo o fluxo de permeado.

FIGURA 26: FLUXO DE PERMEADO DE SORO EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS SEM RECICLO (FC 5,9 X), NOS PONTOS CENTRAIS.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 9

Ensaio 10

Ensaio 11

Ensaio 12

Ensaio 13

Nota-se, no entanto, que, apesar do aumento de concentração da

alimentação em até quase 6 vezes, na maioria das condições experimentais não

houve queda expressiva do fluxo de permeado ao longo do tempo de concentração

do soro. No ensaio 8 se observou redução do fluxo em cerca de 40%.

Possivelmente, a combinação de pressão e temperatura nos níveis superiores (1,5

kgf/cm2 e 45°C) favoreceu a formação de micelas de caseína, aumentando a

polarização, conforme o observado por Veiga e Viotto (2001). Esta hipótese é

reforçada ao se notar que, nas condições do ensaio 4, que difere do ensaio 8

apenas pela temperatura mais baixa (25°C), não houve queda expressiva do fluxo.

Nas condições do ponto central (Figura 26), percebe-se queda de fluxo

intermediária, em torno de 20%, possivelmente ainda pelo efeito da temperatura.


A Tabela 12 apresenta os resultados do planejamento em termos de fluxo de

permeado para soro sem reciclo e o tempo para atingir um fator de concentração de

5,9 vezes. Pode-se observar que os maiores fluxos e, conseqüentemente, os

menores tempos de concentração, foram obtidos nas condições que apresentavam

maior pressão de operação e maior vazão de alimentação. O aumento da vazão de

alimentação em escoamento tangencial contribui para a minimização da polarização

de concentração e formação de camada gel, através do arraste de partículas,

diminuindo assim a resistência à permeação. A pressão, por ser a força motriz do

processo, também favorece o aumento do fluxo de permeado.

O aumento da temperatura, mesmo influenciando na densidade e na

viscosidade, não foi suficiente para minimizar o tempo de concentração, pois não foi

observada influência significativa (p<0,05) no fluxo de permeação.

TABELA 12: RESPOSTA DO PLANEJAMENTO FATORIAL COMPLETO 23 EM TERMOS DE FLUXO DE SORO DE QUEIJO E TEMPO DE CONCENTRAÇÃO

Ensaio Fluxo sem reciclo

(concentração) (L/h/m2)**

Tempo de concentração

(min)***

1 6,14 93,0

2 4,77 90,0

3 11,86 43,2

4 15,59 31,5

5 8,59 68,1

6 6,14 66,1

7 12,55 46,1

8 11,73 38,5

9* 11,52 ±0,79 44,4 ±4,42



***Tempo para se atingir concentração de 5,9x.

Quando os resultados foram submetidos à análise estatística, nenhuma das

variáveis estudadas (temperatura, pressão e vazão de alimentação) apresentou

efeito significativo, a 95% de confiança (p<0,05), sobre o tempo de concentração. A


Tabela 13 mostra a análise de variância utilizando o fluxo como variável de resposta.

Observa-se que foi obtido um Fcalculado 3,74 vezes maior que o Ftabelado, validando o

modelo matemático (Equação 9) para a predição do fluxo de permeado na

concentração de soro de queijo (sem reciclo) para a faixa estudada.

TABELA 13: ANÁLISE DE VARIÂNCIA DOS FLUXOS DE SORO SEM RECICLO (CONCENTRAÇÃO)

Fontes de variação

Soma dos quadrados

Graus de liberdade

Quadrados médios

Fcalculado

Regressão 106,1243 4 26,53 14,3909

Resíduo 14,7488 8 1,8436

Falta de ajuste 13,6323 4 3,4081

Erro puro 1,1165 4 0,2791

Total 120,8731 12

Resíduos = Falta de ajuste + Erro Puro

Ftab(4,8) = 3,8378

Coeficiente de correlação (R): 0,937

VP92,0VT63,0PT95.0P34,333,10J r/s,s ⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅−⋅+=

(EQUAÇÃO 9)

O modelo empírico validado (Equação 9) permitiu a construção da superfície

de resposta e as curvas de contorno, que são apresentadas na Figura 27. O modelo

mostra que somente a pressão exerceu efeito significativo (p<0,05) sobre o fluxo de

permeado. Este efeito é esperado, uma vez que a pressão é a força motriz do

processo. A temperatura e a vazão de alimentação não apresentaram efeitos

significativos (p<0,05). Nota-se que todas as interações binárias foram

estatisticamente significativas, mostrando que as variáveis estudadas não são

independentes, ou seja, se a faixa de temperatura for alterada, isto influenciará no

efeito da pressão e da vazão sobre o fluxo de permeado. Esta análise dificulta a

alteração das faixas de estudo visando a otimização do fluxo. Esta alteração é,

ainda, prejudicada pelas limitações técnicas do equipamento utilizado.


FIGURA 27; SUPERFICIE DE RESPOSTA E CURVA DE CONTORNO DA PRESSÃO E VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO SOBRE O FLUXO.

5,971 6,939 7,907 8,874 9,842 10,810 11,778 12,746 13,713 14,681 above

•••• Análises físico-químicas

As amostras coletadas, quando submetidas às analises físico-químicas,

permitiram a determinação dos componentes presentes no soro bruto e concentrado,

possibilitando o cálculo do coeficiente de rejeição da membrana em relação à

proteína, conforme citado por Veiga e Viotto (2001).

