engenharia quÍmica geovana teixeira alves da silva

Cuiabá, MT

Maio de 2021

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE VÁRZEA GRANDE

FACULDADE DE ENGENHARIAS

ENGENHARIA QUÍMICA

GEOVANA TEIXEIRA ALVES DA SILVA

ESTUDO DE PROCESSOS CONVENCIONAIS DE EXTRAÇÃO DE ÓLEOS

ESSENCIAIS VIA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: UMA BASE PARA UM PROJETO

INDUSTRIAL

Cuiabá, MT

Maio de 2021


ESTUDO DE PROCESSOS CONVENCIONAIS DE EXTRAÇÃO DE ÓLEOS

ESSENCIAIS VIA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: UMA BASE PARA UM PROJETO

INDUSTRIAL

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

à Universidade Federal do Mato Grosso,

como parte das exigências do Curso para

obtenção do título de Bacharel em Engenharia

Química.

Orientador: Leonardo Gomes de Vasconcelos.

Coorientador: Lucas Campos Curcino Vieira.

3


ESTUDO DE PROCESSOS CONVENCIONAIS DE EXTRAÇÃO DE ÓLEOS ESSENCIAIS

VIA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: UMA BASE PARA UM PROJETO INDUSTRIAL

Aprovado em: __/__/__

_______________________________________

Geovana Teixeira Alves da Silva

(Graduanda)

________________________________________

Leonardo Gomes de Vasconcelos

(Orientador)

________________________________________

Lucas Campos Curcino Vieira

(Coorientador)

Banca Examinadora:

________________________________________

Gabriel Henrique Justi

(Membro avaliador)

________________________________________

Lucas Campos Curcino Vieira

(Membro Avaliador)

4

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais Celso Alves da Silva e Maria Rita Teixeira da Silva, por estarem

comigo a cada passo do caminho. Agradeço por todo o esforço que veio de vocês para me

permitir chegar aqui, por todos os conselhos, apoio e amor.

Sou grata ao meu irmão Fernando Teixeira Alves da Silva, que independente dos

desentendimentos, sempre foi um exemplo para mim.

Agradeço meu namorado Matheus Cassiano Medeiros Santos, cuja paciência, amor e

cuidado tornaram os últimos tempos mais calmos e felizes.

Aos meus amigos, em especial ao Rhuan Marcel, Monique Lenz e João Vitor Nunes,

por se tornarem minha família nos últimos cinco anos, muito obrigada.

Agradeço a cada um dos meus familiares, cujo apoio foi essencial para o meu

crescimento.

Obrigada ao meu tio José Teixeira Neto (in memoriam), a única pessoa com quem

dividia o interesse e entusiasmo pela engenharia química, me motivando sempre a continuar.

Agradeço aos meus colegas de classe, por toda a ajuda, amizade e materiais trocados.

Minha gratidão aos professores cuja dedicação e amor pela profissão me fizeram

crescer pessoal e profissionalmente, principalmente aos meus orientadores Leonardo Gomes

de Vasconcelos e Lucas Campos Curcino Vieira.

5

RESUMO

Óleos essenciais são produtos do metabolismo secundário de plantas aromáticas

usadas como parte dos sistemas de defesa e propagação vegetal. São compostos

majoritariamente por duas ou três substâncias, porém podem chegar a ter até sessenta

componentes, cuja concentração e presença dependem das interações feitas pela planta com o

ambiente. Os óleos essenciais são caracterizados por seu forte odor e possuem propriedades

antimicrobianas, que recentemente tem sido explorada por diversos campos da biotecnologia,

aumentando o consumo e, consequentemente, a demanda por este produto. Para obter os óleos

essenciais existem diversos métodos, sendo o método de arraste a vapor, a hidrodestilação e a

turbodestilação os mais comumente utilizados em laboratórios e indústrias. Com isso, buscou-

se comparar o desempenho de tais métodos para identificar a escolha mais viável para a

implementação de uma indústria. A partir do levantamento de dados bibliográficos, foi feito o

balanço de massa e de energia referente a esses três métodos extrativos, comparando os seus

gastos de insumos e energia, os resultados obtidos mostram um consumo de combustível de

4,05x10-5

kg/s para o método de arraste a vapor e de 0,0119 kg/s para os métodos de

hidrodestilação e turbodestilação, além disso, obteve-se uma vazão de água fria no

condensador de 0,01 kg/s para o método de arraste a vapor, enquanto para os métodos da

hidrodestilação e turbodestilação foram obtidos 0,5 kg/s e 1 kg/s, respectivamente. O

consumo de água no extrator em kg de água/ kg de matriz vegetal foi de 5,85, 8,889 e 4 para

os métodos de arraste a vapor, hidrodestilação e turbodestilação, na devida ordem. Desta

forma foi possível inferir que os métodos de arraste a vapor e de turbodestilação apresentam

um menor consumo de insumos para o funcionamento da planta industrial, representando

importantes tecnologias na implantação de uma indústria de extração de óleos essenciais.

Palavras-chaves: óleos essenciais; arraste a vapor; hidrodestilação; turbodestilação;

indústria de extração de óleos essenciais.

6

ABSTRACT

Essential oils are products of the secondary metabolism of aromatic plants used as part

of defense and plant propagation systems. They are composed mainly of two or three

substances, however they can reach up to sixty components, whose concentration and

presence depend on the interactions made by the plant with the environment. Essential oils are

characterized by their strong odor and antimicrobial properties, which have recently been

explored by several fields of biotechnology, increasing consumption and, consequently, the

demand for this product. To obtain essential oils, there are several methods, the steam

distillation method, hydrodistillation and turbo-hydrodistillation are the most commonly used

in laboratories and industries. Thus, the objective was to compare the performance of those

three methods to identify the most viable choice for the implementation of an industry. From

data obtained in bibliographic research, a mass and energy balance was made for these three

extractive methods, comparing their raw materials and energy outlay, the results obtained

show a fuel consumption of 4.05x10-5 kg/s for the steam distillation method and 0.0119 kg/s

for the hydrodistillation and turbo-hydrodistillation methods, in addition, a cold water’s flow

in the condenser of 0.01 kg/s was obtained for the steam distillation method , while for the

methods of hydrodistillation and turbo-hydrodistillation, 0.5 kg / s and 1 kg / s were obtained,

respectively. The water consumption in the extractor in kg of water/kg of vegetable matrix

was 5.85, 8.889 and 4 for the methods of steam distillation, hydrodistillation and turbo-

hydrodistillation, in due order. Thus, it was possible to infer that the methods of steam

distillation and turbo-hydrodistillation present a lower consumption of inputs for the operation

in an industrial plant, representing important technologies in the implantation of an essential

oil extraction industry.

Keywords: essential oils; steam distillation; hydrodistillation; turbo-hydrodistillation;

essential oil extraction industry.

7

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS 9

LISTA DE FIGURAS 10

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS 11

1. INTRODUÇÃO 14

2. OBJETIVOS 16

2.1 Objetivo geral 16

2.2 Objetivos específicos 16

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16

3.1 Plantas aromáticas e os óleos essenciais 16

3.2 Composição química dos óleos essenciais 17

3.3 Aplicações dos óleos essenciais 18

3.3.1 Óleos essenciais e a saúde humana 18

3.3.2 Óleos essenciais e a agricultura 18

3.3.3 Óleos essenciais e a indústria alimentícia 19

3.4 Métodos de extração de óleos essenciais 19

3.4.1 Extração via enfloração e via prensagem a frio 20

3.4.2 Extração por solventes orgânicos 20

3.4.3 Extração via fluido supercrítico 21

3.4.4 Extração via arraste a vapor 22

3.4.5 Extração por hidrodestilação 22

3.4.6 Extração por turbodestilação 22

3.5 Análise do cenário econômico das indústrias de extração de óleos essenciais 23

4. MATERIAIS E MÉTODOS 25

4.1 Materiais 25

4.2 Métodos 25

4.2.1 Revisão de Literatura 25

8

4.2.2 Indicadores do processo de extração de óleos essenciais 25

4.2.3 Balanço de massa 25

4.2.4 Balanço de energia 28

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 36

5.1 Indicadores do processo 36

5.2 Balanço de Massa e Energia 38

5.2.1 Balanço de massa e energia para arraste a vapor 39

5.2.2 Balanço de massa e energia para hidrodestilação 43

5.2.3 Balanço de massa e energia para turbodestilação 48

5.3 Comparação dos Resultados 51

6. CONCLUSÃO 52

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 54

9

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Número de Nusselt para regime laminar totalmente desenvolvido em escoamento

em tubo anular .......................................................................................................................... 34

Tabela 2- Condições operacionais para extração de OE das folhas de Rosmarinus officinalis

L. por meio de arraste de vapor ................................................................................................ 36

Tabela 3- Condições operacionais para extração de OE das folhas de Rosmarinus officinalis

L. por meio de hidrodestilação ................................................................................................. 37

Tabela 4- Condições operacionais para extração de OE de Illicium verum por meio de

turbodestilação .......................................................................................................................... 37

Tabela 5- Composição da matriz vegetal para os métodos extrativos ...................................... 38

Tabela 6- Componentes de toras de eucalipto em base seca .................................................... 40

Tabela 7- Valores de entalpia utilizados no balanço energético da caldeira para arraste a vapor

.................................................................................................................................................. 41

Tabela 8- Propriedades dos fluidos para dimensionamento do condensador do arraste a vapor

.................................................................................................................................................. 42

Tabela 9- Valores de entalpia utilizados no balanço energético da caldeira para

hidrodestilação .......................................................................................................................... 45

Tabela 10- Propriedades dos fluidos para dimensionamento do condensador da

hidrodestilação .......................................................................................................................... 46

Tabela 11- Comparação entre os métodos extrativos ............................................................... 51

10

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Exportação brasileira de óleos essenciais de 2016 a 2020........................................ 24

Figura 2- Comparação de valores de exportação de óleos essenciais entre 2016 a 2021 ......... 24

Figura 3- Fluxograma adotado para o processo de arraste a vapor .......................................... 26

Figura 4- Fluxograma adotado para o processo de hidrodestilação ......................................... 26

Figura 5- Fluxograma adotado para o processo de turbodestilação ......................................... 27

Figura 6- Balanço de massa do extrator para arraste a vapor ................................................... 39

Figura 7- Balanço de massa do condensador para arraste a vapor ........................................... 39

Figura 8- Balanço de massa do vaso florentino para arraste a vapor ....................................... 40

Figura 9- Fluxograma representativo do processo de extração por arraste a vapor ................. 43

Figura 10- Balanço de massa do extrator para hidrodestilação ................................................ 44

Figura 11- Balanço de massa do condensador para hidrodestilação ........................................ 44

Figura 12- Balanço de massa do vaso florentino para hidrodestilação .................................... 45

Figura 13- Fluxograma representativo do processo de extração por hidrodestilação .............. 47

Figura 14- Balanço de massa do extrator para turbodestilação ................................................ 48

Figura 15- Balanço de massa do condensador para turbodestilação ........................................ 48

Figura 16- Balanço de massa do reciclo para turbodestilação.................................................. 49

Figura 17- Balanço de massa do vaso florentino para turbodestilação .................................... 49

Figura 18- Fluxograma representativo do processo de extração por turbodestilação .............. 51

11

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Letras Gregas

∆𝑇𝑚𝑙𝑑𝑡: Média logarítmica da diferença de temperaturas das alimentações.

