Extração rápida de compostos solúveis de erva-mate (Ilex paraguariensis) por ciclos de compressão de descompressão hidrostática : experimentos, modelagem e simulação.

Abstract

Resumo: O principal objetivo deste estudo foi investigar a cinética de extração sólido-líquido de matéria solúvel das folhas de Ilex paraguariensis assistido por pressão hidrostática pulsada (1:600) e por ondas de ultrassom (47kHz). Um grande conjunto de experimentos foi realizado envolvendo uma mistura de água destilada e folhas de erva-mate trituradas, alimentados em um extrator e mantidos a cerca de 16,7 ºC ± 2,0 ºC. A influência da pressão sobre as concentrações de soluto no equilíbrio e sobre a velocidade de extração foi examinada no intervalo de pressão 91,4-338,2 kPa, aplicando ou não os ciclos de pressão hidrostática, assim como a sonificação. Para todos os casos, um aumento significativo de tais respostas com impacto positivo direto sobre o rendimento de extração e no tempo de extração foi observado experimentalmente, alterando os fatores investigados (por exemplo, o rendimento de extração foi aumentada de 13 % a 91,4 kPa para cerca de 34 % e o tempo necessário para obter 90 % da máxima eficiência foi reduzida 17000 s em 91,4 kPa para 6000 s por aplicação de pulsos de pressão hidrostática em apenas 338,2 kPa). A aplicação das ondas de ultrassom promoveu um aumento não linear do coeficiente de difusão com o aumento da pressão, em pressões próximas a atmosférica. Porém quanto a pressão tende ao infinito, o mesmo aconteceu com o coeficiente de difusão. Um modelo de difusão transiente bidimensional foi sugerido para reproduzir os resultados experimentais de extração a pressão constante, assistidos ou não por ultrassom, enquanto um modelo híbrido difusivo-convectivo foi sugerido para representar a extração transiente de compostos solúveis das partículas discóides, quanto assistidos por ciclos de pressão, sem ultrassom. A transferência de massa do sólido para a fase líquida quando envolveu extração assistida por ultrassom e por pressão hidrostática pulsada foi descrita pela segunda lei de Fick com um termo para explicar a convecção interna. A clássica lei de Fick descreveu a difusão transiente bidimensional para longos períodos estáticos de transferência de massa a pressão constante, enquanto que os modelos difusivos-convectivos foram capazes de explicar a influência positiva dos pulsos de pressão hidrostática sobre os resultados cinéticos.

Abstract: The main aim of this study was to investigate the kinetics of solid-liquid extraction of soluble matter from leaves of Ilex paraguariensis assisted by pulsed hydrostatic pressure (1:600) and by 47 kHz ultrasonic extraction. A large set of experiments was carried out involving a mixture of distilled water and comminute leaves of mate fed in a batch extractor kept at approximately 16.7 °C ± 2,0 ºC. The influence of pressure on equilibrium solute concentrations and rate of extraction was examined in the pressure range from 91.4 to 338.2 kPa by applying or not hydrostatic pressure cycles, and ultrasound-assisted or ultrasound-not assisted. Whatever the case a significant increase of such responses with direct positive impact on extraction yield and time of extraction was experimentally observed by changing the investigated factor (e.g.; the extraction yield was increased from 13% at 91.4 kPa to approximately 34% and the time to have 90% of the highest efficiency was reduced from 17,000 s at 91.4 kPa to 6000 s by applying hydrostatic pressure pulses at only 338.2 kPa). A non-linear increase of the diffusion coefficient with pressure explained the reduction of extraction time by increasing the pressure. A hybrid diffusive-convective model was suggested to represent the transient extraction of soluble compounds from the discoid particles. The classical Fick's law described the two-dimensional diffusion for the static long periods of mass transfer at constant pressure, while a model dependent on the gamma function computed the fraction of solute periodically extracted by convection from the internal solid microchannels during the rapid pulses of hydrostatic decompression. The mass transfer from the solid to the bulk liquid phase when involving ultrasonic extraction assisted by pulsed hydrostatic pressure was described by the Fick's second law with a term to account for internal convection.