Ultrafiltração do soro de queijo: evolução e desafios industriais

Para promover separação eficiente de frações de diferentes matrizes lácteas podem ser utilizadas membranas orgânicas ou inorgânicas. As membranas de ultrafiltração utilizadas para separação das frações do soro de queijo na década de 1970 eram do tipo orgânica e constituídas por acetato de celulose.

As membranas orgânicas são aplicáveis nos processos de ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa, e são compostas por diferentes materiais poliméricos, tais como poliamida, polietersulfona, polisulfona e polivinilideno de difluoreto. A membrana orgânica apresenta formato plano disposta em quadros ou tubular enrolada em espiral. Com o escoamento cruzado, o permeado é forçado para o interior da membrana. As membranas orgânicas possuem menor custo e durabilidade, e melhor desempenho na seletividade das moléculas pela maior precisão do tamanho dos seus poros em comparação com as membranas inorgânicas (Nunes et al., 2020).

 As membranas inorgânicas ou minerais são utilizadas para microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração, e são constituídas de materiais cerâmicos como óxidos de titânio, zircônio, alumínio, e silício, e nanotubos de carbono. As membranas inorgânicas possuem formato tubular, com o material a ser filtrado entrando pelo centro da membrana, permeando para a superfície externa (Wen-qiong et al., 2019; Nunes et al., 2020; Kammakakam e Lai, 2023).

As membranas de microfiltração são categorizadas pelo tamanho nominal dos poros, para nanofiltração e ultrafiltração pelo limite de peso molecular, e para osmose reversa e nanofiltração pela retenção salina (Bylund, 2015; Wen-qiong et al., 2019; Kammakakam e Lai, 2023).

O desempenho das membranas de ultrafiltração no processo de separação de proteínas lácteas é limitado pela incrustação (fouling), caracterizada pelo bloqueio parcial ou total dos poros da membrana resultando no declínio irreversível da vazão de permeado durante o processo. Na ultrafiltração do soro de queijo ocorre o acúmulo de uma camada de incrustação da membrana por adsorção de proteínas e pela deposição de fosfato de cálcio insolúvel (Luján-Facundo et al., 2017; Paladii et al., 2021; Tanudjaja et al., 2022).

A realização da ultrafiltração em temperaturas de resfriamento e em pH ácido, aliada a pré-tratamentos do soro de queijo como a pasteurização e a centrifugação, minimizam o fouling, aumentando a vida útil das membranas (Barukcic et al., 2015). A diafiltração que consiste na adição de água à alimentação do sistema, também auxilia na redução da incrustação (Bylund, 2015; Tetrapak, 2017).

O uso de tecnologias emergentes como ultrassom, a limpeza enzimática, a modificação da composição e da configuração das membranas, ou ainda a combinação dos sistemas de filtração com outros métodos têm sido pesquisados para reduzir a incrustação e melhorar a eficiência da separação das proteínas do soro de queijo (Luján-Facundo et al., 2017; Kammakakam e Lai, 2023).

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O tipo e a composição da membrana e do material filtrado definem o processo de limpeza. A utilização de surfactante combinado a um detergente alcalino e o uso de ácido cítrico no processo de clean in place (CIP) são alternativas recomendadas por fabricantes de membranas para remover a incrustação (Bylund, 2015).

O desenvolvimento técnico-científico tem promovido a melhoria da eficiência dos processos de separação por membranas, com a minimização da formação de incrustrações (Zheng et al., 2023). A evolução tecnológica da fabricação de membranas também possibilitou o desenvolvimento destas a partir de diversos polímeros sintéticos resistentes ao calor, aos processos de limpeza, e às variações de pressão, pH e temperatura (Battirola et al., 2017).

A partir disso, a separação das proteínas do soro de queijo pode ser aperfeiçoada, contribuindo para o aumento do rendimento do processo, gerando frações de diferentes propriedades tecno-funcionais, agregando valor aos produtos obtidos.

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Referências

Barukcic, I., Bozanic, R., Kulozik, U. Influência da temperatura do processo e pré-tratamento de microfiltração no fluxo e intensidade de incrustação durante a ultrafiltração de fluxo cruzado de soro de leite doce usando membranas cerâmicas. International Dairy Journal, 51, 1-7, 2015.

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Battirola, L. C., Andrade, P. F., Marson, G. V., Hubinger, M. D., Gonçalves, M. D. C. Cellulose acetate/cellulose nanofiber membranes for whey and fruit juice microfiltration. Cellulose, 24, 5593-5604, 2017.

Bylund, G.. Dairy Processing Handbook. Tetra Pak Processing Systems AB. Revisão 1. Suécia, 2015.

Kammakakam, I., Lai, Z.. Next-generation ultrafiltration membranes: A review of material design, properties, recent progress, and challenges. Chemosphere, 316, 2023.

Luján-Facundo, M-J., Mendoza-Roca, J-A., Cuartas-Uribe, B., Alvarez-Blanco, S.. Incrustação da membrana no processamento do soro de leite e posterior limpeza com ultrassom para um processo mais sustentável. Journal of Cleaning Production, 143, 804-813, 2017.

Nunes, S. P., Culfaz-Emecen, P. Z., Ramon, G. Z., Visser, T., Koops, G. H., Jin, W., Ulbricht, M.. Thinking the future of membranes: Perspectives for advanced and new membrane materials and manufacturing processes. Journal of Membrane Science, 598, 2020.

Paladii, I.V., Vrabie, E.G., Sprinchan, K.G. et al. Whey: Review. Part 2. Treatment Processes and Methods. Surf Engin Appl Electrochem, 57, 651–666, 2021.

Tanudjaja, H. J., Anantharaman, A.,  Angie Qi Qi Ng, Yunqiao Ma Melike Begüm Tanis-Kanbur, Andrew L. Zydney, Jia Wei Chew. A review of membrane fouling by proteins in ultrafiltration and microfiltration. Journal of Water Process Engineering, 50, 2022.

Tetrapak. Add value to your whey with membrane filtration. Disponível em <www.tetrapakfiltration.com>, 2017.

Wen-qiong, W., Yun-chao, W., Xiao-feng, Z., Rui-xia, G., Mao-lin, L. Whey protein membrane processing methods and membrane fouling mechanism analysis. Food Chemistry, 289, 468–481, 2019.

Zheng, S., Yang, S., Ouyang, Z., Chen, T., Kuang, Y.,  Shen, H., Yang, F., Zhang, Y. Performance investigation of hydrophilic regenerated cellulose ultrafiltration membranes with excellent anti-fouling property via hydrolysis technology. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11, 2023.