Foi obtida uma concentração volumétrica de 5,9 vezes em relação ao volume

inicial submetido à alimentação. Cinqüenta litros de soro previamente filtrados

(peneiras com malha de 1 mm), submetidos a ultrafiltração em membranas de fibra

oca com cut off de 10.000 Daltons, permitiram a coleta de 41,50 litros de permeado,

apresentando-se com uma coloração verde clara, necessitando, para isso, tempos

que variaram entre 38 a 90 minutos.

•••• Sólidos totais (EST)

Vários trabalhos na literatura mencionam que o soro bruto de queijo tipo

mussarela apresenta, em média, de 5,9 a 7% de sólidos totais e 93 a 94,1% de

umidade. Salienta-se que, antes da dessoragem, a massa do queijo mussarela

passa por uma pré-lavagem e, dependendo da quantidade de água utilizada, pode-

se ter variação na quantidade de umidade total do soro. Alguns fatores, como raça

do animal, alimentação ou fase de lactação, podem contribuir para uma variação nas

percentagens de sólidos totais presentes no leite e, consequentemente, no soro de

queijo (LUQUET et al., 1993; LINDEN; LORIENT, 1996; OLIVEIRA, 1986; TRONCO,


1997; BRONSTEIN; MONTE ALEGRE, 1998; VEISSEYRE, 1988; KAR; MISRA,

1999; ALMEIDA, et al., 2001; FARRO; VIOTTO, 2003).

Na Tabela 14 pode-se observar os percentuais de sólidos totais

determinados no soro bruto, no permeado e no concentrado, juntamente com a

dispersão dos valores encontrados através das réplicas das determinações.

TABELA 14: PERCENTAGENS MÉDIAS DE SÓLIDOS TOTAIS PRESENTES NO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO UTILIZADO NO EXPERIMENTO E SEU DESVIO PADRÃO.

Condição Soro Bruto Concentrado Permeado

1 6,58 ±0,08 10,65 ±0,29 6,67 ±0,21

2 5,89 ±0,19 10,66 ±0,40 5,37 ±0,11

3 6,40 ±0,62 9,62 ±0,54 4,77 ±0,01

4 5,73 ±0,24 7,94 ±0,31 5,29 ±0,30

5 5,75 ±0,05 10,41 ±0,19 5,32 ±0,01

6 6,30 ±0,18 9,69 ±0,07 2,53 ±0,09

7 5,92 ±0,14 9,82 ±0,15 5,29 ±0,06

8 5,89 ±0,15 9,18 ±0,11 5,49 ±0,15

9 (a) 5,61 ±0,13 8,90 ±0,05 5,75 ±0,13

9 (b) 5,95 ±0,01 9,48 ±0,62 5,20 ±0,40

9 (c) 6,15 ±0,10 8,45 ±0,64 4,82 ±0,43

9 (d) 6,10 ±0,10 9,03 ±0,21 5,63 ±0,04

9 (e) 6,57 ±0,08 10,16 ±0,06 5,29 ±0,09

O soro bruto apresentou uma média de 6,06% de sólidos totais, sendo

93,94% de umidade (±0,31). Comparando-se estes dados com aqueles do soro

utilizado para concentração através de evaporação a vácuo (média de 6,30% ±0,49

de sólidos totais), mostrados na Tabela 14, percebe-se as pequenas diferenças de

concentração de sólidos totais presentes em soros brutos oriundos de empresas

diferentes, caracterizando uma possível adição de água durante o processo de

fabricação do queijo mussarela ou uma variação em decorrência de sua origem,

porém, estatisticamente, pode-se considerar que os valores não apresentam

diferenças.


Com uma média de 9,54% de sólidos totais e 90,46% de umidade, os

concentrados apresentaram uma pequena variação de concentração, variando de

7,94 a 10,65% de sólidos, mesmo quando submetidos aos mesmos fatores de

concentração (5,9 vezes). Fatores como a compactação, fouling e polarização de

concentração provavelmente interferiram na permeação total de sólidos, limitando a

permeabilidade hidráulica da membrana e alterando sua seletividade (ARGÜELLO et

al., 2002). Deve-se considerar que a membrana era seletiva para gordura e

proteínas com massas molares acima de 10.000 Daltons (rejeição ≥95%), fazendo

com que se obtivesse valores de sólidos no permeado inferiores aos do soro bruto

(alimentação).

Na Figura 28 pode-se observar a aparência das amostras de soro bruto,

concentrado e permeado, do estudo.

FIGURA 28: AMOSTRAS DE SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO ATRAVÉS DE MEMBRANAS DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS.

Observa-se, através da Figura 28, a inexistência de turbidez, e ausência de

partículas em suspensão no permeado de soro de queijo, o qual apresentou uma

média percentual de sólidos totais, dos 13 ensaios experimentais, de 5,19% (±0,93),

e 94,81% de umidade.

Soro Bruto

Soro Concentrado

Soro Permeado


A pequena variação de sólidos observada nos permeados em relação ao soro

inicial é citada na literatura como uma ocorrência normal em ultrafiltração com

membranas de 10.000 e 20.000 Daltons (NEVES et al., 2003).

