Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761
Modelagem e simulação da cinética de decomposição dos carotenoides no
óleo de macaúba em um reator contínuo de hidrogenação
Modeling and simulation of carotenoid decomposition kinetics in macaúba
oil in a continuous hydrogenation reactor
DOI:10.34117/bjdv5n9-194
Recebimento dos originais: 20/08/2019 Aceitação para publicação: 27/09/2019
Pedro Prates Valério
Formação acadêmica mais alta: Doutorado em Engenharia Química, UFMG Instituição de atuação atual: UFMG
Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Rua Apodi 11, 402. Serra. Belo horizonte, MG. 30240-140
Email: pedroprates@ufmg.br
Isabella Fonseca Araújo
Formação acadêmica mais alta: Graduação em Engenharia Química (em andamento, previsão para julho de 2020)
Instituição de atuação atual: UFSJ
Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Campus Alto Paraopeba - Rod.: MG 443, KM 7 Ouro Branco - MG 36420 000
Email: isabellaraujo@outlook.com
Juan Canellas Bosch Neto
Formação acadêmica mais alta: Doutorado em Engenharia Mecânica UFMG Instituição de atuação atual: UFSJ
Endereço completo (pode ser institucional ou pessoal, como preferir): Rua Santo Antônio 249 Colônia do Marçal, Sjdr , MG, Brasil
Email: jboschbr@ufsj.edu.br ; jboschbr@yahoo.com.br
RESUMO
O interesse industrial na macaúba (Acrocomia aculeata) envolve a utilização de seus frutos para gerar co-produtos com valor agregado, além dos óleos extraídos de seus mesocarpos e grãos comestíveis, com um potencial produtivo que pode atingir até seis toneladas de óleo por hectare. Com intuito de aumentar a estabilidade do óleo vegetal para obter um alimento rico em vitamina A, como a margarina nutritiva, é necessário aquecer o óleo em temperaturas que variam de 260 a 340 ° C, portanto ocorre uma degradação térmica dos carotenóides. Neste sentido, o presente estudo foi realizado com o objetivo principal de desenvolver uma simulação de um reator contínuo de hidrogenação através do balanço de massa e energia em regime transiente. Os parâmetros foram obtidos a partir do balanço de massa e energia, o que resultou em um sistema de equações diferenciais ordinárias resolvido pelo método Runge-Kutta de 4ª ordem em um software livre Octave. Os perfis de concentração, temperatura e volume do reator para o tratamento de 100 L / dia de óleo de macaúba foram determinados pela simulação
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 computacional. Os resultados mostram que o perfil de temperatura foi ascendente, estabilizando em 560 K pela adição de calor. O perfil de concentração obtido na simulação foi decrescente de 248 mg / L para 141 mg / L. A conclusão do presente estudo foi de que após o tratamento térmico ainda há uma concentração residual de carotenoides. Sugere-se que estudos futuros verifiquem a viabilidade de aplicação de sistema de vácuo, em sentido de redução de temperatura para tratamento térmico, considerando design de processos.
Palavras-chaves: cinética, degradação térmica, modelagem, simulação, reator contínuo, óleo comestível, macaúba
ABSTRACT
The industrial interest in macaúba (Acrocomia aculeata) involves the use of its fruits to generate co-products with added value, in addition to the oils extracted from its mesocarp and edible grains, with a productive potential that can reach up to six tons of oil per hectare. In the sense of increasing the stability of the vegetable oil to obtain a food rich in vitamin A, such as nutritious margarine, it becomes necessary to heat the oil at temperatures ranging from 260 to 340 ° C. The thermal degradation of carotenoids, therefore, occurs. In this framework, the present study was carried out with the primary objective of developing a simulation of a continuous hydrogenation reactor through mass and energy balance in a transient regime. The parameters were obtained from the mass and energy balance, which resulted in a system of ordinary differential equations solved by the Runge-Kutta method of 4th order in a free software Octave. The reactor concentration, temperature and volume profiles for the treatment of 100 L / day of macaúba oil were determined by computer simulation. The results show that the temperature profile was upward, stabilising at 560 K by the addition of heat. The concentration profile obtained in the simulation was decreasing from 248 mg / L to 141 mg / L. The present study concluded that, after the heat treatment, there is still a residual concentration of carotenoids. It is suggested for future work the use of a vacuum system to reduce the temperature of the heat treatment.
Keywords: kinetic, thermal degradation, modelling, simulation, continuous reactor,macauba oil
1 INTRODUÇÃO
A macaúba, espécie Acrocomia aculeata, é uma palmeira nativa da América tropical e subtropical, presente em grande parte do território brasileiro. Possui grande potencial para a produção de óleo que pode ser aplicado em diversos setores, no alimentício pode ser usado para a produção de azeite extra virgem, no cosmético na produção de sabonetes e além disso, o óleo pode ser usado com um biocombustível. O óleo é extraído do fruto maduro dessa árvore, esse é esférico, ligeiramente achatado, com diâmetro variando de 3.0 a 6.0 cm. A casca externa do fruto é rígida, frágil, de coloração marrom-amarelada. A polpa é comestível de cor amarela e oleosa, no interior do fruto há uma castanha dura que contém em seu interior uma amêndoa também comestível.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 Podem ser extraídos dois diferentes óleos da macaúba, um do mesocarpo e outro da amêndoa (Fig. 1). Esses óleos vegetais possuem características bem distintas. O óleo do mesocarpo possui uma coloração amarelo avermelhada, indicando a elevada presença de carotenoides enquanto o óleo da amêndoa possui uma coloração amarelada translúcida até transparente possuindo assim, um teor de carotenoides, em comparação, reduzido. Dessa forma, o interesse no óleo do mesocarpo vem crescendo já que os carotenoides são pigmentos que possuem atividade provitamina A, antioxidante e de grande interesse para o setor alimentício, pois cresce a demanda por alimentos que contenham ingredientes naturais, que se destacam principalmente pela coloração e o valor nutricional (MORAIS, 2006).
Figura 1: Fruto da macaúba seccionado e frutos da macaúba conectados ao cacho da palmeira
Fonte: FERREIRA (2013)
Industrialmente, para o aumento da estabilidade dos óleos vegetais, é necessário que o óleo seja aquecido em temperaturas que variam de 260° a 340° C, com isso, os carotenoides presentes no óleo se degradam. Assim, um conhecimento preciso da cinética de degradação térmica se torna determinante para prever quantitativamente mudanças específicas que também ocorrem nos óleos de macaúba (VALÉRIO, 2017).
A hidrogenação é um processo que usa gás hidrogênio para transformar um óleo líquido vegetal em margarina. Esse processo estabiliza o óleo e impede a deterioração causada pela oxidação. As reações de hidrogenação são sensíveis a uma série de fatores que podem impactar negativamente o tempo de produção do lote, vida útil do catalisador, taxa de produção e seletividade.
É conveniente reforçar que o Brasil, pela diversidade de sua flora, especificamente sobre o setor de plantas oleaginosas, é um país que possui elevado potencial para ser um dos líderes
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 mundiais no que se refere à exploração, produção e comercialização de produtos do setor de óleos e gorduras vegetais (ANDRADE, et al 2006).
2 OBJETIVOS
O objetivo do presente estudo se apresenta na condução de estudo da modelagem e simulação da cinética de decomposição dos carotenoides, presentes no óleo da macaúba para obtenção dos perfis de concentração e temperatura versus tempo através do equacionamento dos balanços de massa e energia em regime transiente.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Foi realizada a modelagem do sistema conforme os sistemas de Equações Diferenciais (1) e (2). A Equação Diferencial (1) representa o balanço de massa de cada componente envolvido na cinética de decomposição do óleo, já a Equação Diferencial (2) representa o balanço de energia no reator de hidrogenação e desodorização.
𝐹𝐶𝑎0− 𝐹𝐶𝑎 − 𝐾0𝑒 −𝐸𝑎 𝑅(𝑇𝑎−𝑇0)𝐶𝑎𝑉 = 𝑉𝑑𝐶𝑎 𝑑𝑡 (1) 𝜌𝐹𝐶𝑝𝑇0− 𝜌𝐹𝐶𝑝𝑇𝑎− ∆𝐻𝐾0𝑒 −𝐸𝑎 𝑅(𝑇𝑎−𝑇0)𝑉 − 𝑈𝐴(𝑇𝑎 − 𝑇 0) + 𝑞̇ = 𝜌𝑉𝐶𝑝 𝑑𝑇𝑎 𝑑𝑡 (2)
Os dados considerados para a simulação de um reator de volume de 100L estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Dados para simulação de um reator de 100 L.
Dados Valores
Concentração inicial da macaúba no óleo (𝑪𝒂𝟎)
249 𝑚𝑔. 𝑘𝑔−1
Constante de velocidade da reação (𝒌𝟎) 2,6 ∗ 10−4 𝑚𝑖𝑛−1
Densidade (𝝆) 90 𝑘𝑔. 𝑚−3
Calor específico (𝒄𝒑) 107.400 𝐽(𝑘𝑔. min )−1
Energia de ativação (𝑬𝒂) 105.000,32 (𝐽. 𝐾𝑔−1)
Para resolver os Sistemas de Equações Diferenciais Ordinárias representadas por (1) e (2) foi utilizado o método de Runge-Kutta de 4ª ordem resolvidas pelo software livre Octave. Foi desenvolvido um programa computacional para a resolução do sistema de equações diferenciais descrito na Figura 2.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 Figura 2. Programa computacional para a resolução do sistema de equações diferenciais.
O programa que gera os resultados da simulação da Figura 2 está apresentado na Figura 3.
Figura 3. Programa computacional que gera os resultados da simulação.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES [tempo,solucao]=ode45('reatorcontinuo',[0 5],[249,373]); figure conc=solucao(:,1); plot (tempo,conc,"Color","b","linewidth",2); grid on;
set (gca, "fontsize",16)
xlabel("Tempo (minutos)", "Color","k","fontsize", 14); ylabel("Concentração de carotenóides (mg/kg)", "Color","k","fontsize",14); figure temp=solucao(:,2); plot (tempo,temp,"Color","m","linewidth",2); grid on;
xlabel("Tempo (minutos)", "Color","k","fontsize", 14); ylabel("Temperatura (K)", "Color","k","fontsize",14); function f=reatorcontinuo(t,Y) F=0.001; % L/min V=100; % L Ca0=249; % (mg/kg) k0=2.6e-4; % (1/min) dens=900; % (kg/m3 ou g/L) % cp=1790; % J/kg.s cp=107400; % J/kg.min dif=((1/Y(2))-(1/373)); % Ea=87500 kJ/mol Ea=105000.32; % J/kg %R=8.31 J/mol.K; R= 10.06; % J/kg K % deltah = 81000 J/mol deltah=9.8053e4; %J/kg %if t<17 qadd=1e12; % else % qadd=0; % end % J/min k=k0*exp(-(Ea/R)*dif); f(1,1)=((F/V)*(Ca0-Y(1)))-k*Y(1); aux=dens*V*cp; f(2,1)=(dens*F*cp*(373-Y(2))/aux+(deltah*k*Y(1)*V)+qadd)/aux;
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 A partir dos resultados da simulação representados pela Figura 2 foram obtidos os perfis da concentração dos carotenoides e da temperatura, apresentados pelas Figuras 4 e 5.
Figura 4. Perfil de concentração.
Figura 5. Perfil de temperatura.
Os resultados mostram que o perfil de temperatura foi ascendente, estabilizando em 560 K e o perfil de concentração obtido na simulação foi descendente variando de 248 mg/L para 141 mg/L no processo de hidrogenação do óleo de macaúba com adição de calor no sistema. Assim, é perceptível que o tratamento térmico causou uma drástica queda na concentração dos carotenoides. No entanto, apesar da alta temperatura (560 K) no processo de hidrogenação
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 ainda há traços de carotenoides disponíveis no sistema. Com isso mostra-se possível uma futura aplicação desse óleo para a fabricação de alimentos mais nutritivos, com alto teor de vitamina A, como a margarina de macaúba.
5 CONCLUSÃO
Com a simulação realizada foi possível determinar como os carotenoides do óleo se degradam quando são submetidos ao aquecimento e a partir disso obteve-se dados cinéticos mais precisos para aplicações industriais desse óleo vegetal, como na fabricação de alimentos nutritivos e também no ramo de biocombustíveis. Os resultados mostraram que quando aquecido até a temperatura de 560 K, o óleo da macaúba apresenta uma concentração residual de 141 mg/L no processo de hidrogenação do óleo. Assim, é possível concluir que apesar da concentração de carotenoides cair durante o processo, ainda há uma quantidade residual de carotenoides no final, possibilitando a obtenção de alimentos nutritivos a partir do óleo de macaúba mesmo quando submetido a um tratamento térmico.
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REFERÊNCIAS
ANDRADE, M. H. C. et al. Óleo do Fruto da Palmeira Macaúba Parte I: Uma Aplicação Potencial Para Indústrias de Alimentos, Fármacos e Cosméticos. II ENBTEQ - Encontro Brasileiro sobre Tecnologia na Indústria Química / III Seminário ABIQUIM de Tecnologia, 2006, São Paulo. Anais do II ENBTEQ - Encontro Brasileiro sobre Tecnologia na Indústria Química. São Paulo: ABEQ, 2006.
BARCZA, M. V. Hidrogenação óleos e gorduras. USP- Escola de engenharia de Lorena.
MORAIS, F. L. Carotenoides: Características Biológicas e Químicas. Dissertação (pós-graduação) – UnB – Brasília, 2006.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 5, n. 9, p. 16462-16469 sep. 2019 ISSN 2525-8761 Sikkema, A. Pig feed from biofuel residues saves land in Brazil. Science: Agriculture. Resource Magazine, Wageningen, NL. ISSN:1389-7756. Academic year 2017/2018.
PINTO, F. et al. Hydrogenation of rapeseed oil for the production of liquid bio-chemicals. Applied Energy, v. 102, February 2013, p. 272-282.
VALÉRIO, P. P. Edible oil mechanically extracted from Acrocomia aculeata palm fruit as novel foods: processing, characterization and thermal degradation kinectic of bioactive compounds. Dissertação (doutorado) – UFMG – Departamento de Engenharia Química, Escola de Engenharia. Belo Horizonte, 2017.
