Igor_Mendes_e_Lucas_Castro_TCC_2014_2

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Universidade Federal de Alfenas 
 
 
 
 
Igor Gustavo Paína Cardozo 
Lucas de Oliveira Sousa Castro 
 
 
 
 
 
 
 
 
Projeto de um Processo Piloto para extração de 
cafeína 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Poços de Caldas / MG 
2014 
 
 
 
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 Igor Gustavo Paína Cardozo 
Lucas de Oliveira Sousa Castro 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Projeto de um Processo Piloto para extração de 
cafeína 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Poços de Caldas / MG 
2014 
 
Dissertação apresentada como 
parte dos requisitos para conclusão 
do curso e obtenção do título 
Bacharel em Engenharia Química 
pela Universidade Federal de 
Alfenas. 
Orientador: Prof.Dr Leandro Lodi 
Coorientador: Prof.Dr Rafael Perna 
 
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Dedicamos a Deus, a nossos 
pais, irmãos e amigos pelo 
apoio na realização deste 
trabalho. 
 
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AGRADECIMENTOS 
 
À Universidade Federal de Alfenas pela oportunidade oferecida. 
Ao Profº Dr. Leandro Lodi, orientador, e ao Profº Dr. Rafael Perna, coorientador, pelo apoio, 
dedicação, conhecimentos transmitidos e confiança depositada na realização deste trabalho. 
À Coordenação do Curso de Engenharia Química pela política de incentivo à produção 
acadêmica. 
Aos Bibliotecários e demais Funcionários pelo suporte durante a elaboração desse trabalho de 
conclusão de curso e durante toda a graduação. 
Aos demais professores da Universidade Federal de Alfenas por todo o conhecimento e todo o 
apoio durante o curso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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“Deixe o futuro dizer a verdade, e avaliar cada um de acordo com seus trabalhos e suas 
conquistas.” 
 (TESLA N.) 
 
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RESUMO 
Alguns compostos químicos encontrados em plantas possuem ação sobre o organismo 
humano. Dentre as muitas substâncias encontradas nos grãos de café, chá mate, guaraná e 
cacau, a cafeína é de grande importância devido a seu efeito estimulante e diurético no 
organismo humano. O mercado do café descafeinado e da cafeína vem ganhando proporções 
gigantescas. A cafeína, vendida para indústrias de refrigerantes e farmacêuticas, geralmente 
cobra os custos do processo, enquanto a demanda de café descafeinado é grande nos países 
industrializados. A recuperação e purificação destes compostos, por processos convencionais, 
são laboriosas e em muitos casos inviável. A versátil tecnologia que utiliza CO2 supercrítico 
como solvente apresenta-se como uma alternativa a estes processos tradicionais, onde o 
solvente é empregado em condições de temperatura e pressão acima do ponto crítico. O CO2 
vem-se apresentando como o solvente mais adequado devido a sua não toxicidade, resistência 
a chama, baixa temperatura crítica, não poluir o meio ambiente e de baixo custo. O objetivo 
principal deste trabalho foi elaborar o projeto conceitual e básico mais o fluxograma P&ID de 
uma unidade piloto de extração supercrítica para extrair a cafeína de grãos de café verde. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Palavras-chave: extração supercrítica, cafeína, CO2. 
 
8 
 
ABSTRACT 
Some chemical compounds found in plants have different actions on the human body. Among 
the many chemicals found in coffee beans, tea, mate, cocoa and guarana, caffeine is of great 
importance due to its stimulant and diuretic effect on the human body. The market for 
decaffeinated coffee and caffeine has gained gigantic proportions. Caffeine, sold to soft drink 
and pharmaceutical industries generally charges the cost of the process, while the demand for 
decaf is great in industrialized countries. The recovery and purification of these compounds 
by conventional methods are laborious and impractical in many cases. The versatile 
technology that uses supercritical CO2 as solvent is presented as an alternative to the 
traditional processes where the solvent is employed under conditions of temperature and 
pressure above the critical point. CO2 is being presented as the most suitable solvent due to 
its non-toxicity, flame resistance, low critical temperature, does not pollute the environment 
and low cost. The main objective of this work was to develop the conceptual and basic design 
over the flowchart P & ID of a supercritical extraction pilot plant for extracting caffeine from 
green coffee beans. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Keywords: supercritical extraction, caffeine, CO2. 
 
 
9 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 10 
2. DESENVOLVIMENTO ............................................................................................................. 15 
2.1. OBJETIVO GERAL ........................................................................................................... 15 
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 15 
2.3. MÉTODO ............................................................................................................................. 15 
2.4. DESCRIÇÃO DO PROJETO ............................................................................................ 17 
2.4.1. PRIMEIRA ETAPA: ENTRADA DE MATÉRIA-PRIMA .................................... 18 
2.4.2. SEGUNDA ETAPA: EXTRAÇÃO ............................................................................ 18 
2.4.3. TERCEIRA ETAPA: SAÍDA DE PRODUTO ......................................................... 19 
2.5. FLUXOGRAMA DE PROCESSO (PFD) ......................................................................... 20 
2.6. BALANÇO DE MASSA E DE ENERGIA ........................................................................ 20 
2.6.1. BALANÇO DE MASSA NO EXTRATOR ............................................................... 20 
2.6.2. BALANÇOS DE ENERGIA ...................................................................................... 23 
2.7. DESCRITIVO DO FUNCIONAMENTO DAS MALHAS DE CONTROLE E 
INSTRUMENTAÇÃO .................................................................................................................... 28 
2.7.1. MALHA DE CONTROLE DE TEMPERATURA NO EXTRATOR .................... 28 
2.7.2. MALHA DE CONTROLE NO TROCADOR DE AQUECIMENTO ................... 28 
2.7.3. SISTEMAS DE INDICAÇÃO DE PRESSÃO .......................................................... 29 
2.8. ESPECIFICAÇÕES DAS MATÉRIAS PRIMAS, PRODUTOS E EFLUENTES ....... 29 
2.9. AVALIAÇÃO DAS UTILIDADES ................................................................................... 31 
2.10. LISTA DE EQUIPAMENTOS E INSTRUMENTOS ..................................................... 32 
2.11. FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA – P&ID ................................................................ 34 
2.12. ESTIMATIVAS DE CUSTOS ........................................................................................... 35 
2.13. RELATÓRIO DE REVISÃO DE RISCOS DO PROCESSO (RRP) UTILIZANDO 
WHAT-IF ......................................................................................................................................... 35 
3. CONCLUSÃO ............................................................................................................................. 38 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................. 39 
APÊNDICE A – MEMÓRIA DE CÁCULO ..................................................................................... 41 
ANEXOS A-PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DO CO2 À PRESSÃO ATMOSFÉRICA .... 42 
ANEXOS B - DIAGRAMA (H; P) PARA CO2 ................................................................................43 
 
 
 