𝜇𝑎𝑓: Viscosidade dinâmica do fluido do casco.

𝜇𝑣: Viscosidade dinâmica do fluido do tubo.

𝜌𝑣: Massa específica do fluido do tubo.

𝛼: Relação ar-combustível.

𝜂: Eficiência da caldeira.

𝜋: Número irracional Pi com valor aproximado de 3,1416.

Alfabeto Romano

𝐴𝑡: Área de secção transversal do tubo.

𝐶𝑝𝑎𝑓: Calor específico da água de entrada no casco.

𝐶𝑝𝑜𝑒: Calor específico do óleo essencial de entrada no tubo do condensador.

𝐶𝑝𝑠𝑒: Calor específico do fluido quente de entrada no tubo do condensador.

CO2: Dióxido de carbono.

𝑐𝑣𝑠: Percentual de vapor na corrente de entrada do condensador;

𝑐𝑜𝑒: Percentual de óleo essencial na corrente de entrada do condensador;

𝐷ℎ: Diâmetro hidráulico.

𝐷𝑖: Diâmetro interno do tubo.

𝐷𝑜: Diâmetro externo do casco.

FDA: U.S. Food and Drug Administration.

ℎ𝑎𝑙𝑖: Entalpia da água de alimentação.

ℎ𝑖: Coeficiente de transferência de calor do tubo.

ℎ𝑜: Coeficiente de transferência de calor do casco.

ℎ𝑠: Entalpia do fluido quente.

𝑘𝑐: Condutividade térmica do fluido do casco.

𝑘𝑡: Condutividade térmica do fluido do tubo.

𝐿𝑡𝑐: Comprimento do trocador de calor.

𝑚𝑎: Massa de água a ser adicionada ao extrator.

𝑚𝑚𝑣: Massa de matriz vegetal.

𝑚𝑐𝑚: Massa do componente.

12

𝑀′𝑎𝑟: Massa estequiométrica de ar para a combustão.

𝑀𝑐𝑚: Massa molar do componente.

𝑚𝑎𝑟: Massa real de ar para a combustão.

MLDT: Média Logarítmica de Diferença de Temperatura.

𝑚𝑎𝑓 : Vazão mássica de água fria no casco.

𝑚𝑐 : Vazão mássica de combustível.

𝑚𝑜𝑒 : Vazão mássica de óleo essencial de entrada no tubo do condensador.

𝑚𝑠𝑒 : Vazão mássica de fluido quente de entrada no tubo do condensador.

𝑚𝑠 : Vazão mássica de fluido quente.

𝑚𝑣𝑠 : Vazão mássica de vapor superaquecido.

𝑛: Fator de aquecimento ou de arrefecimento.

𝑁𝑢: Número adimensional de Nusselt.

𝑁𝑢𝑐: Número adimensional de Nusselt para o casco.

Nut: Número adimensional de Nusselt para o tubo.

𝑛𝑐𝑚: Número de mols do componente.

OE: Óleos essenciais.

𝑃𝑟: Número adimensional de Prandtl.

PCI: Poder Calorífico Inferior.

PCS: Poder Calorífico Superior.

𝑃: Pressão.

Pcr: Pressão Crítica.

𝑝𝑎𝑣: Proporção de água-matriz vegetal

𝑞𝑜𝑒: Calor do óleo essencial da corrente de entrada no tubo do condensador.

𝑞𝑠: Calor do fluido quente da corrente de entrada no tubo do condensador.

𝑄𝑐: Calor fornecido pelo combustível.

𝑞𝑚é𝑑𝑖𝑜: Calor médio da corrente de entrada no tubo do condensador.

𝑄𝑝𝑡: Calor perdido total.

𝑄𝑟𝑒𝑞: Calor requerido para produzir o fluido quente.

𝑅: Constante geral dos gases.

Re: Número adimensional de Reynolds.

𝑅𝑒𝑐: Número adimensional de Reynolds para o casco.

𝑅𝑒𝑡: Número adimensional de Reynolds para o tubo.

T: Temperatura

13

Tcr: Temperatura crítica.

𝑇𝑒𝑐: Temperatura de entrada da água do casco.

𝑇𝑣: Temperatura de entrada da corrente no tubo do condensador.

𝑇𝑠: Temperatura de saída da corrente no tubo do condensador.

𝑇𝑠𝑐: Temperatura de saída da água do casco.

𝑡𝑝: Tempo do processo

𝑡𝑐: Teor de carbono no combustível.

𝑡𝑆: Teor de enxofre no combustível.

𝑡𝐻: Teor de hidrogênio no combustível.

𝑡𝑂: Teor de oxigênio no combustível.

𝑡𝑤: Teor de umidade no combustível.

𝑈: Coeficiente global de troca de calor.

US$: Dólares americanos.

𝑣𝑠: Velocidade média do fluido do tubo.

𝑉: Volume.

14

1. INTRODUÇÃO

O uso de óleos essenciais (OE) pelo ser humano possui registros datados há mais de

60 mil anos, tendo seu uso focado principalmente para práticas medicinais e ritos religiosos,

porém, foi somente em 1910 que suas propriedades começaram a ser estudadas

cientificamente pelo engenheiro químico René Maurice Gattefossé (1881-1950), sendo que

em 1918, uma formulação que utilizava óleo essencial de lavanda já estava em uso nos

hospitais, devido suas propriedades antissépticas (GNATTA et al., 2016; NASCIMENTO;

PRADE, 2020).

Os OE provêm de uma mistura de metabólitos secundários que são sintetizados por

plantas aromáticas. Os OE possuem inúmeras utilidades nos processos fisiológicos das

plantas, tendo destaque nos sistemas de defesa e de propagação, por apresentar propriedades

antimicrobianas e atrair insetos que podem espalhar sementes e pólen (ANDRADE, 2013;

RIBEIRO, 2016). Os OE são geralmente voláteis, límpidos e de forte odor, tendo em sua

composição entre vinte a sessenta substâncias, sendo que duas ou três serão majoritárias. A

constituição de um dado óleo essencial varia de acordo com as condições do ambiente em que

a planta estava inserida, suas interações com outros seres vivos e sua origem botânica

(ANDRADE, 2013; PEREIRA; BRITO; BEZERRA, 2017; PIMENTEL, 2014).

É essa composição química diversificada que tem feito com que suas propriedades

tenham sido cada vez mais exploradas em diversos campos. Quanto à saúde humana, a

aromaterapia é um ramo de destaque para os OE, promovendo uma melhora na saúde mental

e física a partir do seu uso, além disso, estudos recentes, como Asif et al. (2016) e Oliveira et

al. (2015), mostram o potencial de alguns tipos de OE como alternativa ao tratamento

convencional de câncer, a quimioterapia (NASCIMENTO; PRADE, 2020). Também existem

estudos envolvendo a aplicação de OE em atividades agrícolas, como uma alternativa

ecologicamente viável quando comparada aos produtos químicos tradicionalmente utilizados

e, também sendo estudado seu uso na indústria alimentícia como conservantes e

aromatizantes, dado que a população em geral está cada vez mais preocupada com os

produtos que compõe seu alimento (HYLDGAARD; MYGIND; MEYER, 2012; OOTANI et

al., 2013).

A obtenção de OE foi aperfeiçoada durante o curso da história humana, sendo a

enfloração e a prensagem a frio, métodos mais rústicos que consistem, respectivamente, na

deposição de plantas sob uma camada de gordura e a prensagem do pericarpo, toda parte do

fruto que envolve a semente, usados cada vez menos, exceto por situações específicas como

15

na obtenção de óleos de alto valor no mercado a partir de pétalas ou então na obtenção de

óleos de frutas cítricas (PIMENTEL, 2014; RIBEIRO, 2016).

O avanço tecnológico permitiu a criação dos métodos da hidrodestilação, da extração

por arraste a vapor e da turbodestilação, baseados no principio da destilação. Esses três

métodos se diferenciam principalmente pelo contato da matriz vegetal com a água, usada

como solvente extrator e, pelo destino imediato do vapor produzido uma vez que, no método

de arraste a vapor a matéria-prima não entra em contato com a água na sua forma líquida e o

vapor contendo os óleos essenciais é encaminhado ao condensador e depois ao vaso

florentino. Para a hidrodestilação, no entanto, o vegetal está imerso no solvente extrator e o

vapor, assim como no arraste a vapor, é encaminhado ao condensador e em seguida ao vaso

florentino, diferentemente da turbodestilação, onde além da matriz estar imersa em água, o

vapor aqui produzido é condensado e depois recirculado durante o processo (RIBEIRO, 2016;

PIRES, 2017; ARAMRUEANG; ASAVASANTI; KHANUNTHONG, 2019; PÉRINO et al.,

2019; ).

Outro método existente, usado geralmente em escala laboratorial, é a extração com

solventes orgânicos, destinado a óleos que possuem componentes muito voláteis e que não

suportam altas temperaturas. Seu funcionamento é similar a hidrodestilação, porém, o

solvente aqui usado é de origem orgânica como o benzeno, hexano e etanol, extraindo não

somente os óleos essenciais da matriz, como também outros compostos como os pigmentos, o

que diminui a pureza do produto final, obtido após destilação do solvente de extração

utilizado (FILIPPIS, 2001; PIMENTEL, 2014; RIBEIRO, 2016).

Um dos métodos mais modernos existentes é a extração por fluído supercrítico, onde

um fluido, geralmente o CO2, é colocado em seu estado supercrítico a partir do aumento da

pressão e da regulagem da temperatura e então, colocado em contato com a matriz vegetal,

seca e moída, volatizando os OE contidos nela. O processo segue com uma despressurização,

fazendo com que o CO2 volte ao seu estado gasoso e que os óleos essenciais se liquefaçam, é

obtido então um óleo essencial com alto grau de pureza, no entanto, essa tecnologia se mostra

inviável devido aos altos custos de equipamentos e a presença de alguns componentes polares

nos OE que não são extraídos (FILIPPIS, 2001; PIMENTEL, 2014).

Diante dos fatos apresentados, o presente trabalho tem como foco o estudo dos

métodos convencionais de extração de óleos essenciais a partir de uma revisão sistemática da

literatura, buscando-se compará-los e propor o melhor método para a implementação de uma

planta industrial.

16

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Estudar métodos convencionais de extração de óleos essenciais através de uma revisão

sistemática da literatura e com base nisso propor uma unidade produtiva para obtenção de

óleo essencial.

2.2 Objetivos específicos

● Realizar revisão de literatura em bases de dados indexadas.

● Realizar balanços de massa e energia para os métodos convencionais de extração de

óleos essenciais.

● Estabelecer indicadores dos processos/métodos convencionais de extração de óleos

essenciais.

