ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA SECAGEM DE SEMENTES DE CACAU EM ESTUFA. Engenharia Química

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1 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA SECAGEM DE SEMENTES DE CACAU EM ESTUFA P.A. JESUS 1*, R.R. BATISTA 1, D. LANDI 1, D.J.M. SARTORI 2, L.S. ARRIECHE 3 1 Universidade Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-Graduação em Energia 2 Universidade Federal de São Carlos, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Departamento de Engenharia Química 3 Universidade Federal do Espírito Santo, Centro Universitário Norte do Espírito Santo, Departamento de Engenharias e Tecnologia * patrick.eletrica@gmail.com RESUMO A secagem é uma das operações unitárias mais importantes no segmento industrial alimentício, de modo a evitar a deterioração do produto por microrganismos devido a alterações por reações químicas e enzimáticas. A motivação para este estudo diz respeito à otimização da operação de secagem sob a premissa da eficiência energética. Para tanto, os objetivos específicos consistem na determinação das curvas de secagem de sementes de cacau (Theobroma cacao L.) em camada fina, evolução da forma das sementes e a eficiência energética da secagem em estufa. Avaliou-se o processo de secagem da semente de cacau em escala laboratorial, através do método convencional, por meio da utilização da estufa com circulação natural de ar, durante um tempo de 15 horas, na temperatura em torno de 60 C, com a obtenção do valor da umidade durante e no final do período de secagem. A avaliação da evolução da forma das sementes de cacau em função do tempo foi feita por meio da análise de imagens com o auxílio do software ImageJ, o que evidenciou o decréscimo da área superficial durante a secagem. A eficiência energética, relacionada à quantidade de calor requerida pela massa de sementes para variar a umidade de um valor inicial até um valor de equilíbrio e a energia máxima fornecida pela estufa, foi baixa, como era esperado, ou seja, aproximadamente 29,78%, e a umidade relativa interna da estufa sobre a amostra foi em torno de 22,61%, conforme medidas experimentais. Palavras-chave: secagem, análise de imagens, eficiência energética, sementes de cacau. 1 INTRODUÇÃO A secagem é uma das operações unitárias mais importantes no segmento industrial da química, principalmente no que se refere ao setor de alimentos. Conceitualmente, trata-se da remoção de um líquido agregado na matriz do sólido para a fase gasosa, por meio da vaporização térmica (CALESTINO, S.M.C., 2010). O foco da aplicação dessa operação unitária na indústria de processamento alimentício diz respeito a amenizar a deterioração do produto por microrganismos e alterações por reações químicas e enzimáticas. A diminuição do conteúdo de água dos alimentos é de suma importância para a sua conservação. No entanto, há um dado limite de umidade a ser mantido no alimento processado, para satisfazer a consistência macia do produto e aos padrões de qualidade (CALESTINO, S.M.C., 2010). A condição de realização do processo de secagem é que a pressão de vapor de água

