LUIZ ROBERTO DA SILVA BOEMEKE ENGENHEIRO AGRÍCOLA

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS FACULDADE DE AGRONOMIA ELISEU MACIEL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA AGROINDUSTRIAL DESEMPENHO ENERGÉTICO E QUALIDADE DE GRÃOS NAS SECAGENS ESTACIONÁRIA E INTERMITENTE DE ARROZ LUIZ ROBERTO DA SILVA BOEMEKE ENGENHEIRO AGRÍCOLA Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Ciência e Tecnologia Agroindustrial da Universidade Federal de Pelotas, sob a orientação do Professor Moacir Cardoso Elias, para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Tecnologia Agroindustrial. PELOTAS Rio Grande do Sul - Brasil Março de

2 DESEMPENHO ENERGÉTICO E QUALIDADE DE GRÃOS NAS SECAGENS ESTACIONÁRIA E INTERMITENTE DE ARROZ LUIZ ROBERTO DA SILVA BOEMEKE ENGENHEIRO AGRÍCOLA Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Ciência e Tecnologia Agroindustrial da Universidade Federal de Pelotas, sob a orientação do Professor Moacir Cardoso Elias, para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Tecnologia Agroindustrial. PELOTAS Rio Grande do Sul - Brasil Março de 2000

3 Dados de Catalogação na Publicação (CIP) Internacional Marlene Cravo Castillo, CRB 10/744 B671D Boemeke, Luiz Roberto da Silva Desempenho energético e qualidade de grãos nas secagens estacionária e intermitente de arroz. / Luiz Roberto da Silva Boemeke.-. Pelotas : Universidade Federal de Pelotas, XV, 60 f. : il. Dissertação ( Mestrado em Ciência e Tecnologia Agroindustrial ) FAEM -UFPEL 1- arroz 2 - energia 3- secagem 4- desempenho energético 5- qualidade de grãos I - título II - Elias, Moacir Cardoso (orientador) CDD : CDD : ii

4 DESEMPENHO ENERGÉTICO E QUALIDADE DE GRÃOS NAS SECAGENS ESTACIONÁRIA E INTERMITENTE DE ARROZ LUIZ ROBERTO DA SILVA BOEMEKE ENGENHEIRO AGRÍCOLA Título: MESTRE EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA AGROINDUSTRIAL BANCA EXAMINADORA Engº Agrº Moacir Cardoso Elias, Dr. Orientador EngºAgrº Manoel Luiz Brenner de Moraes, Dr. Engº Agrº Manoel Artigas Schirmer, Dr. Engº Agrícola Wolmer Brod Peres, Dr. iii

5 Aos meus pais, Pedro e Dilza, por serem as sementes e, portanto, a origem, e aos meus filhos, Carlus e Carolina, por serem os frutos e, por isso, a continuidade, desta minha maravilhosa passagem pela vida. Dedico iv

6 AGRADECIMENTOS Ao professor Moacir Cardoso Elias, pela valiosa e motivadora orientação, pelo carinho, incentivo e amizade. Aos colegas Bianca Nunes, Lauri Radünz, Rafael Dionello e Rogério Silveira e aos estagiários Fabrízio Barbosa, Lucas Marchioro, Valdinei Soffiatti, Vandeir Conrad, Leomar Hackbart da Silva, Flávio Pereira e Rita de Moura, do Laboratório de Grãos, que sem eles este trabalho não teria a mesma forma e o mesmo teor. A Máquinas Vitória S.A., pela sempre disponível e eficiente assistência técnica dos equipamentos de secagem. A EMBRAPA-CPACT e JOSAPAR, pelo fornecimento do material experimental. Ao professor Cesar Valmor Rombaldi, pelo esforço e pela liderança para elevar o padrão do PMCTA-FAEM-UFPel. Ao professor Manoel Artigas Schirmer que, muito mais do que professor e amigo, foi um sábio, ajudando-me na descoberta de uma face valiosa da minha vocação profissional. A todos os professores do DCTA-FAEM-UFPEL, pelos ensinamentos ministrados. Aos funcionários e laboratoristas do DCTA, pelo respeito e amizade. À CAPES, pelo apoio financeiro, através da bolsa de mestrado. v

7 Aos demais colegas contemporâneos das outras áreas de concentração do PMCTA-FAEM-UFPEL, Rossmary Quintero, Moema Wendt, Lindomar Lopes, Adriane Antunes, Carla Mendonça e Roque Danieli. À psicóloga, professora e amiga, Márcia Rosane Krüger, pela colaboração nas traduções de textos e pelas oportunidades tanto de aprender como de ensinar inesquecíveis e profundas lições de vida. Aos meus irmãos, Aglae Maria, Pedro Ricardo, Marco Antônio e Paulo Cirne, cunhadas e sobrinhos pelas permanentes compreensão e amizade. À amiga M.Sc. Mara Helena Saalfeld, por ter me apontado este caminho. À Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Pelotas, cujos conhecimentos lá obtidos, me foram a base técnica necessária para desenvolver este trabalho. Às empresas Nutrisa S.A. e Pedro Boemeke, Filhos & Cia. Ltda., em cujas oportunidades obtive a visão prática fundamental para enxergar diversos aspectos de ordem gerencial que simplificaram as tomadas de decisão, tornando esta caminhada mais branda. A DEUS, o grande Gerente do Universo, pelas permanentes e seguras proteção e companhia. vi

8 ÍNDICE Relação do conteúdo Página INDICES DE FIGURAS ix INDICES DE TABELAS xi SUMÁRIO xii SUMMARY xiv 1. INTRODUÇÃO 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Água no grão e secagem Armazenamento Beneficiamento industrial Energia na secagem de grãos MATERIAIS E MÉTODOS Material experimental Métodos Pré-limpeza Secagens Secagem estacionária Secagem intermitente Umidade relativa do ar Consumo de energia Determinação de umidade Estabilização das amostras Armazenamento Germinação Teste de frio Incidência fúngica Beneficiamento industrial Descascamento e polimento Separação de quebrados Avaliação de defeitos 27 vii

9 3.3. Delineamento experimental RESULTADOS E DISCUSSÃO Parâmetros operacionais de secagem Secagem estacionária, com ar sem aquecimento Secagem estacionária, com ar aquecido a 40+5ºC Secagem intermitente com ar a temperatura constante Secagem intermitente com ar a temperaturas crescentes Qualidade CONCLUSÕES REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS 54 viii

