Novos desenvolvimentos tecnológicos empolgantes em medição e controle de espuma estão trazendo benefícios importantes para a indústria de águas residuais, bem como para uma ampla gama de outras indústrias de processo. A medição precisa e confiável da espuma traz economias substanciais para as empresas por meio do controle aprimorado de agentes antiespuma, controle de processo aprimorado, maior rendimento, perda de produto reduzida e redução de falha de equipamento.

Em certos processos, especialmente no setor de águas residuais, economias significativas de energia podem ser feitas por meio do controle de espuma aprimorado.

Entendendo a formação da espuma

A formação de espuma afeta quase todos os setores industriais: de produtos farmacêuticos a cerveja, de fabricação de tintas a tratamento de águas residuais , de petróleo e gás a processamento de alimentos, de têxteis a celulose e papel. A espuma pode ser parte integrante e importante de um processo ou pode ser um efeito colateral indesejado.

A espuma tem a aparência de um material simples, em parte porque todos a conhecemos, seja, por exemplo, na forma de espuma de banho, bolhas em um milk-shake ou na cabeça de um copo de cerveja. Porém, na prática, a espuma é um material muito complexo e dinâmico, com sua produção envolvendo processos físicos, químicos e biológicos.

A maioria das espumas comuns é um meio bifásico instável de gás e líquido com uma estrutura particular que consiste em bolsas de gás aprisionadas em uma rede de finas películas de líquido e bordas de planalto. Várias condições são necessárias para produzir espuma: deve haver aeração (gerada, por exemplo, por agitação mecânica, mistura, agitação e aspersão) e componentes tensoativos (surfactantes) que reduzem a tensão superficial. Sempre há uma drenagem natural ao longo das finas películas de líquido entre as bolhas.

O líquido escoa gradualmente de cima para baixo, criando um gradiente de densidade através da coluna de espuma. A espuma no topo da coluna desmorona à medida que os filmes se tornam muito finos para suportar as bolhas. O equilíbrio se desenvolve entre o colapso desse material no topo e o acúmulo de nova espuma na superfície do líquido abaixo.

Este processo contínuo limita a altura máxima da coluna de espuma. No entanto, em alguns processos, os agentes estabilizadores de espuma, como as proteínas, reduzem a drenagem, resultando em uma espuma muito mais estável. Nessas circunstâncias, a taxa de produção de espuma pode exceder em muito a taxa de dispersão e a espuma pode atingir um nível sério. As proteínas, como moléculas de cadeia longa, têm esse efeito ao se depositar ao longo das películas finas entre as bolhas, impedindo a drenagem. A estabilidade de tais espumas claramente tem um grande impacto em sua vida útil.

Fatores adicionais, como projeto de sistema deficiente e bombas com vazamento, podem exacerbar os problemas de espuma. Em todos os casos, para minimizar o impacto da espuma, ela precisa ser monitorada, medida e controlada de maneira eficaz.

Controle de espuma

Existe um conjunto extremamente diverso de formulações químicas que podem ser eficazes para evitar a formação de espuma ou para destruí-la depois de formada. Na prática, a maioria dos produtos químicos para dispersão de espuma pode cumprir ambas as funções. Cada agente antiespuma é desenvolvido especificamente para aplicações individuais e o mercado mundial para esses males essenciais vale bilhões de libras por ano. Os agentes comumente usados são óleos insolúveis, polidimetilsiloxanos e outros silicones, certos álcoois, estearatos e glicóis.

A característica mais universal de qualquer desespumante é o fato de ser tensoativo. A maioria é insolúvel, porém alguns são solúveis em água, o que só aumenta a complexidade. O último tipo tem uma propriedade conhecida como solubilidade inversa. Um aumento na temperatura de um sistema aquoso no qual o desespumante está presente causa uma diminuição em sua solubilidade. No ponto de nuvem ou acima (a temperatura inicial efetiva), o desespumante se separa da solução e atua como um desespumante extremamente eficaz. A redução da temperatura do sistema abaixo do ponto de turvação permite que o desespumante se solubilize novamente.

Os antiespumantes insolúveis devem ser formulados de forma que sejam dispersos como pequenas gotículas, isto é, como uma emulsão. A natureza de superfície ativa do material faz com que ele se espalhe muito rapidamente em qualquer interface ar-líquido que encontrar. Este é especialmente o caso se essa interface já estiver coberta pelos tipos de materiais tensoativos que tendem a estabilizar as espumas.

