ANÁLISE DO CRESCIMENTO DE CRISTAIS EM UM CRISTALIZADOR BATELADA VIA IMAGENS MICROSCÓPICAS

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1 ANÁLISE DO CRESCIMENTO DE CRISTAIS EM UM CRISTALIZADOR BATELADA VIA IMAGENS MICROSCÓPICAS Bruna L. M. Fernandes, ¹ Fernando H. Caldas, ¹ Roberto Matsumura, 2 Davi B. Quintino e ³ Ricardo A. Malagoni Discente do Curso de Engenharia Química da UFU/MG 2 Bolsistas CAPES, discente do Programa de Pós Graduação em Engenharia Química UFU/MG 3 Professores da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG,2,3 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 22, Bloco K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP malagoni@feq.ufu.br RESUMO - O Brasil detém 50% de toda a exportação mundial de açúcar. A cristalização, parte importante da produção da sacarose comercial, pode ocorrer naturalmente ou em aparelhos chamados cristalizadores, e consiste na transformação das moléculas de um soluto dissolvidas na fase líquida para a fase sólida. O objetivo deste trabalho é determinar o crescimento dos cristais obtidos utilizando-se de um cristalizador batelada, analisando imagens obtidas em um estereomicroscópio. A realização de ensaios de cristalização obedecendo a um planejamento de experimentos, possibilitou a obtenção de uma condição otimizada para operação do cristalizador batelada, mediante as respostas de produtividade e diâmetro médio de Sauter. Nesta condição de resposta máxima, amostras de cristais foram coletadas, analisadas em um estereomicroscópio, e com auxílio do software Image J foi calculada a área superficial dos cristais. Palavras-Chave: cristalização, dimensão, sacarose. INTRODUÇÃO A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) é cultivada no país desde a época colonial e até hoje desempenha papel muito importante neste setor econômico. Dados da UNICA (203) mostram que o país é o maior produtor mundial de açúcar, produzindo 25% de todo o açúcar mundial. O Brasil é uma potência global no setor agrícola, uma posição que é resultado de uma larga escala de investimentos em tecnologia de plantio e pelo rápido crescimento da demanda doméstica e global por alimentos e estoque de combustível. O país possui abundância de terra e condições climáticas excepcionais que proporcionam condições de plantio com menor irrigação (ANDRADE, 200). O processo de cristalização pode ocorrer naturalmente ou industrialmente em equipamentos denominados cristalizadores. Esta operação unitária de cristalização é utilizada como um método para se produzir materiais particulados de elevada pureza, sendo fundamental para a produção de sacarose comercial (MALAGONI, 200). Este trabalho tem como objetivo determinar e analisar a dimensão dos cristais obtidos em cristalizador batelada, demonstrando os métodos e variáveis que influenciaram nos resultados do processo. MATERIAL E MÉTODOS Planejamento de s Os experimentos deste estudo foram realizados no Laboratório de Cristalização da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Os equipamentos utilizados nos ensaios de cristalização foram: cristalizador batelada; motor elétrico (Weg, 0,75 CV), inversor de frequência (Weg, CFW-08), balança analítica (Gehaka, BG- 200), estufa e banho termostatizado (Tecnal, TE- 84). O cristalizador possui sistema de agitação da solução formado por dois discos cilíndricos perfurados, separados por três anéis de alumínio acoplados ao eixo do aparelho. O vaso de cristalização é feito em aço inoxidável, encamisado internamente, possui formato

