Título do trabalho: CO 2 Supercrítico

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Título do trabalho: Professor João Bastos 2016/ : Equipa Q1_PF03_1: Supervisor: Professora Eugénia Macedo Monitor: Albertina Rios Estudantes & Autores: Beatriz Franco (up @fe.up.pt) Carina Sá (up @fe.up.pt) Diogo Almeida (up @fe.up.pt) Maria Ana Silva (up @fe.up.pt) Sara Moura Ferreira (up @fe.up.pt) Sónia Ribeiro (up @fe.up.pt)

2 Resumo Neste trabalho vai ser desenvolvido o tema O CO2 supercrítico no âmbito da disciplina. Primeiramente foi feita uma abordagem mais geral do tema, nomeadamente a definição de fluido supercrítico. Posteriormente, um estudo mais pormenorizado do tema com a apresentação das propriedades do CO2 supercrítico, das suas vantagens e das suas aplicações que permitiram, em conjunto, concluir que a sua utilização é muito vantajosa e que tem várias aplicações, muitas vezes presentes no nosso quotidiano tomando como exemplo a extração da cafeína do café. Palavras-Chave Ponto crítico, Fluido supercrítico, CO2 supercrítico 2

3 Agradecimentos O nosso grupo gostaria de agradecer à Professora Eugénia Macedo, a nossa supervisora, e à nossa monitora Albertina Rios, por todo o tempo dispensado e pela ajuda e conselhos ao longo da realização deste trabalho. Gostaríamos também de agradecer a todas as pessoas do pela sua dedicação e pelas palestras, realizadas na primeira semana de aulas, que permitiram que este relatório fosse realizado de modo adequado. 3

4 Índice Introdução O que é um fluido supercrítico? O que é? Propriedades e vantagens Desvantagens Aplicações Importância Económica e Social Remover a cafeína do café (descafeinização) SEPAREX Conclusão Referências Bibliográficas

5 Listas de Figuras Figura 1- Diagrama de densidade por pressão do dióxido de carbono Figura 2- Diagrama de fase de pressão por temperatura do dióxido de carbono Figura 3- Esquema do dióxido de Carbono Supercrítico Figura 4- Equipamento para extração com CO2 Figura 5- Fornecimento de dióxido de carbono para um tanque Separex (4 toneladas) de um camião criogénico. Figura 6- Extração com CO2 supercrítico Figura 7- Grãos de café 5

6 Introdução No âmbito da disciplina e com o objetivo de apresentar o tema CO2 supercrítico, realizamos este relatório de maneira a facilitar a interpretação dos subtemas, partindo sempre de uma visão mais generalista e partindo em conceitos e definições de modo a conseguirmos também nós explorar um pouco mais e ir à procura de entender o que é isto de um fluido supercrítico, seguindo então uma perspetiva mais aprofundada sobre o CO2 neste estado, apresentando sempre alguns exemplos de maneira a ir esclarecendo o que vai sendo explicado. Neste relatório podemos então encontrar desde já, nas primeiras páginas, a definição de um fluido supercrítico, fazendo para isso referência ao ponto supercrítico e explorando um pouco algumas propriedades dos mesmos como a compressibilidade semelhante a um gás, a viscosidade baixa e a difusão intermediária entre gases e líquidos. Depois centramo-nos no caso particular do dióxido de carbono no estado supercrítico, diferenciando em seguida este fluído dos outros em algumas propriedades, referindo as suas vantagens e o porquê deste ser o fluido supercrítico de eleição para a maioria das indústrias, mas sem nunca esquecermos de abordar também as suas desvantagens. Após esta pequena explicação do que consiste o CO2 supercrítico, refere-se o modo de obtenção desse mesmo fluido, tudo explicado numa maneira muito simplista e exata, facilitando a leitura deste relatório e o entendimento do tema, dando assim informação para justificar as variadas aplicações que são apresentadas, algumas delas bastante conhecidas no nosso dia a dia como a extração e separação de produtos naturais, nomeadamente produtos alimentares e farmacêuticos e, acima de tudo, a importância que o CO2 supercrítico possui hoje em dia em termos sociais e económicos. 6

