Trabalho Final - Projeto de Op3 - UFSC

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA 
CTC - Departamento de Engenharia Química e Alimentos 
 
 
 
PROJETO DE ESTUDO DE VIABILIDADE E DIMENSIONAMENTO DE UM 
EXTRATOR SUPERCRÍTICO DE ÓLEO DE SEMESNTES DE MAMÃO. 
 
Projeto referente à processos de Secagem e Extração da 
Disciplina de Operações Unitárias de Transferência de 
Calor e Massa - EQA 5333 dos Cursos de Graduação 
em Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da 
Universidade Federal de Santa Catarina. 
 
Membros da Equipe: 
Davi Gustavo Lisboa Girardi 
Júlia Martini 
Tales Meira Gaspar 
 
Responsáveis pela disciplina:​ Alan Ambrosi, Bruno A. 
M. Carciofi, Cristiane da Costa 
 
Florianópolis 
06/06/2019 
 
RESUMO 
No processamento do mamão, as sementes, que representam aproximadamente um sexto da 
massa do fruto, são descartadas, porém, dentro delas, encontram-se componentes de interesse 
farmacêutico que poderiam ser aproveitados pela indústria. Em função desse potencial para 
obtenção de compostos de alto valor agregado presentes no óleo das sementes, o objetivo do 
projeto é reaproveitar este resíduo do processamento do fruto. Para a recuperação do óleo das 
sementes de mamão, foi selecionada a técnica de extração supercrítica, um método de 
extração com apelo favorável ao meio ambiente e que utiliza dióxido de carbono em 
condições supercríticas como solvente. 
A partir de dados de alimentação de mamão, obtidos de um plano de negócio de 
processamento de frutas em Botucatu - SP, e das curvas de extração supercrítica para a 
semente de mamão, dimensionou-se um extrator adequado para o processo. Também foram 
dimensionados, considerando as condições climáticas do local, os equipamentos das 
operações unitárias que antecedem a extração, sendo elas uma etapa de secagem e uma de 
moagem das sementes. 
Além do dimensionamento da planta, buscou-se entender, de modo teórico, como a variação 
de parâmetros operacionais impactam no rendimento do processo a fim de otimizar a 
operação. Uma avaliação econômica e energética do projeto foi realizada, e, ao aplicar o 
preço de mercado do óleo bruto de semente de mamão obtido com outros fornecedores, 
obteve-se um tempo de retorno de aproximadamente trinta meses. 
 
PALAVRAS-CHAVE​: Extração supercrítica, semente de mamão, dimensionamento de 
operações, óleo vegetal. 
 
 
 
 
 
 
2 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 01​ - Mecanismo de transferência de massa no processo de extração. 
Figura 02​ - Representação da curva de extração e matriz da partícula em cada período. 
Figura 03​ - Fluxograma simplificado do processo. 
Figura 04​ - Curva de eficiência da extração supercrítica para escala laboratorial. 
Figura 05 ​- Especificações técnicas para armazenamento após a moagem. 
Figura 06​ - Carta psicrométrica para determinação da umidade relativa do ar secante nos 
meses de fevereiro, julho e agosto. 
Figura 07​ - Secador SL 1.2-8 fornecido por Shuliy. 
Figura 08 ​- Secador DW 1.2-8 fornecido por WUYE. 
Figura 09 -​ Imagem do Moinho de Facas ​WF-200 
Figura 10​ – Esquema do equipamento de extração. 
Figura 11​ – Esquema do fluxo mássico em único cilindro de extração de 25 litros. 
Figura 12​ - Curva de extração para um extrator operando 121,97 kg de sementes de mamão. 
Figura 13​ - Curva de extração para um extrator em série com o equipamento operando 
segundo a curva da figura 12. 
Figura 14 -​ Curva de extração supercrítica para diferentes tamanhos de partículas de quinoa. 
Figura 15 -​ Avaliação da interferência do tempo de retorno de investimento no preço do 
extrato produzido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 01 - ​Caracterização da Matéria Prima. 
Tabela 02 ​- Condições de operação da extração supercrítica. 
Tabela 03​ - Parâmetros da extração supercrítica. 
Tabela 04​ - Parâmetros do extrator e de material a ser extraído. 
Tabela 05 ​- Requisitos calculados para o secador em fevereiro e em julho. 
Tabela 06 ​- Comparação entre os secadores disponíveis no mercado. 
Tabela 07 ​– Caracterização da operação moagem. 
Tabela 08 – ​Dimensionamento do Moinho de facas - parâmetros técnicos. 
Tabela 09 – ​Dados da Alimentação do Extrator. 
Tabela 10​ – Dados de operação do extrator. 
Tabela 11 ​– Tempo e eficiência da operação. 
Tabela 12​ – Dimensionamento do volume do extrator. 
Tabela 13​ – Diferentes tipos de extratores supercríticos. 
Tabela 14 ​– Tipos e características do extrator 1. 
Tabela 15​ – Características do extrator escolhido. 
Tabela 16 ​– Informações sobre capacidade de produção da planta. 
Tabela 17 - ​Descrição do custo de implantação. 
Tabela 18 - ​Descrição com do custo energético da planta de extração. 
Tabela 19 - ​Descrição do tempo de avaliação de operação. 
Tabela 20 -​ Preços praticados pela concorrência. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
SUMÁRIO 
 
1. Introdução ​……………………………………………………………………………... 06 
2. Base Teórica do Processo de Extração ​………………………………………………..08 
2.1. Processo de Extração ​……………………………………………………….. 08 
2.2. Extração Supercrítica ​………………………………………………………..09 
2.3. Parâmetros que Interferem na Qualidade da Extração​………….………...10 
2.4 Curvas de extração supercrítica ​……………………………………………..11 
3. Dimensionamento da Planta para o Processo ​……………………………..………… 13 
3.1. Base de Alimentação das Sementes de Mamão ​………………………….… 13 
3.2. Processamento da Matéria-Prima ​…………………………………………..13 
3.3. Fluxograma do Processo ​……………………………………………………..14 
3.4. Caracterização da Matéria-Prima ​…………………………………………..14 
3.5. Dados para o Processo de Extração Supercrítica​…………………………...15 
3.6. Equação de Sovová ​………………………………………………………….. 17 
3.7. Processo de Purificação do Óleo Extraído ​………………………………….17 
3.8. Armazenagem da Matéria Prima ​………………………………………..….18 
5. Dimensionamento dos Equipamento ​……………………………………………..…...19 
5.1 Escolha e Dimensionamento do Secador ​……………………………....…… 19 
5.2. Dimensionamento do Moinho ​………………………………………………. 25 
5.3. Dimensionamento do Extrator ​……………………………………………... 28 
5.3.1. Balanços de Massa no Extrator​………………………………….......……. 33 
6. Otimização Teórica do Processo de Extração ​………………………....…..………….
37 
6.1. Operação com Extratores em Série ​…………………………………...…….37 
6.2. Diâmetro de Partícula ​………………………………………………….…….38 
6.3. Velocidade de Escoamento ​…………………………………………….…….39 
6.4. Temperatura e Pressão ​……………………………………………………....40 
7. Viabilidade Econômica e Produtiva do Processo ​…………………………………….40 
8. Conclusão​………………………………………………………………………………..45 
 
