PT104717A - Extracção supercrítica de óleos a partir de borras de café - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO DE EXTRACÇÃO DE ÓLEOS A PARTIR DE BORRAS DE CAFÉ UTILIZANDO COMO SOLVENTE FLUIDOS SUPERCRÍTICOS. EM PARTICULAR, A INVENÇÃO ENVOLVE O USO, ENTRE OUTROS, DE DIÓXIDO DE CARBONO SUPERCRÍTICO, PURO OU COM UM CO-SOLVENTE, NOMEADAMENTE ETANOL OU METANOL, EM CONDIÇÕES DE PRESSÃO ENTRE 70 E 500 BAR E TEMPERATURAS ENTRE 30 E 100ºC.

Description

DESCRIÇÃO

Extraeção supercrítica de óleos a partir de borras de café

Domínio técnico da invenção A presente invenção· relaciona-se com. um método de extracçâo d© óleos a. partir de borras de café utilizando como solvente fluidos súper cri ticos, nomeadamente, dióxído: de carbono supercritico,: puro ou com um co-solvente, nomeadamente, etanol ou metanol, em condições de pressão entre 70 e 500 bar e temperaturas entre 30 e 100°C.

Diz ainda respeito á sua respectíva utilização na produção de bi.odie.sel, e na produção de bi©polímeros intracelulares, nomeadaraente, poiihidrQxialçánoatOS.

Estado da Técnica

Num. país como Portugal, onde o consumo de café se encontra profundamente enraizado nos hábitos culturais da população, a produção anual de borra.s de café é estimada ser superior a 1.6 mil toneladas. No entanto, este resíduo alimentar não tem sido alvo de nenhuma aplicação industrial., embora seja constituído por 45% de hidra.tos de carbono,. 25% de lipidos e 10% de proteínas,: As classes de lipidos mais importantes nos cafés obtidos a partir dos grão© de café são trlglicéridos e ésteres1 de diterperios alcoólicos, numa. composição^ que varia entre 86,6 a 92,9 ç 6.5 a 12,5¾ do total, de lipidos, respectivamente, como foi descrito por Kurzrock {Kurzrock; Foo.d Revíews .International;17 {4}, pp 1 <fe 10 433-450;, .2001) e por Gross (Gross; h'ood and Chemical

Toxico loqy; 35,. pp 547-554, 19.97) .

As borras de café têm já várias aplicações descritas. As borras de café podem ser removidos os lípides por orlracçoo e usadas como adsorventes que se podem juntar ao café: torrado moído para remoção das notas de sabor desagradável, como descrito na patente europeia SP 0 547 698 AI, As borras de café podem também ser sujeitas a saponífreação para utilização como suplemento alimentar para animais, tal como descrito na patente americana U.S. 4,2:93,581. Pode ainda remover-se das borras de café um aroma rico em diacetil e acetaldeido por hidrólise térmica, como descrito m patente americana u.s. 4,900,575. Existe ainda um: outro método de tratamento das borras de café para utilização como suplemento alimentar para animais que consiste na désterpenizaçâo por um tratamento com ácido fosfórico, clorídrico, ou sulfúriço descrito na patente europeia. EP 0 819 385 Al.

Está também descrito um processo de: hidrólise de borras de café com extraeção simultânea de óleo na patente europeia EP 0216971 Al.

Os. fluídos: supercríticos são gases a uma temperatura e :a. uma. pressão acima dos seus valores críticos. A caracteristica original destes .fluidos reside no facto de as suas propriedades de transporte, nomeadamente a densidade, serem fortemente dependentes da temperatura e da pressão. Isto faz com que. os fluidos supercriticos sejam, bons solventes de extracção, apresentando: selectividades elevadas e propriedades de transporte favoráveis. As suas difusividades são uma a duas ordens de magnitude superiores às dos líquidos, o que torna o processo de transporte de 2 <fc tu massa ma is rápido do que o com solventes líquidos convencionais.· Viscosidades e tensões superficiais baixas possibilitam uma rápida penetração do fluido supererítico em matrizes naturais,: como sementes ou plantas. Isto torna os fluidos suporcri ticos bastante atraentes em processos de extracção/separaçâo, podendo-se adaptar a capacidade como solvente do fluido para extrair selectívamente determinados compostos de uma. mistura complexa; a subsequente, separação dos compostos extraídos do fluido supererítico ê feita de forma completa por simples abaixamento da pressão, o que torna este processo limpo e ecológico (Brunner, <3.; Gas Exi.racLion, Springer, Berlin, 1994). 0 diôxido de carbono é o fluido supererítico mais utilizado até: hoje por ser não tóxico, nao inflamável, barato e de fácil obtenção. 0 propanc è outro fluido utilizado sendo relativâmente barato. Uma vantagem acrescida destes fluidos reside ha possibilidade de se utilizarem pressões relativamente baixas e temperaturas perto da temperatura ambiente. Para aumentar a capacidade como solvente dos fl.ui.dos supercriticos, especialmente ria extraeçáo de compostos de elevado peso molecular, ou de elevada polaridade., é utilizado um segundo solvente, dito de co-SOlvente, que apresenta uma polaridade acrescida. Exemplos são o' metanol, o etanol, e a acetona, entre outros.