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Plantas aromáticas e os óleos essenciais

Plantas aromáticas são espécies vegetais que possuem em sua constituição óleos

essenciais, geralmente de odor agradável, capazes de sensibilizar o olfato humano. Embora o

uso desses óleos seja milenar, somente nas últimas décadas seu potencial tem sido explorado

pelas indústrias farmacêuticas e alimentar, entre outros ramos da biotecnologia, mostrando-se

um mercado promissor (RIBEIRO, 2016).

Os óleos essenciais são caracterizados por uma mistura de metabólitos secundários

sintetizados pelas plantas aromáticas, ou seja, substâncias que não são primordiais para a

sobrevivência do vegetal, mas que estão relacionadas às suas interações ecológicas com o

ambiente em que se encontra, facilitando a perpetuação de sua espécie no ecossistema

(ANDRADE, 2013).

As principais características dos OE incluem seu forte odor, sua alta volatilidade,

sendo límpidos e raramente coloridos, solúveis em solventes orgânicos, em gorduras e óleos e

menos densos que a água, além disso, são instáveis à luz e oxigênio, meios com pH extremos

e substâncias oxidantes. Por serem compostos por diversas substâncias, é possível ainda que

17

seus componentes possam sofre reações entre si ou com o meio em que se encontram,

alterando suas propriedades físico-químicas (ANDRADE, 2013).

Na natureza, os óleos essenciais fazem parte do sistema de defesa das plantas, atuando

como agente antifúngico, antibacteriano, inseticida e antiviral, além de proteger contra

ataques de herbívoros. Ainda, os OE podem atrair insetos que facilitam a dispersão de

sementes ou pólen das plantas, facilitando a propagação da espécie, atuando também na

retenção de perda de água e no controle de temperatura do organismo vegetal (ANDRADE,

2013).

O potencial tecnológicos dos OE se destaca por conciliar seu perfume às propriedades

antimicrobianas e antioxidantes, sendo produtos naturais, com baixa toxicidade aos

mamíferos, biodegradáveis e que apresentam desempenho similar a componentes sintéticos

desenvolvidos para a mesma atribuição. Além disso, os OE podem ser utilizados para proteger

cultivos agrícolas contra pragas e doenças, por não ser um componente bioacumulável, não

apresentando os mesmos riscos à saúde humana que os componentes sintéticos (PEREIRA;

BRITO; BEZERRA, 2017).

3.2 Composição química dos óleos essenciais

Os constituintes dos OE são divididos em dois grupos caracterizados por seu baixo

peso molecular: o grupo dos derivados de fenilpropanóides; e os derivados de terpenóides, um

grupo heterogêneo de compostos com dupla ligação, os terpenos, com seus derivados

oxigenados, que constituem cerca de 80% dos óleos essenciais (PIMENTEL, 2014). As

substâncias terpênicas são acrescidas de funções orgânicas distintas como os álcoois,

terpênicos e simples, cetonas, ésteres, fenóis, éteres, aldeídos, peróxidos, óxidos, ácidos

orgânicos e ainda podem ser acrescidas, raramente, de compostos com enxofre e nitrogênio

(ANDRADE, 2013; FOKOU; DONGMO; BOYOM, 2020).

A constituição química de um óleo essencial geralmente tem entre vinte a sessenta

componentes em quantidades variáveis, sendo que dois ou três destes componentes são

encontrados em altas concentrações, quando comparados aos demais, sendo estes chamados

então de componentes majoritários (PIMENTEL, 2014; ANDRADE, 2013).

A composição dos OE é diretamente afetada por diversos fatores como a origem

botânica, procedimentos de cultivo da planta, métodos de extração e condições ambientais as

quais a planta foi exposta como a luminosidade, temperatura, quantidade de água ofertada,

radiação ultravioleta, altitude e disponibilidade de nutrientes. Além disso, as interações

18

ecológicas entre a planta e os micro-organismos, insetos e outras plantas presentes no local de

cultivo também podem alterar a quantidade presente de alguns compostos nos OE (PEREIRA;

BRITO; BEZERRA, 2017).

3.3 Aplicações dos óleos essenciais

Os óleos essenciais podem ser utilizados em diversos ramos da atividade humana,

dada a sua ampla gama de propriedades fornecidas por sua composição diversificada

(FOKOU; DONGMO; BOYOM, 2020).

3.3.1 Óleos essenciais e a saúde humana

A associação de plantas aromáticas para o benefício da saúde humana é algo milenar,

existindo registros do uso de óleos essenciais de mais de 60 mil anos atrás nas culturas

indiana, chinesa e egípcia, sendo utilizados tanto para o ramo da medicina, quanto para ritos

religiosos (NASCIMENTO; PRADE, 2020).

Nos dias modernos tem-se como destaque a aromaterapia, prática terapêutica que se

utiliza dos óleos essenciais para promover a saúde física e mental e que contribui para

diversos sistemas do corpo humano, como o sistema respiratório, onde os óleos essenciais de

eucalipto (Eucalyptus globulus L.), por exemplo, promovem uma melhor taxa de troca gasosa

e assepsia do sistema respiratório, diminuindo tosses e tendo efeito expectorante

(NASCIMENTO; PRADE, 2020).

Além disso, estudos recentes descritos por Asif et al. (2016) e de Oliveira et al. (2015)

mostram resultados promissores de diferentes tipos de óleos essenciais contra tumores

cancerígenos, sendo que os dois estudos demonstram baixa toxicidade do óleo essencial às

células saudáveis e, ainda, de Oliveira et al. (2015) consegue obter resultados similares aos

medicamentos tradicionalmente utilizados em quimioterapia, tratamento convencional ao

câncer, a partir dos óleos essenciais de Tagetes erecta L. (cravo-amarelo), Tetradenia riparia

(pau-de-incenso), Bidens sulphurea (picão), e Foeniculum vulgare M. (erva-doce),

demonstrando o grande potencial que os óleos essenciais possuem na medicina.

3.3.2 Óleos essenciais e a agricultura

Os óleos essenciais surgem na agricultura como uma alternativa aos produtos

químicos tradicionalmente usados, os quais causam a contaminação de lençóis freáticos e o

acumulo de metais pesados nos alimentos cultivados. Os OE podem apresentar propriedades

19

fitotóxicas, promovendo a inibição do crescimento ou da germinação de ervas daninhas, como

o caso da Artemisia scoparia Waldst. & Kit (Artemisia). Além disso, óleos essenciais como

os da Cymbopogon nardus (citronela) e do Eucalyptus citriodora (eucalipto-cidró),

apresentam propriedades ovicidas, larvicidas, repelente, antialimentar e causam ainda, efeitos

tóxicos em uma grande variedade de insetos (OOTANI et al., 2013).

Fatores como a ausência de toxicidade para mamíferos, rápida taxa de biodegradação e

a não contaminação de corpos aquosos, permitem o desenvolvimento de insumos agrícolas

utilizando óleos essenciais. É possível constatar também que, apesar da maior parte dos testes

serem desenvolvidos em laboratórios, a eficácia de inseticidas e herbicidas produzidos com

óleos essenciais não é diminuída quando aplicados em lavouras (ISMAN; MIRESMAILLI;

MACHIAL, 2011).

3.3.3 Óleos essenciais e a indústria alimentícia

A busca da indústria alimentícia por novos conservantes surge nos últimos anos

devido aos novos critérios estabelecidos pelos consumidores, além do alto índice de doenças

relacionadas à comida que surgem em todo o mundo. A indústria alimentícia já utiliza óleos

essenciais em suas cadeias produtivas como aromatizantes, porém, quando se trata do seu uso

como conservantes, a principal preocupação se concentra na ausência de conhecimento do

modo de ação destes componentes (HYLDGAARD; MYGIND; MEYER, 2012).

Apesar de o uso de óleos essenciais de plantas como lavanda, orégano e baunilha, já

terem seus usos como aromatizantes e conservantes aprovados em comissões como a

European Commission e a U.S. Food and Drug Administration (FDA), por serem

considerados pelos dois órgãos como agentes naturais, ainda são necessários estudos que

comprovem sua eficácia, se o seu uso promove alguma alteração organoléptica no produto e,

que sua interação com a matriz alimentar e com os outros componentes utilizados é seguro

para o consumo humano (FALLEH et al., 2020; HYLDGAARD; MYGIND; MEYER, 2012).

3.4 Métodos de extração de óleos essenciais

Existem diversas forma de se extrair óleos essenciais e a escolha por um método de

extração varia com a parte da planta da qual o óleo essencial será extraído e para qual uso ele

se destinará. É importante ressaltar que, independente do método escolhido, o rendimento da

obtenção de óleos essenciais, calculado em relação à massa de vegetal utilizado, geralmente

fica próximo a 1%, sendo raras as plantas que permitem um rendimento maior que 10%, como

o caso dos botões florais do Syzygium aromaticum (cravo-da-índia). Os métodos de extração

20

mais comuns, a serem explicitados abaixo, são: enfloração, prensagem a frio, extração com

solventes orgânicos, extração por fluido supercrítico, arraste a vapor, hidrodestilação e

turbodestilação (RIBEIRO, 2016; PIMENTEL, 2014).

3.4.1 Extração via enfloração e via prensagem a frio

Este método atualmente é empregado nas indústrias de perfumes que necessitam

extrair OE de plantas contendo um baixo teor de óleos essenciais de alto valor de mercado. A

extração via enfloração é destinada a extrair óleo essencial contido em flores, sendo as pétalas

mantidas em temperatura ambiente, e depositadas em uma capa de gordura, que funciona

como extrator. As pétalas são substituídas até que camada de gordura esteja totalmente

saturada e, então, a gordura é tratada com álcool, sendo este álcool submetido a uma

destilação a baixa temperatura, onde é possível se obter o óleo essencial desejado. Este

procedimento possui um alto valor de execução, além de ser complexo e lento, sendo pouco

utilizado atualmente (PIMENTEL, 2014).

Já a extração via prensagem a frio é exclusivamente destinada para extrair óleo

essencial de frutos cítricos, devido à presença de óleos essenciais em bolsas no seu pericarpo,

tecido do fruto que envolve a semente. Nesta forma de extração, o pericarpo é prensado em

uma prensa hidráulica, formando uma emulsão de onde é separado o óleo essencial a partir de

decantação, destilação fracionada ou centrifugação (RIBEIRO, 2016).

3.4.2 Extração por solventes orgânicos

Esta técnica é adotada em casos em que o óleo essencial desejado possui compostos

muito instáveis, não permitindo que uma alta temperatura seja utilizada no processo. Neste

tipo de extração, é utilizado um solvente orgânico, como benzeno, hexano ou etanol,

extraindo não somente o óleo essencial, como todos os compostos lipofílicos da planta

utilizada, como ceras e pigmentos, sendo o solvente recuperado por meio de destilação ou

evaporação, podendo ser reutilizado (RIBEIRO, 2016; PIMENTEL, 2014).

Esse processo é eficiente somente em nível laboratorial, uma vez que envolve um alto

custo e necessita de muito tempo para a remoção completa do solvente, além disso, os óleos

essenciais obtidos desta maneira possuem uma quantidade considerável de impurezas e, por

isso, seu valor comercial é baixo (FILIPPIS, 2001; PIMENTEL, 2014).

