DESENVOLVIMENTO E PROJETO DE UMA UNIDADE DE EXTRAÇÃO SUPERCRÍTICA PARA PURIFICAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS

Resumos

Este estudo investiga os diferentes arranjos de equipamentos para o desenvolvimento de uma unidade industrial para purificação de óleos vegetais utilizando extração com CO2 sob condições supercríticas. Objetivando a concepção de uma planta comercial a partir da unidade de laboratório o estudo deve iniciar-se através da determinação de alguns parâmetros experimentais e um estudo energético do processo. Em trabalho anterior foram definidas as condições ótimas (T, P) para purificação de óleos vegetais por CO2 supercrítico [7]. A etapa de otimização energética envolve um número máximo de variações possíveis nas condições de operação, visando fornecer dados adequados para a definição do rendimento e qualidade do produto, assim como do tempo de extração. A representação do processo nos diagramas de estado do solvente são muito úteis para a determinação das propriedades termodinâmicas em cada estágio do processo. Os diagramas Temperatura-Entropia (TxS) são particularmente apropriados para determinação da energia requerida ou removida no processo reversível. Com a determinação das condições de operação e do tempo para cada etapa individual é possível plotar a variação da pressão e da temperatura versus tempo, assim como definir e dimensionar os equipamentos necessários para o processo de extração supercrítica.

desacidificação; dióxido de carbono supercrítico; óleo vegetal

DESENVOLVIMENTO E PROJETO DE UMA UNIDADE DE EXTRAÇÃO SUPERCRÍTICA PARA PURIFICAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS¹

Pedro L. M. PENEDO², Gerson L. V COELHO²,^*

RESUMO

Este estudo investiga os diferentes arranjos de equipamentos para o desenvolvimento de uma unidade industrial para purificação de óleos vegetais utilizando extração com CO₂ sob condições supercríticas. Objetivando a concepção de uma planta comercial a partir da unidade de laboratório o estudo deve iniciar-se através da determinação de alguns parâmetros experimentais e um estudo energético do processo. Em trabalho anterior foram definidas as condições ótimas (T, P) para purificação de óleos vegetais por CO₂ supercrítico [7]. A etapa de otimização energética envolve um número máximo de variações possíveis nas condições de operação, visando fornecer dados adequados para a definição do rendimento e qualidade do produto, assim como do tempo de extração. A representação do processo nos diagramas de estado do solvente são muito úteis para a determinação das propriedades termodinâmicas em cada estágio do processo. Os diagramas Temperatura-Entropia (TxS) são particularmente apropriados para determinação da energia requerida ou removida no processo reversível. Com a determinação das condições de operação e do tempo para cada etapa individual é possível plotar a variação da pressão e da temperatura versus tempo, assim como definir e dimensionar os equipamentos necessários para o processo de extração supercrítica.

Palavras-chave: desacidificação, dióxido de carbono supercrítico, óleo vegetal.

SUMMARY

This study examines the method to development of an industrial unity to purification of vegetable oils using extraction with CO₂ under supercritical conditions. Aiming at the conception of a commercial plant from laboratory scale, the study must begin through determination of some experimental measurement and a study of energy required in the process. In previous work the optimum conditions (T, P) to purification of vegetable oil by supercritical CO₂ were determined. It was possible to deacidify, deodorize e clarify degummed vegetable oils. The step of energy optimization involves a large number of variables in operational conditions seeking to supply suitable data for definition of yield and quality of product, such as the extraction time. The representation of the process in solvent phase diagrams is more convenient to determine the thermodynamics proprieties in each stage of process . The Temperature -Entropy (TxS) diagrams are particular suitable for determination of energy required or removed in a reversible process. After determination of the operational conditions and time to each individual stage, it is possible to plot the variation of pressure and temperature versus time , as well as to define and plan the necessary furnitures to supercritical extraction.

Keyword: deacidification, supercritical carbon dioxide, vegetable oil.

1 — FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O conceito de uma planta para extração a altas pressões de produtos naturais deve ser baseado no tipo de produção a que se está voltado: quando o material será o produto final (arraste de material) como o café decafeinado e o óleo desacidificado; ou quando o extraído é o produto de interesse (extração de material) como os aromas de plantas [1].

Para se conseguir bases numéricas para o dimensionamento e detalhamento de uma planta é necessária a determinação prévia de alguns parâmetros como a capacidade de produção, o modo de operação (contínuo ou batelada), a densidade do material, a taxa mássica entre CO₂ e o material a ser extraído e o tempo de extração. Com estes valores conhecidos é possível determinar o volume do extrator e o diâmetro das tubulações.

