Extracao

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA OPERAES UNITRIAS NA INDSTRIA DE ALIMENTOS

Milla Gabriela dos Santos 2011/01

14. Extrao

14.1 Prensagem mecnica

O mtodo mais antigo de extrao de leo consiste na aplicao de presso ou na prensagem mecnica. Esta uma prtica primitiva que data das toscas prensas com alavancas de obteno do azeite de oliva, passando pelas prensas tipo parafuso que comearam a ser utilizadas aps a Primeira Guerra Mundial at as prensas modernas contnuas e hidrulicas.

As prensas de parafuso contnuas ou expellers foram usadas at o advento da extrao por solvente. O termo expeller um nome registrado para as prensas de parafuso contnuas patenteadas por Anderson Expeller em 1903, porm se popularizou e se tornou nome genrico adotado para todas as prensas contnuas de parafuso. As vantagens do processo so: a). baixo custo inicial de instalao; b). pode ser usado em operao de at 3.000 ton/d de capacidade; c). no emprega solvente, o que reduz o custo de processamento e do leo obtido; d). produz um leo que pode ser consumido sem necessidade de refino.

No Brasil, as prensas ganharam destaque novamente em pequenas comunidades do Norte e Nordeste, garantindo a produo de leos para uso domstico a partir de frutos e nozes obtidos do extrativismo, como castanha-do-par, e nos estados do Sul do pas, por fornecerem leos comercializados com o apelo de ser um produto natural, sem qumica, como alguns leos de girassol e gergelim encontrados no mercado.

As prensas so recomendadas para operao com gros ricos em leo e raramente se aplicam soja. Gros de algodo, canola, girassol e coco seco, chamado de copra na literatura inglesa, podem ser pr-prensados, como uma etapa que antecede a extrao por solvente. Nos processos mistos, o leo bruto obtido da prensagem adicionado ao leo bruto que sai da destilao da miscela. A indstria que no conta com a extrao do solvente intensifica a prensagem. Sabe-se que quanto mais intensa a presso, menor a velocidade de extrao.

As partes principais que compem uma prensa so a moega ou alimentador, a gaiola horizontal formada por barras de ao colocadas uma ao lado da outra, sendo mantidas nessa posio por anis de ao, dentro dos quais gira um parafuso em helicide, e uma ponta de cone, que regula a velocidade de sada da torta, a presso interna e conseqentemente, a eficincia da prensagem. A massa de gros preparada de forma a facilitar a expresso do leo pela presso. Dessa forma, os gros so descortiados, quando conveniente, triturados e aquecidos em cozedores verticais. Podem tambm ser quebrados e laminados, sem a exigncia de que laminas finas sejam obtidas, como existe para a extrao por solvente. Como as laminas transferem calor



mais rapidamente que pedaos de gros, recomenda-se a laminao dos pedaos com espessuras entre 0,38 e 0,50 mm e aquecimento/cozimento a 115oC por 60 min.

A massa de gros depositada na moega e adentra o corpo da prensa. O parafuso, de passo interrompido de forma a no triturar a massa, conduz o material, comprimindo-o contra as barras da gaiola no sentido da sada. O leo expelido escorre pelos interstcios entre as barras e os anis de ao, separados por distancias calculadas conforme a matria-prima. A presso inicial de 300 a 400 kg/cm2 cresce at 1.000 a 1.400 kg/cm2.

O prprio acmulo gradativo da massa no interior da prensa provoca o aumento de presso. O ajuste da posio da ponta de cone na sada influencia no tempo de permanncia da massa na prensa, provocando incremento de presso quando a velocidade for menor, o que garante maior extrao, isto , maior esgotamento de leo. No ocorre reabsoro do leo porque em cada ponto a presso perfeitamente constante. Ao longo do trajeto da massa dentro da gaiola, o leo extrado escorre pelos orifcios e coletado na parte inferior da prensa. Antes de ser conduzido ao reservatrio de leo bruto, ele passa por uma filtrao para separar as partculas slidas arrastadas. Estas podem retornar ao processo por causa de seu alto teor de leo.

14.2 Extrao lquido-lquido

Extrao lquido-lquido (ELL), tambm conhecida como extrao por solvente e partio, um mtodo para separar compostos baseado em suas diferentes solubilidades em dois lquidos diferentes imiscveis, normalmente gua e um solvente orgnico. um processo de separao que objetiva a extrao de uma substncia de uma fase lquida em outra fase lquida. Extrao lquido-lquido uma tcnica bsica em laboratrios qumicos, onde realizada usando-se um funil de separao. Este tipo de processo comumente realizado em laboratrio, visando isolar e purificar o(s) produto(s) de uma reao qumica.

