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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41365| Título: | Modelagem e simulação de unidade destiladora molecular para fracionamento de óleo de café |
| Título(s) alternativo(s): | Modeling and simulation of a molecular distillation unit for coffee oil fractionation |
| Autor(es): | Arrigoni, Vinícius Duarte |
| Orientador(es): | Gatti, Larissa Maria Fernandes |
| Palavras-chave: | Destilação molecular Café - Processamento Diterpenos Ésteres — Espectros Otimização matemática Distillation, Molecular Coffee - Processing Diterpenes Esters — Spectra Mathematical optimization |
| Data do documento: | 2-Jul-2026 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Londrina |
| Citação: | ARRIGONI, Vinícius Duarte. Modelagem e simulação de unidade destiladora molecular para fracionamento de óleo de café. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2026. |
| Resumo: | O óleo de café é um subproduto de elevado potencial de valorização, composto majoritariamente por triglicerídeos, ésteres diterpênicos (cafestol e caveol) e ácidos graxos livres. Os ésteres diterpênicos apresentam atividade antioxidante, antiinflamatória, anticancerígena e de fotoproteção, sendo de interesse para os setores cosmético e farmacêutico, enquanto a remoção dos ácidos graxos livres é essencial para aumentar a estabilidade oxidativa do óleo e atender às especificações de óleos refinados. A destilação molecular de caminho curto é uma técnica de separação térmica que opera sob vácuo profundo e temperaturas brandas, sendo particularmente adequada ao processamento de compostos termossensíveis e de elevada massa molar. O presente trabalho teve como objetivo desenvolver um modelo matemático baseado em taxa de evaporação para a destilação molecular de óleo de café, implementá-lo como Modelo Definido pelo Usuário no simulador de processos de código aberto DWSIM, validar o modelo contra dados publicados na literatura e otimizar as condições operacionais para o enriquecimento de ésteres diterpênicos. O modelo combina a equação de Hertz-Knudsen-Langmuir para o fluxo evaporativo interfacial, as equações de Maxwell-Stefan com difusividade efetiva para a resistência difusional no filme líquido, a correlação de Nusselt para a espessura dinâmica do filme descendente e a correção de Prandtl-Langmuir para o efeito da pressão via número de Knudsen, com balanços de massa e energia resolvidos por marcha espacial direta em cinquenta estágios para quinze componentes representativos. A validação contra os resultados de referência da literatura indicou desvio médio absoluto de 5,57 pontos percentuais na fração diterpênica do destilado na faixa de 408 a 468 kelvin, sem ajuste de parâmetros, confirmando a aderência do modelo aos dados de referência. A análise de sensibilidade revelou que a temperatura e a pressão exercem efeitos opostos sobre pureza e rendimento, e a otimização multi-objetivo por evolução diferencial sobre superfície de resposta ajustada identificou a condição operacional ótima em 466,5 kelvin e 1,07 pascal, com fração diterpênica de 85,12% e rendimento global de 12%. Os resultados indicam viabilidade técnica do processo em condições operacionais brandas, com pressão dez vezes superior à utilizada em estudos anteriores, reduzindo a exigência do sistema de vácuo. O modelo desenvolvido constitui ferramenta de simulação reproduzível e acessível para projeto e otimização de processos de fracionamento de óleos vegetais. |
| Abstract: | Coffee oil is a byproduct with high potential for valorization, composed mainly of triglycerides, diterpene esters (cafestol and kahweol), and free fatty acids. Diterpene esters exhibit antioxidant, anti-inflammatory, anticancer, and photoprotective activities, making them of interest to the cosmetic and pharmaceutical sectors, while the removal of free fatty acids is essential to improve the oxidative stability of the oil and meet refined oil specifications. Short-path molecular distillation is a thermal separation technique that operates under deep vacuum and mild temperatures, being particularly suitable for processing thermosensitive and high molecular weight compounds. The present work aimed to develop a mathematical model based on evaporation rate for the molecular distillation of coffee oil, implement it as a User Defined Model in the open-source process simulator DWSIM, validate the model against data reported in the literature, and optimize the operating conditions for the enrichment of diterpene esters. The model combines the Hertz–Knudsen–Langmuir equation for interfacial evaporative flux, the Maxwell–Stefan equations with diagonal effective diffusivity for diffusion resistance in the liquid film, the Nusselt correlation for the dynamic thickness of the falling film, and the Prandtl–Langmuir correction for pressure effects via the Knudsen number, with mass and energy balances solved by direct spatial marching across fifty longitudinal stages for fifteen representative components. Validation against a reference from the literature showed a mean absolute deviation of 5.57 percentage points in the diterpene fraction of the distillate within the range of 408 to 468 K, without fitting parameters, confirming the model’s agreement with reference data. Sensitivity analysis revealed that temperature and pressure exert opposing effects on purity and yield, and multi-objective optimization using differential evolution over a response surface fitted by a radial basis function identified the optimal operating condition at 466.5 K and 1.07 Pa, achieving a diterpene fraction of 85.12% and a yield of 12%.The results indicate the technical feasibility of the process under mild operating conditions, with pressure ten times higher than that used in previous studies, reducing vacuum system requirements. The developed model constitutes a reproducible and accessible simulation tool for the design and optimization of vegetable oil fractionation processes. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41365 |
| Aparece nas coleções: | LD - Engenharia Química |
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