 
10 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Os princípios ativos são conhecidos pela humanidade há mais de 4000 anos, quando os 
assírios e egípcios já falavam de preparações e uso medicinais de algumas plantas medicinais 
como fazia os gregos alguns séculos antes. Na época Medieval nasceu a botânica moderna 
que classificou as drogas conforme as plantas das quais derivavam, essa classificação foi dada 
em função do tipo de enfermidade que combatia da sua natureza ou similaridade química. 
Entre os princípios ativos que procedem de extratos de folhas, sementes, raízes e cascas de 
plantas, encontram-se os alcaloides (BENTLEY, 1966). Esses são compostos orgânicos que 
geralmente possuem pelo menos um átomo de nitrogênio no anel heterocíclico e são 
princípios ativos que produzem efeitos fisiológicos no organismo humano e dependendo da 
dose utilizada, tais efeitos podem ser classificados como tóxicos ou terapêuticos (SALDAÑA, 
2002; KOPCAK, 2003). 
Dos produtos mais consumidos contendo alcalóides encontram-se o café e o guaraná, que 
contêm cafeína, e o tabaco, que contém nicotina. Essas substâncias são de grande interesse 
para as indústrias alimentícias, farmacêuticas e cosméticas, as quais estabelecem processos 
para extraí-los das suas fontes naturais (SALDAÑA, 1997). 
O consumo de café no mundo ultrapassa a casa de 400 bilhões de copos de bebida por 
ano, o que equivale a cerca de 103 bilhões de sacos (60 kg) de café por ano. Na época que o 
café chegou ao Brasil, em 1727, ele já possuía um grande valor comercial agregado, isso 
gerou um interesse pelo seu plantio voltado ao mercado doméstico. Com as condições 
climáticas favoráveis a produção de café começou a crescer e, o que até então era apenas um 
produto secundário voltado para o mercado interno, tornou-se um dos produtos base 
comercial do Brasil, voltado tanto para o mercado interno quanto para exportação. O café 
então passou a se tornar uma das maiores riquezas do Brasil, impulsionando a sua economia e 
expansão (ABIC, 2013). 
Atualmente, a produção do café brasileiro é a maior do mundo, sendo que a maior parte 
dessa produção é realizada pelo estado de Minas Gerais, mais especificamente a região Sul, 
como observado na Figura 1 e na Figura 2 (ABIC, 2013). 
11 
 
 
Figura 1 – Produção mundial de café (volume em mil sacos de 60 kg). 
Fonte: ABIC (2013). 
12 
 
Figura 2 – Parque cafeeiro brasileiro e produção. 
Fonte: ABIC (2013). 
 
A cafeína é um dos alcalóides purínicos mais estudados por pesquisadores do mundo 
todo, devido aos seus efeitos fisiológicos causados no ser humano que na maioria das vezes 
estão associados ao café. Classicamente os alcalóides purínicos são estimulantes psicomotores 
e entre estes se destaca a cafeína como um dos mais importantes e atuantes (KOPCAK, 2007). 
13 
 
Sua extração é de grande importância, pois além de evitar seu consumo exagerado esse 
alcalóide também é vendido às indústrias farmacêuticas e produtoras de bebidas de cola, 
permitindo receitas suficientes para cobrir os custos do processo de descafeinação. 
As técnicas de extração aplicadas pelas indústrias são trabalhosas e demoradas, fazem 
uso de produtos tóxicos de manipulação perigosa além de utilizar condições de processo que 
favorecem formação de resíduos indesejáveis. Esses resíduos são provenientes dos solventes 
químicos usados na extração. Também é possível que ocorram alterações no produto final 
devido à degradação térmica em função das altas temperaturas alcançadas durante as etapas 
de extração e purificação. (AZEVEDO, 2005; KOPCAK, 2007). 
É possível evidenciar o emprego dessas técnicas ao citar o processo de extração e 
purificação de alcalóides que utilizam amônia e clorofórmio e processo de extração por 
arraste de vapor está última muito utilizada nessas indústrias. 
Com as novas tendências mundiais o uso das tecnologias limpas para os processos de 
extração aliadas às preocupações com o grau de contaminação dos alimentos, são explorados 
novos processos livres de contaminantes e com custos reduzidos. A extração supercrítica 
utilizando dióxido de carbono apresenta-se como uma alternativa para a indústria de produtos 
alimentícios ou farmacêuticos, pois é uma tecnologia limpa que apresenta uma alta 
seletividade, e seus produtos são gerados com uma qualidade superior, permitindo assim uma 
fácil separação do soluto e do solvente apenas por redução na pressão e aumento da 
temperatura. Além disso, é possível minimizar a produção de resíduos químicos adotando 
condições brandas de pressão e temperatura no processo (AZEVEDO, 2005). 
Os processos com fluídos supercríticos baseiam-se na exploração das propriedades do 
fluido em torno do seu ponto critico, no qual o fluído tem uma densidade semelhante àquela 
na fase líquida juntamente com uma compressibilidade semelhante à da fase gasosa, 
possibilitando que ocorra uma penetração mais rápida do solvente na matriz sólida e que pode 
resultar em processos mais eficientes de transferência de massa reduzindo substancialmente o 
tempo de extração necessário. (SALDAÑA, 2002; KOPCAK 2007). 
Na região supercrítica, as propriedades são particularmente sensíveis á temperatura e 
pressão, gerando mudanças na densidade e, portanto, no poder de solubilização. Isso confere 
uma grande vantagem sobre os solventes líquidos, que variam a sua densidade apenas com 
adição de outro solvente, ou por alterações significativas na temperatura (AZEVEDO, 2005). 
Uma das substâncias mais empregadas como solvente nos processos de extração 
supercrítica de produtos naturais é o CO2. Ele apresenta uma pressão crítica moderada e uma 
14 
 
baixa temperatura crítica. Essas características são essenciais quando deseja-se concentrar 
substâncias termolábeis, como é o caso da maioria dos princípios ativos presentes nos 
produtos naturais. Esses processos podem ser uma alternativa atrativa para a utilização na 
extração de componentes de alimentos e produtos farmacêuticos (AZEVEDO, 2005). 
O uso de fluidos supercríticos (FSC) tem demonstrado ser urna tecnologia muito 
promissora no processo de extração cafeína e de produto naturais, apresentando vantagens em 
relação aos processos de extração convencional. Estudos (LACK, 1993) mostraram que o 
custo de investimento inicial baseado em CO2 é alto, mas o processo provê uma boa qualidade 
tanto do produto (café descafeinado) quanto do subproduto (cafeína). 
A extração da cafeína dos grãos de café com CO2 já é um processo consolidado em escala 
de planta piloto e industrial no estado de Bremen (Alemanha) e no Texas (Estados Unidos) 
sucessivamente. Porém, as informações sobre o processo permanecem mantidas em segredo 
como patentes industriais e os dados são quase inexistentes na literatura científica 
(SALDAÑA, 1997). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
2. DESENVOLVIMENTO 
 
2.1. OBJETIVO GERAL 
Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo geral elaborar o projeto 
conceitual e básico mais o fluxograma P&ID de uma unidade piloto de extração supercrítica 
para extrair a cafeína de grãos de café verde. Incentivar o desenvolvimento de novas 
tecnologias limpas permitindo um desenvolvimento sustentável, minimizando o impacto ao 
ecossistema em que está inserido. 
 
