Datos de Equilibrio Para La Extracción de Café y de Aceite Girasol Con Etanol1

Equilibrium Data for the Extraction of Coffee and Sunflower Oils with Ethanol

AUTORES

AUTHORS

Suely Pereira FREITAS Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola de Química

SUMMARY

Dados de Equilíbrio para o Processo de Extração de Óleos de Café e Girassol Usando Etanol

Ilha do Fundão, Cidade Universitária

Bloco E, Sala 207

CEP: 21949-900

Rio de Janeiro/RJ - Brasil

e-mail: [email protected]

Regina Celi Araujo LAGO Embrapa Agroindústria de Alimentos

e-mail: [email protected]

La extracción de los aceites vegetales que utilizan etanol puede ser una buena solución para los países donde las pequeñas almazaras son económicamente viables. Además, el etanol es ambientalmente más atractivo que hexano. En este trabajo, datos de equilibrio sólido-líquido experimentales para la extracción de aceite vegetal con etanol han sido investigados como una función del contenido de aceite en la materia prima y la muestra a etanol relación de masas. Las concentraciones máximas de soluto obtenidos en las micelas fueron 11,4 y 18,6%, respectivamente, para los aceites de café y de girasol. Estos resultados son inferiores a los valores típicos de entre 20 y 30% obtenido con los procesos de flujo en contracorriente utilizados en la industria alimentaria, con hexano como disolvente. Para estimar las etapas teóricas, las líneas de enlace se pueden determinar usando las curvas de distribución y los diagramas de solubilidad simultáneamente.

RESUMO

A extração de óleos vegetais com etanol pode ser uma solução potencial para

os países onde a operação de usinas comerciais de pequeno porte é economicamente

viável. Além disso, do ponto de vista ambiental, o etanol é um solvente mais atraente

que o hexano. Neste trabalho, os dados de equilíbrio para extração de óleos vegetais

com etanol foram avaliados em função do teor de óleo na matéria-prima e da relação

solvente/substrato. A concentração máxima de soluto na micela foi de 11,4 e 18,6% para

extração dos óleos de café e girassol, respectivamente. Estes resultados são inferiores aos

valores típicos, entre 20 e 30%, alcançados para o processo de extração contínua em

fluxo contra-corrente, usado nas usinas comerciais de extração de óleos vegetais com

hexano. As linhas de amarração, para cálculo do número de estágios teóricos, podem

ser construídas usando-se, simultaneamente, as curvas de distribuição e os diagramas

de solubilidade.

PALAVRAS-CHAVE

KEY WORDS

Solid-liquid extraction; Equilibrium data; Ethanol;

Oleaginous seeds; Coffee oil; Sunflower oil.

Extração sólido-líquido; Dados de equilíbrio;

Etanol; Óleo de café; Óleo de girassol.

Autor Correspondente

Corresponding Author

Braz. J. Food Technol., Campinas, v. 10, n. 3, p. 220-224, jul./set. 2007 220 Recebido/Received: 22/12/2005. Aprovado/Approved: 05/11/2007.

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FREITAS, S. P. e LAGO, R. C. A. Equilibrium Data for the Extraction of Coffee and Sunflower Oils with Ethanol

1. INTRODUCTION La industria de procesamiento de aceite vegetal continúa expandiéndose. Hoy en día, alrededor de trece aceites vegetales se han utilizado para formulaciones de alimentos industriales de todo el mundo, especialmente a partir de soja, palma, colza, girasol, semilla de algodón y cacahuete. Los aceites vegetales se han obtenido convencionalmente combinando disolventes orgánicos prensado y extracción. A partir de esas extracciones a base de hexano, es posible alcanzar rendimientos de aceite mayor que 95% (Johnson y LUSAS, 1983).

En los últimos años, las autoridades se han vuelto más y más consciente de las cuestiones ambientales en relación con el uso de grandes cantidades de disolventes orgánicos tóxicos. Como resultado, las de eliminación de regulación se han vuelto muy estricto y, como consecuencia, los costes de procesamiento aumentados. En muchos países, los disolventes orgánicos más tóxicos ya han sido prohibidos en la elaboración de alimentos. Por lo tanto, en el desarrollo de procesos más seguros, la sustitución de hexano ha sido altamente recomendado (EPA, 2000).

El uso potencial de etanol para la extracción de aceite vegetal ya ha sido investigado (FREITAS et al., 2001; Rittner, 1991; Rao et al., 1955). Como etanol se deriva de una fuente renovable que es considerado como un medio ambiente más limpio disolvente. Así, el etanol puede representar una buena alternativa para los países en los que los aceites pequeños molinos sean económicamente viables y donde la disponibilidad de etanol resulta menos costoso que el hexano.

