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A ultrafiltração e sua aplicabilidade na área de alimentos

Publicado em 03/05/2011 às 16:30:34

Por Elisa Gibrim Moreira, Juliana de Cássia Gomes Rocha e Afonso Mota Ramos

A partir do início da década de 1970, em adição aos processos clássicos de separação como destilação, filtração, absorção, troca iônica, centrifugação, extração por solvente, cristalização e outros, surge uma nova classe de processos que utilizam membranas sintéticas como barreira seletiva. As membranas sintéticas surgem como uma tentativa de se imitar as membranas naturais, em particular quanto as suas características únicas de seletividade e permeabilidade.

As membranas são barreiras feitas com alta tecnologia, que permitem a passagem seletiva de materiais de acordo com seu tamanho, formato e características, ou seja, funciona como uma barreira permeável e seletiva, que restringe a transferência de massa entre duas fases. Sendo assim, uma membrana é um filme sólido que separa duas soluções e que atua como barreira seletiva para o transporte de componentes destas soluções, quando aplicado algum tipo de força externa.

A membrana é feita de uma fina camada de material orgânico ou inorgânico capaz de separar, em duas parcelas (concentrado e permeado), uma corrente líquida de alimentação, em função de suas propriedades químicas e físicas.

Os sistemas de separação por membranas são caracterizados por atuarem como uma barreira seletiva, permitindo a passagem de determinados componentes, enquanto impedem a passagem de outros. (MIERZWA,2005).

Os processos de separação por membranas podem ser entendidos como uma extensão dos processos de filtração clássica que utilizam meios filtrantes (membranas) cada vez mais fechados, ou seja, com poros na superfície da membrana. A membrana de microfiltração, assim como a de ultrafiltração, é conhecida também como membrana filtrante, pois ela somente remove partículas maiores do que o tamanho do diâmetro do poro.

Devido a essas características, esse processo é largamente utilizado em diversos processos industriais nos mais variados setores da indústria, como as de alimentos, sucos, bebidas, têxtil, água, química, biotecnologia, entre outras. É também uma ótima alternativa para tratamento de efluentes e reúso de água, contribuindo, dessa forma, para a preservação ambiental.

Uma porção da alimentação passa através da membrana com a pressão aplicada, desde que seus componentes sejam menores que os poros da membrana. Essa porção que atravessa a membrana é chamada de permeado. A corrente que não passa pela membrana arrasta da sua superfície os materiais que não permearam. Essa corrente é chamada de concentrado.

No processo de separação por membranas, a corrente de alimentação com concentração do soluto CF é alimentada em escoamento tangencial ao longo da superfície da membrana e divide-se, por sua vez, em duas correntes: o concentrado ou retido e o permeado, como está ilustrado na Figura 1. A corrente do retido é essencialmente constituída por partículas e solutos rejeitados pela membrana, cuja concentração CR é superior à CF, enquanto a de permeado por solvente ou solução clarificada.

Abaixo a Figura 1, representativa dos fluxos no processo de separação por membranas.

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Pois bem. Existem 5 principais processos de separação por membranas atualmente aplicados para separações entre líquido/líquido e líquido/sólido: Microfiltração (MF); Ultrafiltração (UF); Nanofiltração (NF); Osmose Reversa (OR) e eletrodiálise.

Nos quatro primeiros processos há necessidade de uma pressão hidráulica para promover a separação de correntes líquidas, enquanto na última, na eletrodiálise, a separação é obtida através da diferença de potencial elétrico. A aplicação de cada um é determinada pelas características do produto a ser filtrado.

Esses processos não convencionais que utilizam a tecnologia de membranas envolve a separação de componentes de um fluido através de membranas especiais, conduzindo ao fracionamento, à purificação e à concentração desses compostos. Esse processo é baseado na massa e tamanho molecular, na forma dos compostos e nas interações com a superfície das membranas e outros componentes da mistura (KESSLER, 1981; SILVA, 1995).

Processos baseados em membranas como a Microfiltração, Ultrafiltração e a Nanofiltração, têm sido apontados como uma boa solução, justamente por serem processos de baixo consumo energético e que proporcionam um tratamento eficiente, quer para recuperar produtos celulares ou intracelulares, quer para obter o produto clarificado.