2 sobre a superfície de um produto seja maior que a pressão de vapor de água no ar de secagem (ANDRADE, 2003; JAYAS et al., 1995). Dentre os parâmetros que influenciam a taxa de secagem cabe mencionar: temperatura e umidade relativa do ar ambiente, temperatura e fluxo do ar de secagem, teor de água inicial, histórico do produto e fluxo do produto no secador (ANDRADE, et al, 2006). O tipo de sólido a ser processado pode ser higroscópico ou não-higroscópico, poroso ou não-poroso. A capacidade do ar para eliminar água de um alimento depende principalmente de sua temperatura e de sua umidade relativa. A psicrometria estuda as relações existentes entre ar e vapor de água. Para tanto, são definidas duas temperaturas para o ar: temperatura de bulbo seco, que trata-se da temperatura do ar medida por um termômetro de bulbo e temperatura de bulbo úmido, medida devido ao equilíbrio entre o vapor de água e a água líquida, quando na presença de ar saturado. Isso por sua vez, está relacionado à umidade do ar em torno do processo, que pode ser absoluta ou relativa. A umidade absoluta representa a massa de vapor de água presente em um quilograma de ar seco. A umidade relativa é a razão entre a quantidade de água contida no ar e a massa que estaria contida se o ar estivesse saturado (CALESTINO,S.M.C., 2010). A temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa e umidade absoluta se relacionam através do diagrama psicrométrico a uma pressão de 101,325 kpa, conforme a figura 1. Figura 1- Diagrama Psicrométrico (Pressão de 101,325 kpa) (CALESTINO, S.M.C.2010). É fato, que a operação de processamento deve priorizar a obtenção de um produto, com umidade de equilíbrio similar à umidade de equilíbrio do local em que será armazenado, em vista de se otimizar a quantidade de energia gasta no secador e o tempo de permanência do produto num recinto de armazenamento. Na operação da maioria dos secadores, percebe-se que a temperatura e a umidade do ar de secagem variam no interior do secador. Conforme a figura 2 tem-se uma representação esquemática da secagem de um sólido úmido (sementes de cacau). Figura 2 Esquema de secagem de um sólido. Fonte: Autor (2013). Onde Ar: ar interno ao secador T: temperatura da estufa num dado instante X: umidade da semente de cacau A: Área superficial das sementes de cacau

3 A cinética de secagem é controlada pelas características da matriz do alimento e pelas variáveis temperatura, velocidade e umidade relativa do ar. O decréscimo da umidade com o tempo pode ser mostrado conforme o comportamento da figura 3: Figura 3: Umidade das sementes durante o processo de secagem (CALESTINO, S.M.C.2010). Conforme o gráfico da cinética de secagem, o período AB corresponde ao momento inicial de adaptação da matéria prima em relação às condições de temperatura e pressão internamente na estufa. A temperatura atinge um valor constante sendo igual à temperatura de bulbo úmido do ar, no momento em que ocorre evaporação da água livre. No segmento BC, a temperatura se mantém aproximadamente constante, pois em função da existência de um filme de água aproximadamente constante na superfície da partícula de material em estudo, tem-se uma condição de saturação. Em se tratando da semente de cacau ser um sólido higroscópico e considerado não poroso, é de se esperar que o período BC não seja muito longo. A partir de então, no período CD, tem-se o aumento da resistência interna e ocorre que o movimento de água do interior da partícula para a superfície é insuficiente para compensar a taxa de evaporação superficial, o que perfaz no início do período decrescente. Assim o material em estudo se torna cada vez mais seco. Do ponto D em diante, a umidade do alimento diminui até alcançar a umidade de equilíbrio para as condições de temperatura e umidade relativa do ar. Com a obtenção do valor de umidade de equilíbrio, termina o período de secagem (CALESTINO,S.M.C., 2010). 2 MÉTODO DA ESTUFA Um dos modos de se estudar a cinética de secagem e consequentemente a umidade final de equilíbrio é o método da estufa, por meio do qual se faz medições periódicas da massa da amostra e temperatura média da amostra de partículas, até que se obtenham duas medidas de massa média idênticas entre si. Define-se Velocidade de Secagem (N) para um sólido de massa Md na base seca, com uma área A exposta ao meio de secagem, como o fluxo de massa de umidade que deixa o sólido por unidade de área e por unidade de tempo. Sendo a semente de cacau sólido higroscópico não poroso, o processamento da semente de cacau pode ser descrito conforme a curva de variação da umidade na figura 4 abaixo: Figura 4- Curva da velocidade de secagem para um sólido higroscópico não poroso (SFREDO, 2006). A secagem inicia-se com a evaporação superficial da água do sólido úmido. Após um

