Autor do artigo: Rafael Fagnani é formado em medicina veterinária pela Universidade Estadual de Londrina, onde também concluiu seu Mestrado e Doutorado pelo programa de Ciência Animal. Atualmente é professor na Universidade Norte do Paraná (UNOPAR), orientando alunos no curso de mestrado em Ciência e Tecnologia de Leite e Derivados. Os principais temas desenvolvidos são sobre qualidade e segurança do leite e tecnologias de membranas.

Os processos de membrana são utilizados no processamento de alimentos há mais de 25 anos. Na tecnologia de leite e derivados, esses processos permitem a produção de uma infinidade de produtos comerciais, desde o simples leite fluído com vida útil estendida, queijos ultrafiltrados e até o isolamento de componentes lácteos, como caseínas. Não há dúvidas que esses processos aumentam exponencialmente as possibilidades industriais dos laticínios. Mas antes de nos aprofundarmos no tema, vamos esclarecer alguns conceitos. Você sabe o que um processo de membrana?

Processo de membrana é qualquer processo de separação de componentes de um fluído através de uma membrana semipermeável. O fluído que consegue atravessar a membrana é chamado de permeado. Já o fluído que fica retido pela membrana recebe o nome de retentado. As forças que direcionam a passagem desse fluido podem ser de dois tipos: Pressão ou Potencial Elétrico. Nesse último caso, o processo recebe o nome de eletrodiálise.

Qualquer processo de membrana pode ser classificado em: Microfiltração, Ultrafiltração, Nanofiltração e Osmose reversa. Essa classificação é baseada no tamanho dos poros das membranas, onde a microfiltração possui poros maiores, retendo apenas partículas de grande peso molecular. Já a osmose reversa possui poros menores, com capacidade de reter moléculas bem pequenas. A intensidade da pressão exercida em cada um desses processos também é uma grandeza que varia bastante, e poros pequenos exigem altas pressões para que o fluído consiga atravessar a membrana. Já poros maiores requerem pressões mais baixas.

Acompanhe o esquema: a microfiltração é capaz de reter partículas como células de micro-organismos, células somáticas e glóbulos de gordura. Por sua vez, a ultrafiltração já é capaz de reter moléculas, como proteínas e até vírus. A nanofiltração retém moléculas divalentes, como os sais minerais. A osmose reversa é o único processo que retém todos os tipos de partículas e moléculas, inclusive íons, deixando apenas a água atravessar a membrana.

Todos esses processos podem ser utilizados na tecnologia de fabricação de diversos alimentos, tanto em produtos de origem vegetal, quanto em produtos de origem animal. Outra aplicação para os processos de membrana é o tratamento de resíduos, onde todo o efluente das indústrias pode ser tratado antes de ser descartado no meio ambiente.

Antes de apresentarmos cada processo de membrana e suas aplicações em leite e derivados, Vamos rever qual é o tamanho médio dos principais componentes do leite?

- A gordura tem glóbulos bem grandes quando a comparamos com os demais componentes, variando de 0.1 micrômetros até 15 micrômetros, sendo que a média desses glóbulos é de 4,4 micrômetros.
- As caseínas variam de 20 nanômetros até 300 nanômetros, sendo que a média de suas micelas possui 110 nanômetros.
- As proteínas do soro são bem pequenas, variando de 3 à 6 nanômetros.
- Já o tamanho médio de uma célula bacteriana varia bastante. O comprimento vai de 0,5 micrômetro até 8 micrômetros, e a largura fica entre 0,2 e 0,8 micrômetros.

Vamos detalhar cada processo de membrana, abordando suas principais aplicações na indústria de leite e derivados.

Microfiltração

A microfiltração utiliza baixas pressões em sua operação, no máximo 2 bar. Os poros da membrana variam de 0.2 à 5 micrômetros de diâmetro, e são capazes de separar partículas entre 0.025 micrômetros e 10 micrômetros. Sua principal vantagem está na capacidade em remover bactérias, esporos e células somáticas do fluido em questão, seja ele leite ou até mesmo soro. Tudo isso com baixas temperaturas, o que ajuda a manter os nutrientes naturais do leite, como vitamina A, vitaminas B1 e B12. Sua principal desvantagem é que nem sempre todos os micro-organismos presentes no leite ficarão retidos pela membrana, devido à ampla variação de tamanho de suas células e também, à possível presença de esporos. Dessa forma, 0.1 à 1% da quantidade inicial de micro-organismos ainda podem permanecer no permeado.

