Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e22, 2020

DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40591

Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019

Special Edition

Montagem, testes operacionais e validação de uma unidade laboratorial para extração de compostos de matrizes vegetais utilizando fluidos pressurizados ou supercríticos como solventes

Assembly, operational tests and validation of a laboratory equipment for extraction of compounds from plant matrices using pressurized or supercritical fluids as solvents

Renan de Oliveira Ferreira^I

Estêvão Santos Laureano da Cunha^II

Iuri Prass Bitencourte^III

Jefferson Fagundes da Silva^IV

Jéssica Rocha de Morais^V

Norton Marozo Silveira^VI

Angelico Loreto Teixeira^VII

Marcus Vinícius Tres^VIII

Giovani Leone Zabot^IX

^I    Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^II   Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^III  Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^IV  Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^V   Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^VI  Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^VII Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^VIIILaboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil

^IX   Laboratório de Engenharia de Processos Agroindustriais – LAPE, Universidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - giovani.zabot@ufsm.br

Resumo

As extrações de compostos de matrizes vegetais ainda utilizam métodos tradicionais, deixando resíduos dos solventes nos extratos. Uma alternativa é a utilização de solventes a alta pressão, como CO₂ no estado supercrítico e gás liquefeito de petróleo (GLP) pressurizado. Como objetivo deste trabalho, foi proposta a montagem de uma unidade para extração utilizando CO₂ supercrítico ou GLP pressurizado como solvente. O projeto e a montagem foram divididos em 3 etapas. Na primeira etapa, foi realizado o desenho e foram adquiridas as ferramentas, barras de alumínio para montagem da estrutura, tubulações, válvulas, manômetros, banhos termostatizados, uma bomba para pressurização do solvente, um controlador digital de temperatura, uma manta de aquecimento reatores com filtros. Na segunda etapa, foram realizadas adaptações na estrutura e seus componentes para fins de melhorias. Na terceira etapa, foi realizada a montagem dos componentes. Após a montagem, foram realizados testes operacionais de validação com o objetivo de verificar o funcionamento da unidade e a necessidade de eventuais ajustes. Além disso, foi criado um Procedimento Operacional Padrão para as operações seguintes se manterem padronizadas. Os resultados demonstraram que a unidade é adequada para a extração de compostos bioativos de diferentes matrizes vegetais, fornecendo rendimentos satisfatórios de extrato.

Palavras-chave: Extração; Dióxido de carbono supercrítico; Gás liquefeito de petróleo

Abstract

Extractions of compounds still use traditional methods, leaving solvent residues in the extracts. An alternative is the use of high-pressure solvents such as supercritical CO₂ and pressurized liquefied petroleum gas (LPG). Based on this context, the objective of this work was to assemble an equipment for high-pressure extractions using CO₂ or pressurized LPG as solvent. The project and assembling were divided into 3 steps. In the first step, the equipment was designed. Also, aluminum bars, pipes, valves, pressure gauges, thermostatic baths, a pump for solvent pressurization, a digital temperature controller, a band heater and a reactor with filters were purchased. In the second step, some adaptations were done in the structure and its components for improving the operation. In the third step, the equipment was effectively assembled. Thereafter, operational validation tests were performed in order to verify the operation and the necessity of adjustments. In addition, a Standard Operating Procedure was created in order to standardize the next operations. The equipment is suitable for the extraction of bioactive compounds from different plant matrices, providing satisfactory extraction yields.

Keywords: Extraction; Supercritical carbon dioxide; Pressurized liquefied petroleum gas

1 Introdução

O Brasil possui biodiversidade rica, tendo em seu território grande parcela das florestas tropicais do planeta. O país abriga importante quantidade de espécies de animais e plantas, sendo destaque em matrizes vegetais que possuem substâncias biologicamente ativas. As plantas apresentam em sua estrutura compostos químicos utilizados para as indústrias alimentícias, de medicamentos, cosméticos, perfumaria, higiene, entre outras (VEGGI, 2009; FILIPPIS, 2001; ABAIDE et al., 2019). Segundo Confortin (2017), extratos obtidos a partir de Lupinus albescens, apresentaram potencial antifúngico contra dois fungos investigados em seu trabalho. No mesmo contexto, Abaide (2016) apresenta, em seu trabalho, qualidade nutricional de óleo extraído da polpa do abacate com potencial de uso na indústria alimentar.