5 
1. Introdução 
O Brasil é hoje o terceiro maior produtor de mamão do mundo, com uma produção de 
1.517.696 toneladas por ano. A fruta possui um elevado número de componentes bioativos em 
sua composição, sendo estes responsáveis pelas propriedades farmacológicas, medicinais e 
alimentícias desta planta. Em função de seus diversos benefícios e aplicações, atrelado 
também à alta disponibilidade do fruto em todo território nacional e durante todo o ano, há um 
elevado consumo dessa fruta. Porém, em seu processamento nem toda a fruta é aproveitada, 
por exemplo as suas sementes, que constituem aproximadamente 15% do seu peso, são um 
resíduo de descarte que atualmente não tem nenhum aproveitamento. 
No entanto, a semente de mamão já é bem conhecida por ter uma gama de compostos 
bioativos em sua composição, com destaque para o composto BITC (benzil-isotiocianato) 
que está diretamente ligado com as atividades biológicas da semente. Estes compostos, 
localizados em sua maioria no óleo da semente, possuem atividades hipolipidêmicas, 
anticancerígena, antioxidante, anti-inflamatória,antifertilidade, antiparasitária e 
antimicrobiana que podem ser aproveitadas para a produção de fármacos, inseticidas, na 
conservação de alimentos e entre outros. Ou seja, são compostos que possuem aplicações e 
um potencial de alto valor agregado que estão sendo atualmente apenas descartados. Por conta 
disso, diversos estudos foram e vêm sendo feitos para se obter mais informações sobre 
maneiras de aproveitar esses compostos a partir dos resíduos das sementes de mamão; a forma 
mais estudada e efetiva para esse fim foi por meio de processos de extração desse óleo. 
Dentre os processos de extração conhecidos e utilizados na indústria atualmente, 
existem os processos convencionais e os não convencionais. Os convencionais são conhecidos 
como técnicas clássicas baseadas na aplicação de solventes orgânicos, aplicação de calor ou 
agitação, como a extração assistida por ultrassom e Soxhlet. Os métodos não convencionais 
são as técnicas de extração que usam líquidos pressurizados, ultrassom, enzimas, pulso 
elétrico, micro-ondas. Em contrapartida aos convencionais, as técnicas não convencionais 
apresentam-se como uma alternativa mais econômica, menos agressiva ambientalmente, 
utilizam menor quantidade de solvente, diminuem a degradação da amostra, melhoram a 
eficiência de extração e a seletividade. 
6 
Um dos métodos não convencionais que vem sendo cada vez mais estudado e 
apontado por suas diversas vantagens é a Extração Supercrítica (ESC), que é a operação de 
extração com a utilização de fluidos a temperaturas e pressões acima dos seus valores críticos, 
o que lhes dão características bem diferentes as fases gás e líquido. Algumas de suas 
vantagens é a possibilidade de ajuste contínuo do poder de solvatação e, consequentemente da 
seletividade do solvente, não utilização de solventes orgânicos poluentes e, portanto, não 
necessita da etapa de evaporação dos extratos para a eliminação do solvente. Além disso, a 
degradação térmica de compostos sensíveis é evitada por operar em temperaturas mais baixas 
enquanto a ausência de luz e oxigênio previne reações de oxidação, o que constitui uma 
grande vantagem para a extração de antioxidantes, garantindo a conservação de suas 
propriedades biológicas. 
O fluido supercrítico mais utilizado é o dióxido de carbono (CO₂) que é barato, 
ecológico, seguro e apresenta alta difusividade combinada com força de solvente facilmente 
ajustável. A temperatura e pressão crítica do CO₂ (31,1°C e 7,38 MPa) são favoráveis no 
processo por permitirem a extração de compostos termicamente lábeis ou compostos 
facilmente oxidáveis. Além disso, na temperatura e pressão ambiente o CO₂ é gasoso, o que 
torna a recuperação do analito muito simples e livre de solventes. 
Embora a extração com fluidos supercríticos esteja bem estabelecida em algumas 
aplicações industriais, há uma certa relutância com as empresas para implementar ESC em 
escala industrial, especialmente na América Latina. A tecnologia supercrítica pode ser 
empregada para que a indústria brasileira de alimentos ocupe o lugar de liderança compatível 
com seu nível de produção agrícola, possibilitando e desenvolvendo novos produtos. 
Em função dos fatos citados acima, no presente projeto foi selecionada a técnica de 
extração supercrítica com solvente CO₂ para realizar a extração do óleo dos resíduos das 
sementes de mamão. 
Um estudo feito pela pós-graduanda em Engenharia de Alimentos Rafaela Marise Hall 
do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos na Universidade Federal 
de Santa Catarina abordou o emprego de diferentes técnicas de extração para obtenção dos 
extratos. As técnicas de extração aplicadas e avaliadas foram Soxhlet (SOX), líquido 
pressurizado (PLE), extração com fluido supercrítico (ESC) e processo combinado de ESC e 
7 
PLE, extração ESC da semente de mamão e posterior extração do resíduo com PLE. As 
mesmas foram analisadas quanto ao rendimento de extração, conteúdo de compostos 
fenólicos, atividade antioxidante e atividade antimicrobiana, dos quais, os resultados e 
análises estão datados em sua tese e podem ser vistos mais afundo caso seja de interesse. 
Contudo, a parte mais importante para o nosso trabalho tratada pela autora dentro da 
tese foi a avaliação da modelagem da cinética de extração do óleo da semente de mamão com 
CO₂ supercrítico em diferentes condições de operação (vazão e pressão), incluindo uma 
plotagem das curvas de extração para essas condições e determinação do melhor método de 
ajuste das mesmas, além de realizar um estudo de ampliação de escala do processo. 
Baseando-se com os dados obtidos no estudo dito acima, algumas outras literaturas e 
com referência a utilização diária de mamão em uma fábrica de polpa de frutas congeladas na 
cidade de Botucatu-SP, considerando que as sementes seriam 15% dessa quantidade, 
consideramos esse resíduo como a nossa base de alimentação. O objetivo do nosso projeto é 
dimensionar e avaliar a viabilidade de um processo de Extração Supercrítica para a obtenção 
do óleo das sementes de mamão, matéria-prima a qual encontram-se vários compostos 
bioativos, com destaque para o BITC, que pode ser posteriormente vendida a empresas para 
utilizações em fármacos, inseticidas, cosméticos e entre outros. 
Para finalizar, consideramos que o projeto do dimensionamento e viabilidade 
econômica do processo está sendo feito em conjunto com a empresa que produz as polpas de 
frutas, em que, consideramos a ideia de fazer a planta do nosso processo no mesmo local da 
fábrica, para assim, diminuir os custos de investimento com o local e facilitar as questões de 
legística do fornecimento das sementes, como também, pela fábrica produzir polpas de outras 
frutas, ter-se a possibilidade de trabalhar na planta mais adiante com os resíduos de sementes 
de outros materiais. 
 
2. Base Teórica do Processo de Extração 
2.1. Processo de Extração 
A extração é uma operação unitária de transferência de massa que tem por objetivo a 
separação de determinadas substâncias a partir de diversas matrizes, sólidas ou líquidas, 
8 
através de processos químicos, físicos ou mecânicos. Existem dois tipos de extração mais 
comuns, a extração sólido-líquido e a extração líquido-líquido. Nos aprofundaremos um 
pouco mais aqui sobre a extração sólido-líquido, já que é a utilizada em nosso processo. 
 A técnica de extração sólido-líquido se baseia na dissolução preferencial de um ou 
mais constituintes de uma matriz sólida pelo contato com um solvente líquido; essa dissolução 
é notada por uma transferência de massa entre as fases, a qual, ocorre em função de um 
gradiente de concentração entre as mesmas. As etapas do mecanismo da transferência de 
massa estão mais detalhado na imagem abaixo: 
 
Figura 01​ - Mecanismo de transferência de massa no processo de extração. 
 
2.2. Extração Supercrítica 
A extração supercrítica é o processo de extração baseado na utilização de fluidos 
supercríticos. Um fluido supercrítico é qualquer substância a uma temperatura e pressão 
acima de seu ponto crítico termodinâmico, elessão os únicos solventes que podem ter seu 
9 
poder de solvatação controlado por pequenas alterações na pressão e/ou temperatura, como 
também, os quais, possuem uma capacidade elevada para a transferência de massa, fazendo 
com que os fluidos supercríticos sejam escolhidos como solventes de extração. 
O fluido supercrítico mais utilizado é o dióxido de carbono (CO₂) que é barato, 
ecológico, seguro e apresenta força de solvente facilmente ajustável. A temperatura e pressão 
crítica do CO₂ (31,1 °C e 7,38 MPa) são favoráveis no processo por permitirem a extração de 
compostos termicamente lábeis ou compostos facilmente oxidáveis. 
O procedimento da extração supercrítica consiste basicamente de duas etapas: 
solubilização dos compostos presentes na matriz sólida e separação desses do solvente 
supercrítico. Durante a extração, o solvente flui através do leito de partículas, solubilizando os 
compostos presentes na matriz vegetal, e ao sair do extrator carrega as substâncias 
solubilizadas, que por meio da redução da pressão, o solvente é liberado do extrato. 
Durante a extração, o solvente supercrítico escoa através de um leito fixo formado por 
partículas sólidas, solubilizando os componentes presentes no sólido. À medida que o 
solvente escoa através do material vegetal, ocorre a transferência de massa do soluto da fase 
sólida para a fase fluida e, em qualquer ponto dentro do extrator, a concentração de óleo a ser 
extraído varia continuamente em cada fase até que o equilíbrio seja alcançado. Ou seja, a 
força motriz para a transferência de massa no processo é o equilíbrio da concentração de 
solutos entre as fases sólida e fluida. 
 
2.3. Parâmetros que Interferem na Qualidade da Extração 
Os parâmetros que afetam o processo de extração supercrítica podem ser divididos em 
dois grupos principais. O primeiro grupo inclui características específicas do material, como 
massa específica, diâmetro do poro, porosidade, geometria e teor de umidade; e do solvente, 
como viscosidade, volatilidade, toxicidade e polaridade; os quais, podem ser controlados na 
escolha adequada do solvente e um bom processamento da matéria-prima. O segundo grupo 
inclui parâmetros do processo como pressão e temperatura de extração, vazão do solvente, 
tempo, temperatura e pressão de separação, os quais são escolhidos a partir de testes 
experimentais e análises das curvas de extração do material, como também, uma boa 
10 
caracterização do leito de partículas . A seleção correta destes parâmetros é fundamental para 
a otimização da extração dos compostos desejados em menor tempo. 
Outro aspecto importante é em relação ao poder de solvatação, que quanto maior, 
maior a solubilidade de um determinado composto e maior o número de compostos 
solubilizados de uma mistura. Desta forma, alta solubilidade significa baixa seletividade e 
vice-versa. 
Mais adiante no trabalho será analisado a influência da variação de alguns desses 
parâmetros nos resultados obtidos no dimensionamento do processo. 
 
