ANÁLISE DA TÉCNICA DO LEITO DE JORRO PARA ENRIQUECIMENTO DE FARELO DE ARROZ COM SANGUE BOVINO.

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1 ANÁLISE DA TÉCNICA DO LEITO DE JORRO PARA ENRIQUECIMENTO DE FARELO DE ARROZ COM SANGUE BOVINO. ¹Mery L.G. Vieira, ²Eriksen K. Miyasaki, ³Vanessa M. Esquerdo, 4 Luiz A. A. Pinto 1 Bolsista de iniciação cientifica PIBIC/CNPQ, discente do curso de Engenharia de Alimentos 2 Bolsista do Programa de Educação tutorial-pet Sesu/MEC, discente do curso de Engenharia de Alimentos 3 Discente do curso de Engenharia de Alimentos 4 Professor da Universidade Federal do Rio Grande - FURG 1,2,3,4 Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Federal do Rio Grande. Rua Alfredo Huch 475 Centro, Campus Cidade, Rio Grande RS, CEP dqmpinto@furg.br RESUMO - O estudo pretendeu verificar a eficiência técnica do leito de jorro no enriquecimento de pellets de FAD com sangue bovino e a influência da geometria do equipamento através da fluidodinâmica. A partícula de FAD utilizada possui diâmetro de partícula de (Dp) 5,55 ±0,61mm, esfericidade (Φ) e porosidade (ε) de aproximadamente 0,71 e 0,50 respectivamente. Os valores das variáveis de operação no presente estudo foram: temperatura saída do ar de 72 ± 2ºC, diluição sangue/água 1:1, tempo de operação de 1 hora, massa de pellets de FAD de 1600g para as células cone-cilíndrica e retangular e 800g para a célula cônica. A viabilidade técnica do leito de jorro foi observada através do teor de protéico do produto final, em torno de 25% e rendimento em torno de 85%. A geometria retangular apresentou vantagens em relação à cônica e cone-cilíndrica, obtendo-se menor perda de material, menores reduções de tamanho e uniformidade das partículas recobertas. Os valores de P max se apresentaram similares para os resultados teóricos e experimentais nas três geometrias analisadas; e Vjm tanto teórica quanto prática apresentaram valores diferentes, sendo os valores experimentais destes parâmetros maiores na geometria retangular do que na cone-cilíndrica para a mesma carga de material. Palavras-Chave: protéico, farelo de arroz, leito de jorro INTRODUÇÃO Agricultura é uma das atividades mais relevantes para a economia brasileira. Entre os produtos de maior importância no cenário agrícola nacional, o arroz participa com cerca de 14% do total da produção de grãos. Somente o Estado do Rio Grande do Sul é responsável por aproximadamente 50% da produção nacional de arroz (D ARCO, 2007). Como um dos subprodutos de grande interesse está o farelo resultante do beneficiamento de arroz, que após a extração do óleo, resulta no farelo de arroz desengordurado (FAD). Este se apresenta na forma de pellets, resultantes do processo de extrusão (pelletização) com alta estabilidade. O FAD é utilizado como componente de formulação de rações para animais, com a complementação de micronutrientes, apresentando-se como um produto de teor protéico de aproximadamente 15% (MASSARO, 2001). Outra atividade agropecuária importante no RS é o abate e industrialização de gado de corte em frigoríficos. O sangue bovino é um dos seus mais importantes subprodutos (GRAU, 1965). Devido à sua riqueza em proteínas (16% em média) é muito utilizado em diversos países na alimentação humana, em produtos como sopas, molhos e pães (AUTIO et al.(1985), WISMER- PEDERSEN (1979)). As quantidades de sangue disponíveis são elevadas. Porém, somente uma pequena parte é empregada em produtos alimentícios, sendo a maior parte destinada à elaboração de fertilizante, ração para animais ou ainda descartado em coleções d água (PENTEADO et al (1979), WISMER-PEDERSEN (1979)). Estudos sugerem uma tendência de grande ampliação do mercado de pet food (rações para cães e gatos), tendo apresentado um crescente desenvolvimento na sociedade atual, inclusive em países em desenvolvimento como o Brasil. Segundo a Associação Nacional dos Fabricantes de Alimentos para Animais, existem no Brasil cerca de 21 milhões de cães com endereço fixo, a segunda maior população do planeta. Destes, 34% são alimentados com ração industrializada. A