DETERMINAÇÃO DAS CURVAS DE SECAGEM DO RESÍDUO DO LEITE DE SOJA EM LEITO DE JORRO COM INERTES E DA CURVA FLUIDODINÂMICA PARA O MATERIAL INERTE.

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1 DETERMINAÇÃO DAS CURVAS DE SECAGEM DO RESÍDUO DO LEITE DE SOJA EM LEITO DE JORRO COM INERTES E DA CURVA FLUIDODINÂMICA PARA O MATERIAL INERTE. V. Fraile 1, C. A. A. Lescano 2, S. C. S. Rocha 3 1: Aluno de IC; 2: Doutorando; 3: Professora Orientadora Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem Universidade Estadual de Campinas LFS/FEQ R Albert Einstein, 500 Caixa Postal 6066 Barão Geraldo Campinas SP CEP: v027040@dac.unicamp.br 1, agules@feq.unicamp.br 2 e rocha@feq.unicamp.br 3 RESUMO - A secagem é uma tecnologia amplamente utilizada pelas indústrias para aprimorar a qualidade e prolongar a vida de prateleira dos produtos. No entanto, ainda hoje persistem muitos problemas a respeito, principalmente dos métodos específicos adequados para a secagem de materiais biológicos, especialmente aqueles utilizados para alimentação humana. No presente trabalho é analisada a secagem do resíduo do leite de soja, utilizando secador de leito de jorro com inertes. Seguindo a nomenclatura das publicações, este resíduo rico em proteínas, fibras e vitaminas, será denominado Okara. Foi determinada a curva fluidodinâmica do leito de jorro com material inerte (polipropileno). Foram também determinadas as curvas de secagem para os diferentes experimentos à velocidade de jorro mínimo e mesma temperatura (60 C), mantendo-se fixa a quantidade do material inerte (1000g) e variando-se a quantidade de material úmido (300g, 400g e 500g) no leito. Foram ainda analisadas as curvas fixando-se a quantidade de material úmido (300g) e variando-se a quantidade de material inerte (1000g, 1250g e 1500g). O modelo matemático de PAGE foi utilizado para ajustar os dados experimentais da cinética de secagem. INTRODUÇÃO O Okara é um material rico em proteína, fibra e vitaminas, entretanto termo-sensível e altamente deteriorável. É caracterizado como uma massa de alta coesão, de composição química complexa e com alto teor de umidade (75%-80%) (LESCANO, 2004). Segundo WACHIRAPHAN-SAKUL (2005), o Okara seco, é composto por 60% de fibras, 29% de proteínas e 11% de gordura. O Okara tem proteína de qualidade superior aos outros derivados da soja. Por exemplo, a razão de eficiência de proteína do Okara é 2.71, sendo para o leite de soja 2.11 (O TOOLE, 1999). O material seco pode ser incorporado a uma grande variedade de alimentos, reduzindo a quantidade total de calorias e aumentando a quantidade de fibras (TARUNA & JINDAL, 2002).

2 Devido à sua alta atividade de água, possui elevada capacidade de deterioração (O TOOLE, 1999), gerando odores desagradáveis e contaminação na indústria. Na literatura são encontrados trabalhos analisando a secagem de Okara em diversos tipos de secadores, dentre eles: secador de tambor rotativo (LESCANO, 2004); secador de leito de jorro (WACHIRAPHANSAKUL, 2005); secador de leito móvel com as partículas sujeitas a movimento de vortex (TARUNA & JINDAL, 2002). O objetivo deste trabalho consistiu na análise da cinética de secagem de Okara em leito de jorro com material inerte, para diferentes razões de massa de Okara úmido/massa de i- nerte. Secador de leito de jorro A tecnologia do leito de jorro foi desenvolvida inicialmente por GIS- HLER e MATHUR, em 1954, como um método para secagem de trigo. O regime de jorro é estabelecido em um leito de partículas sólidas pela injeção de um fluido (geralmente ar) na sua parte inferior vertical, através de um o- rifício, cujo diâmetro é reduzido em relação ao diâmetro do leito. A secagem em leito de jorro com inertes tem sido indicada para materiais pastosos termo-sensíveis. Sua indicação para a secagem desses materiais é conseqüência do curto tempo de permanência do material no interior do equipamento e também, às menores temperaturas das partículas no interior do leito quando comparadas com a temperatura de entrada do gás. A esse equipamento é atribuído um baixo custo de instalação e de operação (PANTEL et al. 1986) e, maior taxa de secagem por unidade de volume do equipamento, o que reduz os custos de produção. No caso da secagem, a utilização do leito de jorro tem sido difundida devido às suas características de alta taxa de circulação de partículas inertes e da uniformidade na temperatura no leito. A principal desvantagem do leito de jorro é a dificuldade de estabelecimento de regime fluidodinâmico estável em grande escala. Do ponto de vista fluidodinâmico, os principais parâmetros relacionados ao projeto de leitos de jorro são: a velocidade de jorro mínimo, a queda de pressão máxima e a queda de pressão de jorro estável. A partir deles, são determinadas a menor vazão de gás que propicia o fenômeno do jorro, a potência máxima a ser fornecida pelo soprador e a potência consumida durante a operação. Esses parâmetros são obtidos através da curva característica do equipamento. A figura 1 mostra uma curva típica característica de queda de pressão em função da vazão de gás para diferentes alturas de alimentação do leito. Duas diferentes e- tapas são mostradas nesta figura: o desenvolvimento do jorro com o incremento da vazão de gás, indicado pela linha contínua, e o colapso do jorro para vazão decrescente, representado pela curva pontilhada. Figura 1 Curva típica de queda de pressão versus vazão de gás (MATHUR e EPSTEIN, 1974) No período AB o gás apenas percola entre as partículas e o sistema comporta-se como um leito fixo. Aumentando a vazão, há o surgimento

