Cristalização e lixiviação, aplicações na indústria e importância no processo, Notas de estudo de Engenharia de Alimentos

Baixe Cristalização e lixiviação, aplicações na indústria e importância no processo e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Alimentos, somente na Docsity! UNIVERSIDADE Federal de Mato Grosso CAMPUS Universitário do Araguaia INSTITUTO DE cIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA curso de engenharia de alimentos GEAN PABLO SILVA AGUIAR Cristalização e Lixiviação, aplicações na indústria e importância no processo. Pontal do Araguaia – MT 2010 PAGE 7 GEAN PABLO SILVA AGUIAR Cristalização e Lixiviação, aplicações na indústria e importância no processo. Pontal do Araguaia – MT 2010 SUMÁRIO PAGE 7 • Destilação: Usa a diferença da pressão de vapor dos componentes para separar alguns componentes de uma mistura de vários componentes líquidos; • Absorção: Retira componentes de uma mistura gasosa pela ação de um líquido. • Separação por membrana: Envolve a separação de um soluto de um liquido pela difusão do liquido para outro líquido através de uma membrana semipermeável; • Extração líquido-líquido: Neste caso, um soluto é removido de uma solução pelo contato com outro líquido que é relativamente imiscível com a solução; • Adsorção: Na adsorção um componente de uma corrente gasosa é removido pela sua aderência a uma superfície sólida adsorvente; • Troca iônica. • Lixiviação. • Cristalização. • Separações físicas: (filtração, centrifugação, peneiramento, cominuição, adensamento). • Agitação e mistura: É o inverso dos processos de separação. • Emulsificação. Desintegração e separação mecânica. Transporte hidráulico e pneumático de sólidos. Fluidização. As operações unitárias são classificadas com base nos fenômenos de transporte envolvidos: • Transferência do momento: Ocorre principalmente nas operações que envolvem transporte de fluidos tais como agitação, sedimentação e filtração; • Transferência de calor: Ocorre nos processos que possuem envolvimento com trocas de calor entre os materiais tais como secagem, evaporação, destilação e outros; • Transferência de massa: Ocorrem nos processos de destilação, absorção, extração líquido-líquido, adsorção, cristalização e “lixiviação”. Existem um pequeno número de princípios elementares, técnicas matemáticas e leis da físico-química que são fundamentais e formam a base para o estudo da transferência de momento, calor e massa e os processos de separação. Quem pretende operar processos industriais deve ter um bom domínio destes conhecimentos (BOMBARDELLI, 2009). PAGE 7 LIXIVIAÇÃO A lixiviação é a dissolução preferencial de um ou mais componentes de uma mistura sólida por contato com um solvente líquido. Esta operação é uma das mais antigas na indústria química, sendo também utilizada em outras áreas como geologia, metalurgia entre outras. As indústrias metalúrgicas é a indústria que mais utiliza com maiores freqüência lixiviação. A maioria dos minerais úteis são encontrados como misturas, com grandes proporções de componentes indesejáveis, portanto, a lixiviação material valioso é um método de separação que muitas vezes é aplicada (TREYBAL, 1980). Por exemplo, minérios de cobre são dissolvidos, de preferência de alguns a partir de seus minérios por lixiviação com ácido sulfúrico ou solução de amônia e ouro é separada de seus minérios, com a ajuda de soluções de cianeto de sódio. Em Da mesma forma, a lixiviação desempenha um papel importante no processamento de metalurgia de alumínio, cobalto, manganês, níquel e zinco (TREYBAL, 1980). Em alguns casos, a lixiviação também é usada para a remoção de impurezas. Quando realizada com este objetivo, o processo é chamado de lixiviação inversa, ou beneficiamento hidrometalúrgico. O mineral do metal de valor permanece no estado sólido. Paradoxalmente, o caso do metal alumínio – a mais importante aplicação da lixiviação – é intermediário entre os citados acima, onde o teor do minério contendo o metal de valor é elevado e a lixiviação é feita basicamente para deixar intocadas as impurezas (HECK, 2008). PROCESSO Inúmeros compostos biológicos, inorgânicos ou orgânicos ocorrem em misturas em sólidos. Quando se quer separar compostos indesejáveis da fase sólida ou obter um componente de uma fase sólida, utiliza-se contatar o sólido com uma fase líquida adequada. Com o contato intimo entre as fases, o soluto