A ultrafiltração (UF) é um processo de separação por membranas utilizado quando se deseja purificar e fracionar soluções contendo macromoléculas. As membranas da UF apresentam poros na faixa de 1 a 100 nm. Como os poros das membranas de UF são menores, uma força motriz maior é necessária para obter fluxos permeados elevados o suficiente para que o processo possa ser utilizado industrialmente.

Revisão da literatura

Ao longo dos últimos 30 anos, principalmente, as membranas começaram a ser utilizadas em vários processos industriais como agentes de separação de compostos. A sua aplicabilidade tem-se alargado com o tempo e atualmente os processos de separação por membranas são utilizados em áreas tão diversas, tais como: a separação de gases, a dessalinização da água ou a hemodiálise. Os processos de membranas conhecidos, com considerável desenvolvimento em muitos setores (indústria alimentícia, biotecnologia, tratamento de esgotos e indústria química), permitem a clarificação, a estabilização microbiana e a concentração de produtos e subprodutos de valor comercial.

O desenvolvimento dos processos de separação por membranas e suas aplicações industriais são consideradas relativamente recentes, principalmente levando-se em conta que fenômenos envolvendo membranas vêm sendo estudado, a mais de um século.

Pois bem. A principal função de uma membrana é atuar como barreira seletiva, permitindo a passagem de certos componentes de uma mistura e retendo outros. Sua seletividade está relacionada às dimensões da molécula ou partícula e ao tamanho do poro, assim como à difusividade do soluto na matriz e às cargas elétricas associadas (CHERYAN, 1998).

Um sistema de membranas é selecionado a partir do tipo de aplicação. Além disso, a porosidade e o coeficiente de retenção da membrana devem ser considerados na escolha de um sistema adequado (HABERT; BORGES; NÓBREGA, 1997).

Geralmente o tamanho de poro de uma membrana é indicado na literatura e principalmente pelos fabricantes, através da massa molecular de corte (MWC), que designa a massa molar do menor componente que será retido com uma eficiência de pelo menos 95%. De modo geral, quando se trata da separação de macromoléculas, a unidade mais utilizada para a massa molar de corte é o Dalton. Para o poro de membranas de microfiltração, geralmente maior que o de membranas de ultrafiltração, é preferencialmente dado pelo diâmetro de poro em mm (MODLER, 2000).

Hoje em dia, estudos e pesquisas em relação a processos de separação por membranas estão amplamente difundidos e vêm se tornando um tema passível de crescimento em vários setores. Membranas de vários materiais, formas, configurações e arranjos são testados em diferentes tipos de situações para avaliar a melhor relação custo-benefício para esta tecnologia.

O histórico da ultraminação de alimentos

A ultrafiltração tem sido amplamente utilizada em diversos setores, como por exemplo para a remoção de proteínas e de outras macromoléculas em análises de amostras biológicas, pois tem uma série de vantagens: é uma técnica simples, as membranas são disponíveis comercialmente e não possui problemas de diluição da amostra e nem de troca de solvente. Além disso, desde os anos 1960 tem havido grandes desenvolvimentos em tecnologias de purificação de água por este processo.

Foi primeiramente utilizada na indústria açucareira, em 1965, para purificação de açúcar e vem progredindo com grande rapidez na indústria de alimentos, sendo utilizada para filtração, clarificação e concentração de sucos e polpas de frutas, separação de proteínas e hidrolisados protéicos oriundos de pescados, soro de queijos, tratamento de água e efluentes, entre outras aplicações.

Abaixo a Tabela 1, referente a alguns marcos históricos em relação à pesquisa com ultrafiltração de alimentos.

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Inúmeras pesquisas ao redor do mundo, bem como aplicações em escala real estão sendo desenvolvidas, com diversos tipos de membranas, no intuito de avaliar a eficiência do uso da ultrafiltração em processos.

Ultrafiltração de alimentos

A ultrafiltração consiste na filtração, através de membranas semipermeáveis, com capacidade para reter bactérias, emulsão água-óleo, polímeros, pigmentos, vírus, proteínas e polissacarídeos. A fração que não permeia a membrana (poros menores que o tamanho das moléculas), denominada retentado, é o resíduo do processo de clarificação. Elucida-se, por sua vez, que a ultrafiltração é um dos processos de membrana, cuja força motriz principal vem sendo utilizada para o fracionamento e concentração de soluções contendo colóides e componentes de alto peso molecular, através de um material seletivo semipermeável que retém os componentes de alto peso molecular. Ao mesmo tempo, permite a passagem das moléculas de alto peso molecular, originando respectivamente o retentado e o permeado (ERIKSEN, 1985).