21

3.4.3 Extração via fluido supercrítico

Este é considerado o método ideal para a extração de óleos essenciais, pois não deixa

resíduos do solvente no produto obtido, tem um custo energético menor do que quando

utilizado solventes orgânicos, utiliza-se de solventes atóxicos, resulta em um produto de alta

qualidade, é considerado uma tecnologia limpa e não altera as propriedades dos OE

(FILIPPIS, 2001).

Para a realização desta técnica utiliza-se um fluido supercrítico, substância que se

encontra acima de sua pressão e temperatura críticas (Pcr e Tcr, respectivamente). A pressão

crítica é a maior pressão onde um líquido pode ser transformado em vapor caso tenha um

aumento de temperatura, e a temperatura crítica é a maior temperatura onde um vapor pode se

transformar em líquido caso se aumente a pressão do sistema, sendo que os valores de Pcr e

Tcr variam para cada substância (PIMENTEL, 2014).

Na extração de OE por esta metodologia é comumente utilizado como solvente o

dióxido de carbono (CO2) devido sua fácil obtenção, sua baixa temperatura crítica de

aproximadamente 31ºC, que permite manter todas as propriedades organolépticas do óleo

essencial desejado, sua pressão crítica de 78,3 bar, que é facilmente obtida em ambiente

industrial e ainda, o CO2 é inerte, não promovendo reação de oxidação, redução, hidrólise e

degradação química, é seguro, não explosivo e atóxico (FILIPPIS, 2001).

Neste processo tem-se a liquefação por compressão do dióxido de carbono, seguido

por um aquecimento a temperaturas superiores que a sua Tcr, fazendo com que o CO2 atinja o

estado supercrítico, onde possui propriedades de dissolução como os líquidos com

viscosidade análoga aos gases. O CO2 supercrítico é colocado em contato com o material do

qual se deseja extrair os OE, que devem estar secos e moídos, e então é encaminhado para

outro tanque, onde ocorrerá a despressurização, fazendo com que o CO2 volte a seu estado

gasoso, fazendo o óleo essencial extraído precipitar, possibilitando sua coleta (MAYRA,

2010).

As desvantagens desse método incluem o alto custo para os equipamentos industriais,

ao ponto que dependendo do material a ser extraído, o investimento se torna inviável, além

disso, algumas substâncias polares não são extraídas pelo método, sendo necessária a

utilização conjunta com outro tipo de solvente, alterando a pressão e a temperatura de

operação (FILIPPIS, 2001).

22

3.4.4 Extração via arraste a vapor

Esse tipo de extração é o mais comumente utilizado, em nível mundial, nas indústrias

de extração de óleos essenciais e se baseia na diferença de volatilidade dos componentes da

planta no vapor d’água. Este tipo de extração é bastante utilizado em escala industrial, pois é

mais simples e econômico, além de ter um custo menor quando comparado aos meios mais

avançados, como a extração por fluido supercrítico. Este método permite ainda, que um

grande volume de matéria-prima vegetal seja processado de uma única vez (PIRES, 2017).

A extração por arraste de vapor tem início em um vaso extrator, onde se dispõe o

material vegetal de interesse de maneira que favoreça o contato superficial com o vapor, uma

vez que a amostra não entra em contato com a água, somente com seu vapor, que atravessa os

tecidos das plantas, vaporizando os óleos essenciais contidos nas glândulas destes e levando

para o topo do vaso extrator, devido ao fluxo ascendente do vapor, sendo então direcionados

para um condensador (PIRES, 2017; RIBEIRO, 2016; SARTOR et al., 2011). Após o

condensador tem-se uma emulsão de água com óleo essencial que serão encaminhados a um

vaso separador, conhecido como vaso florentino, resultando na separação da fase oleosa da

fase aquosa devido as suas diferenças de densidade e polaridade (RIBEIRO, 2016).

3.4.5 Extração por hidrodestilação

A extração por hidrodestilação é similar ao método de arraste a vapor, sendo que a

principal diferença se encontra no fato de que aqui, a matéria-prima vegetal é colocada em

contato com a água durante o processo de destilação, vaporizando seus componentes voláteis,

como os OE, em seguida, são encaminhados a um condensador e por fim, destinados a um

vaso separador. Este método é o mais comum de ser utilizado em escala laboratorial, a partir

de um equipamento denominado Clevenger e, a principal desvantagem desta metodologia

consiste no fato de que, ao aquecer a água contendo o material vegetal, temperaturas acima do

ponto de ebulição da água são geralmente utilizadas, fazendo que alguns compostos voláteis

da planta se degradem, diminuindo o valor agregado ao produto final (ARAMRUEANG;

ASAVASANTI; KHANUNTHONG, 2019; GOLMAKANI; REZAEI, 2008).

3.4.6 Extração por turbodestilação

A turbodestilação é destinada a partes de plantas cujas bolsas que possuem óleos

essenciais estão em locais de difícil acesso, como troncos e raízes, o que tornaria a extração

pelos métodos acima citados mais lenta e com maior custo. Seu funcionamento é parecido

com a hidrodestilação, ou seja, a matriz vegetal é colocada no extrator contendo água, o

23

aquecimento da água permite que os óleos essenciais sejam extraídos e são carregados pelo

vapor d’água (PÉRINO et al., 2019).

No entanto, o vapor de água contendo óleos essenciais não é imediatamente

encaminhado ao vaso florentino, uma vez que, após a condensação do vapor, parte dele é

encaminhado novamente para dentro vaso extrator, enquanto outra parte segue para o vaso

florentino. Esse reciclo do vapor reduz a dificuldade de acesso às bolsas oleíferas presentes na

matriz vegetal, diminuindo também o gasto energético, devido à redução de tempo do

processo (PÉRINO et al., 2019).

3.5 Análise do cenário econômico das indústrias de extração de óleos essenciais

Em 2020 a demanda global de óleos essenciais foi de 240,08 quilotoneladas e tem

uma perspectiva de crescimento de 7,5% ao ano até 2027. O crescimento deve acontecer

devido a um aumento na demanda das indústrias de cuidados pessoal e cosméticos, assim

como indústrias de alimentos e bebidas e ainda, a aromaterapia. A procura da população

global por produtos de origem natural é a principal motivação deste aumento, fazendo com

que órgãos de regulamentação estejam implementando normas referentes ao uso, extração e

cultivos de plantas destinadas a esse fim (TRIANDAFYLLIDOU; MCAULIFFE, 2019).

É importante destacar que o Brasil oferece um grande potencial para este mercado

devido a sua grande biodiversidade, mesmo que ainda não totalmente explorada, e a sua

capacidade de cultivo de plantas exóticas, o que pode garantir uma grande participação no

mercado de óleos essenciais e seus produtos derivados (PEREIRA; BRITO; BEZERRA,

2017). No entanto, segundo o Ministério da Indústria, Comércio Exterior e Serviços (2021),

apesar do setor industrial brasileiro de extração de óleos essenciais ser responsável, no ano de

2020, por US$ 330,74 bilhões em exportação de óleos essenciais como os de laranja, lima,

limão, hortelã, entre outros, houve uma queda na exportação deste tipo de produto quando

comparado aos anos anteriores, conforme Figura 1.

24

Figura 1- Exportação brasileira de óleos essenciais de 2016 a 2020

Fonte: Comex Stat (2021)

Em 2021, ainda de acordo com o Ministério da Indústria, Comércio Exterior e

Serviços (2021) já foram exportados por este segmento cerca de US84,66 bilhões, porém,

quando comparado aos anos anteriores, mostra que a exportação total deste ano deve ser

menor que os anos anteriores, conforme Figura 2, vale ressaltar que os principais estados

exportadores são São Paulo, Amazonas, Minas Gerais e Pará e que, os principais óleos

exportados seguem a tendência dos anos anteriores.

Figura 2- Comparação de valores de exportação de óleos essenciais entre 2016 a 2021

Fonte: Comex Stat (2021)

$-

$100.000.000,00

$200.000.000,00

$300.000.000,00

$400.000.000,00

$500.000.000,00

$600.000.000,00

2016 2017 2018 2019 2020

Dó

lare

s A

mer

ican

os

Ano

$-

$50.000.000,00

$100.000.000,00

$150.000.000,00

$200.000.000,00

$250.000.000,00

2016 2017 2018 2019 2020 2021

Dó

lare

s A

mer

ican

os

Ano

25

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Materiais

Utilizou-se os softwares do Pacote Microsoft Office e MINI-REFPROP e ainda, de

bases de dados indexados como Portal de Periódicos Capes, Science Direct e Google

Acadêmico, além de pesquisa em livros e na base governamental de dados econômicos

Comex Stat.

4.2 Métodos

4.2.1 Revisão de Literatura

A partir das bases de dados indexados como o Portal de Periódicos Capes, Science

Direct e Google Acadêmico, realizou-se pesquisa em literatura entre os meses de fevereiro de

2021 e abril de 2021 com as seguintes palavras chaves em português e inglês: aplicações de

óleos essenciais; enfloração; extração de óleos essenciais por solventes orgânicos; extração de

óleos essenciais via arraste a vapor; extração de óleos essenciais via fluido supercrítico;

extração de óleos essenciais via hidrodestilação; extração de óleos essenciais via prensagem a

frio; extração de óleos essenciais via turbodestilação; mercado brasileiro de óleos essenciais;

mercado global de óleos essenciais; métodos de extração de óleos essenciais; plantas

aromáticas; uso de óleos essenciais em fármacos; uso de óleos essenciais na agricultura; uso

de óleos essenciais na saúde humana; uso de óleos essenciais;

4.2.2 Indicadores do processo de extração de óleos essenciais

Buscando obter dados experimentais para ter uma base sólida para os procedimentos

seguintes deste trabalho, utilizou-se da revisão da literatura para a obtenção das condições

operacionais sugeridas para cada tipo de óleo essencial desejado de acordo com cada método

aqui estudado.

4.2.3 Balanço de massa

Para a extração utilizando os métodos de arraste a vapor, hidrodestilação e

turbodestilação o processo produtivo foi dividido em três etapas, demostradas nas Figura 3, 4

e 5.

26

Figura 3- Fluxograma adotado para o processo de arraste a vapor

Fonte: A autora (2021)

Figura 4- Fluxograma adotado para o processo de hidrodestilação


27

Figura 5- Fluxograma adotado para o processo de turbodestilação


A análise de um processo químico tem início na Lei de Conservação de Massas,

proposta por Lavoisier: “na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”, sendo

esse o princípio da Equação Geral de Balanço, descrita na Equação 1. Esta equação visa

contabilizar a quantidade de matéria em um dado volume de controle de um processo químico

qualquer (BADINO JÚNIOR; CRUZ, 2011).

𝑆𝑎𝑖 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 + 𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 − 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 (1)

De acordo com Badino Júnior; Cruz (2011) os termos dessa equação devem ser

manipulados conforme as condições do sistema, como no caso estudado, em que se considera

ausência de reação entre os componentes do processo, os termos “Gerado” e “Consumido”

são desconsiderados, assim como termo “Acumulado”, dado que o acumulo também foi

desconsiderado.

O balanço de massa teve inicio na determinação dos parâmetros de processo, onde

fixou-se uma quantidade de matriz vegetal a ser processada por cada método de extração,

assim como determinou-se a umidade da planta e a quantidade de óleo essencial contida.