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 Realizar uma pesquisa bibliográfica sobre os processos supercríticos da extração da 
cafeína do grão de café verde, a utilização da cafeína extraída e sobre o histórico do 
café e seu valor de mercado. 
 Realizar os balanços de massa e de energia do processo de extração. 
 Elaborar o projeto conceitual e básico mais P&ID da unidade proposta, selecionar 
equipamentos e garantir a segurança do processo levando em consideração as 
propriedades físico-químicas das substâncias que serão utilizadas. 
 Realizar uma análise de segurança da planta, por meio das ferramentas de gestão de 
projetos, como “What if”. 
 Estimar o custo do projeto eequipamentos da planta piloto. 
 
2.3. MÉTODO 
Conforme proposta do trabalho, a metodologia implementada será a utilização das 
ferramentas de elaboração de projeto adquiridas durante o curso de engenharia química na 
UNIFAL-MG e demais ferramentas pesquisadas para o próprio trabalho. Serão adotadas 
etapas para a realização do projeto de modo que todas elas estejam unidas e coesas, com 
informações suficientes para a construção de uma unidade piloto. Cada etapa anterior remete 
a uma etapa seguinte, visando não permitir qualquer tipo de falha durante o projeto. 
Logo, as seguintes etapas serão realizadas: 
 Descritivo do processo: Essa etapa descreverá como a planta irá trabalhar, quais 
equipamentos e matérias serão utilizados. Tudo isso com base no processo de 
extração supercrítica. 
16 
 
 Diagrama de blocos: Realizado em conjunto com o Descritivo do processo é a 
elaboração de um diagrama de blocos que determinará as etapas básicas para o 
funcionamento do sistema de extração. 
 Fluxograma de processo (PFD): Utilização do programa Microsoft Visio para 
realizar o fluxograma do processo. 
 Balanço de massa e energia: Realização dos balanços de massa e energia dos 
equipamentos e do processo da planta de extração de cafeína. 
 Descritivo do funcionamento das malhas de cotrole e instrumentação: Descritivo 
de como as malhas de controle e instrumentação funcionarão e quais são as 
necessidades da planta para o seu correto funcionamento. 
 Especificação das matérias primas, produtos e efluentes: Listagem das matérias-
primas, produtos e efluentes para avaliação de qual será o seu impacto no processo 
e no meio ambiente durante o processo de produção. 
 Avaliação das utilidades: Avaliação das utilidades que serão utilizadas; Ar e 
energia elétrica. Também serão avaliadas em quais condições essas utilidades 
chegarão ao processo e quais alterações elas devem passar antes de serem 
utilizadas. 
 Lista de equipamentos e instrumentos: Listagem de equipamentos e instrumentos 
utilizados para a montagem do processo, não apenas o processo de extração, mas o 
processo como um todo. 
 Fluxograma de Engenharia (P&ID): Elaboração do fluxograma completo, no 
software Microsoft Visio, com todas as informações pertinentes às normas ISA 5.1 
e ABNT (NBR) 8190. 
 Estimativa de Custos: Estimar o custo dos equipamentos, manutenção, matéria-
prima e utilidades. Não serão acrescentados os custos logísticos e que não 
envolvam o processo de transformação da matéria-prima em si. 
 Avaliação de segurança (What-if): Realizada como etapa final para definir 
possíveis falhas e problemas que podem ocorrer durante o funcionamento da 
planta e suas possíveis salva guardas. Foi escolhida a ferramenta What-if por se 
tratar de um projeto conceitual, caso fosse elaborado um projeto detalhado seria 
necessária a utilização de outra ferramenta mais completa como o HAZOP (Estudo 
de perigo e Operabilidade). 
 
17 
 
2.4. DESCRIÇÃO DO PROJETO 
Neste projeto piloto foi levada em consideração a utilização dos grãos de café verde da 
espécie Coffea Arábica, produzida principalmente nas regiões do estado de São Paulo e Minas 
Gerais. Com a finalidade de controlar a variabilidade desta matéria-prima, segundo Kopcak 
(1992) é aconselhável a sua utilização de apenas um único lote armazenando-se em local seco 
e em todo o processo de extração (KOPCAK 1992). 
No projeto da planta piloto de extração supercrítica da cafeína foi considerada a utilização 
inicialmente amostras de 100g de grãos de café verde, previamente moído com diâmetro 
médio de 0,725 mm, seco em uma estufa a 60 °C por 24 horas que serão posteriormente 
empacotados em uma coluna que será localizada a jusante do vaso de extração. 
Vale observar que o processo de extração será realizado em um regime semi-contínuo isso 
porque a variação da concentração de cafeína varia de acordo com o tempo e o espaço dentro 
do extrator. 
Para facilitar a compreensão do processo de extração, pode-se dividi-lo em três etapas: 
entrada da matéria-prima, extração e saída do produto. O processo se encontra melhor 
compreendido no diagrama de blocos abaixo (Figura 3). 
 
Grão de café 
verde 
(moído)
Extrator com 
sistema de 
aquecimento
C02 
supercrítico
Produto
(Cafeína)
SeparadorC02
Grãos de café 
descafeínado
 
Figura 3 – Diagrama de blocos. 
Fonte: Do Autor (2014). 
18 
 
 
2.4.1. PRIMEIRA ETAPA: ENTRADA DE MATÉRIA-PRIMA 
Em um processo típico de extração supercrítica da cafeína, o solvente é bombeado de 
um cilindro de estocagem com um tubo interno, tipo pescador imerso na fase líquida até 
próximo ao fundo do vaso. Por meio de uma bomba de deslocamento positivo, as pressões 
serão indicadas por um manômetro instalado na saída da bomba. Para a segurança da bomba e 
manutenção da linha foram consideradas a instalação de válvulas de bloqueios na entrada e 
saída dela. 
Para garantir que o solvente chegue à sucção da bomba no estado líquido foi 
considerado um sistema de resfriamento (banho termostatizado) com indicação de 
temperatura no display. O sistema envolverá a linha de saída do cilindro de estocagem até a 
bomba, sendo refrigerado por uma solução aquosa de etileno glicol (30% v/v), mantendo o 
fluido bombeado na fase líquida. Isso é necessário para evitar a mudança da fase líquida para 
a fase gasosa dentro do próprio equipamento, o que causaria o processo chamado de 
cavitação. 
Para evitar perdas de energia, será utilizada uma camisa de proteção envolta do 
sistema de resfriamento, impedindo que energia seja absorvida esfriando o ar ambiente. 
Uma vez resfriado e na fase líquida, o solvente passará por um sistema de troca de 
calor do tipo manta de aquecimento, a qual envolverá a linha de forma espiral, elevando-se a 
sua temperatura a fim de realizar uma mudança de fase do estado líquido para o supercrítico. 
O solvente será bombeado e introduzido, lentamente, no vaso-extrator, onde entrará em 
contato com os grãos moídos de café verde. 
 