Após definidos os parâmetros iniciais, o próximo passo é a etapa de análise da influência da pressão e da temperatura no processo, visto que a manipulação destas variáveis são fundamentais para a eficiência do processo. Estas determinações são obtidas experimentalmente em plantas piloto, analisando em que condições verifica-se a maior taxa de extração [2].

A otimização é feita através da determinação dos parâmetros termodinâmicos de cada etapa do processo (Figura 1) utilizando-se o diagrama de fases do solvente empregado na extração, tornando assim possível a análise da energia requerida a cada etapa .

FIGURA 1.
Esquema de uma unidade de fluido supercrítico.

Os diagramas TxS são particularmente mais cômodos de serem utilizados, pois nele tanto a energia requerida quanto a energia fornecida ao sistema são representados por áreas [3].

2 — DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES ÓTIMAS DE OPERAÇÃO

A primeira fase deste estudo objetivou determinar as condições de temperatura e pressão para a desacidificação de óleos de soja e de castanha do Pará utilizando CO₂ supercrítico [7]. A pesquisa desenvolveu-se em dois estágios. Inicialmente investigou-se a possibilidade de se extrairem os ácidos graxos destes óleos em condições de extração que variaram de 50-140 bar de pressão e de 40-80 ^oC durante 40-160 minutos. Concluiu-se que é possível realizar a desacidificação de óleos vegetais. Os resultados experimentais mostraram que um aumento na pressão produziu um aumento expressivo na eficiência da extração, o que não se verificou com o aumento da temperatura [6]. A eficiência da extração foi próximo de 30 % a 140 bar e 80 ^oC para o óleo de soja. Analisando-se a influência do tempo de extração, verificou-se que em média cerca de 84 % do total dos ácidos graxos livres eliminados na desacidificação por CO₂ supercrítico, são extraídos nos primeiros 40 minutos e, que acima de 160 minutos, praticamente não observou-se variação da eficiência. Após esta primeira etapa, o próximo passo foi a tentativa de se obter um aumento na eficiência do processo promovendo a pré-degomagem nos óleos brutos como uma etapa anterior ao processo de desacidificação com CO₂ supercrítico. A degomagem realizou-se através de dois diferentes métodos: um para se extrair as gomas hidratáveis e outro para se extrair tanto as hidratáveis como as não hidratáveis [8]. Os resultados experimentais foram obtidos a 140 bar e 80 ^oC durante 40-160 minutos, mostrando que a pré-degomagem é realmente necessária [4], pois a eficiência da extração do óleo de soja totalmente degomado aumentou para 57%, sendo que o método escolhido deve extrair tanto as gomas hidratáveis como também as não hidratáveis. Finalmente, utilizou-se cossolvente (etanol a 1, 3 e 5 % do peso do óleo) como auxiliar de extração, observando-se um aumento na eficiência para aproximadamente 65 % no óleo de soja totalmente degomado [5]. A extração do óleo de soja apresentou melhores resultados quando comparado ao óleo de castanha do Pará, sendo que este segundo também apresentou resultados satisfatórios.

A qualidade do óleo ainda não está própria para comercialização. Para obtenção de melhores resultados é fundamental a verificação da eficiência da extração em pressões maiores que as empregadas, pois o aumento da pressão mostrou ser um parâmetro decisivo para o aumento da eficiência.

3 — DETERMINAÇÃO DA ENERGIA REQUERIDA PARA O PROCESSO

Após definidas as condições ótimas (T, P) para a desacidificação de óleos vegetais, a próxima etapa, objetivando a possibilidade de se propor um processo contínuo, que seria de interesse industrial, é a determinação da energia requerida para este processo. O custo energético está diretamente relacionado com a escolha adequada das condições operacionais. Para isto, será preciso um estudo e definição do ciclo ótimo do solvente através do diagrama TxS do dióxido de carbono. Com base nesta análise será possível propor o melhor arranjo para a unidade e definir o uso de trocadores de calor (resfriador/aquecedor), bomba ou compressor, válvula de redução de pressão e separador (2).

O objetivo é o conhecimento da necessidade de mínima energia correspondente para uma dada quantidade de solvente circulante. Para esta otimização é necessário que se analise a quantidade de energia necessária em diferentes arranjos para as etapas de extração, separação, compressão e troca de calor conforme ilustração abaixo, considerando a compressão isentrópica, a instalação adiabática e desprezando a queda de pressão através do leito e a variação da energia cinética e potencial.

FIGURA 2.
Ciclo ilustrativo de um solvente e suas correspondentes mudanças de fases.

