Estudo teórico e experimental da extração de café com ciclos de compressão e descompressão hidrostática

Abstract

O objetivo principal do presente trabalho foi investigar a influência da pressão e dos ciclos de compressão e descompressão hidrostática sobre a cinética da extração de solutos totais do café torrado e moído. Os experimentos de extração foram realizados com água destilada a baixa temperatura (17 oC), em um intervalo de pressão de 91,4 kPa a 338,2 kPa, durante 25200 s (7 h). As curvas experimentais de extração transiente foram descritas corretamente, usando um modelo matemático puramente difusivo no caso da extração com pressão constante, e um modelo híbrido difusivo-convectivo para a extração com ciclos de compressão e descompressão hidrostática. Com 80 % de probabilidade a modelagem matemática suporta e explica em termos dos fenômenos de transporte, o efeito positivo significativo dos fatores examinados sobre a cinética da extração. De acordo com o modelo, o aumento da pressão incrementa a difusividade, enquanto que os ciclos de compressão e descompressão hidrostática ocasionam um movimento de fluido através dos micro canais do sólido, gerando transferência de massa por convecção. Neste sentido, o tempo necessário para alcançar o máximo rendimento foi reduzido de 25200 s (7 h) a 91,4 kPa (a pressão constante) para 2400 s (40 min) a 338,2 kPa (com ciclos de compressão e descompressão hidrostática). Também foi observado um impacto positivo de ambos os fatores considerados sobre o rendimento da extração no equilíbrio, o qual aumentou de 13 % a 91,4 kPa e pressão constante, para 26 % a 338,2 kPa com ciclos de compressão e descompressão hidrostática, o que representa uma eficiência de 85 %. Foram extraídos também os lipídeos do café sob pressão constante e ciclos de compressão e descompressão, usando um solvente polar (água destilada) e um solvente não polar (clorofórmio). A fração de lipídeos totais na fase aquosa no equilíbrio foi desprezível, refutando uma importante vantagem da extração com ciclos de compressão e descompressão hidrostática alegada na literatura, isto é, de que a referida técnica permite a extração de compostos insolúveis. Além disso, foi observado que a influência da pressão e dos ciclos de compressão e descompressão hidrostática não foi significativa (p > 0,02) sobre a extração de lipídeos totais usando clorofórmio.

The main aim of this study was to investigate the influence of pressure and pressure cycles on the kinetics of total solute removal from ground coffee. Extraction experiments were performed with water at a low temperature (17 oC) in the pressure range from 91.4 kPa to 338.2 kPa for 25200 s (7 h). A pure diffusive and an hybrid diffusive-convective model described correctly the transient experimental extraction curves at constant and cyclically pressurized conditions, respectively. With 80% of probability the modeling approach supports, and explains in terms of transport phenomena, the significant positive effect of the examined factors on the kinetics of extraction. According to it, the rise of pressure increases the diffusivity, while the pressure cycles cause a movement of fluid through the solid microchannels and consequent solute transfer by convection. In this regard, the time required to achieve maximum yield was reduced from 25200 s (7 h) at 91.4 kPa (constant pressure) to 2400 s (40 min) at 338.2 kPa (with pressure cycles). A positive effect of both factors considered over the equilibrium extraction yield was also observed, increasing from 13% at 91.4 kPa and constant pressure to 28% at 338.2 kPa with pressure cycles, which represents a 87% efficiency. Coffee lipids were also extracted under constant and cyclic pressurized conditions with a polar (water) and a nonpolar (chloroform) solvent. The negligible fraction of total lipids in the aqueous phase at equilibrium refutes an important alleged advantage of hydrostatic pressure cycling extraction, that is, it extracts insoluble compounds. Moreover, a non-significant influence of pressure and pressure cycles (p > 0,02) on total extracted lipids at equilibrium was observed when using chloroform.