2 Filtracao

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06/03/2017 
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Operações Unitárias na Indústria de 
Alimentos 
PROFESSORA MARIANNE AYUMI SHIRAI 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Campus Londrina 
Departamento Acadêmico de Alimentos 
Operações Unitárias na Indústria de Alimentos Introdução 
Compreender a natureza de um processo produtivo, desde 
aspectos microscópicos (propriedades físico-químicas, 
grandezas termodinâmicas e fenomenológicas), até 
aspectos macroscópicos (balanço de massa e energia, 
detalhamento de equipamentos e acessórios, 
instrumentação); 
Compreender o processamento de uma determinada 
matéria-prima para obter certo produto: 
 
Matéria-
prima 
Transformação Produto 
Processo simplificado de produção de 
cerveja Classificação das Operações Unitárias 
 1) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE QUANTIDADE DE 
MOVIMENTO 
◦ São operações em que duas fases em diferentes 
velocidades são colocadas em contato 
◦ Circulação interna de fluidos: movimento de fluidos 
através de tubulação e dispositivos para mediar as 
propriedades dos fluidos; 
◦ Circulação externa de fluidos: fluido circula pela parte 
externa do sólido (fluidização e transporte pneumático) 
◦ Movimentação dos sólidos dentro de fluidos: separação 
de sólidos em um meio fluido (sedimentação, filtração). 
Classificação das Operações Unitárias 
 2) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
o São controladas pelo gradiente de temperatura e 
dependem do mecanismo pelo qual o calor é transferido. 
o Tratamento térmico (pasteurização e esterilização); 
o Resfriamento e congelamento (com e sem mudança de 
fase da água para gelo). 
Classificação das Operações Unitárias 
 3) OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA 
o São controladas pela difusão de um componente dentro de uma 
mistura 
◦ Desidratação: eliminação de um líquido contido em um 
sólido, ou remoção do gelo por sublimação; 
◦ Extração: dissolução de uma mistura (líquida ou sólida) 
em um solvente seletivo; 
◦ Separação por membranas: transporte convectivo e 
difusivo; 
◦ Cristalização: formação de partículas sólidas de 
estrutura regular a partir de uma fase líquida 
homogênea; 
 
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◦ Destilação: separação de um ou mais componentes a 
partir da diferença de volatilidade; 
◦ Adsorção: eliminação de um ou mais componentes de 
um fluido (líquido ou gás) pela retenção sobre uma 
superfície sólida; 
◦ Troca iônica: substituição de um ou mais íons de uma 
solução com outro agente de troca; 
◦ Absorção: um componente de uma mistura gasosa é 
absorvido por um líquido de acordo com sua 
solubilidade nesse líquido. 
 
Classificação das Operações Unitárias 
 4) OPERAÇÕES COMPLEMENTARES 
o Redução de tamanho: moagem e homogeneização 
o Peneiramento 
Filtração 
PROFESSORA MARIANNE AYUMI SHIRAI 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Campus Londrina 
Departamento Acadêmico de Alimentos 
Operações Unitárias na Indústria de Alimentos 
Filtração - Definição 
 Consiste em separar mecanicamente as partículas 
sólidas de uma suspensão líquida com auxílio de um 
leito poroso (filtro); 
 
 O sólido da suspensão fica retido sobre o meio 
filtrante, formando um depósito denominado de 
torta e cuja espessura vai aumentando no decurso 
da operação; 
 
 O líquido que passa através do leito é o filtrado; 
 
 Durante a filtração, na formação da torta, o fluido 
passa através de duas resistências em série: a da 
própria torta e do meio filtrante; 
 
Filtração 
 A força motriz depende do modelo do filtro: 
 Próprio peso da suspensão (gravidade) 
 Pressão aplicada sobre o líquido (↑ P na alimentação) 
 Vácuo (↓ P na saída) 
 Força centrífuga (↑ Vω) 
Filtração 
A filtração industrial difere da filtração de laboratório somente no 
volume de material operado e na necessidade de ser efetuada a baixo 
custo; 
Para se ter uma produção razoável, com um filtro de dimensões 
moderadas, deve-se aumentar a queda de pressão ou deve-se diminuir 
a resistência ao escoamento para aumentar a vazão; 
A maioria do equipamento industrial opera mediante a diminuição da 
resistência ao escoamento, fazendo com que a área filtrante seja tão 
grande quanto possível, sem que as dimensões globais do filtro 
aumentem proporcionalmente; 
A escolha do equipamento depende em grande parte da economia do 
processo, mas as vantagens econômicas serão variáveis de acordo com 
outras variáveis. 
 