El uso de etanol para el café y el aceite de girasol de extracción verde ha sido estudiado previamente en escala de banco (Kohl et al, 2003;. FREITAS et al., 2001). En esas obras, se consideraron las siguientes variables independientes: temperatura de extracción, la muestra a la proporción de etanol, la humedad presente en la semilla y tamaño de partícula. Cinética de extracción mostraron que los mayores rendimientos se han traducido con el tiempo de incubación de 20 y 40 minutos, respectivamente, para el café y aceites de girasol verdes. Tiempo aumentar hasta 60 minutos tuvo poca influencia en el rendimiento de la extracción. Las condiciones optimizadas para estos procesos para granos de café y semillas de girasol, respectivamente, se han determinado: temperatura de 75 y 70 ° C, tamaño de partícula inferioridad rior a 1,0 y 1,7 mm, muestra a la proporción de etanol 1: 3 y la humedad de la semilla inferior a 3%. En estas condiciones, la cantidad de soluto obtenido fue mayor que la fracción de lípidos se extrajo con éter de petróleo. Según los autores, las temperaturas de extracción por encima de 70 ° C, probablemente, han favorecido la eliminación de la cera por el etanol.

El mecanismo de extracción es una combinación de difusión y mezcla de material soluble en el disolvente. La relación de distribución en la extracción sólido-líquido depende principalmente de la temperatura y la naturaleza química de las especies implicadas. A unos 85 ° C, por encima del punto de ebullición del etanol a presión atmosférica (78 ° C), aceites vegetales son totalmente miscible con etanol. Como consecuencia, la solubilidad del aceite en etanol a temperaturas inferiores a 78 ° C se convierte en el parámetro de extracción limitante, lo que requiere una mayor proporción de disolvente a la muestra que el proceso basado en hexano, que parece estar controlada por difusión. Según Rittner (1991), el etanol como solvente es compatible con los equipos utilizados actualmente en los aceites vegetales industrias y requeriría cambios menores en condiciones de operación y distribución de la planta a ser implementadas a gran escala. Para mejorar la solubilidad en aceite, el extractor se puede operar a presiones ligeramente superiores a la atmosférica (20 a 30 psig) y la temperatura alrededor de 85 ° C.

La condición de equilibrio entre la torta (fase de refinado) y miscela (fase de disolvente) es un aspecto muy importante de la extracción de aceite vegetal. Los datos de equilibrio sólido-líquido es necesario tanto para el diseño y el proceso de simulación de extractores utilizados en industria de

alimentos. Hasta ahora, están disponibles en la literatura relativa a las extracciones de aceite vegetal a base de etanol hay datos expresivos. En este trabajo se presentan los resultados de equilibrio sólido-líquido para aceites de café y de girasol de extracción con etanol 99,2%. Con el fin de obtener datos de equilibrio, se evaluaron los efectos de la muestra a etanol relación de masas.

2. MATERIAL AND METHODS

Se utilizaron granos de café Robusta comerciales, semillas de girasol comerciales y etanol 99,2%. El contenido de aceite en las muestras se determinó usando éter de petróleo de 30-60 ° C, después de 16 h de reflujo, en un tipo Butt extractor (AOCS, 1996). Composición aproximada se determinó de acuerdo con los métodos de la AOAC (AOAC, 1995). Extractos de etanol obtenidos se filtraron y composición de ácidos grasos se determinó por cromatografía de gases de los ésteres metílicos preparados de acuerdo con Hartman y Lago (1973). El análisis de ácidos grasos de aceites se realizó en una cromatografía de gas HP5890 equipado con una columna SP2340

capilar de sílice fundida (60 mx 0,32 mm x 0,25 m). El programa de temperatura fue de 150 hasta 200 ° C a una velocidad de 1,3 ° C / min. Dilución de la muestra fue del 2%, el

volumen inyectado fue de 1 L y el gas portador era H2 a 2,5 mL / min. Las muestras se molieron en un molino de martillo piloto. Granos de café verde y semillas de girasol con rangos de partículas de tamaño 0,5 mm <d <1,0 mm y 0,85 mm <d <1,70 mm, respectivamente, fueron seleccionados. Debido al alto contenido de aceite en la semilla de girasol (aproximadamente 45%) de reducción del tamaño de partícula inferior a 0,85 mm conducido a la pérdida de aceite en el fresado. Con el fin de mejorar la eficiencia del proceso de extracción de etanol, la humedad inicial de todas las muestras se redujo a 3% en un secador de bandeja con el flujo de aire caliente a 60 ° C.