10 ÍNDICE DE FIGURAS Figuras Conteúdo Página FIGURA 1 Fluxograma de operações FIGURA 2 Esquema das ligações elétricas dos secadores estacionários e intermitente FIGURA 3 Fluxograma do beneficiamento convencional do arroz polido FIGURA 4 Condições psicrométricas do ar ambiente e do ar de secagem no decorrer da secagem estacionária com ar sem aquecimento FIGURA 5 - Condições de temperatura e umidade do grão no decorrer da secagem estacionária, com ar sem aquecimento FIGURA 6 Demanda de energia para a insuflação do ar no decorrer da secagem estacionária com ar sem aquecimento FIGURA 7 Condições do ar ambiente e do ar de aquecido no decorrer da secagem estacionária com ar aquecido a 40+5ºC FIGURA 8 - Condições de temperatura e umidade do grão no decorrer da secagem estacionária com ar aquecido a 40+5ºC ix

11 FIGURA 9 Demanda de energia gasta para o aquecimento do ar de entrada no decorrer da secagem estacionária com ar aquecido a 40+5ºC FIGURA 10 Demanda de energia gasta para a insuflação do ar entre os grãos no decorrer da secagem estacionária com ar aquecido a 40+5ºC FIGURA 11 Participação da demanda energética para o aquecimento do ar de secagem e a participação da demanda energética para a insuflação do ar na secagem estacionária com ar aquecido a 40+5ºC FIGURA 12 Condições dos ares ambiente, de secagem e de saída do secador durante a secagem intermitente com ar a temperatura constante à 90+10ºC FIGURA 13 - Condições de temperatura e umidade do grão durante a secagem intermitente com ar a temperatura constante de 90+10ºC FIGURA 14 Demanda de energia gasta para o aquecimento do ar de entrada durante a secagem intermitente com ar a temperatura constante de 90+10ºC FIGURA 15 Participação da demanda energética para o aquecimento do ar de secagem e para a participação da demanda energética para a movimentação do ar e dos grãos durante a secagem intermitente com ar a temperatura constante de 90+10ºC FIGURA 16 Condições do ar ambiente, na entrada e na saída do secador durante a secagem intermitente com ar a temperaturas crescentes FIGURA 17 - Condições de temperatura e umidade do grão no decorrer da secagem intermitente com ar a temperaturas crescentes FIGURA 18 Demanda de energia gasta para o aquecimento do ar de entrada durante a secagem intermitente com ar a temperaturas crescentes FIGURA 19 Participação da demanda energética para o aquecimento do ar de secagem e participação da demanda energética para a movimentação do ar e dos grãos na secagem intermitente com ar a temperaturas crescentes x

12 ÍNDICE DE TABELAS Tabelas Conteúdo Página TABELA 1 Avaliação do desempenho, eficiência e economia energética durante a secagem das amostras TABELA 2 - Umidade (%) em arroz submetido a quatro métodos de secagem, armazenado durante seis meses pelo sistema convencional, em sacaria TABELA 3 - Condições psicrométricas no ambiente de armazenamento dos grãos de arroz, de abril a outubro de TABELA 4 - Grãos inteiros (%) e defeitos totais (%) em arroz submetido a quatro métodos de secagem e armazenado durante seis meses pelo sistema convencional, em sacaria TABELA 5 - Germinação (%) e vigor (%) em arroz submetido a quatro métodos de secagem e armazenado durante seis meses pelo sistema convencional, em sacaria TABELA 6 - Contaminação por fungos de armazenamento (%) em arroz submetido a Quatro métodos de secagem e armazenado durante seis meses pelo sistema convencional, em sacaria xi

13 SUMÁRIO BOEMEKE, LUIZ ROBERTO DA SILVA, M.Sc., Universidade Federal de Pelotas, março de Desempenho energético e qualidade de grãos nas secagens estacionária e intermitente de arroz. Orientador: Moacir Cardoso Elias. Estudou-se o desempenho energético, pelo consumo de energia, e danos imediatos e latentes dos sistemas estacionário e intermitente, em quatro métodos de secagem de arroz em casca da variedade BR IRGA-410, utilizando secadores laboratoriais modelo Vitória Piloto, dotados de resistências elétricas para aquecimento do ar, termostatos e medidores de potência. Os métodos de secagem foram: a) estacionário com ar sem aquecimento; b) estacionário com ar a temperatura constante de 40+5ºC; c) intermitente, com ar a temperatura constante de 90+10ºC; d) intermitente, com ar em temperaturas crescentes nas primeiras três horas, com 70+10ºC na 1ª hora; 90+10ºC, na 2ª e ºC da 3ª até a última ½ hora. Os tempos de intermitência nas câmaras de aquecimento e de equalização eram de 20 minutos em cada uma e na última ½ hora, os grãos recirculavam em ar a 35+10ºC, quando a umidade atingia cerca de 13%. Os grãos foram armazenados em sacaria de ráfia trançada, no sistema convencional, com análises de germinação, vigor, defeitos, rendas de beneficiamento, contaminação fúngica e umidade, imediatamente após a secagem, e após seis meses de armazenamento. Conclui-se que 1) a secagem xii

14 estacionária com ar não aquecido é a que consome menor energia na secagem, mas é a que provoca mais danos latentes no arroz, resultando em percentuais de grãos inteiros sem defeitos e vigor menores do que os demais métodos testados, após seis meses de armazenamento convencional das amostras; 2) a secagem intermitente com ar aquecido aplicando temperaturas crescentes é a que melhor protege a qualidade dos grãos e é a que gasta menos energia entre as testadas que utilizam ar aquecido; 3) a economicidade no consumo de energia na secagem de arroz decresce na seguinte ordem: estacionária com ar não aquecido; intermitente com ar a temperaturas crescentes; intermitente com ar à temperatura constante e estacionária com ar aquecido, sendo as duas últimas eqüivalentes na preservação da qualidade dos grãos. Palavras-chave: Arroz, energia, secagem, desempenho energético, qualidade de grãos. xiii