4 período de aquecimento inicial (curva A-B, Figura 2.5), a taxa de escoamento da água para a superfície é rápida o suficiente para a mesma permanecer saturada, e a taxa de secagem permaneça constante por um período de tempo chamado de período de taxa de secagem constante (segmento B-C). Durante esse tempo, a transferência de massa é limitada pela camada limite de gás na superfície do sólido. O conteúdo de umidade no qual a taxa de secagem do produto muda de constante para decrescente (curva C-D) é chamado de conteúdo de umidade crítico, Xcr (REZENDE, D.R., 2011). No conteúdo de umidade crítico a taxa interna de movimento da água não é rápida o suficiente para manter a superfície do sólido saturado, assim a taxa de secagem começa a decrescer. No período de taxa de secagem decrescente, esta assintoticamente aproxima-se do conteúdo de umidade em equilíbrio (segmento D-E) (HARRISON et al., 2003). 3 EQUAÇÕES Esse comportamento gráfico da velocidade de secagem (N) em função da umidade livre W, surge em função da equação para estimativa do tempo de secagem conforme a equação (1). t 2 t 1 = M d X2 dx A X1 N (1) Segundo Kudra (2004), o cálculo da eficiência energética (η) pode ser fornecido por: ŋ = Eev Ein 4 OBJETIVOS (2) Objetivo Geral Almejou-se avaliar o processo de secagem em escala laboratorial da semente de cacau às condições constantes de temperatura da estufa. Objetivos específicos - Determinar as curvas de secagem de sementes de cacau em camada fina com diferentes teores de água inicial; - Avaliar a evolução da forma das sementes de cacau com o tempo por meio da análise de imagens com o software ImageJ ; - Determinar a cinética de secagem por meio da variação da velocidade de secagem em função do tempo e da umidade; - Determinar a eficiência energética do processo de secagem; - Determinar a umidade interna da estufa. 5 MATERIAIS UTILIZADOS Estufa forno BIOPAR, MODELO T, Volt 110/220 V, AMP 1454/727, 1600W; Balança eletrolítica BIOPRECISA, MODELO: FA N, erro: 0,001g, tensão: 110/220V; Máquina fotográfica NIXON; Placas de petri; Pinça metálica Casteloy; Suporte universal; Becker; Analisador de imagens; Dessecador. 6 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Pesou-se uma amostra de massa de sementes de cacau de aproximadamente 5,0g em balança de precisão de 0,001g a 0,0001g. Posteriormente, cada amostra foi inserida em placa de petri, e em seguida mediu-se também o peso do conjunto placa de petri mais amostra de sementes de cacau. Três amostras iniciais, p1, p2 e p3 foram colocadas em estufa a 60 C, com consequente realização das medidas experimentais de peso e aquisição de fotos para se avaliar a evolução da forma das sementes nas amostras, periodicamente, até se

5 obter peso final constante para as respectivas amostras. Após duas medidas consecutivas idênticas do conjunto, foi inferido que as sementes estavam secas nas devidas amostras, e a massa final das sementes, foi obtida pela diferença entre o peso do conjunto e o peso do recipiente placa de petri. a massa de sólidos foi determinada posteriormente pelo método da estufa a 105 C durante 24 horas. Com os valores de massa de sólidos e inicial, foram obtidos a umidade em base seca e em base úmida, conforme as equações 3 e 4: (massa inicial massa sólidos) U (b. u) = (em termos de base úmida) massa inicial (massa inicial massa sólidos) U(b. s) = (em termos de base seca) massa sólidos 7 RESULTADOS (3) (4) A partir dos dados experimentais foram obtidos os seguintes gráficos: Comportamento da variação da umidade em base seca versus tempo de secagem; Comportamento da taxa de secagem versus umidade em base seca; Temperatura das sementes versus a temperatura da estufa; Temperatura da estufa versus o tempo experimental; O comportamento da Figura 4 pode ser evidenciado pela evolução da sequência de imagens, conforme mostrado abaixo. Figura 5- Sementes no início da secagem. Figura 7 - Sementes no instante de final da secagem. A partir das figuras 5, 6 e 7, pôde ser verificado a redução da área superficial das amostras de partículas em relação ao início do experimento. A partir da análise do software ImageJ, realizou-se os cálculos de área superficial das amostras de sementes ao longo do experimento, o que confirmou a redução gradativa das respectivas amostras, conforme cálculos realizados. Figura 8 Variação da umidade em base seca com o tempo de secagem. Umidade (% b.s) 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tempo de secagem (min.) Figura 6 - Sementes no instante de tempo intermediário início da secagem. Figura 9 - Variação da taxa de secagem em relação à umidade em base seca.