2.4 Curvas de extração supercrítica 
O comportamento do processo de extração pode ser observado através da construção 
da curva de extração, que normalmente é apresentada como um gráfico da massa acumulada 
de extrato em função do tempo de extração. São vários os fatores que afetam o 
comportamento das curvas de extração. 
Diferentes mecanismos de transferência de massa controlam as curvas de extração, 
que são representadas em 3 períodos: 
a) período de taxa constante de extração (CER); neste período a convecção é o 
mecanismo dominante e, portanto, a resistência à transferência de massa está na fase fluida; 
b) período de taxa decrescente de extração (FER); neste período os mecanismos de 
transferência de massa por difusão e convecção ocorrem simultaneamente; 
c) período difusional (DC); neste período a resistência à transferência de massa está na 
fase sólida. 
A representação esquemática de uma curva de extração e matriz da partícula em cada 
período é apresentada na figura abaixo: 
11 
 
Figura 02​ - Representação da curva de extração e matriz da partícula em cada período. 
A transição entre o período de velocidade constante e decrescente de extração é 
influenciado pelo tamanho de partícula, pelo conteúdo inicial de óleo no sólido e pela 
estrutura celular do material. Partículas grandes causam um aumento no período difusional e o 
período de taxa decrescente de extração ocorre antes do que em partículas de menor tamanho. 
Quando o material possui alto conteúdo de óleo, a transferência de massa ocorre 
predominantemente em velocidade constante, sendo a velocidade de extração controlada pela 
solubilidade do substrato no solvente. 
A representação da curva de extração pode ser utilizada na determinação de 
parâmetros de processo, tais como tempo de extração, caracterização das etapas de extração 
supercrítica e determinação da solubilidade, como também na modelagem da transferência de 
massa do sistema. Informações a respeito da pressão, temperatura e vazão de solvente podem 
ser obtidas por meio da modelagem das curvas de extração, possibilitando a ampliação de 
escala do processo de extração supercrítica. 
A modelagem matemática de dados experimentais de ESC tem como principal 
objetivo a determinação de parâmetros para design de processos, tornando possível com esses 
parâmetros a predição de custos do processo em escala industrial. O estudo da cinética e 
12 
modelagem da ESC de ampliação de escala do óleo de semente de mamão são ferramentas 
importantes para projetos de escala industrial. A modelagem das curvas de extração da 
semente de mamão fornece informações sobre o mecanismo de transferência de massa na 
extração supercrítica, auxiliando a definição de metodologias para estudos de ampliação de 
escala. 
 
3. Dimensionamento da Planta para o Processo 
3.1. Base de Alimentação das Sementes de Mamão 
Para trazer a planta do projeto o mais próximo da realidade, buscou-se dados de 
empresas de processamento de mamão, especificamente produção de polpa, para saber a 
quantidade utilizada diariamente da fruta em certo estabelecimento, e assim, considerando que 
as sementes seriam um resíduo, consideramos que elas seriam nossa matéria-prima. Logo, a 
partir de um modelo de negócios para uma fábrica de polpa de frutas congeladas na cidade de 
Botucatu-SP, descobriu-se que diariamente são consumidos uma quantidade de 178 kg de 
mamão. Sabendo que aproximadamente 15% do peso do mamão são sementes, tem-se que o 
fornecimento de matéria-prima no processo é de 26,7 kg/dia​(1)​, ou seja 133,5 kg/semana​(1)​. 
Considera-se que a empresa forneceria semanalmente as sementes de mamão, para evitar 
estoques, decomposição da fruta ou qualquer tipo de incômodo da mesma em relação ao 
resíduo gerado. 
 
3.2. Processamento da Matéria-Prima 
Pelas sementes de mamão serem um resíduo indesejado da empresa, o objetivo da 
mesma seria apenas se livrar do resíduo, o qual seria fornecido da forma mais bruta possível. 
Logo, as sementes precisam passar por algumas etapas de preparação até estarem aptas parapassarem pelo processo de extração. Aqui, apenas considera-se que a matéria-prima entra na 
planta de extração previamente limpa e higienizada. Para termos uma melhor eficácia da 
nossa extração é importante que a semente esteja com um menor teor de água e com uma 
granulometria mais baixa. Logo, antes de entrar na coluna de extração, escolhemos as 
seguintes operações unitárias para chegarmos nas características desejadas da semente, 
operações que vão ser dimensionadas, caracterizadas e detalhadas mais adiante. 
 
13 
3.3. Fluxograma do Processo 
 
Figura 03​ - Fluxograma simplificado do processo. 
 
3.4. Caracterização da Matéria-Prima 
Para dimensionar e estruturar o processo é de extrema importância caracterizar a 
matéria-prima, ou seja, saber sua composição, porcentagem de água, óleo, sólido seco, seu 
tamanho e entre outros. Em uma empresa, ou se fosse possível ter amostras da matéria-prima, 
o mais indicado seria realizar testes próprios para fazer essa caracterização, porém, como não 
temos essa possibilidade, utilizamos como referência dados encontrados em literaturas e a tese 
que estamos utilizando como base para o projeto. Sendo assim, obtivemos a seguinte 
caracterização das sementes de mamão: 
 
Fração de Sólidos Secos (Proteínas + Fibras) 0,4865​(2) 
Fração de Óleo 0,2945​(2) 
Fração de Água 0,2190​(2) 
Diâmetro da Partícula na Entrada 8 mm​(3) 
14 
Umidade na Alimentação (Base Seca) 0,2804​(2) 
Tabela 01 -​ Caracterização da Matéria Prima. 
 
3.5. Dados para o Processo de Extração Supercrítica 
Para se realizar o processo de extração é necessário saber como se comportam as 
interações extrato/solvente, as transferências de massa e os estados de equilíbrio para aquele 
dado material e solvente. Essas informações geralmente são obtidas a partir de dados 
experimentais e construção de curvas de extração para dadas condições de operação. Para o 
nosso projeto, utilizamos como base a pesquisa realizada por Rafaela Hall em sua tese de 
doutorado “Recuperação de extratos ricos em compostos bioativos da semente de mamão por 
extração supercrítica e por líquido pressurizado”, onde ela avalia a extração dessas sementes e 
nos fornece dados das curvas de extrações para diferentes condições de operação, como é feita 
uma modelagem termodinâmica, onde a que mais se aproximou foi Sovová; ao fim também é 
feita uma ampliação de escala dando uma razão fluxo de solvente/massa de amostra ideal para 
o processo. Dos resultados, obtivemos também conclusões de uma condição de pressão e 
temperatura ótima de operação, dentre as analisadas, e com os dados, a equação de Sovová e 
utilizando o software Matlab, fizemos uma plotagem das curvas para os dados, alguns dados 
estão abaixo: 
 
Temperatura de Extração 40 C 
Pressão da Extração 30MPa 
Razão Fluxo Solvente/Massa de Material 0,2365 
Tabela 02 -​ Condições de operação da extração supercrítica. 
15 
 
Figura 04 -​ Curva de eficiência da extração supercrítica para escala laboratorial. 
 
A partir das curvas de extração acima, conseguimos analisar o ponto onde a massa 
acumulada de extrato alcança um platô, ou seja, chega-se no equilíbrio do processo. 
Escolheu-se o ponto que corresponde a 100 min, e a partir desse ponto, achamos a eficiência 
que o processo pode alcançar nessas condições de operação. 
 
Tempo de Extração 100 min 
Eficiência da Extração 0,1808 
Tabela 03 -​ Parâmetros da extração supercrítica. 
 
Além desses dados, alguns outros passos e caracterizações do procedimento da 
extração foram baseados nos experimentos realizados por Hall (2018), alguns dos dados estão 
descritos na tabela a seguir: 
 
Massa Específica Real 1156,8 kg/m³ 
Massa Específica Aparente 686,15 kg/m​³ 
16 
Porosidade do Leito 0,41 
Diâmetro Médio das Partículas 
(Após Moagem) 
0,56 mm 
Fração de Água 
 (Após Secagem) 
0,1698 
Tabela 04 -​ Parâmetros do extrator e de material a ser extraído. 
 