15 SUMMARY BOEMEKE, LUIZ ROBERTO DA SILVA, M.Sc., Universidade Federal de Pelotas, march Energetical performance and grains quality in the stationary and intermittent rice drying. Adviser: Moacir Cardoso Elias The energetical performance was studied, by the energy consumption and immediate and latent damages of the stationary and intermittent systems, in four drying methods with BR IRGA-410 rice, using Vitória Piloto dryers, which have eletric resistances for air heating, thermostat and power meter. The drying methods used were: a) stationary with unheated air; b) stationary at constant temperature of 40+5ºC; c) intermittent with air at constant temperature of 90+10ºC; d) intermittent with increasing air temperature at the first three hours, with 70+10ºC for the 1 st hour; 90+10ºC for the 2 nd hour; ºC from the 3 rd until the last 30 minutes. The time of intermittence in the heating chamber and equalization were of 20 minutes, the grains recirculate in air at 35+10ºC, when the humidity reached about 13%. The grains were stored in bags of trassed plastic yarns in a conventional system, with analisys of germination, vigour, defects, milling yields, fungical contamination and humidity, immediately after the drying and after six months of storage. The conclusion is that: 1) the stationary drying with unheated air is which has less consumption of drying energy, but it is also the one wich causes most latente damages to the rice, resulting in less percentage of whole grains without defects and vigour than the other tasted methods, after six month of conventional storage of the samples; 2) xiv

16 the intermittent drying with heated air applying increasing air temperature is the one which best preserves the grains quality and is the one which spends less energy among the ones tasted which use heated air; 3) the energy consumption economy in the rice drying decreases in the following order: stationary with unheated air; intermittent with increased air temperature; intermittent with air at constant temperature and stationary with heated air, the two last ones are equivalent in the preservation of the grain quality. Key words: Rice, energy, drying, energetical performance, quality of grains. xv

17 1. INTRODUÇÃO Os modernos e, cada vez mais dinâmicos, sistemas mercadológicos, com os seus novos conceitos de globalização, exigem que os processos produtivos se tornem competitivos quanto a qualidade do produto e ao preço final de mercado. Este preço final de mercado precisa cobrir todos os custos de produção e garantir remuneração e margem de lucro a todos os participantes da cadeia produtiva, desde a exploração das jazidas naturais, donde saem as matérias-primas utilizadas na produção dos insumos, até a comercialização dos produtos finais industrializados em nível de consumidor. No passado, na grande maioria dos sistemas produtivos, acrescentava-se as margens de lucro desejadas aos custos de produção e tinha-se o preço final do produto. Hoje, a margem de lucro é a variável dependente, e o preço final dos produtos é estipulado pelo mercado, em função das relações entre oferta e demanda. Logo, o principal aspecto a ser trabalhado, quando se quer aumentar as margens de lucro de um sistema produtivo qualquer, é o custo de produção. Isto é, precisamos produzir mais com menos. Isto significa que estão, a cada instante, mais estreitos e escassos os caminhos para aqueles que atuam no mercado com uma postura amadora. Ninguém mais está disposto a pagar pela incompetência dos outros. Para se produzir bem e sobreviver num mercado competitivo se fazem necessários profissionalismo e competência. Dentre os custos de produção, o consumo de energia, seja na forma de energia elétrica, ou obtida de lenha, gás liqüefeito de petróleo, casca de grãos, 1

18 resíduos agrícolas ou de outra fonte qualquer, ocupa uma expressiva participação nas diversas etapas das cadeias de produção. No tão comentado custo Brasil, o desperdício energético, nas mais diversas formas, tem participação significativa. Conforme o PROCEL Programa de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica (Eletrobrás, 1998), mantida a estrutura atual do uso de energia, haveria a necessidade de um abastecimento, em 2015, de 782TWh/ano, o que significa uma produção equivalente a mais de 10 usinas de Itaipú ao ano. O PROCEL pretende reduzir estes números, trabalhando para que as perdas na transmissão e na distribuição das concessionárias se reduzam dos atuais 17 para 10% e para que os usuários consumam menos 11%, a partir da racionalização no uso da energia e do aumento da eficiência dos aparelhos por eles utilizados. Com a crescente necessidade dos cuidados que o homem deve ter com a natureza, as leis de proteção ao meio ambiente e à natureza passam a ser mais exigentes. Por conseqüência, órgãos de fiscalização, como IBAMA, FUNDEFLOR e FEPAM, passam a exercer um poder fiscalizador mais intenso e rigoroso. Sem a intenção de discutir o mérito ou a validade da questão, este fato passa a ser uma restrição operacional para as indústrias de beneficiamento da matéria prima agropecuária, que hoje buscam a utilização de várias fontes de energia existentes na natureza ou transformadas pelo homem, como os subprodutos agroindustriais. Na secagem de produtos agropecuários, existem ramos do setor primário que já estão partindo para a utilização de energia elétrica como fonte de calor para a secagem. Casos como os das cadeias produtivas de fumo, cujo sistema de secagem das folhas, até há bem pouco tempo, utilizava a lenha como fonte de calor, e de grãos, com os usos de casca de arroz e, ultimamente, de gás liqüefeito de petróleo, são exemplos das formas buscadas por agricultores e agroindústrias para diminuir os custos econômicos e ambientais do processo. Os secadores de grãos, geralmente, são avaliados em função da sua capacidade de secagem e dos efeitos provocados no produto. Raramente a eficiência energética é considerada. Além disso, são muito raras as informações direcionadas à eficiência energética na secagem de grãos. Com o trabalho, se objetiva estudar a eficiência energética, pela avaliação do consumo de energia em dois métodos estacionários e dois intermitentes na secagem de arroz, assim como de seus efeitos imediatos e latentes em parâmetros qualitativos dos grãos. 2

19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As variedades das espécies mais cultivadas atualmente no Rio Grande do Sul apresentam altas produtividades e boas qualidades de consumo mas, em geral, são suscetíveis a fatores adversos do meio, que podem provocar redução na qualidade do grão, com conseqüências no armazenamento e/ou na industrialização e no consumo (Elias et al., 1996). Práticas adequadas de pré-armazenamento e estocagem dos grãos, imediatamente após a sua maturação, devem ser implementadas, com vistas a aumentar a eficiência dos próprios métodos de conservação e minimizar as perdas pós colheita (Forlin, 1991) 2.1. Água no grão e secagem O grão contém água. O teor em água do produto armazenado é variável. Um teor em água superior a um limite seguro, que depende do tipo de grão e das condições ambientais do armazenamento, favorece a infestação com fungos e insetos, o que reduz a duração da conservação do produto (Gwinner et al., 1997). A água contida nos grãos apresenta-se sob três diferentes formas. A primeira é chamada de água adsorvida e está aderida à superfície sólida do grão. A segunda é denominada de água absorvida, sendo retida por forças capilares nos micro-interstícios do material sólido. A terceira forma é dita água de constituição e está quimicamente presa à matéria seca (Puzzi, 1986). 3

20 O conceito de grau de umidade tem origem no fato de os grãos serem constituídos de um complexo de substâncias sólidas, denominado de matéria seca, e de certa quantidade de água. O teor de água contido nos grãos é o principal fator que governa as qualidades do produto (Lasseran, 1978; Sasseron, 1980; Puzzi, 1986; Silva, 1998). Excesso de umidade nos grãos significa gastos extras em energia para a secagem dos grãos, deterioração dos equipamentos, além de, em alguns casos, perda em qualidade do produto (Silva, 1998). Na determinação do teor de água, considera-se a água adsorvida e a absorvida como água livre, que é possível de ser separada do material sólido, sem alterar sua constituição. O resultado pode ser expresso em percentagem de água existente em relação ao peso total de grãos, denominada de umidade em base úmida, ou em relação ao peso da matéria seca, chamada de umidade em base seca (Sasseron, 1980; Puzzi, 1986). No Brasil, o método oficial de determinação do grau de umidade dos grãos é o da estufa a 105±3ºC, com circulação natural de ar, durante 24 horas, utilizandose grãos não triturados (Brasil, 1992). À medida em que avança o processo de maturação dos grãos, diminui a sua resistência ao ataque das pragas e dos microorganismos. A colheita deve ser realizada no momento próprio e de forma adequada, pois o retardamento e as danificações mecânicas podem determinar que sejam colhidos grãos com qualidade já comprometida ou com pré-disposição para grandes perdas durante o armazenamento e/ou a industrialização (Puzzi, 1986; Elias et al., 1996). A umidade de colheita está diretamente associada com a qualidade e com o rendimento industrial dos grãos. Colheita em umidades inadequadas pode prejudicar essa qualidade, pela redução na conservabilidade e no rendimento do produto, bem como promover uma maior ocorrência de defeitos, os quais se intensificam durante o armazenamento, prejudicando a tipificação na classificação comercial dos grãos, reduzindo-lhes qualidade e valor (Elias et al., 1996). O rendimento de grãos inteiros e a freqüência de aparecimento de defeitos de classificação são influenciados pela variedade, pela umidade de colheita e pelo método de beneficiamento do arroz (Dias, 1993). Na maioria das variedades, os grãos devem ser colhidos quando sua umidade se situar entre 18 e 23% de umidade (Elias et al., 2000). 4

21 Se, por um lado, a colheita realizada na faixa de umidade recomendada minimiza as perdas, por outro lado requer uso da secagem artificial. Contudo, é importante realizar a colheita tão logo haja condições, pois quanto mais tempo os grãos permanecerem expostos às intempéries, no campo, maiores serão as perdas, pelo metabolismo dos próprios grãos e por ataque de pássaros, roedores, insetos e fungos (Elias et al., 1996). O equilíbrio higroscópio dos grãos pode ser atingido entre o segundo e o oitavo mês de armazenamento, ocorrendo as maiores variações de grau de umidade dos grãos no primeiro quadrimestre (Rombaldi, 1988; Lopes, 1999). Após a colheita, os grãos devem ser submetidos à operação de pré-limpeza antes da secagem. Pré-limpeza realizada eficientemente reduz os riscos de incêndio; facilita a movimentação do ar e dos grãos, permitindo a uniformização da secagem; reduzindo custos, já que os materiais inúteis não estarão presentes para serem secos, e diminuindo as fontes de inóculo de microrganismos e de pragas, cujas presenças são indesejáveis na classificação e na conservação posteriores. (Rombaldi, 1988; Elias et al., 1996). Pode-se conceber a secagem como um processo de transferência simultânea de calor e de matéria. O ar, ao mesmo tempo em que fornece calor ao sistema, absorve água do produto em forma de vapor. O gasto de energia térmica provocado pela evaporação da água é acompanhado por um resfriamento do ar. Contudo, o ar absorve em forma de vapor o que perdeu sob a forma de calor, caracterizando um processo adiabático ou isoentálpico. Grãos são produtos higroscópicos e, como tal, podem sofrer variações no seu conteúdo de água, a qualquer momento, de acordo com as condições do ar ambiente que os circundam (Elias et al., 1996). Quando entram em contato com o ar, os grãos realizam trocas, até que pressões de vapor e temperatura de um e de outro sejam semelhantes, atingindo o equilíbrio energético, hídrico e térmico. Enquanto a pressão de vapor do ar for menor do que a dos grãos, haverá secagem e enquanto a temperatura do ar for maior do que a dos grãos, estes sofrerão aquecimento (Lasseran, 1978; Elias et al., 1996). O aquecimento do ar de secagem, com as finalidades de diminuir sua umidade relativa e de aumentar sua entalpia e sua capacidade evaporativa, deve ser controlado dentro de limites determinados, em virtude dos danos físicoquímicos e biológicos que pode causar aos grãos (Elias et al., 1996). 5

22 Grãos especialmente sensíveis a choques térmicos, como os de arroz, quando submetidos ao emprego alternado de correntes de ar aquecido e de ar frio ou na condição ambiental, apresentam aumentos no número de fissuras e/ou trincamentos, que reduzem a conservabilidade durante o armazenamento. Se o produto se destinar à industrialização para consumo, além da redução da conservabilidade, aumentam a quebra no beneficiamento e a incidência de defeitos, reduzindo rendimentos e qualidade do produto (Elias, 1998). Comparado com outros grãos, o arroz apresenta dificuldades específicas na secagem, como a textura da casca, o sistema convencional mais adequado não ser o contínuo e a necessidade da utilização de temperaturas do ar não muito altas, para reduzir a quebra dos grãos provocada pela tensão de vapor e a alta umidade com que é colhido. No método intermitente, o secador opera por cargas, reduzindo gradualmente a umidade a valores próximos a 13% (Dryeration, 1999). Os danos mais freqüentemente observados, quando a secagem por ar aquecido não for convenientemente controlada, são redução de vigor e germinação das sementes, alterações de cor, formação de crosta periférica, perda de matéria seca, redução da integridade física dos grãos, diminuição da digestibilidade das proteínas, desestruturação do amido, suscetibilidade à incidência de defeitos e redução da conservabilidade, além do desperdício de tempo e de energia (Elias, 1998). Em vista das limitações do método natural de secagem, que necessita da ocorrência de combinações favoráveis de fatores sob os quais não se tem controle, os métodos mais comumente empregados para arroz são os forçados, também denominados artificiais ou mecânicos, sejam eles convencionais, como os intermitentes e a seca-aeração, ou estacionários, como os silos-secadores. Para a secagem de arroz, no Rio Grande do Sul, o método mais empregado é o intermitente, que se caracteriza pela movimentação descendente dos grãos no equipamento, em perpendicular e através da massa de ar também em movimento, seguida pelo período de intermitência, que é a descontinuidade do contato ar-grãos, promovida pela recirculação dos grãos no secador, para que a transferência de água do centro para a periferia dos grãos se dê sem a presença da componente de pressão dinâmica provocada pela movimentação do ar. Neste método, do início ao final da operação, os grãos permanecem recirculando no interior do secador e o seu contato com o ar é descontínuo (Elias et al., 1996). 6

23 Nos secadores intermitentes ocorre movimentação dos grãos e do ar de secagem, que mantém períodos de contato e de isolamento alternadamente. O equipamento apresenta-se constituído de duas câmaras, uma de secagem, onde ocorrem as trocas de energia e de matéria durante o contato do ar, insuflado ou succionado, com os grãos, e outra de equalização, onde os grãos continuam sua movimentação, mas sem contato com o ar. Na primeira, o ar cede energia térmica, resfria-se e absorve, na forma de vapor, a água periférica que evapora do grão. Na câmara de equalização, o isolamento permite que a água mais interna do grão migre para a sua periferia, predominantemente por difusão. De acordo com o modelo de secador, com o fluxo e com a temperatura do ar de secagem, com o fluxo dos grãos e com a velocidade de secagem imprimida durante a operação, a relação entre o tempo de exposição dos grãos ao ar e o tempo de repouso será maior ou menor, sendo facilmente encontradas, nas unidades de beneficiamento, operações bastante diversas, com relações do tipo 15:1, 10:1, 6:1 e 3:1, sendo classificados, por alguns autores, como secadores intermitentes rápidos ou intermitentes lentos (Peske & Baudet, 1992; Elias et al., 1996). Mantendo-se constante o número de passagens pelo secador, o aumento da temperatura do ar aumenta a velocidade de secagem, mas reduz a percentagem de grãos inteiros, sendo mais limitante o efeito da temperatura do ar de secagem sobre o rendimento de engenho do que o dano mecânico causado pela movimentação dos grãos de arroz durante a secagem (Vega, 1989, Elias et al., 1996). A evaporação e a migração interna da água mais equilibradas, a menor velocidade de remoção de água e as menores temperaturas atingidas pela massa de grãos durante a secagem com temperaturas crescentes do ar, fazem desta condição uma forma de secagem mais branda, com menores prejuízos físicoquímicos e biológicos aos grãos, em relação aos secados com temperatura constante a 90ºC (Rombaldi, 1988). Desde que a temperatura do ar de secagem não seja muito elevada, normalmente não superior a 115ºC, nem muito baixa, normalmente não inferior a 70ºC, o método de secagem intermitente permite obter melhores resultados, embora exija maiores investimentos e uso de tecnologia mais sofisticada do que o estacionário. A secagem intermitente pode valer-se de temperaturas, na entrada do secador, de 70º a 100ºC, quando os grãos estiverem muito úmidos, e de até 120ºC, no final do processo, com menores prejuízos ao rendimento e à qualidade 7

24 dos grãos do que com ar a temperatura constante (Rombaldi, 1988; Elias et al., 1996). Altas velocidades de secagem, decorrentes do uso do ar apresentando pressão de vapor muito inferior e/ou temperatura muito superior a dos grãos, afetam a qualidade do produto. Para alguns autores, os danos decorrentes da secagem com ar aquecido estão mais relacionados com a velocidade do que com a intensidade do processo (Elias et al., 1996). A secagem estacionária em silo-secador se caracteriza pela passagem forçada do ar em fluxo axial ou radial através da camada de grãos que permanecem parados no compartimento de secagem. O ar utilizado pode ser aquecido ou não (Rombaldi, 1988; Elias et al., 1996). A secagem estacionária deve ser mais bem estudada e os seus usuários devem ser alertados a respeito dos problemas de gradiente de umidade dos grãos, bem como das possíveis diferenças de qualidade final apresentadas em pontos distintos do secador (Cardoso Sobrinho, 1997). Secagem em camada fixa vertical, com distribuição radial de ar, em geral, promove reduções de vigor das sementes no decorrer do armazenamento, sendo esta queda de qualidade mais evidente quando se observam os resultados do teste de frio, obtidos aos nove meses de armazenamento (Carvalho, 1997). A secagem estacionária pode ser feita com ar forçado, a temperatura de até 45-60ºC, para camadas não superiores a cm. Para arroz, as recomendações técnicas indicam o uso de camadas delgadas, preferencialmente menores do que 1,5m (Elias et al., 2000). Devido ao longo período de contato dos grãos com o ar, não pode empregar altas temperaturas porque há uma forte tendência à isotermia ar-grãos (Rombaldi, 1988; Elias et al., 1996). Dos sistemas forçados ou artificiais, o estacionário é o único que pode utilizar-se de ar não aquecido. Nesse caso, a secagem depende principalmente do equilíbrio higroscópico, que por sua vez depende da umidade relativa e da temperatura do ar ambiente. Embora estes parâmetros não pareçam constantes, seus valores médios durante o período de secagem determinam o grau de umidade final. Além da morosidade e do baixo fluxo operacional, tem como agravante o risco de desenvolvimento microbiano durante a operação. Outro fator importante é o fluxo de ar utilizado, pois a velocidade da frente de secagem é proporcional ao fluxo de ar. (Rombaldi, 1988; Elias et al., 1996). 8

25 O sistema utilizado para este tipo de secagem consiste basicamente num acondicionador, geralmente um silo metálico vertical, onde o produto permanece estático e onde se processa o fenômeno da secagem, e um ventilador acoplado a este. Quando a umidade relativa do ar for, em média, 70% ou menor, fluxos de ar ambiente adequadamente escolhidos, sem qualquer aquecimento (apesar de um possível aquecimento ao passar pelo ventilador) são o suficiente para secar o produto. Os silos-secadores são adequados para a secagem estacionária (Brooker et al., 1974; Al-Alam & Elias, 1985; Rombaldi, 1988). A operação pode ser acelerada com o aquecimento do ar a temperaturas superiores, aumentandose assim a capacidade de eliminação da água do grãos e do ar de sorver e transportar essa água. A vantagem principal é o ganho de tempo. As principais desvantagens são o custo de energia necessária para aquecer o ar e o prejuízo que se pode causar ao grão devido a elevação de temperatura (Hoseney, 1991) Armazenamento A forma mais comum de armazenagem de cereais e leguminosas é a do grão vivo. Este contém uma alta concentração de substâncias nutritivas e é fácil de armazenar graças a seu baixo teor em água. Possuem baixa capacidade de condutibilidade calorífica e isto significa que as diferenças de temperatura no produto armazenado só são perceptíveis em distâncias curtas e períodos longos, o que leva a acumulações de calor na massa de grãos, com todas as conseqüências desvantajosas, como aumento da respiração, desenvolvimento microbiano, infestação com insetos e condensação (Gwinner et al., 1997). O tipo de manutenção a aplicar, sua periodicidade e intensidade ficam na dependência de resultados observados ao longo do período de armazenamento, das medidas de controle de qualidade obtidas em testes, onde fatores como variação de umidade relativa e temperatura do ar, umidade e temperatura do grão, bem como a avaliação do grau de desenvolvimento de microrganismos, de insetos e de ácaros, presença de roedores e variação de acidez do óleo, entre outros, devem ser considerados (Elias et al., 1996). O peso seco dos grãos com casca, caracterizando sua massa específica aparente, apresenta variações significativas durante o armazenamento, as quais são influenciadas pelas características varietais, pelas condições de secagem, pelo sistema e pelas condições ambientais de armazenamento (Rombaldi, 1988). 9

26 O teor de água do grão depende da umidade relativa do ar que o circunda. No momento em que as pressões parciais do vapor da água contida na superfície do grão e do vapor d água do ar circundante se igualam, não há mais secagem, mas o equilíbrio higroscópico. Alguns outros fatores influem nesta relação, como a temperatura do ar, efeito da histerese e a composição química do grão; ou seja, diferentes espécies não mantém o mesmo grau de umidade de equilíbrio sob as mesmas umidades relativas do ar (Harrington, 1973; Lasseran, 1978; Carvalho, 1997; Elias, 1998). Mesmo não tendo boa condutibilidade térmica, mas por serem organismos vivos, com estruturas intra e intergranular porosa e composição química que lhes confere higroscopicidade, os grãos de arroz estão em constantes trocas de calor e de umidade com o ar ambiente. Assim, pelo sistema convencional de armazenamento, os grãos são expostos aos efeitos das variações das características psicrométricas do ar ambiente. O comportamento higroscópico dos grãos de arroz, sorvendo e perdendo água para entrarem em equilíbrio com a umidade do ar ambiente, é um dos fatores mais importantes na formação de fissuras. A entrada de água nos grãos ocorre quando sua pressão de vapor for menor do que a do ambiente a que estão submetidos. O nível de umidade a que o grão pode ser seco, sem desenvolver fissuras quando da ocorrência de uma sorção rápida, é denominado de umidade crítica (Elias et al., 1998). A umidade de um grão se mantém em equilíbrio com o ar que o rodeia (Hoseney, 1991). Temperatura do ar, umidade relativa e teor em água do produto armazenado estão estreitamente ligados por uma relação de interdependência. O teor em água do produto armazenado e a umidade relativa do ar ambiente no armazém tentam encontrar um estado de equilíbrio. Dependendo da umidade relativa prevalecente, o produto armazenado libera umidade à atmosfera (secagem) ou absorve umidade da atmosfera (umedecimento) até alcançar um estado de equilíbrio (Gwinner et al., 1997). No armazenamento, além do metabolismo do próprio grão, há o de organismos associados, principalmente fungos, cujos principais danos causados são mudanças de coloração, desgaste de reservas nutritivas, alterações na estrutura dos carboidratos, lipídeos, proteínas e vitaminas, produção de toxinas, aquecimento, exalação de odores desagradáveis e presença dos próprios microrganismos, com redução da capacidade germinativa e de vigor (Elias, 1998) 10

27 Os principais contaminantes fúngicos, com ocorrência em ecossistemas de armazenamento de grãos, tendo em vista os potenciais de contaminação, deterioração e desenvolvimento de toxinas, pertencem aos gêneros Aspergillus, Fusarium e Penicillium (Hoseney, 1991; Gwinner, 1997; Elias,1998). Os danos ocasionados por fungos são muitas vezes desconsiderados até que alcancem proporções alarmantes. Os fungos não ocasionam só perdas diretas, senão que podem ameaçar também a saúde do homem e dos animais produzindo venenos, as chamadas micotoxinas, as quais contaminam os alimentos e as forragens. (Hoseney, 1991; Gwinner et al., 1997). A maioria das espécies de fungos se desenvolvem com umidade relativa acima de 70%. Algumas espécies de Aspergillus, que são os mais resistentes dentre os fungos de armazenamento, se desenvolvem com umidade relativa de 65% ou até menos. A 27ºC e conteúdo de umidade entre 12,5 e 13,5%, o arroz está altamente suscetível a ter infestações com fungos (Elias et al., 1996) Beneficiamento industrial Segundo a legislação nacional (Brasil, 1988), arroz beneficiado é produto maduro que após submetido a processo de beneficiamento acha-se desprovido de sua casca. Comercialmente, é classificado em Grupos, Subgrupos, Classes e Tipos. A classificação em Grupos está relacionada com a forma de apresentação dos grãos: em casca ou beneficiado. Em Subgrupos, com a forma de preparo: em casca ou natural e beneficiado integral, parboilizado, parboilizado integral ou polido. Em Classes, de acordo com as dimensões dos grãos, classificam-se em: longo fino, longo, médio, curto ou misturado. Os Tipos, expressos com números de um a cinco, estão relacionados com os percentuais de grãos quebrados e de defeitos, caracterizados como defeitos graves e gerais agregados (Brasil,1988). As operações industriais ou de beneficiamento, a serem realizadas nos grãos de arroz dependem das características intrínsecas do produto e da forma de preparo industrial para cada subgrupo. Para a industrialização do arroz branco polido, por exemplo, os grãos são submetidos às operações de limpeza, descascamento, polimento e classificação. Umidades de beneficiamento entre 13 e 14% no processo convencional de obtenção de arroz branco polido permitem a obtenção dos maiores rendimentos de grãos inteiros (Rombaldi, 1988; Nora, 1992; Dias, 1993; Elias, 1998). 11