Os antiespumantes e antiespumantes operam sendo absorvidos pelas superfícies das bolhas, de preferência ao agente estabilizador de espuma. Eles são então eficazes em aumentar a taxa de drenagem de modo que as bolhas drenem rapidamente e então colapsem. Um desespumante eficaz pode dispersar a espuma em alguns segundos e o processo pode ser dramático de se observar.

Somando os custos

A geração de espuma pode causar uma variedade de problemas caros e demorados. Isso inclui poluição ambiental, potencial contaminação do produto, perda de produto devido à formação de espuma excessiva, tempo de inatividade e custos de limpeza se a espuma transbordar do processo. O excesso de espuma pode limitar severamente o rendimento do produto em um processo e pode resultar em danos ao equipamento, incluindo bombas, filtros e válvulas. Acrescente a isso o custo contínuo dos antiespumantes e fica claro como é importante implementar um controle eficaz de espuma.

Controle da formação de espuma na indústria 17 — Exemplo de contaminação ambiental com espuma no Rio Yamuna, na índia.

O principal problema é ser capaz de entender as características da espuma e então medir sua espessura e, em algumas aplicações, onde reside a interface espuma-líquido. A espuma pode ser controlada através da adição de antiespumantes, mas sem as informações principais acima, sua adição normalmente é feita em uma base empírica, muitas vezes com base na experiência histórica. Isso pode resultar em uma solução cíclica ou de onda senoidal para o problema.

Eliminadores de espuma são adicionados em quantidades com base na demanda máxima e a espuma diminui. Em seguida, ele se desenvolve novamente acima dos níveis aceitáveis e mais antiespumante é adicionado. Essa abordagem reativa (em vez de proativa) é cara e esbanjadora. Em muitos casos, quando a espuma desaparece e o problema diminui, a taxa de adição de antiespumante não é reduzida, resultando em uso excessivo de produtos químicos,

Problemas de medição

A medição eficaz e confiável da espessura da espuma e das interfaces espuma-líquido apresenta vários desafios. Os resultados podem ser adversamente afetados por uma série de fatores, incluindo a constante variação da densidade da espuma e o revestimento gradual ou incrustação das sondas de medição com produto residual dos produtos químicos do processo.

As técnicas de medição tradicionais foram baseadas em uma variedade de tecnologias de sondas de nível existentes adaptadas para medição de espuma. Na maioria das aplicações, eles não fornecem uma solução adequada e sustentável.

A solução

Uma linha altamente versátil de sistemas de controle de espuma foi desenvolvida especificamente para cumprir uma variedade de funções, por exemplo:

Medir a espessura da espuma em um processo
Detecção de interfaces espuma-líquido
Medir os níveis de líquido, ignorando a presença de qualquer espuma

A tecnologia por trás desses sistemas se originou de pesquisas detalhadas sobre o controle de espuma durante a fermentação farmacêutica e que os sensores de medição especiais e equipamentos de controle foram projetados especificamente para o controle de espuma e não são sensores de nível modificados. Esta é uma ferramenta que foi criada especificamente para essa tarefa sozinha.

Problemas de espuma específicos da indústria

A geração de espuma não controlada pode afetar a produtividade em uma ampla gama de indústrias. Isso causa problemas específicos nos setores de águas residuais, farmacêuticos e de alimentos e bebidas. Os sistemas de controle de espuma desenvolvidos para aferir e monitorar a formação da espuma tem papel fundamental. Ao monitorar e medir a produção de espuma, os dados podem ser usados para garantir que os antiespumantes sejam adicionados apenas em quantidades controladas quando necessário.

Controle da formação de espuma na indústria 18 — Tanque de tratamento de efluentes industriais repleto de espuma.

Alimentos e Bebidas

Nas indústrias de processamento de alimentos e bebidas, a espuma pode ser gerada em vários pontos de um processo de produção. Isso é causado principalmente pela presença de substâncias ativas de superfície, como proteínas, ácidos graxos e açúcares. A espuma é um problema particular na destilação de álcool e na produção de alimentos ultracongelados, óleos para fritar e gelatina, bem como na conservação de frutas e lavagem de vegetais. Invariavelmente, a espuma resultante prejudica as propriedades do produto de muitas maneiras diferentes e perturba muito o fluxo do processo.

