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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.74.2022.tde-12052022-094030
Document
Auteur
Nom complet
Tatiane Akemi Toda
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Pirassununga, 2021
Directeur
Jury
Rodrigues, Christianne Elisabete da Costa (Président)
Augusto, Pedro Esteves Duarte
Basso, Rodrigo Corrêa
Carvalho, Rosemary Aparecida de
Monteiro Filho, Elias de Souza
Vanin, Fernanda Maria
Titre en portugais
Extração de óleo de borra de café utilizando álcoois de cadeia curta: cinética de extração, dados de equilíbrio e intensificação do processo
Mots-clés en portugais
Coeficientes de partição
Coproduto do café
Dimensionamento de extrator industrial
Extração assistida por ultrassom
Extração com líquido pressurizado
Solvente renovável
Tecnologias emergentes
Vazão mínima de solvente
Resumé en portugais
O objetivo principal desta tese de doutorado foi a valorização da borra de café (SCG), material resultante do preparo da bebida e subproduto da indústria processadora de café solúvel. A estratégia de valorização proposta foi através da extração do óleo da borra de café (SCGO) utilizando etanol (absoluto ET0 e hidratado ET6) e isopropanol (absoluto IPA0 e hidratado IPA12) como solventes. Foi realizado estudo da cinética de extração de SCGO sob pressão atmosférica e com etanol pressurizado (PLE). Além disso, através da obtenção experimental dos coeficientes de partição do SCGO entre as fases extrato e rafinado e a modelagem matemática destes dados com a equação tipo Langmuir e equação linear, aliadas aos balanços de massa, foi possível o cálculo da vazão mínima de solvente e a estimativa do número de estágios ideais de extrator contínuo configurado em contracorrente para sistemas com os quatro tipos de solventes propostos. Também foi realizada a avaliação de diferentes técnicas de intensificação do processo, líquido pressurizado (PLE) ou extração assistida por ultrassom (UAE) e o dimensionamento de extratores configurados em correntes cruzadas. O aumento da temperatura favoreceu a extração de SCGO, enquanto a hidratação do solvente resultou em um impacto negativo na extração de lipídeos. Os coeficientes de transferência de massa para a etapa de lavagem foram maiores que os coeficientes para a etapa de difusão. A pressurização do sistema acelerou a extração dos compostos, com menor tempo para alcance do estado estacionário e maiores coeficientes de difusão e de transferência de massa do SCGO. A PLE em temperatura elevada (150 °C) possibilitou a extração de SCGO com menores teores de ácidos graxos livres (FFA), o que demonstra que as características físico-químicas do ET6 foram modificadas nestas condições de operação. A utilização de ET0 e ET6 possibilitou a obtenção de rendimentos comparáveis nessas condições, revelando que o solvente com menor preço, ET6, pode ser utilizado para processos de extração. O estudo da partição do SCGO em sistemas contendo SCG e álcoois de cadeia curta possibilitou verificar que para o etanol, principalmente ET6, ocorre um limite de solubilização do SCGO na fase extrato, indicando a saturação do líquido. Os valores de vazão mínima e do número de estágios ideais de extratores contracorrente foram maiores para ET6 e menores para IPA0. Dependendo das condições, a utilização do ET0 pode viabilizar a obtenção de extratos finais mais concentrados, com resultados similares ou até melhores que com IPA0. A avaliação da UAE e PLE, a 50 °C, através da morfologia e características físicas das fases sólidas e o dimensionamento de extratores em correntes cruzadas, permitiu indicar que a intensificação do processo com a sonicação ou pressurização dos sistemas não possibilitou ganhos expressivos em termos de rendimento de extração de SCGO quando comparados com a extração convencional.
Titre en anglais
Spent coffee grounds oil extraction using short-chain alcohols: kinetics extraction, equilibrium data, and process intensification
Mots-clés en anglais
Coffee by-product
Emergent technologies
Industrial extractor dimensioning
Minimum flow of solvent
Partition coefficients
Pressurized liquid extraction
Renewable solvent
Ultrasound-assisted extraction
Resumé en anglais
The main aim of this Ph.D. thesis was the valorization of the spent coffee grounds (SCG), a material result of the beverage preparation and by-product of the soluble coffee processing industry. The valuation strategy proposed was through the extraction of the spent coffee grounds oil (SCGO) using ethanol (absolute ET0 and hydrated ET6) and isopropanol (absolute IPA0 and hydrated IPA12) as solvents. A study of the kinetics of SCGO extraction was carried out under atmospheric pressure and with pressurized ethanol (PLE). In addition, it was performed the experimental determination of the SCGO partition coefficients between the extract and raffinate phases. The mathematical modeling of these data using the Langmuir type and linear equations, together with the mass balances, allowed calculating of the minimum solvent flow and the ideal number of stages of continuous extractor configured in countercurrent. This study was performed with the four types of proposed solvents. The evaluation of process intensification strategies using pressurized liquid extraction (PLE) or ultrasound-assisted extraction (UAE) was also carried out. Increasing temperature favored SCGO extraction, while solvent hydration resulted in a negative impact on lipid extraction. The mass transfer coefficients for the washing step were higher than the coefficients for the diffusion step. The pressurization of the system accelerated the extraction of the compounds, with a shorter time to reach the steady-state and higher diffusion and mass transfer coefficients of the SCGO. PLE at high temperature (150 °C) enabled SCGO extraction with lower levels of free fatty acids (FFA), which demonstrates that under these operating conditions, the physicochemical characteristics of ET6 were modified. The use of ET0 and ET6 made it possible to obtain comparable yields under these conditions, revealing that the solvent with the lowest price, ET6, can be used for extraction processes. The study of SCGO partition in systems containing SCG and short-chain alcohols allowed us to verify that for ethanol, especially ET6, there is a limit of solubilization of SCGO in the extract phase, indicating liquid saturation. The minimum flow and number of ideal stages of countercurrent extractors were higher for ET6 and lower for IPA0. Depending on the conditions, the use of ET0 can make it possible to obtain more concentrated final extracts, with similar or even better results than with IPA0. The evaluation of the UAE and PLE, at 50 °C was performed through the morphology and physical characteristics of the solid phases and the dimensioning of cross-current configured extractors. The results indicated that the intensification of the process with the sonication or pressurization did not allow for significant gains in terms of SCGO extraction yield when compared to conventional extraction.
 
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DO6420073COR.pdf (5.68 Mbytes)
Date de Publication
2022-05-12
 
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