•••• Acidez

Os teores de acidez, expressos em graus Dornic, não apresentaram alteração

de valores entre o momento da coleta no laticínio e a alimentação do ultrafiltro

(período de até 3 horas). Seus teores variaram de 11 a 12º Dornic. Segundo Linden

e Lorient (1996), o soro doce obtido através da coagulação enzimática deve

apresentar um teor de acidez próximo a 10º Dornic, diferente do soro obtido por

precipitação ácida da caseína a pH 4,6 considerado pela literatura como soro ácido

com teores acima de 60º Dornic.

As amostras coletadas do soro concentrado durante a ultrafiltração (intervalos

de 20 minutos) foram submetidas ao congelamento para conservação,

permanecendo em temperatura de -20ºC (±0,7) durante um período máximo de 26

dias, e descongeladas em banho-maria com água a 80ºC (±5) por períodos de até

80 min. Os teores de acidez foram determinados em temperatura padronizada de

20ºC (±0,5) (Figura 29).

A Figura 29 apresenta os valores de acidez ºDornic das amostras de soro

concentrado, coletadas a cada 20 minutos de ultrafiltração.

FIGURA 29:TEORES DE ACIDEZ, DAS AMOSTRAS DE SORO CONCENTRADO COLETADAS A CADA 20 MINUTOS DE CONCENTRAÇÃO.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Intervalo de Coleta de Amostra (min)

Aci

dez

(º D

)

Ensaio 1

Ensaio 2

Ensaio 3

Ensaio 4

Ensaio 5

Ensaio 6

Ensaio 7

Ensaio 8

Ensaio 9

Ensaio 10

Ensaio 11

Ensaio 12

Ensaio 13


Quando submetidas à determinação de ºDornic, as amostras apresentaram

teores de ácido alterados, provavelmente por ação microbiana durante a

ultrafiltração ou durante os processos de congelamento e descongelamento.

Amostras de soro bruto com 11º Dornic, após o descongelamento, chegaram a

apresentar 26º Dornic. Vale lembrar que a literatura não cita alterações bruscas de

acidez em processos de concentração por membranas (NEVES et al., 2003).

Com o aumento da concentração de sólidos das amostras, houve uma

elevação nos teores de acidez, isto pode ter ocorrido em virtude da ação dos

microorganismos presentes no soro, visto que este não foi submetido a tratamento

térmico prévio, conforme sugerido pela literatura (BASSETTI, et al., 2003). Esta

elevação nos teores de acidez contraria os dados citados na literatura (NEVES et al.,

2003; CUNHA et al., 2003).

•••• Lactose

Pode-se estabelecer uma relação entre as concentrações de lactose do soro

bruto e seu respectivo concentrado e permeado, considerando que um dos

principais componentes presentes no soro de queijo é a lactose, com percentuais

que variam entre 4 a 5% (HOSSEINI et al., 2003).

Teoricamente, uma membrana de 10.000 Daltons, não poderia reter lactose,

mantendo a mesma concentração percentual no concentrado e permeado. Porém, o

fouling e a formação de camada gel na superfície da membrana, podem ser fatores

que alteram a seletividade da membrana (ARGÜELLO et al., 2002), causando a

rejeição de alguns componentes com massas molares inferiores ao cut off da

membrana (10.000 Daltons). Pode-se observar, através da Figura 30, a ocorrência

desta retenção de lactose nos ensaios submetidos a ultrafiltração durante a

realização do experimento.


FIGURA 30: TEORES DE LACTOSE, DAS AMOSTRAS DE SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO.

Farro e Viotto (2003) obtiveram percentagens de lactose nos concentrados

entre 2,09 a 3,78%, e nos permeados entre 4,64 a 5,13%, utilizando soro bruto

ultrafiltrado com membranas de 10.000 Daltons, com composição entre 4,59 a

5,04%. O soro submetido ao experimento apresentou uma média percentual de

lactose de 5,32% (±0,71), percentual médio de 5,50% (±0,57) nos concentrados e

4,40% (±0,85) nos permeados.

Todos os ensaios (Figura 30) apresentaram uma pequena concentração de

lactose, porém não foi possível efetuar um balanço de massa entre o soro bruto,

seus concentrados e permeados, em função de possíveis conversões de lactose

durante a ultrafiltração, que operou em temperaturas de 25 a 45ºC com soro bruto,

sem a realização de prévio tratamento térmico, conforme indicado por Bassetti , et

al. (2003). Mesmo sendo necessária a nanofiltração para sua rejeição, a literatura

cita que, em processo de ultrafiltração, a lactose com massa molar de 350 Daltons

pode ser levemente concentrada (BRANS et al., 2003).

0123456789

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13


Lac

tose

(%

)

Soro Bruto

Concentrado

Permeado


•••• Relação proteína/lactose

A relação proteína/lactose (Equação 6) é utilizada para expressar a razão

entre o percentual dos componentes, pois ao aumentar a concentração de sólidos

nos concentrados através da ultrafiltração, aumenta o teor de proteína e não o teor

de lactose, desde que a membrana não seja seletiva para lactose. Isto proporciona

um aumento no valor da razão proteína/lactose. O soro utilizado para ultrafiltração

apresentava uma relação proteína/lactose média de 0,16 (±0,01).

A Tabela 15 apresenta as relações proteína/lactose, juntamente com sua

percentagem de variação entre a razão encontrada no soro bruto e concentrado.

TABELA 15: RELAÇÃO PROTEÍNA/LACTOSE E % DE VARIAÇÃO (EQUAÇÃO 2) DO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO.