3 de uma cavidade na base, que se a- longa, havendo formação de um jorro interno. A queda de pressão continua a aumentar até atingir o valor máximo (ponto B). A partir deste ponto, a queda de pressão diminui até se atingir o denominado jorro incipiente (ponto C) em que qualquer incremento na vazão de gás faz o jorro aflorar através da superfície do leito (ponto D) e aumentos sucessivos na vazão de ar não causam mais variações significativas na queda de pressão (MATHUR e EPSTEIN, 1974). Operando o processo inverso (reduções sucessivas da vazão de gás), determina-se a vazão de jorro mínimo, que é a menor vazão em que se tem jorro estável. sucessivas vezes, determinando-se a cada aumento a correspondente diferença de pressão entre a entrada e a saída do leito através de um manômetro diferencial tipo tubo em U. O fluido manométrico foi água destilada. A vazão foi aumentada até que a queda de pressão no leito atingisse valores aproximadamente constantes. Iniciou-se então o processo inverso, reduzindo-se a vazão de ar e determinando-se a queda de pressão no leito. MATERIAIS E MÉTODOS Equipamento experimental A secagem foi realizada no secador de leito de jorro localizado no Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem da Faculdade de Engenharia Química UNICAMP, mostrado na figura 2. O leito de jorro foi construído em acrílico, com as dimensões: diâmetro da coluna de 20cm, altura da coluna de 30cm, diâmetro do orifício de entrada de ar de 5cm e base angular de 60º. Outras partes do equipamento envolvem: soprador, válvula de controle de vazão, placa de orifício, manômetro diferencial, aquecedor deresistências, termo-higrômetro, termopares e ciclone. Obtenção da curva fluidodinâmica O polipropileno foi escolhido como inerte com base em resultados de testes fluidodinâmicos preliminares no equipamento. Inicialmente, o leito foi alimentado com determinada carga de material inerte (polipropileno). Em seguida, o soprador foi acionado e a vazão de ar de entrada foi aumentada Figura 2: Leito de jorro Produto inicial: O Okara Para se obter o Okara, foi preparado leite de soja no Laboratório de Medidas Físicas da Faculdade de Engenharia de Alimentos UNICAMP, segundo método proposto por LES- CANO (2004). O primeiro passo consistiu em saturar 1 kg de soja, deixando em á- gua potável durante 8 horas; então a soja foi selecionada e posteriormente cozida a 100ºC durante 5 minutos, mantendo uma relação próxima de 2kg de soja / 1L de água. A mistura, após ser limpa e peneirada, foi triturada em um multiprocessador de alimentos marca WALITA, modelo RI3173/72, mantendo a relação de 1kg de soja úmida / 2L de água. Após a trituração, o material obtido foi cozido por mais 5 minutos, então resfriado e filtrado. Após esta operação, o materi-

4 al retido no filtro foi prensado, visandose diminuir o teor de umidade a aproximadamente 65% base úmida. Para a prensagem do material foi utilizada uma prensa hidráulica do Laboratório de Tecnologia de Alimentos da Faculdade de Engenharia de Alimentos/UNICAMP. Após a prensagem, o material sólido que apresenta aparência de partículas úmidas, foi embalado em sacos de PVC e refrigerado a uma temperatura inferior a 5ºC para evitar deterioração. O processo de secagem As variáveis analisadas nos experimentos de secagem foram: massa de material inerte e massa de Okara. A temperatura do ar de secagem foi mantida constante (60ºC) em todos os experimentos e a vazão do ar de entrada foi regulada de forma a se ter sempre o equipamento trabalhando na condição de jorro mínimo. A secagem foi realizada em batelada. O Okara foi inserido no leito quando este já se encontrava estável com as partículas inertes, a 60ºC. As amostras foram retiradas da região do jorro a cada 6 minutos através de um amostrador localizado na parte cilíndrica do leito, e foram utilizadas para elaborar as curvas de cinética de secagem. Os valores de umidade foram determinados pelo método gravimétrico estático, em estufa a 105ºC por 24h. Após a secagem, o material retido no leito foi retirado, e por peneiramento, foi feita a separação entre o Okara seco e o material inerte. As quantidades de material inerte (polipropileno) e de Okara utilizadas nos experimentos são mostradas na Tabela 1. Modelo Matemático O modelo utilizado para análise das curvas das cinéticas de secagem foi o modelo de Page, dado na equação (1). X A exp K. t X 0 (1) Tabela 1: Relações M o /M i utilizadas. Experimento Massa de Inertes (g) Massa de Okara (g) M o /M i RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 3 apresenta-se a curva fluidodinâmica obtida para o polipropileno no leito de jorro para uma massa de 1500g. Verifica-se que o material inerte atinge regime de jorro estável sem exigir uma vazão de ar alta, resultado este que auxilia na secagem do Okara, impedindo perdas excessivas por elutriação. Figura 3: Curva fluidodinâmica do polipropileno. Na Tabela 2 encontram-se os resultados da cinética de secagem para o primeiro experimento (300g de Okara e 1000g de material inerte). Os conteúdos de umidade foram calculados tanto em base úmida como em base seca. Valores para os adimensionais Y (X/X o ) (em base seca) são também mostrados. n