2.4.2. SEGUNDA ETAPA: EXTRAÇÃO 
O vaso extrator possuirá um formato cilíndrico de aço inox com capacidade de 200 ml, 
onde será projetado para resistir a pressões de até 60 MPa na temperatura de 600 K. Nesse 
extrator encontrará será instalado um termopar que medirá a temperatura de operação e um 
sensor de pressão. Ao redor do vaso extrator serão instaladas resistências elétricas de 
aquecimento tanto na parte superior como inferior que serão ligadas ao um controlador de 
temperatura, que irá manter a temperatura constante na seção de extração. 
A tubulação que unirá o módulo de entrada com o extrator possuirá uma válvula de 
retenção, que permitirá que o fluxo fique em um único sentido evitando, assim, o retorno da 
mistura para a bomba quando ela estiver fora de operação. As extrações serão realizadas nas 
19 
 
temperaturas de 343 K e pressões a 40 MPa , segundo Saldanã (2002) esses parâmetros 
permitirão máximo de rendimento na extração de cafeína a partir grãos de café verde moído. 
 
2.4.3. TERCEIRA ETAPA: SAÍDA DE PRODUTO 
Após as condições do processo serem alcançadas, o supercrítico com a cafeína 
dissolvida proveniente do módulo de extração, passará por uma válvula micrométrica que 
estará localizada a jusante do extrator, onde fará a regulagem da vazão do extrato (solvente + 
material extraído) reduzindo a pressão de saída a condições ligeiramente superiores à pressão 
atmosférica diminuindo a solubilidade da cafeína, ocasionando à sua precipitação no 
separador. 
A fim de evitar-se a possibilidade de congelamento do e a obstrução da tubulação 
causada pela redução da temperatura em consequência da despressurização e mudança de 
fase, será considerado o uso de uma válvula micrométrica aquecida. 
Após a extração, será realizada uma lavagem da tubulação e da válvula micrométrica com 
álcool anidro, garantindo a recuperação do total da cafeína precipitada diminuindo as perdas.A cafeína precipitada no separador será solubilizada em álcool anidro, sendo recolhida após a 
lavagem através de um compartimento de saída localizado na parte inferior do separador, 
onde serão armazenados em frascos separadores (kitassatos). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
2.5. FLUXOGRAMA DE PROCESSO (PFD) 
Cilindro CO2
BombaRefrigerador de CO2
Separador
V1
V5
Produto
C02
Aquecedor de CO2
V1 - Válvula reguladora de pressão
V2 - Válvula de bloqueio
V3 - Válvula de bloqueio
V4 - Válvula de retenção
V5 - Válvula micrométrica aquecida
Extrator
V4
V2 V3
Entrada caféSaída café descafeinado 
Álcool anidro
Corrente 1
C
o
r
r
e
n
te
 2
Corrente 3
C
o
r
r
e
n
te
 4
C
o
r
r
e
n
te
 5
 Figura 4 – Fluxograma do processo em escala piloto 
Fonte: Do Autor (2014). 
 
 
2.6. BALANÇO DE MASSA E DE ENERGIA 
2.6.1. BALANÇO DE MASSA NO EXTRATOR 
Para realização do balanço de massa no extrator de alta pressão, foram utilizados os 
seguintes dados obtidos de Saldanã (2002): 5 g de café verde moído possuem 241 mg de 
cafeína, em 1Kg de café verde consegue-se extrair 35,9 g de cafeína em um período de 60 
minutos utilizando 111,9 Kg de . Logo, utilizando 100g de café verde moído, foi 
realizado um balanço de massa, cujos valores encontram-se na Tabela 1. 
 
 
21 
 
 
Tabela 1 – Dados obtidos do balanço de massa para a extração 
Quantidade de café verde moído utilizado 100 g 
Cafeína total 4,82 g 
Cafeína extraída 3,59 g 
Cafeína acumulada 1,23 g 
Eficiência 74,48% 
Quantidade de CO2 necessário 11,19 Kg 
Vazão de CO2 186,6 g/min 
Tempo de extração 60 min 
Pressão 40 MPa 
Temperatura 348 K 
Fonte: Do Autor (2014). 
Esses dados encontram-se melhor representado na Figura 5 o balanço nas Tabelas 1 e 2 
(sendo os dados da Tabela 3 encontrados na Figura 5), que serviram de base para construção 
do P&ID. 
4,82 g de cafeína
Carga de café
186,5g de CO2/min
corrente 2
3,59 g de cafeína
corrente 3
1,23 g cafeína
Carga de café
t= 60 minutos
corrente 1
corrente 4
 
Figura 5 – Balanço de massa no extrator. 
Fonte: Do Autor (2014). 
22 
 
Tabela 2 – Balanço de massa do extrator por lote. 
Materiais corrente 1 (Kg) corrente 2 (Kg) corrente 3 (Kg) corrente 4 (Kg)
CO2 0 11,19 11,19 0
café 0,1 0 0 0,09641
cafeína 0,00482 0 0,00359 0,00123
Fonte: Do Autor (2014). 
 
Tabela 3 – Balanço de massa para extração. 
N° corrente 1 2 3 4 5
**
 
Fluído líq Sc Sc+cafeína gás Cafeína+álcool 
Vazão 186,6g/min 186,6g/min 
 
186,56g/min
*
 
 
186,6g/min - 
Temperatura 273K 348K 348K 348K 298K 
 Pressão 
0,1MPa – 
40Mpa 
(após a 
bomba) 
40Mpa 40Mpa 0,1Mpa 0,1Mpa 
Fonte: Do Autor (2014). 
*
 - 186,5g/min de Sc + 0,06g/min cafeína 
**
 - Não existe vazão, pois o álcool é utilizado para solubilizar a cafeína precipitada no 
separador para facilitar a coleta. 
Observação: O café é inserido por batelada, entram 100g de café e saem 96,41g de café 
(devido à cafeína extraída). 
 