Soro bruto Concentrado Permeado

Relação Pt/Lact 0,14 0,63 0,04

% Variação (V) 341,14

Farro e Viotto (2003) descrevem uma percentagem de variação da razão

proteína/lactose do soro bruto com a do concentrado entre 1995 a 3611%, em soro

doce ultrafiltrado até um fator de concentração de 15 vezes, e com coeficientes de

rejeição para proteínas acima de 96,76%.

No presente estudo, conseguiu-se com um fator de concentração de 5,9

vezes e uma percentagem de variação da razão proteína/lactose de 341%. Desta

forma, obteve-se uma percentagem de variação proporcional ao fator de

concentração. Se, durante os experimentos, o soro fosse submetido a uma

concentração de 15 vezes, poderia obter-se percentagens de variações semelhantes

aos valores citados na literatura.

•••• Proteína determinadas por NKT

A Figura 31 apresenta as percentagens de proteína do soro bruto,

concentrado e permeado, determinadas através do método de NKT.


FIGURA 31: PERCENTAGENS DE PROTEÍNAS PRESENTES NO SORO BRUTO, CONCENTRADO E PERMEADO, DETERMINADOS POR NKT.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ensaio Experimental

Pro

teín

a N

KT

(%

)

Soro Bruto

Concentrado

Permeado

Segundo Linden e Lorient (1996), o soro de queijo, oriundo de coagulação

enzimática, contém em média 0,9% de proteínas solúveis, totalizando 13% de

proteínas em base seca em soros com 93% de umidade. Porém, o soro de queijo

tipo mussarela utilizado no estudo apresenta citações na literatura de percentuais de

proteínas em torno de 0,7% (REKTOR; VATAI, 2004).

O soro bruto utilizado nos experimentos de ultrafiltração do presente estudo

apresentou, em média, 0,76% (±0,08) de proteína, estando próximo aos valores

citados na literatura, que estão entre 0,4 e 0,91% (TRONCO, 1997; VEISSEYRE

1988; KAR; MISRA, 1999; FARRO; VIOTTO, 2003; HOSSEINI et al., 2003;

REKTOR; VATAI, 2004).

Esperava-se uma concentração de proteína coerente com a concentração

volumétrica entre as amostras de soro concentrado submetidas a ultrafiltração nas

diferentes condições operacionais. No entanto, isto não ocorreu, conforme

observado na Figura 31. O fato de se ter frações de proteínas com massas molares

e percentuais diferentes proporcionou uma concentração protéica não uniforme,

aliada ao efeito da polarização de concentração.


O pH também pode influenciar na retenção de proteínas do soro, juntamente

com o coalho, durante o processo de coagulação do leite, aumentando o rendimento

em queijos e diminuindo seu percentual no soro (LAW; LEAVER, 2000).

A pasteurização do leite, antes do fabrico em queijos, com temperaturas

próximas a 75ºC aliada à variação da concentração de minerais (Ca, Na e P)

também podem interferir nas propriedades das proteínas do soro de queijo, sua

termorresistência e sua interação com micelas de caseína, alterando a percentagem

de proteínas retidas com estas micelas de caseína (HAVEA et al., 2002) e,

conseqüentemente, reduzindo a percentagem de proteínas no soro bruto.

Com base nesta teoria, pode-se observar, através da Figura 29, que o soro de

queijo ao longo da ultrafiltração apresentou variação nos teores de acidez,

provavelmente interferindo na interação das soroproteínas com teores residuais de

caseína presentes, sendo retidas pela membrana. Outro fator importante é que o

leite que deu origem ao soro bruto utilizado no experimento foi submetido a

tratamento térmico a 73ºC, o que, segundo a literatura (HAVEA et al., 2002), pode

influenciar nas propriedades das proteínas e sua interação com a caseína, retendo

soroproteínas no fabrico de queijos.

Frações de proteínas também podem ser encontradas internamente nos

poros, ocasionando o fouling, fato que pode alterar a seletividade e reduzir seu fluxo

de permeado (ARGÜELLO et al., 2002), ou aumentar a polarização de

concentração, retendo solutos na superfície da membrana (SCHNEIDER; TSUTIYA,

2001).

Ao se observar os dados da Figura 30, tem-se dificuldade de efetuar um

balanço de massa, por não se ter dados referentes às proteínas retidas na superfície

da membrana - através da polarização ou formação de camada gel.

Considerando que o soro não apresenta nenhuma fração protéica com massa

molar inferior ao cut off da membrana, e que a mesma não apresentava um

coeficiente de rejeição de 100%, não se esperava a presença de proteínas nos

permeados. Porém, foram encontradas percentagens médias de 0,17% (±0,01) de

proteína, determinadas por NKT, fato citado na literatura como normal (0,18%) em

ultrafiltração de queijo tipo mussarela (REKTOR; VATAI, 2004), conforme observado


na Figura 31. Desta forma, pode-se calcular o coeficiente de rejeição da membrana

em relação às soroproteínas.

•••• Determinação de proteína através do método colorimétrico de Bradford

Na Figura 32, pode-se observar as percentagens de proteínas no soro bruto,

concentrado e permeado, determinadas pelo método colorimétrico de Bradford

(1976).

FIGURA 32: PERCENTAGENS DE PROTEÍNAS PRESENTES NO SORO, NO CONCENTRADO E NO PERMEADO, DETERMINADO PELA METODOLOGIA DE BRADFORD (1976).