2.1 Extraction experiments and concentrations at equilibrium

La muestra y el etanol se colocaron en un matraz erlenmeyer y se mantuvieron en un baño de temperatura controlada bajo agitación continua para homogeneizar la mezcla. La mezcla, después de 16 h, se filtró al vacío a través de papel de filtro y ambas fracciones, miscela y pastel, se pesó. El etanol en la miscela se eliminó en un evaporador rotativo, mientras que el disolvente retenido en la torta se eliminó a 60 ° C en un horno con flujo de aire caliente. El rendimiento de extracción de lípidos y la concentración de soluto en las dos fases en equilibrio se correlacionó, en 70 y 75 ° C, con relaciones de masa de la muestra de disolvente. La cantidad máxima de soluto (Mo), presente en ambas muestras, se determinó el uso de etanol a dilución infinita (disolvente para muestrear relación de masa como 20: 1). Los datos de equilibrio se registraron por balance de masa macroscópica del soluto en las fases de la torta y miscela.

3. RESULTS AND DISCUSSION

La composición proximal de Robusta comercial granos de café verde y semillas de girasol, dada en la Tabla 1, fue similar a los valores reportados en la literatura (FOLSTAR, 1985; MACRAE, 1993; HARTMAN et al., 1999). La composición de ácidos grasos de los extractos de café consistía en ácidos saturados e insaturados mientras que los ácidos grasos de los extractos de girasol eran predominantemente ácidos insaturados (Tabla 2). Los resultados


m

a c a c

a c a c m

TABLE 1. Proximate composition of Robusta coffee and sunflower seeds [g.100 g–1].

Commercial Robusta coffee* Literature data1 Sunflower seeds* Literature data2

Oil 10.50 0.15 9.00 to 12.60 44.34 0.62 47.83 to 54.80

Protein 13.53 0.04 11.00 to 15.60 23.04 0.28 18.34 to 22.16

Moisture 11.40 0.17 10.20 to 11.00 5.40 0.001 4.41 to 5.87

Total ash 3.63 0.08 4.20 3.75 0.35 3.06 to 3.69

Starch 3.14 0.04 - nd -

Crude fibre 14.49 0.60 18.50 nd 1.97 to 2.32

Carbohydrates** - - 23.47 15.47 to 19.83 1 Trugo (2001) and Folstar (1985); 2 Hartman (1999). nd - no determined

*Average of three replicates standard deviation. **by difference.

TABLE 2. Fatty acids composition of coffee and sunflower oils (%).

Fatty acids Coffee oil* Literature data1 Sunflower oil* Literature data2

C16:0 32.26 2.15 32.1 to 33.2 5.25 0.19 4.88 to 5.41

C18:0 7.76 0.40 7.5 to 8.2 3.79 0.49 2.97 to 4.41

C18:1 11.21 0.89 8.2 to 12.5 33.57 0.51 32.55 to 41.67

C18:2 42.69 2.43 42.6 to 46,2 56.11 1.47 46.54 to 56.11

C18:3 1.17 0.14 0.9 to 1.4 traces 0.11 to 0.20

C20:0 2.92 0.32 2.6 to 3.3 traces 0.27 to 0.39

C22:0 traces - 1.00 0.02 0.82 to 0.99 *Average of three replicates standard deviation; 1Folstar (1985); 2Hartman et al. (1999).

obtenido están de acuerdo con los datos de la literatura para los aceites de girasol de café y se extrajo con éter de petróleo (FOLSTAR, 1985;. HARTMAN et al, 1999).

La Figura 1 presenta rendimientos de extracción (m / Mo) de aceites de café y de girasol como una función de la muestra a etanol relación de masas. M es la cantidad de soluto extraído en el equilibrio y Mo es la cantidad de soluto presentes en la materia prima. En la misma muestra al disolvente relación de masa, el rendimiento de aceite de café es mayor que la del aceite de girasol. Este hecho se debe a un mayor contenido de aceite presente en las semillas de girasol (44,3%) que en los granos de café (10,5%) que promueven la saturación de etanol más rápido en el primer caso.

Como era de esperar, el rendimiento de equilibrio M / M disminuye si la muestra a disolvente aumenta la relación de masas. En la mano orden, la miscela retenido en la torta aumenta a medida que la muestra a disolvente aumenta relación de masa y mayor es la pérdida de aceite restante en la torta con (Figura 2 y 3). Los resultados mostrados son de acuerdo con las conclusiones de Dibert et al. (1989).