 
 
 
23 
 
2.6.2. BALANÇOS DE ENERGIA 
Os critérios econômicos sejam de materiais, energia ou financeiros, são imperativos 
para uma futura implantação desse projeto piloto. Com isso a análise energética, por meio do 
balanço de energia, é imprescindível nos estudos de viabilidade econômica do processo. 
Porém, não apenas por questões econômicas, mas também como requisito para o projeto de 
equipamentos, estudos de impacto ambiental e desenvolvimento de novos processos. 
De acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, fundamentada no princípio da 
conservação da energia, tem-se que a energia se conserva, e a quantidade total que entra em 
qualquer sistema deve ser exatamente igual à que sai do sistema mais qualquer acúmulo 
dentro do sistema. 
Partindo-se dessa definição, foi possível determinar o balanço global de energia para 
os equipamentos desse projeto, conforme representado pela equação 1: 
 
 (1) 
 
 Ao aplicar a Equação 1 e algumas considerações para o extrator, obtêm-se a Equação 
2, referente ao balanço de energia no extrator: 
Considerações 1 
 Como o sistema opera em regime permanente não existirá acúmulo de energia dentro 
do extrator, logo o ; 
 Como a temperatura do fluido dentro do extrator é igual em todos os pontos não existe 
energia convectiva, portanto a ; 
 Para manter a temperatura do extrator a 75ºC utilizam-se resistências elétricas como 
fonte de aquecimento. Logo, o sistema possui energia gerada, , sendo 
a quantidade de energia gerada por unidade de volume pelas resistências; 
 Por fim, a energia que deixa o sistema seria . 
 Para melhor visualizar as considerações observar a Figura 8. 
 (2) 
24 
 
 
Figura 9 – Volume de controle do extrator. 
Fonte: Do Autor (2014). 
Ao tomar mais algumas considerações e desenvolvendo a Equação 2, obtêm-se a 
Equação 3: 
Considerações 2 
 ; 
 , a e a (variações das energias 
cinéticas e potenciais) são desprezíveis por serem muito pequenas em relação às 
demais grandezas energéticas; 
 ; 
 Sabendo que , sendo a entalpia do fluido de entrada, chega-se 
na seguinte equação: ; 
 em questão da formulação, apenas substituindo os valores de entrada pelos 
de saída, logo ; 
25 
 
 Para uma melhor visualização matemática adotamos um único e o denominamos , 
sendo . 
 
 (3) 
 
 Ao tomar mais algumas considerações e desenvolvendo a Equação 3, obtêm-se a 
Equação 4: 
Considerações 3 
 Como a vazão que entra no extrator é igual a que sai temos, ; 
 e , logo . Para isso, considerou-se 
calor específico constante (independente da temperatura) para as correntes de entrada 
e saída do extrator; 
 Ao isolar o obtemos a Equação 4, que será a equação final para o balanço de 
energia. 
 
 (4) 
Em que: 
 = taxa de entrada de energia para dentro do volume de controle; 
 = taxa de saída de energia para dentro do volume de controle; 
 = taxa de geração de energia; 
 = energia total de entrada; 
 = taxa de transferência de calor total; 
 = taxa de transferência de calor por condutividade; 
 = taxa de geração de energia por unidade de volume; 
 = energia total de saída; 
 = calor específico à pressão constante; 
26 
 
 = diferença de temperatura; 
 = diferença de entalpia específica; 
U= energia interna específica; 
Devido as dificuldades de encontrar o valor do Cp do CO2 na fase supercrítica (CpSC) 
foi utilizado o valor do Cp do CO2 na fase gasosa (CpG). Como o isso, sabe-se que o CpG>CpSC, 
ou seja, ao realizar as contas existirá um erro no valor da quantidade de energia utilizada, 
contudo esse erro não acarretará nenhum problema para a planta, pois não faltará energia para 
a planta. O valor do CpG utilizado foi interpolado a partir da tabela propriedade termofísicas 
de gases à pressão atmosférica encontrada no Anexo A. 
Ao aplicar a Equação 1 e algumas considerações para o refrigerador de CO2, obtêm-se 
a Equação 5, referente ao balanço de energia no extrator: 
Considerações 1 
 Devido ao sistema operar em regime permanente não existe acúmulo de energia dentro 
do extrator, logo o ; 
 Como a taxa de calor é transferido do sistema para vizinhança (no caso de 
resfriamento do fluído) temos, ; 
 
 , a e a (variações das energias 
cinéticas e potenciais) são desprezíveis por serem muito pequenasem relação às 
demais grandezas energéticas; 
 Sabendo que , sendo a entalpia do fluido de entrada, chega-se 
na seguinte equação: ; 
 em questão da formulação, apenas substituindo os valores de entrada pelos 
de saída, logo ; 
 Como a vazão que entra no extrator é igual a que sai temos, ; 
 Reorganizando os teremos e isolando o obtemos a Equação 5, que será a equação 
final para o balanço de energia. 
 
 (5) 
27 
 
Sendo: 
 = taxa de transferência de calor total; 
 = vazão mássica de entrada; 
 = vazão mássica de saída; 
U= energia interna específica; 
 = diferença de entalpia específica. 
As entalpias associadas foram encontradas utilizando o diagrama (h; p), presente em 
Anexo B e organizadas na Tabela 4. 
O balanço de energia representado pela Equação 1, será aplicado aos demais 
equipamentos da planta seguindo a mesma linha de raciocínio, além das mesmas 
considerações do balanço para o refrigerador de CO2. O mesmo processo foi realizado para o 
trocador de calor, a válvula e o separador. Os cálculos dos balanços de energia podem ser 
encontrados no Apêndice A e para melhor representação, os resultados obtidos encontram-se 
disponíveis na Tabela 5. 
Tabela 4 – Valores da Entalpia retirado do diagrama (H; P). 
Equipamentos Caminhos* Variação de entalpia 
Refrigerador de CO2 1-2 -74,42 KJ/Kg 
Sistema de aquecimento para 
CO2 
3-4 237,2 KJ/Kg 
Válvula micrométrica 5 423,3 KJ/Kg 
*Os caminhos encontram-se na Figura 7, no Anexo B. 
Fonte: Do Autor (2014). 
 
 
 
 
 
28 
 
Tabela 5 – Taxa de energia gerada. 
Equipamentos Taxa de energia 
Refrigerador de CO2 0,23 KW 
Sistema de aquecimento para CO2 0,73 KW 
Extrator 0,14KW 
Válvula micrométrica 1,31KW 
Taxa de energia global do sistema 2,5KW 
Fonte: Do Autor (2014). 
2.7. DESCRITIVO DO FUNCIONAMENTO DAS MALHAS DE CONTROLE E 
INSTRUMENTAÇÃO 
2.7.1. MALHA DE CONTROLE DE TEMPERATURA NO EXTRATOR 
O sistema de controle de temperatura, em malha de controle fechada, instalada no extrator 
será composto por um sensor de temperatura, um transmissor de temperatura, um controlador 
de temperatura e uma resistência elétrica (com potenciômetro) instalados no corpo do extrator 
e funcionará da seguinte maneira: 
- A informação da temperatura é coletada pelo sensor; 
- A informação é envida para o controlador através do transmissor; 
- O controlador compara a informação recebida com o setpoint, enviando um sinal para o 
potenciômetro baseado na diferença entre as duas informações, denominado erro. O erro é 
estimado com uma variação entre 0 a 100%; 
- O potenciômetro aumenta ou diminui a potencia da resistência elétrica de acordo com a 
informação do sinal captado do controlador. 
 
2.7.2. MALHA DE CONTROLE NO TROCADOR DE AQUECIMENTO 
Para o aquecimento da linha localizada entre saída da bomba até a entrada do extrator, 
serão utilizadas resistências do tipo coleira elétrica de aquecimento que envolverá a tubulação 
em forma espiral. 
As resistências elétricas terão um sistema de controle automático com indicação de 
temperatura e possibilidade de variação de setpoint conforme a necessidade. Esse sistema de 
controle será composto por display de leitura com termopar e resistências elétrica ligada a um 
controlador. 
 