A Figura 32 apresenta um comparativo entre as percentagens de proteína dos

soros brutos, concentrados e permeados dos 13 ensaios experimentais, permitindo

visualizar as concentrações efetuadas pelo processo de ultrafiltração. Calculando o

coeficiente de rejeição da membrana com base nos resultados percentuais de

proteínas determinados por colorimetria, obteve-se uma rejeição média de 96,06%

(±2,21) de proteína, com uma percentagem de desvio de 2,3%.

Através dos resultados das determinações de proteínas por NKT e Bradford

(1976), pode-se observar na Figura 33 o coeficiente de rejeição da membrana frente

à permeação de proteína, calculado através da Equação 1.

0 ,0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

2 ,0

2 ,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13

E n s a io s E x p erim e n ta is

Pro

teín

a p

or

Bra

dfo

rd (

%)

S o ro

C o nc en trad o

P e rm ea do


FIGURA 33: COEFICIENTE DE REJEIÇÃO (CR) DE PROTEÍNAS DA MEMBRANA DE ULTRAFILTRAÇÃO DE 10.000 DALTONS DETERMINADA POR NKT E BRADFORD (1976).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13


Co

efic

ien

te d

e R

eten

ção

(%

)

CR Bradford

CR NKT

Farro e Viotto (2003), em ultrafiltração de soro de queijo minas frescal com

membranas de 10.000 Daltons, obtiveram um coeficiente de rejeição mínimo de

96,76% e permeados com percentuais entre 0,012 a 0,057% de proteína. Os

resultados de proteína obtidos no estudo, determinados por NKT, apresentaram uma

rejeição média de 95% (±2,30), e os resultados de proteína determinados pela

metodologia de Bradford (1976), apresentaram uma rejeição média de 96% (±2,30),

estando ambos os valores de rejeição encontrados dentro da faixa citada pela

literatura (de 96 a 98%) (VEIGA; VIOTTO, 2001; FARRO; VIOTTO, 2003).

Foi observada uma sub-quantificação nos teores determinados através da

metodologia de Bradford (1976) em relação a NKT, fato que também ocorreu quando

o método foi utilizado para a quantificação de proteínas em amostras concentradas

por evaporação (Tabela 6). Porém, ambos apresentaram uma correlação nos

coeficientes de rejeição (Figura 33). Esta sub-quantificação se deve ao fato de que a

elaboração das curvas padrão para albumina foram realizadas com BSA (albumina

sérica bovina) e não α–lactoalbumina bovina.


•••• Determinação de cor

Pode-se observar, através da Tabela 16, que quando as amostras do soro

concentrado através da ultrafiltração foram submetidas à determinação de cor

através de colorímetro, apresentaram uma variação entre a cor do soro e a dos

concentrados, determinada pelo ∆E, não sendo possível correlacionar esta diferença

de cor com a concentração de proteína nem de lactose.

TABELA 16: RESULTADOS DAS DETERMINAÇÕES DE COR DOS CONCENTRADOS ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO

Condição ∆∆∆∆L* ∆∆∆∆l* ∆∆∆∆a* ∆∆∆∆b*

1 6,10 -4,99 1,73 -3,06

2 8,71 -8,33 1,87 -1,71

3 2,22 -1,82 1,19 -0,43

4 0,93 0,26 0,88 -0,15

5 8,88 -7,72 0,71 -4,34

6 2,06 0,91 1,79 0,44

7 4,61 4,52 0,88 0,20

8 4,00 3,56 1,44 1,11

9 (a) 1,87 1,37 1,21 -0,38

9 (b) 2,89 -2,20 1,33 -1,31

9 (c) 2,88 -1,53 2,21 -1,04

9 (d) 1,89 -0,35 1,64 0,87

9 (e) 1,28 0,05 1,21 0,42

NOTA: 1 222 baLE ∆+∆+∆=∆ e ∆L* (diferença de luminosidade); ∆a* (diferença de variação entre vermelho – verde); ∆b* (diferença de variação entre amarelo – azul).

As amostras dos ensaios 1 e 2, com as menores temperaturas (25ºC) e

menores pressões de operação (0,5 kgf/cm2), apresentaram maiores valores de ∆E,

caracterizando a maior diferença de cor entre o concentrado e o soro bruto (Tabela

16).

Com os dados da Tabela 16 pode-se localizar a coloração do soro no

diagrama de cores apresentado na Figura 13, sendo que o soro de queijo mussarela

(bruto e concentrado até 5,9 vezes através de ultrafiltração) se localiza no quadrante

L* (+), a* (-) e b* (+), apresentando cor amarelo-esverdeado, com pouca


luminosidade, similar às cores encontradas nos soros concentrados através de

evaporação a vácuo. Durante a evaporação, as amostras apresentaram oscilação

nos valores de luminosidade, sendo que algumas amostras tiveram sua

luminosidade reduzida e outras aumentada. Foi observado um aumento médio na

saturação de verde, de 1,39 (±0,44) (∆a*), e uma redução média na saturação de

amarelo, de 0,72 (±1,58) (∆b*), provavelmente em função do aumento da

concentração de proteínas.

4.2.4. Ultrafiltração de água com reciclo total (recuperação de fluxo)

Após cada experimento de ultrafiltração de soro com e sem reciclo, o sistema

operou com água pura durante 30 minutos para uma rápida limpeza, e foi

posteriormente submetido a nova ultrafiltração com água, nas mesmas condições de

operação (temperatura, pressão e vazão de alimentação) dos ensaios experimentais

realizados com soro, por um período de 60 minutos.