Para o método de arraste a vapor obteve-se um volume médio de vapor necessário por

tempo de processo para cada unidade de massa vegetal, porém, como o intuito era apresentar

uma vazão mássica de vapor, tendo a Equação 2, utilizou-se da Equação Geral dos Gases,

disposta na Equação 3 para determinar a quantidade de vapor necessária para o

funcionamento pleno do método extrativo.

28

𝑛𝑐𝑚 =𝑚𝑐𝑚

𝑀𝑐𝑚 (2)

𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛𝑐𝑚 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇 (3)

Em que:

𝑛𝑐𝑚: Número de mols do componente (mol);

𝑚𝑐𝑚: Massa do componente (kg de água/min.kg de vegetal);

𝑀𝑐𝑚: Massa molar do componente (g/mol);

𝑃: Pressão (kPa);

𝑉: Volume (L);

𝑅: Constante geral dos gases de valor 8,314 (L.kPa/mol.K);

𝑇: Temperatura.

Pode-se obter então, a vazão mássica do vapor a partir da Equação 4.

��𝑣𝑠 =𝑚𝑐𝑚∗𝑚𝑚𝑣∗𝑡𝑝

𝑡𝑝= 𝑚𝑐𝑚 ∗ 𝑚𝑚𝑣 (4)

Em que:

𝑡𝑝: Tempo do processo (min);

𝑚𝑣𝑠 : Vazão mássica de vapor superaquecido (kg/min);

𝑚𝑚𝑣: Massa de matriz vegetal (kg).

As quantidades de água para os processos de hidrodestilação e turbodestilação foram

obtidas a partir da proporção água-matriz vegetal dadas a partir do levantamento

bibliográfico, sendo calculada a partir da Equação 5.

𝑚𝑎 = 𝑝𝑎𝑣 ∗ 𝑚𝑚𝑣 (5)

Em que:

𝑚𝑎: Massa de água a ser adicionada ao extrator (kg);

𝑝𝑎𝑣: Proporção de água-matriz vegetal (kg água/ kg de matriz vegetal).

4.2.4 Balanço de energia

O balanço de energia foi feito apenas para a caldeira e o condensador dos processos

estudados, como forma de comparar o desempenho de cada método de extração diante das

mesmas condições iniciais.

29

O cálculo do balanço de energia da caldeira foi feito visando determinar a quantidade

de combustível necessária para o funcionamento da planta em cada situação, partindo da

quantidade de vapor necessária, das temperaturas de operação, do combustível escolhido e sua

composição, da predeterminação da eficiência da caldeira e da razão de ar-combustível, com

base em referências bibliográficas.

As condições do sistema tomadas envolvem a combustão completa do combustível e a

desconsideração do calor necessário para aquecer o ar e o combustível do equipamento, assim

como, foi considerado que o calor perdido se dá somente pelos gases de exaustão. Já o cálculo

para a determinação do calor requerido para gerar a quantidade de calor demandada pela

planta industrial de cada método de extração estudado foi feito, seguindo Badino Júnior; Cruz

(2011) a partir da Equação 6.

𝑄𝑟𝑒𝑞 = 𝑚𝑠 ∗ (ℎ𝑠 − ℎ𝑎𝑙𝑖) (6)

Em que:

𝑄𝑟𝑒𝑞: Calor requerido para produzir o fluido quente (kJ/s);

ℎ𝑠: Entalpia do fluido superaquecido (kJ/kg);

ℎ𝑎𝑙𝑖: Entalpia da água de alimentação (kJ/kg);

𝑚𝑠 : Vazão mássica de fluido quente (kg/s).

Já o calor fornecido pela queima do combustível foi determinado pela Equação 7, dada

por Çengel (2002).

𝑄𝑐 =𝑄𝑟𝑒𝑞

𝜂 (7)

Em que:

𝑄𝑐: Calor fornecido pelo combustível (kJ/s);

𝜂: Eficiência da caldeira (%).

O calor perdido total (𝑄𝑝𝑡) é aqui considerado como o calor dos gases de exaustão,

proveniente da reação de combustão, com unidade de kJ/s e pode-se determinar a partir da

Equação 8, dada por Luft (2017):

𝑄𝑝𝑡 = 𝑄𝑐 − 𝑄𝑟𝑒𝑞 (8)

30

Para determinar a vazão do combustível para o funcionamento pleno do extrator,

necessitou-se calcular o Poder Calorífico Superior (PCS) e o Poder Calorífico Inferior (PCI)

da lenha de eucalipto, o combustível escolhido. Foi possível determinar, ainda de acordo com

Luft (2017), o PCS e o PCI a partir das Equações 9 e 10, respectivamente, e a vazão mássica

do combustível da caldeira, dada na Equação 11.

𝑃𝐶𝑆 = 33900 ∗ 𝑡𝑐 + 141800 ∗ (𝑡𝐻 −𝑡𝑜

8) + 9200 ∗ 𝑡𝑆 (9)

𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − 2440(9 ∗ 𝑡𝐻 + 𝑡𝑤) (10)

𝑚𝑐 =𝑄𝑐

𝑃𝐶𝐼 (11)

Em que:

𝑃𝐶𝑆: Poder Calorifico Superior (kJ/kg);

𝑃𝐶𝐼: Poder Calorifico Inferior (kJ/kg);

𝑡𝑐: Teor de Carbono no combustível (%);

𝑡𝐻: Teor de Hidrogênio no combustível (%);

𝑡𝑂: Teor de Oxigênio no combustível (%);

𝑡𝑆: Teor de Enxofre no combustível (%);

𝑡𝑤: Teor de umidade no combustível (%);

𝑚𝑐 : Vazão mássica de combustível (kg/s).

Obteve-se também a massa estequiométrica e a massa real de ar para a combustão,

conforme as equações dadas por Luft (2017), dispostas a seguir:

𝑀′𝑎𝑟 = 138,2 (

𝑡𝐶

12+

𝑡𝐻

2+

𝑡𝑆

32+

𝑡𝑂

32) (12)

𝑚𝑎𝑟 = 𝑀′𝑎𝑟 ∗ 𝛼 (13)

Em que:

𝑀′𝑎𝑟: Massa estequiométrica de ar para a combustão (kg/ kg de combustível);

𝑚𝑎𝑟: Massa real de ar para a combustão (kg/ kg de combustível);

𝛼: Relação ar-combustível.

31

Para o condensador, considerou-se o equipamento como um trocador de calor casco-

tubo bitubular concêntrico, com água a temperatura ambiente circulando no casco e o vapor

contendo os óleos essenciais passando pelo tubo na temperatura de operação. Para a

modelagem do condensador foram desconsideradas trocas térmicas com o ambiente, assim

como a energia potencial e cinética do sistema e possíveis incrustações.

O intuito aqui era verificar a quantidade de calor necessário para resfriar a corrente

proveniente do extrator até uma temperatura próxima à temperatura ambiente, impedindo uma

degradação térmica dos óleos extraídos. Além disso, visou-se comparar, dado um diâmetro

fixo para o casco e para o tubo de todos os processos estudados, qual seria o comprimento

final do trocador de calor para cada método de extração.

Após estabelecer os valores da temperatura de saída da corrente de vapor e da entrada

da água do casco, o diâmetro externo do casco, o diâmetro interno do tubo e a vazão de água

fria no casco, levando em conta a vazão de vapor proveniente do extrator, adotou-se o Método

Kern de resolução para trocador casco-tubo em contracorrente, ou seja, o fluido quente

(vapor+OE) e frio (água) entram em lados opostos do trocador.

Para determinar o valor do calor que a ser absorvido pela água do casco, foi calculado

o calor contido na corrente proveniente do extrator, no entanto, por se tratar de uma mistura,

determinou-se o calor a ser liberado pelo vapor e pelos óleos essenciais de maneira separada.

Depois, para a determinação do calor médio, realizou-se uma média ponderada, considerando

a composição da corrente. As equações utilizadas são mostradas a seguir e são dadas por

Badino Júnior; Cruz (2011).

𝑞𝑠 = 𝑚𝑠𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑠𝑒∗ (𝑇𝑣 − 𝑇𝑠) (14)

𝑞𝑜𝑒 = 𝑚𝑜𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑜𝑒∗ (𝑇𝑣 − 𝑇𝑠) (15)

𝑞𝑚é𝑑𝑖𝑜 = (𝑞𝑣 ∗ 𝑐𝑣𝑠) + (𝑞𝑜𝑒 ∗ 𝑐𝑜𝑒) (16)

Em que:

𝑞𝑠: Calor do fluido quente da corrente de entrada no tubo do condensador (kJ/s);

𝑞𝑜𝑒: Calor do óleo essencial da corrente de entrada no tubo do condensador (kJ/s);

𝑞𝑚é𝑑𝑖𝑜 Calor médio da corrente de entrada no tubo do condensador (kJ/s);

𝑚𝑠𝑒 : Vazão mássica de fluido quente de entrada no tubo do condensador (kg/s);

𝑚𝑜𝑒 : Vazão mássica de óleo essencial de entrada no tubo do condensador (kg/s);

𝐶𝑝𝑠𝑒: Calor específico do fluido quente de entrada no tubo do condensador (kJ/kg.K);

32

𝐶𝑝𝑜𝑒: Calor específico do óleo essencial de entrada no tubo do condensador (kJ/kg.K);

𝑇𝑣: Temperatura de entrada da corrente no tubo do condensador (K);

𝑇𝑠: Temperatura de saída da corrente no tubo do condensador (K);

𝑐𝑣𝑠: Percentual de vapor na corrente de entrada do condensador;

𝑐𝑜𝑒: Percentual de óleo essencial na corrente de entrada do condensador.

Após a determinação do calor da corrente de entrada no tubo do condensador, pode-se

então, calcular a temperatura de saída da água do casco, pela Equação 17, segundo Çengel

(2002).

𝑇𝑠𝑐 = 𝑇𝑒𝑐 + (𝑞𝑚é𝑑𝑖𝑜

��𝑎𝑓∗𝐶𝑝𝑎𝑓

) (17)

Em que:

𝑇𝑠𝑐: Temperatura de saída da água do casco (K);

𝑇𝑒𝑐: Temperatura de entrada da água do casco (K);

��𝑎𝑓: Vazão mássica de água fria no casco (kg/s);

𝐶𝑝𝑎𝑓: Calor específico da água de entrada no casco (kJ/kg.K).

A partir do valor da temperatura de saída do casco, o cálculo da diferença logarítmica

de temperatura média foi feito seguindo a equação exposta abaixo dada por McCabe; Smith;

Harriott (1993).

∆𝑇𝑚𝑙𝑑𝑡 =(𝑇𝑣−𝑇𝑠𝑐)−(𝑇𝑠−𝑇𝑒𝑐)

𝑙𝑛𝑙𝑛 ((𝑇𝑣−𝑇𝑠𝑐)

(𝑇𝑠−𝑇𝑒𝑐))

(18)

Em que:

∆𝑇𝑚𝑙𝑑𝑡: Média logarítmica da diferença de temperaturas das alimentações (K).

