Processo intermitente de extração de óleo de soja com solventes líquidos pressurizados

• Autor(a) principal: Ramos, Paulo Rodolfo
• Data de Publicação: 2024
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74132/tde-02082024-154027/
• topic: Análise de custo; Aumento de escala; Cinética de extração; Cost analysis; Etanol; Ethanol; Extração de líquido pressurizado; Extraction kinetics; Intermittent process; Organic solvent; Pressurized liquid extraction; Processo intermitente; Scale-up; Solvente orgânico

No processo de produção de óleos vegetais para consumo humano, há interesse em utilizar processos de extração eficientes e sustentáveis, que empregam solventes renováveis e não deixam resíduos tóxicos no produto final. Atualmente, o desenvolvimento de diferentes métodos ecologicamente corretos para extrair óleos vegetais vêm sendo desenvolvidos, a se destacar os com foco na extração com líquido pressurizado (Pressurized Liquid Extraction PLE) em processo intermitente. A PLE usando etanol como solvente está sendo estudada para esse fim. A PLE em um processo intermitente é muito eficiente e utiliza baixos volumes de solventes. A avaliação de parâmetros que afetam a produção de óleo vegetal e o estudo do comportamento da cinética de extração possibilitam conhecer a condição de maior taxa de extração, gerando dados para o estudo dos custos de produção, por exemplo. Este estudo apresentou a extração com líquido pressurizado em um processo intermitente para a obtenção de óleo de soja, utilizando menos solvente do que a extração convencional ou substituindo o solvente por outro menos tóxico. Foram utilizados como solvente nessa pesquisa o hexano e o etanol. Durante a pesquisa, avaliou-se o rendimento ótimo da extração, análises físico-químicas dos óleos obtidos, estimou-se o custo de implementação e de operação no aumento de escala do PLE, assim como a cinética de extração e a modelagem da extração em processo intermitente. Para avaliação do rendimento utilizou-se o planejamento experimental em duas etapas. Parâmetros como temperatura (T), volume de solvente de enxágue (VS), tempo de contato entre o solvente e a matriz (St) em cada ciclo e número de ciclos (C) foram analisados em um planejamento Fatorial Fracionário 24-1. Após testes preliminares, T e St foram as variáveis significativas identificadas. Assim essas variáveis (T e St) foram reavaliadas em um DCCR 2², enquanto VS, C e a pressão (P) foram mantidos fixos. O volume de enxague (VS) foi mantido em 60% do volume total do extrator de leito fixo, usando 3 ciclos e 10,34 MPa, respectivamente. Nas condições otimizadas, as maiores recuperações de óleo de soja foram de 94,40% (85 °C, 13 min, com hexano pressurizado) e 86,16% (80 °C, 12 min, com etanol pressurizado). O aumento da massa de solvente para 100% do VS resultou em um aumento de rendimento de 1,47% (hexano) e 3,99% (etanol). A concentração de β-sitosterol foi identificado nos óleos extraídos com hexano e etanol, apresentando valor ≤182,78 mg/100g de óleo (hexano) e ≤71,64 mg/100g de óleo (etanol). Os principais ácidos graxos foram, linoleico (≤51,12%, etanol; ≤40,31%, hexano) e oleico (≤24,98%, etanol; ≤26,62%, hexano) e verificou-se que o perfil de ácidos graxos não foi afetado pelos diferentes solventes ou processos de extração. Os triacilgliceróis (TAG) foram estimados com base nos ácidos graxos determinado e os principais TAGs identificados foram LLO, LLL e OOL. Medidas dos óleos extraídos com hexano e etanol mostraram variações mínimas de densidade com 0.9174 ± 0.0003 g/cm³ para o hexano e 0.9193 ± 0.0015 g/cm³ para o etanol, a 25 °C e 0.9072 ± 0.0002 g/cm³ para o hexano e 0.9092 ± 0.0015 g/cm³ para o etanol a 40°C, com uma viscosidade ligeiramente maior para o óleo extraído com etanol (53.7 ± 1.5 mPa.s) em relação ao hexano (47.8 ± 0.0. mPa.s). A degradação oxidativa acelerada revelou um período de indução mais longo para o óleo extraído com hexano (8.38h), indicando que o óleo extraído com etanol se degrada mais facilmente, com período de indução de 0.21h. A atividade antioxidante do óleo extraído com hexano foi inferior à do etanol. Na análise de calorimetria diferencial de varredura, os óleos extraídos com hexano e etanol apresentaram temperaturas de ponto de fusão inicial de -43,2 e -36,1°C, respectivamente. A avaliação econômica foi realizada utilizando o software SuperPro Design v8.5, com base nos valores reais de construção do PLE em escala piloto. No estudo da avaliação econômica foram considerados 16 cenários de produção, mostrando um retorno sobre o investimento variando de 9,0 a 133,5% no primeiro ano e tempos de recuperação de 0,7 a 11,1 anos. Um dos cenários (o cenário 8), que envolve dois extratores de 5.000 L, reciclagem de etanol e uma produção anual de 3.325.300 L de óleo de soja a US$ 1,25/L, demonstrou o melhor retorno sobre o investimento (133,5%) em menos de um ano. A cinética do processo de extração com etanol pressurizado foi avaliada e pôde-se determinar, a partir dos ensaios de esgotamento da matriz, a difusividade efetiva em um processo semicontinuo e modelar o processo intermitente da PLE com base na Lei de Fick. A modelagem foi possível com auxílio do software Mathematica Wolfram v11.2. A difusividade efetiva (Deff) variou entre 17,25 × 10-12e 31,29 × 10-12 m²/s no processo de extração semicontínuo. A difusividade efetiva para o processo intermitente foi obtida a partir do ponto ótimo de extração do óleo de soja utilizando etanol como solvente e apresentou Deff igual a 1,77 × 10-12 m²/s. A Deff encontrada na extração do processo intermitente foi menor do que no processo semicontinuo, mas ambas com a mesma ordem de grandeza de valores. A substituição completa do solvente no processo de extração semicontínua impactou na difusividade observada. Além disso, variáveis como geometria, diâmetro médio das partículas, temperatura de extração e volume de solvente de enxágue podem contribuir para a variação no comportamento das curvas entre os processos semicontínuos e intermitentes. Os resultados da pesquisa indicam que é possível obter óleo de soja bruto por meio de um novo processo que utiliza um solvente seguro e renovável, indicando que um PLE em um processo intermitente pode substituir a extração convencional sem alterações relevantes nas principais características do óleo, com bom rendimento e menor uso de solvente. O estudo sugere que a extração industrial de óleo de soja por PLE em um processo intermitente pode ser mais econômica do que os métodos convencionais. E, levando em consideração as características físico-químicas, as variáveis de processo e os parâmetros econômicos, a implementação de um processo de extração com líquido pressurizado, que emprega solvente verde e sustentável (etanol), em escalas maiores é viável.