produção de alimentos para animais de estimação foi da ordem de toneladas no ano de 2002, mantendo VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 crescimento médio anual de 5% nos últimos 10 anos e com potencial produtivo estimado de toneladas/ano (PRIOR, 2003). A técnica do leito de jorro aplica-se eficientemente na secagem de grãos e recobrimento de partículas. Ocupa um lugar relevante nas operações envolvendo contato entre partículas sólidas e fluido, apresentando a vantagem das partículas serem secas e recobertas simultaneamente (FREIRE & OLIVEIRA, 1992). O recobrimento de partículas em leito de jorro consiste na injeção de ar aquecido no leito, para estabelecer o sistema fluidodinâmico e atomização da solução de preenchimento sobre as partículas no leito (DONIDA, 2000). Assim, o trabalho teve por objetivo o estudo da eficiência técnica do leito de jorro no enriquecimento de pellets de FAD com sangue bovino, e a influência da geometria do equipamento através da fluidodinâmica. Matéria prima MATERIAL E MÉTODOS As matérias primas utilizadas foram, farelo de arroz desengordurado (FAD) na forma de pellets, e sangue bovino, coletados diretamente da linha de produção, em empresas do município de Pelotas - RS. O sangue foi coletado em sistema aberto de coleta em condições assépticas, utilizando 4% v/v de solução de citrato de sódio (40%) como anticoagulante. Equipamento para o enriquecimento protéico O diagrama esquemático do equipamento de leito de jorro para o enriquecimento protéico do FAD com sangue bovino é apresentado na Figura 1. Figura 1 - Esquema do leito de jorro para o enriquecimento de FAD com sangue. As células de leito de jorro utilizadas para a realização dos experimentos eram compostos de sistema de fornecimento de ar feito mediante um soprador radial que possui uma potência de operação de 7,5 HP. O sistema de aquecimento do ar era composto de três resistores independentes de aquecedores do tipo quartzo, com 800 W de potência individual. A temperatura de operação pôde ser obtida através do controle termostatizado dos resistores. O sistema de medida da velocidade do ar foi através de uma placa de orifício disposta no interior da linha de ar, após o sistema de aquecimento. A queda de pressão no leito: foi determinada por um manômetro de tubo em U de água, sendo as extremidades do mesmo colocadas na entrada e saída da célula de secagem. A caracterização do ar: foi obtida por termopares cobre constatam de bulbo úmido e bulbo seco, inseridos na tubulação de ar. As células de secagem utilizadas neste trabalho foram de geometrias cônica, conecilíndrica e retangular. Para os equipamentos nas geometrias cônica e cone-cilíndrica as células apresentavam as seguintes medidas: base cônica com ângulo interno de 60 com diâmetro de 0,175m e 0,15 m de altura e a coluna cilíndrica com diâmetro de 0,175m e altura 0,75m. A célula de jorro possuía uma relação de 1:6 entre o diâmetro do orifício de entrada do ar (Di) e o diâmetro da célula. Para a geometria retangular a célula apresentava base com área de 35 cm², ângulo interno de 60º e 20,7 cm de altura. A coluna retangular apresentava altura de 45 cm, largura de 30 cm e espessura de 5 cm. O sistema de bombeamento de alimentação para a introdução da corrente de sangue diluído (1:1) no secador leito de jorro, foi utilizado atomização de duplo fluído, com pressão do ar de 200kPa abs. O sistema de separação de finos foi constituído por um ciclone, do tipo Lapple, disposto na saída da célula de secagem, onde foi coletado o pó arrastado durante as corridas experimentais. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Determinação da fluidodinâmica do leito de jorro A caracterização fluidodinâmica da célula do leito de jorro com pellets de FAD foi realizada pela obtenção da curva característica de perda de carga na célula de secagem em função da velocidade do ar. Para obter os pontos da curva, foi feita primeiramente a abertura gradual da válvula de insuflamento de ar para a célula de leito de jorro, a leitura da perda de carga, no manômetro em U conectado à célula. Após foi fechada gradualmente a válvula do fornecimento de ar para determinar a curva da volta da operação. O cálculo da velocidade na célula, em cada ponto adotado, foi realizado através do valor de vazão calculado pela equação do medidor de orifício. Do ponto de vista fluidodinâmico, os parâmetros ligados ao projeto de secador de leito de jorro são: a perda de carga no leito em função

