O desempenho e a viabilidade econômica dos processos de separação por membranas (PSM) estão diretamente relacionados com o fluxo de permeado e a retenção de substâncias. Em escala de laboratório, onde são utilizadas pequenas áreas de permeação, pode ser observada uma elevada variabilidade dos parâmetros de desempenho dos PSM, quando comparada com a obtida para os módulos industriais. Isto pode dificultar a análise de resultados, a comparação com dados da literatura e as ações de escalonamento. Apesar dos avanços constantemente obtidos na área de membranas, os resultados obtidos para estes parâmetros ainda são susceptíveis a problemas de repetitividade e reprodutibilidade. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade experimental de membranas comerciais de ultrafiltração (UF) de polietersulfona (PES), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e poliacrilonitrila (PAN) com diferentes massas molares de corte (MMC). Os experimentos foram realizados em dois módulos de permeação com área efetiva de membrana de 28 e 60 cm2. Durante os ensaios de UF foram avaliados os seguintes parâmetros de desempenho: fluxo inicial e final de água pura, tempo de compactação da membrana, redução do fluxo (RF), permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de polietilenoglicol (PEG), fluxo de permeado com a solução de PEG e retenção observada. A variabilidade experimental foi investigada através da identificação dos efeitos principais do processo de UF a partir da análise de variância (ANOVA). O teste F foi utilizado para identificar diferenças significativas entre as variâncias obtidas para os parâmetros de resposta determinados A partir das análises de microscopia eletrônica de varredura e de ângulo de contato observou-se que as membranas fabricadas a partir do mesmo material apresentaram estrutura e caráter hidrofílico semelhantes, não sendo observadas diferenças significativas na estrutura das membranas quando comparadas às membranas novas e às membranas após a UF. Na etapa de compactação foi observado que as membranas de mesmo material apresentaram tempo de compactação estatisticamente igual e que a RF para as membranas de PAN é semelhante. De forma geral a variabilidade experimental é menor conforme as membranas são reutilizadas no processo. Os efeitos principais de MMC e material têm influência significativa sobre os parâmetros de resposta da etapa de compactação, com exceção do efeito do material da membrana sobre o tempo de compactação e sobre a RF. Os efeitos principais de MMC, material e pressão de operação também exercem influência significativa sobre a permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de PEG e sobre o fluxo de permeado com a solução de PEG Quando comparadas as variâncias obtidas para os parâmetros de desempenho, estas são estatisticamente semelhantes para membranas de mesmo material. Estes resultados indicam que a variabilidade experimental do processo UF (entre 10 e 40 %) não é alta o suficiente para impedir a correta identificação dos efeitos principais das variáveis do processo dentro das condições de operação avaliadas. A retenção observada foi superior a 88 % para as membranas de PES e PVDF, porém este resultado não condiz com a MMC informada pelo fabricante, uma vez que foram utilizadas soluções de PEG com massa molar menor que a MMC da membrana e a distribuição de massa molar dos PEG utilizados estão dentro da faixa especificada. Uma tendência de aumento da variabilidade dos parâmetros de resposta foi obtida quando utilizado o módulo com menor área de permeação, indicando que para as condições de área investigadas a variabilidade é aparentemente dependente da área de permeação. / The performance and the economic viability of the membrane separation processes (PSM) are directly related to permeate flux and solute retention. In laboratory scale, where small permeation areas are used, a large variability in the performance parameters of the PSM could be observed, when compared with the obtained for industrial modules. This variability may difficult analysis of the results, comparison with literature data and scale-up actions. Despite the advances that are constantly achieved in membrane technology, the results obtained experimentally for the membranes performance parameters are still prone to repeatability and reproducibility problems. In this context, the objective of this work was to evaluate the experimental variability of commercial ultrafiltration (UF) membranes of polyethersulfone (PES), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyacrylonitrile (PAN) with different molar mass cut-off (MMCO). The experiments were performed in a lab-scale cross-flow unit in two permeation modules with effective membrane area of 28 and 60 cm2. During the UF tests were evaluated the performance parameters: initial and final pure water flux, membrane compaction time, flux reduction (RF), hydraulic permeance before and after the filtration of the polyethylene glycol (PEG) solution, permeate flux with the PEG solution and observed retention. The experimental variability was investigated through the identification of the main effects of the UF process using the analysis of variance (ANOVA). The F-test was used to identify significant differences between the variances obtained for the response parameters determined According to the scanning electron microscopy and the water contact angle analysis, membranes made from the same material presented similar structure and hydrophilic character and were not observed significant differences in the membranes structure, when compared the new membranes with the membranes after the UF. In the compaction step it was observed that membranes of the same material presented statistically equal compaction time and the RF for the PAN membranes is similar. In general, the experimental variability is lower as the membranes are reused in the process. The main effects of MMCO and material have significant influence on the response parameters of the compaction step, the exception occur for the membrane material effect on the compaction time and RF. The main effects of MMCO, material and transmembrane pressure also exert significant influence on the hydraulic permeance before and after the PEG filtration and on the permeate flux with the PEG solution. When comparing the variances obtained for the performance parameters, they are statistically similar for membranes of the same material These results indicate that the experimental variability of the UF process (between 10 and 40%) was not high enough to prevent the correct identification of the effects of the main process variables within the evaluated operation conditions. The observed retention was greater than 88 % for the PES and PVDF membranes, but this result is not consistent with the MMCO reported by the manufacturer, since PEG solutions with lower molar mass than membrane MMCO were used and the molar mass distribution of the PEGs are within the specified range. A tendency to increase the experimental variability of the response parameters was observed when using the modulus with lower permeation area, indicating that for the range of effective membrane area investigated the variability is apparently dependent of the permeation area.