3.6. Equação de Sovová 
O modelo proposto por Sovová (1994) é um dos modelos mais utilizados na simulação 
de curvas de extração com CO​2 supercrítico. Este modelo divide as curvas de extração em três 
etapas diferentes: etapa de extração de soluto de fácil acesso (soluto disponível na superfície 
das partículas), onde a resistência à transferência de massa está na fase solvente; a segunda 
etapa é a de exaustão gradual do soluto de fácil acesso e início do processo difusivo (início da 
extração do soluto de difícil acesso) e na terceira etapa são retirados os solutos de difícil 
acesso presentes no interior das partículas sólidas, onde a resistência interna é controlada pela 
transferência de massa (HALL, 2018). Essas três etapas de extração podem ser representadas 
pelas seguintes equações: 
 
Onde, xk e x0 são respectivamente a massa em relação a N (massa da fase sólida livre 
de soluto (g)), a fração de difícil acesso do soluto e a fração do soluto inicial dentro da 
partícula. Todos os dados utilizados para se basear no modelo de Sovová foram retirados da 
tese de HALL, Rafaela. As modelagens foram executadas no Matlab 2016a. 
 
3.7. Processo de Purificação do Óleo Extraído 
Após o processo de extração do óleo das sementes e a separação do solvente, o extrato 
obtido ainda pode conter algumas impurezas e/ou características indesejadas; como cor turva, 
17 
aparência e etc. Em função disso, ao final do processo ainda poderia-se passar o extrato por 
um processo de purificação, para ter-se no fim um óleo com maior qualidade para venda. 
Poderia-se por exemplo passar por um processo de extração líquido-líquido para fazer essa 
purificação. Porém, não entraremos a fundo nesse processo. 
 
3.8. Armazenagem da Matéria Prima 
Entre os processos de preparação da matéria-prima, secagem e moagem, que podem 
ser tanto batelada como contínuos, e o posterior processo de extração supercrítica, o qual 
ocorre em batelada; há um gap de tempo e continuação do processo. Em função disso, 
decidiu-se armazenar as sementes secas e moídas em tanques de armazenagem, para 
mantê-las com a qualidade e características adequadas para serem utilizadas gradualmente no 
processo de extração. Para isso, escolheu-se de tambores de metal específico para a 
armazenagem de alimentos sólidos, como o mostrado na figura 05: 
 
 
Figura 05 -​ Especificações técnicas para armazenamento após a moagem. 
 
 
 
 
18 
5. Dimensionamento dos Equipamentos 
5.1. Escolha e Dimensionamento do Secador 
Para replicar as condições de operação utilizadas na pesquisa de Rafaela Marise Hall, 
em sua tese de doutorado “Recuperação de extratos ricos em compostos bioativos da semente 
de mamão por extração supercrítica e por líquido pressurizado”, é necessário que a semente a 
ser moída passe por um processo de secagem a 45ºC, fazendo que sua umidade em base seca 
altere de 0,2804 g/g, razão calculada a partir da fração de água na semente, para 0,1698 g/g, 
valor obtido durante a pesquisa. Para realizar a escolha da configuração do secador, buscou-se 
entender as vantagens e desvantagens de diferentes modelos, como também suas aplicações. 
Ao final deste processo dois tipos de equipamento se destacaram, o secador de bandejae o 
secador de esteira, tendo em vista a aplicação em alimentos e, caso a etapa de extração 
supercrítica seja acoplada à empresa de processamento de frutas, não haverá a necessidade de 
adquirir um novo maquinário, já que tais secadores são comuns neste tipo de indústria. 
Escolheu-se, para esta planta, operar com um secador de esteira, uma vez que, embora seu 
custo de aquisição seja mais elevado quando comparado ao secador de bandeja, seu custo de 
operação é reduzido. 
Para o dimensionamento do secador, assume-se que o tempo adotado para secagem na 
tese de Rafaela Marise Hall seja o tempo referente a etapa linear de secagem, onde a 
disponibilidade de água é máxima, e que uma placa de petri, dentre aquelas pertencentes ao 
LATESC, de 10 cm de diâmetro foi utilizada para armazenar as sementes dentro da estufa. 
Desta forma, conhecendo o peso seco do material ( ), seu teor de umidade em base seca no W s 
início ( ) e o no final do processo ( ), o tempo de secagem ( ) e a área de interface entre X1 X2 θ 
o gás secante e o material ( ), pode-se utilizar da equação seguinte equação apresentada em A 
Princípios das Operações Unitárias (A. Foust, L. Wenzel, C. Clump, L. Maus e L. Andersen; 
1982) para determinar a velocidade ou taxa de secagem ( ):R 
 
R = A dθ
−W dXs 
 
Como foi adotado que a secagem acontecia de maneira linear, é constante, portanto R 
pode ser reescrita como: 
 
19 
RC = A θ
−W (X −X )s 2 1 
 
A velocidade de secagem constante ( ) também é expressa como:RC 
 
RC = λ
h (T −T )v V i 
 
Onde representa o coeficiente global de transferência de calor, é a temperatura hv T V 
do gás secante, é a temperatura na interface entre o material e o gás, e é o calor latente T i λ 
da água na temperatura . Para a determinação de , dados presentes em “Simultaneous T i hv 
heat and mass transfer in packed bed drying of seeds having a mucilage coating”, 
“Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity of papaya (Carioca papaya L.) 
as a function of temperature” e “Physical and biochemical properties of selected tropical 
fruits” foram utilizados em conjunto com a equação empírica de Whitaker: 
 
0, Re , Re ) P r hv = ( 5 p1/2 + 0 2 p2/3 
2/3
dp
K s φ ε
1−ε 
 
1 ) Re p = ( − ε )( μ
ρ v dg g p 
 
rP = )( Ks
Cp μg 
 
Onde é a condutividade térmica da semente, é a esfericidade da partícula sólida, Ks φ 
é a porosidade do meio de partículas sólidas, é o diâmetro médio da partícula, é aε dp ρg 
densidade do gás, é a velocidade de escoamento do gás, é a viscosidade dinâmica do vg μ 
gás e é o calor específico do gás. Estes parâmetros, dependentes da temperatura em que Cpg 
se encontram, foram utilizados em método iterativo, a partir de uma estimativa inicial de 
temperatura da interface, para obter a real temperatura estimada. 
No artigo “Simultaneous heat and mass transfer in packed bed drying of seeds having 
a mucilage coating” produzido por M. Prado e D. Sartori, encontra-se equações empíricas que 
20 
relacionam o comportamento dos valores de esfericidade da partícula sólida e da porosidade 
do meio das partículas com a umidade adimensional do leito (​XR​) durante a secagem. A 
determinação dos valores destas características é essencial para determinar o coeficiente 
global de transferência de calor. 
 
, 03 , 0522 XR , 7118 XR² φ = 0 8 + 0 0 * + 0 0 * 
 
, 74 , 66 XRε = 0 4 − 0 2 * 
 
Por sua vez a umidade adimensional do leito de partículas é uma função da umidade 
inicial ( ), da umidade final ( ) e da umidade presente no equilíbrio ( ) no material X1 X2 Xeq 
sólido. A partir da equação modificada de Halsey, valores de para sementes de mamão Xeq 
podem ser estimados a partir da temperatura da interface e da umidade relativa do ar secante 
(UR). 
 
RX = )( X −X1 eq
X −X2 eq 
 
Xeq = [ ]ln(UR)
−exp(−0,0177 T + 4,25
1
1,90 
 
Para determinar a umidade relativa do ar secante é necessário primeiro conhecer a 
umidade relativa do ar local como também a temperatura ambiente. Dados obtidos em 2012 
das condições meteorológicas da região de Botucatu, São Paulo, são apresentados em 
“Análise da frequência anual das condições de céu em Botucatu, São Paulo”. Tendo em vista 
que o mamão é um fruto que pode ser colhido durante o ano inteiro, as especificações do 
equipamento devem levar em considerações as variações climáticas da região. Desta forma, 
com o apoio de cartas psicrométricas, deve-se calcular a temperatura do ar secante para as 
condições extremas de fevereiro, julho e agosto, com temperaturas médias de 23,2 ºC, 17,0 ºC 
e 18,5 ºC e umidades relativas do ar de 77,1%, 66,0% e 61,7%, respectivamente. 
21 
 
Figura 06​ - Carta psicrométrica para determinação da umidade relativa do ar secante nos 
meses de fevereiro, julho e agosto. 
 