Em outras palavras, a separao de uma substncia de uma mistura por preferencialmente dissolver esta substncia em um solvente adequado. Por este processo, um composto solvel normalmente separado de um composto insolvel. Extrao de solvente utilizada no reprocessamento nuclear, processamento de minrios, produo de compostos orgnicos finos, processamento de perfumes e outras indstrias.

Por exemplo, em uma situao onde temos dois lquidos, A e B, miscveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro lquido, C, que seja mais miscvel com A do que com B (Figura 1). A separao entre o extrato, A e C, e o rafinado, A e B, feita com uma ampola de decantao ou um funil separador, em escala laboratorial, e em equipamentos de extrao industriais como colunas de extrao ou misturadores-decantadores. O rafinado pode ser



mais purificado com etapas adicionais sucessivas de extrao lquido-lquido. A recuperao de A a partir do extrato geralmente feita por destilao.

Figura 1. Extrao lquido-lquido

A extrao lquido-lquido empregada como alternativa a outros processos de separao, quando estes no so recomendveis ou no so viveis. Desta forma, aparece como alternativa a processos como a destilao de componentes com volatilidades relativas muito prximas da unidade (=1) e a destilao de componentes termo-sensveis.

Vantagens Processo realizado temperatura ambiente ou temperatura moderada; Possibilidade de utilizao de solventes com boa capacidade de extrao ou seletivos; Possibilita de controle de pH, fora inica e temperatura, de forma a evitar a desnaturao de

enzimas e protenas (sistemas aquosos bifsicos de biomolculas);

Desvantagens A ELL gera produtos intermedirios (transfere-se o soluto A do solvente B para outro solvente C)

e, portanto ser necessrio utilizar um outro processo de separao posteriormente (p.ex. destilao, evaporao) para obter o soluto A, livre do solvente C.

Razo de distribuio Em extrao por solventes, uma razo de distribuio freqentemente citada como uma

medida de quo bem extrado uma espcie. A razo distribuio (D) igual concentrao de um soluto numa fase orgnica dividido por sua concentrao na fase aquosa. Dependendo do sistema, a razo distribuio pode ser uma funo da temperatura, da concentrao de espcies qumicas no sistema, e um grande nmero de outros parmetros.

Na extrao por solvente, dois lquidos imiscveis so agitados juntos. Os solutos mais polares dissolvem-se preferencialmente no solvente mais polar, e os solutos menos polares



no solvente menos. Por exemplo, os halognios, preferencialmente apolares dissolvem-se no leo mineral apolar.

O isolamento de compostos em estado puro a partir de fontes naturais (como por exemplo, a partir de leos essenciais) um processo industrial e laboratorialmente importante, no entanto, pode ser difcil e demorado de ser realizado por extrao de solventes, que normalmente envolve o uso de dois solventes imiscveis em um vaso de decantao. Neste mtodo, os compostos esto distribudos em dois solventes de acordo com seus coeficientes de partio diferentes e a lei da partio de Nernst pode no ser aplicvel. Estudos muito completos sobre coeficientes de partio de pares de solventes so realizados, como por exemplo, do octanol e gua.

Fatores de separao O fator de separao uma razo de distribuio dividida por outra; a medida da

habilidade do sistema em separar dois solutos. Por exemplo, se a razo de distribuio para nquel (DNi) 10 e a razo de distribuio para prata (DAg) 100, ento o fator de separao prata/nquel (SFAg/Ni) igual a DAg/DNi = SFAg/Ni = 10.

Fator de descontaminao Este fator usado para expressar a habilidade de um processo em remover

um contaminante de um produto. Por exemplo, se um processo alimentado com uma mistura de 1:9 cdmio para ndio, e o produto uma mistura 1:99 de cdmio e ndio, ento o fator de descontaminao (para a remoo de cdmio) do processo 0.1 / 0.01 = 10.

Coeficiente angular de grficos A maneira mais fcil de trabalhar o mecanismo de extrao traando grficos e medindo

as inclinaes, os coeficientes angulares. Se, para um sistema de extrao o valor D proporcional ao quadrado da concentrao de um reagente (Z), a inclinao do grfico de log10(D) contra log10([[Z]]) ser dois.

