ESTUDO GRANULOMÉTRICO DO PROCESSO DE CRISTALIZAÇÃO DE SACAROSE
EM LEITO VIBRADO
1
Rafael P. C. Miranda, 1 Roberto Matsumura, ² Davi B. Quintino e ³Ricardo A. Malagoni
1
Discente do Curso de Engenharia Química da UFU/MG
2
Bolsista CAPES, discente do Programa de Pós Graduação em Engenharia Química UFU/MG
3
Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG
1,2,3
Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100.
e-mail: malagoni@feq.ufu.br
RESUMO - A sacarose é um dissacarídeo formado por uma molécula de glicose e uma de
frutose, sendo produzida naturalmente através da fotossíntese. A cristalização é uma etapa fundamental no processo de produção da sacarose comercial, este processo é de suma importância na produção industrial de diversos compostos e também é considerado um método de baixo custo na produção de sólidos puros. Este trabalho tem como objetivo analisar o crescimento de cristais de sacarose obtidos em um cristalizador de leito vibrado através dos diâmetros de Sauter dos cristais recolhidos durante o processo de cristalização. Experimentos foram realizados e amostras de cristais foram obtidas para cada intervalo de 14 minutos de operação. Tais cristais foram posteriormente peneirados, sendo determinado seu diâmetro médio de Sauter para cada intervalo. Com estes dados foi analisada a variação do crescimento cristalino durante o processo de cristalização.
Palavras-Chave: cristalização, granulometria, sacarose
INTRODUÇÃO
Formada através da condensação da glicose e da frutose, a sacarose, mais conhecida
como açúcar comum, é encontrada em
abundância na cana-de-açúcar e nas frutas. Este composto pode ser formado naturalmente através da fotossíntese ou de maneira industrial em equipamentos denominados cristalizadores (PEREIRA, 1999).
O processo de cristalização possui várias vantagens como fornecer um produto final com propriedades desejáveis dos cristais, como fácil manuseio, armazenamento e boa aparência (MULLIN, 2001).
Neste estudo teve como objetivo monitorar a variação do crescimento dos cristais de sacarose obtidos em um cristalizador batelada de leito vibrado, através da análise do diâmetro de Sauter dos cristais nas faixas amostrais durante o processo de cristalização. Para a análise de crescimento cristalino, obteve-se primeiramente a condição de operação que maximizasse a produtividade cristalina e o tamanho dos cristais, este último, analisado através do diâmetro médio de Sauter.
MATERIAL E MÉTODOS
Unidade Experimental
Os equipamentos utilizados nos experimen-tos de cristalização estão localizados no Laborató-rio de Cristalização da Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU). A unidade experimental é constituída dos seguintes equipamentos: Cristali-zador batelada, banho termostatizado, motor elé-trico, inversor de frequência, termopar indicador de temperatura, balança analítica e estufa.
O cristalizador de leito vibrado é feito em aço inoxidável, encamisado internamente, possui formato tronco-cônico e sua seção cônica tem angulação de 65° com a horizontal, seu diâmetro superior e inferior possuem respectivamente 0,155 m e 0,064 m. Em sua parte inferior, o equi-pamento foi vedado por uma membrana flexível feita de borracha sintética, própria pra o proces-samento de alimentos
.
A energia transmitida ao leito foi gerada pe-lo motor de corrente alternada (WEG, 0,75 CV), este teve sua velocidade controlada através do inversor de frequência (WEG, modelo CFW-08).
Os equipamentos responsáveis pela trans-missão da energia mecânica ao leito são visuali-zados na Figura 1, os quais são: eixo vibratório (A) e excêntrico (B).
Figura 1 – Equipamentos do sistema de
agitação: eixo vibratório (A) e excêntrico (B).
Durante o processo de cristalização da sa-carose, a temperatura da solução manteve-se constante graças ao sistema de vedação que im-pediu a troca de calor da solução com o meio ex-terno e também devido ao fato do cristalizador ser encamisado.
