1. Princípio de funcionamento do equipamento
1.1 Estrutura básica
Um concentrador aquecido sob vácuo industrial típico consiste em:
Um vaso de concentração (reator ou tanque) cujos paredes ou camisa externa estão aquecidas (aquecimento por resistência elétrica ou por vapor ou óleo térmico) — isso permite transferir calor para o produto líquido interno.
O vaso está conectado a uma bomba de vácuo de modo a reduzir a pressão no interior ou na cabeça de evaporação, de forma a baixar o ponto de ebulição do líquido ou solvente.
Um condensador (ou conjunto de trocadores) resfria os vapores que escapam do tanque, condensando-os para recuperação (ou descarte) do solvente/vapor, ou mesmo para recuperar essência ou solvente/álcool.
Um sistema de vácuo + válvulas de isolamento, medidores de pressão, controle de temperatura, sistemas de descarga ou recepção do líquido concentrado e do condensado/vapor.
Em muitos casos, agitador ou raspador interno do tanque para evitar sedimentação, crustificação, aumento de viscosidade, “queima” do produto ou aderência à parede. Exemplos de concentradores com raspador são usados para produtos de alta viscosidade.
1.2 Funcionamento térmico e de vácuo
Ao aplicar vácuo (reduzir a pressão para por exemplo < 100 mbar ou mesmo mais baixo), a temperatura de ebulição da solução ou solvente também diminui. Isso significa que podemos evaporar ou concentrar líquidos a temperaturas mais baixas, o que é crucial quando tratamos materiais sensíveis ao calor — aromas, extratos farmacêuticos, vitaminas, solventes voláteis.
O aquecimento pela camisa ou resistência fornece o calor necessário para gerar vapor no líquido. A camada de aquecimento deve ser uniforme para evitar pontos quentes que degradariam o produto. Em sistemas industriais é comum usar materiais inoxidáveis (304, 316L) e acabamento sanitário para atender normas GMP ou cosméticas.
O condensador recolhe o vapor gerado; dessa forma o sistema fecha-se ou quase-se em relação à atmosfera, mantendo vácuo e reduzindo perdas. Também permite recuperar solventes (álcool, etanol, etc) que podem ser reutilizados, e evitar vaporizar aromas ou compostos valiosos para a atmosfera. Alguns sistemas são construídos para “recovery” (recuperação) de solventes ou álcoois.
A camisa térmica ou aquecimento por resistência permite controle de temperatura mais preciso — importante para evitar degradação de compostos sensíveis. O sistema de vácuo diminui o ponto de ebulição, diminuindo assim a exigência de altas temperaturas. O sistema de condensação permite manter eficiência de processo e segurança ambiental.
1.3 Vantagens do sistema
Evaporação a baixa temperatura: reduz risco de degradação térmica de compostos sensíveis (aromas, extratos, vitaminas, cosméticos) pela combinação de aquecimento moderado + pressão reduzida.
Maior rendimento e qualidade: preserva melhor o perfil de aroma ou atividade dos compostos (menos perdas por oxidação ou volatilização não controlada). Um caso real citado relata que indústria de óleos essenciais usa destilação a vácuo para manter pureza e aroma.
Busch Soluções em Vácuo
Recuperação de solventes ou álcoois: se o sistema for projetado para tal, reduz custo e impacto ambiental.
Controle de processo e padronização: com vácuo, aquecimento controlado, se permite padronizar o grau de concentração, sólidos restantes, viscosidade, etc.
Compatível com normas industriais (GMP, higiene, inox, limpeza CIP): muitos equipamentos são projetados para uso farmacêutico, cosmético, ou alimentício.
1.4 Considerações de engenharia
Materiais de construção: partes em contato com produto geralmente inox 316L ou similar, acabamento sanitário, estanqueidade de vácuo, juntas especiais (e.g., soldas, flanges, visores, válvulas de vácuo).
Controle de vácuo: bomba de vácuo adequada (anel líquido, bomba de palhetas, bomba de parafuso a seco) para alcançar nível de pressão desejado; instrumentação para medir vácuo, termômetros para líquido, manômetros de vácuo. Exemplo: 0,01 mbar em fornos de vácuo para eletrônica/farma.
Aquecimento da camisa ou resistência: dimensionamento da área de troca, comportamento térmico, uniformidade, evitar hotspots, garantir que o líquido não “queime” ou decole da parede. Em aplicações de alta viscosidade pode haver sistema de raspar a parede interna para manter a transferência de calor.
Condensador de vapor: geralmente trocador de calor shell‑tube ou serpentinas, projetado para as cargas de vapor esperadas, tipo de fluido de recuo (água, glicol, etc). Deve ser compatível com solventes ou vapores orgânicos se aplicável.
Sistema de descarga/recepção: tanque de recepção do condensado, separador líquido‑vapor, válvulas para manuseio, sistema de limpeza CIP ou acesso para manutenção.
Segurança e qualidade: válvulas de alívio, manômetros, purga de gás inerte se necessário, conformidade com normas ATEX se vapores inflamáveis, registro de dados, limpeza sanitária, etc.
2. Aplicações industriais do concentrador aquecido por vácuo
A seguir algumas áreas e produtos onde este tipo de equipamento é frequentemente empregado, com explicação técnica de por que é adequado.
2.1 Indústria de aromas / fragrâncias / óleos essenciais
Extração ou concentração de óleos essenciais de frutas cítricas, flores, ervas, especiarias. Um exemplo: a empresa Capua 1880 usa tecnologia de vácuo em destiladores para óleos essenciais cítricos para manter altíssima qualidade.
Concentração de extratos naturais para uso em perfumaria ou alimentos: o vácuo permite reduzir o ponto de ebulição e preservar os componentes voláteis aromáticos sem degradá‑los ou oxidá‑los.
Recuperação de solventes/álcoois após extração de aromas: por exemplo, quando extrato aromático é obtido com solvente ou etanol, o concentrador pode evaporar e recuperar o solvente sob vácuo.
Produção de aromas alimentares concentrados, essências, óleos para cosmética.
Técnicas específicas: film‑fining, concentração em fluxo contínuo ou em bateladas, utilização de tanque com camisa aquecida + vácuo, para reduzir temperatura e preservar aroma. Exemplos de equipamentos para esse uso: concentrador de suco ou extrato de erva, “vacuum concentrator” para herba e óleos.
2.2 Indústria farmacêutica
Concentração de extratos vegetais ou farmacêuticos líquidos (fitoterápicos, nutracêuticos), onde a preservação de compostos ativos é crítica.
Recuperação de solventes em sínteses ou purificações de APIs (ingredientes farmacêuticos ativos). O processo sob vácuo ajuda a remover solventes residuais sem expor o produto a altas temperaturas.
Processos de purificação onde se reduz o volume do solvente para posterior cristalização ou secagem.
Produção de xaropes, líquidos farmacêuticos concentrados, formulações orais que exigem remoção de parte da água ou solvente. Exemplos de equipamentos “vacuum concentrator – pharmaceutical manufacturing & processing equipment” com faixa de temperatura 45‑60 °C.
Em cosméticos farmacêuticos (bioativos, extratos, vitaminas), o uso de concentração suave preserva a integridade dos ativos.
2.3 Cosmética / produtos de cuidados pessoais
Produção de essências, extratos botânicos concentrados usados em cosméticos ou perfumes.
Remoção de água ou solvente para produção de concentrados que serão formulados posteriormente (cremes, séruns).
A redução da temperatura de evaporação evita perda de voláteis sensíveis ou alterações em cor/odor. Exemplos de concentradores para “aroma, food additive, heat‑sensitive product” em temperaturas baixas 60 °C ou menos.
2.4 Indústria química / veterinária / outros
Concentração de líquidos químicos, recuperação de solventes ou álcoois em sínteses químicas, ou concentração de soluções de vitaminas, aditivos, enzimas. Por exemplo, brotar polímeros, intermediários. Uso de evaporadores para substâncias químicas (ácidos, álcoois, extratos vegetais) e para fins orgânicos/naturais.
Na veterinária: produção de extratos ou formulações líquidas veterinárias ou concentrações de ingredientes ativos para formulações (xaropes, suspensões concentradas, soluções alcoólicas) — requerem remoção de solvente ou água, preservação de atividade dos compostos, e processo controlado.
Indústria alimentícia/agrícola: concentração de sucos, purês, extratos vegetais, ingredientes de alimentos funcionais — embora você tenha solicitado foco em aromas, farmacêuticos, químicas e veterinárias, vale mencionar que a tecnologia se aplica também à alimentos. Por exemplo, concentrador a vácuo para tomate, leite, purês é citado.
2.5 Exemplos de produtos específicos
Óleo essencial de bergamota, cítricos para perfumaria/food flavouring.
Extratos fitoterápicos (herbal extracts) concentrados para uso farmacêutico ou nutracêutico.
Vitaminas solúveis em água ou solvente, preparação de fórmulas líquidas concentradas: remover água para reduzir volume e transportar menos peso.
Soluções intermediárias químicas (solventes orgânicos após reação, recuperação de etanol, concentração de ácidos fracos ou bases).
Fórmulas cosméticas concentradas – essências aromáticas, extratos botânicos para séruns.
Formulações veterinárias líquidas ou semi‑sólidas com extratos ou ativos sensíveis ao calor.
3. Projeto de processo e parâmetros-chave
3.1 Pressão, temperatura e ponto de ebulição
Existe relação entre pressão absoluta (ou manométrica) e temperatura de ebulição. Ao reduzir a pressão dentro do tanque, conseguiremos cuja a ebulição ocorra a temperaturas bem abaixo da normal, por exemplo 45‑60 °C em vez de ~100 °C para água.
É vital conhecer a curva de vapor do produto/solvente para determinar o grau de vácuo necessário para atingir uma temperatura desejada de evaporação. Por exemplo, se se quer evaporar água ou solvente a 50 °C, então o vácuo deve ser tal que o ponto de ebulição caia para aquele valor.
O aquecimento (via camisa ou resistência) deve ser definido para fornecer energia suficiente para gerar vapor à taxa de evaporação designada — a transferência de calor (Q) = área de troca × coeficiente de filme × (ΔT) etc. Em alta viscosidade ou com filme rasgado (scraper), esse coeficiente muda bastante. Exemplo: concentradores com raspador conseguem taxas de 200 kg/m²·h de evaporação.
3.2 Taxa de evaporação / rendimento / tempo de processo
Deve-se dimensionar a área de aquecimento, área de condensação, capacidade de vácuo, fluxo de vapor/condensado, para atender ao throughput desejado. Por exemplo, em catálogo de concentrador esférico: evaporate amount kg/h = 20,40,60,80 correspondendo a áreas de aquecimento de 0.4‑1.1 m², condensação 1.2‑3.0 m².
A eficiência energética pode ser melhorada com sistemas de múltiplos efeitos (multi‑effect) para reutilização de vapor secundário e menor consumo de energia.
Para produtos de alta viscosidade, ou com tendência a empelotar ou “colar” na parede do trocador, pode‐se usar agitador ou raspador para manter transferência de calor eficiente.
3.3 Materiais e acabamento
Superfícies internas polidas, furos de limpeza, tampas de inspeção, sistemas CIP (clean‑in‑place) para atender requisitos de higiene (como em farmacêutica ou cosmética). Exemplos mencionam design “ball‑shape”, todas as partes em contato com o produto em inox, fácil esvaziamento.
Juntas de vácuo e welds (soldas) bem feitas para evitar vazamentos de ar ou entrada de oxigênio que prejudicaria o vácuo e permitiria oxidação.
Materiais resistentes à corrosão caso se trabalhe com solventes ou extratos ácidos/álcalis.
3.4 Controle de qualidade e segurança
Monitoramento de vácuo, temperatura, pressão de aquecimento, vazamentos, condensado, controle de nível de líquido no tanque.
Se solventes inflamáveis ou voláteis, necessidade de sistema de recuperação, sistemas de segurança contra explosão (ATEX), ventilação, sensores de solvente, inertização.
Limpeza e separação de produtos, rastreabilidade, documentação (GMP/ISO) para setores farmacêutico ou cosmético.
Verificação de rendimento de concentração (sólidos %, densidade, teor de voláteis), padronização do lote.
Registro de parâmetros, padronização de tempo/temperatura/vácuo para replicabilidade.
3.5 Integração no fluxo de produção (industrial)
O concentrador pode estar integrado após extração ou pré‑filtração, antes de secagem ou cristalização ou formulação líquida.
Pode haver pré‑aquecimento da solução, filtragem, desfoaming (remoção de espuma) antes da entrada no tanque de concentração.
O condensado pode retornar ao processo ou ser enviado para recuperação de solventes, reciclagem ou descarte adequado.
A infraestrutura de utilidades (vapor, água de resfriamento, ar comprimido/inertização, bomba de vácuo, sistema de controle) precisa estar dimensionada para as cargas de processo.
Considerações de limpeza (CIP) e troca de produto: em indústrias farmacêutica ou cosmética, trocar produto exige limpeza rápida, validação, documentação — o tanque e conexões devem permitir isso.
4. Considerações específicas para os segmentos (aromas, farmacêutica, cosmética, veterinária)
4.1 Aromas/fragrâncias
A preservação dos compostos voláteis é crítica — muita “nota de topo” de perfume é perdida a altas temperaturas ou em presença de oxigênio. O vácuo reduz o tempo de exposição ao calor e permite temperatura mais baixa. Exemplo real: no caso de óleos essenciais de bergamota, a tecnologia de vácuo permitiu alta qualidade e recuperação de aroma.
Busch Soluções em Vácuo
Evitar oxidação ou alteração de cor/odor: aquecimento moderado e ambiente protegido (vácuo/inertização) ajudam.
Recuperação de solvente/alcohol após extração: reduz custo e evita contaminação do ambiente.
Processo de concentração de aroma para forma mais densa, transporte mais leve, menor volume.
No design de tanques de concentração de aroma, pode haver exigência de revestimentos não contaminantes, metais nobres ou tratamentos superficiais para evitar reação com voláteis sensíveis.
Controle do perfil de aroma: parâmetros como temperatura, pressão, tempo e taxa de evaporação têm impacto direto no perfil sensorial do produto final.
4.2 Farmacêutica
Produtos farmacêuticos (extratos vegetais, vitaminas líquidas, formulações, intermediários) muitas vezes contêm compostos sensíveis (enzimas, vitaminas, alcaloides, flavonoides) que se degradam em altas temperaturas ou oxidam rapidamente. A combinação de aquecimento por camisa + vácuo permite preservação destes compostos.
Em formulações orais, por exemplo xaropes, pode‐se remover parte da água/solvente para obter concentração desejada antes da embalagem.
Para intermediários de síntese, uma fase de concentração por vácuo pode reduzir volume e preparar para cristalização ou secagem subsequente.
A necessidade de conformidade com GMP exige que o equipamento seja sanitário, documentado, validável, com limpeza adequada, e com controle rigoroso dos parâmetros.
Em muitos casos, solventes inflamáveis são envolvidos (álcoois, éteres) — então o sistema de vácuo e condensador deve estar projetado para recuperação, segurança (sem vazamento, sem ignição).
4.3 Cosmética / cuidados pessoais
Uso de extratos botânicos, óleos essenciais, fragrâncias, bioativos que são sensíveis ao calor/oxigênio. O sistema de vácuo garante menor impacto térmico, melhor retenção de atividade aromática/biológica.
Produção de “concentrados de fragrância” ou “essências” que serão diluídas em formulação final.
Redução de volume de solvente ou água em extratos para transporte ou armazenamento mais economicamente viável, ou para preparação de pré‑formulações.
Integrar com processos de extração, filtração, concentração, seguida de estabilização ou encapsulação (por ex. nanotecnologia, microemulsões) — o concentrador pode agir como etapa intermediária.
4.4 Veterinária
Produção de extratos líquidos ou formulações para animais: xaropes, soluções para injetáveis, suspensões, concentração de ativos.
Remoção de volume de solvente ou água para reduzir peso/volume de transporte, ou para ajuste de concentração antes da forma final.
Produtos veterinários frequentemente requerem robustez e conformidade (embalagens, limpeza, compatibilidade com diferentes matérias‑primas) — o equipamento de concentração a vácuo pode servir para preparar intermediários ou produtos finais com menos degradação térmica.
4.5 Outras aplicações complementares
Concentração de vitaminas (soluções aquosas com vitaminas hidrossolúveis) ou coenzimas que são sensíveis ao calor.
Recuperação de solvantes ou álcoois em processos de produção química ou farmacêutica, para reduzir desperdício e custo.
Produção de ingredientes alimentares funcionais (embora fora do escopo principal pedido, mas relevante): extratos de plantas, sucos concentrados, xaropes.
Evaporação de água ou solvente de moldes, polímeros, intermediários finos na química industrial (incluindo indústria de plásticos, aditivos).
Concentração de resíduos ou eflluentes líquidas para reduzir volume e facilitar descarte ou tratamento.
5. Exemplificação de projeto para indústria de aromas/farmacêutica
Para tornar mais concreto, imagine um fluxo típico para fábrica de aromas:
Extração: Matéria‑prima (casca de cítrico, folhas aromáticas, ervas) é submetida a extração com solvente ou vapor, gerando uma solução/aroma bruto.
Filtração/pre‐tratamento: remoção de sólidos, clarificação.
Concentração: A solução/aroma bruto entra no concentrador a vácuo com aquecimento por camisa. O vácuo reduz a pressão, o aquecimento por camisa eleva a temperatura controladamente, vapores vão para o condensador, onde se recupera o solvente/vapor, e o líquido restante (o aroma mais concentrado) permanece no tanque.
Recepção/armazenagem: O líquido concentrado é descarregado para tanques de armazenamento, segue para formulação, diluição ou envase. O solvente recuperado volta para uso ou tratamento.
Controle de qualidade: medição de densidade, sólidos, perfil de aroma (GC/MS), pureza, contagem de micro‑organismos, etc.
Parâmetros típicos de projeto:
Pressão no tanque: por exemplo 50‑100 mbar ou menor, dependendo do líquido/solvente.
Temperatura de evaporação: suposição 40‑60 °C para preservar aroma volátil.
Área de aquecimento de acordo com rendimento desejado (por exemplo 0,4‑1,1 m² para 20‑80 kg/h como em modelo “ball shape” citado).
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Condensador dimensionado para recuperar os vapores a determinada carga.
Materiais: inox 316L, acabamento sanitário, limpeza CIP, válvulas de vácuo, purga de gás inerte se solvente inflamável.
Segurança: proteção contra sobre‑temperatura, monitoramento de vácuo, sistema de detecção de solvente, ventilação e descarga de vapores se necessário.
6. Limitações e desafios técnicos
Atingir e manter vácuo pode ser caro/complexo: bombas de vácuo, selagens, manutenção.
Transferência de calor pode se tornar limitada em altos sólidos ou materiais de alta viscosidade — requer design especial (raspador, agitador).
Possibilidade de formação de espuma ou empelotamento durante evaporação sob vácuo — requer desfoaming ou dispositivos de mitigação.
Controle de degradação de compostos sensíveis: mesmo a 50‑60 °C sob vácuo, pode haver reações indesejadas (oxidativas, térmicas, foto‑degradação) se não for devidamente protegido.
Custo de instalação relativamente elevado (tanque de pressão, vácuo, controle, condensador, segurança para solventes).
Se operação contínua, requer controle rigoroso de nível de líquido, vazão, automática, sensores e sistema de supervisão.
Compatibilidade de material: se solventes agressivos, necessidade de revestimentos, materiais especiais, evitando contaminação do aroma ou do produto farmacêutico.
7. Conclusão
O uso de um concentrador aquecido por resistência ou camisa térmica, com sistema de vácuo e condensador refrigerado, é uma tecnologia-chave em vários setores industriais (aromas/fragrâncias, farmacêutica, cosmética, química, veterinária) para a evaporação e concentração de líquidos, remoção de solventes, preservação de compostos sensíveis e recuperação de voláteis. O projeto técnico exige atenção aos parâmetros de pressão, temperatura, transferência de calor, materiais de construção, controles de processo e requisitos regulatórios. Quando bem projetado, permite maior qualidade de produto, preservação de compostos voláteis e sensíveis, economia de solvente, e integração em plantas industriais conforme normas GMP ou equivalente. |
0800 033 0080
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