| Summary: | Orientador : Prof. Dr. Éverton Fernando Zanoelo === Coorientador : Prof. Dr. Fernando Augusto Pedersen Voll === Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa: Curitiba, 20/05/2016 === Inclui referências : f. 77-82 === Resumo: Este trabalho teve como objetivo o estudo do equilibrio e do mecanismo de transferencia de soluto em processo de extracao de soluveis da erva-mate por compressao ciclica. Para a primeira etapa, isto e, o estudo do equilibrio solido-liquido, foram obtidos dados experimentais para o sistema agua + soluveis + insoluveis de folhas secas de erva-mate em leito empacotado, a 17 ‹C, 32 ‹C e 47 ‹C. Tais dados foram obtidos a partir de experimentos de cinetica nas mesmas temperaturas descritas, em razoes solido:solvente de 1,5:30, 3:30, 4,5:30 e 6:30. O procedimento de extracao foi conduzido em um extrator em batelada sob uma frequencia de pressurizacao de 1:600 ciclos por segundo (ciclos de 300 s a 182,8 kPa e 300 s a 91,2 kPa) por um tempo de 25200 s. A fracao massica de equilibrio de soluto na fase liquida foi determinada ajustando-se os parametros de um modelo empirico de primeira ordem aos conjunto de dados cineticos de soluto na fase liquida. A fracao massica de equilibrio de soluto na fase solida foi calculada por um balanco de massa para os soluveis de erva-mate, baseado na quantidade de soluto e de inerte inicialmente presente no solido. A massa de solvente retido por massa de inerte foi determinada experimentalmente por drenagem sob gravidade, resultando em um valor constante de aproximadamente 4,2. Os diagramas de equilibrio construidos a partir destes dados evidenciam a influencia (p>0,05) da razao solido:solvente e da temperatura nas fracoes massicas de equilibrio. Os diagramas de equilibrio tambem revelaram a diferenca de distribuicao de soluto entre extrato e lama, causada pela adsorcao do soluto pela fase solida. Para a segunda etapa, isto e, o estudo do mecanismo de transferencia de soluto quando a extracao e assistida por pressurizacao ciclica, foram executados 7 experimentos de extracao em diversas condicoes de agitacao e pressurizacao. Os solutos totais sempre foram removidos de folhas de erva-mate trituradas dispersas em agua a 32 ‹C, em razao solido:solvente 0,75:30, por 3600 s. Foram realizadas cinco operacoes de extracao sob pressurizacao ciclica e velocidades de agitacao (S) de 0, 150, 500, 1500 e 2000 rpm, e outras duas operacoes a pressao constante (182,8 kPa), com S a 1500 e 2000 rpm. Baseado em sete pares de parametros de um modelo cinetico de segunda ordem de alta confiabilidade (R2>0,967), ha uma alta probabilidade (p>0,05) que a pressurizacao ciclica nao tenha efeito no equilibrio e na cinetica de extracao quando a resistencia conectiva externa e desprezivel (S.500 rpm). Na velocidade de agitacao na faixa de 500 a 2000 rpm, a operacao foi controlada exclusivamente pela difusao interna (Bi>1,7x103). Abaixo de 500 rpm, no entanto, a transferencia de soluto foi governada por uma combinacao de difusao e conveccao, com a resistencia externa a transferencia de massa como funcao de S (16.Bi.28). Em ambos os casos, um modelo de difusao bidimensional transiente foi capaz de descrever corretamente as alteracoes de concentracao de soluto com o tempo.
Palavras-chave: Erva-mate, extracao solido-liquido, pressurizacao ciclica, dados de equilibrio, modelo cinetico, transporte de massa. === Abstract: The aim of this work was to study the equilibrium and the mechanism of solute transfer in the extraction of mate soluble matter assisted by cyclic compression. For the first step, i.e., the study of solid-liquid equilibrium, experimental data for a three-component mixture of water, insoluble and soluble matter from dry leaves of mate in a packed bed at 17 °C, 32 °C and 47 °C was obtained. Such data was obtained from kinetic experiments at the described temperatures and solid to solvent mass ratios of 1.5:30, 3:30, 4.5:30 and 6:30. The extraction procedure was carried out in an isothermal batch extractor under a frequency of pressurization of 1:600 cycles per second (300 s at 91.4 kPa + 300 s at 182.8 or 365.6 kPa per cycle) for 25,200 s. The equilibrium mass fractions in the leached solution were fit on a large set of kinetic data of solute in the liquid phase by involving a first-order extraction model. The equilibrium mass fractions of solute in the slurry were calculated by a mass balance for the mate solubles based on the known composition of the starting solid in terms of total solute and inert. A constant mass ratio of retained solvent to inert close to 4.2 was experimentally obtained by draining under gravity the bed of solids taken to leaching. The equilibrium diagrams built from these data revealed the significant influences of solid to solvent ratio and leaching temperature on solute equilibrium concentrations at a high probability level (p>0.05). The equilibrium diagrams also evidenced that solute is adsorbed by the insoluble solid, which means that solute distributes unevenly between the liquid and solid phases at equilibrium. For the second step, i.e., to understand the mechanism of solute transfer when extraction is assisted by cyclic pressurization, a set of 7 kinetic extraction experiments at several conditions of stirring and pressurization was carried out. Total solutes were always removed from comminuted dry leaves of mate dispersed in water at 32 °C, at a solid to solvent mass ratios of 0.75:30, for 3600 s. Five extraction runs were under cyclic pressurization and stirring speeds (S) of 0, 150, 500, 1500 and 2000 rpm, while the two other ones were at constant pressure (182.8 kPa) and S close to 1500 and 2000 rpm. Based on seven pairs of parameters of a reliable second-order kinetic model (R²>0.967), there is a high probability (p-value>0.05) that cyclic pressurization has no effect on equilibrium and kinetics of extraction when the role of external convection on solute transfer is negligible (i.e.; S>500 rpm). In the stirring speed range from 500 to 2000 rpm the operation was exclusively controlled by internal diffusion (Bi>1.7x10³). However, below 500 rpm solute transfer was governed by a combination of diffusion and convection with the external resistance to mass transfer as a function of S (16?Bi?28). In both cases a transient two-dimensional diffusion model was able to describe correctly the changes of solute concentration with time. Keywords: Mate, leaching, cyclic pressurization, equilibrium data, kinetic model, mass transport.
|
|---|