se difunde através das fases, passando para a fase líquida. O processo de recuperar um componente por este processo denomina-se Lixiviação; o processo de lixiviação onde desejamos retirar um componente indesejável da fase sólida denomina-se Lavagem. LIXIVIAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS BIOLÓGICAS PAGE 7 Este processo tem sido aplicado em recuperação de componentes de produtos alimentícios, como por exemplo, obtenção de açúcar da cana ou beterraba utilizando água quente como agente extrator; na produção de óleos vegetais utilizando solventes orgânicos como hexano, acetona ou éter, extraindo por exemplo óleo de amendoim, soja, linhaça, rícino, semente de girassol, semente de algodão, etc. Em produtos farmacêuticos, muitos processos são utilizados aplicando esta técnica para extrair produtos de raízes medicinais, etc. Na produção de café solúvel, chá instantâneo, obtenção de tanino através de extração com água, etc. Na produção de produtos inorgânicos e orgânicos, como por exemplo indústria de processamento de metais; o ouro é obtido através de solubilização com sais de cianetos de sódio. O minério de ferro é também concentrado por esta técnica (GEANKOPLIS, 1998; TREYBAL, 1980). PREPARAÇÃO DO SÓLIDO PARA EXTRAÇÃO Material orgânico e inorgânico: O método de preparação depende da forma com que o soluto está agregado ao sólido, se está adsorvido ou dentro de células, e também da forma com que o solvente irá atuar, por exemplo, se o solvente apresenta boa difusividade no sólido, se há boa molhabilidade do sólido, etc. Por exemplo, para extração de minério, é necessário triturar o sólido até uma granulometria adequada (GEANKOPLIS, 1998). Se o produto a ser extraído se apresenta como uma solução sólida dispersa em uma fase sólida ou se está distribuído no interior de orifícios do sólido, a ação do solvente em um primeiro contato deve formar pequenos canais, de forma que uma passagem de solvente adicional torna-se mais fácil e não é necessário triturar o material até uma granulometria muito pequena. Também se o soluto está aderido à superfície do sólido, então não é necessário à moagem do sólido (GEANKOPLIS, 1998). Materiais vegetais e animais: Materiais biológicos apresentam estrutura celular e normalmente o composto desejado está contido dentro da célula. Neste caso, a taxa de extração pode ser comparativamente lenta devido à resistência da parede da célula à difusão. Por outro lado, o processo de moagem para levar a granulometria a níveis tais que exponha o conteúdo das células é impraticável. A beterraba, por exemplo, é cortada em fatias finas para reduzir a distância requerida para extração. As células da beterraba são mantidas intactas; isto permite que o açúcar atravesse a membrana semipermeável enquanto que as albuminas e outros produtos coloidais indesejáveis não atravessam a membrana. Para extração de produtos PAGE 7 RELAÇÃO DE EQUILÍBRIO E LIXIVIAÇÃO EM SIMPLES ESTÁGIO Assim como em Extração liq-liq, aqui também necessitamos lidar com equação de operação ou relação do balanço material e a relação de equilíbrio entre duas correntes. Algumas considerações devem ser feitas no processo de lixiviação: - É assumido que a fase sólida livre de solvente, é insolúvel no solvente. - Em lixiviação, assumindo que há solvente suficiente para que todo soluto presente no sólido seja dissolvido, o equilíbrio é atingido quando o soluto estiver todo dissolvido no solvente (GEANKOPLIS, 1998). - É assumido que não há adsorção do soluto pelo sólido. Daí, a concentração da solução na fase líquida que deixa o estágio é a mesma da solução que permanece no estágio com a fase sólida. A corrente que sai com a fase líquida sobrenadante denomina- se overflow , e a corrente que sai com a fase sólida denomina-se underflow ou corrente de lama slurry stream. Conseqüentemente, a concentração de óleo presente na corrente overflow é igual à concentração de óleo que sai na corrente de lama. Representando a reta de equilíbrio em um gráfico ‘xy’ obtemos uma reta de 45o. A quantidade de solução retida no sólido em cada estágio depende da viscosidade e da densidade (GEANKOPLIS, 1998). LIXIVIAÇÃO NÃO-IDEAL Freqüentemente, as condições em um sistema de lixiviação são tais que equilíbrio não é obtido. As curvas de overflow e underflow se tornam não-ideais (GEANKOPLIS, 1998). PAGE 7 Lixiviação Ideal Para sistemas com baixo razão de