28 O beneficiamento do arroz pode ser feito por processos como parboilização, maceração ou convencional. O beneficiamento convencional é o mais aplicado no Brasil, sendo que 80% do arroz consumido é branco polido, mas o consumo do parboilizado cresceu de 4 a 5% para cerca de 20% nas últimas duas décadas (Elias et al., 1998). De acordo com o subgrupo branco polido de arroz beneficiado, os defeitos gerais são constituídos pelo total de danificados, manchados, picados, amarelos, rajados e gessados, enquanto os graves são representados por matérias estranhas, impurezas, grãos mofados e ardidos (Brasil,1988). No beneficiamento convencional, após a limpeza, os grãos são desprovidos das glumelas, numa operação denominada de descascamento, realizada por máquinas com rolos que giram em sentido contrário e com velocidades diferentes. Os grãos esbramados podem ser brunidos ou comercializados como arroz integral. Contudo, seu período de validade para o consumo é reduzido em relação ao arroz polido devido à maior degradação de seus componentes lipídicos (Elias et al., 1998). O brunimento ou polimento é realizado por equipamentos constituídos de duas partes principais. Uma externa, que possui uma parede perfurada com colunas de borracha, espaçadas entre si, formando uma camisa sobre a parte interna, constituída por cone de pedra giratório. A passagem do grão esbramado pelo interior do brunidor promove uma abrasão em sua superfície, removendo as camadas periféricas da cariopse (pericarpo, película da semente, nucela, aleurona e parte do endosperma amiláceo), as quais originam o farelo. Na indústria, o brunimento realiza-se pela passagem sucessiva dos grãos de arroz por uma série de cones brunidores, até ser atingido o grau de polimento desejado, diminuindo assim as quebras durante a operação (Elias et al., 1998). A etapa final é a classificação, sendo executada por vários equipamentos como peneiras e cilindros alveolados ou "trieurs", que fazem a separação dos grãos por dimensões. A separação por diferenças de cor é realizada por máquinas dotadas de células fotoelétricas, as quais acusam a passagem de grãos de coloração fora do padrão estipulado, sendo os mesmos separados dos demais por um jato de ar (Elias et al., 1998). O rendimento de grãos inteiros no beneficiamento, comumente conhecido por rendimento de engenho, é um dos parâmetros mais importantes para 12

29 determinar-se o valor de comercialização do arroz. O preço pago ao produtor depende da qualidade física dos grãos, verificada após o beneficiamento, sendo que, quanto maior a percentagem de grãos inteiros, maior é o preço pago pelo arroz. A quebra ocorre, principalmente, durante os processos de descascamento e de brunimento. A maioria dos grãos quebrados durante o beneficiamento já apresenta fissuras anteriores ao processo (Elias et al., 1998) Energia na secagem de grãos Tecnicamente, é possível utilizar-se qualquer fonte de calor para aquecer o ar de secagem de grãos, embora o uso de combustível predomine sobre o de outras fontes. Eficiência técnica, eficiência econômica, efeitos sobre o meio ambiente, conhecimento ou domínio tecnológico do produto e do processo são os principais parâmetros considerados por produtores rurais, cooperativas agrícolas, prestadores de serviços de secagem e agroindústrias na escolha da fonte térmica a utilizar nos secadores de grãos (Elias,1999). Inobstante sua importância, não há disponibilidade de dados de pesquisa relacionando eficiência técnica, eficiência econômica, efeitos sobre o meio ambiente e/ou operacionalidade que permitam ao usuário escolher a fonte térmica com conhecimento ou domínio tecnológico sobre o produto e o processo (Elias,1999). A praticidade no uso, o poder calorífico, os efeitos na qualidade dos grãos, a adequabilidade ao processo de secagem utilizado e a compatibilidade de seu uso com a automatização operacional são as principais características que definem a eficiência técnica, enquanto o custo, a disponibilidade e o rendimento operacional são as principais características que definem a eficiência econômica de um combustível (Elias,1999). Secagem à baixa temperatura é energeticamente eficiente, já que somente requer a energia necessária para vencer a resistência da massa de grãos (Hoseney, 1991). A energia derivada da biomassa é uma alternativa nacional das mais promissoras, não somente por ser de natureza renovável, mas principalmente devido à privilegiada extensão territorial e posição geográfica com fatores climáticos favoráveis à produção elevada desta fonte de energia (Castellan, 1986). 13