Extraes em batelada de nico estgio Isto comumente usado em pequena escala em laboratrios de qumica. normal usar

um funil de separao. Por exemplo, se um qumico quer extrair anisol a partir de um mistura de gua e 5% de cido actico usando ter, ento o anisol entrar na fase orgnica. As duas fases, ento, sero separadas. O cido actico pode ser limpo (removido) da fase orgnica por agitao do extrato orgnico com bicarbonato de sdio. O cido actico reage com o bicarbonato de sdio para formar acetato de sdio, dixido de carbono e gua.



Processos contnuos contracorrente multiestgios Estes so comumente usados na indstria para o processamento de metais tais como

alantandeos; porque os fatores de separao entre os lantandeos so pequenos que muitas etapas de extrao so necessrias. Nos processos de mltiplos estgios, o extrato aquosorafinado de uma unidade de extrao alimentado para a prxima unidade como alimentao aquosa, enquanto a fase orgnica movido na direo oposta. Assim, desta forma, mesmo se a separao entre dois metais em cada fase pequena, todo o sistema pode ter um maior fator de descontaminao.

Matrizes contracorrente multiestgios tem sido usadas para a separao de lantandeos. Para o projeto de um bom processo, a razo de distribuio no deve ser demasiado elevada (> 100) ou muito baixa (< 0,1) na parte do processo de extrao. freqente o caso que o processo ter uma seo para remover metais indesejados da fase orgnica e, finalmente, uma seo de purga (stripping) para obter o metal de volta da fase orgnica.

Centrfugas de contatos multiestgios Podbielniak produzem trs a cinco estgios de extrao terica em um nico passe contracorrente, e so utilizados em instalaes de produo baseadas em fermentao de frmacos e aditivos alimentares.

Extrao sem alterao qumica Alguns solutos como gases nobres podem ser extrados de uma fase para outra sem a

necessidade de uma reao qumica. Este o tipo mais simples de extrao de solvente. Quando o solvente extrado, dois lquidos imiscveis so agitados juntos. Os solutos mais polares dissolvem preferencialmente na mais solvente polar, e os solutos apolares no solvente menos polar. Alguns solutos que no parece sofrer uma reao durante o processo de extrao primeira vista no tm razo de distribuio que seja independente da concentrao. Um exemplo clssico a extrao de cidos carboxlicos (HA) em meios apolares tais como benzeno. Aqui, freqentemente o caso que o cido carboxlico ir formar um dmero na fase orgnica para que o razo de distribuio ir mudar em funo da concentrao do cido (medido em cada fase).

Mecanismo de solvatao Usando a extrao de solvente, possvel extrair urnio, plutnio ou trio de solues

cidas. Um solvente utilizado para esta finalidade a organofosforado fosfato de tri-n-butil (TBP, do ingls tri-n-butyl phosphate). O processo PUREX comumente usado em reprocessamento nuclear, usa uma mistura de fosfato de tri-n-butil e um hidrocarboneto inerte (querosene), o urnio extrado de cido ntrico forte e extrado no retorno (stripped), utilizando cido ntrico fraco. Um complexo orgnico solvel de urnio [UO2(TBP)2(NO3)2] formado, em seguida, a camada orgnica contendo o urnio colocada em contato com uma soluo diluda de cido ntrico, o



equilbrio deslocado distanciando-se do complexo orgnico solvel de urnio e para o TBP livre e nitrato de uranilo em cido ntrico diludo. O plutnio forma um complexo semelhante ao do urnio, mas possvel retirar o plutnio de mais de uma maneira, um agente redutor que converte o plutnio ao estado de oxidao trivalente pode ser adicionado. Este estado de oxidao no forma um complexo estvel com TBP e nitratoa menos que a concentrao de nitrato muito elevada (cerca de 10 mol/L de nitrato necessrio na fase aquosa). Outro mtodo simplesmente usar soluo de cido ntrico como agente de coleta para o plutnio. Esta qumica um exemplo clssico de uma extrao por solvatao.

Mecanismo de troca de ons Outro mecanismo de extrao conhecido como o mecanismo de troca inica. Aqui,

quando um on transferido da fase aquosa para a fase orgnica, outro on transferido na direo dos outros para manter o equilbrio de carga. Este on adicional muitas vezes um on de hidrognio; para mecanismos de troca inica, a razo de distribuio muitas vezes uma funo do pH. Um exemplo de uma extrao de troca inica seria a extrao de amercio por uma combinao de terpiridina e um cido carboxlico em tert-butil benzeno.

Outro exemplo a extrao de zinco, cdmio ou chumbo por um cido dialquil fosfnico (R2PO2H) em um diluente no polar tal como umalcano. Um diluente no polar favorece a formao complexos metlicos no polares sem carga.