The effect of ultrafiltration, diafiltration, and preacidification of milk on the partition of specific milk components between retentate and permeate was studied. Percent retention (for any component Y) was determined as: [ l - (%Y in soln. permeate/%Y in soln. retentate)] X 100 where %Y in soln. = [%Y/(%Y + %H 20)] Simultaneous samples of retentate and permeate were taken at several points during each process. Percent retention of total solids, fat, total protein, rennet clottable nitrogen, lactose, total calcium, ionic calcium, sodium, phosphorous, and riboflavin was determined at each sampling point. Percent retention of β-carotene, vitamin B12, retinol, and zinc was determined at different stages of ultrafiltration only. As UF proceeded, percent retention of total solids, total protein, total calcium, ionic calcium, sodium, phosphorous, and riboflavin increased. Percent retention of lactose was not affected and was 0-4%. Percent retention of fat, rennet clottable nitrogen, zinc, retinal, β-carotene, and vitamin B12 was 99-100%. As diafiltration proceeded, percent retention of total solids, lactose, total calcium, ionic calcium, sodium, phosphorous, and riboflavin increased. Percent retention of these nutrients was increased when compared to ultrafiltration alone. Milks with lower pH values (resulting from preacidification) also had lower percent retention of total calcium and phosphorous than milks with normal pH values. Percent retention of sodium was lower during ultrafiltration and diafiltration of acidified milk when compared to ultrafiltration and diafiltration of normal milk. Percent retention of other nutrients was not affected by acidification. Loss of whey proteins into permeate resulted in a lower recovery of total protein after diafiltration than ultrafiltration alone and ultrafiltration of acidified milk. These proteins were determined to be α-lactogobulin and β-lactogobulin.

Whey permeate was anaerobically digested in laboratory scale upflow anaerobic sludge blanket reactors. Nine hydraulic retention times between 5 and 0.2 days were examined with a fixed influent concentration of 10.6 ± 0.2 g COD/L. Chemical oxygen demand removal efficiency ranged from 99.0 to 18.9% and maximum production rate of methane gas was 2.67 L/L/day at a hydraulic loading rate of 12.97 kg COD/m3/day. About 70% of the chemical oxygen demand removed was converted to methane. Both the nonlinear least square method with 95% confidence interval and linear regression were used to evaluate kinetic coefficients. The maximum substrate utilization rate, k, and half saturation coefficient, KL, were determined to be 1.269 ± 0.163 Kg COD/kg VSS/day and 1.000 ± 0.179 kg COD/kg VSS/day. The yield coefficient, Y, and biomass decay rate coefficient, Kd, were also determined to be 0.160 ± 0.012 kg VSS/kg COD and 0.027 ± 0.004 day-1, respectively.