2 tronco-cônico e sua seção cônica tem angulação de 65 com a horizontal. Em sua parte inferior, o equipamento foi vedado por uma membrana flexível feita de borracha sintética, própria pra o processamento de alimentos. A Figura mostra o equipamento montado em operação, onde A indica a tampa do cristalizador, e B o termopar no qual verificou-se a temperatura da solução durante o processo. A O valor da frequência angular foi determinado através da Equação 3, na qual, v representa a velocidade do excêntrico em rpm fornecida pelo tacômetro digital. 2.. (3) 60 O valor da amplitude de vibração variou conforme o experimento seguindo o planejamento de experimentos. Esta variável permaneceu entre os valores de 0,333 e,93. O tempo de cristalização variou de 30 min a 20 min também obedecendo ao planejamento. As respostas analisadas foram: produtividade de cristais e tamanho final, esta última, analisada pelo diâmetro médio de Sauter dos cristais obtidos. A produtividade obtida foi calculada através da Equação 4. B m c y(%).00 ms (4) Figura Cristalizador batelada. As variáveis analisadas no processo de cristalização foram: supersaturação (S), intensidade de vibração (Г) e tempo de operação (t). A supersaturação da solução variou conforme o planejamento de experimentos, com valores entre,02 e,20. Tal variável foi calculada através da Equação, na qual, S representa o adimensional de supersaturação, C a concentração do sistema na temperatura de operação e C* a concentração de saturação na temperatura do sistema, ambas as concentrações em kg/kg de água. C S C * () A Equação 2 indica como foi medida a intensidade de vibração do meio, em que A e ω, são respectivamente, a amplitude de vibração (m) e a frequência angular de vibração (rad.s - ) do agente excitador externo que promove a vibração no leito, e g representa a aceleração da gravidade no local. 2 A g (2) Em que: y(%) representa a produtividade em termos percentuais, m c a massa de cristais obtida ao final do processo de cristalização (g) e m s a massa de sementes (g) inoculadas no cristalizador no início da cristalização. A Equação 5 mostra o cálculo realizado na determinação do tamanho final dos cristais, em que, Δx i representa a fração mássica de sementes retidas, e D i o diâmetro médio da porção retida, isto é, o valor médio da abertura da peneira na qual os cristais ficaram retidos e a peneira imediatamente superior a esta. D st p i xi D i Procedimento Experimental (5) Sacarose comercial (marca Caeté) foi usada para preparar soluções de sacarose, conforme o planejamento montado. Após total dissolução da sacarose em água, uma amostra de 280 ml foi transferida para o cristalizador batelada, este previamente montado e ajustado para o experimento. Realizada a transferência, o aparelho foi vedado e esperou-se até a estabilização da temperatura. A temperatura de operação do processo de cristalização foi de 343,2K.

3 Produtividade (%) Com a estabilização da temperatura do meio, 2 g de sementes de sacarose foram adicionadas à solução no interior do cristalizador. Cristais de sacarose retidos na peneira de Tyler 20 (0,84 mm) foram usados como sementes. Decorrido o tempo de operação, os cristais foram separados da solução usando uma peneira Tyler 24 (0,707 mm), e lavados com solução alcoólica nas concentrações de 75% (ª lavagem) e 96% (2ª lavagem), conforme Pereira (997). Por fim, os cristais foram deixados por 48 h em uma estufa para secagem e o processo finalizado com a quantificação dos cristais. Análise de crescimento Após realização de todos os ensaios de cristalização seguindo o planejamento de experimentos, obteve-se com o auxílio do software Statistica a condição otimizada de operação, na qual as duas repostas foram elevadas ao seu valor máximo dentro da região de estudo. Nesta condição de reposta máxima, coletou-se 6 amostras no intervalo de 4 min, estas, foram analisadas em um estereomicroscópio (Nikon, SMZ800) e as imagens tradas no software Image J, no qual determinou-se a área dos cristais de sacarose para cada faixa amostral. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados experimentais para as respostas de produtividade e diâmetro médio de Sauter foram apresentados na Tabela. Tabela Resultados experimentais do PCC. y (%) D st (mm) 6,667, ,5098, ,7500, ,5833, ,523, ,967, ,3333, ,3333, ,85, ,6667, ,2500, ,8500, ,3333, ,467, ,6667, ,467, ,50,487 Para ambas as respostas observou-se que estas são maximizadas em altos valores de supersaturação e valores intermediários para intensidade de vibração e tempo de operação, como observado no experimento 0. O valor médio de produtividade alcançada foi de 09,8%, e a média obtida para diâmetro médio de Sauter foi de,2087x0-3 m. Analisou-se estatisticamente os dados obtidos nos experimentos a fim de determinar-se a condição otimizada de operação. Tal análise foi realizada no software Statistica, os valores operacionais de resposta máxima obtidos foram demonstrados na Tabela 2. Tabela 2 Condições operacionais para condição de resposta máxima. S Г t (min),20 0,54 82 Observa-se na Tabela 2 que, a configuração proposta exige nível baixo para a variável intensidade de vibração, nível intermediário para o tempo de operação e nível máximo de supersaturação. Realizou-se testes em triplicata com o intuito de verificar a exatidão do modelo proposto. Os resultados obtidos para produtividade e tamanho dos cristais são apresentados respectivamente nas Figuras 2 e 3, nas quais a linha vermelha representa a média obtida na condição de resposta máxima, e, a linha azul, a média dos experimentos do planejamento composto central (PCC) Figura 2 Produtividade alcançada nos experimentos do PCC em comparação com os resultados.

