Orientador: Julian Martínez

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: Este projeto utilizou a tecnologia supercrítica no processo de extração, usando o dióxido de carbono como solvente. Esta tecnologia apresenta-se como uma alternativa para processos que usam solventes orgânicos tóxicos, além de respeitar os princípios da química verde, pautada nos conceitos...

Resumo: Este projeto utilizou a tecnologia supercrítica no processo de extração, usando o dióxido de carbono como solvente. Esta tecnologia apresenta-se como uma alternativa para processos que usam solventes orgânicos tóxicos, além de respeitar os princípios da química verde, pautada nos conceitos de desenvolvimento sustentável. Com o objetivo de compreender melhor todos os mecanismos fenomenológicos envolvidos neste processo, bem como poder controlá-los visando à sua otimização, a modelagem matemática é uma opção bastante atrativa. As substâncias capsaicinoides, presente em grandes quantidades em várias espécies de pimenta, responsáveis pela sensação pungente e que, no entanto, possuem comprovadas ações benéficas ao organismo, foram definidas como substâncias alvo. Desta forma, para os estudos dos fenômenos de transferência de massa, três espécies de pimentas, Capsicum frutescens, Capsicum chinense, Capsicum boccatum, foram analisadas quanto aos seus teores de capsaicinoides. A espécie Capsicum frutescens apresentou o maior concentração destas substâncias e foi escolhida como a matéria-prima para etapas posteriores. Um planejamento experimental de extração supercrítica desta espécie de pimenta foi realizado variando a pressão e a temperatura. A partir destas extrações foi observado que a condição de extração de 15MPa e 313 K apresentou a melhor combinação entre rendimento e concentração de capsaicina. Cinéticas de extração realizadas nesta condição, porém variando a vazão de solvente, o diâmetro de partícula e o volume de extração, foram estudadas. Maiores taxas de extração foram obtidas nas maiores vazões e nos menores diâmetros de partícula e volume de leito de extração devido à maior importância do fenômeno convectivo. O modelo de partículas intactas e rompidas de Sovová (1994) foi usado para ajustar os dados experimentais das curvas e obter os parâmetros do modelo. Três tipos de modelagem foram realizadas: ajuste de cada curva individualmente; ajuste simultâneo gerando um conjunto de parâmetros para os pares das duplicatas; ajuste múltiplo que ajustou um valor único do parâmetro XK para cada conjunto de curvas com o mesmo diâmetro de partícula. Com os ajustes foi possível calcular o coeficiente convectivo de transferência de massa de cada condição e o respectivo valor do número de Sherwood experimental. Com os dados experimentais de cada condição foram calculados os números adimensionais de Reynolds e Schimdt. Com estes novos conjuntos de dados de números adimensionais foram realizadas novas modelagens matemáticas e, através destas, propostas novas correlações. Estas novas equações foram baseadas tanto na existência única da convecção forçada quanto na existência, mesmo que pouco significativa, da convecção natural. A eficácia destes novos modelos foi avaliada com a comparação dos coeficientes de transferência de massa convectivos calculados com aqueles ajustados das curvas experimentais, apresentando, em geral, boa similaridade. Por fim, uma extração em escala piloto realizada deu indícios, através dos resultados calculados das novas correlações, que a convecção natural nestas escalas não pode ser desprezada

Abstract: This workt used the supercritical technology in the process of extraction, using carbon dioxide as solvent. This technology is based on concepts of sustainable development and respects the principals of green chemistry. It appears as an alternative to processes that use toxic organic...

Abstract: This workt used the supercritical technology in the process of extraction, using carbon dioxide as solvent. This technology is based on concepts of sustainable development and respects the principals of green chemistry. It appears as an alternative to processes that use toxic organic solvents. Mathematical modeling is an interesting tool to understand better all phenomenological mechanisms involved in this process and to be able to control and optimize them. Capsaicinoids, which are responsible for the pungent sensation caused by peppers, have well-known beneficial properties for human organism. These substances are present in large quantities in several pepper species. Capsaicinoids were chosen as target substances for the study of mass transfer phenomena. Capsaicinoid contents were analyzed for three pepper species: Capsicum frutescens, Capsicum chinense, Capsicum boccatum. The species Capsicum frutescens showed higher concentration of these substances and was chosen as raw material for further steps. An experimental design of supercritical extraction from this pepper species was carried out varying pressure and temperature. These extractions showed that the extraction condition of 15 MPa and 313 K gave the best combination of yield and capsaicin concentration. Therefore, extraction kinetics was studied under this condition, varying solvent flow rate, particle diameter and extraction bed volume. The highest extraction rates were obtained for high solvent flow rates, low particle diameters and low extraction bed volume. This can be explained by the greater importance of the convective phenomenon under these conditions. The Sovovás model (1994) for intact and broken particles was used to fit experimental data to curves and obtain model parameters. Three types of mathematical modeling were established: (1) fitting of each individual curve, (2) simultaneous fitting creating a set of parameters for pairs of duplicates, (3) multiple fitting that adjsuts a single value for the parameter XK for each set of curves with the same particle diameter. These fits allowed calculating the convective mass transfer coefficient for each condition and the respective values of the experimental Sherwood number. Experimental data was used to calculate dimensionless numbers of Reynolds and Schmidt for of each condition. Other mathematical modelings were performed using these new data sets of dimensionless numbers, which allowed proposing new correlations. These new equations were based on the existence of forced and free convection, even though the importance of the second phenomenon was considered small. The efficiency of these new models was assessed with a comparison of calculated convective mass transfer coefficients to those fitted from experimental curves. A good coherence was found between both. Finally, a pilot scale extraction was performed and the results obtained using the proposed correlations suggested that free convection cannot be neglected at such scales