7 1. O que é um fluido supercrítico? Todas as substâncias são caracterizadas por um ponto crítico e este aparece a condições de pressão e temperatura específicas em que não existe fronteira entre duas fases (figura 1). Quando o líquido atinge pressões e temperaturas superiores às do ponto crítico, é considerado um fluido supercrítico. Neste estado, o fluido apresenta características peculiares fazendo com que este não se comporte nem totalmente como um líquido nem totalmente com um gás. [1] Além disso, devido a ter algumas propriedades de gases e outras de líquidos, os fluidos supercríticos são bastante miscíveis com gases como o oxigénio ou o hidrogénio, possuem um grande poder dissolvente no geral, e podem ser facilmente comprimidos (figura 2). [1] Figura 1- Pressão em função da temperatura do dióxido de carbono Figura 2- Diagrama de fase de pressão por temperatura do dióxido de carbono 7

8 2. CO 2 supercrítico 2.1 O que é? O CO2 supercrítico é dióxido de carbono que se encontra a uma temperatura igual ou superior à temperatura crítica e a uma pressão igual ou superior à pressão crítica. Isto é, não estando nem num estado líquido ou gasoso, a mínima alteração na temperatura ou na pressão aplicada nestes fluidos tem como consequência uma elevada mudança da densidade. [4] Assim como estas mudanças são especialmente aplicadas na maioria dos casos para alterar a solubilidade de um solvente ou soluto, aumentando assim a eficiência da conversão de energia térmica para energia elétrica. [5] Figura 3- Esquema do dióxido de Carbono Supercrítico 2.2. Propriedades e vantagens Efetivamente, o dióxido de carbono supercrítico apresenta inúmeras propriedades atrativas no mundo industrial, comparativamente com a outros fluidos supercríticos o que justifica a sua grande utilização. Assim, é possível destacar propriedades comuns a todos os fluidos supercríticos como: Compressibilidade semelhante a um gás; Viscosidade baixa (o que produz baixas quedas de pressão em colunas); Difusão intermediária entre gases e líquidos, variando com a densidade; Focando agora o CO2 supercrítico, este tem as seguintes propriedades: 8

9 Temperatura crítica: 31,04 C, o que permite que as extrações possam ser conduzidas a uma temperatura suficientemente baixa, de modo a não interferir com as propriedades organoléticas (são as características dos materiais que podem ser percebidas pelos sentidos humanos, tais como, a cor, o brilho, a luz, o odor, a textura, o som e o sabor) e físicas dos extratos; Pressão crítica: 73,8 bar, ou seja, relativamente baixa, quando comparado com outros fluídos supercríticos; É inerte, como tal não oferece riscos de reações secundárias, como oxidações, reduções, hidrólises e explosões; O CO2 é um composto inofensivo, não poluente, não tóxico, de uso significativo na gaseificação de bebidas; A polaridade do gás carbónico é próxima da do pentano e do hexano, solventes apolares, normalmente usados em extrações tradicionais por solventes; As propriedades do dióxido de carbono supercrítico podem ser modificados, facilmente, pela adição de pequenas quantidades co-solventes, polares ou apolares, como a água e o etanol e também pela seleção das condições de temperatura e pressão específicas. Essas opções, adicionam flexibilidade e permitem a adequação de condições de extração para as necessidades específicas dos produtos a serem extraídos e o produto final desejado; Preço relativamente baixo. [7] 2.3. Desvantagens O processo torna-se dispendioso, uma vez que é necessário operar a elevadas pressões para atingir o ponto supercrítico. Assim, são necessários materiais específicos para a construção dos equipamentos, o que leva a que o seu custo seja elevado. É difícil extrair os compostos polares por serem bastante solúveis. Figura 4- Equipamento para extração com CO2 Uma vez que o processo é caro, produtos de baixo valor agregado e de baixo rendimento, não compensam ser extraídos por este processo. 9

