OBTENÇÃO DO ÓLEO ESSENCIAL DA ROSA MOSQUETA COM CO 2 SUPERCRÍTICO: ESTUDO EXPERIMENTAL E TEÓRICO

Transcrição

1 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica /5 OBTENÇÃO DO ÓLEO ESSENCIAL DA ROSA MOSQUETA COM CO 2 SUPERCRÍTICO: ESTUDO EXPERIMENTAL E TEÓRICO Magalhães, S.P., Silva, C. F. 2, Mendes, M.F. 3, Queiroz, E.M. 4 e Pessoa, F.L.P. 4* Aluna de Iniciação Científica - Departamento de Engenharia Química - Escola de Química - Universidade Federal do Rio de Janeiro - shayanerj@yahoo.com.br 4 Orientadores - Departamento de Engenharia Química - Escola de Química - Universidade Federal do Rio de Janeiro 2 Co orientadora - Departamento de oquímica - Instituto de Química Universidade Federal do Rio de Janeiro 3 Co autora - Departamento de Engenharia Química - Instituto de Química - Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro * Endereço: UFRJ - Cidade Universitária - Ilha do Fundão Escola de Química Bloco E Sala Rio de Janeiro - RJ - Cep: , Tel RESUMO - A extração de um soluto de uma matriz sólida utilizando fluido supercrítico é um processo que envolve transferência de massa, e a sua compreensão proporciona a possibilidade de minimizar os custos em estudos prévios da aplicação desta técnica. O objetivo desse trabalho é realizar a comparação dos modelos Shrinking Core Leaching (Goto et al., 996) e não-estacionário, baseando-se em dados experimentais de extrações de produtos naturais com CO 2 supercrítico obtidos da literatura. O primeiro foi desenvolvido para extração de materiais sólidos e a solução gerada é capaz de representar o comportamento da extração. O segundo encontra algumas restrições em relação a alguns parâmetros, que estão relacionados ao tempo de residência e a difusão intrapartícula na transferência de massa externa. Os resultados gerados através dos modelos revelaram boa aproximação em relação aos dados experimentais. INTRODUÇÃO A técnica de extração com fluido supercrítico (EFSC) vem recebendo atenção especial, pois produz extratos de excelente qualidade e constitui-se em uma tecnologia limpa. O CO 2 é um dos solventes mais utilizados na extração supercrítica, por ser atóxico, inerte e ter baixo custo, dentre outros fatores. A demanda por óleos essenciais obtidos a partir de matérias - primas vegetais tem aumentado o interesse por novos processos de extração. Visando melhorar a qualidade dos extratos obtidos das plantas, e baixar custos operacionais de processo, a extração com fluido supercrítico tem sido bastante utilizada para extrair óleos essenciais de plantas e sementes. A obtenção do óleo essencial da rosa mosqueta é um exemplo da possibilidade de aplicação da técnica de extração supercrítica. Essa rosa selvagem é encontrada na Argentina e Chile; na Europa ela é conhecida como Rosehip. A sua semente possui de 6-7 % de óleo, cujo principal componente é o ácido linoleico. A obtenção desse óleo, comercialmente utilizado na indústria de cosméticos, é um dos exemplos de aplicação que pode ser dado à tecnologia de extração supercrítica. No que diz respeito a parâmetros relacionados ao processo de extração,

