Obtenção de extrato concentrado de cafeína a partir de erva-mate via adsorção-dessorção em carvão ativado

Abstract

Resumo: A erva-mate (Ilex paraguariensis) é uma planta amplamente difundida no Brasil e América Latina e as formas de comercialização da erva-mate mais convencionais são chimarrão, tereré, chás e extratos. A erva-mate é reconheciada como fonte de compostos bioativos, dentre eles, cafeína, teobromina, saponinas, ácidos clorogênico e cafeico, rutina, e catequinas. Indústrias de extrato vegetais utilizam a erva-mate como fonte destes compostos, notoriamente a cafeína. Embora os processos de extração destes compostos sejam bem estabelecidos, questões quanto aos processos de concentração destes extratos e os custos energéticos associados são desafios destas industrias. Neste contexto, a tecnologia de adsorção tem sido explorada para a concentração de compostos de valor agregado, oferecendo soluções industriais economicamente viáveis. Esse trabalho avaliou o emprego de carvão ativado obtido a partir do resíduo da erva-mate para a concentração de soluções aquosas de cafeína (solução modelo) e de extrato aquoso de erva-mate (solução real) por meio de processo combinado de adsorção-dessorção. A etapa de adsorção foi empregada para retenção dos bioativos mediante interação deste com o adsovente, enquanto a dessorção foi empregada para a migração destes bioativos para nova fase líquida, reduzindo o montante de solvente inicial, em comparação ao extrato inicial. Por fim, foi realizada uma simulação para avaliar o consumo de energia para a obtenção de 1 kg de cafeína seca concentrada. O carvão ativado foi caracterizado de acordo com as análises de área superficial, microscopia eletrônica, FTIR, DRX, distribuição granulométrica, análise termogravimétrica e composição elementar. Os estudos cinéticos (em batelada) e de equilibrio (isoterma) de adsorção da cafeína da solução modelo foram realizados nas temperaturas de 20 °C a 50 °C, sendo avaliados os modelos clássicos de cinética em batelada e de isoterma. O modelo cinético e de isoterma que melhor descreveram o comportamento cinético e de equilibrio da adsorção da solução modelo foram os de pseudo-segunda ordem e Freundlich, respectivamente. O estudo de dessorção para recuperação de cafeína adsorvida no carvão ativado indicou o emprego de solução hidroalcoólica (50%), resultando em uma concentração de cafeína de 3,4 vezes. A cinética de adsorção da solução real foi avaliada a 20 °C, e o modelo cinético com melhor ajuste foi o Elovich. Na etapa de dessorção, a partir do uso de soluções hidroalcóolica (50%) e hidroalcoólica (50%) acidificada, foi posível obter soluções com teores de cafeína concentrados de 1,9 e 2,3 vezes em relação ao teor presente na solução modelo original. Outros compostos presentes no extrato de erva-mate foram quantificados através de análise de cromatografia líquida de alta eficiência, não sendo concentrados de forma significativa. Quanto a estimativa do gasto energético para obtenção de cafeina concentrada, a adoção de uma etapa de pré-concentração via adsorção/dessorção utilizando solvente hidroalcoólico (50 - 80 vol.%) resultou em uma economia de energia da ordem 433 a 496 GJ kg-1 de cafeína seco produzida. Os resultados indicam que as técnicas de adsorção-dessorção de cafeína usando carvão ativado de ervamate é eficaz para concentrar o soluto, e poderia ser empregada em indústrias de concentração de cafeína

Abstract: Yerba mate (Ilex paraguariensis) is a widespread plant in Brazil and Latin America and the most conventional forms of marketing yerba mate are chimarrao, tereré, teas and extracts. Yerba mate is recognized as a source of bioactive compounds, including caffeine, theobromine, saponins, chlorogenic and caffeic acids, rutin, and catechins. Plant extract industries use yerba mate as a source of these compounds, particularly caffeine. Although the processes for extracting these compounds are well-established, questions about the processes for concentrating these extracts and the associated energy costs are challenges for these industries. In this context, adsorption technology has been explored for the concentration of valueadded compounds, offering economically viable industrial solutions. This work evaluated the use of activated carbon obtained from yerba mate waste to concentrate aqueous solutions of caffeine (model solution) and aqueous extract of yerba mate (real solution) using a combined adsorption-desorption process. The adsorption stage was used to retain the bioactives through their interaction with the adsorbent, while desorption was used to migrate these bioactives to a new liquid phase, reducing the amount of initial solvent compared to the initial extract. Finally, a simulation was carried out to assess the energy consumption required to obtain 1 kg of concentrated dry caffeine. The activated carbon was characterized according to surface area analysis, electron microscopy, FTIR, XRD, particle size distribution, thermogravimetric analysis and elemental composition. The kinetic (batch) and equilibrium (isotherm) studies of caffeine adsorption from the model solution were carried out at temperatures between 20 °C and 50 °C, and the classic batch kinetic and isotherm models were evaluated. The kinetic and isotherm models that best described the kinetic and equilibrium behavior of the adsorption of the model solution were pseudo-second order and Freundlich, respectively. The desorption study for the recovery of caffeine adsorbed on activated carbon indicated the use of a hydroalcoholic solution (50%), resulting in a caffeine concentration of 3.4 times. The adsorption kinetics of the real solution was evaluated at 20 °C, and the kinetic model with the best fit was the Elovich model. In the desorption stage, using acidified hydroalcoholic (50%) and hydroalcoholic (50%) solutions, it was possible to obtain solutions with concentrated caffeine contents of 1.9 and 2.3 times the content present in the original model solution. Other compounds present in the yerba mate extract were quantified using high-performance liquid chromatography analysis and were not significantly concentrated. In terms of estimating the energy cost of obtaining concentrated caffeine, the adoption of a preconcentration stage via adsorption/desorption using hydroalcoholic solvent (50 - 80 vol.%) resulted in energy savings of between 433 and 496 GJ kg-1 of dry caffeine produced. The results indicate that caffeine adsorption-desorption techniques using yerba mate activated carbon are effective for concentrating the solute and could be employed in caffeine concentration industries