10 2.4. Como pode ser obtido o CO2? Como já foi referido anteriormente, um fluido diz-se supercrítico quando comprimido a uma pressão elevada e a uma temperatura superior à do seu ponto crítico. O dióxido de carbono é um dos fluidos supercríticos mais utilizados e a maioria deste é produzida a partir de fluxos de resíduos. O dióxido de carbono está disponível tanto em cilindros comerciais como em esferas de volumes limitados e ainda em grandes quantidades a partir de tanques que contêm entre 4 a 30 toneladas de gás liquefeito a uma pressão de 18 bar e a uma temperatura de cerca de -18 C. [3][10] Estes tanques são alimentados diretamente por camiões criogénicos como ilustrado na figura 5. Figura 5- Fornecimento de dióxido de carbono para um tanque Separex de um camião criogénico Como a maioria das unidades processuais SCF (super critical fluids) necessitam de dióxido de carbono líquido sob uma pressão de cerca 45 bar, o gás liquefeito inicialmente armazenado a uma pressão de 18 bar deve ser comprimido através de uma bomba até uma pressão de 50 bar. [3] 10

11 De notar que o maior cuidado deve ser tomado ao conceber a linha de alimentação de gás liquefeito à unidade processual para que não haja qualquer excesso de pressão quando o fluxo é parado e a temperatura aumenta. [3][10] 2.5. Aplicações Devido às suas caraterísticas e à sua singularidade na natureza, o CO2 supercrítico tem um papel promissor, uma vez que pode substituir os solventes orgânicos em muitos processos industriais. [6] Deste modo, as aplicações mais desenvolvidas do CO2 supercrítico são a extração e separação de produtos naturais, nomeadamente produtos alimentares e farmacêuticos. A extração a partir de materiais sólidos é a mais comum, nomeadamente para produtos alimentares (como café, chá), ingredientes alimentares (tais como aromas e corantes) e princípios ativos da indústria farmacêutica (pode observar-se algumas das extrações na figura 6). De facto, o CO2 é essencial nesta aplicação devido à sua polaridade, o que faz com que este seja mais eficaz nas extrações e, consequentemente, reduz o impacto dos produtos químicos no ambiente e reduz os custos da operação, uma vez que comparativamente a outros fluidos supercríticos o CO2 apresenta um custo reduzido. [6] A separação de misturas líquidas é projetada para aproveitar a elevada seletividade dos fluidos supercríticos com custos atrativos. No entanto, existem algumas unidades industriais que são utilizadas para a produção de aromas de bebidas, para a separação de ácidos gordos polinsaturados, entre outras. [6] Figura 6 - Extração com CO2 supercrítico 11

12 Assim é possível destacar a importância do CO2 supercrítico ao nível de várias indústrias, como a indústria farmacêutica, alimentar, cosmética, de perfumaria e para as indústrias e processamento químico, com as seguintes finalidades: [9] Produção de uma variedade de materiais de alta qualidade; Extração de aromas e constituintes cosméticos; Processamento de produtos sanitários e suplementos alimentícios Remoção de metais de resíduos do petróleo; Obtenção de oleorresinas de condimentos, que servem para a qualidade do aroma, cor e sabor de especiarias; Extração de hidrocarbonetos líquidos do carvão de edra e da hulha Importância Económica e Social Por ser um composto não muito caro, faz com que sejam reduzidos os custos e despesas das reações químicas. Figura SEQ Figura \* ARABIC 6- Extração com CO2 Em termos económicos, a extração supercrítica com CO2 permite a extração do composto que pretendemos retirar sem a destruição da matéria prima original, isto é, o subproduto que fica pode ainda ser utilizado para outras aplicações Remover a cafeína do café (descafeinização) Até meados dos anos 70, o processo de obtenção do café descafeinado passava por lavar os grãos de café com um solvente orgânico, o que, por um lado, dissolvia bastante bem a cafeína, mas, por outro lado, retirava os aromas e a essência do café. Além de que havia o risco dos grãos reterem resíduos de solventes prejudiciais à saúde. [8] Figura 7 - Grãos de café 12