2 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 2/5 muitos estudos têm sido realizados relacionados à difusividade do soluto no CO 2 supercrítico. A velocidade, ou taxa, de difusão associada ao movimento por difusão de átomos, que são transportados através de uma dada superfície, pode ser medida pelo fluxo de matéria, sendo a velocidade de difusão proporcional ao coeficiente de difusão, D, (Akgerman et al., 996). Este é um parâmetro de suma importância nos modelos que estudam os fenômenos de transferência de massa. O objetivo desse trabalho é realizar a comparação de dois modelos matemáticos: Shrinking Core Leaching (Goto et al., 996) e Quase - estacionário (King e Catchpole, 993), baseando-se em dados experimentais de extrações com CO 2 supercrítico, e a partir de então, compreender qual é o modelo que melhor se a- dequa a cada uma das situações. Materiais e Métodos Os experimentos foram realizados utilizando-se sementes de rosa mosqueta fornecidas pela Novbeltec S.A. (Santiago, Chile). As sementes foram moídas em quatro tamanhos diferentes utilizando-se peneiras mecânicas e o diâmetro médio foi calculado aplicando a fórmula de Sauter (Foust et al., 960). O dióxido de carbono líquido com uma pureza de 99.9% foi proveniente da AGA S.A. (Rio de Janeiro). A extração foi realizada em um aparato experimental, montado no Laboratório de Separação e Purificação do PEQ/COPPE, contendo uma bomba de alta pressão (Thermo Separation Products, Constametric 3200 P/F), um extrator de aço inoxidável 36L de volume 42 ml, uma válvula micrométrica para a a- mostragem, um banho termostático (± 0.ºC, Lab-Line Instruments, Inc., Melrose Park, Illinois), um manômetro e um rotâmetro. O extrator foi inicialmente preenchido com as sementes, o procedimento experimental foi feito em modo semibatelada, com uma vazão de 9,3 ml/min durante todo o tempo de extração, que foi de 60 minutos. O sistema de equilíbrio considerado foi o CO 2 ácido linoleico. O fluxograma do aparato experimental é mostrado na Figura. A B D E Figura : Fluxograma do aparato experimental, onde A cilindro de CO 2, B bomba de alta pressão, C banho de aquecimento, D extrator, E válvula micrométrica, F rafinado, G rotâmetro. Modelagem matemática: O modelo matemático do Shrinking - Core Leaching considera o processo com sendo de dessorção irreversível, acompanhado pela difusão nos sólidos porosos através desses poros. Quando a taxa de transferência de massa do soluto presente na parte interna da partícula (parte não extraída) é mais baixa que no exterior da partícula (parte extraída), verifica se a existência de um contorno separando essas duas regiões, de tal forma que durante o processo de extração, o raio interno da partícula (chamado de core) encolhe. As equações, 2 e 3 (Goto et al., 996) foram utilizadas para calcular a concentração adimensional da fase fluida, os tempos adimensionais de residência e de equilíbrio dentro da coluna (θ* e θ e ), respectivamente. ε 3.Z x = exp. a.ε F ( /ξ ) c C G ()

3 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 3/5 ε θe = (2) a. b. ε θ * = b. ξ c ξ 2 c [ ( / ξ )] ε 3. Z exp. a. ε c ( / ξc) dξc (3) O modelo Quase - estacionário parte das mesmas equações que o modelo Shrinking Core Leaching, sendo que a diferença está na solução analítica apresentada por King e Catchpole (993). Resultados e Discussões A modelagem matemática foi realizada para os dados de extração obtidos a partir dos diferentes diâmetros de partículas testados e das pressões e temperaturas trabalhadas. Em geral, o aumento da pressão repercute num aumento de densidade do dióxido de carbono, e conseqüentemente no aumento do seu poder de solvência. De acordo com as Figuras 2 e 3, é possível observar que a uma mesma temperatura, há aumento do rendimento da extração com o aumento da pressão, com exceção da pressão de 50 bar, na temperatura de 33 K, e na pressão de 200 bar à temperatura de 323 K, onde os rendimentos experimentais e os obtidos pelo modelo Shrinking Core diminuíram. A diminuição do rendimento de extração na pressão de 50 bar a 33 K pode ter ocorrido devido à irregularidade na geometria da semente, onde o modelo Shrinking Core pode ter sido capaz de perceber, em quanto que o modelo quase estacionário não, e com isso o rendimento continuou aumentando neste modelo. O mesmo podendo ter ocorrido na pressão de 200 bar. Os resultados encontrados para os rendimentos experimentais e de cada modelo encontram-se listados nas Tabelas e 2, para as diferentes pressões e a temperaturas de 33 e 323 K, respectivamente. Os parâmetros de ajuste dos modelos: difusividade efetiva (De), que é um dos parâmetros mais importantes no processo de extração, e coeficiente de transferência de massa (K f ) são apresentados na Tabela 3. Pôde - se observar que esses valores são iguais para ambos os modelos, uma vez que partem das mesmas considerações. O fator de correção de área (FAT) representa a correção da área da semente, uma vez que esta não possui uma geometria perfeita. Pressão Tabela : Rendimentos da extração a 33 K e Dp = 9,52μm Experimental (x0 3 ) Shrinkingcore (x0 9 ) Quase estacionário (x0 4 ) 62,87 0,032, ,686 0,733,857 50,722 0,470 2, ,364,463 3,706 Pressão Tabela 2: Rendimentos da extração a 323 K e Dp = 9,52 μm Experimental (x0 3 ) Shrinkingcore (x0 9 ) Quase estacionário (x0 4 ) 62 0,36 0,037, ,357 0,974, ,266 2,255 2, ,98,887 3,96 Tabela 3: Parâmetros de ajuste dos modelos a 343 K e Dp = 9,52 μm