A vedação do aparelho foi realizada através de uma tampa cilíndrica de acrílico que foi parafu-sada ao cristalizador, esta impediu a saída de vapor do sistema, fazendo com que durante a cristalização a supersaturação da solução varias-se somente por causa do transporte de moléculas de sacarose para os cristais e não pela evapora-ção de água da soluevapora-ção. A Figura 2 mostra o cris-talizador batelada e seu sistema de vedação.
Figura 2 – Cristalizador batelada
Informações mais detalhadas a respeito do cristalizador e do Laboratório de Cristalização são encontradas em Malagoni (2010) e Teixeira et al., 2012.
Procedimento Experimental
O procedimento experimental teve início com a obtenção das sementes utilizadas no processo de cristalização através do peneiramen-to de sacarose comercial, o material retido na peneira de abertura Tyler 20 (0,841mm) foi sele-cionado como semente.
Sacarose comercial e água bidestilada foram utilizadas na preparação da solução, o valor de cada um destes elementos obedeceu ao planejamento de experimentos. A temperatura da solução foi mantida a 358,2K e após total dissolu-ção da sacarose, esta foi transferida ao cristaliza-dor previamente montado e aquecido, o volume de solução transferido em todos os experimentos foi de 280 mL. Realizada a transferência da solução, o cristalizador batelada foi lacrado.
A solução foi resfriada a 343,2K, após estabilização térmica, 12 gramas de cristais foram inoculados à solução e iniciada a contagem do tempo de cristalização. Após o tempo proposto de operação, o processo foi interrompido e os cristais foram separados da solução a através da passa-gem destes na peneira Tyler 24 (0,707mm) e lavagem em solução alcoólica em concentrações de 75 e 96%. Após o processo de separação os cristais foram levados à estufa onde permanece-ram por 48h a temperatura de 333,2K para seca-gem.
Foram realizados 17 experimentos a fim de se determinar a melhor condição operacional na obtenção de resposta máxima de produtividade e tamanho médio dos cristais. Após determinação de tal condição otimizada, realizou-se teste em triplicata a fim de verificar-se a exatidão do mode-lo proposto. O planejamento de experimentos e a
A
condição de resposta otimizada foram determina-dos com o auxílio do software Statistica (Versão 7.1).
Com o intuito de analisar o crescimento cristalino durante o processo na condição de res-posta máxima, o procedimento experimental foi realizado e o tempo de operação dividido em in-tervalos de 14 min, no qual o processo era interrompido e efetuada a separação dos cristais para cada tempo.
Neste procedimento a separação foi reali-zada com peneira Tyler 28 (0,595mm). Foram efetuados três experimentos para cada amostra-gem. Nestes mesmos tempos amostrais os cris-tais foram peneirados e determinado seu diâmetro médio de Sauter.
Variáveis utilizadas e respostas analisadas
As variáveis analisadas no processo de cristalização foram: supersaturação, intensidade de vibração e tempo de operação. A supersatura-ção foi calculada de acordo com a Equasupersatura-ção 1, na qual S representa o adimensional de supersatura-ção, C a concentração do sistema na temperatura de operação e
C* a concentração de saturação
na temperatura do sistema, ambas as concentra-ções em kg/kg de água. *C
S
C
(1)A intensidade de vibração foi calculada através da Equação 2. 2
A
g
(2)em que,
A
eω
são respectivamente, a amplitude de vibração (m) e a frequência angular de vibra-ção (s-1) do agente excitador externo que promo-ve a vibração no leito, eg
representa a acelera-ção da gravidade no local.A frequência de vibração foi obtida através da Equação 3, em que
representa a velocidade do excêntrico em rpm fornecida pelo tacômetro digital.2.
.
60
(3) As respostas analisadas foram produtivida-de percentual mássica e diâmetro médio produtivida-de Sau-ter. A produtividade mássica foi calculada através
da Equação 4, em que y(%) representa a produti-vidade em termos percentuais, mc a massa de
cristais obtida ao final do processo de cristaliza-ção (g) e ms a massa de sementes (g) inoculadas
no cristalizador no início do processo de cristali-zação.