Esta separação dependerá do valor da massa molecular de corte (“Cut off”) da membrana, representado teoricamente pela massa molecular da menor molécula retida pela membrana. Nesse sentido, é importante destacar que a ultrafiltração também se caracteriza pelo uso de membranas com diâmetro de poro entre 0,007 à 0,12 µm e pressões de até 7,0 bar (BENITO, 1980).

A membrana de ultrafiltração tem poros menores do que os de microfiltração, variando de 2 a 100 nm, consequentemente menor permeabilidade, tendo que trabalhar com pressão um pouco maior do que a utilizada na microfiltração.

Membranas de ultrafiltração têm o objetivo de purificar soluções contendo matéria biológica, rejeitar solutos, normalmente macromoléculas, como as proteínas, sendo que no permeado passam açúcares e sais. Uma aplicação típica do sistema de ultrafiltração é a remoção de substâncias dissolvidas de alto peso molecular – PM, como a matéria orgânica natural. A Figura 2 representa a faixa de retenção dos processos de separação por membranas e alguns exemplos de substâncias e moléculas que são retidas durante o processo.

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Nos últimos anos, faz-se notar no mercado que, com o avanço das novas tecnologias de membranas, este absorveu rapidamente o desenvolvimento das mesmas. Todavia, esse processo trouxe tanto vantagens como desvantagens, como pode ser observado na Tabela 2.

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Aplicação na área de alimentos

Queijo

Os processos com membranas são usados para substituir, total ou parcialmente, outros processos convencionais da indústria leiteira, como a evaporação e a separação centrífuga, proporcionado o desenvolvimento de produtos tradicionais, além da criação de outros novos produtos.

No Brasil, a fabricação de queijo petit suisse, por exemplo, utiliza centrífuga para efetuar o processo de separação da massa, produzindo o queijo quark, que é a base utilizada e, juntamente com açúcar, creme, para produzir o petit suisse. O uso de ultrafiltração na produção de queijos quark é uma prática já utilizada em outros países por resultar em economia de energia, melhor rendimento e maior valor nutritivo.

Eriksen (1985) cita os seguintes tipos de uso da ultrafiltração para a produção de queijos: padronização da quantidade de proteína, pré-concentração parcial do leite, concentração até composição requerida no queijo e, por último, a ultrafiltração do leite acidificado, sendo que nas 3 primeiras aplicações, o retentado é então sujeito ao processo tradicional de coagulação e transformação em queijo.

Um aspecto bastante atrativo da ultrafiltração na produção de queijos macios é o aumento de rendimento na fabricação dos mesmos, através da incorporação das proteínas do soro no retentado. O aumento pode ser da ordem de 16-19%. Para os queijos ultrafiltrados, as proteínas do soro correspondem a aproximadamente 18% do total de proteínas, enquanto que nos tradicionais correspondem a apenas 1%. Isso ocasiona aumento no valor nutricional, como conseqüência da nova proporção caseína-proteína do soro, que passa a ser de 4:1.

Uma das alternativas para aumentar o rendimento dos queijos produzidos a partir de leite desnatado é a pré-concentração a teores de sólidos totais mais elevados. Entre as várias técnicas que podem ser adotadas para a pré-concentração do leite, a ultrafiltração é a que vem despertando maior interesse. Esse processo apresenta ainda a vantagem de melhorar a textura e o sabor em relação ao queijo fabricado pelo método convencional, devido ao decréscimo do teor de lactose, que controla a taxa de acidificação, e à incorporação das proteínas do soro, que, além de aumentar o rendimento, aumentam a capacidade de retenção de água no queijo, tornando-o mais macio. A aplicação da ultrafiltração na fabricação de queijos inclui desde a padronização do teor de proteína do leite até a obtenção do pré-queijo líquido, passando pelo uso de retentados de concentração intermediária.