13 Hoje em dia, existe uma alternativa para a remoção da cafeína dos grãos de café. Este processo foca-se na lavagem dos grãos de café com CO2 supercrítico, sendo que este dissolve a cafeína, mas não os aromas do café. Quando o café atinge a pressão atmosférica, o CO2 evapora, mas, mesmo que ainda permaneçam alguns resíduos deste, não existe qualquer problema para a saúde, visto que o dióxido de carbono faz parte do nosso metabolismo (não é tóxico). [8] SEPAREX A SEPAREX é uma empresa, mundialmente, conhecida por ser a líder no uso de fluidos supercríticos e equipamentos de alta pressão. A empresa fornece sistemas que permitem a aplicação de CO2. A sua vasta experiência e a elevada qualificação dos membros permite desenvolver soluções de baixo custo para os seus clientes, criando produtos inovadores e de alto desempenho, utilizando tecnologia verde e sustentável. [2] A tecnologia dos fluidos supercríticos é uma das principais ferramentas, em dia, no processamento de alimentos, cosméticos e fármacos, visto que tem bastantes vantagens: Produtos inovadores: Novos produtos alimentares diferentes dos obtidos pela clássica extração do solvente ou destilação e novos princípios ativos em fármacos e cosméticos podem ser adquiridos através da síntese, extração, purificação ou formulação. Os produtos demonstram desempenho mais elevado e maior grau de pureza, não contendo solventes residuais. [2] Benefícios de segurança: o CO2 utiliza-se como uma alternativa aos solventes orgânicos que são, potencialmente, tóxicos e serão progressivamente proibidos para uso em alimentos e produtos farmacêuticos. [1] Considerações de qualidade: a tecnologia supercrítica permite o desenvolvimento de produtos de alto valor com propriedades melhoradas, utilizando, deste modo, um processamento natural. [2] 13

14 Utilização de fluídos supercríticos no ramo alimentar: Desidratação de alimentos para a preservação dos mesmos; Descontaminação de alimentos. 3. Conclusão Pode-se concluir que um fluido num estado supercrítico não é mais que um fluido cuja pressão e temperatura excedem o chamado de ponto supercrítico, o que faz com que este fluído possua algumas caraterísticas de líquido e outras de gás. O CO2 supercrítico foi o primeiro fluido supercrítico a ser estudado e utilizado, daí ser utilizado em indústrias de grande escala. Devido às suas propriedades físicas e ao facto de o seu comportamento químico não ser corrosivo nem tóxico, o CO2 no estado supercrítico pode ser usado em instalações de alta pressão e de indústria química que contenham substâncias que necessitem de estar purificadas. Isto faz com que o CO2 supercrítico possua um grande leque de aplicações e uma fácil adaptação. 14

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16 Referências Bibliográficas [1] Le portail des fluides supercritiques. Que signifie supercritique. Acedidio a 28 de Setembro [2] SEPAREX Supercritical and high pressure technology. Acedido a 23 de Outubro [3] ENVE Supercritical CO2 Extraction. Acedido a 5 de Outubro [4] Sandia National Laboratories Supercritical CO 2. Acedido a 5 de Outubro [5] Eden Labs LLC Supercritical CO 2 extraction. Acedido a 5 de Outubro [6] Teledyne ISCO Supercritical Fluid Applications in Manufacturing and Materials Production. Acedido a 5 de Outubro [7] Revista Brasileira de Farmacognosia Extração por Fluído Supercrítico. Acedido a 5 de Outubro. [8] A QUÍMICA DAS COISAS "A Química do Descafeinado". Acedido a 5 de Outubro [9] Kuzmina, O., & Hallett, J. P. (n.d.). Application, Purification, and Recovery of Ionic Liquids. Elsevier. [10] McHugh, Mark A. Krukonis, Val J.. (1994). Supercritical Fluid Extraction (2nd Edition). Elsevier. 16