29 
 
2.7.3. SISTEMAS DE INDICAÇÃO DE PRESSÃO 
Para realizar a indicação e análise da pressão no processo, serão utilizados tanto 
indicadores analógicos quanto digitais acoplados aos equipamentos. Essa redundância tem 
como objetivo não comprometer a segurança do processo. Nesse caso, serão considerados 
dois instrumentos de medição de pressão no extrator tipo digital com display de leitura, 
unidade seladora e capacidade de variação de pressão atmosférica até 6000 bar. 
 
2.8. ESPECIFICAÇÕES DAS MATÉRIAS PRIMAS, PRODUTOS E EFLUENTES 
Neste item, será feita uma descrição das composições químicas e físicas dos compostos 
presentes no processo. Essa descrição servirá para um conhecimento prévio para o 
detalhamento do projeto e segurança na manipulação durante a operação. 
 Matéria prima: café verde 
A composição química média da espécie de café mais cultivada no mundo (Coffea 
Arábica). Nesta Tabela 6 estão destacados em negrito os grupos de compostos identificados 
como os principais responsáveis pela qualidade da bebida, os que apresentam importantes 
efeitos terapêutico, utilizados como princípios ativos em medicamentos e aplicações 
industriais como ingredientes de alimentos, e os que podem ser responsáveis por efeitos 
nocivos à saúde (AZEVEDO, 2005). 
Tabela 6 – Composição média de café Coffea Arábica. 
Minerais 3,0-4,2 
Cafeína 0,9-1,2 
Trigonelina 1,0-1,2 
Lípidios 12-18 
Total de Ácido Clorogênicos 5,5-8,0 
Ácidos Alifáticos 1,5-2,0 
Oligossacarídios 6,0-8,0 
Total de Polissacarídios 50,0-55,0 
Aminoácidos 2 
Proteínas 11,0-13,0 
Fonte: Ciarke e Macrae (1985). 
30 
 
 Produto: cafeína 
Entre os princípios ativos presentes nos grãos de café, sem dúvida o mais conhecido e 
discutido é a cafeína cujas propriedades estão presentes na Tabela 7. 
Tabela 7 – Propriedades da cafeína 
Propriedade Cafeína 
Fórmula C8H10N4O2 
Peso Molecular (g.gmol
-1
) 194,19 
Ponto de Ebulição (K) 628,2 
Volume Molar a 298 K (ml.mol
-1
) 144 
Densidade a 298 K (g.cm-3) 1,321-1,333 
Parâmetro de Solubilidade 298 K(cal.cm
-3
) 13,5 
Espectro de Absorção UV (À.max.) 273 
Momento Dipolo (Debye) 3,83
b
 
Ponto de Sublimação (K) 451 
Pressão de Sublimação (bar) a 313 K 
 333 K 
3,717 x 10
-9
 
4,769 x 10
-8
 
Ponto de Fusão ( K) 508-511 
Entalpia de Fusão no Ponto de Fusão (J.mol
-1
) 21118 
Solubilidade Ideal (Fração Molar) 
a 298 K 
313 K 
333 K 
353 K 
 
0,0289 
0,0435 
0,0709 
0,1092 
Solubilidade (Fração Molar)
a
 na água 
dioxano 
hexano 
0,6915 
0,8917 
0,0040 
Fonte: MARTIN (1981), 
b
Usando ácido acético como solvente. 
 Efluente: CO2 
O dióxido de carbono na fase supercrítica exibem propriedades intermediárias entre 
aquelas de gases e líquidos como se pode observar na Tabela 8. Densidades similares às dos 
líquidos e propriedades de transporte que se aproximam a dos gases, são algumas 
características que os tornam aptos a serem usados nos processos de extração (ESPINOZA, 
2001). 
 
 
 
 
 
31 
 
Tabela 8 – Propriedades do CO2 
Propriedades do CO2 
Formula Molecular CO2 
Massa Molar 44,010 g/mol 
Densidade 
Líquido 10
-3
 (g/cm
3
) 
FSC 0,3(g/cm
3
) 
Gás 1(g/cm
3
) 
Viscosidade 
Líquido 10
-4 
(g/cm.s) 
FSC 10
-4
(g/cm.s) 
Gás 10
-4
(g/cm.s) 
Difusividade 
Líquido 0,2 (cm
2
/s) 
FSC 0,7*10
-3
(cm
2
/s) 
Gás 10
-5
(cm
2
/s) 
Fonte: ESPINOZA (2011). 
 
2.9. AVALIAÇÃO DAS UTILIDADES 
As utilidades necessárias para extração da cafeína a partir de grãos de café verde moído 
desse processo serão: ar comprimido, energia elétrica, sistema de exaustão. Uma descrição 
mais detalhada dessas utilidades será aprestada a seguir. 
 Energia elétrica 
Alimentação de energia elétrica em 220volts e potência em torno de 7,5 kWh para as 
resistências elétricas, aquecimento e resfriamento, assim como toda a parte elétrica da planta. 
 
 Sistema de exaustão 
Utilizou-se um sistema de exaustão para a liberação do solvente que ficaria em volta 
da planta piloto. Esse sistema de exaustão foi projetado levando em conta o solvente (o 
dióxido de carbono é um gás considerado pesado com tendência a ficar na região inferior 
do ambiente), a área interna de toda a estrutura do equipamento. Além do sistema de 
exaustão, foi acoplada uma cortina de isolamento, impossibilitando a fuga do solvente 
gasoso para o meio externo Figura 8. 
32 
 
 
Figura 9 – Exaustor de CO2. 
Fonte: Lodi (2011). 
2.10. LISTA DE EQUIPAMENTOS E INSTRUMENTOS 
O processo de extração supercrítica da cafeína em escala pilotoconsiste basicamente nos 
seguintes equipamentos: uma fonte de CO2, um compressor ou bomba de alta pressão, um 
vaso extrator, além de equipamentos secundários (válvulas de bloqueio, micrométricas, 
retenção, aquecedores, termopares e manômetros), controladores de temperatura e pressão. As 
descrições de cada equipamento foram organizadas na Tabela 9 e a descrição de cada 
instrumento na Tabela 10. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
33 
 