Visando determinar o regime de escoamento do fluido dentro do tubo, calculou-se, a

partir de McCabe; Smith; Harriott (1993), a área de secção transversal, disposta na Equação

19, e a velocidade do fluido no tubo, dada na Equação 20, determinando-se então o número de

Reynolds do fluido no tubo pela Equação 21.

𝐴𝑡 =(𝜋∗𝐷𝑖)2

4 (19)

33

𝑣𝑣 =(𝑚𝑣𝑒

+𝑚𝑜𝑒 )

𝐴𝑡∗𝜌𝑣 (20)

𝑅𝑒𝑡 =𝜌𝑣∗𝑣𝑣∗𝐷𝑖

𝜇𝑣 (21)

Em que:

𝐴𝑡: Área de secção transversal do tubo (m);

𝐷𝑖: Diâmetro interno do tubo (m);

𝜋: Número irracional com valor aproximado de 3,1416;

𝑣𝑠: Velocidade média do fluido do tubo (m/s);

𝜌𝑣: Massa específica do fluido do tubo (kg/m3);

𝑅𝑒𝑡: Número adimensional de Reynolds para o tubo;

𝜇𝑣: Viscosidade dinâmica do fluido do tubo (Pa.s).

Após a determinação do regime de escoamento, calculou-se o número de Nusselt,

onde, caso o regime seja laminar (Re<2400) e o fluxo de calor seja constante, assume-se um

valor de Nut= 4,36, de acordo com Çelgel (2002). Caso o regime seja turbulento (Re>4000) e

totalmente desenvolvido, o número de Nusselt para o tubo pode ser calculado pela Equação de

Dittus e Boelter, dada na Equação 22.

𝑁𝑢 = 0,023 ∗ 𝑅𝑒4

5 ∗ 𝑃𝑟𝑛 (22)

Em que:

𝑁𝑢: Número adimensional de Nusselt;

𝑃𝑟: Número adimensional de Prandtl;

𝑛: Fator de aquecimento (n=0,4) ou de arrefecimento (n=0,3).

A partir da determinação do número de Nusselt, foi possível determinar o coeficiente

de transferência de calor do tubo, utilizando a equação a seguir, dada por McCabe; Smith;

Harriott (1993).

ℎ𝑖 =𝑁𝑢𝑡∗𝑘𝑡

𝐷𝑖 (23)

Em que:

ℎ𝑖: Coeficiente de transferência de calor do tubo (W/m2.K);

34

𝑁𝑢𝑡: Número adimensional de Nusselt para o tubo;

𝑘𝑡: Condutividade térmica do fluido do tubo (W/m.K).

Determinou-se então o regime de escoamento para o casco e, por se tratar de uma

região anular, a fórmula do número de Reynolds (Equação 21) deve ser adaptada. De acordo

com McCabe; Smith; Harriott (1993), o número de Reynolds do casco, para trocadores de

calor bitubulares concêntricos pode ser calculado a partir da Equação 20.

𝑅𝑒𝑐 =4∗𝑚𝑎𝑓

𝜋∗(𝐷𝑜+𝐷𝑖)∗𝜇𝑎𝑓 (24)

Em que:

𝑅𝑒𝑐: Número adimensional de Reynolds para o casco;

𝐷𝑜: Diâmetro externo do casco (m);

𝜇𝑎𝑓: Viscosidade dinâmica do fluido do casco (Pa.s).

Para determinar o número de Nusselt para o escoamento do casco, caso o regime seja

laminar, deve-se usar os dados expostos na Tabela 1 e, caso o regime seja turbulento e fluxo

completamente desenvolvido, a Equação 22 pode ser usada.

Tabela 1- Número de Nusselt para regime laminar totalmente desenvolvido em escoamento em tubo anular

Di/Do Nu

0 -

0,05 17,46

0,1 11,56

0,25 7,37

0,5 5,73

1 4,86

Fonte: Adaptado de ROHSENOW; HARTNETT; CHO (1998)

Para determinar o coeficiente de transferência de calor do casco é preciso antes

determinar o diâmetro hidráulico do casco, devido ao fato do casco ser anular. O diâmetro

hidráulico é usado em superfícies de escoamento não circulares, para substituir as dimensões

físicas características, aproximando-as de um tubo circular (ROHSENOW; HARTNETT;

CHO, 1998). O diâmetro hidráulico pode ser calculado, de acordo com McCabe; Smith;

Harriott (1993), pela equação a seguir:

35

𝐷ℎ = 𝐷𝑜 − 𝐷𝑖 (25)

Em que:

𝐷ℎ: Diâmetro hidráulico (m).

Em seguida, é possível calcular o coeficiente de transferência de calor do casco, a

partir da Equação 26, retirada de McCabe; Smith; Harriott (1993).

ℎ𝑜 =𝑁𝑢𝑐∗𝑘𝑐

𝐷ℎ (26)

Em que:

ℎ𝑜: Coeficiente de transferência de calor do casco (W/m2.K);

𝑁𝑢𝑐: Número adimensional de Nusselt para o casco;

𝑘𝑐: Condutividade térmica do fluido do casco (W/m.K).

Logo, pode-se calcular o coeficiente global de troca de calor do sistema, utilizando a

equação dada por Thulukkanam (2013).

𝑈 =1

1

ℎ𝑜+

1

ℎ𝑖

(27)

Em que:

𝑈: Coeficiente global de troca de calor (W/m2.K).

Com o valor obtido e os outros dados do sistema podemos, por fim, determinar o

comprimento do trocador de calor para cada tipo de extração a partir da Equação 28,

estipulada por Çengel (2002).

𝐿𝑡𝑐 =𝑞𝑚é𝑑𝑖𝑜

𝑈∗𝜋∗𝐷𝑖∗∆𝑇𝑚𝑙𝑑𝑡 (28)

Em que:

𝐿𝑡𝑐: Comprimento do trocador de calor (m).

36

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Indicadores do processo

Os resultados obtidos para os dados operacionais de acordo com o método de extração

de óleos essenciais estão expostos na Tabela 2. Para o arraste a vapor teve-se:

Tabela 2- Condições operacionais para extração de OE das folhas de Rosmarinus officinalis L. por meio de

arraste de vapor

Planta

Utilizada

Tempo de

Processo

(min)

Quantidade

de vapor

(m3/min)

Temperatura

do vapor (K)

Pressão no

extrator

(kPa)

Massa

tratada

(kg)

Rosmarinus

officinalis L. 1

80 0,1 380 117,7 489,9

Rosmarinus

officinalis L. 2

120 0,0000166 - - 0,1

Rosmarinus

officinalis L. 3

30 0.0000034 366,65 101 0,22

Fontes: 1(SARTOR et al., 2011);

2(JAIMAND; REZAEE; HOMAMI, 2018);

3(CASSEL et al., 2009)

A partir destes dados foi possível definir, para o sistema de arraste a vapor, um

processo com tempo médio de 76,6 minutos, uma temperatura de vapor média de 373,32K,

uma pressão média no extrator de 109,35 kPa e uma média de 1,28x10-4

m3 de vapor por

minuto para cada quilograma de matéria vegetal adicionada ao extrator.

Os dados levantados para o método de hidrodestilação estão apresentados na Tabela 3.

37

Tabela 3- Condições operacionais para extração de OE das folhas de Rosmarinus officinalis L. por meio de

hidrodestilação

Planta

Utilizada

Tempo de

processo

(min)

Quantidade

de água (L)

Temperatura

do extrator (K)

Quantidade

de planta

(Kg)

Rosmarinus

officinalis L.4

180 1 - 0,1

Rosmarinus

officinalis L.5

180 1 373 0,1

Rosmarinus

officinalis L.6

90 2 373 0,3

Fontes: 4(JAIMAND; REZAEE; HOMAMI, 2018);

5(FARHAT et al., 2017);

6(SADEH et al., 2019)

Os dados coletados para a hidrodestilação permitem atribuir uma temperatura média

da água no extrator de 373K, com um tempo de processo médio de 150 minutos e uma média

de 8,88 litros de água para cada quilograma de matéria prima vegetal.

Para definir os pontos operacionais para a extração via turbodestilação, necessitou-se

buscar uma matriz vegetal diferente dos processos anteriores, pois este método de extração se

destina a partes mais rígidas do vegetal, como caule e raízes. Os resultados para a revisão

bibliográfica para a turbodestilação, em sua maioria, não apresentava os pontos operacionais

utilizados durante o procedimento de extração e ainda, não foi possível encontrar

experimentos realizados em uma mesma espécie vegetal, para obter uma média de dados

experimentais. Desta forma, optou-se por seguir o dimensionamento do processo extrativo por

turbodestilação, apenas para efeito comparativo, mesmo que os dados não representem um

grande espaço amostral. A Tabela 4 apresenta os dados das condições operacionais para o

método de turbodestilação.

Tabela 4- Condições operacionais para extração de OE de Illicium verum por meio de turbodestilação

Planta

Utilizada

Tempo de

processo

(min)

Quantidade

de água (L)

Pressão no

extrator

(kPa)

Quantidade de

matéria prima

(kg)

Temperatura

no extrator

(K)

Illicium

verum

30 2 - 0,5 373

Fonte: (PÉRINO et al., 2019)

38

As condições operacionais para a turbodestilação incluem a temperatura de 373 K, um

tempo de processo de 30 minutos e uma proporção de água 4 litros de água para cada

quilograma de matéria prima vegetal.

Com a média dos pontos operacionais obtidos, foi possível aplicar os cálculos de

balanço de massa e de energia pra cada método de extração convencional estudado.

5.2 Balanço de Massa e Energia

Para o balanço de massa determinou-se uma base de cálculo de 1000 kg de vegetal, já

a quantidade de óleos essenciais presente nas plantas foi baseada no estudo de Zaouali;

Bouzaine; Boussaid (2010), onde a quantidade de óleo essencial presente nas folhas de 6

amostras de Rosmarinus officinalis L. variaram entre 1,17% e 2,70%, por isso, foi adotado

aqui, uma média de 1,93% de óleos essenciais na matriz vegetal de todos os tipos de extração

dimensionadas aqui, uma vez que a intenção é compará-las entre si.

Segundo Genena et al. (2008), antes do processo de arraste a vapor, as folhas são

secas até uma umidade de aproximadamente 9,60%, desta forma, adotou-se esse valor nas

considerações do balanço de massa de todos os processos extrativos para efeitos

comparativos, estipulando que cerca de 85% da água contida na planta também seria

convertida em vapor.

Dadas as condições impostas, foi possível determinar a composição da matriz vegetal

escolhida, onde, para os 1000 kg iniciais estabelecidos como base de cálculo, 9,60% é de

umidade, 1,93% é de óleo essencial e os outros 84,40% seria de componentes inertes ao

processo. A massa obtida para cada componente está exposta na Tabela 5, sendo que a vazão

mássica pode ser obtida pela divisão de cada massa pelo tempo de processo,

preferencialmente em segundos.

Tabela 5- Composição da matriz vegetal para os métodos extrativos

Componente Massa (kg)

Bagaço 884,65

Água 96

Óleo essencial 19,35


39

5.2.1 Balanço de massa e energia para arraste a vapor

Considerando a média de vapor obtida no levantamento bibliográfico para o arraste a

vapor e as Equações 1, 2 e 3, pode-se determinar que o volume de vapor necessário para a

quantidade de matriz vegetal estipulada é de 0,08123 kg/min.