Los diagramas de equilibrio se presentan en las Figuras 2 y 3 para el sistema: soluto (a) + inerte (b) + disolvente (c). El equilibrio se alcanza cuando la cantidad máxima de soluto se transfiere a la fase de disolvente. La concentración en las dos fases expresa como relación de masas (X para la fase de refinado e Y para la fase de disolvente) se define sobre una base libre inerte (GEANKOPLIS, 2003):

100 m m X

a X

b

a m

90

m b

cake m m

cake

m m Y

a Y

b

a b

80 miscella m m

miscella

70

60

50

10 20 30 40 50 60

Sample/ethanol ratio (% w/w)

green coffee (0.5 mm <d<1 mm)

sunflower (0.8 mm <d <1.7 mm)

FIGURE 1. Coffee and sunflower oil yield as a function of sample/ ethanol mass ratio at equilibrium. M - amount of solute extracted at equilibrium; Mo - amount of solute in the sample.

donde mi representa la masa del componente i en equilibrio (Dibert et al., 1989). Para ambas muestras, la curva de distribución, Xa = f (Ya), ha demostrado que la torta (a medios porosos) tiene una mayor concentración de soluto que la fase de disolvente (miscela), debido a la baja solubilidad de los solutos en etanol a 70 y 75 ° C y también para la adsorción de soluto en la matriz sólida. Para ambas muestras, se llegó a la extracción de petróleo para la muestra completa a etanol relación de masa de hasta 0,05. En este caso, sobre una base libre inerte, la miscela tiene la misma concentración de soluto que la torta, como se puede observar en las figuras 3 y 4. Como se muestra en etanol aumenta relación de masa (Ya = Xa), la torta presenta una mayor concentración de soluto que el componente miscela debido al bajo rendimiento de aceite. Como consecuencia, los datos experimentales en la curva de distribución se desvían de la línea diagonal (X = Y). Las líneas auxiliares, mostrados en la

M/M

o (

%)


1.20

1.00

Solubility diagram of sunflower oil in ethanol

at 70 °C; 0.85 < dp < 1.7 mm

3.50

3.00

Solubility diagram: coffe oil in ethanol

at 75 °C; 0.5 < dp < 1 mm

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Xa or Ya

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00

0.00

0.03

0.05 0.08

Xa or Ya

0.10

0.13

0.15

Distribution curve: sunflower oil in cake (Xa) and miscella (Ya)

at 70 °C; 0.85 < dp < 1.7 mm

Distribution curve: coffe oil in cake (Xa) and miscella (Ya)

at 75 °C; 0.5 < dp < 1 mm

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

0.00

0.03 0.05

0.08

Ya

0.10

0.13

0.15

Ya

FIGURE 2. Datos de equilibrio para la extracción de aceite de girasol con etanol. La línea diagonal (línea discontinua) en representación de diagrama de equilibrio donde soluto es infinitamente soluble en disolvente.

Las figuras 2 y 3, ilustran el procedimiento gráfico para obtener pares de puntos que representan las dos fases en equilibrio.

Las concentraciones máximas de soluto en la miscela se han encontrado como 11.4 y 18.6%, respectivamente, a los aceites de café y de girasol. El valor más alto alcanzado en el último caso es debido a un mayor contenido de aceite en la materia prima de girasol. Estos valores son mayores que los reportados por Dibert et al. (1989).

De acuerdo con las figuras 2 y 3, la concentración inerte en la torta, sobre una base libre inerte, depende del contenido de aceite en la materia prima. Se puede observar que los desagües disolventes mejor a partir de los granos de café que de las semillas de girasol, que puede explicarse por la presencia de una mayor cantidad de aceite residual en la torta de girasol y su porosidad menor.

1. CONCLUSIONS Las curvas de equilibrio experimentales presentados en este trabajo podrían ser útiles en la determinación del número de etapas teóricas en el diseño de una columna continua de extracción. El soluto máximo

FIGURE 3. Datos de equilibrio para la extracción de aceite de café con etanol. La línea diagonal (línea discontinua) en representación de diagrama de equilibrio donde soluto es infinitamente soluble en disolvente. concentraciones en la miscela fueron 11.4 y 18.6%, respectivamente, a los aceites de café y de girasol. Estos resultados son inferiores a los valores típicos (entre 20 y 30%) alcanzado a partir de procesos de flujo en contracorriente, que se utilizan en la industria alimentaria, que tiene hexano como disolvente. Como era de esperar, la escasa solubilidad de aceite vegetal en etanol en el intervalo de temperatura de 70 a 75 ° C es el factor de extracción limitante.

REFERENCES

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Xb

Xa

Xa

Xb


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