Estudo da influência de misturas entre etanol e isopropanol na transferência de massa na extração de óleo de soja

Abstract

Resumo: A extração de óleos vegetais com solvente hexano é o método mais utilizado pelas indústrias, por conta de sua eficiência e do alto rendimento de óleo obtido. Várias pesquisas têm surgido para substituir a extração com hexano por um solvente ou um método que tenha viabilidade técnica, econômica e seja "eco-friendly". Dentre os solventes estudados, o etanol possui grande potencial devido ser oriundo de fontes renováveis, atóxico e por ter um baixo custo no país. No entanto, devido ao óleo de soja possuir uma solubilidade muito menor no etanol ficou evidenciado que estudar misturas entre isopropanol e etanol poderia ser uma boa alternativa técnica e econômica, já que o isopropanol, apesar de ter um custo um pouco maior, é totalmente miscível no óleo de soja em temperaturas relativamente baixas. Uma forma de avaliar a viabilidade do processo de extração é por meio dos coeficientes de transferência de massa. Apesar de alguns estudos apresentaram o etanol e isopropanol na extração de óleos vegetais, há poucos dados dos parâmetros de transferência de massa para os solventes, devido a maioria dos trabalhos apresentarem um foco mais termodinâmico do que cinético. Nesse contexto, uma análise experimental e numérica foi utilizada para investigar a influência da temperatura e composição de solventes na transferência de massa do processo de extração de óleo de soja em leito fixo, usando misturas com diferentes razões mássicas de isopropanol e etanol. Um algoritmo baseado em volumes finitos foi implementado num software aberto para resolver um modelo de múltiplas escalas, permitindo calcular a concentração de óleo através do comprimento da coluna e do raio das partículas. Os valores dos rendimentos da extração obtidos experimentalmente foram utilizados para estimar o coeficiente de transferência de massa e a difusividade efetiva, por meio de um algoritmo de otimização. Correlações para ambos os parâmetros foram obtidas e ajustadas para uma equação geral não linear, onde a composição do solvente foi utilizada como variável independente, com resultados melhores do que as correlações clássicas baseadas na análise adimensional. O número de Biot (????) foi avaliado para todas as temperaturas. Em frações mais altas de isopropanol, foram obtidos valores de ???? mais altos, indicando que neste caso a transferência de massa é limitada pela difusão interna. Quando altas frações de etanol são usadas, a resistência externa é a mais significativa. Os resultados dos perfis de concentração indicaram que o uso do isopropanol é mais vantajoso para extrações mais rápidas, quando o rendimento final desejado é relativamente pequeno. Para extrações com rendimentos mais altos, o etanol tem uma tendência de remover mais óleo da matriz sólida. O mesmo pode ser visto com os resultados da relação entre a influência da composição da mistura e o custo do solvente no processo de extração. Valores de rendimentos até 70% ou menos, as frações com maiores teores de isopropanol apresentaram menores custos. Já para rendimentos maiores de 70%, o etanol mostrou-se mais apropriado. Em relação as temperaturas, em geral, o custo do solvente diminui significativamente para temperaturas mais altas, podendo compensar os gastos energéticos para aquecimento da matriz e solvente. Palavras-Chave: Leito fixo. Etanol. Isopropanol. Transferência de massa. Soja.

Abstract: Extraction of vegetable oils with hexane as a solvent is the most used method by industries, due to its efficiency and the high oil yield obtained. Several researches emerged to replace hexane extraction with a solvent or method that is technically feasible, cost-effective and "eco-friendly". Among the solvents studied, ethanol has great potential because it comes from renewable sources, is non-toxic and is low-priced in Brazil. However, because soybean oil has low solubility in ethanol, it has been shown that studying mixtures between isopropanol and ethanol could be a good technical and budgetary alternative, since isopropanol, despite having a slightly higher cost, is completely miscible in soybean oil at relatively low temperatures. One way to evaluate the feasibility of the extraction process is through mass transfer coefficients. Although some studies have tested ethanol and isopropanol in the extraction of vegetable oils, there are few data on these solvents' mass transfer parameters, due to the fact that most of the studies present a more thermodynamic approach than a kinetic one. In this context, an experimental and numerical analysis was used to investigate both temperature and solvent composition influences on the mass transfer of a fixed bed soybean oil extraction process, using mixtures with different isopropanol and ethanol mass ratios. An algorithm based on the finite volumes method was implemented in an open software to solve a multiscale model, enabling the calculation of oil concentration through both the column length and particle radius. The extraction yields obtained experimentally were used to estimate the mass transfer coefficient and the effective diffusivity, using an optimization algorithm. Correlations for both parameters were obtained and fitted to a general non-linear equation, where the solvent composition was used as an independent variable, with better results than the classical correlations based on non-dimensional analysis. The Biot number (????) was evaluated for all temperatures. In higher isopropanol fractions, higher ???? values were achieved, indicating that in this case the mass transfer is limited by internal diffusion. When higher fractions of ethanol were used, the external resistance was the most significant. Concentration results profiles indicated that the use of isopropanol is more advantageous for faster extraction when the desired final yield is relatively small. For higher yield extractions, ethanol had the tendency to remove more oil from the solid matrix. The same could be observed with the results comparing the relationship between the influence of mixture composition and solvent cost in the extraction process. For yields up to 70%, higher isopropanol contents presented lower costs. For yields higher than 70%, ethanol proved to be more appropriate. In relation to temperatures, in general, the solvent cost decreases significantly for higher temperatures, being able to atone for the additional energy costs due to matrix and solvent heating. Keywords: Fixed bed. Ethanol. Isopropanol. Mass transfer. Soybean.