Alguns sistemas de extrao so capazes de extrair metais tanto por hidratao e mecanismos de troca inica, um exemplo de tal sistema a extrao de amercio (e lantandeos) do cido ntrico por uma combinao de 6,6'-bis-(5,6-dipentil-1,2,4-triazin-3-il)-2,2'-bipiridina e cido 2-bromohexanico em tert-butil benzeno. Tanto em alta quanto baixa concentrao de cido ntrico, a razo de distribuio de metal maior do que para uma concentrao de cido ntrico intermediria.

Extrao em duas fases aquosas Usando um sistema bifsico aquoso, possvel gerar duas fases aquosas imiscveis. Estas

pode ento ser usada para extrair protenas, que se desnaturam expostos a solventes orgnicos. Uma soluo orgnica MTBE extrada com soluo aquosa de bicarbonato de sdio. Esta

base remove cido benzico como benzoato mas deixa benzil (lquido amarelo) no-cido para trs na fase orgnica superior.

Indstria



Apesar de extrao com solventes ser geralmente feita em pequena escala por qumicos em laboratrios em snteses usando um funil de separao, normalmente feita em escala industrial com equipamentos que colocam as duas fases lquidas em contato uma com a outra. Tais equipamentos incluem contatores centrfugos, extratores de camada fina, colunas spray, colunas pulsadas, colunas empacotadas e misturadores-decantadores.

Estudos apontam que existem mais de 25 diferentes tipos de extratores de uso industrial. As colunas de extrao so mais apropriadas no tratamento de sistemas que requeiram um elevado nmero de estgios avaliados teoricamente, assim como no processamento de grandes vazes de soluo, devido a apresentarem menor requisio em relao rea de contato entre as fases em comparao aos misturadores-decantadores. De um modo geral, os equipamentos de maior importncia industrial em extrao lquido-lquido podem ser classificados em duas categorias principais: extratores em estgios e extratores diferenciais.

Extratores em estgios Estes extratores so constitudos por uma srie de compartimentos constitudos por

misturadores-decantadores onde as fases so mantidas em contato at o equilbrio, ou na aproximao do equilbrio, seguindo-se a separao e o envio aos estgios posteriores. Estes extratores normalmente apresentam alta eficincia em cada um dos estgios, o que torna mais simples a ampliao da escala de produo com estes equipamentos. Mas como as fases devem sofrer separao aps um determinado tempo de contato, os compartimentos de decantao devem ser relativamente grandes.

Extratores diferenciais Estes extratores so mais compactos e geralmente ocupam menos espao nas instalaes

industriais, em comparao aos extratores em estgios. Nestes equipamentos, o fluxo em contracorrente processado em funo da diferena de densidade entre as correntes fluidas. Esta categoria de extratores pode ser dividida em trs principais classes:

extratores que operam apenas pela ao da gravidade, extratores agitados mecanicamente, e extratores agitados por pulsao.

As colunas de fluxo pulsado, ou colunas pulsadas e de pratos recprocos apresentam dois regimes distintos de operao: mistura-decantao e emulso. A operao em regime de emulso mais adequada em operaes com transferncia de massa, pois gotas menores so obtidas.



14.3 Extrao slido-lquido

Quando preparamos um ch, um caf, ou mesmo um chimarro, estamos fazendo uma extrao slido-lquido. Nestes casos, componentes que estavam na fase slida (no p de caf ou nas ervas) passam para a fase lquida (gua). Em todos os exemplos, a extrao descontnua; isto possvel porque a solubilidade dos componentes extrados em gua grande. Porm, nos casos onde a solubilidade do soluto pequena, ou quando quisermos maximizar a extrao do soluto, utiliza-se a tcnica da extrao contnua.

A adsoro a adeso de molculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfcie slida (o adsorvente); o grau de adsoro depende da temperatura, da presso e da rea da superfcie - os slidos porosos como o carvo so timos adsorventes. As foras que atraem o adsorvato podem ser qumicas ou fsicas. Um exemplo desta operao a eliminao do odor de geladeira com o uso de carvo ativado (o odor se fixa nas superfcies livres nos poros do carvo).

A Absoro a fixao de um gs por um slido ou um lquido, ou a fixao de um lquido por um slido. A substncia absorvida se infiltra na substncia que absorve. Esta operao est limitada as restries termodinmicas assim como a destilao, portanto o conhecimento em termodinmica imprescindvel para se projetar ou operar uma coluna de Absoro. Esta operao utilizada para purificao de gases e para recuperao de solutos.

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