3 da vazão de fluído, a perda de carga máxima, a Determinação da proteína e rendimento no velocidade de jorro mínimo e a altura máxima de produto final jorro estável. Foi realizado um balanço de massa e Altura máxima de jorro estável (H m ) pode proteína, envolvendo o farelo de arroz ser determinada segundo a correlação de Lefroy, desengordurado, e o sangue bovino, sendo apresentado por FREIRE (1992), na Equação 1. considerados seus valores iniciais de proteína bruta, individualmente. Assim, determinou-se a H = 0,67 3 (1) massa de sangue necessária para alcançar-se o m DC / dp valor desejado de proteína no produto final. Para a determinação do rendimento, considerou-se a Uma das correlações mais simples para massa total envolvida no processo como base, e perda de carga máxima ( P máx ) é apresentada em o valor teórico final para os pellets enriquecidos FREIRE (1992), conforme a Equação 2. Onde a (um teor de proteína de 25%), de acordo com as perda de carga máxima foi igualada ao peso do características de um produto base para a leito por unidade de seção transversal. composição de uma ração animal Para os cálculos dos balanços de massa ( P máx) = Hg( ρp ρf )(1 ε ) (2) global e do componente (09) proteína para o produto A velocidade de jorro minimo (V jm ), para uma dada altura de leito foi determinada experimentalmente aumentando-se lentamente a vazão de ar durante o jorro até que se formasse a fonte de partículas, e após diminuindo-se a vazão até que o jorro entrasse em colapso, este ponto é o valor de V jm. Tomando-se como referência a curva fluidodinâmica, o valor da velocidade média do ar de trabalho foi adotado como um percentual acima da velocidade mínima de jorro estável. Existem correlações empíricas para a análise teórica, as quais determinam velocidade de jorro mínimo (FREIRE, 1992). Conforme a Equação 3. V jm Dp = Dc Di Dc 1 3 2gH p ρf 1 2 ( ρ ρ ) Procedimento experimental f (3) Para o procedimento de enriquecimento protéico utilizado, ligou-se o soprador de ar e o sistema de aquecimento, esperou-se entrar em regime permanente. O sangue foi injetado na parte superior da célula, através da atomização com ar comprimido (pressão de 200kPa abs.). A sua quantidade foi calculada para um teor protéico final de 25% no FAD. O tempo de operação foi determinado pela vazão de sangue em função do volume calculado. Para o estudo das condições de enriquecimento dos pellets de FAD foram estabelecidos fatores, apresentado na Tabela 1: Tabela 1: Parâmetros de operação no processo de enriquecimento do FAD nas três geometrias de leito de jorro C (g) V (ml/h) T ( o C) Cônica ±2 Cone-cilindrica ±2 Bidimensional ±2 final, foram determinados segundo as Equações 4 e 5. Para o cálculo do rendimento em massa (R), foi utilizada a Equação 4. m = m + ss PF R = PF m FAD m. x = m. x + m. x Hm PF ( m ) real PF ( m + m ). 100 FAD Ae Φ = Ap mleito ρap = V leito S ρap ε = 1 ρ Dc 0,67 Dp S SS Volume p Através da Equação 10 foi calculada a altura máxima de jorro estável (H m ). 4/ 3 = 1/ 3 FAD FAD (4) (5) (6) A umidade e a proteína bruta das amostras de FAD, de sangue e de FAD enriquecido foram determinadas segundo os métodos oficiais da A.O.A.C (1995). O diâmetro médio das partículas de FAD foi determinado por ensaio de peneiras. A massa específica da partícula de FAD e do sangue bovino foi determinada por picnometria. A esfericidade (Φ) foi calculado dividindo-se a área da esfera equivalente (A e ) pela área da partícula (A p ), para a mesma unidade de volume, conforme equação 7. A porosidade (ε) foi calculado utilizando a massa específica do leito (Equação 8) e a massa específica dos pellets de FAD, conforme equação 9. (10) (7) (8) (9)