Nas Figuras 34, 35 e 36 são apresentados os fluxos ao longo da ultrafiltração

com água, em reciclo total, durante 60 minutos, nos 13 ensaios experimentais.

FIGURA 34: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS 1, 2, 3 E 4.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60 70Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 1

Ensaio 2

Ensaio 3

Ensaio 4


Observando os valores de fluxo da Figura 34, e relacionando com os valores

da Figura 17, observa-se a ocorrência de fouling, fator de redução irreversível de

fluxo de permeado (SIRKAR; WINSTON, 1992; ZEMAN; ZYDNEY, 1996).

A Figura 34 apresenta os valores de fluxo obtidos nas mesmas condições

operacionais (temperatura, pressão e vazão de alimentação) da a Figura 17, porém,

com fluxos bem mais baixos. Se não houvesse a retenção de solutos na superfície

da membrana, não seriam observados valores de fluxos diferentes, pois os

enxágües triplos (30 minutos) retirariam os solutos da superfície da membrana,

revertendo a polarização de concentração. O mesmo fato pode ser observado na

análise das Figuras 35 e 36.

FIGURA 35: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS 5, 6, 7 E 8.

Apesar da presença de fouling e da polarização de concentração, pode-se

observar, através da Figura 35, que os ensaios 7 e 8, operando com maiores

pressões, apresentaram uma maior retomada de fluxo de permeado.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 5Ensaio 6Ensaio 7Ensaio 8


FIGURA 36: FLUXO DE ÁGUA EM ULTRAFILTRAÇÃO COM MEMBRANA DE FIBRA OCA DE 10.000 DALTONS COM RECICLO TOTAL, NOS ENSAIOS DAS 5 RÉPLICAS DOS PONTOS CENTRAIS.

Os ensaios experimentais não apresentaram retorno de fluxo obtido antes da

permeação, mantendo o bloqueio dos poros, fator revertido somente com o processo

de limpeza CIP, caracterizando o fouling.

Os ensaios experimentais que apresentaram a maior retomada de fluxo de

permeado foram aqueles com as pressões mais altas (1,5 kgf/cm2), dentre eles o

ensaio 7, com temperatura de 45ºC, pressão de 1,5 kgf/cm2 e vazão de alimentação

de 45 L/min, e o ensaio 4, com temperatura de 25ºC, pressão de 1,5 kgf/cm2 e vazão

de alimentação de 65 L/min. A temperatura parece não apresentar influência

relevante no aumento de fluxo de permeação.

4.2.5. Limpeza da membrana (CIP)

Mesmo seguindo o procedimento CIP, citado no Capítulo 3 deste estudo, não

foi possível obter uma limpeza eficaz da membrana. As ultrafiltrações eram

precedidas pelo CIP efetuado no dia anterior, e notou-se que no início da

ultrafiltração com água, o fluxo aumentava (Figuras 34, 35 e 36), caracterizando a

presença de resíduos na membrana. O problema foi sanado com o aumento da

concentração de ácido fosfórico. Outro fator detectado foi a dificuldade de se obter

retorno de fluxo de permeação logo após o CIP. Como o processo operava a uma

temperatura entre 35 e 40ºC, vazão de alimentação de 65 L/min e pressão de 1,5

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70

Tempo (min)

Flu

xo d

e p

erm

ead

o (

L/h

/m2 )

Ensaio 9

Ensaio 10

Ensaio 11

Ensaio 12

Ensaio 13


kgf/cm2, a pressão mantinha a compactação e resíduos na membrana durante a

limpeza, não sendo possível a retomada de fluxo logo a pós o CIP. Em média 12

horas após, esta retomava seu fluxo normal.

Pode-se observar na Tabela 17 a permeabilidade hidráulica (Lp) da membrana

com água pura, antes e após a ultrafiltração com soro de queijo.

TABELA 17: PERMEABILIDADE HIDRÁULICA DA MEMBRANA ANTES E APÓS A ULTRAFILTRAÇÃO COM SORO DE QUEIJO.

Condição Lp*

(kgf/cm2.bar)

Lp**

(kgf/cm2.bar)

% RLp

(kgf/cm2.bar)

1 38,18 19,64 48,56

2 38,18 17,46 54,27

3 31,82 14,37 54,85

4 63,52 23,49 63,02

5 57,44 24,88 56,69

6 38,18 19,64 48,56

7 71,63 28,18 60,66

8 35,09 16,47 53,06

9 (a) 59,65 21,26 64,36

9 (b) 45,74 21,98 51,95

9 (c) 74,20 22,58 69,57

9 (d) 31,64 17,45 44,85

9 (e) 47,18 16,91 64,16

NOTA: Lp: permeabilidade hidráulica da membrana; % RLp: percentagem de redução de permeabilidade hidráulica causada pelo fouling.

*Permeabilidade normalizada de ultrafiltração com água realizado antes da ultrafiltração com soro de queijo;

** Permeabilidade normalizada de ultrafiltração com água realizado após a ultrafiltração com soro de queijo.

A membrana apresentou uma redução média de permeabilidade, após a

ultrafiltração com soro, de 56,50 (±7,38), efeito causado pelo fouling, sendo que a

redução de permeabilidade hidráulica não foi minimizada pelos enxágües realizados

com água pura, caracterizando um fator irreversível (SIRKAR; WINSTON, 1992;

ZEMAN; ZYDNEY, 1996). O retorno de permeabilidade somente foi possível após a

realização do processo CIP.