(%)
c1 .100
sm
y
m
(4)O diâmetro médio de Sauter ( st) foi obitdo através da Equação 5, esta resposta relaciona a fração mássica de sementes retidas (Δxi) com o diâmetro médio da porção retida (Di) em mm.
1
1
st p i i iD
x
D
(5)A fração mássica de sementes retidas (Δ
x
i)tem seu valor determinado através da Equação 6, no qual o termo
m
i refere-se à massa de cristaisretida (g) em uma determinada peneira e os te-mos
i
, ep
representam o número de unidades de peneiras utilizadas. 1 i i p i im
x
m
(6)O diâmetro médio do cristal retido em uma determinada peneira (
D
i) foi calculado através daEquação 7, em que
D
+ representa o diâmetro depeneira imediatamente superior (mm) e
D
- odiâ-metro (mm) de peneira onde os cristais foram retidos.
2
iD
D
D
(7) Planejamento de ExperimentosO Planejamento Composto Central (PCC) é um planejamento fatorial de primeira ordem acrescido de pontos adicionais, a fim de permitir a estimativa dos parâmetros de superfícies de segunda ordem. Através do planejamento de experimentos elaborado com auxílio do software Statistica, foi possível o estudo da influência de variáveis no processo de cristalização.
Neste estudo, o PCC foi constituído por três experimentos em condições operacionais em va-lores intermediários e idênticos, conhecidos como pontos centrais, correspondendo aos três últimos experimentos 15, 16 e 17. Tal repetição foi reali-zada com o intuito de verificar variação nos resul-tados e análise de existência de erro sistemático na ocorrência de divergência das respostas. O planejamento ainda foi constituído de seis expe-rimentos nos pontos axiais (α), isto é, pontos nos quais uma das variáveis analisadas operou em condição extrema. As variáveis codificadas
x
1, x
2e x
3 estão respectivamente relacionadas com a supersaturação, grau de vibração e tempo de operação e são calculadas através das Equações 8, 9 e 10. 11,11
0, 06
S
x
(8) 2
0, 76
0, 33
x
(9) 3
1, 25
0, 42
t
x
(10)
A Tabela 1 apresenta a matriz codificada com os 17 experimentos.
Tabela 1 – Matriz codificada do PCC.
Experimento
x
1x
2x
3 1 -1,000 -1,000 -1,000 2 +1,000 -1,000 -1,000 3 -1,000 +1,000 -1,000 4 +1,000 +1,000 -1,000 5 -1,000 -1,000 +1,000 6 +1,000 -1,000 +1,000 7 -1,000 +1,000 +1,000 8 +1,000 +1,000 +1,000 9 -1,353 0,000 0,000 10 +1,353 0,000 0,000 11 0,000 -1,353 0,000 12 0,000 +1,353 0,000 13 0,000 0,000 -1,353 14 0,000 0,000 +1,353 15 0,000 0,000 0,000 16 0,000 0,000 0,000 17 0,000 0,000 0,000RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados de produtividade cristalina e diâmetro médio de Sauter obtidos
experimentalmente nos ensaios do planejamento de experimentos (PCC) são visualizados respecti-vamente nas Figuras 3 e 4.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Figura 3 – Resultados obtidos para resposta produtividade. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Figura 4 – Resultados obtidos para a resposta diâmetro de Sauter nos experimentos do PCC.
Os valores médios para produtividade e tamanho médio dos cristais são respectivamente 109,18% e 1,208 mm. Nas respostas analisadas, destacam-se os resultados obtidos nos
Pro d u ti v id a d e (% ) Experimento Experimento D iâ me tr o d e S a u te r (mm )
experimentos 2, 4, 6 e 10, os quais operou-se com alto índice de supersaturação e valores in-termediários para as variáveis tempo de operação e intensidade de vibração.