A obtenção do pré-queijo líquido, isto é, a concentração do leite até o mesmo atingir o teor de extrato seco total de um queijo pronto, apresenta as vantagens de permitir o uso de um processo de fabricação contínuo e totalmente automatizado e de possibilitar um aumento de rendimento da ordem de 8 a 20%. Além disso, essa técnica promove uma redução nos custos de construção da fábrica, em virtude da necessidade de menor espaço físico para a instalação, e um melhor aproveitamento do espaço já existente.

Fortalecimento da proteína do leite líquido

A ultrafiltração está sendo utilizada para aumentar a porcentagem de proteína no leite líquido como um método de fortalecimento de suas proteínas. Isso permite incremento do sabor e degustação da proteína do leite de forma natural, contrária à adição de leite em pó desnatado, que frequentemente deixa um sabor de leite cozido, bem como aumenta a doçura pelo excesso da lactose no leite em pó desnatado. O resultado das variedades desnatadas e com baixo teor de gordura é o sabor de todos estes produtos lácteos com mínimo de gordura.

Sorvetes

Na indústria dos sorvetes, a ultrafiltração do leite antes da mistura é principalmente utilizada para alterar o conteúdo da lactose. O aumento do nível de proteína do sorvete permite mobilização de muita água. Contudo, adicionando sólidos de leite em pó desnatado, aumenta-se, especialmente, o conteúdo de lactose que contribui para o estado arenoso da formação de cristal durante o congelamento. A ultrafiltração remove a lactose no permeado, além de outros minerais lácteos. Utilizando a ultrafiltração pode-se aumentar, portanto, sua proteína sem o efeito colateral de aumento da concentração de lactose e o alcance de maior data de validade, devido ao menor choque térmico no ciclo de descongelamento.

Sorvetes com carboidrato reduzido

Produção livre de lactose, livre de açúcar ou sorvete com baixo carboidrato podem ser obtidos utilizando-se a ultrafiltração em conjunto com a diafiltração (adição de água) para remover acima de 96% da lactose do leite. O sorvete final pode conter em média menos de 1 grama de carboidrato por porção no produto final. A adição do substituto do açúcar irá satisfazer o consumidor de doce e preencher a necessidade de sorvete no crescimento do mercado dos consumidores de dietas “livres de carboidrato”, seguindo a famosa dieta Atkins e dietas antiaçúcar.

Ultrafiltração no processamento de suco

O tratamento térmico pode inibir as reações enzimáticas no suco de acerola. Entretanto, a pasteurização do suco de acerola integral, realizada em trocador de placas à 90ºC por 45 segundos, por exemplo, provoca perda de vitamina C de 12%.

A acerola apresenta teor de vitamina C na faixa de 1.000 a 4.000 mg/ 100 g de polpa, dependendo do estágio de maturação da fruta, clima e localização do plantio, sendo maior quando o fruto ainda se encontra verde (ASENJO & GUZMAN, 1946). Em comparação com a laranja, a acerola apresenta cerca de 90 vezes mais vitamina C e duas vezes mais magnésio, potássio e ácido pantotênico. Estão também presentes no fruto, vitamina A (4,3 a 12,5 UI/100 g), tiamina, riboflavina e niacina, em concentrações comparáveis com as de outras frutas.

O processo de ultrafiltração tem se mostrado como excelente alternativa para a elaboração de sucos clarificados. A clarificação do suco de acerola por ultrafiltração preserva as propriedades nutricionais e sensoriais da fruta e reduz as reações degradativas decorrentes da ação de enzimas constitutivas do próprio fruto.

Em estudos com suco de laranja, repolho, pepino e rabanete, foram observados que os sucos ultrafiltrados apresentaram maior transparência e redução do sabor amargo. Esse processo aplicado ao suco de kiwi também levou à formação de um produto transparente, mantendo os níveis iniciais de vit C, acidez e açúcares totais. No suco de banana a ultrafiltração foi utilizada para a redução da atividade da polifenoloxidase e, com isso, reduzir o escurecimento enzimático. A banana é rica em polifenoloxidase, que está presente nas células das frutas e de alguns outros vegetais.

Atualmente, processos com membranas estão presentes em diversos setores produtivos, visto que o processo de separação não envolve grandes variações de temperatura e trocas de fases ou o uso de agentes químicos. A introdução dessa tecnologia no processamento de sucos representa uma das respostas tecnológicas ao problema da produção de sucos com elevada qualidade sensorial e nutricional.