Com os dados de entradas definidos, considerando uma eficiência completa do

extrator, definiu-se a composição das correntes de saída do extrator, expostos na Figura 6.

Figura 6- Balanço de massa do extrator para arraste a vapor


Para o balanço de massa do condensador, estipulou-se uma corrente de água fria de

0,01kg/s e foi desconsiderado qualquer acúmulo de matéria, assim como a ausência de reação

entre os componentes, logo, da Equação 1, temos as correntes dadas na Figura 7.

Figura 7- Balanço de massa do condensador para arraste a vapor


O balanço de massa do vaso florentino possui as mesmas condições que o

condensador, sendo assim, seu fluxograma com o valor de suas correntes está disposto na

Figura 8.

40

Figura 8- Balanço de massa do vaso florentino para arraste a vapor


Para o balanço de energia da caldeira, definiram-se alguns parâmetros como a

temperatura ambiente a 298 K, o rendimento da caldeira em 66%, a relação ar-combustível

(α) em 1,40, de acordo com Luft (2017), e que a temperatura do vapor produzido seria a

mesma que a temperatura de operação do extrator.

Para os cálculos posteriores, é necessária a composição do combustível, sendo aqui

escolhido cavacos de eucalipto que, de acordo com Luft (2017), possui uma umidade de cerca

de 35% e, sua composição aproximada em base seca, está disposta na Tabela 6:

Tabela 6- Componentes de toras de eucalipto em base seca

Componente Percentagem

Carbono 49%

Oxigênio 44%

Hidrogênio 6%

Nitrogênio 0,3%

Enxofre 0,01%

Cinzas 0,72%

Fonte: Adaptado de Luft (2017)

A partir das Equações 6, 7 e 8, foi obtido o valor do calor útil para o funcionamento do

extrator, quantificado em 0,42 kJ/s, o calor gerado pela combustão do combustível, no valor

de 0,64 kJ/s, e o calor perdido, avaliado em 0,21 kJ/s, que devido às considerações feitas, é

atribuído aos gases de exaustão da caldeira. Vale ressaltar que os valores de entalpia e calor

específico foram retirados do software MINI-REFPROP e de Welty et al. (2005), estando

disponíveis para conferência na Tabela 7.

41

Tabela 7- Valores de entalpia utilizados no balanço energético da caldeira para arraste a vapor

Propriedade Valor

Entalpia da água a 373,325 K e 109,35 kPa 419,91 kJ/kg

Entalpia da água a 298 K e 0,101325 kPa 104,29 kJ/kg


Além disso, foi calculado, pelas Equações 9 e 10 o Poder Calorífico Superior e o

Inferior, determinados em 17312,06 kJ/kg e 15988,11 kJ/kg, respectivamente, tornando

possível estabelecer, pela Equação 11, uma vazão mássica de combustível de 4,05x10-5

kg de

cavacos de eucalipto por segundo.

Ainda, foi definido, pelas Equações 12 e 13, uma massa estequiométrica para o ar de

combustão de 11,68 kg de ar/kg de combustível e uma massa real de 16,35 kg de ar para cada

quilograma de combustível.

Para o balanço de energia do condensador, determinou-se um diâmetro externo para o

casco de 0,045m, uma vazão de água a 0,01 kg/s na temperatura de 298 K. Para o tubo, o

diâmetro interno definido foi de 0,01m e a temperatura de saída do fluido está estabelecida

para 303 K. Novamente as propriedades dos fluidos, como calor específico, viscosidade

dinâmica, densidade e condutividade foram determinadas com o auxilio do MINI-REFPROP

e de Welty et al. (2005), com exceção do calor específico do óleo essencial, foi um valor

aproximado obtido de Ghodki; Goswami (2016). A descrição dos valores obtidos é

apresentada na Tabela 8.

42

Tabela 8- Propriedades dos fluidos para dimensionamento do condensador do arraste a vapor

Propriedade Valor

Calor específico da água de entrada no casco 4,18025 kJ/kg.K

Calor específico do óleo essencial no tubo 1,148 kJ/kg.K

Calor específico do vapor no tubo 2,0756 kJ/kg.K

Viscosidade dinâmica da água de entrada no casco 996,25 Pa.s

Viscosidade dinâmica do vapor do tubo 12,4596 Pa.s

Densidade da água de entrada no casco 996,7 kg/m3

Densidade do vapor de entrado no tubo 0,5963 kg/m3

Condutividade térmica da água de entrada no casco 0,613 W/m.K

Condutividade térmica do vapor de entrada no tubo 2,4022 W/m.K


Primeiramente determinou-se, a partir das Equações 14, 15 e 16, o calor que a água do

casco deve absorver para que a corrente de vapor fique no valor fixado. O resultado obtido

para o calor do vapor foi de 2,78 kJ/s, para o calor do óleo essencial foi de 0,33 kJ/s,

resultando num calor médio de 2,34 kJ/s, uma vez que a corrente contém 81,94% de vapor e

18,05% de óleo essencial.

A temperatura de saída da água do condensador foi então definida, pela Equação 17,

em 354,14 K, permitindo então, calcular a Média Logarítmica de Diferença de Temperatura

(MLDT), dada na Equação 18. O MLDT do caso estudado resultou em 10,54 K.

Para conseguir determinar o número de Reynolds, calculou-se a área de secção

transversal e a velocidade de escoamento do fluido, resultando em 7,85x10-5

m2 e 497,90 m/s,

respectivamente. O número de Reynolds pra o tubo foi estimado segundo a Equação 21,

obtendo um valor menor que 2100, logo, o regime de escoamento dentro do tubo é laminar e o

valor de 4,36 pode ser atribuído ao número de Nusselt no tubo.

Com o número de Nusselt já definido, bastou aplicar a Equação 23 para obter o

coeficiente de transferência de calor para o tubo, tendo como resultado o valor de 1047,35

W/m2.K.

43

O perfil de escoamento do casco pode ser estimado pela Equação 24, cuja solução

também obteve um valor para o número de Reynolds menor que 2100, desta forma, o perfil de

escoamento no casco também é laminar, fazendo com que o número de Nusselt do casco

possa ser determinado pela interpolação linear dos dados fornecidos na Tabela 1. Tendo a

razão Di/Do assumindo o valor de 0,22, o valor do número de Nusselt para o tubo se torna

8,15.

O calculo do coeficiente de transferência de calor de casco é feito pela Equação 26,

tendo como resultado a quantia de 142,69 W/m2.K. Já o coeficiente global de troca de calor

(U) foi estimada em 125,58 W/m2.K. Por fim, o comprimento do trocador de calor ficou

estabelecido em 0,06 m.

O fluxograma do processo de arraste a vapor é exibido na Figura 9 a seguir.

Figura 9- Fluxograma representativo do processo de extração por arraste a vapor


5.2.2 Balanço de massa e energia para hidrodestilação

O balanço de massa para a hidrodestilação teve inicio na determinação da quantidade

água necessária para o funcionamento do extrator, baseando-se no levantamento bibliográfico

feito e na Equação 5, com a massa de matriz vegetal fixada em 1000 kg, determinou-se uma

massa de água de 8889 kg de água.

Considerando que as folhas da matriz vegetal continham as mesmas quantidades de

óleo essencial e água definidas para o método de arraste a vapor e que, 85% da água

adicionada e 85% da umidade das folhas fossem evaporadas, realizou-se a determinação da

composição das correntes, levando em consideração um eficácia completa para o extrator e

ainda, para a determinação das correntes de saída de vapor do extrator, foi considerando o

44

tempo de processo, obtendo assim, uma vazão mássica. Os valores das correntes de entrada e

de saída do extrator estão expostas na Figura 10.

Figura 10- Balanço de massa do extrator para hidrodestilação


No balanço de massa do condensador para a hidrodestilação foi desconsiderado

qualquer acumulo de matéria, assim como a ausência de reação entre os componentes,

determinando uma corrente de água fria de 0,24 kg/min, uma vazão maior que no processo

anterior, devido ao aumento da quantidade de vapor na corrente de saída do extrator.

Utilizando a Equação 1, pode se determinar os valores das correntes, como visto no

fluxograma da Figura 11.

Figura 11- Balanço de massa do condensador para hidrodestilação


O balanço de massa do vaso florentino (Figura 10) foi feito com base nas mesmas

considerações utilizadas para o condensador e os valores da sua corrente estão expostos

abaixo.

45

Figura 12- Balanço de massa do vaso florentino para hidrodestilação


O balanço de energia foi feito considerando que a fonte de aquecimento deste reator

seria o vapor produzido na cadeira através da camisa do reator, foi desconsiderado perdas para

o ambiente e um aproveitamento total do calor da camisa. Vale ressaltar que devido as

considerações feitas sob a conservação de calor, o balanço energético do extrator não será

feito, uma vez que não foi considerada perdas para o ambiente, todo o calor recebido por ele

será passado para os componentes no seu interior.

Para o balanço energético da caldeira foi definido, assim como para o arraste a vapor,

a temperatura ambiente a 298 K, o rendimento da caldeira em 66%, a relação ar-combustível

(α) em 1,40, e que a temperatura do vapor produzido seria a mesma que a temperatura de

operação do extrator, ou seja, 373 K. Ainda, utilizou-se o mesmo combustível, nas mesmas

composições do arraste a vapor, tendo uma vazão mássica de vapor definida em 0,40 kg/s.

A resolução foi feita de maneira análoga ao balanço energético da caldeira para arraste

a vapor, fazendo as alterações referente às propriedades termodinâmicas dos fluidos. Como o

levantamento bibliográfico não forneceu dados referentes à pressão do processo, atribui-se a

pressão de processo de 101,325 kPa, uma vez que o extrator não se encontra totalmente

fechado. Sendo assim, as propriedades termodinâmicas utilizadas estão expostas na Tabela 9.

Tabela 9- Valores de entalpia utilizados no balanço energético da caldeira para hidrodestilação

Propriedade Valor




46

O calor útil gerado pela caldeira foi de 125,69 kJ/s, enquanto a queima de combustível

disponibilizou 190,44 kJ/s, resultando numa perda de calor pelos gases de exaustão de 64,75

kJ/s. A massa de combustível consumida pela caldeira foi de 0,011 kg/s e, como o

combustível utilizado é o mesmo, na mesma composição, e a determinação do ar

estequiométrico e do ar real, assim como o PCI e PCS, independem da temperatura de

operação e da massa de combustível, os valores dessas propriedades se mantiveram nos

mesmos valores que no processo de arraste a vapor.

Para o condensador, foram assumidas as mesmas condições dadas para o arraste a

vapor, mantendo as mesmas características físicas, adequando apenas os valores das

propriedades físicas para a temperatura de operação da hidrodestilação, ou seja 373 K e

alterando vazão a de água fria no casco para 0,5 kg/s, uma vez que a vazão de vapor na

hidrodestilação é muito maior que no arraste a vapor. Os valores utilizados para as

propriedades físicas estão expostos na Tabela 10.