This study aimed to obtain 15% total solids and reduced mineral content in milk UF permeate by nanofiltration, hydrolysing the lactose content of nano-concentrate enzymically, partially substituting sucrose in ice cream formulations with hydrolysed lactose nano-concentrate (HLNC), and investigating the effects of HLNC on the physio-chemical and sensory characteristics of ice cream. The desired 15% total solids in the nano-concentrate was achieved after three fold concentration of milk UF permeate. The colour of milk permeate changed, pH and mineral content decreased, and crude protein content, lactose content and titratable acidity increased. The lactose content was hydrolysed by enzyme lactase. HLNC was used to replace 25% and 50% of sucrose in ice cream formulations. Springiness, cohesiveness, chewiness, adhesiveness, hardness, iciness, Ph and colour were not significantly affected. Viscosity, freezing point, glass transition temperature, melting temperature, gumminess and sweetness were significantly decreased, whereas freezing time, saltiness and cooked flavour were significantly increased. The overall acceptability of ice cream significantly decreased at 50% but was insignificantly affected at the 25% level. These results indicate that about one quarter of sucrose could be replaced by HLNC. / Master of Science (Hons) (Food Technology)

O soro de leite é o coproduto da produção de queijos e contém proteínas com excelentes propriedades nutricionais e tecnológicas. Dentre essas proteínas, as majoritárias são a β-lactoglobulina (BLG) e a α-lactalbumina (ALA). Embora o soro do leite já seja aproveitado pelas indústrias para a produção de isolados e concentrados proteicos, esses produtos consistem em uma mistura de diversas proteínas e atualmente há um grande interesse em realizar o seu fracionamento a fim de aproveitar melhor as suas propriedades individuais. Entretanto, fracionar essas proteínas é um grande desafio devido às suas massas molares próximas, e uma combinação de diferentes abordagens baseadas nas suas características se torna necessária para possibilitar uma boa separação. A ALA apresenta uma capacidade de formar agregados proteicos em meio ácido e ausência de cálcio, sendo uma estratégia interessante para combinar com processos de separação por membranas. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi realizar o fracionamento da BLG e da ALA a partir da agregação proteica combinada com processos de separação por membranas. O ajuste do pH para 4 e adição de citrato de sódio como agente complexante do íon cálcio possibilitou a formação de agregados proteicos da solução de isolado proteico do soro de leite 6 %, porém ao determinar a pressão de operação dessa solução utilizando membranas cerâmicas de microfiltração (MF) de 0,8 e 0,05 μm para reter os agregados proteicos, o fluxo de permeado foi baixo. O mesmo procedimento foi utilizado para a solução de soro do leite em pó 6 % e membrana de 0,8 μm, resultando, também, em um fluxo de permeado baixo durante a determinação da pressão de operação. Ao combinar a centrifugação com a ultrafiltração (UF), o sobrenadante, contendo a fração que não formou agregados proteicos, apresentou maiores fluxos de permeado em pH 7 e 10, e baixos fluxos em pH 3 e 4. A purificação do sobrenadante em pH 10 com membrana cerâmica de 5 kDa apresentou fluxo de permeado elevado e, quando a diafiltração foi realizada, o fluxo de permeado apresentou um comportamento ascendente e menor tendência ao fouling, variando entre 56,5 e 64,6 %. O sedimentado ressolubilizado em pH 10 também apresentou um fluxo de permeado elevado, porém com comportamento mais estável durante a diafiltração, e tendência ao fouling entre 81,4 e 84,6 %. Contudo, a agregação proteica precisa ser mais bem avaliada para separar as proteínas, bem como a retenção da membrana de 5 kDa, x a qual permitiu a passagem de parte das proteínas tanto do sobrenadante como do sedimentado ressolubilizado, sendo, ainda, verificado um pH mais elevado nos concentrados do que nos permeados e livre passagem dos demais íons mediante análise de condutividade elétrica. Os resultados demonstraram que o ajuste do pH para 10 possibilitou melhorar a performance do fluxo de permeado, provavelmente devido à menor interação proteína-proteína e proteína-membrana, além de ser uma estratégia interessante para minimizar os fatores limitantes em processos de separação por membranas. / Whey is the co-product of cheese production and contains proteins with excellent nutritional and technological properties. Among these proteins, β-lactoglobulin (BLG) and α-lactalbumin (ALA) are the main ones. Although whey is already used by industries to produce protein isolates and concentrates, these products consist of a mixture of several proteins and currently there is a great interest in their fractionation in order to take better advantage of their individual properties. However, fractionating whey proteins is a great challenge because of their similar molecular weight. Due to this, a combination of different approaches based on characteristics of each of these proteins becomes necessary to enable a good separation. ALA has the ability to form protein aggregates in an acidic media and absence of calcium, providing an interesting condition to combine with membrane separation processes. In view of this, the aim of this work was to fractionate BLG and ALA using a combination of protein aggregation procedure and membrane separation processes. Adjustment of pH to 4 and addition of sodium citrate as complexing agent of calcium ion allowed the formation of protein aggregates in whey protein isolate solution, but when microfiltration was carried out with ceramic membranes of 0.8 and 0.05 μm to retain the protein aggregates formed, permeate flux was low during the determination of the operating pressure of the process. The same procedure was used with whey powder solution and 0.8 μm membrane, also resulting in a low permeate flux when determining the operating pressure. By combining centrifugation with ultrafiltration, the supernatant containing the fraction that did not form protein aggregates showed higher permeate flux at pH 7 and 10, and lower permeate flux at pH 3 and 4. Purification of the supernatant at pH 10 with 5 kDa ceramic membrane showed high permeate flux and, when the diafiltration was performed, the permeate flux presented an upward behavior and lower fouling tendency, varying between 56.5 and 64.6 %. The resolubilized sediment at pH 10 also showed a higher permeate flux, but with a more stable behavior during diafiltration and fouling tendency between 81.4 and 84.6 %. Nevertheless, protein aggregation procedure needs to be better evaluated to separate the proteins as well as the retention of the 5 kDa membrane, which allowed passage of part of the proteins of the supernatant and the resolubilized sediment solutions and showed a higher pH in the xii concentrates than in the final permeate and free passage of the other ions evaluated by electrical conductivity analysis. The results showed that adjusting the pH to 10 allowed to improve the perfomance of permeate flux, probably due to the lower protein-protein and protein-membrane interactions, besides being an interesting strategy to minimize the limiting factors in PSM.

