Projecto, instalação e modelação de uma unidade de extracção supercrítica

Abstract

O objectivo principal deste trabalho foi a instalação de uma unidade de extracção supercrítica para extrair óleos de sementes, em particular de grainha de uva, pretendendo-se num futuro próximo utilizá-la na recuperação de triterpenóides da casca e resíduos de eucalipto. Pretendia-se que esta unidade pudesse operar na gama de 80 a 250 bar e de 40 a 80 ºC com dióxido de carbono. As vantagens subjacentes à extracção supercrítica residem no facto de ser uma tecnologia verde, amiga do ambiente, com um potencial crescente dentro do conceito de biorrefinaria, e que funciona sob condições suaves de temperatura, preservando a qualidade dos extractos e evitando contaminações com os solventes tóxicos utilizados comummente em processos convencionais de extracção. O interesse por este óleo advém de Portugal ser um dos maiores produtores de vinho a nível mundial e de a grainha, que corresponde a cerca de 15% dos seus resíduos sólidos, conter 10 a 15% de um óleo rico em ácidos gordos insaturados esterificados e compostos antioxidantes. Para dar cumprimento ao objectivo fixado, começou por desenhar-se a unidade a montar, seguindo-se o seu dimensionamento, aquisição dos diversos componentes e instalação em laboratório. Depois de verificado o funcionamento individual de cada elemento e do conjunto no seu todo, procedeu-se à realização do primeiro ensaio (a 140 bar e 40 ºC) para avaliar o desempenho do equipamento e o protocolo experimental. Passada a fase de testes efectuou-se a extracção supercrítica do óleo de grainha de uva a 160 bar e 40 ºC, tendo-se obtido a respectiva curva cumulativa de extracção. Esta evidencia os dois períodos de extracção típicos, sendo que o primeiro totalizou 96,6% do óleo extraído. O processo de extracção supercrítica foi eficaz, porque se obteve 11,49 g de óleo por kg de grainha seca, o que corresponde a 99,9% da quantidade obtida em Soxhlet com n-hexano. Os resultados experimentais foram modelados admitindo que a extracção consiste, em termos de transporte de massa, numa combinação em série de difusão interna e convecção no filme. Para além disso, considera-se que a grainha moída é constituída por células interiores intactas, de onde o óleo sai por difusão, e por células mais periféricas rompidas, de onde o óleo se transfere por convecção. O modelo mostrou-se capaz de representar bem ambos os períodos de extracção, fornecendo um erro absoluto médio de 5,4%. Os perfis de concentração do fluido no leito, gerados pelo modelo, mostraram que a zona de transferência de massa, definida pelos limites de 5% e 95% da concentração máxima, corresponde a 11,0% do seu comprimento total. O tempo estequiométrico calculado foi 159 vezes superior ao tempo de passagem do CO2. Por fim simulou-se a extracção para diferentes caudais de solvente, a partir dos parâmetros optimizados dos dados experimentais. Concluiu-se que o aumento da velocidade superficial do CO2 permite acelerar a velocidade da extracção supercrítica do óleo de grainha de uva, embora se mantenha o consumo de solvente para a mesma quantidade de óleo removido. Por este motivo, as curvas de eluição representadas em função do tempo adimensionalizado com o tempo de passagem aparecem sobrepostas.

ABSTRACT: The main purpose of this work was the installation of a supercritical fluid extraction (SFE) unit to process seed oils, particularly grape seed oil, and in the near future for the extraction of triterpenoids from eucalyptus bark and wastes. This unit operates with carbon dioxide in the pressure range of 80-250 bar and within temperatures from 40 to 80 ºC. SFE is considered an environmental friendly green technology with growing potential in the biorefinery concept because it avoids the use of hazardous solvents usually required for conventional extraction methods. Furthermore SFE operates at mild temperatures which preserve extract quality and the use of a clean solvent such as supercritical CO2 avoids product contamination. To accomplish the main objective of this work the experimental unit was designed and the equipment components were acquired and assembled. The functioning of each individual component and of the assembled experimental unit was checked and afterwards a test experiment was made at 140 bar and 40 ºC to evaluate equipment performance and experimental procedure for the extraction of grape seed oil. The interest in grape seed is due to Portugal’s large wine production. Grape seeds represent 15% of wine solid waste and contain 10-15% of oil which is rich in unsaturated esterified fatty acids and anti-oxidant compounds. After the evaluation period of the equipment the cumulative extraction curve of grape seed oil was obtained at 160 bar and 40 ºC. This curve presents two typical extraction periods with an extraction of 96,6% of the overall mass in the first period. The process was effective extracting 11,49 g of oil per kg of grape seed which corresponds to 99,9% of the n-hexane Soxhlet extraction. Experimental results were modelled assuming that extraction consists of mass transfer by internal diffusion and film convection combined in series. Furthermore, it was assumed that grinded grape seed were composed of internal intact cells and peripheral broken cells and that solvent accessibility was easy in the peripheral cells and depended on internal diffusion for the internal cells. The model presented a good fit for the results of both extraction periods with an absolute average error of 5,4%. Bed fluid concentration profiles were generated with the developed model and revealed that the mass transfer zone was 11,0% of the column length taking the reference limits of 5% and 95% of maximal concentration. Stoichiometric time was calculated as 159 times the residence time of CO2. In the final part of this work, the proposed model was used to simulate the effect of increasing CO2 superficial velocity. The extraction rate is increased by this parameter while solvent consumption is unaffected. Thus, the elution curves as a function of dimensionless time are overlapped.