De acordo com Veggi (2009), a extração para obtenção de óleo e demais extratos é uma operação físico-química, onde sólidos solúveis e voláteis podem ser extraídos de matrizes vegetais, mantendo o contato entre o solvente e os sólidos. As extrações que envolvem o uso de solventes orgânicos, vapor e fluidos supercríticos estão entre as principais técnicas de extração. Entretanto, o uso de técnicas que envolvem altas temperaturas pode causar danos aos componentes extraídos. Um dos exemplos é na indústria de cosméticos e perfumaria, em que altas temperaturas podem até mesmo ocasionar um odor desagradável. Além disso, o uso de solventes orgânicos resulta na necessidade de remoção do solvente residual, o que é um fator indesejável e que necessita de descarte apropriado. Caso contrário, isso se torna ambientalmente prejudicial (SOARES, 2017).

Como alternativas para as técnicas que envolvem altas temperaturas e o uso de solventes orgânicos, atualmente estão sendo estudadas técnicas de extração que utilizam fluidos supercríticos e fluidos pressurizados. Estas técnicas que utilizam alta pressão são consideradas economicamente viáveis e ambientalmente corretas, reduzindo o tempo de extração e minimizando a degradação dos componentes, por não utilizarem solventes orgânicos e devido a temperaturas de trabalho relativamente baixas (CONFORTIN, 2017; TONATO et al., 2019).

Dentre as alternativas de solventes encontram-se o dióxido de carbono (CO₂) e o gás liquefeito de petróleo (GLP). O CO₂ é o solvente mais utilizado nas extrações supercríticas, onde o CO₂ supercrítico é capaz de apresentar propriedades tanto de gás quanto de líquido, simultaneamente, resultando em ótimo solvente para extração de matrizes vegetais (SCOPEL, 2013; ZABOT et al., 2018). Essa alternativa possibilita operações com temperaturas relativamente baixas, próximas à temperatura ambiente, além de ser uma alternativa não tóxica, inerte, não inflamável, e barata (BRUNNER, 2005). Com relação ao GLP, esse vem sendo estudado por proporcionar menor tempo de extração, menor consumo de solvente quando comparado ao CO₂, e proporcionar maior rendimento e seletividade (SALLET et al., 2017; CONFORTIN, 2017). Além disso, segundo Confortin (2017), os compostos obtidos utilizando CO₂ supercrítico e GLP pressurizado apresentam maior qualidade quando comparados aos compostos obtidos pelo método convencional de Soxhlet (método que utiliza solventes orgânicos). Até o momento, os equipamentos que usam tecnologia supercrítica não são produzidos ainda para comercialização no Brasil. Além disso, os equipamentos importados possuem elevado custo.

Diante do contexto apresentado, é importante que equipamentos sejam projetados e montados aqui no Brasil, os quais possam operar com fluidos em alta pressão para fins de extração de compostos bioativos. Logo, o objetivo deste trabalho foi desenvolver o projeto de um aparato experimental em escala laboratorial para extração de compostos de matrizes vegetais utilizando CO₂ supercrítico ou GLP pressurizado como solventes. Após o projeto, procedeu-se com a montagem e realizaram-se testes experimentais com canola visando à validação do aparato. Na sequência, um Procedimento Operacional Padrão (POP) foi elaborado para fins de padronização dos procedimentos operacionais.

2 Materiais e métodos

Na primeira etapa foi criado um fluxograma da unidade laboratorial para extração de compostos de matrizes vegetais utilizando CO₂ como solvente. Na Figura 1 é apresentado um diagrama esquemático da concepção do projeto e visualização das peças utilizadas.

Figura 1 – Fluxograma da unidade laboratorial para extrações utilizando CO₂ supercrítico ou GLP pressurizado como solventes.

Para a montagem da unidade, utilizaram-se os materiais apresentados na Tabela 1. Alguns materiais passaram por adaptações para se adequarem às dimensões necessárias do projeto.

Tabela 1 – Materiais adquiridos para a montagem da unidade de extração

Item	Descrição	Quantidade	Unidade
1	Barras de alumínio de perfil quadrado 30x30mm	12	m
2	Tubulação de aço inox 1/8”	12	m
3	Tubulação de aço inox 1/16”	6	m
4	Válvulas de bloqueio	2	un.
5	Válvulas de retenção (anti-retorno)	1	un.
6	Manômetros	2	un.
7	Banho maria	1	un.
8	Banho ultratermostático	1	un.
9	Bomba de CO2 ou GLP	1	un.
10	Reatores de Aço Inox 316 L	3	un.
11	Manta de aquecimento	3	un.
12	Controlador de temperatura	1	un.

Após a aquisição dos materiais apresentados na Tabela 1, deu-se início à montagem da unidade (segunda e terceira etapas). As barras de alumínio, assim como as tubulações de aço inox, foram cortadas de modo que fosse possível realizar maior aproveitamento das mesmas, evitando desperdícios. A Figura 2 apresenta alguns componentes utilizados durante a montagem da estrutura do aparato experimental.

Figura 2 – Alguns componentes utilizados na montagem do aparato experimental: (A) laterais da estrutura da unidade com suporte para o quadro elétrico; (B) Reator com a manta de aquecimento; (C) Elementos filtrantes com porcas de fixação.

Posteriormente, foi realizada a montagem de um quadro elétrico na estrutura da unidade para alocação do controlador de temperatura, o qual é utilizado para manter a manta de aquecimento na temperatura desejada para os ensaios experimentais (Figura 3). Após finalizada a montagem, ensaios de validação do aparato experimental foram desenvolvidos com canola (inicialmente) em diferentes condições de processo (diferentes híbridos semeados em três épocas distintas), especificamente com pressão do CO₂ igual a 35 MPa e temperatura igual a 40°C. Extratos foram coletados e analisados para fins de identificação dos compostos extraídos.

Figura 3 – Quadro elétrico com relé de estado sólido e controlador de temperatura: (A) parte interna; (B) parte externa.

Após finalizada a montagem do aparato experimental, o equipamento foi utilizado para ensaios de extração com CO₂ supercrítico para validar seu funcionamento. Em tal validação, foram verificados vazamentos nas tubulações, conexões e válvulas, funcionamento correto da bomba de pressurização e do banho termostatizado, e avaliou-se sua aplicação para diferentes matrizes vegetais. Para os testes, foram utilizadas biomassas agroindustriais, como canola, azeitona, noz pecã, joá-bravo, dentre outros. As temperaturas e pressões avaliadas variaram de 35°C a 80°C e de 10 a 40 MPa, respectivamente. As vazões de solvente também foram avaliadas entre 1 mL/min a 10 mL/min. Os reatores testados possuem volumes de 20 mL a 100 mL. Para a validação inicial, os resultados referentes à extração de óleo de canola são apresentados neste artigo.

Após o aparato experimental ter passado pelos testes preliminares, outros estudos foram conduzidos para fins de validação do aparato. Em um dos estudos, canola foi processada pelo grupo de pesquisa a fim de extrair seu óleo e concentrar a biomassa residual após a extração em proteínas (CONFORTIN et al., 2019). Neste estudo, amostras de três diferentes híbridos de canola (Hyola 61, Hyola 433 e Hyola 571) colhidas após a semeadura em três diferentes épocas foram submetidas ao processamento para a obtenção do óleo com o objetivo de avaliar a influência da época de semeadura e de cada híbrido no rendimento e na composição de óleo. Para isto, foi utilizada a unidade de extração projetada e montada (Figura 4), empregando-se CO₂ supercrítico como solvente em temperatura de 40ºC e pressão de 35 MPa.

Após validar o equipamento, um Procedimento Operacional Padrão (POP) foi elaborado a fim de conter um passo-a-passo dos procedimentos operacionais e instruções para eventuais problemas que possam surgir durante os ensaios experimentais.

3 Resultados e discussão

Observou-se que o aparato experimental é adequado para o fim que foi projetado, além de sua operação ser segura e ergonômica para os operadores. Uma fotografia do aparato experimental finalizado é apresentada na Figura 4.

Figura 4 – Unidade laboratorial finalizada; a) Banho termostatizado; b) Bomba de CO2; c) Quadro elétrico; d) Banho maria; e) Manômetros; f) Reator com a manta de aquecimento; g) Válvula de controle da pressão; h) Tubo Falcon para coleta dos extratos.