Derramamentos de espuma são prejudiciais e demorados para limpar e descartar. Os agentes antiespuma são os produtos químicos mais comuns usados para gerenciar a espuma, mas a contaminação do produto é uma consideração importante.

Água residual

Lodo e espuma em massa são dois desafios indesejáveis, complicados e imprevisíveis para muitas estações de tratamento de águas residuais. Em muitos casos, os filamentos que causam lama volumosa tendem a flutuar e, assim, produzir grandes quantidades de espuma. A espuma pode variar consideravelmente em profundidade e se estender por todo o circuito biológico, bem como por digestores anaeróbios e unidades de desidratação.

A abordagem tradicional é dosar o agente antiespuma no processo continuamente. Essa taxa de dosagem é normalmente definida para lidar com a espuma durante o pico de demanda da planta. No entanto, em média, isso é muito alto e em alguns sistemas há pouca ou nenhuma geração de espuma na maior parte do tempo. Alternativamente, a adição de produtos químicos geralmente é feita aleatoriamente, em grandes quantidades e tarde demais. Essa abordagem reativa resulta em um controle muito limitado e mostra pouca compreensão de todo o processo.

Em alguns casos, uma estação de tratamento de água ou efluentes pode sofrer por anos sem encontrar uma solução sustentável para o problema. Os produtos químicos usados também podem agravar o problema de formação de espuma. Em ambos os casos, o custo excessivo de produtos químicos e energia por meio de bombeamento desnecessário pode ser substancial. Custos adicionais também são incorridos por desgaste e danos desnecessários do equipamento.

Farmacêutico

O controle preciso da espuma é essencial na indústria farmacêutica, principalmente durante o processo de fermentação, que é utilizado na produção de antibióticos, vacinas, esteróides e outros medicamentos.

Esses produtos são frequentemente criados por processos de biotecnologia que usam organismos naturais como bactérias, algas ou células animais para produzir o produto final. Provavelmente, o processo mais conhecido desse tipo é a fermentação, na qual a levedura é usada para criar o álcool. Os organismos naturais requerem um ambiente saudável para o crescimento e ótimos rendimentos.

Produtos como vacinas requerem fermentadores de alta tecnologia para uma produção eficiente. Isso geralmente envolve agitação e mistura de ar ou gás para operar. No entanto, os organismos naturais também tendem a criar proteínas indesejadas como um subproduto e estas agem como estabilizadores de espuma, criando o ambiente perfeito para a produção de espuma estável sobre o caldo.

Histórias dos chamados ‘excessos de espuma’ abundam na indústria farmacêutica, através dos quais processos e equipamentos inteiros podem ser destruídos. Um lote arruinado pode muitas vezes representar centenas de milhares de libras em produto perdido antes de levar em consideração os custos de qualquer dano ao equipamento ou custos de limpeza. Também existe a possibilidade de que o líquido se transforme completamente em espuma se não for controlado com rapidez suficiente.

Normalmente, os antiespumantes são usados para controlar o acúmulo de espuma nos fermentadores, mas são difíceis de controlar e podem ter alguns efeitos colaterais indesejados. Em primeiro lugar, ao reduzir a tensão superficial, o tamanho da bolha de gás aumenta, reduzindo a transferência de massa do gás para o caldo. Isso pode limitar seriamente o rendimento do processo. Em segundo lugar, o uso excessivo de alguns antiespumantes podem contaminar o produto final e ser muito difícil de remover.

Conclusão

Empresas em todo o mundo gastam bilhões de libras a cada ano lidando com espuma e os efeitos que ela tem em seus negócios. Deve-se considerar também o efeito prejudicial a longo prazo que o descarte e a dispersão de produtos químicos antiespumantes têm sobre nossa saúde e o meio ambiente. Há evidências claras de que economias consideráveis podem ser feitas controlando ativamente a adição de produtos químicos antiespumantes e a tecnologia agora está disponível para isso.

Não há necessidade de as empresas continuarem com sistemas de controle desatualizados, que em última instância atendem apenas aos interesses dos fornecedores de produtos químicos.

Controle da formação de espuma na indústria