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Filtração 
 Os fatores que controlam a velocidade de filtração são: 
 Queda de pressão, ou seja, a diferença entre a pressão na cabeça de 
filtração, e a pressão na saída do meio filtrante; 
 Área do meio filtrante (área do filtro + área da torta, no caso de 
filtração com torta e área do meio poroso para a filtração); 
 Viscosidade do filtrado; 
 Resistência do filtro e das camadas iniciais de torta (Para que ocorra 
a filtração é necessário que a força motriz supere a resistência); 
 Resistência da torta (levando em conta que quase sempre há um 
limite na espessura da torta formada). 
 Dimensões da partícula sólida, distribuição granulométrica, forma da 
partícula, tendência à floculação e deformabilidade; 
 
 
 
Filtração 
∆𝑃 = 𝑃1 − 𝑃2 = 𝑃1 − 𝑃´ + 𝑃´ − 𝑃2 = ∆𝑃𝑡 + ∆𝑃𝑚 
 
ΔP = Perda de carga total (Pa) 
P1 e P2 = pressões na entrada e na saída (Pa) 
P´= pressão no limite entre a torta e o meio filtrante (Pa) 
ΔPt = perda de carga relativa à torta (Pa) 
ΔPm = perda de carga relativa ao meio filtrante (Pa) 
 
 
Perda de carga relativa à torta 
formada 
 −∆𝑃𝑡 =
χ𝜇𝐶𝑡𝑉
𝐴2
𝑑𝑉
𝑑𝑡
 
 
 Onde: 
 −∆𝑃𝑡 = perda de pressão na torta (Pa) 
 µ = viscosidade do filtrado (Pa.s) 
 Ct = massa de sólido seco na torta por unidade de volume filtrado (kg/m3) 
 V = volume de filtrado (m3) 
 A = área do filtro (m2) 
 χ = resistência específica da torta (m/kg) 
 
𝑑𝑉
𝑑𝑡
 = vazão volumétrica de filtração (m3/s) 
 
Perda de carga relativa à torta 
formada 
χ =
𝐾´´𝑎𝑠
2 1 − 𝜀
𝜌𝑝𝜀3
 
 Onde: 
 K´´ = constante de Koseny 
 as = área superficial da partícula por unidade de volume que deseja-se 
separar (m2/m3) 
 ε = porosidade da torta formada 
 ρp = densidade da partícula (kg/m
3) 
Perda de carga relativa à torta 
formada 
𝐶𝑡 =
𝜌
𝑚𝑠
𝑚𝐿
1 −
𝑚𝑢
𝑚𝑠
𝑚𝑠
𝑚𝐿
 
 Onde: 
 ms = massa de torta seca (kg/kg) 
 mL = massa da suspensão (kg/kg) 
 mu = massa de torta úmida (kg/kg) 
 ρ = densidade da suspensão (kg/m3) 
 
Perda de carga relativa ao meio 
filtrante 
−∆𝑃𝑚 =
𝑅𝑚𝜇
𝐴
𝑑𝑉
𝑑𝑇
 
 
 Rm = resistência do meio filtrante (m
-1) 
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Condições para filtração 
• Queda de pressão constante => a perda de carga é mantida 
constante e o fluxo diminui com o tempo de operação (mais 
comum). 
 
• Vazão volumétrica constante => a perda de carga aumenta 
de modo progressivo e o fluxo é constante. 
Filtração em condições de queda de 
pressão constante 
𝑡
𝑉
=
𝐾∆𝑃𝑉
2
+
1
𝑄0 
 
 
 A partir da regressão linear aplicada nos dados experimentais de t/V em 
função de V, os valores KΔP e 1/Q0 podem ser obtidos da reta. 
 
𝐾∆𝑃 =
χ𝜇𝐶𝑡
𝐴2 −∆𝑃
 
 
1
𝑄0 
=
𝑅𝑚𝜇
𝐴 −∆𝑃
 
θ 
t/V 
V 
1/Q0 = Coeficiente 
linear 
Inclinação = KΔP/2 
Meio filtrante 
 A escolha adequada do meio filtrante é essencial, pois a qualidade do 
produto obtido depende, em grande parte, da eleição correta desse 
material; 
 
 A escolha deve ser baseada na sua capacidade para: 
 Produzir um filtrado límpido (clarificação); 
 Possibilitar uma retirada fácil da torta; 
 Ser resistente o suficiente para não sofrer ataque químico dos 
constituintes presentes na suspensão a ser tratada; Apresentar boa e adequada distribuição de poros de modo a não 
comprometer o curso de filtração; 
 Baixo custo e fácil limpeza. 
 
Meio filtrante 
O meio de 
filtração pode 
ser: 
leito poroso de materiais sólidos inertes, 
conjunto de placas, marcos e telas 
em uma prensa 
conjunto de folhas duplas dentro de 
um tanque, 
cilindro rotativo mergulhado na 
suspensão 
discos rotativos mergulhados na 
suspensão 
bolsas ou cartuchos dentro de uma 
carcaça. 
por membranas microfiltração e 
osmose reversa 
Tipos de torta 
 A torta pode ser Compressível ou 
Incompressível; 
 Depende da natureza, granulometria, forma e 
do grau de heterogeneidade do sólido; 
 Compressível => queda de pressão aumentam 
mais rapidamente com a vazão; 
A resistência da torta geralmente é 
diretamente proporcional à vazão do filtrado, e 
consequentemente, proporcional à queda de 
pressão. 
Auxiliar filtrante 
 São compostos por partículas rígidas que formam tortas abertas, não 
compressíveis; 
 Impedem a formação de uma torta compacta gerando um considerável 
aumento de porosidade e permeabilidade => acelera a filtração; 
 Desempenha o papel de “esqueleto” da torta; 
Exemplos: 
 Diatomáceas: são rochas sedimentares formadas por esqueletos 
silíceos microscópicos de algas de origem marinha ou lacustre 
 Perlita : rocha vítrea de origem vulcânica 
 Celulose: farinha de madeira 
 Carvão ativo: obtido a partir dos subprodutos da fabricação de papel 
 
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Auxiliar filtrante 
Diatomácea 
 (Goulart et al., 
2011) 
Perlita (www.perfiltra.com) 
(www.meiofiltrante.com.br) 
Tipos de filtros 
 Os filtros podem ser operados em batelada, em que a torta é retirada a 
cada ensaio, e de forma contínua; 
Fatores associados com a suspensão: 
 Vazão, temperatura, tipo e concentração dos sólidos, granulometria, 
heterogeneidade e forma das partículas 
 Fatores associados com a características da torta: 
 Quantidade, compressibilidade, valor unitário, propriedades físico-
químicas, uniformidade e estado de pureza desejado 
 Fatores associados com o filtrado: 
 Vazão, viscosidade, temperatura, pressão de vapor e grau de 
clarificação desejado 
 
Tipos de filtros 
 Filtro de leito poroso granular 
 Filtros prensa 
 De câmara 
 De placas e quadros 
 Filtros de lâminas 
 Moore 
 Kelly 
 Sweetland 
 Vallez 
 
 Filtros contínuos rotativos 
 Tambor 
 Disco 
 Horizontais 
 Filtros especiais 
 
Filtro de leito poroso laminar 
 É o tipo de filtro mais simples e de baixo custo de instalação; 
Se usa no tratamento de água potável, quando se tem grandes volumes 
de líquido e pequenas quantidades de sólidos; 
 São constituídos por uma ou mais camadas de sólidos particulados, 
suportados por um leito de cascalho sobre uma grade, através do qual o 
material a ser filtrado flui por gravidade ou por pressão. 
Vantagens e desvantagens dos filtros 
granulares 
Vantagens Desvantagens 
Os filtros não apresentam problemas 
de pressão inferior à atmosférica. 
Na dependência da suspensão a ser 
tratada, precisa sofrer um tratamento 
prévio antes de ser filtrada 
As unidades permitem maior 
disponibilidade de carga, considerando 
a pressão em que o filtrado abandona 
o equipamento. 
Apresentam problemas operacionais 
tendo em vista a dificuldade de 
observar as condições do meio 
filtrante, como falta ou mistura das 
distintas camadas de material granular. 
São produzidos líquidos límpidos por 
meio da circulação de filtrado 
Podem ser automatizados 
Filtros-prensa 
 É o mais comum na indústria e consiste em uma série de placas que 
são apertadas firmemente umas das outras, com uma tela sobre cada 
lado de cada placa; 
 Há placas circulares e placas quadradas, horizontais ou verticais e com 
depressões ou planas. 
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Filtro-prensa de câmaras 
 Quando a prensa está montada os furos formam um canal através do qual 
a suspensão é alimentada nas diversas câmaras. As placas são revestidas 
com telas que também apresentam furos centrais correspondentes aos 
furos das placas; 
 
 Anéis metálicos de pressão prendem as telas às bordas do furo central das 
placas e ao mesmo tempo servem para vedar a passagem da suspensão 
pelo espaço entre a tela e a placa; 
 
Filtro-prensa de câmaras 
 Em uma das extremidades da prensa há um cabeçote fixo e, na outra, 
um cabeçote móvel que serve para prensar o conjunto por meio de um 
parafuso resistente operado por um volante; 
 
Filtro-prensa de placas e quadros 
 Apresentam quadros e placas separadas entre si pelo 
meio filtrante; 
 No filtro prensa a suspensão é bombeada à prensa e 
escoa pelas armações e as partículas se acumulam 
dentro da armação, levando à formação da torta; 
 O filtrado escoa entre o meio filtrante e as placas pelos 
canais de passagem e sai pela parte inferior de cada 
placa; 
 Quando o espaço entre as armações esta 
completamente preenchido, realiza-se a lavagem da 
torta e finalmente o filtro é aberto para descarregar a 
torta; 
 Operação conduzida em batelada; 
 
Vantagens e desvantagens dos filtros 
prensa 
Vantagens Desvantagens 
A unidade precisa de menor área de 
implantação, quando comparada aos 
outros métodos. 
A eficiência é muito sensível às 
variações das características dos 
resíduos. 
As tortas resultantes apresentam baixo 
conteúdo de umidade. 
Difícil lavagem e manutenção do meio 
filtrante, assim como do interior do 
equipamento (preocupante para 
alimentos e fármacos!!) 
São produzidos líquidos límpidos por 
meio da circulação do filtrado. 
As placas podem sofrer fissuras ou 
romper-se. 
Podem ser automatizados. Necessita mão de obra qualificada. 
https://www.youtube.com/watch?v=Nx6CaKe4gcg 
Filtros de lâminas 
São constituídos de lâminas filtrantes múltiplas dispostas lado a lado. 
As lâminas ficam imersas na suspensão a filtrar, sendo feita a sucção do 
filtrado para o seu interior por meio de uma bomba de vácuo; 
Em outros tipos a suspensão é alimentada sob pressão em um tanque 
fechado que aloja as lâminas; 
Em ambos os casos, a torta se forma por fora das lâminas e o filtrado 
passa para o seu interior, de onde sai por um canal apropriado para o 
tanque de filtrado; 
Uma lâmina típica consta de um quadro metálico resistente. O conjunto 
é envolto por uma lona em forma de saco ou fronha. A vedação é feita 
com cantoneiras metálicas. 
https://www.youtube.com/watch?v=WIRxlwn5z-
4&index=3&list=PLns1DSKKpT7TimdFrYMAG4qsSIQ00z4em 
Filtro Kelly 
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Filtro Sweetland 
 
Filtro Sparkler 
 
Filtros contínuos rotativos 
 Geralmente operam a vácuo; 
 Produz tortas secas de pequena espessura (inferior 1 cm) e operam 
continuamente e sob queda de pressão reduzida (inferior a 0,8 atm); 
 O meio filtrante recobre a superfície cilíndrica do equipamento. 
Vantagens Desvantagens 
A unidade precisa de menor área de 
implantação, quando comparada aos 
outros métodos 
O meio filtrante requer lavagem 
constante 
A torta é removida com facilidade Consumo elevado de energia 
Controle fácil dos parâmetro 
operacionais (espessura e lavagem da 
torta) 
Construção de difícil vedação para 
permitir a presença de gases 
Baixo custo de manutenção 
Filtro de tambor rotativo 
 
https://www.youtube.com/watch?v=29FGhBp7j
uQ&index=1&list=PLns1DSKKpT7TimdFrYMAG4q
sSIQ00z4em 
Filtro de disco rotativo Filtros contínuos horizontais 
 
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Aplicação na Indústria de 
Alimentos 
 Ultra purificação de água; 
 Clarificação: vinho, cerveja, vinagre e sucos; 
 Purificação do xarope na produção de refrigerante; 
 Recuperação: borra de vinho, amido modificado; Processamento: açúcar; amido, leveduras; 
 Concentração de proteína de soja; 
 Auxilia no refino de óleos vegetais; 
 Tratamento de efluentes; 
 etc...