Os resultados obtidos no trabalho referente à extração de compostos com CO₂ supercrítico como solvente em temperatura de 40ºC e pressão de 35 MPa são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Rendimentos de óleo e proteínas e principal composição do óleo obtidos no aparato experimental montado usando CO₂ supercrítico e os diferentes tipos de híbridos semeados em três diferentes épocas (CONFORTIN et al., 2019)

Híbrido – Época de semeadura	Rendimento de óleo (%)	Teor de proteína (%; base massa inicial)	Ácido oleico (mg/g óleo)	Ácido linoleico (mg/g óleo)	Ácido linolênico (mg/g óleo)
Hyola 61 – Início do outono	18,7 ± 0,7	32,4 ± 0,2	547 ± 20	120 ± 4	67 ± 2
Hyola 61 – Metade do outono	18,2 ± 0,5	37,9 ± 0,1	547 ± 14	130 ± 3	72 ± 2
Hyola 61 – Fim do outono	19,5 ± 0,4	38,2 ± 0,1	529 ± 10	141 ± 3	81 ± 2
Hyola 433 – Início do outono	15,3 ± 1,2	33,8 ± 0,2	540 ± 41	117 ± 9	64 ± 5
Hyola 433 – Metade do outono	20,4 ± 0,8	33,0 ± 0,2	565 ± 21	118 ± 5	61 ± 2
Hyola 433 – Fim do outono	17,6 ± 2,8	37,7 ± 0,1	535 ± 86	142 ± 23	76 ± 12
Hyola 571 – Início do outono	16,9 ± 0,5	35,0 ± 0,1	500 ± 16	140 ± 4	68 ± 2
Hyola 571 – Metade do outono	21,3 ± 2,2	34,6 ± 0,1	498 ± 51	121 ± 12	58 ± 6
Hyola 571 – Fim do outono	23,1 ± 0,7	35,5 ± 0,1	495 ± 14	144 ± 4	70 ± 2

Com os dados obtidos, foi possível constatar que os híbridos semeados no final do outono apresentaram maiores concentrações de óleo e teor de proteína (Tabela 2), obtendo-se rendimentos de cerca de 20% de óleo (base mássica) e 38% de proteína (base mássica). O aparato experimental projetado e montado foi usado para comparar o rendimento de óleo obtido pelo método Soxhlet. O rendimento obtido por Soxhlet com n-hexano foi superior, obtendo-se até 34% de óleo (base mássica) (CONFORTIN et al., 2019). De fato, esse resultado era esperado, pois o n-hexano possui melhor afinidade química com os solutos da canola do que o CO₂. Contudo, o aparato experimental apresentado neste trabalho foi considerado superior ao aparato Soxhlet para extrair ácidos graxos. Enquanto que por Soxhlet foi obtida uma concentração total de ácidos graxos de 724 mg/g óleo para o híbrido Hyola 61 semeado no fim de outono, para a extração com CO₂ supercrítico no aparato experimental apresentado (Figura 4) a concentração total de ácidos graxos foi de 826 mg/g óleo (CONFORTIN et al., 2019), o que representa uma concentração 14,1% maior.

Os resultados obtidos pelo grupo de pesquisa são corroborados por outros estudos. Pederssetti et al. (2011) relataram que os principais ácidos graxos identificados no óleo de canola foram ácido oleico (680 mg/g óleo) e ácido linoleico (150 mg/g óleo). Depois de analisar o efeito das micro-ondas na extração de óleo de canola, Sánchez et al. (2017) relataram composições de ácido oleico em 622,7 mg/g óleo e ácido linoleico em 189,4 mg/g óleo. Quando se usou a técnica de ultrassom, Icyer e Durak (2018) apresentaram 479,2 mg/g óleo e 218,6 mg/g óleo para os ácidos oleico e linoleico, respectivamente. Concentrações satisfatórias destes ácidos graxos no óleo de canola também foram apresentados no estudo desenvolvido por Fard et al. (2018). Os autores testaram as cultivares Sarigol (metade da estação), Delgan (início da estação), Jacomo (fim da estação), Jeromeh (fim da estação) e Hyola 401 (início da estação). O resultado em destaque foi obtido com a cultivar Delgan: 642,5 mg/g óleo e 223,5 mg/g óleo para os ácidos oleico e linoleico, respectivamente.

Diante dos ensaios de validação apresentados, identificou-se que a unidade laboratorial de extração com fluidos a alta pressão é adequada e útil para o processamento de matérias-primas vegetais com o intuito de obtenção de óleo e/ou extratos com compostos bioativos. Por isso, um POP foi elaborado a fim de padronizar os procedimentos operacionais, garantir segurança e facilitar o uso por diferentes operadores. Resumidamente, o POP é listado na sequência.