O desempenho e a viabilidade econômica dos processos de separação por membranas (PSM) estão diretamente relacionados com o fluxo de permeado e a retenção de substâncias. Em escala de laboratório, onde são utilizadas pequenas áreas de permeação, pode ser observada uma elevada variabilidade dos parâmetros de desempenho dos PSM, quando comparada com a obtida para os módulos industriais. Isto pode dificultar a análise de resultados, a comparação com dados da literatura e as ações de escalonamento. Apesar dos avanços constantemente obtidos na área de membranas, os resultados obtidos para estes parâmetros ainda são susceptíveis a problemas de repetitividade e reprodutibilidade. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade experimental de membranas comerciais de ultrafiltração (UF) de polietersulfona (PES), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e poliacrilonitrila (PAN) com diferentes massas molares de corte (MMC). Os experimentos foram realizados em dois módulos de permeação com área efetiva de membrana de 28 e 60 cm2. Durante os ensaios de UF foram avaliados os seguintes parâmetros de desempenho: fluxo inicial e final de água pura, tempo de compactação da membrana, redução do fluxo (RF), permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de polietilenoglicol (PEG), fluxo de permeado com a solução de PEG e retenção observada. A variabilidade experimental foi investigada através da identificação dos efeitos principais do processo de UF a partir da análise de variância (ANOVA). O teste F foi utilizado para identificar diferenças significativas entre as variâncias obtidas para os parâmetros de resposta determinados A partir das análises de microscopia eletrônica de varredura e de ângulo de contato observou-se que as membranas fabricadas a partir do mesmo material apresentaram estrutura e caráter hidrofílico semelhantes, não sendo observadas diferenças significativas na estrutura das membranas quando comparadas às membranas novas e às membranas após a UF. Na etapa de compactação foi observado que as membranas de mesmo material apresentaram tempo de compactação estatisticamente igual e que a RF para as membranas de PAN é semelhante. De forma geral a variabilidade experimental é menor conforme as membranas são reutilizadas no processo. Os efeitos principais de MMC e material têm influência significativa sobre os parâmetros de resposta da etapa de compactação, com exceção do efeito do material da membrana sobre o tempo de compactação e sobre a RF. Os efeitos principais de MMC, material e pressão de operação também exercem influência significativa sobre a permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de PEG e sobre o fluxo de permeado com a solução de PEG Quando comparadas as variâncias obtidas para os parâmetros de desempenho, estas são estatisticamente semelhantes para membranas de mesmo material. Estes resultados indicam que a variabilidade experimental do processo UF (entre 10 e 40 %) não é alta o suficiente para impedir a correta identificação dos efeitos principais das variáveis do processo dentro das condições de operação avaliadas. A retenção observada foi superior a 88 % para as membranas de PES e PVDF, porém este resultado não condiz com a MMC informada pelo fabricante, uma vez que foram utilizadas soluções de PEG com massa molar menor que a MMC da membrana e a distribuição de massa molar dos PEG utilizados estão dentro da faixa especificada. Uma tendência de aumento da variabilidade dos parâmetros de resposta foi obtida quando utilizado o módulo com menor área de permeação, indicando que para as condições de área investigadas a variabilidade é aparentemente dependente da área de permeação. / The performance and the economic viability of the membrane separation processes (PSM) are directly related to permeate flux and solute retention. In laboratory scale, where small permeation areas are used, a large variability in the performance parameters of the PSM could be observed, when compared with the obtained for industrial modules. This variability may difficult analysis of the results, comparison with literature data and scale-up actions. Despite the advances that are constantly achieved in membrane technology, the results obtained experimentally for the membranes performance parameters are still prone to repeatability and reproducibility problems. In this context, the objective of this work was to evaluate the experimental variability of commercial ultrafiltration (UF) membranes of polyethersulfone (PES), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyacrylonitrile (PAN) with different molar mass cut-off (MMCO). The experiments were performed in a lab-scale cross-flow unit in two permeation modules with effective membrane area of 28 and 60 cm2. During the UF tests were evaluated the performance parameters: initial and final pure water flux, membrane compaction time, flux reduction (RF), hydraulic permeance before and after the filtration of the polyethylene glycol (PEG) solution, permeate flux with the PEG solution and observed retention. The experimental variability was investigated through the identification of the main effects of the UF process using the analysis of variance (ANOVA). The F-test was used to identify significant differences between the variances obtained for the response parameters determined According to the scanning electron microscopy and the water contact angle analysis, membranes made from the same material presented similar structure and hydrophilic character and were not observed significant differences in the membranes structure, when compared the new membranes with the membranes after the UF. In the compaction step it was observed that membranes of the same material presented statistically equal compaction time and the RF for the PAN membranes is similar. In general, the experimental variability is lower as the membranes are reused in the process. The main effects of MMCO and material have significant influence on the response parameters of the compaction step, the exception occur for the membrane material effect on the compaction time and RF. The main effects of MMCO, material and transmembrane pressure also exert significant influence on the hydraulic permeance before and after the PEG filtration and on the permeate flux with the PEG solution. When comparing the variances obtained for the performance parameters, they are statistically similar for membranes of the same material These results indicate that the experimental variability of the UF process (between 10 and 40%) was not high enough to prevent the correct identification of the effects of the main process variables within the evaluated operation conditions. The observed retention was greater than 88 % for the PES and PVDF membranes, but this result is not consistent with the MMCO reported by the manufacturer, since PEG solutions with lower molar mass than membrane MMCO were used and the molar mass distribution of the PEGs are within the specified range. A tendency to increase the experimental variability of the response parameters was observed when using the modulus with lower permeation area, indicating that for the range of effective membrane area investigated the variability is apparently dependent of the permeation area.

Leveduras oleaginosas possuem a capacidade de sintetizar grande quantidade de lipídeos em suas células, gerando produtos de alto valor agregado através de um processo sustentável. Um perfil de ácidos graxos poli-insaturados é de grande interesse por parte das industrias alimentícia e farmacêutica e têm sido alvo de diversos estudos em relação à sua produção e efeitos benéficos à saúde. O presente trabalho teve como objetivo produzir ácidos graxos poli-insaturados pela levedura Meyerozyma guilliermondii BI281 utilizando glicose, glicerol residual e permeado de soro de queijo como fontes de carbono. Avaliou-se o metabolismo da levedura em meios de cultivo com diferentes composições (“meio A” e “base YM”) e comparou-se o seu desempenho em razões C/N 100: 1 e 50:1. A levedura foi capaz de metabolizar todos os substratos testados e o meio de cultivo “A” com glicerol residual e razão C/N 50:1 mostrou-se o mais adequado, obtendo valores de 5,67 g.L-1 de biomassa e 1,04 g.L-1 de lipídeos, representando aproximadamente 18 % do peso da massa seca de biomassa. Esta condição foi escalonada para biorreator de 2 L, onde condições de aeração e controle de pH puderam ser avaliadas, apresentando quantidade semelhante de lipídeos (1,08 g.L-1) e uma maior produção de biomassa (7,05 g.L-1). Os ácidos graxos sintetizados apresentaram em sua composição ácido láurico (C12:0), ácido mistírico (C14:0), ácido palmítico (C16:0), ácido pamitoleico (C16:1), ácido esteárico (C18:0), ácido oleico (C18:1 n-9), ácido linoleico (C18:2 n-6) e ácido linolênico (C18:3 n-3). / Oleaginous yeasts are able to synthesize high amounts of lipids in their cells, producing high added-value products through a sustainable process. Food and pharmaceutical companies have great interest in polyunsaturated fatty acids depending on their profiles and many studies related to their production and health benefits have been carried out. The aim of this study was to produce polyunsaturated fatty acids by the yeast Meyerozyma guilliermondii BI281A using glucose, crude glycerol, and cheese whey permeate as carbon sources. Yeast metabolism was evaluated in different compositions of culture media (“A” and “YM”) and at different C/N ratios (100:1 and 50:1). The yeast was able to assimilate all substrates tested, and medium “A” with crude glycerol as carbon source at a C/N ratio of 50:1 had the most efficient result with biomass production of 5.67 g.L-1 and lipid production of 1.08 g.L-1, which represented 18 % of dry cell weight. This composition was scaled-up to a 2 L bioreactor, where it was possible to measure pH and aeration conditions, and showed similar lipid production (1.08 g.L-1) and higher biomass production (7.05 g.L-1). Fatty acids profile obtained was composed by lauric acid (C12:0), myristic acid (C14:0), palmitic acid (C16:0), palmitoleic acid (C16:1), stearic acid (C18:0), oleic acid(C18:1), linoleic acid (C18:2 n-6), and linolenic acid (C18:3 n-3).

An experimental characterisation of a pre-commercial spiral wound permeate gap membrane distillation module was carried out to test its performance at different operating conditions for the purpose of seawater desalination. The experimental setup consisted of a flat plate solar collector field indirectly coupled to the permeate gap membrane distillation module via an inertia tank. The operating parameters varied were the condenser inlet temperature (from 20 °C to 30 °C), evaporator inlet temperature (from 60 °C to 80 °C) and seawater feed flow rate (from 200 l/h to 400 l/h). Within this operational boundary, it was found that the maximum permeate/distillate flux was 4.135 l/(h∙m2) which equates to a distillate production/flow rate of close to 21.3 l/h. The maximum potential distillate production rate is expected to be significantly higher than this value though as the maximum manufacturer specified feed flow rate is 700 l/h and the maximum evaporator inlet temperature is rated at 90 °C. Both these parameters are positively related to the distillate production rate. The minimum specific thermal energy consumption was found to be 180 kWh/m3. A mathematical model of the overall system was developed, and experimentally validated, to mathematically describe the coupling of the membrane distillation module with a solar collector field. The effectiveness of internal heat recovery of the membrane distillation module was found to be an accurate and simple tool to evaluate the thermal energy demand of the distillation process at a given set of operation parameters. The mathematical model was used to further investigate the experimental findings and provide insights into the operational dynamics of the membrane distillation module. It was also used to determine some external conditions required for steady state operation, at a given distillation operating point, such as the minimum solar irradiation required for operation and the auxiliary cooling required in the solar collector loop for maintaining steady state conditions. Finally, general guidelines are provided toward better operational practices to improve the coupling of a solar thermal collector unit/field with a membrane distillation system using a storage tank or inertia tank.

O soro de leite é o coproduto da produção de queijos e contém proteínas com excelentes propriedades nutricionais e tecnológicas. Dentre essas proteínas, as majoritárias são a β-lactoglobulina (BLG) e a α-lactalbumina (ALA). Embora o soro do leite já seja aproveitado pelas indústrias para a produção de isolados e concentrados proteicos, esses produtos consistem em uma mistura de diversas proteínas e atualmente há um grande interesse em realizar o seu fracionamento a fim de aproveitar melhor as suas propriedades individuais. Entretanto, fracionar essas proteínas é um grande desafio devido às suas massas molares próximas, e uma combinação de diferentes abordagens baseadas nas suas características se torna necessária para possibilitar uma boa separação. A ALA apresenta uma capacidade de formar agregados proteicos em meio ácido e ausência de cálcio, sendo uma estratégia interessante para combinar com processos de separação por membranas. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi realizar o fracionamento da BLG e da ALA a partir da agregação proteica combinada com processos de separação por membranas. O ajuste do pH para 4 e adição de citrato de sódio como agente complexante do íon cálcio possibilitou a formação de agregados proteicos da solução de isolado proteico do soro de leite 6 %, porém ao determinar a pressão de operação dessa solução utilizando membranas cerâmicas de microfiltração (MF) de 0,8 e 0,05 μm para reter os agregados proteicos, o fluxo de permeado foi baixo. O mesmo procedimento foi utilizado para a solução de soro do leite em pó 6 % e membrana de 0,8 μm, resultando, também, em um fluxo de permeado baixo durante a determinação da pressão de operação. Ao combinar a centrifugação com a ultrafiltração (UF), o sobrenadante, contendo a fração que não formou agregados proteicos, apresentou maiores fluxos de permeado em pH 7 e 10, e baixos fluxos em pH 3 e 4. A purificação do sobrenadante em pH 10 com membrana cerâmica de 5 kDa apresentou fluxo de permeado elevado e, quando a diafiltração foi realizada, o fluxo de permeado apresentou um comportamento ascendente e menor tendência ao fouling, variando entre 56,5 e 64,6 %. O sedimentado ressolubilizado em pH 10 também apresentou um fluxo de permeado elevado, porém com comportamento mais estável durante a diafiltração, e tendência ao fouling entre 81,4 e 84,6 %. Contudo, a agregação proteica precisa ser mais bem avaliada para separar as proteínas, bem como a retenção da membrana de 5 kDa, x a qual permitiu a passagem de parte das proteínas tanto do sobrenadante como do sedimentado ressolubilizado, sendo, ainda, verificado um pH mais elevado nos concentrados do que nos permeados e livre passagem dos demais íons mediante análise de condutividade elétrica. Os resultados demonstraram que o ajuste do pH para 10 possibilitou melhorar a performance do fluxo de permeado, provavelmente devido à menor interação proteína-proteína e proteína-membrana, além de ser uma estratégia interessante para minimizar os fatores limitantes em processos de separação por membranas. / Whey is the co-product of cheese production and contains proteins with excellent nutritional and technological properties. Among these proteins, β-lactoglobulin (BLG) and α-lactalbumin (ALA) are the main ones. Although whey is already used by industries to produce protein isolates and concentrates, these products consist of a mixture of several proteins and currently there is a great interest in their fractionation in order to take better advantage of their individual properties. However, fractionating whey proteins is a great challenge because of their similar molecular weight. Due to this, a combination of different approaches based on characteristics of each of these proteins becomes necessary to enable a good separation. ALA has the ability to form protein aggregates in an acidic media and absence of calcium, providing an interesting condition to combine with membrane separation processes. In view of this, the aim of this work was to fractionate BLG and ALA using a combination of protein aggregation procedure and membrane separation processes. Adjustment of pH to 4 and addition of sodium citrate as complexing agent of calcium ion allowed the formation of protein aggregates in whey protein isolate solution, but when microfiltration was carried out with ceramic membranes of 0.8 and 0.05 μm to retain the protein aggregates formed, permeate flux was low during the determination of the operating pressure of the process. The same procedure was used with whey powder solution and 0.8 μm membrane, also resulting in a low permeate flux when determining the operating pressure. By combining centrifugation with ultrafiltration, the supernatant containing the fraction that did not form protein aggregates showed higher permeate flux at pH 7 and 10, and lower permeate flux at pH 3 and 4. Purification of the supernatant at pH 10 with 5 kDa ceramic membrane showed high permeate flux and, when the diafiltration was performed, the permeate flux presented an upward behavior and lower fouling tendency, varying between 56.5 and 64.6 %. The resolubilized sediment at pH 10 also showed a higher permeate flux, but with a more stable behavior during diafiltration and fouling tendency between 81.4 and 84.6 %. Nevertheless, protein aggregation procedure needs to be better evaluated to separate the proteins as well as the retention of the 5 kDa membrane, which allowed passage of part of the proteins of the supernatant and the resolubilized sediment solutions and showed a higher pH in the xii concentrates than in the final permeate and free passage of the other ions evaluated by electrical conductivity analysis. The results showed that adjusting the pH to 10 allowed to improve the perfomance of permeate flux, probably due to the lower protein-protein and protein-membrane interactions, besides being an interesting strategy to minimize the limiting factors in PSM.