soluto na alimentação, uma quantia finita de solvente deve ser necessária criar duas fases em equilíbrio (GEANKOPLIS, 1998). LIXIVIAÇÃO MULTI-ESTÁGIO CONTRACORR ENTE Este processo é similar ao de Extração liq-liq., observando a notação diferente neste caso (GEANKOPLIS, 1998). De um balanço material, conforme diagrama à seguir obtém-se: PAGE 7 CRISTALIZAÇÃO O processo de cristalização é uma separação sólido-líquido em que há uma transferência em massa de soluto a partir do líquido para uma fase sólida cristalina pura. Um exemplo importante é a produção de beterraba sacarina, onde sacarose se cristaliza em uma solução aquosa (GEANKOPLIS, 1998). A cristalização é considerado o processo da formação de cristais sólidos ou partículas sólidas a partir de uma solução uniforme, ou seja, solução em fase homogênea. Ela consiste de dois principais eventos, a nucleação e o crescimento dos cristais ou crescimento molecular (GEANKOPLIS, 1998). A nucleação é definida com a etapa em que as moléculas do soluto dispersam no solvente começando assim a se juntar em clusters de escala nanométrica. Esses clusters constituem o núcleo e só se tornam estáveis a partir de um certo tamanho crítico, que depende das condições de operação (temperatura, supersaturação, irregularidades, etc). Se o cluster não atinge a estabilidade necessária ele redissolve. É no estágio de nucleação que os átomos se arranjam de uma forma definida e periódica que define a estrutura do cristal. O crescimento do cristal é o subseqüente crescimento do núcleo que atingiu o tamanho crítico do cluster. A nucleação e o crescimento continuam a ocorrer simultaneamente enquanto a supersaturação existir. A supersaturação é a força motriz da cristalização, portanto, a velocidade de nucleação e de crescimento é comandada pela existência de supersaturação na solução. Dependendo das condições, tanto a nucleação quanto o crescimento podem ser predominantes um sobre o outro, e conseqüentemente, são obtidos cristais com tamanhos e formatos diferentes. Quando a supersaturação é ultrapassada, o sistema sólido-liquido atinge o equilíbrio e a cristalização está completa, a menos que as condições de operação forem modificadas do equilíbrio de forma a supersaturar a solução novamente (AZEVEDO, 2004) Cristalização é usada quando se deseja remover de uma solução líquida o componente dissolvido (soluto) em forma de cristais. Por muitos anos, a prática comum na produção de cristais era aquecer uma solução até uma condição próxima da saturação e colocá-la em tanques retangulares abertos, onde a solução era resfriada e os cristais PAGE 7 IV-Conclusão As operações de cristalização e lixiviação são consideradas operações que tem como base o fenômeno de transporte envolvendo principalmente a parte de transferência de massa. Deste modo este dois métodos tem grandes aplicações em diversas indústrias desde da indústria metalúrgica à industria de alimentos. Como foram abordadas no trabalho as aplicações destas operações unitárias na indústria de alimentos está ligada diretamente ao processo de fabricação de produtos alimentícios, exemplos clássicos são para produção de açúcar a partir de beterraba e a produção de sal a partir da água do mar. Por fim, pode ser afirma que estes métodos são bem antigos e se tem ate hoje grande utilizada para indústria devido sua grande funcionalidade. V - Referências bibliográficas AZEVEDO, Walter Filgueira de. Cristalização de macromoléculas biológicas. Departamento de Física-Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas-UNESP, São José do Rio Preto. SP, 2004. BARCZA, Marcos Villela. Introdução. Escola de Engenharia de Lorena EEL-USP, 2010. BOMBARDELLI, Clovis. Operações Unitárias I. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Campus de Toledo, PR, 2009. CARLOS, L.A. et al. Redução da Higroscopicidade de Pós Liofilizados pela Indução da Cristalização em Soluções-Modelo de Açúcares Constituintes de Frutas. Braz. J. Food Technol. Preprint Serie, n.201, 2005. GEANKOPLIS, C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. México, 3.ed. 1998. HECK, Nestor Cezar. Metalurgia Extrativa dos Metais Não-Ferrosos. UFRGS / DEMET, 2008. PRICE, Chris J., . Take Some Solid Steps to Improve Crystallization. Chemical Engineering Progress, September 1997, p. 34. TREYBAL, R.E. Mass Transfer Operations, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1980. PAGE 7 PAGE 7