A umidade relativa do ar de secagem a 45 ºC foi estimada para os meses de fevereiro, 
julho e agosto em 20,65%, 13,20% e 13,50%, respectivamente. As umidades relativas do ar 
de secagem de fevereiro e de julho serão consideradas como valor operacional máximo e 
valor operacional mínimo anual. 
Conhecendo-se os valores operacionais de , , e , pode-se estimar, para T V T i X1 X2 
a alimentação de 134 kg de sementes de mamão durante 24 horas de secagem, uma área 
necessária para o secador. 
Para determinação da potência necessária para o secador, uma eficiência de 
transferência de calor ( ) de aproximadamente 10,08% foi estimada, valor obtido para um η 
secador com esteiras transportadoras em “Performance of a convective, infrared and 
combined infrared- convective heated conveyor-belt dryer” (H. El-Mesery, G. Mwithiga; 
2015). A partir da equação de transferência de calor para a etapa contínua de secagem, 
22 
encontra-se o valor da taxa de transferência de calor na interface entre as sementes e o gás 
secante: 
 
 A ΔT q = hv 
 
Desta forma, a potência requerida pode ser estimada: 
 
P = η
q 
 
As características e condições operacionais do secador foram estimadas e são 
apresentadas na Tabela 05. Nota-se que, independente da época do ano, os requisitos mínimos 
de operação do equipamento são os mesmos, o que garante uma boa eficiência desta etapa do 
processo durante o ano inteiro. 
 
 Fevereiro Julho 
Umidade relativa do ar de 
secagem 
20,65% 13,20% 
Temperatura na interface 42,55 ºC 42,79 ºC 
Temperatura do gás 45 ºC 45 ºC 
Área de secagem 7,76 m² 7,81 m² 
Taxa de transferência de 
calor na interface 
0,3204 kJ/s 0,3203 kJ/s 
Potência mínima do 
equipamento 
3,178 kW 3,178 kW 
Tabela 05 -​ Requisitos calculados para o secador em fevereiro e em julho. 
 
23 
Encontrou-se dois modelos de secadores comercializados que as condições de 
operação se aproximam das necessidades do processo, o modelo SL 1.2-8 da marca Shuliy e o 
modelo DW 1.2-8 da marca WUYE, suas características são apresentadas na tabela a seguir. 
 
 SL 1.2-8 DW 1.2-8 
Custo de obtenção $ 8.000,00 $ 8.888,00 
Número de esteiras 4 1 
Unidades de secagem 1 4 
Comprimento das esteiras 1,2 m 1,2 m 
Largura das esteiras 8 m 8 m 
Potência 9,9 kW 7,5 kW 
Posição da Alimentação e da 
Saída 
Mesmo lado do 
equipamento 
Lados opostosdo 
equipamento 
Tabela 06 -​ Comparação entre os secadores disponíveis no mercado. 
 
Uma vez que são semelhantes características entre os secadores, a escolha do 
equipamento é dependente do layout da fábrica, já que a posição da alimentação e da saída de 
material sólido pelo secador é o parâmetro que mais diferencia os modelos. Em layouts 
lineares é mais recomendável o uso do equipamento fornecido pelo WUYE. 
 
 
Figura 07 - ​Secador SL 1.2-8 fornecido por Shuliy. 
 
24 
 
Figura 08 -​ Secador DW 1.2-8 fornecido por WUYE. 
 
 
Devido a limitações, que serão apresentadas em seguida neste trabalho, existentes na 
alimentação do moinho, sugere-se que o secador opere com as sementes apenas um dia da 
semana, evitando a necessidade de armazenamento do material seco. Esta sugestão também é 
aconselhada na proposta apresentada anteriormente, de acoplar a planta estudada neste projeto 
a uma indústria de processamento de frutas, permitindo assim, sem a necessidade de um 
equipamento novo e exclusivo, a secagem de demais alimentos já operados pela empresa. 
 
5.2. Dimensionamento do Moinho 
A operação de moagem possui como objetivo reduzir o tamanho da partícula para 
permitir uma extração mais eficiente. Após a processo de secagem, pretendeu-se diminuir a 
partícula para um diâmetro de partícula até 0,56 mm (HALL et al., 2018). Para avaliar a 
potência necessária para o processo, foi utilizada a Lei de Bond, presente na equação, que 
prediz qual a potência mínima que o equipamento precisa ter para garantir a execução do 
processo (GOMIDE, 1982): 
 − w = k * C * w i )( 1√D1 −
1
√D2
 
 
Onde: 
● D​1​ e D​2​ – diâmetros médios da alimentação e do produto, respectivamente (cm); 
● C​ – capacidade do moinho em t/h; 
● w​i​ – em kW.h/t; 
25 
● k ​é igual a 1,34 e 1,0 para obter a resposta em HP e kW respectivamente. 
Logo, foi necessário escolher qual moinho deveria operar no processo. De acordo com 
a literatura, o processo utilizado, pode ser considerado como moagem média (GOMIDE, 
1982), como pode ser verificado pela tabela 07. 
Extensão da 
Redução 
Tamanho do Material [mm] Tipo de Equipamento 
Alimentação Produto 
Moagem 
Grosseira 
150-40 50-5 1. Moinho de Discos 
Moagem Média 50-5 5-0,1 1. Moinho de Martelos 
2. Moinhos de de Facas 
3. Moinho de Rolos 
Moagem Fina 5-2 0,1-0,05 1. Moinho de Bolas 
Tabela 07 –​ Caracterização da operação moagem. 
 
Após pesquisa, identificou-se que o moinho de facas como operante na moagem das 
sementes de mamão secas. O moinho de facas utiliza, como força mecânica, a tensão de 
cisalhamento e impacto para diminuir o diâmetro da alimentação. Este possui lâminas 
acopladas a um rotor que rotacionam em uma frequência muito alta. Sua operação é comum 
para para alimentações caracterizadas por carnes, frutas frescas, vegetais e alimentos fibrosos 
em geral (GOMIDE, 1982). Na tabela 08, é possível verificar as dimensões do moinho, assim 
como sua capacidade máxima e mínima de produção, a potência requerida para a execução do 
processo e os diâmetros de entrada e saída mínimo exigidos. 
 
Características Técnicas do Moinho de Facas ​WF-200 
Diâmetro Máximo de Partícula Inicial 3 cm 
Diâmetro de Partícula de Saída 10 - 120 mesh 
Potência Máxima 4 Kw 
26 
Dimensões (L*W*H) 780*600*1200 mm 
Velocidade de fuso 2900 rpm 
Vazão 20-50 kg/h 
Tabela 08 – ​Dimensionamento do Moinho de facas - parâmetros técnicos. 
 
A partir da seleção do moinho, as condições de operação foram definidas. Escolheu 
-se trabalhar com o moinho operando em 7 horas durante um dia por semana, com uma vazão 
de 20,32 Kg/h (121,97 Kg/dia) de alimentação. De acordo com a Lei de Bond, a potência 
mínima para a moagem é de 33,2 W. É necessário ressaltar, que pelas condições utilizadas, a 
potência do moinho está subutilizada. Existem dois fatores que podem influenciar o 
resultado: o diâmetro de partícula e a alimentação. Contudo, de acordo com as especificações 
técnicas do moínho selecionado, este pode fragmentar a partícula de 10 a 120 mesh. O 
diâmetro de saída do processo é de aproximadamente 35 mesh, muito menor que a operação 
máxima. Além disso, as informações de saída são caracterizadas por estarem sendo 
executadas próximas às condições mínimas. É necessário ressaltar que tais condições abrem 
caminho para um estudo sobre a possibilidade de diminuir diâmetro para aumentar a 
eficiência de extração. Abaixo, na figura 9, é possível visualizar fotos do moinho selecionado. 
 
Figura 09 -​ Imagem do Moinho de Facas ​WF-200 
27 
 
5.3. Dimensionamento do Extrator 
Após passar pelo secador e pelo moinho, temos o seguinte fornecimento semanal de 
sementes de mamão para o extrator e com as seguintes características e composição: 
 
Fornecimento Semanal 122 kg/semana 
Fração de Sólido Seco 0,5171 
Fração de Óleo 0,3131 
Fração de Água 0,1698 
Diâmetro Médio da Partícula 0,56 mm 
Massa Específica Real 1156,8 kg/m³ 
 ​Tabela 09 – ​Dados da Alimentação do Extrator. 
 
Em relação às condições de operação do reator, como dito acima, nos baseamos na 
tese citada, onde obtemos as seguintes condições ótimas de operação: 
 
Temperatura de operação 40 ​°C 
Pressão de operação 30 MPa 
Razão solvente/massa 0,2365 
Massa específica do solvente 0,936 kg/L 
Porosidade do leito 0,41 
Massa específica aparente do leito 686,15 kg/​m³ 
 ​Tabela 10 – ​Dados de operação do extrator. 
 
28 
A partir da modelagem de Sovová, com os dados experimentais e a curva de extração, 
definiu-se então o tempo necessário para alcançar uma boa eficiência do processo, tendo 
então: 
Tempo de residência da extração 100 min 
Eficiência do processo 0,1808 
 ​Tabela 11 – ​Tempo e eficiência da operação. 
 