O desempenho e a viabilidade econômica dos processos de separação por membranas (PSM) estão diretamente relacionados com o fluxo de permeado e a retenção de substâncias. Em escala de laboratório, onde são utilizadas pequenas áreas de permeação, pode ser observada uma elevada variabilidade dos parâmetros de desempenho dos PSM, quando comparada com a obtida para os módulos industriais. Isto pode dificultar a análise de resultados, a comparação com dados da literatura e as ações de escalonamento. Apesar dos avanços constantemente obtidos na área de membranas, os resultados obtidos para estes parâmetros ainda são susceptíveis a problemas de repetitividade e reprodutibilidade. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade experimental de membranas comerciais de ultrafiltração (UF) de polietersulfona (PES), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e poliacrilonitrila (PAN) com diferentes massas molares de corte (MMC). Os experimentos foram realizados em dois módulos de permeação com área efetiva de membrana de 28 e 60 cm2. Durante os ensaios de UF foram avaliados os seguintes parâmetros de desempenho: fluxo inicial e final de água pura, tempo de compactação da membrana, redução do fluxo (RF), permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de polietilenoglicol (PEG), fluxo de permeado com a solução de PEG e retenção observada. A variabilidade experimental foi investigada através da identificação dos efeitos principais do processo de UF a partir da análise de variância (ANOVA). O teste F foi utilizado para identificar diferenças significativas entre as variâncias obtidas para os parâmetros de resposta determinados A partir das análises de microscopia eletrônica de varredura e de ângulo de contato observou-se que as membranas fabricadas a partir do mesmo material apresentaram estrutura e caráter hidrofílico semelhantes, não sendo observadas diferenças significativas na estrutura das membranas quando comparadas às membranas novas e às membranas após a UF. Na etapa de compactação foi observado que as membranas de mesmo material apresentaram tempo de compactação estatisticamente igual e que a RF para as membranas de PAN é semelhante. De forma geral a variabilidade experimental é menor conforme as membranas são reutilizadas no processo. Os efeitos principais de MMC e material têm influência significativa sobre os parâmetros de resposta da etapa de compactação, com exceção do efeito do material da membrana sobre o tempo de compactação e sobre a RF. Os efeitos principais de MMC, material e pressão de operação também exercem influência significativa sobre a permeância hidráulica antes e após a filtração da solução de PEG e sobre o fluxo de permeado com a solução de PEG Quando comparadas as variâncias obtidas para os parâmetros de desempenho, estas são estatisticamente semelhantes para membranas de mesmo material. Estes resultados indicam que a variabilidade experimental do processo UF (entre 10 e 40 %) não é alta o suficiente para impedir a correta identificação dos efeitos principais das variáveis do processo dentro das condições de operação avaliadas. A retenção observada foi superior a 88 % para as membranas de PES e PVDF, porém este resultado não condiz com a MMC informada pelo fabricante, uma vez que foram utilizadas soluções de PEG com massa molar menor que a MMC da membrana e a distribuição de massa molar dos PEG utilizados estão dentro da faixa especificada. Uma tendência de aumento da variabilidade dos parâmetros de resposta foi obtida quando utilizado o módulo com menor área de permeação, indicando que para as condições de área investigadas a variabilidade é aparentemente dependente da área de permeação. / The performance and the economic viability of the membrane separation processes (PSM) are directly related to permeate flux and solute retention. In laboratory scale, where small permeation areas are used, a large variability in the performance parameters of the PSM could be observed, when compared with the obtained for industrial modules. This variability may difficult analysis of the results, comparison with literature data and scale-up actions. Despite the advances that are constantly achieved in membrane technology, the results obtained experimentally for the membranes performance parameters are still prone to repeatability and reproducibility problems. In this context, the objective of this work was to evaluate the experimental variability of commercial ultrafiltration (UF) membranes of polyethersulfone (PES), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyacrylonitrile (PAN) with different molar mass cut-off (MMCO). The experiments were performed in a lab-scale cross-flow unit in two permeation modules with effective membrane area of 28 and 60 cm2. During the UF tests were evaluated the performance parameters: initial and final pure water flux, membrane compaction time, flux reduction (RF), hydraulic permeance before and after the filtration of the polyethylene glycol (PEG) solution, permeate flux with the PEG solution and observed retention. The experimental variability was investigated through the identification of the main effects of the UF process using the analysis of variance (ANOVA). The F-test was used to identify significant differences between the variances obtained for the response parameters determined According to the scanning electron microscopy and the water contact angle analysis, membranes made from the same material presented similar structure and hydrophilic character and were not observed significant differences in the membranes structure, when compared the new membranes with the membranes after the UF. In the compaction step it was observed that membranes of the same material presented statistically equal compaction time and the RF for the PAN membranes is similar. In general, the experimental variability is lower as the membranes are reused in the process. The main effects of MMCO and material have significant influence on the response parameters of the compaction step, the exception occur for the membrane material effect on the compaction time and RF. The main effects of MMCO, material and transmembrane pressure also exert significant influence on the hydraulic permeance before and after the PEG filtration and on the permeate flux with the PEG solution. When comparing the variances obtained for the performance parameters, they are statistically similar for membranes of the same material These results indicate that the experimental variability of the UF process (between 10 and 40%) was not high enough to prevent the correct identification of the effects of the main process variables within the evaluated operation conditions. The observed retention was greater than 88 % for the PES and PVDF membranes, but this result is not consistent with the MMCO reported by the manufacturer, since PEG solutions with lower molar mass than membrane MMCO were used and the molar mass distribution of the PEGs are within the specified range. A tendency to increase the experimental variability of the response parameters was observed when using the modulus with lower permeation area, indicating that for the range of effective membrane area investigated the variability is apparently dependent of the permeation area.