XIII SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ. Prevenção e Remediação de Catástrofes Ambientais

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1 XIII SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ Prevenção e Remediação de Catástrofes Ambientais DIMENSIONAMENTO DO RAIO DE PULVERIZAÇÃO DOS DISCOS ROTATIVOS DE UM SPRAY DRYER UTILIZANDO BIOMASSA DE BANANA VERDE (Artigo científico) Paulo Roberto Dantas Engenheiro Químico Dantas_Paulo@hotmail.com Marcio de Morais Tavares Coordenador do curso Engenharia Civil UNAERP mtavares@unaerp.br Seção 4. Monografias, artigos científicos e Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), sobre outros temas e relacionados a qualquer curso. Resumo Este simpósio tem o apoio da Fundação Eduardo Lee. Spray Dryer é um processo de secagem por atomização largamente utilizado nas indústrias químicas, farmacêuticas e alimentícias. Sua vantagem é a redução do peso facilitando assim o transporte e aumento da vida útil do produto. A secagem por atomização teve seus primeiros passos na metade do século 18, quando foi patenteada a primeira operação de secagem de ovos (1865). Banana verde é um alimento rico em nutrientes, seu consumo traz benefícios que vão desde nos proteger contra um câncer de intestino até evitar o aumento de glicose no nosso sangue e como conseqüência, o diabetes. O processo consiste em pulverizar o produto dentro de uma câmara, utilizando um disco atomizador em alta rotação, gerando uma névoa deste, aumentando a área de contato entre o produto e o ar aquecido, secando-o instantaneamente e transformandoo em pó. Este tipo de secagem é ideal para produtos sensíveis ao calor onde a escolha do sistema e da operação são as chaves para se obter o máximo de nutritivos e qualidade do pó. Através deste método são obtidos vários tipos de produtos, tais como: leite, café, ovo, sabão, suco de fruta, extratos vegetais, corantes, antibióticos e plasma de sangue. Palavras-Chave: Spray dryer, atomização, nebulização, secagem, atomizador, biomassa, banana verde.

2 Summary Spray Dryer is a spray drying process widely used in chemical, pharmaceutical and food industries. Its advantage is the reduction in weight thus facilitating transport and increased product life. Spray drying took its first steps in the middle of the 18th century when it was patented the first egg drying operation (1865). Green Banana is a food rich in nutrients, its consumption has benefits ranging from protecting us against bowel cancer to avoid glucose increase in our blood and as a result, diabetes. The process consists of spraying the product within a chamber using an atomizer disk at high speed, generating a mist of this, increasing the contact area between the product and the heated air, and drying it instantaneously transforming it into powder. This type of drying is ideal for heat-sensitive products where the choice of the system and the operation are the keys to getting the most nutritious and quality of powder. Through this method are obtained various kinds of products, such as milk, coffee, egg, soap, fruit juice, plant extracts, dyes, antibiotics, and blood plasma. Keywords: Spray drying, spray drying, fogging, drying, atomizer, biomass, green banana. 1. Introdução A atomização é um processo que auxilia na secagem de um fluido fazendo com que o mesmo se torne pó, baseia-se no princípio do aumento da área de contato entre o material a ser seco e o ar quente. O produto toma a forma de uma esfera quando é atomizado por um bico de spray. Assim, quando diminuímos o diâmetro de uma esfera pela metade, a área superficial da mesma aumenta em oito vezes. A secagem se caracteriza em atomizar o produto fluido, ou mistura de produtos fluidos, dentro de uma câmara submetida a uma corrente controlada de ar quente. Estes são atomizados em milhões de micro gotas mediante um disco rotativo obtendose a evaporação do solvente, geralmente água, terminando o processo com a recuperação do produto já em pó. Os primeiros produtos obtidos em larga escala com a secagem por Spray Dryer foram o leite e o sabão em pó. O tipo de atomizador utilizado na secagem depende muito da aplicação e da especificidade do produto a ser processado, são quatro os tipos de atomizadores mais utilizados: o disco rotativo, os bicos de pressão, o duplo fluido (pneumático) e o ultrasom, estes são diferenciados pela uniformidade, gasto energético, faixas de tamanho das gotículas geradas e capacidade. São quatro tipos de atomizadores disponíveis atualmente para secagem por spray dryers, como mostra a Tabela 1.1. Existem vários tipos de secadores, alguns deles são: estáticos, dinâmicos, em leito fluidizado e por atomização. 2