Uma elevada variedade de matrizes naturais, sólidas ou. líquidas, pode ser processada com fluidos supercriticos, tais como sementes e plantas, produtos alimentares, ervas, sólidos contaminados com. materiais orgânicos tóxicos:, e produtos farmacêuticos.

3 cfelO

Através da realização de uma extraeção com fluídos supereríticos em oposição a um solvente orgânico, tal como o hexano, o.s resíduos de solvente nas matrizes após extraeçao, são desprezáveis cumprindo com a legislação existente para as indústrias alimentares e farmacêutica*

Descrição Geral da Invenção A extraeção do óleo das borras de café mediante fluidos supercriticos decorre num extraetor de alta pressão em aço inox, 0 processo de extraeção supercrítica é ilustrado na Figura 1 consistindo em quatro secções; (í) a secção de armazenamento e fornecimento dos fluidos; íli) a secção de compresslo: e aquecimento; iíií) a secção de extraeção; e (iv) a secção de separação e recolha.

Coloca-se uma determinada quantidade de borras cie café, seca ou húmida, no interior do extraetor de alta pressão sendo este fechado. O oxtrneror é pressurizado com o fluido de trabalho, por exemplo, diôxid© de carbono, è- aquecido à temperatura de trabalho. A compressão do fluido até ás condições de operação é feita mediante o compressor de gases e aquecido por passagem através de um pérmutador de calor. Quando se atingirem as condições adequadas de pressão e temperatura no extraetor é aberta a válvula de expansão, e feito passar o fluido supereritico através do extractor com um determinado caudal. A pressão e o caudal de passagem do fluido supereritico são controlados através da abertura da válvula de saída. 0 .fluido· supereritico ao passar pelo leito de borras solubilíza uma determinada quantidade de óleo por unidade de tempo; esse óleo é feito separar do fluído supereritico por despressurisa.ção através da válvula de salda. 0 óleo 4 dc 10 assim, separado é recolhido .por precipitação em. recipientes de recolha colocados nas condições de pressão e temperatura consideradas adequadas.

As. variáveis mais importantes do processo, nomeadamente, .a pressão·/ a temperatura, e o caudal: de passagem.., são medidas ao longo da extracçâo mediante equipamento adequado. A extracçâo supercritica das borras de café decorre num período de tempo considerado adequado, por exemplo:, entre 3 a 4 horas de passagem, de fluido, atè â completa exaustão do óleo das borras de café colocadas no sxtractor. O processo em determinados casos pode decorrer com a injecç.ão simultânea de um determinado caudal de co-soivente, nomeadamente, etanol m metanol, no caudal de fluído supercrítíco, imediatamente antes da entrada mo éXtractor de alt.a pressão. A relação mássica entre os caudais de co·-solvente e de fluido supercritico pode variar de condição em condição por forma a aumentar a eficiência de extracçâo final do óleo das borras de café.

As condições, de pressão e de temperatura no extraetor podem-se manter constantes durante o processo de extracçâo. Através do estabelecimento de um gradiente de pressão e/ou de temperatura no fluido supercritico ao longo da extracçâo podemos aumentar a selectividade do dito fluido para determinados compostos em detrimento de outros.

De igual forma, a secção de separação pode conter mais de dois recipientes de recolha permitindo a descompressão do fluido supercritico em etapas; desta forma, é possível a recolha em diferentes recipientes de diferentes tipos de compostos. 0 óleo extraído por fluidos supercritieos das borras de café contém aproximadamente 80% em. peso de i i pi dos ítriglicèridos e diglicéridos) e 5% em peso de ácidos 5 <fc 10 gordos livres. Contém ainda cerca de 15% em peso de material polimérico.