6 -mss/a*dx/dt ((g H 2 O/mim. mm²) 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000-0,005 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Umidade (g H 2 O/g solido seco) Temperatura da estufa ( C) Tempo de secagem (min) Figura 10 Temperatura das sementes versus a temperatura da estufa. Figura 14 - Variação da taxa de secagem em relação ao tempo. 0,04 Temperatura da semente ( C) Temperatura da estufa ( C) Figura 11 - Temperatura da estufa versus o tempo experimental. Temperatura da estufa ( C) Tempo de secagem (min.) Figura 12 - Variação da temperatura da estufa com o tempo de secagem. -mss/a*dx/dt ((g H 2 O/mim. mm²) 0,03 0,02 0,01 0,00-0, Tempo de secagem (min.) Cálculo aproximado da eficiência energética da estufa Dados: Volume da estufa: cm 3 ; Potência da estufa: 1600 W; Calor latente de evaporação da água a 50 ºC: 2382,75; Densidade da água: 1000 ( Kg m 3); Densidade da semente: 1000 ( Kg m 3); Tempo experimental (X c ): 50 h; Tempo total experimental: 67 h; Energia máxima fornecida pela estufa: 1600Wx50hx3600 ( s ) = J; h Cálculo da massa de semente no interior do volume na estufa 1m Kg 0,072 m 3 m semente

7 m semente = 72 Kg, Considerando a composição da semente 50% umidade e 50% sólido, a energia necessária para evaporar a água livre da semente pode ser calculada da seguinte forma: 36Kgx2382,75 ( kj Kg ) = J. Assim, a eficiência energética é dada por: ŋ = Eev Ein ŋ = J J 100 ŋ = 29,78% O cálculo da eficiência energética para secadores de leito fixo leva em consideração o comportamento de decréscimo da eficiência (Ef), após atingir um dado valor, e o aumento da temperatura no meio de secagem (T 2 ), de forma a proporcionar o encolhimento da área superficial das sementes, como mostra a figura 5. Segundo Carlesso et al. (2005), os limites da temperatura do ar de secagem são determinados em função da sensibilidade dos componentes químicos que determinam a viabilidade da semente, uma vez que o produto, em períodos à taxa decrescente de secagem, tem a sua temperatura aumentada, aproximando-se daquela na qual o processo se desenvolve. A umidade relativa sobre a amostra foi calculada pelo software VAISALA, como indicado abaixo. Tabela 1 Dados de Umidade Relativa e de Temperatura do ar do ar de secagem Figura 15 - Cálculo da umidade relativa sobre a amostra. Figura 14 - Performance energética característica de um secador de leito fixo (KUDRA,2004).

8 Conforme os resultados das duas telas acima, o resultado da umidade relativa é de 22,609%. 8 DISCUSSÕES Houve dificuldade no que tange a ajustar a temperatura da estufa em torno de 50ºC. Mensurou-se diferentes valores de massa de água perdida, podendo ser crescentes ou decrescentes, ao longo das medidas experimentais. Uma das possíveis causas foi a diferença entre os valores de temperatura de regulagem da estufa, alguns pontos no gráfico apresentaram comportamento diferenciado em relação à tendência da maior parte dos pontos experimentais. O conjunto de dados experimentais foi obtido na condição de temperatura do sistema em que a pressão de vapor da água livre na superfície do sólido constituinte da semente de cacau fosse igual à pressão de vapor da água pura, ou seja, a umidade de equilíbrio foi obtida por meio da variação de umidade livre da semente com o tempo. Cuidou-se para não se proporcionar variações bruscas de temperatura no material inserido na estufa, de forma que a umidade no interior da estufa foi aproximadamente constante, para os dias de experimento com umidade externa relativamente estável. Dessa forma, por meio da interpretação dos dados experimentais, a umidade do interior das sementes de cacau migrou para a superfície, sem que esta ressecasse. A obtenção de dados experimentais foi realizada até o momento em que se percebeu a constância dos mesmos valores para as duas casas numéricas posteriores a vírgula, para as três amostras medidas inicialmente. Para a análise de imagens das sementes com qualidade, procurou-se realizar a limpeza da placa de vidro de apoio do material particulado e posicionou-se a régua para se evitar paralaxe quando da obtenção das fotos para as amostras de partículas. No que diz respeito ao gráfico de temperatura da estufa versus temperatura da semente, como era de se esperar ocorreu discrepância entre o comportamento dos dados, pois, devido ao intervalo de tempo de abertura da estufa para retirada das amostras de sementes e em função da variação de temperatura medida das sementes e da estufa, houve divergência da tendência linear. Em vista do valor da eficiência energética obtido de 29,78%, há de se destacar as seguintes considerações: densidade da semente pode ser considerada aproximadamente igual à densidade da água e dessa forma a composição da semente da seguinte forma: 50% sólido e 50% água. Considerou-se também que toda potência da estufa (1600 W) foi disponibilizada para a operação de secagem. 9 CONCLUSÕES Acerca dos comportamentos dos gráficos verificou-se que o comportamento da cinética de secagem da semente de cacau foi similar ao comportamento do gráfico da

9 Figura 04, conforme os períodos de taxa decrescente: C-D e D-E. Isso foi evidenciado pelo decréscimo da área superficial, conforme as figuras 05, 06 e 07. Como esperado, a eficiência energética foi relativamente baixa, ou seja, 29,78%, em função dos erros experimentais e os fatores de perda térmica na estufa. 10 NOMENCLATURA t 1 = tempo inicial do processo (s); t 2 = tempo final do processo (s); M d = Massa de água evaporada (Kg); X 1 = valores de umidades experimentais (-); X 2 = valores de umidades experimentais (-); N = velocidade de secagem a parâmetros constantes (-); ŋ = rendimento do processo de secagem (%); E ev = energia para reduzir a umidade de sólidos a uma temperatura e umidade relativa do ar (J); E in = energia total fornecida pelo secador (J); U (b.u) = umidade em base úmida (-); U (b.s) = umidade em base seca (-); A = Área superficial de sólido (mm²). 11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Rev. Bras. Frutic., Jaboticabal SP, v.27, n.3, p , JAYAS, D.S.; WHITE, N.D.G; MUIR, W.E., Stored-Grain Ecosystems. New York: Marcel Dekker, INC.,757p, KUDRA, T., Energy aspects in drying.drying TECHNOLOGY, vol. 22, n 5, pp , REZENDE, D.R., Modelagem e simulação da secagem de frutos de café em um secador de bandejas vibradas. Dissertação do programa de pós-graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia, SFREDO, M. A. - Estudo da Dispersão na Secagem de Frutos de Café em Secador de Bandejas Vibradas, f. Tese de Doutorado em Engenharia Química. Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, WYLEN, V. Tabelas termodinâmicas, propriedades da água, apêndice B, pg AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio financeiro recebido do CNPq, CAPES e UFES. ANDRADE, E.T. Qualidade até o final: Secagem certa. Cultivar Máquinas. V.III, n.25, 15p, ANDRADE, E.T.de, CORREA, P.C., TEIXEIRA, L.P., PEREIRA, R.G., CALOMENI, J. F., Cinética de secagem e qualidade de sementes de feijão, ENGEVISTA, v.8, n.2, p.83-95, CALESTINO, S.M.C., Princípios de Secagem de Alimentos, Empresa de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) CARLESSO, V.O., BERBERT, P.A., DA SILVA, R.F., VIANNA, A.P., DETMANN,E., DIONELLO, Secagem de sementes de maracujá em camada delgada,