3 Tabela 1.1 Tamanho na atomização (FCFRP USP, 2003) Tipo do atomizador Tamanho da gota (µm) Rotativo Pressão Duplo Fluido Ultra-som Nos secadores por atomização também existem variações do modo de operações como co-corrente, contracorrente e misto. Além disso, a associação de nebulizadores e leitos fluidizados também têm grande importância na indústria de alimentos o que permite a secagem e granulação simultaneamente. 2. Objetivo O presente trabalho teve por objetivo determinar o raio de pulverização do disco rotativo do Spray Dryer, usando como variáveis o disco atomizador e a rotação, para água e biomassa de banana verde. 3. Justificativa A secagem por atomização tem um importante papel em diversos segmentos industriais, tais como: alimentícios, produtos farmacêuticos, cerâmicas entre outros. Um campo onde a secagem por atomização tem adquirido destaque é na microencapsulação de substâncias. Além disso, é aplicada a qualquer produto possível de bombear, emulsões, pastas, soluções e suspensões, sendo a atomização um dos fatores primordiais para uma secagem eficiente. 4. Revisão da literatura 4.1 Secador por atomização Spray Dryer Os secadores tipo Spray Dryer, são câmaras de grandes proporções, geralmente de aço inoxidável, em que um sistema de atomização, normalmente atomizadores centrífugos inserem o produto a ser seco dentro da câmara. Ocasionalmente podemos utilizar bicos de aspersão, que aspergem o produto líquido contra o fluxo de gases (normalmente ar atmosférico) aquecidos. As inércias envolvidas levam um jato sólido do líquido a se fragmentar por cisalhamento e gerar partículas. O processo aumenta gradativamente a relação entre a área exposta do produto em relação ao produto contido dentro dessa área externa que forma a gotícula com isso a secagem do diluente ocorre em segundos saindo os gases com umidade pela exaustão e o pó é recolhido pelo cone do fundo da câmara. A eficiência deste tipo de secagem baseia-se no aumento da área de contato entre o líquido a ser seco e o agente dessecante. Entendemos facilmente o princípio de 3

4 secagem por atomização considerando uma esfera como a forma que o material toma quando atomizado por um bico spray. Para esferas quando diminuímos o diâmetro pela metade aumentamos em 8 vezes a sua área superficial. Esta característica de gerar uma alta área superficial por grama de líquido na nebulização é inigualável na secagem por Spray Dryer. Por exemplo, um líquido pulverizado em gotículas de 100 µm gera uma área superficial de 3400 m2/kg que corresponde a espalhar um galão de líquido sobre uma superfície igual a de dois campos de futebol (LABMAQ, 2011). Em relação ao sentido de movimentação dos materiais no interior do Spray Dryer, os modos possíveis são o cocorrente, contracorrente e misto. Estas variantes de operação serão explicadas a seguir. Influências das variáveis no processo de Spray Dryer Vários fatores influenciam nas propriedades do sólido seco a ser produzido. Seguem descritas as principais variáveis (Masters, 1985; Foust, et al, 1982). a) Viscosidade: O tamanho da gota varia diretamente com a viscosidade de alimentação. b) Rotação do atomizador: Variam inversamente, aumentando-se a velocidade de rotação, as partículas formadas serão menores. c) Concentração do fluido: Maior concentração reduz o calor requerido pelo Spray Dryer, e forma partículas grandes. d) Vazão de alimentação: Vazão alta produz partículas grandes. e) Densidade: Seu efeito varia inversamente no tamanho da partícula. f) Temperatura do fluido: Aumentando a temperatura de entrada, diminui o consumo de calor requerido pelo secador. g) Temperatura e umidade do ar de secagem: Aumentando a temperatura, provoca a diminuição da densidade do produto. h) Vazão do ar de secagem: Vazão alta, baixo tempo na câmara, conseqüentemente alta umidade residual. i) Design do rotor: Rotores produzem sprays de alta homogeneidade em cima de uma gama extensiva de tamanho de partículas Atomização A atomização é responsável por transformar a suspensão em pequenas gotas assim aumentando a área de contato da troca térmica. Um dos mais importantes fatores na secagem por atomização são os atomizadores. Normalmente são usados três classes de atomizadores na secagem por spray dryer, são eles: 4