Descrição das Figuras

Figura 1 - Representa a instalação de extracção supercrítlea de óleo de borras de café

EXEMPLOS

Exemplo 1: Extracção de óleo de borras de café por dióxido de carbono supererítíco

Foram recolhidas borras de café de ura e st. abe le cimento comercial e secas em estufa antes do processo de extracção. Cerca de 20 g de borrãs secas foram colocadas no interior do extractor de alta pressão. O extractor consistiu num tubo cilíndrico de aço .inox de 24 mm de diâmetro interno e 572 mm de altura.» Para evitar indesejáveis fluxos preferenciais de corrente o leito de borras de café foi colocado entre dois discos metálicos porosos e o espaço livre interno do extractor deixado livre foi preenchido com. algodão. 0 extractor foi aquecido até à temperatura de operação pela passagem de água quente através de uma camisa de aquecimento colocada, na parede externa do extractor, O díóxido de carbono foi alimentado ao extractor a partir da garrafa de armarenamento, tendo-se aumentado a pressão até. à pressão de operação através do compressor de gases. Ao se atingirem as condições requeridas de pressão e de temperatura no extractor abriu-se a válvula de saida do 6 <3e 10 extractor estabelecendo-se desta forma condições de fluxo do fluido supercritico através do extractor. A pressão e o caudal de passagem do diõxido de carbono supercritico foram controlados pela posição de abertura da válvula de saída., 0 ôleo extraido das borras de café pelo dioxido de carbono supercritico foi depois separado. do fluído por descompressão e recolhido em dois recipientes de vidro colocados após o extractòx. Ambos os recipientes estavam imersos num banho frio de gel© e água, 0 segundo recipiente continha hexano liquido.

As condições de operação e os resultados dai obtidos estão indicados na Tabela 1.

Tabela 1, Condições de extracção e resultados

Exemplo Exemplo Exemplo 1 n 3 Massa de borras ds ? café 20.4 9 ri o drj 9 (gramas) Z U « iL· Pressão de: extracçâo· (bar) 300 250 200 Temperatura de ex+ :racçáo (°C). 55 50 40 Caudal, de passagen de carbono (g/nvin) 1· de dioxido: 12.4 11.4 12.6 Tempo .de extrac.çâc ) (mín.) 180 180 180 % de extra.c.ção; de ò 1 eo i 5.4 15.4 11.Q

Os diversos extractos obtidos para as diferentes condições de extracção foram analisados quanto âs suas composições e caraeteristicas físicas,, estando os valores médios obtidos representados na Tabela 2. 7 de 10

Tabela 2 - Composição média do óleo extraído

Acido Palmítico íf: 1 (·.·: 0) (í mássica) 36:.04 ÁcídO: Esteárico (¢18::0) (% mássica) 1Q. 4 Acido oleico (Cl8:1) (s mássica) 13.85 Acido Linolêico (C1S::2) (,¾ mássica) 35·· 42 Acido Araquídiço (¢20:0) ('% mássica) 4.29 Total, de Ácidos gordos saturados .(¾ mãss.ical 50.73 Total de Ácidos gordos (:t mássica) 100 índice de .iodo (:g/l00g) 72.9 Temperatura Limite de Filtrafeilidade estimada (0C) 1.3.4 Ácidos gordos livres·/És teres metálicos (1 mássica) 5.1 Digl.i.céridos, (1 mássica) 10.5 Trigiicêridos1 (/ mássica) 70.2 Polímeras (í mássica) 1.3.7

Exemplo 2: Extraoção de óleo de borras de café por uma mistura de dióxido de carbono supercritico e etanol como eo-solvente

As borras de cafè foram extraídas por uma mistura, de diôxido de carbono supercritico e etanol, como co-soiçen.te, de acordo com o procedimento do Exemplo 1. 0 etanol foi injectado na corrente de diôxido de carbono supercritico imediatamente antes da entrada no extractor de alta pressão mediante uma bomba de doseamento de líquidos, A mencionada 8 de 10 bomba .foi previamante calibrada, garantindcrse uma .injecçao de co-soivente a caudal constante e conhecido durante o processo de extracçâo. 0 etanol. foi recolhido junicamente: com o óleo extraído. nó primeiro recipiente de separação, e· posteriormente separado^ do óleo por evaporação em evaporador rotativo.

As condições de operação· e os resultados dai obtidos estão indicados na Tabela 2.

Tabela 2. Condições de extracção e resultados.

Exemplo 4 Massa de borras do café (gramas) 20.0 Pressão de extracção (bar) 200 Temperatura de extracção Í°C) 50 Caudal de passagem de di όχι dc 1 Π () de carbono (g/mi n) .Razão más si ca etanol ./ d i óx,ida de carbono 0.1 Tempo de extracção (min): 180 S de extracção de óleo 24.5

Baechler, R.; Hirsbrunner, P.; Procédé de dét&jcpêfiation du marc de café; SP Ô 819 385 AI; 1998.