Tabela 10- Propriedades dos fluidos para dimensionamento do condensador da hidrodestilação

Propriedade Valor

Calor específico da água de entrada no casco 4,18025 kJ/kg.K

Calor específico do óleo essencial no tubo 1,148 kJ/kg.K

Calor específico do vapor no tubo 2,07649 kJ/kg.K

Viscosidade dinâmica da água de entrada no casco 996,25 Pa.s

Viscosidade dinâmica do vapor do tubo 12,4479 Pa.s

Densidade da água de entrada no casco 996,7 kg/m3

Densidade do vapor de entrado no tubo 0,5968 kg/m3

Condutividade térmica da água de entrada no casco 0,613 W/m.K

Condutividade térmica do vapor de entrada no tubo 2,3998 W/m.K


47

Desta forma, o calor presente na corrente de vapor do extrator possui um calor médio

de 123,03 kJ/s, uma vez que o vapor fornece 123,34 kJ/s de calor e compõe 99,74% da

corrente, enquanto o óleo essencial fornece 0,17 kJ/s compondo 0,25% da corrente. A água do

casco após o processo de troca térmica atinge uma temperatura de 356,86 K, e o MLDT

resultou em 9,50 K.

Como os valores de diâmetro do casco e do tubo permaneceram os mesmo, o valor da

área transversal não se altera. Já a velocidade do fluido, dependente dos valores das

propriedades físicas e da vazão, atinge aqui um valor de 18149,92 m/s. O número de

Reynolds no entanto, permanece laminar, fazendo com que o número de Nusselt também

assuma aqui um valor 4,36, possibilitando a determinação do coeficiente de troca de calor do

tubo em 1046,31 W/m2.K.

O número de Reynolds determinado para as condições do casco também resultou em

um regime laminar, permitindo que o número de Nusselt fosse obtido através da interpolação

de dados da Tabela 1. Devido ao fato dos diâmetros se manterem inalterados, o número de

Nusselt aqui também assume um valor de 8,15, permitindo a determinação do coeficiente de

troca térmica do casco em 142,77 W/m2.K.

O coeficiente global de troca térmica resultou em 125,63 W/m2.K e o comprimento do

trocador de calor, para atender as demandas da planta de extração de óleos essenciais por

hidrodestilação deve ser de 3,27 m.

O fluxograma representativo do processo está disposto na Figura 13.

Figura 13- Fluxograma representativo do processo de extração por hidrodestilação


48

5.2.3 Balanço de massa e energia para turbodestilação

O balanço de massa para a turbodestilação teve as mesmas condições dos processos

anteriores levadas em consideração, mesmo ao se tratar de uma matriz vegetal diferente,

assumiu-se a mesma quantidade de óleo essencial presente na sua composição e ainda, a

mesma umidade. O processo de turbodestilação exige também um reciclo do vapor

condensado, sendo considerado que apenas 40% da corrente seria reaproveitada no extrator.

A partir disso, foi feito o balanço de massa de cada equipamento, sendo o fluxograma

do balanço de material do extrator exibido na Figura 14.

Figura 14- Balanço de massa do extrator para turbodestilação


Para o condensador, devido a alta vazão da corrente proveniente do extrator,

aumentou-se novamente a vazão de água fria, definindo-se um valor de 1 kg/s. O fluxograma

para o balanço de massa do condensador está disposto na Figura 15.

Figura 15- Balanço de massa do condensador para turbodestilação


O balanço de massa do reciclo, instalado após o condensador, foi feito considerando

que pela diferença de polaridade, seria possível retornar somente água para o extrator, sendo

49

todo o óleo essencial encaminhado para o vaso florentino. O fluxograma representativo do

reciclo está na Figura 16.

Figura 16- Balanço de massa do reciclo para turbodestilação


Por fim, tomando as mesmas considerações que os métodos anteriores, o fluxograma

da Figura 17 a seguir mostra o balanço de massa para o vaso florentino.

Figura 17- Balanço de massa do vaso florentino para turbodestilação


Para o balanço de energia da turbodestilação foi considerado, assim como na

hidrodestilação, que a fonte de aquecimento deste reator seria o vapor produzido na cadeira

através de uma camisa no reator, aqui também desconsiderou-se as perdas para o ambiente e

admitiu-se um aproveitamento total do calor da camisa. O balanço energético do extrator não

será feito, novamente, uma vez que todo o calor recebido por ele será passado para os

componentes sendo processados.

Para o balanço energético da caldeira foi definido uma temperatura ambiente de 298

K, o rendimento da caldeira, assim como nos métodos anteriores foi de 66%, a relação ar-

combustível (α) em 1,40 e, da mesma forma que na hidrodestilação, a temperatura do vapor

50

produzido é 373 K, a mesma que a temperatura de operação do extrator. Ainda, utilizou-se o

mesmo combustível, nas mesmas composições dos métodos anteriores, tendo uma vazão

mássica de vapor definida em 0,40 kg/s.

Como o levantamento bibliográfico não forneceu dados referentes à pressão do

extrator, atribui-se a pressão de processo de 101,32 kPa, permitindo utilizar os mesmos

valores das entalpias expostas na Tabela 9. Desta forma, como todos os parâmetros

estabelecidos aqui são idênticos aos estabelecidos para a hidrodestilação, os resultados

obtidos para a caldeira são os mesmos.

Já para o condensador, tem-se uma vazão de vapor de saída do extrator

substancialmente maior e, por manter as mesmas características físicas, foi necessário

aumentar a vazão de fluido frio, como exposto anteriormente. Sendo assim, determinou-se

que o calor presente na corrente de vapor do extrator, composta em 99,44% de vapor e 0,55%

de óleo essencial, possui uma média de 279,59 kJ/s, dado que o vapor sozinho fornece 281,14

kJ/s, enquanto o óleo essencial fornece 0,86 kJ/s. A água do casco após o processo de troca

térmica atinge uma temperatura de 364,88 K, e o MLDT teve como resultado 6,43 K.

Como os valores de diâmetro do casco e do tubo permaneceram os mesmo nos três

processos avaliados, o valor da área transversal se mantém constante. A velocidade do vapor

no tubo foi calculada em um valor de 41494,89 m/s. O número de Reynolds aqui também

permanece laminar, podendo então o número de Nusselt assumir um valor 4,36, logo, o

coeficiente de troca de calor do tubo foi de 1046,31 W/m2.K.

O número de Reynolds determinado para as condições do casco também resultou em

um regime laminar, o número de Nusselt então foi determinado pela Tabela 1, onde, assim

como na hidrodestilação, resultou num valor de 8,15, já que os diâmetros se manterem

inalterados.

O coeficiente de troca térmica do casco teve como resultado o valor de 142,77

W/m2.K., enquanto o coeficiente global de troca térmica foi de 125,63 W/m

2.K, valores

idênticos aos encontrados na hidrodestilação, por dependerem de fatores que não foram

alterados devido aos mesmos operacionais e a constância nos diâmetros. No entanto, como o

calculo do comprimento do trocador de calor considera fatores influenciados pela vazão, o

resultado obtido foi diferente dos anteriores, resultando em um trocador de calor com 8,1521

metros.

51

O fluxograma geral do processo de extração por turbodestilação é mostrado na Figura

18.

Figura 18- Fluxograma representativo do processo de extração por turbodestilação


5.3 Comparação dos Resultados

Com o intuito de verificar as diferenças obtidas entre os métodos de extração, tabelou-

se os resultados obtidos em cada parâmetro, conforme Tabela 11 a seguir.

Tabela 11- Comparação entre os métodos extrativos

Parâmetro Arraste a

Vapor Hidrodestilação Turbodestilação

Consumo de combustível na

caldeira (kg/s) 4,05x10

-5 0,01 0,01

Calor perdido na caldeira (kJ/s) 0,22 64,75 64,75

Comprimento do condensador (m) 0,06 3,27 11,01

Vazão de água fria no

condensador (kg/s) 0,01 0,5 1

Tempo de processo (min) 76,6 150 30

Temperatura de processo (K) 373,32 373 373

Proporção fluido/vegetal

(kg de fluido/kg de vegetal) 5,85 8,889 4


52

Uma vez que as considerações retiraram as percas de calor e matéria do processo,

todos os processos terão o mesmo rendimento, apenas em tempo diferentes. A partir dos

dados obtidos nota-se um maior consumo inicial de água pelo método da hidrodestilação,

assim como um maior consumo de combustível, já que o processo tem um tempo maior de

duração.

O consumo de água fria no condensador do método de hidrodestilação é

substancialmente maior que os outros dois métodos, o que pode ser atribuído à grande vazão

de vapor pelo tubo do condensador. Apesar de isso pesar contra este método, vale ressaltar

que a água do condensador pode ser reutilizada, diminuindo os custos deste método.

Quanto ao tamanho dos trocadores de calor, nota-se que o trocador de calor resultante

para o arraste a vapor, tem um tamanho muito inferior aos outros, isso pode ser atribuído à

baixa vazão de vapor pelo condensador quando comparado aos outros processos. Isso fica

claro quando se olha para os métodos de hidrodestilação e turbodestilação, pois ambos

apresentam as mesmas características físicas, mesmos pontos operacionais e os mesmos

resultados para o coeficiente global de troca de calor, variável que independe da vazão e

determina o comprimento, porém, entre os comprimentos dos seus condensadores possui uma

grande diferença.

Tratando-se do calor perdido na caldeira é perceptível que a perda de calor é menor no

método do arraste a vapor, o que pode ser compreendido pelo fato da vazão de vapor para este

método ter sido calculada em cima de sua demanda, enquanto para os outros métodos, esse

valor foi fixado.

6. CONCLUSÃO

Considerando a presença dos óleos essenciais no curso da história humana e as suas

novas utilizações pesquisadas, torna-se importante a extração em larga escala destes

componentes, aproveitando a grande biodiversidade da flora brasileira e o crescente mercado

consumidor.

Dado os altos custos dos equipamentos para métodos mais modernos, como a extração

por fluido supercrítico, a comparação dos métodos de extração convencionais, tais como a

hidrodestilação, a turbodestilação e a extração por arraste a vapor, permite fazer uma melhor

escolha para a implantação de uma indústria.

53

Desta forma, a partir do levantamento bibliográfico realizado foi possível determinar

os indicadores de processo para os métodos convencionais de extração de óleos essenciais. A

determinação dos parâmetros de funcionamento dos sistemas estudados foi essencial para a

realização das etapas posteriores, que envolveram o balanço de massa e de energia.

Os balanços mássico e energético por sua vez, proporcionaram uma visão mais ampla

das necessidades de unidades industriais baseadas nos métodos de extração de óleos

essenciais estudados, permitindo estabelecer comparações sobre suas demandas de insumos.

A partir das considerações feitas e dos métodos empregados para a realização deste

trabalho pode-se considerar viáveis as implantações de indústrias de extração de óleos

essenciais baseados nos métodos de arraste a vapor e de turbodestilação, dependendo da

matriz vegetal escolhida. O método da hidrodestilação não é recomendado para escalas

industriais devido ao alto consumo energético e de água, podendo ser utilizado em pequenas

escalas.

54

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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