Tabela 9 – Lista de equipamento da planta piloto. 
Lista de Equipamentos 
Número Identificação Descrição 
1 Extrator 
- Volume útil 200mL; 
- Temperatura de projeto: 343K; 
- Pressão de projeto 40MPa; 
- Material: Aço Inox; 
- Sistema de aquecimento por resistência elétrica. 
2 
Sistema de 
aquecimento para o 
extrator 
- Resistências elétricas, acopladas do lado de fora do 
extrator, tipo manta elétricas. 
3 Cilindro de CO2 
- Quantidade: 45Kg 
- Com tubo mergulhado (deep pipe) 
4 Separador 
- Volume útil 500mL; 
- Material: Aço Inox 
- Possui coletor no fundo; 
- Possui saída para gases. 
5 Refrigerador de CO2 
- Sistema de resfriamento de linha para o CO2; 
- Banho termostatizado com etileno glicol. 
6 Aquecedor de CO2 
- Sistema de aquecimento para o CO2; 
- Trocador de calor por resistências elétricas; 
- Trocador em formato de serpentina fechado por uma 
manta elétrica com um medidor de temperatura PT-100. 
7 Bomba 
- Bomba de deslocamento positivo pistonado que opera a 
uma pressão máxima de 600bar; 
- Vazão de bomba mínima 1L/min; 
- Vazão de bomba máxima 120L/min. 
8 
Válvula reguladora de 
pressão 
- Válvula qual proporciona característica de fluxo 
favoráveis e fáceis de desmontar para manutenção; 
- Range de temperatura entre 223K e 423K; 
- Pressão mínima atmosférica e máxima 250 bar 
9 Válvulas de bloqueio 
- Válvula qual proporciona característica de fluxo 
favoráveis e fáceis de desmontar para manutenção; 
- Range de temperatura entre 223K e 423K; 
- Pressão mínima 0 bar e máxima 250 bar 
10 Válvula de retenção 
- Válvula qual proporciona característica de fluxo em 
apenas um sentido e fáceis de desmontar para 
manutenção; 
- Range de temperatura entre 223K e 423K; 
- Pressão mínima atmosférica e máxima 250 bar 
11 
Válvula micrométrica 
aquecida 
- Aquecida mediante a uma fita de aquecimento evitando 
o congelamento da válvula pelo fluido, devido à 
expansão do CO2; 
- Range de temperatura entre 223K e 423K; 
- Pressão mínima atmosférica e máxima 250 bar 
12 Exaustor 
-Sistema de exaustão 
-Vazão 685m
3
/h 
-Tensão de Alimentação 220 v. 
Fonte: Do Autor (2014). 
34 
 
Tabela 10 – Lista de instrumentos da planta piloto 
Lista de Instrumentos 
Número Identificação Descrição 
1 
Medidor de 
temperatura 
- Dois PT-100 acoplados no topo do reator e um PT-100 
utilizado no aquecedor de CO2. 
- No extrator um PT-100 será utilizado na saída do fluído do 
extrator enquanto o outro na entrada, podendo observar o 
gradiente de temperatura; 
- No extrator, um PT-100 é utilizado no controle e outro na 
segurança. 
- Range de temperatura de 273K a 773K. 
2 
Medidor de 
pressão 
- Dois medidores de pressão acoplados no topo do reator; 
- Um medidor de pressão de controle (digital) e outro de 
segurança (analógico); 
- Digital: Pressão máxima 6000 Bar. 
Fonte: Do Autor (2014). 
2.11. FLUXOGRAMA DE ENGENHARIA – P&ID 
C-1 B-1
T-1
S-1
E-1
V-5
TC-1
V-2
V-3
PI-1
V-1
Entrada café
Café descafeínado
TT-1
TC-2
TT-3
T-2
PI-2
TT-2
Produto
C
O
2
V-4
Equipamentos
E-1: Extrator
S-1: Separador
T-1: Refrigerador de CO2 
T-2: Aquecedor de CO2
R-1: Resistência elétrica tipo capa
B-1: Bomba
C-1: Cilindro CO2
Válvulas
V-1: Válvula reguladora de pressão
V-2: Válvula de bloqueio
V-3: Válvula de bloqueio
V-4: Válvula de retenção
V-5: Válvula micrométrica aquecida
Instrumentos
TT-1: Transmissor de temperatura
TT-2: Transmissor de temperatura
TT-3: Transmissor de temperatura
TC-1: Controlador de temperatura
TC-2: Controlador de temperatura
PI-1: Indicador de pressão
PI-2: Indicador de pressão
R-1
Corrente 1
C
o
r
r
e
n
te
 2
C
o
r
r
e
n
te
 4
Á
lc
o
o
l 
A
n
id
r
o
C
o
r
r
e
n
te
 5
Corrente 3
 
Figura 10 – Fluxograma do Engenharia em escala piloto. 
Fonte: Do Autor (2014). 
35 
 
2.12. ESTIMATIVAS DE CUSTOS 
Baseado no item 2.13 e acrescentando alguns outros detalhes, tais como tubulação, foi 
estimado o preço total da planta piloto de extração supercrítica a partir de preço de 
vendedores e revendedores online. Observando que os itens da Tabela 11 são apenas os 
necessários para montar a planta para 3 extrações (utilização de 0,1Kg de café por extração). 
Caso se realize mais extrações será necessário substituir o cilindro de CO2. 
Tabela 11 – Lista de preços dos equipamentos, instrumentos e outros. 
Identificação Quantidade Preço (R$) Total (R$) 
Extrator 1 20.000,00 20.000,00 
Sistema de aquecimento para o extrator 1 1.500,00 1.500,00 
Cilindro de CO2 1 600,00 600,00 
Separador 1 10.000,00 10.000,00 
Refrigerador de CO2 (banho Maria) 1 1.581,00 1.581,00 
Trocador de calor para CO2 1 5.000,00 5.000,00 
Bomba 1 5.000,00 5.000,00 
Válvula reguladora de pressão (V-1) 1 400,00 400,00 
Válvulas de bloqueio (V-2 e V-3) 2 500,00 1.000,00 
Válvula de retenção (V-4) 2 170,00 340,00 
Válvula micrométrica aquecida (V-5) 1 8.000,00 8.000,00 
Medidor de temperatura 2 500,00 500,00 
Controladores de temperatura 3 2.000,00 2.000,00 
Transmissores de Temperatura 3 1.500,00 1.500,00 
Transmissor de pressão(digital) 2 500,00 1.000,00 
Tubulação 1 5.000,00 5.000,00 
Exaustor 1 35.000,00 35.000,00 
Montagem da planta 50.000,00 50.000,00 
Total 143.500,00 
Fonte: Do Autor (2014). 
2.13. RELATÓRIO DE REVISÃO DE RISCOS DO PROCESSO (RRP) 
UTILIZANDO WHAT-IF 
O relatório de revisão de riscos de processos (RRP) é um documento que contem os riscos 
identificados durante e ao concluir o descritivo do processo, observando possíveis falhas e 
perigos do projeto. Esses perigos não são apenas relacionados a produção, por exemplo perda 
da matéria-prima, gastos de energia em excesso e desperdício de solvente, mas também 
associados a preservação do bem estar e saúde dos operadores e do meio ambiente. Além de 
listar, analisam-se os riscos buscando ações recomendadas para elimina-los ou controlá-los 
(LODI, 2014). 
36 
 
Para a realização do RRP foi optado por utilizar uma ferramenta de simples 
implementação (por se tratar de uma planta piloto), a What-if. Caso se deseje ampliar o 
projeto, será necessária a utilização de outras ferramentas como a Avaliação Preliminar de 
Riscos (APR) ou Avaliação dos Riscos da Operabilidade (HAZOP) (LODI, 2014). 
O processo de utilização do What-if consiste em fazer o maior número de questionamentos 
sobre a possibilidade de falha de alguma especificação da planta e o que fazer para conter essa 
falha, utilizando algum sistema de proteção chamado de salva guarda. Esses questionamentos 
são realizados por meio de reuniões periódicas, em que são analisadas todas as etapas do 
processo, buscando irregularidades e soluções para os riscos (LODI, 2014). 
As vantagens para utilização do What-if é a representação dos riscos através de um 
relatório de fácil entendimento e bem detalhado, concentrando informações sobre riscos de 
diversas áreas da planta, sendo útil para se tornar um material de treinamento e podendo servir 
como essência para revisões e análises futuras (LODI, 2014). 
Na Tabela 12 encontra-se análise do What- if utilizado no processo. 
 