30 Nos anos 50 e 60, a grande maioria dos secadores agrícolas utilizavam fornalhas à lenha e outros resíduos orgânicos, como a casca de arroz. Para manter as fornalhas em funcionamento, os grandes produtores de grãos, especialmente as cooperativas, implantavam grandes áreas de reflorestamento. Com a crise mundial do petróleo, entretanto, o uso dos derivados do petróleo se tornaram proibidos para o uso da secagem agrícola, no ano de Voltaram as fornalhas à lenha que permanecem, em sua grande maioria, até a atualidade (Weber, 1998). Ações de ambientalistas associadas aos dispositivos das leis de proteção ao ambiente têm trazido dificuldades no uso da lenha como combustível, seja pelo constante combate aos desmatamentos, seja pela problemática típica associada ao reflorestamento. Além disso, a combustão de algumas espécies florestais transfere odores e sabores desagradáveis aos grãos, reduzindo seu valor ou inviabilizando seu uso como alimento, a menos que sejam utilizados em aquecimento por trocadores de calor, eliminando o fogo direto, num sistema de baixa conversão térmica e muitas dificuldades operacionais (Elias,1999). A casca de arroz, além de se constituir numa apreciável fonte de energia, poderá transformar-se em matéria-prima para outros usos industriais. As dificuldades em seu uso estão relacionadas principalmente com o sistema de alimentação de combustível (AEAPEL, 1986; CIENTEC, 1986). O emprego do excedente da casca do arroz como fonte de energia vem crescendo nos últimos anos, porém, muito mais pelo interesse por parte de empresas de fora do setor da industrialização do arroz do que por estas. Os engenhos de arroz que a cedem economizam o custo de sua remoção que se constitui numa vantagem muito pequena face ao seu alto poder calorífico (CIENTEC, 1986). A necessária proximidade entre indústria beneficiadora e local de instalação dos secadores limita o uso de casca de arroz ou de outros resíduos agrícolas e/ou agroindustriais quase exclusivamente às agroindústrias de cereais, tornando muito restrito seu uso por produtores rurais. Também a casca e os outros resíduos agrícolas e/ou agroindustriais se enquadram nas restrições de uso como fogo direto, pelas mesmas razões apontadas para a lenha (Elias,1999). Tanto a lenha como a casca de arroz ou os outros resíduos referidos, são classificados entre os combustíveis geradores de materiais residuais poluentes, 14

31 como carvão e cinzas, além de não serem combustíveis que permitam uniformidade de fluxo para automação de processo, uma necessidade cada vez maior numa atividade cada vez mais competitiva (Elias,1999). O modo mais prático e fácil de produzir energia da biomassa é através da combustão da própria madeira ou de seus rejeitos. A madeira combustível tem a vantagem de ser renovável, ter baixo teor de cinzas e quantidade ínfima de enxofre. É volumosa e apresenta baixo poder calorífico comparada com outros combustíveis (AEAPEL, 1986). O poder calorífico superior da madeira está em torno de a 5.000kcal/kg (AEAPEL, 1986). O aspecto que diminui mais a eficiência da madeira como combustível é o grau de umidade e, que pode atingir até 100% do peso da madeira seca. A redução da umidade é desejável não somente para diminuir os custos de manejo e transporte, mas, também, para aumentar o valor da madeira como combustível (AEAPEL, 1986). Outra alternativa seria a possibilidade de implantação de centrais de geração de energia elétrica, a partir do aproveitamento do excedente de casca de arroz nas cidades com concentração de indústrias beneficiadoras de arroz (AEAPEL, 1986). Em um sistema convencional de secagem de arroz em casca de 24%bu para 13%bu, com capacidade do equipamento de 6ton.h -1, a parcela do custo de secagem referente a lenha representa 40,67% (Dryeration, 1999). Os combustíveis gasosos oferecem simplicidade no sistema, facilidade de operação e excelente controle de temperatura, favorecendo em muito a automatização da secagem (Weber, 1998). O gás liqüefeito de petróleo (GLP), também adequado, está fora de uso pelo seu elevado preço, entretanto o gás natural é altamente indicado e econômico (Weber, 1998). O GLP se afigura como importante alternativa dentre os combustíveis fluidos, mas lhe faltam tradição de utilização na secagem de grãos entre os produtores e estudos de operacionalidade e viabilidade com vantagens comparativas para que seu uso se amplie e se torne uma realidade desde o segmento produtores até as agroindústrias. Em princípio, dentre os potenciais usuários do GLP na secagem de grãos e derivados estão produtores rurais, cooperativas agrícolas e prestadores de serviços, num primeiro momento, vislumbrando-se a possibilidade de uso em operações específicas de agroindústrias mais tecnificadas, como as de parboilização (Elias,1999). 15

32 Nos anos 60 e 70, passou-se a utilizar em larga escala as fornalhas a óleo, tipo fuel-oil, que apresentavam vantagens sobre a lenha, especialmente no que diz respeito ao manuseio, regulagem e manutenção estabilizada da temperatura, aos estoques do combustível e preservavam as já poucas reservas florestais (Weber, 1998). Em condições bem definidas, podem ser utilizadas resistências elétricas para o aquecimento do ar de secagem. Entretanto, lenha, casca de arroz ou outros resíduos agrícolas e derivados fluidos de petróleo são os combustíveis mais utilizados na secagem de grãos. A eletricidade, através do uso de resistências elétricas, é uma tecnologia limpa do ponto de vista ambiental e que não transfere materiais sensorialmente indesejáveis aos grãos. O custo, os riscos de cortes no fornecimento exatamente nos momentos de maior necessidade, a exigência de infraestrutura própria e a impossibilidade de o setor atender grande demanda, são fatores que restringem o emprego generalizado de energia elétrica no aquecimento do ar para secagem de grãos (Elias,1999). Em um sistema convencional de secagem de arroz em casca de 24%bu para 13%bu, com capacidade do equipamento de 6ton.h -1, a parcela do custo de secagem referente a energia elétrica para movimentação do grãos representa 45,41% (Dryeration, 1999). 16

33 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Material Experimental Foram utilizadas amostras, em casca, de arroz (Orysa sativa L.) irrigado, do cultivar BR-IRGA 410, safra 1998/99, produzidas na região sul do Rio Grande do Sul, pelas empresas EMBRAPA e JOSAPAR. A colheita foi realizada com colhedora automotriz, de ceifa e trilha, na umidade próxima aos 20%, seguida de uma pré-limpeza no próprio local de produção, em máquina industrial de ar e peneiras planas. Ao chegarem no laboratório, antes da secagem, os grãos eram submetidos a uma segunda operação de pré-limpeza, mais rigorosa, em modelo piloto de máquina de ar e peneiras cilíndricas, reduzindo os teores de impurezas e/ou matérias estranhas até valores menores do que 1%, para que esse parâmetro não interferisse nos resultados das operações de secagem. Todas as operações de pós-colheita foram executadas nos Laboratórios de Grãos, de Análise e de Fitopatologia de Sementes da Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel, da Universidade Federal de Pelotas Métodos No Laboratório de Grãos, as operações unitárias realizadas na matéria-prima seguiram o roteiro constante do fluxograma apresentado na Figura 1. 17