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização das matérias-primas: Os valores da proteína nas amostras de FAD e sangue bovino foram respectivamente, 15,5 e 16,44%. Os da umidade foram de 13,32% para o FAD in natura e 81,92% para o sangue. Sendo estes valores similares aos apresentados na literatura (MASSARO & PINTO, 2002; MACIEL, 2006). O diâmetro médio das partículas de FAD, a massa específica do FAD, e a massa específica do sangue foram respectivamente: 5,5mm 1040 kg/m³ e 1360 kg/m³. A esfericidade (Φ) e porosidade (ε) de aproximadamente 0,71 e 0,50 respectivamente. Fluidodinâmica Através da Equação 10 foi calculada a altura máxima de jorro estável (H m ) para geometria retangular resultando num valor de 41,6cm, com uma carga de pellets de 1600g e altura de 24cm, correspondeu a 58% da H m. A altura do leito de geometria cônica com carga de pellets de 800g foi de 13cm e a altura da geometria cone-cilíndrica com carga de 1600g foi de 23cm correspondendo respectivamente a 31% e 55% da altura máxima de jorro estável. As Figuras 2, 3 e 4 apresentam as curvas fluidodinâmicas, com as velocidades de jorro mínimo determinadas experimentalmente indicadas para os leitos de jorro de geometria cônica com carga de pellets de FAD de 800g, cone-cilíndrica (CSB) e retangular com carga de pellets de FAD de 1600g. Perda de carga (Pa) Velocidade (m/s) Figura 2: Curva fluidodinâmica em leito de jorro cônico com carga de FAD de 800g. As curvas fluidodinâmicas para ambas as geometrias, como mostram as Figuras 2, 3 e 4, apresentaram um comportamento clássico de jorro, com movimento de histerese (FREIRE, 1992). Através destas figuras, foram definidas as taxas de circulação utilizadas, sendo que os vjm ida volta 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 valores da velocidade do ar foram 20% acima da velocidade experimental de jorro mínimo. Perda de carga (Pa) Figura 3: Curva fluidodinâmica em leito de jorro cône-cilíndrico com carga de FAD de 1600g. Figura 4: Curva fluidodinâmica em leito de jorro retangular com carga de FAD de 1600g. Utilizando as Equações 9 e 10 foram calculados os parâmetros P máx e V jm para os experimentos, sendo que os resultados encontram-se apresentados na Tabela 02. Tabela 02 Análise comparativa dos dados teóricos (T) e Experimentais (Exp) da fluidodinâmica nas três células. Parâmetros P máx (Pa) V jm (m/s) Cônica Teórico 870 0,79 Experimental 885 0,68 Conecilíndrica Teórico ,05 Experimental ,93 Retangula r Velocidade (m/s) ida volta Teórico 2344,7 0,91 Experimental ,51 Os valores teóricos e experimentais encontrados para a velocidade de jorro mínimo e perda de carga máxima apresentaram uma concordância aceitável, dentro da faixa de uso dessas correlações conforme Freire (1992). vjm 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 vjm

5 Apesar da carga de pellets das geometrias cone-cilíndrica e retangular ser duas vezes maior que a cônica foi observado um aumento de 36% na velocidade experimental de jorro mínimo quando comparada com a geometria cone-cilíndrica e mais que o dobro quando comparada com a geometria retangular (Tabela 2). Isto pode ser explicado pelo comportamento fluidodinâmico do leito cônico ser diferente significativamente do convencional conecilíndrico. Pois, segundo MUJUMDAR (1982), existe a possibilidade do leito cônico ser operado a velocidades superficiais do ar mais altas. Implicando numa maior intensidade no movimento das partículas e maior expansão do leito. Análise do produto Final Os valores obtidos das respostas nos ensaios experimentais do trabalho para o processo de enriquecimento protéico do farelo de arroz desengordurado com sangue bovino são apresentados na Tabela 3. O tempo de duração dos experimentos foi na faixa de 70,0 a 100 min, sendo obtidos em função da massa de sangue in natura (calculada pela Equação 5 e da vazão de alimentação de sangue diluído (1:1). O teor de proteínas final e o rendimento para cada geometria estão apresentados na Tabela 3. Na Figura 5, a temperatura de saída do ar foi mantida na faixa de 72 ± 2 o C, para garantir a qualidade