EXTRAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDOParte I

TA – 831: Operações Unitárias III

Prof. Dr. Antonio José de Almeida Meirelles

EXTRAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO

Definição:

Operação unitária de transferência de massa que emprega um solvente líquido para dissolver (extrair)

preferencialmente um ou mais solutos de uma mistura sólida.

Outros nomes:

Lixiviação – extração com solvente normalmente aplicada na obtenção de álcali de cinzas de madeira.

Decocção – denominação usada quando o solvente esta no ponto de ebulição.

Eluição – quando os sólidos solúveis estão na superfície de uma matriz sólida insolúvel; trata-se de um processoque é semelhante a uma lavagem de soluto superficial.

Observação:

A extração a frio exclusivamente por prensagem étambém denominada extração, mas não é operação de extração sólido - líquido a ser discutida neste tópico, pois não envolve o uso de solvente.

Variante moderna da extração sólido – líquido:

Extração com fluidos supercríticos ou gases liquefeitos( CO2 supercrítico ou liquefeito)

Exemplos de aplicação da extração sólido – líquido:

� Café e Chá� Óleos vegetais� Óleos essenciais e outros produtos naturais (corantes, princípios ativos, etc)� Açúcar

Aplicação em outras indústrias:

� Extração de minérios� Processamento de alguns metais� Produtos farmacêuticos

Preparação do sólido:

O êxito da extração sólido – líquido depende em grande parte do tratamento prévio dado ao sólido. No caso de tecidos vegetais ou animais, normalmente o material équebrado e/ou cortado, de forma a aumentar a área de contato e facilitar o acesso do solvente ao soluto de

interesse.

Exemplos específicos:

� Grãos de café, usados para extração de extrato: quebrados em moinho de martelos em 4 a 5 pedaços

� Beterraba açucareira (Europa): cortadas em fatias finas, mas paredes celulares são mantidas em grande parte intactas para evitar a extração de materiais indesejáveis.

� Cana : na extração por difusão a cana é picada em moinho de facas e desfibrada em moinho de martelos. A cana para moenda também é picada e desfibrada, obtendo-se de 80 a 90 % de células abertas ( open cell).

� Sementes oleaginosas: quebradas em moinhos e depois laminadas em partículas de 0,15 a 0,5 mm. Grãos de soja são quebrados em 4 partes, os finos e as casca são separados por aspiração. Os pedaços dosgrãos são aquecidos em cozedores até 60 o C e laminados em flocos de 0,2 mm. Este último material já pode ser usado na extração, mas a extração pode ser melhorada com injeção de vapor para transformar os flocos em pellets esponjosos.

� Tecidos vegetais, usados para extração de princípios ativos, corantes ou óleos essenciais : são muitas vezes previamente secados, o que pode em parte alterar e/ou romper parcialmente a estrutura celular, facilitando asaída do soluto.

Extratores

Sistema Shanks: utilizado na extração de café(nome atual: leito móvel simulado)

sólido novo

escoamento do líquido

solução concentrada

descarga de sólido

Alimentação com vapor/água

Alimentação com grão de café torrado e quebrado

Coluna 1

80oC 0,51bar

Fresca

Coluna 2

85oC 0,62bar

Coluna 3

90oC 0,75bar

Coluna 4

147,5oC 4,37bar

Coluna 5

157oC 5,69bar

Exaurida

Coluna Reserva

Sistema Shanks: utilizado na extração de café(nome atual: leito móvel simulado)

5 4 3 2 1

• 6 torres fixas empacotadas com grãos de café quebrados• torres de 6 a 8 m de altura e 50 a 60 cm de diâmetro

• Solvente / operação:

Possibilidade 1:

Colunas próximas à alimentação do solvente (colunas exauridas) operam a maior pressão e temperatura com oobjetivo de obter extrato mais concentrado (25 %, sendo20 % de sólidos solúveis do café e 5 % proveniente da hidrólise de celulose, amido, etc, presentes no grão), e asoutras com pressão e temperaturas bem menores.

Possibilidade 2:

Água ou extratos intermediários sobre pressão maior que 1 atm e ponto de ebulição de 110 a 115 oC.

• tempo de residência total no processo = 120 a 40 minutos

• tempo de residência em cada estágio = 24 a 8 minutos

Extrator Rotocel

Extrator Kennedy

Extrator Bollman

Extrator contínuo horizontal

Extrator Bonotto

Moenda

Moendas com 6 ternos, de capacidade em torno de 12.000 ton. cana/dia, podem recuperar 93 a 94 % do açúcar presente na matéria prima.

Difusor

Difusor com 16 estágios pode recuperar 98 % ou mais do açúcar.

Nomenclaturaa = sólidos insolúveis, fibras ou inertes b = solventec = sólidos solúveis ou soluto

x = fração mássica no refinadoy = fração mássica no extrato

Solvente(b)Alimentação

(a + c)

• alimentação: fibras (a) + sólidos solúveis (c)

• refinado : fibras (a) + solução aderida (b + c)

• extrato : normalmente isento de fibras, composto por (b + c)

Refinado(a + b + c)

Extrato(b + c)

Fx cf , x af

Sy bs

Rx ar, x br, x cr

Ey ce, y be

Produtos naturais, mesmo secos, costumam ter quantidade residual de água; na extração por solvente aquoso este teor residual deve ser considerado

• Retenção (R*) → quantidade de solução aderida por massa de fibra

fibrasdekgaderidasoluçãokg

R* =

1RR

xxe1R

1x

xx1

xxx

R

*

*

crbr*ar

ar

ar

ar

crbr*

+=+

+=

−=+=

1o Possibilidade

• retenção constante : a proporção de solução aderida independe da concentração da solução ( as equações acima valem para todos os estágios do equipamento)

cearcrcecrar

crcr y)x1(xy'xse

x1

x'x −=�=

−=

• solução aderida em base livre de fibras tem a mesma composição da solução extrato (não há adsorção preferencial)

x’ cr = y ce e x’br = y be onde

Então

x’ significa concentração embase livre de fibras

A solução do problema pode ser analítica ou gráfica

2 o Possibilidade

• retenção não é constante e/ou há adsorção preferencial: énecessário conhecer ou determinar a linha de saída dos refinados (linha de descarga inferior) e as linhas de amarração para cada estágio de equilíbrio.

melhor utilizar solução gráfica