4.2.6. Fracionamento

As amostras de soro concentrado por ultrafiltração em membrana com cut off

de 10.000 Daltons, obtidas através dos ensaios experimentais, definidas pela matriz

do planejamento (Tabela 8) como pontos centrais (35ºC; 1,0 kgf/cm2 e 55 L/min),

foram submetidas ao fracionamento, inicialmente através de microfiltração, seguido

com ultrafiltração, conforme descrito no Capítulo 3.

O soro concentrado 5,9 vezes em membrana de 10.000 Daltons foi submetido

inicialmente a microfiltração em membrana de 0,45 µm. O fluxo de permeação é

apresentado na Figura 37.

FIGURA 37: FLUXO DE PERMEADO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE MICROFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 0,45 µM.

Durante a microfiltração não foi detectada a aeração do soro, sendo que seu

fluxo de permeação se manteve praticamente constante. Como a microfiltração

estaria retendo somente bactérias e partículas, isto não afetou a permeabilidade

hidráulica da membrana, e o fato de ser operada em escoamento tangencial também

contribuiu para a manutenção do fluxo de permeado. Nesta fase, foi descartado o

concentrado, e o permeado submetido à próxima etapa de ultrafiltração.

0

5

10

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20

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45

50

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00

Tempo (min)

J (L

/h/m

2 )


Com o descarte do concentrado da microfiltração, rico em microorganismos e

proteínas insolúveis, o permeado foi submetido ao primeiro fracionamento, em

membrana de ultrafiltração com cut off de 100.000 Daltons. Nesta fase, também foi

cronometrado o tempo de permeação a cada 10 mL de permeado coletado.

A Figura 38 apresenta os resultados de permeação de soro em membrana de

10.000 Daltons.

FIGURA 38: FLUXO DE PERMEADO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 100.000 DALTONS.

Pode-se observar, na Figura 38, que o fluxo se manteve constante. Após 160

mL permeados, algum fator limitou o fluxo de solvente através da membrana,

provavelmente fouling, polarização de concentração, e/ou formação de camadas

géis na superfície da membrana, pois, já havia um aumento na concentração de

solutos com massa molar acima de 100.000 Daltons no concentrado.

Foi observada aeração no concentrado após a permeação de 70 mL, causada

pela redução de volume na alimentação (volume de alimentação de 230 mL com

110 mL de volume retido nas tubulações). Foram necessários 75 minutos e 40

segundos para coletar 190 mL de permeado, que foi submetido às análises físico-

químicas observadas na Tabela 18.

0

5

10

15

20

25

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35

40

45

50

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00

Tempo (min)

J (L

/h/m

2 )


O permeado com a presença de frações protéicas com massas molares

abaixo de 100.000 Daltons, dentre elas BSA (albumina sérica bovina),

α-lactoalbumina e β-lactoglobulina (SGARBIERI, 1996), foi submetido ao segundo

fracionamento, em membrana de ultrafiltração com cut off de 20.000 Daltons,

obtendo-se um concentrado com um fator de concentração de 1,86.

A Figura 39 apresenta o fluxo de permeado do soro de queijo quando

submetido a novo fracionamento com membranas com cut off de 20.000 Daltons.

FIGURA 39: FLUXO DE PERMEAÇÃO DE SORO DE QUEIJO CONCENTRADO ATRAVÉS DE ULTRAFILTRAÇÃO EM MÓDULO TANGENCIAL COM MEMBRANAS DE 20.000 DALTONS.

Como observado na Figura 39, foram coletados somente 50 mL de permeado,

pois o sistema entrou em regime com 160 mL de fluido na alimentação, utilizando

110 mL para suprir o volume retido das tubulações do sistema, dificultando a coleta

de volume superior a 50 mL de fluido - foi observada forte aeração no retorno do

concentrado durante todo o tempo de ultrafiltração.

O fluxo se manteve praticamente constante, porém, mesmo com este

resultado e com a pouca quantidade coletada, ainda detectou-se a presença de

fatores limitantes, devido ao aumento no tempo de permeação.

0

5

10

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0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

Tempo (min)

J (L

/h/m

2 )


A Tabela 18 apresenta os resultados das determinações físico-químicas dos

concentrados e permeados resultantes da microfiltração em membrana com cut off

de 0,45 µm e ultrafiltração em membranas de 100.000 Daltons e 20.000 Daltons.

TABELA 18: RESULTADOS DAS DETERMINAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS DE SORO CONCENTRADO E PERMEADO EM MEMBRANA DE MICROFILTRAÇÃO DE 0,45 µM, E ULTRAFILTRAÇÃO DE 100.000 DALTONS E 20.000 DALTONS.

Tipo de membrana Amostras pH ºD

EST

(%)

Ptna (NKT)

(%)

% ptna (NKT)

(base seca)

Lactose

(%)

Ptna /

lactose

Concentrado 6,09 21º 8,571 2,56 29,87 4,09 7,30 MF* 0,45 µM

Permeado 5,59 55º 5,472 0,90 16,45 1,50 10,99

Concentrado 6,00 19º 16,094 5,22 32,44 0,53 9,77 UF** 100.000 DALTONS Permeado 6,00 19º 2,188 0,39 17,69 2,46 0,16

Concentrado 6,05 19º 4,011 0,42 10,66 2,14 0,20 UF** 20.000 DALTONS Permeado 6,03 16º 4,469 0,22 4,83 1,82 0,12

*MF: microfiltração

** UF: ultrafiltração

Observa-se, na Tabela 18, que o permeado obtido através da microfiltração

apresentou uma acidez elevada, provavelmente devido à ação bacteriana. Uma

pequena alteração no pH foi constatada, não acompanhando a alteração de acidez,

em função de alguma ação tamponante. A membrana de microfiltração apresentou

um coeficiente de rejeição de 81,01% de proteína.