Ultrafiltração no tratamento de efluentes

O setor de alimentos destaca-se dentre as atividades industriais do ponto de vista ambiental por apresentar um grande consumo de água e uma alta geração de efluentes por unidade produzida, além de gerar um grande volume de lodo nas estações com tratamento biológico. A indústria de laticínios é um exemplo desse setor, na qual as operações de limpeza de silos, tanques, pasteurizadores, homogeneizadores, tubulações, etc geram um grande volume de efluentes com uma elevada carga orgânica. As águas de lavagens são constituídas basicamente de leite (tanto matéria-prima quanto seus derivados), refletindo em um efluente com elevada Demanda Química de Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), óleos e graxas, nitrogênio, fósforo, etc.

As técnicas de tratamento para este efluente geralmente estão associadas aos processos tradicionais, que combinam tratamento físico (ou físico-químico) com tratamento biológico. Entretanto, a moderada eficiência destes para remoção de compostos eutrofizantes, bem como as desvantagens específicas de cada tratamento biológico, levam à busca de sistemas que atendam às necessidades crescentes referentes a qualidade do efluente tratado.

Os processos com membranas que utilizam o gradiente de pressão como força motriz (microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa) apresentam um grande potencial para a recuperação de efluentes, pois são meios porosos (no caso da osmose inversa até mesmo despreza-se a presença de poros) que atuam como filtros em nível molecular, possibilitando o fracionamento dos compostos que constituem o efluente. A ultrafiltração é um processo intermediário referente ao tamanho dos poros, retendo tipicamente moléculas com massa molar entre 500 Daltons a 500000 Daltons. Incluem-se, ainda, nessa faixa, gorduras, emulsões, proteínas, polímeros, biomoléculas e colóides.

O processo de remoção de resíduos por membranas de ultrafiltração retira DQO em uma faixa de 65% a 76%, proteínas entre 96% e 98%, óleos e graxas entre 90% e 94% e lactose entre 16% e 30%. Compostos inorgânicos são removidos também, sendo que a separação de nitrogênio pode atingir até 98%. Cálcio e fósforo são removidos na faixa de 40 a 50%. O processo de ultrafiltração, portanto, apresenta-se como uma alternativa para o tratamento de efluentes de laticínios, pois retira nutrientes da corrente descartada com a possibilidade de concentrá-los para um possível reúso.

Ultrafiltração para potabilização de água

A utilização de membranas para potabilização de água, apesar do seu pouco tempo de surgimento, vem crescendo muito, desde a década de 1980. Isso porque o processo de separação por membranas é uma tecnologia eficiente para potabilização de água a partir da exploração de mananciais com restrições de qualidade de água (MICKLEY, 2006)

A aplicação de membranas de filtração no tratamento avançado de águas residuárias, para reúso ou melhora da qualidade do efluente, está aumentando, tanto para o suprimento de áreas com pouca disponibilidade de água quanto para o atendimento de legislações cada vez mais exigentes (POELE, GRAFF, 2005).

Considerações finais

A utilização da ultrafiltração mostra-se adequada para o processamento de sucos, produtos lácteos, purificação de proteínas, entre outros, tendo em vista os diversos estudos que comprovam sua eficiência na retenção de microrganismos de interesse e na redução da atividade de enzimas relacionadas com a qualidade dos produtos. Essa tecnologia se mostra eficiente no processamento de alimentos em substituição ou como complemento aos processamentos térmicos, visando melhorar as propriedades organolépticas e nutricionais dos produtos.

A viabilidade econômica dos processos de UF é um fator importante a ser observado, uma vez que os equipamentos possuem ainda um alto custo, mas que pode vir a ser reduzido devido às vantagens dessa tecnologia.

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Elisa Gibrim Moreira, Juliana de Cássia Gomes Rocha e Afonso Mota Ramos

Universidade Federal de Viçosa – Departamento de Tecnologia de Alimentos – Campus Universitário DTA III – MG

Tel.: (31) 3891-3132


2 respostas para “A ultrafiltração e sua aplicabilidade na área de alimentos”

  1. gosto muito das postagem desse blog, sempre quando
    preciso venho aqui procurar alguma ideia pra fazer.

  2. Marta disse:

    dicas que realmente ajuda muito

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