5 Bocais injetores a dois fluidos Nos atomizadores a duplo fluidos também conhecidos como pneumáticos, a pressão necessária para pulverizar o fluido é geralmente menor do que a utilizada para o sistema de bico de pressão. Neste sistema atomizador, o material líquido é rompido pelo cisalhamento gerado pela diferença de velocidades entre ele e um outro fluido, geralmente o ar. Este é o sistema com maior demanda energética dentre os três, no entanto é largamente utilizado devido à sua grande versatilidade, auto controle de tamanho e uniformidade de gotículas. Um único bico pode atingir vazões de até 1000 L/h, e podem ser usadas cabeças com combinações de vários bicos pneumáticos para vazões maiores. Bocais injetores a um só fluido e alta pressão Nos bocais dos atomizadores de pressão a um só fluido o líquido é bombeado para o bico atomizador a altas pressões, e é obrigado a passar por um orifício de diâmetro muito pequeno (Fig. 4.1). As pressões neste tipo de bico são da ordem de 100 a 600 kgf/cm2. Desta maneira, obrigatoriamente faz-se necessário o uso de bombas especiais de alta pressão e materiais resistente a abrasão para construção do bico. Do ponto de vista energético, os atomizadores de pressão são, via de regra os mais econômicos do três (FCFRP USP, 2003). Figura 4.1 Bico atomizador de pressão (Spraying Systems Co, 2011) Atomizadores a disco centrífugos O atomizador centrífugo, ou disco rotativo, é basicamente um disco que gira na extremidade de um eixo, e onde é injetado o material líquido que se acelera radialmente, pulverizando o fluído na câmara de secagem. Há inúmeras variantes do projeto do disco, e que proporcionam ampla faixa de tamanho de gotículas. Outro fator importante no controle de tamanho é a velocidade de rotação, que geralmente corresponde a uma velocidade periférica no disco de 100 a 200 m/s. 5

6 5. Materiais e métodos Procedimento experimental O Procedimento experimental foi realizado nas seguintes etapas: 1) Preparou-se a solução de biomassa de banana verde acrescentando 500 g de biomassa fornecida pela empresa Vale Mais (figura 5.1) a 750 ml de água destilada pré-aquecida a 90 ºC; Figura 5.1 Biomassa de banana verde 2) A mesma foi batida no liquidificador até ficar homogênea com densidade de 1,04 kg/l e concentração de 0,667 kg/l conforme a figura 5.2: Figura 5.2 Solução de biomassa de banana verde 3) Esta solução de biomassa foi colocada no tanque de alimentação na temperatura ambiente; 4) Colocou-se uma estrutura para separar o disco atomizador da câmara, e nela foi colocada uma prancha de madeira de 128,5 cm bem abaixo do disco atomizador; 5) Prepararam-se seis placas de material adsorvente fixando o mesmo numa placa de acrílico; 6) Pesaram-se estas seis placas de material adsorvente antes do ensaio para se obter a massa do adsorvente seco; 6

7 7) As seis placas adsorventes foram colocadas sobre a prancha em uma linha reta com distância de 11 cm entre elas, sendo que a primeira foi colocada a 43,5 cm do início da prancha ficando ao lado do disco atomizador; 8) As variáveis escolhidas para o estudo foram: a. Rotação: foi adotada a mínima e a máxima conseguida pelo motor e três intervalos entre elas (1500, 8000, 15000, 22000, 31000) rpm; b. Tipo de atomizador: foram utilizados os três modelos que estavam disponíveis (redondo de Ø 1,95 mm, redondo de Ø 4,40 mm e oblongo transversal); 9) Colocou-se o atomizador escolhido e regulou sua rotação para cada ensaio, totalizando 15 ensaios; 10) A vazão de alimentação da solução de biomassa foi adotada em 2,6 litros por hora com temperatura de 22 ºC (temperatura ambiente); 11) Cada ensaio durou 2 minutos; 12) Após o término do ensaio pesou-se as placas adsorventes para se obter a massa do adsorvente úmido; 13) A névoa formada pelo fluido alcançou concentrações diferentes em cada raio dependendo do ensaio, para quantificar essa concentração foi calculada a fração mássica em cada placa; 14) Obteve-se a massa úmida subtraindo a massa de adsorvente seco da massa de adsorvente úmido; 15) A fração mássica foi obtida dividindo a massa úmida de cada placa pela somatória da massa úmida das seis placas; 16) Através dos dados obtidos nos 15 ensaios foram criadas tabelas que estão no apêndice. A figura 5.3 mostra o esquema de montagem: Figura 5.3 Ensaio do diâmetro do leque da névoa. 1) disco atomizador; 2) prancha de madeira; 3) pedaço de adsorvente fixado no acrílico; 4) câmara; 5) cronômetro; 6) tacômetro; 7) balança analítica 7

8 . A figura 5.4 mostra a foto da montagem: 6. Resultados e discussões Figura 5.4 Foto da montagem para o ensaio Com base nos resultados do banco de dados experimentais construiu-se três gráficos para verificar a influencia das variáveis no raio de alcance. As figuras de 6.1 a 6.3 mostram a influência da rotação para cada atomizador utilizando a solução de biomassa de banana verde (Figura 6.1 Oblongo Transversal, Figura 6.2 Redondo Ø 4,40 mm e Figura 6.3 Redondo Ø 1,95 mm) Figura 6.1 Raio de alcance dos atomizadores Oblongo Transversal por Rotação; Figura Atomizador Redondo Ø 4,40 mm por Rotação; Figura Atomizador Redondo Ø 1,95 mm por Rotação. 8

9 Analisando as figuras de 6.1, 6.2 e 6.3, verificou-se que na rotação de 1500 rpm a atomização alcança um raio máximo de 34,6 cm, já na rotação de 8000 rpm a névoa atingiu um raio no intervalo entre 51,7 e 84 cm, a partir desta rotação o raio tendeu a diminuir e a atomização concentrou-se entre os raios 18 e 51,7 cm proporcionando assim menor variabilidade, isso ocorre porque quanto maior a rotação menor o tamanho das micro bolhas, sendo essas menores não tem energia suficiente para alcançar o raio que alcançavam a baixas rotações, o que é característico da atomização por discos rotativos. As figuras de 6.4 de A a E mostram a influência dos atomizadores para as rotações utilizando a solução de biomassa de banana verde (Figura 4.4 rotação 1500 rpm, Figura 4.5 rotação 8000 rpm, figura 4.6 rotação rpm, figura 4.7 rotação rpm e figura 4.8 rotação rpm) A B Figura 6.4 A) Gráfico da rotação de 1500 rpm por atomizadores e B) Figura 4.5 Gráfico da rotação de 8000 rpm por atomizadores C D Figura 6.4 C) Gráfico da rotação de rpm por atomizadores e D) Figura 4.5 Gráfico da rotação de rpm por atomizadores 9

10 E Figura 6.4 E) Gráfico da rotação de rpm por atomizadores Analisando as figuras de 6.4 de A a E, percebeu-se que o tipo de atomizador pouco influenciou no raio de alcance, apenas na rotação de rpm houve uma alteração dos dados, provavelmente causada pela vibração no conjunto motor / eixo que ocorreu nessa faixa de rotação. Com base no banco de dados experimentais foram construídos três gráficos para verificar a influência das variáveis no raio de alcance utilizando água como fluido, para efeito de comparação com os experimentos feitos com biomassa de banana verde. As figuras de 6.5 a 6.7 mostram a influencia da rotação para cada atomizador utilizando água como fluido (figura 6.5 Oblongo Transversal, figura 6.6 Redondo Ø 4,40 mm e figura Redondo Ø 1,95 mm). Figura 6.5 Gráfico do atomizador oblongo por rotação (para água) 10