Mesmo com forte aeração do soro na alimentação quando submetido a

ultrafiltração em membranas com cut off de 100.000 Daltons, não foi observada

diferença entre o pH e a acidez Dornic nas amostras de permeado e concentrado

(Tabela 18). A diferença mais sensível foi detectada nos percentuais de sólidos

totais, chegando a uma rejeição de 88,03% de destes.

Quando submetido a ultrafiltração com membrana de cut off de 20.000

Daltons, provavelmente a membrana reteve β-lactoglobulina e permeou

α-lactoalbumina. Porém, para a afirmação desta teoria seria necessária a

determinação de proteínas através de HPLC ou eletroforese.

CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES E SUGESTÕES

5.1 Conclusões do trabalho

5.1.1 Evaporação a vácuo

Nos ensaios preliminares obteve-se uma concentração superior às

encontradas durante os experimentos, devido ao equipamento operar em vácuo

absoluto.

A agitação exerceu efeito positivo sobre o fator de concentração mássica do

soro de queijo, porém não apresentou o mesmo efeito frente à concentração de

proteína.

A pressão de operação e a temperatura não apresentaram efeitos

estatisticamente significativos (p<0,05) na concentração do soro de queijo, nem nas

proteínas presentes.

A razão proteína/lactose não variou ao longo da concentração, porque ambas

foram concentradas nas mesmas proporções.

Devido à limitação de vácuo do equipamento, não foi possível obter altos

graus de concentração.

A condição experimental que permitiu a maior concentração do soro em

menor tempo de processamento operou à temperatura de 50°C, pressão de -0,8

kgf/cm2 e agitação de 230 rpm.

Em todas as condições experimentais estudadas não se observou

visualmente a caramelização da lactose presente no soro, embora se tenha

detectado diferenças quando se utilizou um método instrumental para avaliação

deste parâmetro (colorímetro).

5.1.2 Ultrafiltração

Quando o soro de queijo foi submetido a ultrafiltração com reciclo total, a

pressão, a vazão de alimentação e a interação entre ambas apresentou efeito

Capítulo 5: Conclusões

88

positivo e significativo (p<0,05) sobre o fluxo de permeado, enquanto a temperatura

não apresentou efeito significativo (p<0,05) em relação a esse fluxo.

Quando o soro de queijo foi submetido a ultrafiltração sem reciclo, somente a

pressão exerceu efeito significativo (p<0,05) sobre o fluxo de permeado.

Todas as interações binárias foram estatisticamente significativas, mostrando

que as variáveis estudadas não são independentes.

Não foi possível observar efeitos significativos (p<0,05) das variáveis

estudadas (temperatura, pressão e vazão de alimentação) sobre as concentrações

de proteínas e lactose, nem sobre os tempos de concentração.

A membrana utilizada (cut off de 10.000 Daltons) foi seletiva para proteína

(CR ≥95%) e não para lactose.

Quando o sistema foi submetido a ultrafiltração com água pura, antes e após

a ultrafiltração com soro, foi possível a observação da redução da permeabilidade

hidráulica da membrana, caracterizando o fouling, um fenômeno irreversível.

Quando o soro de queijo foi submetido a ultrafiltração sem reciclo, foi possível

observar a redução de fluxo em função da variação da concentração de sólidos na

alimentação, aumentando a camada de polarização na superfície da membrana.

A concentração de proteínas não apresentou uma correlação perfeita positiva

frente a concentração de sólidos totais.

Houve alteração de acidez do soro ao longo da ultrafiltração, provavelmente

em função deste não ser termicamente tratado, o qual foi submetido a ultrafiltração

em temperaturas entre 25 e 45ºC.

A razão proteína/lactose variou ao longo da concentração, porque ambas não

foram concentradas nas mesmas proporções, devido à membrana ser seletiva para

proteína e não para lactose.

Quando as amostras foram submetidas ao fracionamento, obteve-se soro

concentrado composto por frações protéicas com massas molares entre 10.000 e

20.000 Daltons, 20.000 e 100.000 Daltons e acima de 100.000 Daltons.

Capítulo 5: Conclusões

89

5.2 Sugestões para trabalhos futuros

• Repetir os fracionamentos, ampliando o cut off das membranas utilizadas;

• Realizar eletroforese nas amostras fracionadas a fim de caracterizar as

frações de proteínas presentes nos permeados e concentrados;

• Realizar diafiltração para melhor purificação das proteínas;

• Realizar um maior controle de acidez;

• Realizar análises microbiológicas;

• Avaliar a viabilidade econômica de ambos os processos de concentração.

Capítulo 6: Referências Bibliográficas

90

CAPÍTULO 6: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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CONCENTRAÇÃO DE PROTEÍNAS DE SORO DE QUEIJO …uricer.edu.br/eal_hp/DissertPDF/Turma2003/Dissertacao_Leo_Serpa... · que viveu bem, riu muitas vezes e amou muito. Que conquistou