O arranjo proposto na Figura 2 compreende as etapas de extração em condição supercrítica (A), separação em condição subcrítica (B), operado com bomba (P1), aquecedor (W₁) e resfriador (W₂), onde q é o calor retirado no resfriador e fornecido ao aquecedor e ao separador e w_t o trabalho fornecido para a bomba. O ciclo é composto por: 1-2 (compressão isentrópica em P até P_operação), 2-3 (aquecimento isobárico em W₁ até T_operação), 3-4 (expansão adiabática com entalpia constante), 4-5 (vaporização da fase líquida no separador) e 5-1 (condensação com resfriamento em W₂ para utilização da bomba).

Além do descrito acima o estudo aborda outros arranjos que estão ilustratados nas Figuras 3 a 5 a seguir.

FIGURA 3.
Arranjo proposto para uma unidade de extração supercrítica.

O arranjo proposto na Figura 3 compreende as etapas de extração em condição supercrítica (A), separação em condição supercrítica (B), operado com compressor (K) e resfriador (W₁), onde q é o calor retirado no resfriador e w_t o trabalho fornecido para o compressor. O ciclo é composto por: 1-2 (compressão isentrópica em K), 2-3 (resfriamento isobárico) e 3-1 (expansão adiabática).

FIGURA 4.
Arranjo proposto para uma unidade de extração supercrítica.

O arranjo proposto na Figura 4 compreende as etapas de extração em condição supercrítica (A), separação em condição supercrítica (B), operado com bomba (P) e resfriador (W₂), onde q é o calor retirado no resfriador e w₂ o trabalho fornecido para a bomba. O ciclo é composto por: 1-2 (compressão isentrópica em P), 2-3 (expansão adiabática para T>T_c e P>P_c) e 3-1 (resfriamento isobárico abaixo de T_c).

FIGURA 5.
Arranjo proposto para uma unidade de extração supercrítica.

O arranjo proposto na Figura 5 compreende as etapas de extração em condição supercrítica (A), separação em condição subcrítica (B), operado com compressor (K) e resfriador (W₁), onde q é o calor retirado no resfriador e w_t o trabalho fornecido para o compressor. O ciclo é composto por: 1-2 (compressão isentrópica em K), 2-3 (resfriamento isobárico), 3-4 (expansão adiabática) e 4-1 (vaporização da fração líquida).

4 — REFERÊNCIAS

[1] BRUNNER, G. & SIEGFRIED, P. Zum Stand der Extraktion mit Komprimierten Gasen. Chem-Ing.-Tech, Germany, 53 [7]:529-542, 1981.

[2] EGGERS, R. Large-Scale Industrial Plant for Extraction with Supercritical Gases Extraction with Supercritical Gases, Germany, 155-164, 1980.

[3] EGGERS, R. & TSCHIERSCH, R. Development and Design of Plants for High Pressure Extraction of Natural Products. Extraction with Supercritical Gases, Germany, 165-189, 1980.

[4] HARTMAN, L. & LAGO, R. Análise de Óleos e Gorduras. EMBRAPA / CTAA, Rio de Janeiro, 4-7, abril 1996.

[5] KUR, M. S. & HRON, R. J. Supercritical Carbon Dioxide Extraction of Cottonseed with Co- solvents. J. Am. Oil Chem. Soc., U.S.A., 71 [12]:1353-1356, dez. 1994.

[6] MCHUGH, M. A. & KRUKONIS, V. J. Supecritical fluid extraction, principles and practice. Buttewoths, Stoneham, M.A., 1986.

[7] PENEDO, P. L. M. & COELHO, G. L. V.. Optimization of deacidification of vegetable oils using supercritical CO₂. Proceedings of 4^th International Symposium on Supercritical Fluids, vol. B: 503-506, Sendai, Japão, 1997.

[8] PENEDO, P. L. M. & COELHO, G. L. V. Efeito da degomagem na desacidificação de óleo de soja com CO₂ supercrítico. Revista Arquivos/Caderno de Ciências Exatas [aceito para publicação], Rio de Janeiro, 1997.

[e-mail]

* A quem a correspondência deve ser endereçada.

¹

Recebido para publicação em 5/8/97. Aceito para publicação em 15/12/97

²

LABORATÓRIO DE PROCESSOS DE SEPARAÇÃO - Departamento de Tecnologia Química/IT/UFRRJ Antiga Rio-São Paulo, Km 47. 23851-970 Seropédica-RJ-Brasil.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  17 Dez 1998
• Data do Fascículo
  Dez 1997

Histórico

• Recebido
  05 Ago 1997
• Aceito
  15 Dez 1997