Diferença entre testes em mídia e testes no filtro completo

Subtítulo: Comparação técnica entre métodos de ensaio, parâmetros metrológicos e normas para qualificar meios filtrantes e filtros montados.

Uma medição consistente de eficiência fracionária e pressão diferencial exige compreender o que cada ensaio representa fisicamente: o desempenho intrínseco do meio filtrante versus o desempenho do produto final (elemento completo) com efeitos de montagem, vedação e distribuição de fluxo.

1. Conceitos Fundamentais

Filtração de aerossóis é governada por mecanismos físicos dependentes do tamanho de partícula, da velocidade superficial (face velocity) e da microestrutura do meio. Para partículas submicrométricas, os mecanismos dominantes incluem difusão Browniana (mais relevante em diâmetros menores), interceptação, impacto inercial (mais relevante em diâmetros maiores) e atração eletrostática quando presente.

O comportamento de partículas em um meio fibroso resulta em uma curva de eficiência em função do diâmetro aerodinâmico/óptico, tipicamente com um ponto de menor eficiência conhecido como MPPS (Most Penetrating Particle Size). Em filtros HEPA e ULPA, a MPPS frequentemente ocorre na faixa submicrométrica, e o ensaio deve capturar adequadamente essa região com análise granulométrica confiável.

Além da eficiência, a pressão diferencial (Δp) é parâmetro crítico por impactar consumo energético, capacidade do ventilador e estabilidade de processo. Δp depende do meio, da geometria do elemento (pleat, espaçadores), da viscosidade do ar e da distribuição de fluxo no conjunto.

É essencial distinguir:

• Teste em mídia (meio filtrante): ensaio em amostras planas do material, medindo propriedades intrínsecas (eficiência vs. tamanho, Δp vs. velocidade superficial).

• Teste no filtro completo: ensaio no elemento montado (cartucho, painel, HEPA em moldura), incorporando efeitos de fabricação, vedação, bypass e uniformidade do escoamento.

2. Métodos e Técnicas de Medição

Os dois níveis de ensaio respondem a perguntas diferentes. O teste em mídia é predominante em P&D e controle de recebimento de meios filtrantes. O teste no filtro completo é predominante para qualificação do produto, validação, compliance e liberação de lote.

2.1 Testes em mídia: o que medem e o que não medem

No teste em mídia, o meio é fixado em um porta-amostra (geralmente plano) e exposto a um aerossol de teste com concentração e distribuição de tamanho controladas. Mede-se a concentração a montante e a jusante, obtendo a penetração/eficiência por faixa de diâmetro (eficiência fracionária) e a Δp na velocidade definida.

Principais métricas:

• Eficiência fracionária por classes de diâmetro (curva E(d)).

• MPPS e eficiência mínima.

• Pressão diferencial (Δp) em função da velocidade superficial.

• Opcionalmente: carga de poeira e evolução de Δp e eficiência (dependendo do método).

Limitações típicas:

• Não captura bypass por vedação do elemento, falhas de colagem ou vazamentos em moldura.

• Não captura efeitos de geometria (pregueamento, espaçadores, distribuição radial em cartuchos).

• Pode superestimar desempenho se a amostra não representar a variabilidade de produção (gramatura, carga eletrostática, uniformidade).

2.2 Testes no filtro completo: desempenho do produto final

O ensaio do filtro completo mede o conjunto em condições mais próximas da aplicação, incluindo efeitos de projeto e fabricação. Para HEPA/ULPA, além da eficiência global, é comum exigir teste de integridade (varredura) para localizar vazamentos pontuais no meio ou em selos.

Principais métricas:

• Eficiência fracionária e/ou eficiência em tamanho-alvo (dependendo da norma e da classe).

• Δp do elemento em vazões especificadas (curva Δp vs. vazão).

• Integridade: detecção de leaks (varredura) e bypass.

• Uniformidade de escoamento e estabilidade do sistema de ensaio.

Vantagens técnicas:

• Representa a performance real do produto e suas interfaces de vedação.

• Permite correlacionar variação de processo (pleat, cola, moldura) com eficiência e Δp.

2.3 Técnicas de medição: óptica, fracionária e gravimétrica

A escolha do método depende do tipo de filtro, faixa de tamanho de interesse e requisitos normativos.

• Contagem de partículas (método óptico): usa contadores/sensores para determinar número por classes de tamanho. É comum em ensaios fracionários, especialmente quando acoplado a um espectrômetro de aerossol.

• Medição fracionária com espectrômetro de aerossol: fornece distribuição por tamanho e permite calcular eficiência por classe, essencial para identificar MPPS e comparar meios.

• Gravimetria: determina eficiência por massa (ganho de massa do filtro ou perda do aerossol). Pode ser adequada para faixas mais grossas e carga de poeira, mas não resolve bem a eficiência na região submicrométrica nem identifica MPPS.

Parâmetros metrológicos que impactam resultados:

• Estabilidade da concentração a montante.

• Isocinética e projeto de amostragem (perdas em linhas, difusão, deposição).

• Tempo de integração e estatística de contagem (incerteza em baixas concentrações).

• Correções de coincidência e limites de detecção do sensor.

2.4 Normas de ensaio e interpretação

As normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, etc.) endereçam aplicações distintas:

• ISO 16890: voltada a filtros de ventilação geral (classificação por eficiência em PM1, PM2.5, PM10). Envolve desafios com aerossol e avaliação baseada em faixas de tamanho relevantes para qualidade do ar.