4 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 4/5 Shrinking Core e Quase-estacionário P(bar) De 5,3 3,7 2,2,59 x0 (m 2 /s) K f x 0 5 2,50 2,0,80,6 (m/s) FAT Figura 3: Rendimentos da extração em função da pressão para partículas de Dp = 9,52mm e T = 323K, valores experimen - tais (Rendimento x0-3 ), Shrinking - Core(Rendimento x0-9 ), Quase estacionário (Rendimento x0-4 ) CONCLUSÃO Rendimento 6,000 4,500 3,000,50 0 0, Pressão (bar) Figura 2: Rendimentos da extração em função da pressão para partículas de Dp = 9,52mm e T = 33K, valores experimen - tais (Rendimento x0-3 ), Shrinking - Core (Rendimento x0-9 ), Quase estacionário (Rendimento x0-4 ) Foi possível observar, pelos resultados experimentais, que houve aumento da extração conforme se aumentou à pressão, a uma mesma temperatura, com exceção às pressões de 50 e 200 bar, e por isso, qualitativamente, verifica se que o modelo de Shrinking - Core conseguiu reproduzir melhor os resultados experimentais, tendo em vista que observou também a diminuição da quantidade extraída nestas pressões, mesmo que teoricamente a quantidade extraída tivesse que aumentar com o aumento da pressão, mantendo se a temperatura constante. Diferentemente, o Modelo Quaseestacionário, o aumento da quantidade extraída foi contínuo, reproduzindo bem a teoria, porém não estando de acordo com os resultados experimentais. NOMENCLATURA Rendimento 0,000 8,000 6,000 4,000 2,000 ε porosidade do leito número de ot = k f.r/de a grupo adimensional correspondente ao inverso do tempo de residência a- dimensional = (v.r 2 )/De.L v velocidade do fluido, m.s - De difusividade efetiva intrapartícula, m 2 /s L comprimento do extrator, m b parâmetro adimensional = (C sat / q 0 ) 0, Pressão (bar)

5 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 5/5 ξ coordenada adimensional do raio = (r/r) r coordenada de raio Z coordenada axial no extrator R raio da partícula ξ c raio adimensional da região interna (core) não lixiviado x concentração adimensional da fase fluida no bulk, C/Csat θ tempo adimensional de permanência na coluna θ e tempo adimensional necessário para atingir o equilíbro completo da extração K f coeficiente de transferência de massa, m/s FAT fator de correção de área (semente) Os autores agradecem o apoio do Capes, CNPq e da Universidade Federal do Rio de Janeiro. REFERÊNCIAS GOTO, M.; ROY B.C., HIROSE T., Shrinking-Core Leaching Model for al-fluid Extraction, The Journal of Supercritical Fluids, V.9, p , 996. KING, M.B., CATCHPOLE O., Extraction of Natural Products Using Near- Critical Solvents, King M. B. Bott, T. R., Eds: Blackie Academic & Professional: Glasgow, p. 84, 993. SOVOVÁ H., Rate of the Essential Oil Extraction With Supercritical CO 2 I. Modelling of the Extraction Curves, Chemical Engineering Science, V. 49, p , 994. FOUST, A.S., WENZEL, L.A., CLUMP, C.W., MAUS, L., ANDERSEN L.B., "Principles of Unit Operations", 2 a edition, John & Wiley Sons, London, 960. AKGERMAN, A., ERKEY, C., OREJUELA M., Limiting Diffusion Coefficients of Heavy Molecular Weight Organic Contaminants in Supercritical Carbon Dioxide, Industrial and Engineering Chemistry Research, V. 35, 9-97, 996. AGRADECIMENTOS