4 Diâmetro de Sauter (mm),50,45,40,35,30,25,20,5,0,05, Figura 3 Diâmetro de Sauter obtido na condição de resposta máxima em função da dos valore do PCC e sua média. A Figura 4 apresenta imagens microscópicas dos cristais de sacarose provenientes das amostras coletadas em diferentes tempos durante o processo de cristalização. A B Tabela 3 Variação da área do cristal de sacarose durante o processo. Tempo (min) Área (mm²) 0 0,94 4,083 28,328 42,576 56,592 70,68 82,700 CONCLUSÃO Este trabalho teve como objetivo analisar o crescimento cristalino da sacarose em um cristalizador batelada, operando em condição de resposta máxima, através da análise e tratamento de imagens dos cristais obtidos experimentalmente. Na obtenção da condição operacional dentro da região de estudo que maximizasse a produtividade e o tamanho final dos cristais, a resposta operacional obtida elevou ao máximo a supersaturação da solução e exigiu nível baixo de intensidade de agitação e tempo de operação médio. Testes realizados em triplicata constataram a exatidão da configuração exigida pelo modelo. Observou-se o aumento da área dos cristais durante o processo de cristalização. Tal variação foi devido à passagem do soluto presente na solução para a superfície cristalina, sendo o valor final médio da área de,700 mm², com variação total de 0,786 mm² durante os 82 min de processo. Os resultados sugerem que a baixa vibração do meio atuou no sentido de diminuir a camada limite de solução em volta do cristal, favorecendo a transferência de massa e consequentemente aumentando a dimensão final do cristal. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS C Figura 4 Imagem de diferentes cristais nos tempos de 4 (A), 56 (B) e 82 (C) min. Com auxílio do software Image J determinou-se a área dos cristais de sacarose para cada tempo amostral durante o processo de cristalização na condição de resposta máxima. Os valores obtidos na medição da área dos cristais são apresentados na Tabela 3. ANDRADE, S. J.; CRISTALE, J.; SILVA, F. S.; ZOCOLO, G. J.; MARCHI, M. R. R., 200. Contribution of sugar-cane harvesting season to atmospheric contamination by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Araraquara city, Southeast Brazil. Atmospheric Environment, 44, MALAGONI, R. A., 200. Cristalização de ácido cítrico em leito vibrado, PPGEQ/Faculdade de Engenharia da UFU, Uberlândia-MG. (Tese de Doutorado), 297 p. PEREIRA, A. G., 997. Cristalização de sacarose me leito vibro-jorrado. Faculdade de Engenharia Química UFU, Uberlândia-MG (Dissertação de mestrado), 44 p.

5 UNICA União União da Indústria de Cana-de-açúcar. Sugarcane Industry in Brazil. Disponível em < Acessado em 0 jun, 20 p. AGRADECIMENTOS Agradecemos a CAPES pela bolsa de Mestrado e também a Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia pela infraestrutura disponibilizada para a realização desta pesquisa no Laboratório de Cristalização.