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