Com auxílio do software Statistica obteve-se a condição operacional que maximizasobteve-se as duas respostas. O valor para cada variável nesta condição foi:
S
= 1,20;Г
=0,514;t
= 82 min.O modelo para esta condição previu res-pectivamente que para as respostas produtividade e diâmetro médio de Sauter os seguintes resulta-dos: 162,64% e 1,466 mm. Testes em triplicata apresentaram em média uma produtividade de 163,12%, com diâmetro médio de Sauter de 1,481 mm.
As Tabelas 2 e 3 apresentam as frações mássicas retidas em cada peneira para cada in-tervalo de tempo amostral.
Tabela 2 – Frações mássicas dos cristais pre-sentes nas peneiras de abertura Tyler 12, 14 e 16 durante o processo de cristalização.
Tempo Peneiras (min) # 12 # 14 # 16 14 0,0125 0,0343 0,1071 28 0,0517 0,0856 0,2269 42 0,0931 0,1173 0,2837 56 0,1275 0,1697 0,3793 70 0,1704 0,2463 0,2808 82 0,2181 0,3213 0,2673
Tabela 3 - Frações mássicas dos cristais pre-sentes nas peneiras de abertura Tyler 20, 24 e 28 durante o processo de cristalização.
Tempo Peneiras (min) # 20 # 24 # 28 14 0,6430 0,0688 0,1343 28 0,4803 0,0748 0,0807 42 0,3799 0,0401 0,0859 56 0,2572 0,0398 0,0265 70 0,2428 0,0259 0,0338 82 0,1352 0,0371 0,0210
Utilizando os dados das Tabelas 2 e 3 para o tempo de 82 min, calculou-se o diâmetro médio final do cristal através das Equações 5 e 6, o valor obtido foi de 1,393mm.
Na Tabela 4 visualiza-se o valor do diâme-tro médio do cristal para cada amostra obtida du-rante o processo.
Tabela 4 – Variação do diâmetro de Sauter dos cristais de sacarose durante o processo de cristalização
Tempo (min) D. Sauter (mm)
0 0,841 14 0,899 28 0,989 42 1,061 56 1,181 70 1,260 82 1,393
CONCLUSÃO
Este trabalho teve como objetivo analisar a variação do tamanho de cristais de sacarose em um cristalizador batelada. Mediante a análise na condição de resposta máxima de produtividade e diâmetro de Sauter, observou-se que a variável supersaturação deve ser considerada em seu nível máximo, e as variáveis intensidade de vibra-ção e tempo de operavibra-ção fixadas em níveis in-termediários para a faixa de estudo deste traba-lho.
Observou-se também que durante todo o processo de cristalização há a presença de cristais com granulometria menor do que as sementes inoculadas, indicando a possível quebra dos mesmos devido ao choque físico ou ainda a presença de nucleação.
Em relação aos diâmetros médios dos cris-tais, notou-se que estes cresceram durante todo o processo, obtendo tamanho médio final de 1,393 mm, valor próximo ao proposto pelo modelo, de-monstrando assim confiabilidade estatística do mesmo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MALAGONI, R. A., 2010. Cristalização de ácido cítrico em leito vibrado, PPGEQ/ Faculdade de Engenharia Química da UFU, Uberlândia-MG. (Tese Doutorado), 297 p.
MULLIN, J. W. 2001. Crystallization. Oxford: Butterworth-Heinemann, 594 p.
PEREIRA, M. M., 1999. Otimização operacional da cristalização de sacarose em leito vibro- jorrado, PPGEQ/ Faculdade de Engenharia
Química da UFU, Uberlândia-MG.
(Dissertação de Mestrado), 103p.
TEIXEIRA, G. A; VIEIRA, W. F.; FINZER, J. R. D.; MALAGONI, R. A. 2012. Operational optimi-zation of anhydrous citric acid crystallioptimi-zation using larger number of seed crystals, Powder Technology, 217, 634-640.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a CAPES pela bolsa de Mestrado e também a Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia pela infraestrutura disponibilizada para a realização desta pesquisa no Laboratório de Cristalização.