Essa característica faz com que possamos estabelecer uma importante relação entre micro-organismos patógenos e a microfiltração. A tecnologia de membranas não seleciona micro-organismos, e, se há a possibilidade de haver bactérias no leite que foi filtrado, também há a probabilidade dessa bactéria ser patogênica. Assim, devemos em primeiro lugar considerar a qualidade do leite e a segurança alimentar, ao substituir a pasteurização pelo processo de microfiltração. O principal uso da microfiltração na indústria de leite e derivados é aumentar a vida útil de leites pasteurizados. Esse é um conceito chamado de “Extended Shelf Life Milk” ou Leite de vida de prateleira estendida, e sua sigla é ESL. Para termos uma ideia, um leite pasteurizado dura no máximo 10 dias sob refrigeração. Já o leite ESL pode durar até 25 dias na geladeira, mantendo sua inocuidade e sem alterar suas características sensoriais.

O conceito de leite de vida de prateleira estendida não envolve apenas a microfiltração, mas também outras estratégias importantíssimas para a qualidade final do produto. A qualidade da matéria prima, por exemplo, é fundamental para que o leite dure tanto tempo sem tratamentos térmicos com altas temperaturas. Nesse caso, o leite cru deve conter no máximo 50 mil unidades formadoras de colônias por ml. Outra estratégia para o leite ESL é o controle de esporos de micro-organismos através de bactofugas, ou seja, um processo físico de altíssima rotação que remove grande parte de partículas por força centrífuga.

A qualidade da embalagem também ajuda o produto se manter sem alterações até o prazo de validade. O desenvolvimento de materiais inovadores para embalagens é uma das linhas de pesquisa do leite ESL. Também é preciso um rigoroso controle de temperatura em toda a cadeia de produção do leite ESL, uma vez que o controle da multiplicação bacteriana está diretamente relacionado à temperatura

O componente principal nos processos de filtração é a membrana. Ela pode ser feita com diversos materiais, e normalmente se apresenta como um tubo cilíndrico. Ao observarmos essa membrana por microscopia, podemos observar minúsculos poros, por onde o fluído irá passar e algumas partículas ficarão retidas. Essa descrição pode ser visualizada na figura abaixo:

Mas como será que um fluído se comporta ao passar pela membrana? Vamos imaginar um fluxo de leite correndo no seu interior. Devido à pressão, parte do fluído irá permear pela membrana. Essa fração que consegue atravessar os poros da membrana é chamada de “permeado”. Partículas maiores que os poros ficarão retidas pela membrana, e a medida em que o fluxo de leite é contínuo, essas partículas vão se concentrando cada vez mais, compondo a fração chamada de retentado. Todo esse sistema pode ser ilustrado conforme a figura abaixo:


O processo ocorre nas unidades de microfiltração, que podem ser de bancada, piloto ou industriais. São compostas basicamente por:

- Tanque de alimentação: onde o produto a ser filtrado estará contido. Esse sistema pode ser de fluxo contínuo ou de batelada.
- Motores: a partir de um movimento de alta rotação, são responsáveis por imprimir pressão ao fluído entre as tubulações do sistema.
- Trocador de calor: aqui o produto troca calor com o meio externo para que atinja a temperatura desejada no processo. Normalmente a tecnologia de microfiltração usa temperaturas em torno de 45 à 50º C.
- Membrana: É aqui que os componentes serão separados de acordo com o tamanho dos poros da membrana.
- Tubulação do permeado: Todo o fluido que passou pela membrana será recolhido através dessa tubulação.
- Tubulação do retentado: Todo o fluido que ficou retido pela membrana voltará ao tanque de alimentação para ser novamente filtrado.


As plantas industriais de microfiltração não requerem grandes espaços, podendo ser implantada até em um micro laticínio ou plantas pilotos experimentais. No próximo artigo vamos abordar os processos de ultra, nano e osmose reversa em laticínios. Até mais!