• EN 1822: voltada a filtros HEPA e ULPA, com foco em eficiência na MPPS, classificação do elemento e, tipicamente, testes de integridade (incluindo varredura para leaks).

Na prática, testes em mídia tendem a ser usados para desenvolvimento e controle do material, enquanto EN 1822 e requisitos equivalentes exigem comprovação no elemento final. Em aplicações críticas (farmacêutica, semicondutores), o teste do filtro completo é indispensável para reduzir risco de bypass e falhas locais.

3. Equipamentos Usados no Setor

Os sistemas de teste e medição modernos combinam geração de aerossol, condicionamento de fluxo, instrumentação de partículas e aquisição de dados para garantir repetibilidade.

3.1 Instrumentação de aerossóis e partículas

• Espectrômetro de aerossol: mede distribuição por tamanho e concentrações por canal, suportando cálculo de eficiência fracionária e identificação da MPPS.

• Contadores de partículas: usados para contagem a montante/jusante, especialmente em regimes onde número de partículas é a métrica mais relevante.

• Geradores de aerossol de teste: podem produzir DEHS, PAO, NaCl ou outros, conforme norma e faixa de tamanho. A estabilidade do aerossol é determinante para reprodutibilidade.

3.2 Bancadas e sistemas de ensaio

• Bancadas para mídia (flat sheet): controlam velocidade superficial, vedação do porta-amostra e Δp. Adequadas para triagem de meios filtrantes e P&D.

• Bancadas para filtro completo: acomodam elementos de diferentes geometrias, controlam vazão e permitem amostragem a montante/jusante. Para HEPA/ULPA, incluem estágios de integridade e, quando aplicável, varredura.

• Sistemas integrados (ex.: sistemas TOPAS): plataformas reconhecidas no setor por integrar geração, diluição, instrumentação e automação de ensaio, reduzindo variabilidade operacional. O valor técnico está na estabilidade do controle de fluxo, rastreabilidade de dados e padronização do procedimento.

3.3 Medição de pressão e fluxo

• Transdutores de pressão diferencial com faixa e exatidão adequadas ao tipo de filtro.

• Medidores de vazão calibrados e controle em malha fechada.

• Monitoramento de temperatura e umidade, quando necessário, por influência em propriedades do ar e cargas eletrostáticas.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

As diferenças entre teste em mídia e no filtro completo ficam mais evidentes conforme a criticidade do processo e a geometria do elemento.

• Salas limpas e indústria farmacêutica: exigem comprovação do elemento HEPA/ULPA e integridade; pequenas falhas locais podem comprometer classificações de ambiente. Ensaios em mídia são insuficientes para liberar o conjunto.

• Filtros automotivos e industriais: cartuchos pregueados podem apresentar variação de Δp por distribuição de fluxo e colapso de pregas. Ensaios em mídia ajudam a selecionar materiais; ensaios no elemento quantificam o impacto do design.

• Turbinas a gás e admissão de ar: o trade-off entre eficiência e Δp é central para desempenho energético. Ensaios no filtro completo são decisivos para validar o conjunto e sua vedação em altas vazões.

• Laboratórios de P&D de meios filtrantes: o teste em mídia acelera iteração de formulações (fibra, ligantes, carga eletrostática) com base em eficiência fracionária e MPPS, antes de prototipar elementos.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Para reduzir incerteza e aumentar reprodutibilidade, recomenda-se estruturar o ensaio em torno de controles de processo e critérios de aceitação mensuráveis.

5.1 Controle do aerossol e amostragem

• Verificar estabilidade temporal da concentração a montante e evitar saturação do sensor.

• Minimizar perdas em linhas (comprimento, curvaturas, cargas eletrostáticas) e padronizar materiais de tubing.

• Garantir condições de mistura homogênea a montante e evitar gradientes no duto de ensaio.

5.2 Condições de fluxo e vedação

• Controlar vazão e velocidade superficial com calibração rastreável.

• Assegurar vedação no porta-amostra (mídia) e no alojamento do elemento (filtro completo) para evitar falsos leaks.

• Registrar Δp, temperatura e umidade para comparabilidade interlaboratorial.

5.3 Seleção do método conforme objetivo

• Desenvolvimento de material: priorizar eficiência fracionária, MPPS e curva Δp vs. velocidade superficial em mídia.

• Qualificação e compliance: priorizar ensaio no filtro completo conforme norma aplicável e, para HEPA/ULPA, testes de integridade e classificação.

• Investigação de falhas: combinar ambos: mídia para isolar variabilidade do material e filtro completo para localizar bypass/defeitos de montagem.

6. Conclusão Técnica

Testes em mídia e testes no filtro completo não são intercambiáveis: cada um mede aspectos distintos do desempenho e atende a etapas diferentes do ciclo de engenharia e qualidade. Ensaios em meios filtrantes são essenciais para entender mecanismos de captura, otimizar eficiência fracionária e reduzir Δp de forma controlada. Ensaios no elemento final são indispensáveis para validar efeitos de fabricação, vedação e integridade, especialmente em filtros HEPA e ULPA e ambientes regulados.

A confiabilidade do teste de filtros depende de instrumentação adequada (como espectrômetro de aerossol e sistemas integrados de bancada), controles de aerossol e amostragem, e aderência a normas de ensaio como ISO 16890 e EN 1822. A adoção de sistemas de teste e medição bem especificados é determinante para reduzir incerteza e sustentar decisões de engenharia, QA, validação e compliance.

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