11 Figura 6.6 Gráfico do atomizador redondo Ø 4,40 mm por rotação (para água) Figura 6.7 Gráfico do atomizador redondo Ø 1,95 mm por rotação (para água) Analisando as figuras de 6.5 a 6.7, para fazer uma comparação do perfil da névoa utilizando água em vez de solução de biomassa, observou-se que na rotação de 1500 rpm a atomização alcança um raio máximo de 34,6 cm, já nas rotações maiores o atomizador oblongo transversal se diferencia do atomizador redondo Ø 1,95 mm e redondo Ø 4,40 mm, o atomizador oblongo transversal mantém seu perfil de névoa praticamente estavel a partir da rotação de 8000 rpm, já os outros dois atomizadores na rotação de 8000 rpm atingem um raio de alcance da névoa entre 18 e 67 cm e a partir desta rotação o raio tendeu a diminuir e a atomização concentrou-se entre os raios 2 e 34,6 cm 11

12 7. Conclusões Comparando os gráficos da biomassa da banana verde (figuras 6.1, 6.2 e 6.3) e da água (figuras 6.5, 6.6 e 6.7), observou-se que para o atomizador redondo Ø 1,95 mm e redondo Ø 4,40 mm pode-se estimar o raio de alcance da nevoa da solução de biomassa utilizando água nos experimentos, pois o perfil da névoa entre eles foi semelhante, já para o atomizador oblongo transversal não é possivel, pois com o aumento da rotação a névoa de solução de biomassa tende a concentrar-se próximo ao atomizador, e na névoa de água isso não acontece. Verificou-se que das variáveis analisadas, a que influenciou mais no raio de alcance da névoa utilizando a solução de biomassa de banana verde foi a rotação do atomizador, observou-se também que na faixa entre 1500 e 8000 rpm há uma alteração brusca no raio de alcance, próximo a 1500 rpm a nevoa se acumula entre o raio de 18 e 34,6 cm, e ao elevar a rotação para 8000 rpm a névoa se dissipa mais para o raio de 51,7 e 84 cm, a partir desta rotação o raio tende a concentrar-se entre os raios 18 e 51,7 cm, diminuindo também o tamanho das micro bolhas. 8. Referências Bibliográficas DAN, M. - Mestre em ciências dos alimentos. Departamento de Alimentos e nutrição Experimental da Faculdade de Ciências Farmacêuticas da Universidade de São Paulo (USP). Disponível em : ,00.html, Acesso em 21/04/2011. EURORTHERM. O processo de secagem por atomização. Disponível em: Acesso em 21/04/2011. FCFRP (Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto) USP. Secagem por Atomização na Industria Alimentícia: Fundamentos e Aplicações. Trabalho financiado por LABMAQ DO BRASIL, 2003, Disponível em: s/secagem%20de%20materiais.pdf, Acesso em 30/03/2011. GEA. Process Engineering Inc. Disponível em: Acesso em 25/03/2011. LOURES. A.; COELHO, D.T.; CRUZ, R.; LUCY, C., Obtenção, caracterização e utilização da farinha de banana (Musa sapientum) em panificação. Dissertação (Mestrado em Farmácia) - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 1989, v. 10, no 1, p MASTER S, K., Spray Drying Handbook. 4th ed., London: George Godwin,

13 Oi, R. K.; TAMBOURGI, E. B.; MORAES JR, D. de. Estudo de viabilidade da secagem da biomassa da banana verde em spray dryer rotativo. Exacta, São Paulo, v. 8, n. 2, p , 2010, Disponível em: Acesso em 21/04/2011. PARK; ANTONIO; OLIVEIRA; PARK. Conceitos de Processo e Equipamentos de Secagem. Campinas SP, 2007, Disponível em: Acesso em 16/04/2011. RABBANI, G. H.; TEKA, T.; SAHA, S. K.; ZAMAN, B.; MAJID, N.; KHATUN, M.; WAHED, M. A.; FUCHS, G. J., Literatura Internacional em Ciências da Saúde. 2001, v 121, pág 554 a 560. SPRAYING SYSTEMS Co., Technical Manual nº 402 Spray Drying, Atomização e Aplicações. Disponível em: Acesso em 22/03/2011. SPRAYPROCESS. Spray Process fabricação e comércio de secadores industriais LTDA. Disponível em: Acesso em 23/02/2011. TRIBESS, T. Doutora em engenharia química. Departamento de Alimentos e nutrição Experimental da Faculdade de Ciências Farmacêuticas da Universidade de São Paulo (USP). Disponível em : ,00.html, Acesso em 21/04/2011. TRIPOD. Desidratação dos alimentos. Disponível em: Acesso em 22/03/