Predição de equilíbrio de fases em sistemas envolvendo açúcares com o modelo COSMO-SAC

Abstract

O estudo do equilíbrio termodinâmico de soluções envolvendo açúcares tem diversas aplicações. Por exemplo, assumindo sucos de frutas como uma solução aquosa, pode-se utilizar um modelo termodinâmico para avaliar como se poderia conduzir sua concentração. Outro exemplo utilizado na industria é o emprego de solventes no qual açúcares são menos solúveis para realizar a sua cristalização. A solubilidade de açúcares nesses solventes pode ser prevista com a ajuda de um modelo termodinâmico. Além disso, baixas temperaturas podem ser utilizadas para promover a cristalização da água para sua posterior remoção, com o objetivo de concentrar uma solução aquosa com açúcares. A temperatura de cristalização da água também pode ser calculada com um modelo termodinâmico. O modelo de coeficiente atividade COSMO-SAC, baseado em teorias de química quântica e de caráter preditivo, foi utilizado para determinar curvas de equilíbrio em soluções de açúcares. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais de equilíbrios líquido-vapor, solubilidade, atividade de água e temperatura de ponto de fusão. Além disso, o modelo COSMO-SAC, juntamente com o modelo BET, foi utilizado para a predição de curvas de isotermas de sorção de diversos alimentos. A maioria dos resultados obtidos ficaram próximos dos dados experimentais, com erros médios relativos variando entre 0,2 e 5,5 %. Os resultados referentes à solubilidade tiveram de ser avaliados sob uma faixa aceitável, visto que para esse cálculo são necessários valores de propriedades calorimétricas de açúcares que variam muito conforme a metodologia utilizada para a medição. Os resultados a respeito de soluções com etanol podem ser refinados futuramente, pois autores sugerem que pode haver uma mudança na conformação da molécula de açúcar nessa condição. Os resultados referentes às isotermas de sorção tiveram erros relativos médios entre 6,7 % e 27,9 %.

The study of the thermodynamic equilibrium of sugar solutions has several applications. For example, assuming fruit juices like an aqueous solution, a thermodynamic model can be used to assess how it might be concentrated. Another example used in industry is the use of solvents in which sugars are less soluble to carry out their crystallization – the sugar solubility in these solvents may be predicted with support of a thermodynamic model. Moreover, low temperatures can be applied to crystallize water and remove it in order to concentrate a solution of sugars – the water crystallization temperature can be calculated with a thermodynamic model. The COSMO-SAC activity coefficient model, based on quantum chemical theory, was used to determine equilibrium curves in aqueous sugars solutions. The results obtained were compared with experimental data of vapor-liquid equilibrium, solid-liquid equilibrium, water activity, and freezing point depression. Furthermore, the COSMO-SAC model, combined with the BET model, was used to predict sorption isotherms of a variety of food materials. Most of the results obtained were close to the experimental data, with relative mean errors varying between 0.1 and 6.4%. The solid-liquid equilibrium results had to be evaluated under an acceptable range, since for these calculations melting experimental data (melting temperature and enthalpy) is required and these values vary widely according to the methodology used for the measurement. Sorption isotherms results had errors between 6.7 and 27.9 %.