Tabela 12 – Análise do What-if no processo de extração supercrítico da cafeína 
What-if 
Identificação do sistema: Processo de extração supercrítica de cafeína 
Subsistema: Avaliação de todo o processo 
Responsáveis: Igor Cardozo e Lucas Castro Data: 25/10/2014 
E SE...? Resposta dos responsáveis 
O cilindro de CO2 acabar 
durante a extração 
Há um botão de parada emergencial de todo o processo 
Faltade energia elétrica 
durante a operação 
Os equipamentos estão em modo de falha segura 
Necessidade de manutenção 
da bomba. 
A equipe poderá parar o processo e remover a bomba, 
parando o fluxo por meio das válvulas de bloqueio. 
37 
 
Falha na válvula de retenção. 
Acionam-se as válvulas de bloqueio de modo a preservar a 
bomba. 
Pressão descontrolado no 
extrator. 
Aumento da vazão na válvula micrométrica e redução da 
pressão na bomba. 
Congelamento da válvula 
micrométrica 
Aumentar o aquecimento da válvula. 
Perda de controle do 
aquecedor de CO2 
Caso o PT-100 estrague a resistência possue um controle 
manual para redução da temperatura 
Fuga de gases para a 
atmosfera. 
O exaustor estará em funcionamento evitando assim a fuga de 
gases para a atmosfera. 
Fonte: Do Autor (2014). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
38 
 
3. CONCLUSÃO 
A conclusão pode ser resumida na aplicação das ferramentas do curso de Engenharia 
Química, utilizando-as para realizar dimensionamento, balanços de massa e energia, gestão de 
projetos e processos, estimativas de custo (para futura implementação), criação de 
fluxogramas e diagramas e definição de parâmetros para a instalação de uma planta piloto de 
extração supercrítica de cafeína utilizando o CO2 como solvente, visando não apenas extrair a 
cafeína, mas aproveitar o café descafeinado, obtido como um subproduto do processo. 
Ao finalizar o projeto foi possível compreender como as variáveis de processos, 
temperatura e pressão, influenciam dentro do sistema de extração, através de leitura de 
diagramas termodinâmicos, podendo aperfeiçoar a extração de cafeína através de balanços de 
massa e energia. 
Ao realizar a análise What-if foi possível encontrar diversos pontos de risco do processo, 
sendo organizada em forma de tabela para maior entendimento. Vale notar que todas as 
medidas de prevenção foram tomadas, evitando assim perigos para o meio ambiente, processo 
e operadores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
39 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
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fluidos supercríticos. Exame de qualificação de Doutorado, Universidade Estadual de 
Campinas, Brazil, 2005. 
 
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<http://www.abic.com.br/publique/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=6>. Acessado em: 16 de 
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ABIC – Associação Brasileira de Indústria e Café. Produção Agrícola. Brasil. 2013. 
Disponível em: <http://www.abic.com.br/publique/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=6>. 
Acessado em: 16 de junho de 2014. 
 
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Universidade Estadual de Campinas, Brazil, 2003. 
LACK, E. AND SEIDLITZ, H. Commercial scale decaffeination of coffee and tea using 
supercritical C02, In: King, M. B. and Bott, T. R. Extraction of natural products using near-
critical solvents, U.K., 1993, p. 101-139. 
 
40 
 
LODI, L. Montagem e validação de unidade piloto para processo de desasfaltação em 
diferentes condições de operação. Campinas, SP, 2011. 
 
LODI, L. Processos das Indústrias Química e de Alimentos: Segurança de Processos. 
UNIFAL-MG, 2014. 52 slides: color. Slides gerados a partir do aplicativo PowerPoint. 
 
MARTIN, A; PARUT~ A N. AND ADJEI, A. Extendend Hildebrand Solubility 
Approach: Methylxantines in Mixed Solvents. Journal of Pharmaceutical Sciences, v. 70, 
nº l0, l98l, p. ll5-1120. 
 
SALDANA, M. D. A. Extração de alcalóides de produtos naturais com fluidos 
supercriticos. Exame de qualificação de Doutorado, Universidade Estadual de Campinas, 
Campinas, Brazil, 1998. 
SALDANA, M. D. A., MAZZAFERA, P. AND MOHAMED, R. S. Extração dos alcalóides: 
cafeina e trigonelina dos grãos de café com C02 supercrítico. Ciência e Tecnologia de 
Alimentos, 1997, 17(4), p. 371-376. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
41 
 
APÊNDICE A – MEMÓRIA DE CÁCULO 
Cálculo da taxa de energia do extrator, utilizando a Equação 4: 
 Cp= 0,897
 
 
 
 =3,11. 10-3 
 
 
 
 ΔT=50K 
 
 =3,11. 10-3 
 
 
 X 0,897
 
 
 X 50K = 0,14 KW 
 
Cálculo da taxa de energia para o refrigerador de CO2, utilizando a Equação 5: 
 =3,11. 10-3 
 
 
 
 =-74,42 
 
 
 
 
 =3,11. 10-3 
 
 
 X -74,42 
 
 
= -0,23 KW 
Cálculo da taxa de energia para o sistema de aquecimento para CO2, utilizando a Equação 5: 
 =3,11. 10-3 
 
 
 
 = 237,2 
 
 
 
 =3,11. 10-3 
 
 
 X 237,2 
 
 
= 0,73 KW 
Cálculo da taxa de energia para válvula micrométrica, utilizando a Equação 5: 
 =3,11. 10-3 
 
 
 
 = 423,3 
 
 
 
 =3,11. 10-3 
 
 
 X 423,3 
 
 
= 1,31 KW 
 
 
 
 
 
 
42 
 
 
ANEXOS A-PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DO CO2 À PRESSÃO 
ATMOSFÉRICA 
 
Figura 6 – Propriedades termofísicas do CO2 à pressão atmosférica. 
Fonte: Lodi (2011). 
43 
 
ANEXOS B - DIAGRAMA (H; P) PARA CO2 
Figura 7 – Diagrama de (h; p) para o CO2. 
Fonte: Lodi (2011).