Brunner, G,; Gas Extraetioiif Springer, Berlin, 1994 Cale/ K.W.; Imura, N. f Jasovsky, G.A.; Katz, $LN.f Aroma recovery from th& thermal hydrolysis of spent c.offee grouTids; 0.S. Pàtent 4,900,575; 199D. 9 <fe 10

Gottesman, M.; Simultaneous coffee hydrolysis and oil extraction; SP 0 216 971 AI; 1987.

Gross, G.; Jaccaud, E.; Huggett, A.C.; Analysis of the content of the diterpenes caféstol and kahweol in coffee brews; Food and Chemical Toxiçology; 35, pp 547-554, 1997 Hirshrunner, P.; Bertholet, R.;· Saponificatlon treatment of spent coffee grounds; 0.S. Patent 4,293, 581;: 1981 Kurzrock, T,; Speer, K.; Diterpenes and di ter pene s.sters in coffee; Food Reviews International;17 (4) (2001) 433-450. P.Izzi, G.P.; Gutwein, R.W.; Roa.st. ground coffee with. defatt&d spent coffee grounds, EP 0 547 698 Al, 1993

Lisboa, 11 de Agosto de 2009 10· de 10

Claims (14)

1. REIVINDICAÇÕES 1- Processo de extraeção de Óleos dos resíduos da ebulição ou infusão do café, vulgarmente designados por borra do cafê, caracterizado pelo facto de se utilizar como solvente de extraeção um fluido em condições supercríticas., preferencialmente dióxido de carbono..
2. 2- Processo, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado pelo facto do solvente de extracçao ser uma mistura constituída pelo fluido supercritico referido na reivindicação 1 e um co-solvente, preferencialmente etanol ou metanol:,
3. 3- Processa, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo facto do material de onde se extrai o óleo ser borras de cáfe secas ou húmidas.
4. 4- Processo,·, de acordo· com as. reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo facto da temperatura do fluido supercritico se encontrar entre. 2Q e IQCbC.
5. 5- Processo,· de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo facto da pressão do fluido supercritico se encontrar entre 7Q e 350 bar.
6. 6- Processo, de acordo corá a reivindicação 2., caracterizado pelo facto da razão mássica entre co-solvente e fluído· supercritico .se encontrar entre 0 e. 15 quilogramas de çõ-solvente por 100 quilogramas; de f1u i do supercr ítico. : de 3 reivindicações 1 e de passagem do entre 5 e 100 Processo, de acordo com as earacterizado peio facto do caudal solvente de. extraccão se encontrar quilogramas de solvente por quilograma, de berra de ca fé.
7. 8- Processo de extraccão de óleos de borras de café, de acordo com a reivindicação 1, earacterizado pelo facto de compreender, sequencialmente, os seguintes passos: a) introdução das borras de café no extractor de alta pressão, press uri z ação cio extractor com o fluido supercrítíco até à pressão do operação e aquecimento do extractor até à temperatura de operação; b;· bornbaqoiv. do fluido, supererítico através do leito do borras de café colocado no extractor de alta pressão após as -condições de temperatura e de pressão necessárias ao processo serem atingidas, por abertura dá válvula de saída do extractor? c)recolha do óleo. extraído em vários recipientes por abaixamento da pressão à salda do extractor, com a consequente precipitação, do óleo e sua separação do fluido supererítico.
8. 9- Utilização do óleo extraído das borras de caie, de acordo com as. reivindicações 1 a 8, earacterizado por ssr aplicado na produção de palihidroxialcanoatos.
9. 10- Utilização do óleo extraído das borras de café, de acordo com as reivindicações 1 a 8, earacterizado por ser aplicado na produção de biodiesel.
10. 11- Utilização do óleo extraído das borras de café, de acordo com as reivindicações 1 a 8, earacterizado por 2 de 3 .ser aplicado na. produção de nutracêuticos com interesse .na industria alimentar .e farmacêutica,.
11. 12- Utilização das borras de café processadas por fluidos supercriticos, de acordo com as reivindicações 1 a 8, caracterizado por ser aplicada como suplemento alimentar para animais,
12. 13- Utilização das borras de café processadas por fluidos supercri ti ços·, de acordo com as reivindicações 1 a ê, caracterizado por ser aplicada na produção de -energia, através da incineração directa com consequente recuperação do calor.
13. 14- Utilização das borras de café processadas por fluidos supercri ticos, de acordo com as reivindicações 1 a 8, caracterizado por ser aplicada como fertilizante de solos através da. sua degradação biológica aeróbia.
14. 15- Utilização das- borras de café processadas por fluidos supercri ticos, de acordo com as reivindicações 1 a 0, caracterizado por ser aplicada como adsorvent.o de aromas de extractos. Lisboa, 11 de Agosto de 2009 3 de 3: