Standardized dried extracts of Brazilian medicinal plants: assessment of technical and economical feasibility of the spouted bed drying

Neste trabalho investigou-se o potencial tecnológico e econômico do processo de secagem em leito de jorro para a produção de extratos secos padronizados de plantas medicinais brasileiras utilizando como modelo experimental a Bauhinia forficata Link. O objetivo foi demonstrar que essa é uma tecnologia potencial para o processamento de plantas medicinais, mercado mundial que gira em torno de 22 bilhões de dólares anuais. Os extratos vegetais apresentam composição química complexa (ácidos graxos, açúcares, fibras, proteínas e resinas) o que torna a etapa de desidratação destes materiais uma tarefa desafiadora, principalmente quando a secagem ocorre sobre a superfície de corpos inertes como no secador de leito de jorro. Torna-se imprescindível, portanto, a utilização de adjuvantes de secagem como as maltodextrinas, amidos, dióxido de silício coloidal entre outros. Dentre os problemas operacionais frequentemente observados pode-se citar o acúmulo de produto sobre a superfície do material inerte tornando-o mais pesado e acarretando em instabilidades fluidodinâmicas e redução da produtividade do equipamento. Um aumento nas taxas de degradação térmica dos princípios ativos também é observado devido à elevação do tempo de exposição do material a elevadas temperaturas. A influência dos adjuvantes de secagem em diferentes proporções (20 a 80 %) sobre as propriedades físicas dos extratos foi avaliada através de ensaios de tensão superficial, ângulo de contato, desprendimento do filme de extrato da superfície inerte, densidade e comportamento reológico. Ensaios de secagem com diversos adjuvantes apontaram o dióxido de silício coloidal como o responsável pelos melhores resultados, sendo o material de escolha para os ensaios seguintes. Os ensaios de secagem realizados em duas configurações de leito de jorro (convencional e com instalação de tubo draft) foram delineados através de um planejamento composto central onde as variáveis estudadas foram a % de adjuvante (% Adj), a vazão do ar de secagem (Q/Qjm), e a vazão de suspensão alimentada ao sistema (Ws/Wg), sendo a temperatura de secagem (Tge), fixada em 150 C. Os resultados da análise estatística e as tendências observadas dos efeitos das variáveis independentes estudadas (% Adj, Q/Qjm e Ws/Wg) sobre as variáveis respostas, recuperação do produto (Rec), acúmulo de material no leito (Ac), perda por dessecação (Xp), degradação dos flavonóides (DTF), e diâmetro médio das partículas (Dp), mostram que as variáveis % Adj e Q/Qjm apresentaram significância estatística sobre o processo de secagem, para as condições operacionais estudadas. Análises físicas e químicas como Xp, DTF, Dp, perfil cromatográfico, difração de raios X e comportamento térmico, e o monitoramento do desempenho do equipamento de secagem (Rec e Ac) foram realizadas. Ensaios de atividade antioxidante e hipoglicemiante foram realizados para os melhores extratos apresentando resultados promissores. De posse do conhecimento tecnológico do processo, realizou-se um levantamento de sua viabilidade econômica. Foram estimados os gastos necessários para a montagem de uma unidade (pequena escala) produtora de extratos secos e os custos médios envolvidos na obtenção do produto final. Os resultados deste trabalho indicam a viabilidade técnica e econômica do processo em leito de jorro para a obtenção de extratos secos de plantas medicinais, despontando como um processo alternativo frente ao spray dryer comumente usado nas indústrias de processamento fitoterápico.The aim of this work was to investigate the technological and economical feasibility of the spouted bed drying process for production of the standardized dried extracts of Brazilian medicinal plants using the Bauhinia forficata Link as an experimental model. The objective was to demonstrate the potential of this technology for the processing of medicinal plants, a world market of 22 billions of dollars a year. Vegetable extracts have a complex chemical composition (fatty acids, sugars, fibers, proteins and resins), making the dehydration of these materials a challenging task, mainly for drying on the surface of inert bodies, like the spouted bed drying. Thus, the use of drying aids like maltodextrins, starch, colloidal silicon dioxide is mandatory. Among the operating problems frequently observed, there is the product accumulation on the surface of the inert material increasing its weight, causing hydrodynamic instabilities and reduction of the equipment productivity. A high increase in the thermal degradation of the active substances is also observed. This behavior is attributed to the increase in the exposure time of the material at high temperatures. The effects of the different proportions of drying aids (20 to 80 %) on the physical properties of the extracts were evaluated through determination of the surface tension, contact angle, detachment of the extract film from the surface of the inert material, density and rheological behavior. Drying tests carried out with several drying aids showed a better performance with the colloidal silicon dioxide, being the selected material for the further tests. Drying runs were carried out in two spouted bed configurations (conventional and with draft tube), according to a central composite design. The variables studied were the % of the drying adjuvant, the drying gas flow rate, parameterized by the ratio Q/Qjm, and the flow rate of the extract fed to the system (Ws/Wg). The statistical analysis results and the effects presented by independent variables (% Adj, Q/Qjm and Ws/Wg), on the responses product recovery (Rec), product accumulation in the bed (Ac), loss on drying (Xp), flavonoid degradation (DTF), and mean powder diameter (Dp), showed a significant effect of the parameters % Adj and Q/Qjm, for the operating conditions investigated. Physical and chemical analysis of the dried product, such as loss on drying, degradation of the active substances, particle size distribution, chromatographic profiles, X-ray diffraction, thermal behavior, and the monitoring of the equipment performance (Rec and Ac) were performed. Evaluation of the antioxidant and hypoglycemic activity were carried out for the extracts obtained at optimized conditions, presenting promising results. After the technological investigation, an evaluation of the economical viability of the process was carried out. The installation costs of a small scale unity for production of dried extracts, and the average costs involved for the obtaining of the final product were estimated. The results of this work indicated the technical and economical feasibility of the spouted bed drying for the production of dried extracts of medicinal plants, emerging as an alternative to the spray drying, commonly used in the phytotherapic processing industries