I. Preparo da amostra e ligação dos componentes da unidade

1- Ligar os componentes (banhos, bomba, manta e controlador de temperatura) em suas respectivas tomadas de luz, conforme as numerações presentes nos cabos de alimentação e nas tomadas, e ligar no interruptor on/off;

2- Preparar o conteúdo da amostra com sua determinada massa dentro do vaso reator;

3- Com o conteúdo no seu interior, envolver com fita veda rosca todo encaixe do filtro com o reator; após, fechar as porcas do reator e certificar-se de que as mesmas estão bem fechadas;

4- Abrir o cilindro de gás;

5- Preparar os tubos de ensaio (ou Falcon) de coleta da amostra, numerando ou codificando cada um deles.

II. Verificações

6- Verificar o nível de água nos banhos de aquecimento e resfriamento;

7- Verificar se a válvula micrométrica de saída está fechada;

8- Verificar se a mangueira de circulação do banho frio foi conectada ao cabeçote da bomba;

9- Verificar se as taras dos tubos de ensaio (ou Falcon) foram anotadas;

10- Verificar se a válvula de alívio de pressão está fechada e funcionando normalmente;

11- Verificar se todas as conexões estão fixas e bem conectadas;

12- Verificar se as temperaturas dos banhos foram atingidas.

III. Montagem do reator e análise de pressão

13- Conectar o reator às duas extremidades da tubulação;

14- Verificar se as conexões do reator com a tubulação estão bem fechadas;

15- Iniciar a bomba com uma determinada vazão (máximo 50 mL/min) até alcançar a pressão desejada de processo;

16- Quando estiver na pressão desejada de processo, desligar o bombeamento e observar por um minuto os manômetros para saber se não há perda de pressão; identificar se há algum tipo de vazamento;

17- Se não houver perda de pressão prolongada, seguir para o passo seguinte; caso contrário, procurar o vazamento, identificá-lo e eliminá-lo (retornar ao passo 10);

18- Atentar-se constantemente aos manômetros para que a pressão não extrapole àquela desejada de processo.

IV. Processo de extração

19- Conectar o plug do termopar ligado ao controlador da manta ao plug da manta, para controle do aumento de temperatura;

20- Conectar o termopar do reator ao controlador da unidade de hidrólise para acompanhamento da temperatura desejada de trabalho no reator;

21- Controlar a temperatura da manta pelo painel de controle para atingir a temperatura de processo.

V. Coleta dos extratos

22- Após atingir a temperatura desejada de trabalho, iniciar a extração;

23- Colocar o primeiro recipiente de coleta das amostras;

24- Ligar novamente o bombeamento, iniciar o cronômetro, abrir lentamente a válvula micrométrica para manter a pressão desejada de processo e coletar as amostras em intervalos definidos previamente até finalizar o processo.

VI. Finalização e limpeza

25- Reduzir a temperatura da manta para 20°C;

26- Desligar o bombeamento e fechar o cilindro de gás;

27- Desligar ambos os banhos;

28- Desconectar todos os equipamentos das tomadas (exceto o controlador de temperatura);

29- Esperar a temperatura da manta diminuir até 20°C e desligar o controlador de temperatura; desconectar da tomada;

30- Desconectar a manta do seu plug e do painel de controle, assim como o termopar do vaso de extração;

31- Retirar o vaso de extração (reator);

32- Abrir as duas extremidades do reator;

33- Retirar o resíduo sólido do seu interior e armazená-lo conforme especificações definidas para cada ensaio;

34- Realizar a limpeza do interior do reator e dos filtros, bem como de toda a unidade;

35- Limpar e guardar equipamentos e vidrarias utilizadas.

4 Conclusões

A montagem da unidade de extração no próprio laboratório é um aspecto positivo, uma vez que no Brasil não há equipamento comercializado com as características desejadas. Os testes com diferentes matrizes vegetais indicaram que a unidade projetada e montada está funcionando corretamente, permitindo que grãos, folhas, frutos, talos, cascas, palhas, raízes, dentre outros, possam ser processados visando à obtenção de compostos bioativos com elevado valor de mercado. Após vários testes sequenciais e intercalados durante o período de uso, constatou-se que a operação é simples, prática (ergonômica), funcional e segura. Além disso, não se constatou nenhum vazamento nos vasos extratores, nas linhas de corrente de fluido, nas válvulas e nas conexões. De acordo com as atividades realizadas, seguindo o Procedimento Operacional Padrão, é possível obter óleos e extratos vegetais em quantidades (rendimentos) e composições compatíveis com os resultados apresentados na literatura científica internacional.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela FAPERGS. Agradecimentos especiais a UFSM, a CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro e pela concessão de bolsas de pós-graduação, iniciação científica e de produtividade aos pesquisadores.

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