Sendo que a massa específica aparente é dada pela massa de material do leito sobre o 
volume ocupado. A partir da base de alimentação, conseguimos obter o volume necessário do 
leito para essa quantidade pela relação: 
 
Volume Ocupado Material = = = 177,8 LMassa de MaterialMassa Específ ica Aparente do Material
122
0,686 
 
Volume Ocupado Solvente = = = 30,8 LMassa de SolventeMassa Específ ica do Solvente
30
0,936 
 
Volume Mínimo Necessário para Operar o Extrator = 177,8+30,8 = 208,6 L 
Considerando um Fator de Segurança de 8% → 208,6 x 1,08 = 225,3 L 
 
Volume de Extrator Necessário = 225,3 L 
 
Para realizar a operação necessita-se de além dos 100 min de extração em batelada, 
um tempo de aproximadamente 30 minutos para limpeza e carregamento entre uma extração e 
outra. Considerando-se também que o turno de trabalho diário é de 8 horas, temos que a 
operação no extrator poderia ser repetida no máximo 3 vezes ao dia. 
Nesse ponto, há uma consideração bem importante a se a fazer; como dito na 
introdução ao tema, estamos trabalhando com um fornecedor de produção de diversas polpas 
de frutas, o qual estamos propondo apenas a utilização dos seus resíduos das sementes de 
mamão, porém, o mesmo pode vir a aproveitar a planta para extrair o óleo essencial de outras 
frutas. Pensando nisso, no alto custo de operação do extrator em suas altas pressões, e claro, o 
custo elevado para compra do equipamento, decidimos dimensionar o extrator considerando 
29 
que o mesmo consiga processar o fornecimento de sementes em apenas 1 dia, considerando3 
operações diárias. Dessa maneira, a planta poderá vir a ser utilizada em outros dias para 
extração de outras sementes, a quantidade de operações de extração, utilização do 
equipamento e consequente gasto de energia será menor. Por fim, além do custo do 
equipamento ser um pouco maior, caso ele venha a aumentar sua produção, o mesmo ainda 
poderá atender a sua demanda caso seja operado mais vezes na semana, sem necessitar mais 
um investimento em outro extrator. Abaixo estão algumas informações referentes ao 
dimensionamento dos volumes do extrator para as condições descritas acima: 
 
Volume de extrator único para processar a alimentação 
semanal em 1 única operação 
225,3 L 
Números de operações de extração diárias 3 
Volume de extrator único para processar alimentação 
em 3 operações diárias 
75,1 L 
Volume de extrator com 3 extratores em paralelo 
operando 3 vezes ao dia 
25 L 
 ​Tabela 12 – ​Dimensionamento do volume do extrator. 
 
A partir dos resultados obtidos em relação aos volumes de reatores necessários para 
operar a alimentação semanal, foi-se atrás de quais os tamanhos e tipos de equipamentos que 
se adequam a nossa necessidade por meio de uma busca de fornecedores. Dois tipos de 
extratores foram os mais encontrados e considerados mais adequados para o nosso tipo de 
extração em escala industrial, os dois estão indicados abaixo: 
 
 
 
 
 
 
30 
Extrator 1 Extrator 2 
 
Preço: ​US$ 40.000,00 - US$ 750.000,00 Preço: US$ 30.000,00 - US$ 1.000.000,00 
 ​Tabela 13 – ​Diferentes tipos de extratores supercríticos. 
 
Para a escolha do extrator ideal, precisa-se levar em conta dois pontos cruciais: o custo 
do investimento e o gasto energético do equipamento. No entanto, nos sites buscados não 
encontrou-se os preços para os tamanhos específicos de reatores e muito menos o gasto 
energético de cada um, logo, como conseguimos entrar em contato diretamente com um 
fornecedor do Extrator 1 que nos repassou os dados de preços e gasto energético, os quais, 
serão tratados melhor na parte da viabilidade econômica do processo, escolheu-se esse 
extrator para o nosso processo. 
Dos equipamentos buscados, principalmente em tamanhos de escala industrial, o 
equipamento da extração é colocado à venda apenas com a estrutura completa, já contendo o 
sistema todo de armazenagem de CO​2​, pressurização, separação e reciclo do gás carbônico, 
como também, já vem com um sistema de extração acoplado, que em sua maioria consiste em 
3 extratores em paralelo. Como mostrado na figura abaixo: 
31 
 
Figura 10 – ​Esquema do equipamento de extração pego com fornecedor. 
Abaixo também estão alguns tipos, tamanhos e características fornecidas no site do 
fabricante do modelo de Extrator 1. 
 
 
Tabela 14 – ​Tipos e características do Extrator 1. 
 
Primeiramente, verificou-se que as condições de operações necessárias para realizar o 
processo são suportadas pelo equipamento. Segundo, considerando o volume necessário 
dimensionado para processamento da demanda em 1 dia com 3 operações no extrator, e além 
disso, considerando que a estrutura do equipamento vem com 3 extratores em paralelo; 
32 
precisa-se de no mínimo uma quantidade de 25 L para cada extrator do sistema. Logo, 
analisando a tabela acima, foi-se escolhido o equipamento de número 3, com 3 extratores de 
25 litros cada. Sendo assim, na tabela abaixo, temos resumidos as características do nosso 
extrator: 
 
Tipo do Extrator 3 x 25 L 
Especificação Três Extratores e Dois Separadores 
Pressão Máxima de Operação 400 ~ 500 bar 
Fluxo de Solvente 300L/h 
Área Transversal do Extrator 20 m² 
Altura do Extrator 4,5 m 
Capacidade de Alimentação 50 a 150 kg 
Tabela 15 – ​Características do extrator escolhido. 
 
5.3.1. Balanços de Massa no Extrator 
Após realizado a escolha do extrator, baseando-se em todas as informações descritas 
anteriormente no trabalho, podemos agora fazer os balanços de massa no sistema. 
Para realizar esses cálculos, selecionou-se do esquema geral da Figura 10, um dos 3 
cilindros de extração para realizar os balanços. Sabendo-se que a alimentação total é de 122 
kg, como comentado mais acima, esse valor é operado em um dia, em que é dividido em três 
operações e em cada uma delas opera-se simultaneamente três cilindros. Assim, temos em 
cada um dos cilindros de extração, a cada operação, a seguinte alimentação: 
me(extr) - massa total entrando no extrator = 122 ÷ 3 ÷ 3 = 13,55 kg 
 
Tendo que a fração de óleo da massa total é de 0,3223 g, a quantidade de óleo que 
entra no processo é dada por: 
ṁe(óleo) - fração de massa de óleo que entra da massa total = 13,55 . 0,3223 = 4,37 kg 
 
33 
De acordo com a razão (solvente/massa de material=0,2365) obtida a partir dos dados 
de ampliação de escala, definimos uma vazão de solvente no sistema de: 
ṁ(sol) - massa que entra de solvente = 13,55 . 0,2365 = 3,21 kg 
 
Após 100 min, tempo de residência escolhido a partir dos nossos dados da curva de 
extração, do qual, conseguimos uma eficiência (massa de óleo extraída/massa de óleo que 
entra) de 0,1808. A saída de cada cilindro é constituída das seguintes correntes: 
ṁ(sep) - massa constituída de todo o solvente mais o óleo extraído = ṁ(sol) + 
[ṁe(óleo).0,1808] = 3,21 + (4,37 . 0,1808) = 3,99 kg 
 
ṁs(extr) - massa que resta da alimentação após extração = ṁe(extr) - [ṁe(óleo).0,1808] = 
13,55 - (4,37 . 0,1808) = 12,76 kg 
 
Abaixo, temos um esquema das correntes em cada cilindro de extração: 
 
Figura 11 – ​Esquema do fluxo mássico em único cilindro de extração de 25 litros. 
 
De acordo com a massa específica aparente do leito e a massa específica do solvente, 
podemos calcular o volume ocupado do reator durante o processo para as dadas massas de 
entrada calculadas acima, assim, temos que: 
V(part) - volume ocupado pelas partículas = ṁe(extr) ÷ ρ(aparente) = 13,55 . 0,686 = 19,75 
L 
 
34 
V(sol) - volume ocupado pelo solvente = ṁ(sol) ÷ ρ(solvente) = 3,21 . 0,936 = 3,42 L 
 
V(tot) - volume total ocupado do leito = V(part) + V(tot) = 19,75 + 3,42 = 23,17 L 
 
Pode​-se observar que o volume ocupado do leito foi de 23,17 L dos 25 L 
dimensionados (considerando a massa específica aparente), ou seja, o dimensionamento do 
volume está fazendo sentido e adequado para o processo. 
Voltando então as correntes de saída obtidas após a extração, temos que a ​ṁs(extr) - 
massa das sementes residual da extração - é descartada do processo; e a corrente ​ṁ(sep) que 
sai de cada cilindro, junta-se com as correntes ​ṁ(sep) dos outros dois cilindros e é direcionada 
então para dois separadores, em que o óleo extraído é completamente separado do solvente. A 
massa de óleo obtida então a cada operação, é dada por: 
 
ṁs(óleo) - massa de óleo extraída a cada operação = [ṁe(óleo).0,1808].3 = (4,37 . 0,1808).3 
2,37 kg 
 
O processo de separação ocorre por uma variação das condições de pressão e 
temperatura em que o solvente CO2 sai do seu estado supercrítico e volta a seu estado gasoso, 
no qual, não possui nenhuma afinidade com o óleo. Em função disso, podemos dizer que há a 
completa separação dos dois componentes, o óleo situa-se no fundo do separador onde 
posteriormente é retirado, e o CO2 em estado gasoso fica na parte superior. Como o CO2 está 
em seu estadopuro ele pode ser reciclado e utilizado novamente no processo, o que realmente 
é feito. Pode-se observar na figura 10, que esse processo de reciclo já vem incluído no 
equipamento de extração, porém, não consegue-se reciclar 100% desse material, já que 
quando retira-se o óleo extraído, parte do solvente é perdido em forma de vapor. Em conversa 
com fornecedor obteve-se a informação que apenas 60% do CO2 é realmente reciclado. 
Temos então as seguintes correntes de solvente: 
ṁr(sol) - massa de solvente reciclado = [ṁ(sol) . 3]. 0,6 = (3,21 . 3) . 0,6 = 5,77 kg 
 
ṁp(sol) - massa de solvente perdida = [ṁ(sol) . 3] - ṁr(sol) = (3,21 . 3) - 5,77 = 3,85 kg 
 
35 
Sendo assim, o solvente reciclado é retornado ao processo, que é repetido a cada 
operação do extrator. 
Por fim, considerando os balanços realizados acima e considerando as três operações 
diárias, temos que a produção de óleo total é dada por: 
ṁ(óleo) = ṁs(óleo) . 3 = 2,37 . 3 = 7,11 kg 
 
Logo, temos que para a alimentação de 122 kg de massa de sementes de mamão secas 
e moídas, obtemos ao fim do processo uma quantidade de produto final (óleo das sementes) 
de 7,11 kg. Ou seja, obteve-se os seguintes rendimentos no sistema global: 
Rendimento (Alimentação) = = = 0,058 = 5,8%Massa de Óleo ObtidaMassa de Alimentação T otal 122
7,11
 
 
Rendimento (Óleo) = = = 0,058 = 0,1808 = 18,08%Massa de Óleo ObtidaMassa de Óleo na Alimentação
7,11
39,32 
 
Na tabela abaixo, temos um resumo das principais informações dos balanços acima: 
Alimentação Total 122 kg/semana 
Óleo Obtido 7,11 kg/semana 
Rendimento 
(óleo extraído/óleo disponível) 
18,08 % 
Solvente Reciclado 60 % 
Volume Ocupado de Extrator 23,17 L 
Massa Descartada 114,89 kg/semana 
Produção Mensal 28,44 kg/mês 
Produção Anual 341,28 kg/ano 
Tabela 16 -​ Informações sobre capacidade de produção da planta. 
Por fim, vale ressaltar que algumas considerações foram realizadas nesse processo, como: 
36 
- A alimentação e as condições de operação em cada um dos cilindros de extração em 
paralelo são as mesmas. 
- Todo o solvente que entra no leito, sai junto com o extrato; ou seja, não há solvente 
residual do refinado. 
- Apenas o óleo está sendo extraído; ou seja, nenhuma porcentagem de água e/ou 
impurezas das sementes é extraída no processo. 
 
6. Otimização Teórica do Processo de Extração 
Após dimensionamento do processo a partir das características do material, condições 
de operações ótimas e aumento de escala datados no artigo. Utilizando a base teórica e os 
conhecimentos sobre o processo de extração, principalmente em relação aos parâmetros que 
podem influenciar em uma aumento da eficiência do processo. Detalharemos abaixo esses 
parâmetros do processo que poderiam ser alterados e o que cada alteração alteraria os nossos 
resultados da Parte 3, explicando qual seria nossa indicação de alterações na busca de uma 
otimização do processo. 
 
6.1. Operação com Extratores em Série 
Além de extratores em paralelo, foi analisada a possibilidade de configurar estes 
equipamentos em série. Para a alimentação semanal de 121,97 kg calculou-se a curva de 
soluto extraído por tempo para o primeiro extrator, em algoritmo desenvolvido em Matlab, 
conforme apresentado na figura 12. Em seguida o material sólido presente no primeiro 
extrator seria transferido para um segundo extrator de mesmas dimensões e, novamente, 
calculou-se as curva de soluto por tempo conforme a figura 13. A partir das curvas de 
extração calculadas percebe-se que, para uma mesma quantidade de tempo de extração, o 
segundo equipamento obtém menos de 10% de soluto que o primeiro equipamento consegue 
extrair. Desta forma não é justificável utilizar a configuração em série, já que extratores além 
do primeiro estariam recuperando uma quantidade pequena de soluto. Além de que, caso 
configurados em paralelo, todos os equipamentos estariam operando segundo a curva 
apresentada na figura 13, obtendo assim uma maior quantidade do composto de interesse. 
 
37 
 
Figura 12​ - Curva de extração para um extrator operando 121,97 kg de sementes de 
mamão. 
 
Figura 13​ - Curva de extração para um extrator em série com o equipamento operando 
segundo a curva da figura 12. 
 
6.2. Diâmetro de Partícula 
Ao se estudar a influência do diâmetro médio das partículas sólidas durante a extração, 
observa-se que existe um tamanho ideal de operação. Como observado no modelo de Sovová, 
existem três etapas com taxas de extração distintas, sendo que a mudança da etapa inicial da 
extração para a etapa mais lenta ocorre em função do tamanho de partícula. Para partículas de 
tamanho elevado, esta mudança ocorre de modo precoce, obtendo baixos valores de 
rendimento de extração. De modo a buscar uma explicação para tal fenômeno, desenvolveu-se 
38 
a hipótese de células rompidas e intactas (Broken-Intact Cells), onde sugere-se a existência de 
duas regiões nas partículas, uma próxima à superfície da partícula, onde as células estão 
rompidas devido à etapa de moagem e o óleo é facilmente acessível, e outra região com 
células intactas de baixa disponibilidade de óleo. Quando o óleo de células rompidas se 
esgota, uma extração mais vagarosa se inicia, controlada pela difusão através da parede 
celular. Como a espessura da região de células abertas é igual para diferente tamanhos de 
partícula, a proporção de células rompidas é maior para pequenas partículas e, portanto, o 
rendimento da extração é mais elevado. Entretanto, o uso de partículas de tamanho muito 
reduzido também pode acarretar em um baixo rendimento, uma vez que a canalização do 
dióxido de carbono seria induzida, gerando zonas mortas no leito empacotado onde o solvente 
não entraria em contato com o material sólido. Para exemplificar o efeito da variação do 
tamanho de partícula, a figura 14 é apresentada a seguir, onde a curva de extração obtida por 
O. B. Román é graficada para diferentes tamanhos de partículas na extração de quinoa 
(Chenopodium quinoa). 
 
Figura 14 -​ Curva de extração supercrítica para diferentes tamanhos de partículas de 
quinoa. 
 
6.3. Velocidade de Escoamento 
Para vazões elevadas do solvente, observa-se um rendimento superior de extração. Isso 
ocorre devido a uma maior presença de dióxido de carbono em contato com a matriz sólida, 
permitindo uma maior interação intermolecular entre o soluto e o fluido supercrítico. A 
elevação da taxa de escoamento pode reduzir a resistência a transferência de massa até se 
39 
obter condições de equilíbrio, quando o rendimento é máximo. Após o equilíbrio, um 
aumento da velocidade de escoamento causa um incremento negativo no rendimento da 
extração supercrítica. 
 
6.4. Temperatura e Pressão: 
Conforme eleva-se o valor de pressão no sistema de extração supercrítica, nota-se um 
aumento do rendimento do processo. O aumento de pressão, além de contribuir positivamente 
para a elevação da densidade do solvente supercrítico e, consequentemente, gerar um 
acréscimo do poder de solvatação do fluido, pode causar rupturas na matriz do material 
sólido, permitindo a liberação de componentes não disponíveis a baixas pressões. Estes dois 
fenômenos são responsáveispor tornar a pressão a variável de maior influência no rendimento 
de extração. Nota-se que a operação em pressões muito elevadas aumentam a insalubridade da 
planta, além de requerer equipamentos com paredes mais robustas para suportar as condições 
do processo. Portanto, deve-se operar o extrator a pressões suficientemente altas para que 
ocorra uma extração eficiente, porém não elevadas o bastante para que haja complicações no 
design do equipamento ou na segurança da planta. 
Já um aumento da temperatura de operação promove dois fenômenos opostos, 
podendo impactar tanto positivamente quanto negativamente nos valores de rendimento de 
extração. A elevação da temperatura reduz o poder de solvatação pela diminuição de 
densidade do solvente, prejudicando desta forma a extração dos componentes da matriz 
sólida, porém, simultaneamente, aumenta a pressão de vapor do soluto, facilitando a 
transferência de massa para a fase supercrítica. Além disso, o aumento de temperatura pode 
levar a extração de compostos indesejáveis, diminuindo a seletividade e a pureza do extrato, 
como também pode acarretar na transformação indesejada de compostos termossensíveis. 
 
 
7. Viabilidade Econômica e Produtiva do Processo 
Depois do dimensionamento do processo e análises feitas na parte técnica do processo, 
um ponto muito importante a se levar em consideração é em relação a viabilidade econômica 
e produtiva do processo. Ou seja, levar em consideração os custos de investimento para 
implementação do processo, os custos de operação e o volume de produção e consequente 
lucro. 
40 
Primeiramente, foi realizado um levantamento quanto aos custos do processo, de 
operação de cada operação unitária, de implantação e de matéria prima, como pode ser 
visualizado na tabela 17. É importante ressaltar que os valores de custo de equipamento foram 
baseados em catálogos de fornecedores, descritos nas referências. 
 
Operação Equipamento Custo do Equipamento 
Secagem DW 1.2-8 R$ 31.360,00 
Moagem WF-200 R$ 9.800,00 
Extração Supercrítica 25L×3 SCFE R$ 658.560,00 
Total - R$ 699.720,00 
Tabela 17 - ​Descrição do custo de implantação. 
 
 De acordo com o nosso projeto, a extração de óleos a partir das sementes de mamão 
seria realizada em uma planta anexada a uma planta de processamento de mamão. 
Atualmente, as sementes de mamão são descartadas em tais processos. Diante de tal situação, 
o custo de obtenção de matéria prima seria proveniente apenas do CO​2 utilizado na extração 
supercrítica. De acordo com os cálculos utilizados, o volume de CO​2 ​utilizado para operar a 
extração é de 10,27 litros. O extrator opera com 60% de reciclo do solvente. Verificou-se que 
o volume de solvente mensal utilizado é de 48,17 L, exceto na primeira extração na qual será 
utilizado um volume de 30,11 L de solvente, e para as demais, será utilizado 12,04 L de 
solvente semanalmente. 
 Os custos de operação da extração supercrítica também foram considerados para a 
avaliação econômica. Para isso, foram avaliadas as potências dos equipamentos, o tempo de 
operação de cada equipamento, para o consumo de energia de operação mensal. A potência do 
secador e moinho foram baseadas em equações, enquanto que se baseou em um catálogo para 
de dimensionar o consumo de energia do extrator supercrítico. É necessário ressaltar que a 
planta foi planejada para ser operada durante uma vez na semana. Para o cálculo do custo de 
consumo de energia, foi considerada a tarifa de R$ 0,52 por Kwh, praticada pela Celesc para 
41 
indústrias. A equação abaixo ilustra os cálculos utilizados para o cálculo do custo de operação 
mensal por equipamento e total. A tabela 18 mostra os resultados obtidos. 
usto Op. Mensal otência do Equipamento empo usto Unitário de Energia C = P * T * C 
Equipamento Potência do 
Equipamento (Kw) 
Tempo Semanal de 
Operação (min) 
Custo Operacional 
Mensal (R$) 
Secador 3,781 300 33,05 
Moinho 4 420 58,24 
Extrator 50 420 728,05 
Total - - 819,34 
Tabela 18 - ​Descrição com do custo energético da planta de extração. 
 
Para a elaboração da precificação do extrato, foram estabelecidos três cenários de 
recuperação do investimento (TRI): de retorno sobre o investimento de implantação, e sobre 
os custos de operação em cada período e de matéria-prima em um período de 5 anos, 7,5 anos 
e 10 anos. A equação abaixo exemplifica o cálculo descrito anteriormente: 
usto T otal de Op. Matéria P rima usto Operacional) RI usto de ImplantaçãoC = ( + C * T + C 
 
A partir do custo total de operação, calculou-se, também a produção total de extrato, 
de acordo com tempo estabelecido para a recuperação do investimento. A razão entre o custo 
total de operação e a produção de extrato seria o preço por quilograma de extrato. A equação 
utilizada e os resultados obtidos podem ser verificados abaixo: 
reço por Quilograma de Extrato P = 
Custo T otal de Operação
P rodução T otal de Extrato 
 
TRI Custo Total de 
Operação (R$) 
Produção de 
Extrato (Kg) 
Preço por Quilograma 
de Extrato (R$) 
Preço por 
Volume de 
Extrato (L) 
5 anos 765.869,80 1.706,40 448,82 415,61 
42 
7,5 anos 798.682,51 2.559,60 312,03 288,94 
10 anos 831.495,21 3.412,80 243,64 225,61 
Tabela 19 - ​Descrição do tempo de avaliação de operação. 
​Verificou-se, naturalmente, que o preço por quilograma de extrato diminui conforme o 
tempo de recuperação do investimento aumenta, já que o intervalo para diluir os custo de 
implantação aumenta. É necessário salientar, que na prática a planta teria que precificar o 
extrato com um valor maior que o calculado, já que este não inclui gastos como folha de 
funcionários, custos de implantação, embalagem de produto e fretes. A partir dos dados 
obtidos, procurou-se possíveis “concorrentes” para avaliar a precificação obtida nos cálculos 
e compará-la com a praticada atualmente. A tabela 20 mostra os valores praticados 
atualmente. 
 
Fornecedor Preço do Extrato de Mamão por litro 
Jade Bloom Health Healing and Happiness R$ 851,00 
Lotus Garden Botanicals R$ 1760,00 
Botanical Beauty R$ 1000,00 
 Tabela 20 -​ Preços praticados pela concorrência. 
 
Verifica-se que os valores obtidos no processo são inferiores aos praticados no 
mercado. Praticando o preço do fornecedor Jade Bloom Health Healing and Happiness o 
tempo de recuperação de investimento seria de aproximadamente 2,5 anos. O gráfico abaixo 
mostra a relação entre a precificação (por quilograma de extrato) com o tempo de retorno do 
investimento, em anos. 
 
43 
 
Figura 15 -​ Avaliação da interferência do tempo de retorno de investimento no preço do 
extrato produzido. 
 
É necessário salientar que mesmo praticando um preço menor, o processo possui 
margem para ser mais competitivo. Além disso, verifica-se que a extração em si e o processo 
de extração correspondem a aproximadamente 92% dos gastos totais da planta. Logo, se faz 
necessário, cada vez mais tornar o processo de extração mais eficiente. Sabemos, pelos 
dimensionamentos anteriores, que existe um diâmetro ótimo para que a coluna de extração 
supercrítica extraia uma quantidade maior de extrato. 
 
44 
8. Conclusão 
 
O Projeto visou a elaboração deuma planta de extração supercrítica de óleo de 
sementes de mamão, objetivando verificar qual a condição na qual o processo poderia operar 
com uma eficiência máxima e com um custo energético real. A partir da demanda de uma 
planta de processamento de polpa de mamão, foi projetado uma planta que operará em apenas 
um dia. 
Foram dimensionadas operações unitárias anteriores e de preparação da matéria-prima 
para a extração. Ambos os equipamentos operam de forma contínua, até que as sementes 
trituradas são armazenadas em um tanque. A partir daí, é realizada a extração da 
matéria-prima. O extrator definido opera em batelada e em paralelo, o que possibilita um 
menor volume de cada extrator. As simulações realizadas se basearam no Modelo de Sovová, 
que descreve de maneira eficiente o processo de extração. Com um fornecimento de 122 kg 
de massa de sementes de mamão secas e moídas, prevê-se que ao fim do processo uma 
formação de 7,11 kg da quantidade de produto final (óleo das sementes). 
É necessário salientar que tanto em custo de implantação quanto em custo energético, 
a extração é extremamente representativa e deve ser o foco para possíveis otimizações. Por 
isso, esta foi objeto de análise de sensibilidade teóricas no projeto. Novamente, é importante 
ressaltar que dentre as otimizações, destaca-se a redução do tamanho da partícula, já que o 
moinho possui condições de diminuir em até três vezes mais o diâmetro da partícula. 
Contudo, como já foi citado, a redução do tamanho de partícula pode levar a formação de 
zonas mortas no extrator. 
No fim do projeto, foi realizado uma avaliação econômica. A partir dos custos de 
implantação, operação e matéria-prima, precificou-se o extrato obtido. Contudo, verificou-se 
um valor bem abaixo ao praticado com a da concorrência. Para o valor mais barato (R$ 
800,00), o extrato poderia ser precificado para que o retorno sobre o investimento fosse de 
aproximadamente 2 anos. Contudo, isso acaba não excluindo possíveis otimizações a serem 
executadas no processo. 
 
45 
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