funcional protéica do produto final. O teor de umidade de FAD enriquecido (Tabela 3) para todas as geometrias utilizadas ficou dentro da faixa comercial (9 12%). Os rendimentos obtidos para o FAD enriquecido, apresentados na Tabela 3 (superiores a 88,8%) evidenciam a boa funcionalidade dos leitos de jorro cone-cilíndrico e retangular para a realização desta operação. Na Tabela 3, os teores desejados de proteína (em torno de 25%) foram atingidos nas geometrias cone-cilíndrica e retangular, sendo o maior rendimento alcançado nesta ultima. CONCLUSÃO A viabilidade técnica do leito de jorro no processo de enriquecimento protéico de FAD com sangue bovino foi observada através do teor de protéico alcançado, em torno de 25%. A geometria retangular apresentou vantagens em relação à cônica e cone-cilíndrica, obtendo-se uma menor perda de material e maior rendimento. Para os parâmetros fluidodinâmicos, a queda de pressão máxima apresentou valores similares para os resultados teóricos e experimentais nas três geometrias analisadas. Já para a velocidade de jorro mínimo tanto os valores teóricos quanto os experimentais apresentaram-se diferentes. Os valores experimentais destes parâmetros foram maiores na geometria retangular do que na cone-cilíndrica para a mesma carga de FAD. NOMENCLATURA Figura 5: Temperatura de entrada e saída do ar nos três equipamentos durante a operação de enriquecimento; Tabela 3: Teor de proteína, rendimento e teor de umidade do FAD enriquecido com sangue. Cone- Geometria Cônica Retangular Cilíndrica 21,3 24,8 Proteína (%) 24,7 (±0,4) (±0,3) (±0,3) Rendimento. 79,9 93,5 88,8 (±0,3) (%) (±1,2) (± 1,5) 9,1 8,4 7,4 Umidade (%) (±0,3) (±0,3) (±0,8) * média ± erro padrão (em duplicata) C Carga de pellets g P máx Perda de carga máxima Ε Porosidade - H m Altura máxima de jorro cm estável m FAD Massa de pellets inicial g m PF Massa do produto final g (m PF ) Massa real na célula de g real jorro m s Massa de sangue g m ss Massa de sangue seco g T Temperatura C V Vazão de alimentação ml/h V jm Velocidade de jorro m/s mínimo X FAD Fração mássica da - proteína FAD X PF Fração mássica da - proteína do produto final Xs Fração mássica da - proteína do sangue Φ Esfericidade - ρ ap Massa específica do leito Kg/m 3

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUTIO, K., LYYTIKÄINEN, H., MÄLKKI, Y., KANKO, S. Penetration studies of blood globin gels. J. Food Sci., Chicago, v. 50, n. 2, p ,1985. DONIDA, M. W. Recobrimento Polimérico da Uréia em Leito de Jorro Bidimensional. Faculdade de Engenharia Química, UNICAMP, Campinas-SP, (Dissertação de mestrado), 2000 D'ARCO, E.; O uso de geotecnologias para estimativas da área plantada de arroz irrigado no estado do Rio Grande do Sul. Tese (Doutorado em Sensoriamento Remoto). Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. São José dos Campos, SP, FREIRE, J. T., OLIVEIRA, W. P. In: FREIRE, J. T., SARTORI, D. J. M., Tópicos especiais em secagem. Editora São Carlos, UFSCar, São Carlos, SP p GRAU, R. Carne y productos carnicas. Zaragoza: Acribia, p MACIEL, L.R. Estudo do tipo de geometria de leito de jorro no enriquecimento protéico do farelo de arroz desengordurado com sangue bovino. Rio Grande, p. Tese (Mestrado em Engenharia e ciência de alimentos) Escola de Química e Alimentos da Universidade Federal do Rio Grande. MASSARO, A. F., PINTO, L. A. de A. Enriquecimento Protéica de Farelo de Arroz Desengordurado, com Sangue Bovino, Utilizando a Técnica de Leito de Jorro. Revista Instituto Adolfo Lutz, v. 61, n. 2, p , MUJUMDAR, A.S. Spouted Beds - A brief review. Anais do X ENEMP, 2: 1-24, São Carlos, S.P., PENTEADO, M.D.V.C., LAJOLO, F.M., SANTOS, N.P. Functional and nutritional properties of isolated bovine blood proteins. J. Sci. Food Agric., Barking, v. 30,n. 8, p , PRIOR, J. Situação atual e perspectivas do mercado nacional de alimentos pet. In: SIMPÓSIO SOBRE NUTRIÇÃO DE ANIMAIS DE ESTIMAÇÃO, 3. Campinas. Anais..., Campinas: Colégio Brasileiro de Nutrição Animal, p WISMER-PEDERSEN, J. Utilization of animal blood in meat products. Food Technol., v. 4 n. 8, p , 1979.