5 Tabela 2: Cinética de secagem para o experimento 1. Tempo (min) X bu (%) X bs Y (X/X 0 ) (kg/kg) A taxa de secagem se mostrou constante nos primeiros três pontos, e decrescente para os pontos seguintes, como se pode ver na Figura 4. Comportamento similar foi observado nos outros experimentos. Na Figura 4 observa-se que, mantendo-se constante a quantidade de material inerte e variando a quantidade de material úmido, o tempo de secagem é menor para uma menor quantidade de material úmido. Figura 4: Curva de cinética de Secagem Entretanto, para uma mesma quantidade de material úmido, ao variar-se a quantidade de material inerte, o tempo de secagem é menor para uma maior quantidade de inertes. Esse comportamento pode ser explicado pela maior área de contato entre o Okara e os inertes, além da maior vazão de ar exigida para promoção do jorro. Entretanto, a diferença entre os tempos é pequena, podendo-se considerá-la sem significância. Na tabela 3 são mostrados os valores preditos pelo modelo de Page para o experimento 1, juntamente com os valores observados. Para as regressões, foi utilizado o método de regressão não linear do programa Statistica ajustado para o modelo de Page. Na Figura 5 são mostradas as curvas obtidas pelo modelo de Page para os experimentos 3 e 5 e os pontos experimentais. Na tabela 4 são mostrados os parâmetros A, K, e n obtidos a partir do modelo de Page. Observa-se que os valores do parâmetro A se encontram muito próximo de 1 em todos os experimentos. Para uma mesma quantidade de material inerte, o valor de K decresce com o aumento da massa de Okara. Tabela 3: Valores observados e preditos pelo modelo de Page. Tempo Valor Valor Amostra (min) Predito Observado Desvio Padrão

6 neste trabalho). Portanto, é possível afirmar que o material inerte, nas quantidades uti-lizadas, não tem influência sobre o tempo de secagem do Okara em leito de jorro. Figura 5: Curvas preditas pelo modelo de Page O modelo de Page demonstrou um excelente ajuste para todos os experimentos com R~0,999 para todos os casos analisados. Tabela 4: Parâmetros do modelo de Page CONCLUSÕES O secador de leito de jorro com inertes demonstrou performance adequada para a secagem de Okara na condição de material particulado. As curvas de secagem apresentaram dois períodos: de taxa constante e de taxa decrescente. O maior tempo de secagem foi obtido para o experimento de menor relação massa de inertes / massa de material úmido. Sendo considerável a variação do tempo de acordo com a variação da massa de material úmido. O menor tempo de secagem foi obtido para o experimento de maior relação massa de inertes / massa de material úmido. Entretanto, os tempos de secagem foram muito próximos ao se variar somente a massa de material inerte (na faixa de quantidades utilizadas NOMENCLATURA A : Parâmetro do modelo de Page; DP: Queda de pressão (cm de água); K : Parâmetro do modelo de Page; n : Parâmetro do modelo de Page; M i : Massa de material inerte; M o : Massa de Okara; Q ar : Vazão do ar (kg/min); X : Teor de umidade, kg/kg; X o :Teor de umidade inicial, kg/kg; X bs :Teor de umidade (base seca,kg/kg); X bu :Teor de umidade (base úmida, kg/kg) Y : Adimensional (X/X o ). REFERÊNCIAS Lescano C. A. (2004). Estudo da secagem e caracterização das partículas de Okara produzidas em um secador de tambor rotativo. Dissertação de Mestrado. Faculdade de Engenharia de Alimentos. UNICAMP. Campinas. SP. Brasil. 128p Mathur, K.B. & Epstein, N., Spouted Beds, Academic Press, N.Y., (1974). O'Toole, D. K; (1999), "The characteristics and use of Okara, the soy bean residue from soy milk production - a review", Agricultural and Food Chemistry, 47, 363. Pantel, K. et al, Spouting behavior of solids, Drying 86, New York, Hemisphe- Publ. Co., V.1, P , Taruma, I.; Jindal, V. K.; Drying of soy pulp (Okara) in a Bed of Inert Particles. (2002) Drying Technology 20(3&4), (2002). Wachiraphansakul, S.; Devahastin, S.; Drying Kinetics and quality of Soy Residue (Okara) Dried in a Jet Spouted-Bed Dryer. Drying Technology, 23: (2005). AGRADECIMENTOS