SECAGEM DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA CERVEJEIRA EM CICLONE

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1 SECAGEM DE RESÍDUOS DA INDÚSTRIA CERVEJEIRA EM CICLONE H. A. ALMEIDA 1, E. L. A. MACEDO 1, B. E. FONSECA 2, J. L. G. CORREA 1, B. S. NASCIMENTO 1 1 Universidade Federal de Lavras, Departamento de Ciência dos Alimentos 2 Universidade Federal de Lavras, Departamento de Engenharia para contato: bruna.nascimento@dca.ufla.br RESUMO O mercado cervejeiro é caracterizado por uma produção em grande escala. Isto gera uma quantidade de resíduo que causa impacto negativo ao meio ambiente. Destaca-se o bagaço de malte que tem como principais destinos a alimentação e nutrição humana e animal, além da produção de energia. Para estes fins uma operação de secagem é requerida de modo a reduzir os teores de umidade. O ciclone é um equipamento tradicionalmente empregado na limpeza de gases. Neste trabalho, um ciclone com geometria voltada à secagem foi utilizado para a secagem de bagaço de malte. O resíduo foi caracterizado quanto ao teor de umidade e tamanho de partículas. Durante o processo foi avaliado a influência da temperatura e da relação entre a vazão de alimentação e vazão de ar na redução do teor de umidade do resíduo e tempo de residência. Os resultados mostraram que o aumento da temperatura do ar de secagem e diminuição da relação de vazões de sólido e do ar favoreceu a redução de umidade do material. Para o tempo de residência, foi observado que para uma mesma temperatura o tempo de residência aumenta com a redução da razão vazão de sólidos e vazão do ar. O ciclone aqui estudado mostrou-se eficiente na redução do teor de umidade do bagaço de cerveja em baixo tempo de residência. Assim, pode-se sugerir o uso deste equipamento como um secador de bagaço de cerveja. 1. INTRODUÇÃO A cerveja é o produto obtido a partir da fermentação alcoólica, pela ação de leveduras, de um mosto de cereal malteado (cevada), acrescida ou não de outros cereais e até mesmo açúcares, com adição de lúpulo e água (Tschope, 2001; Rehm e Reed, 1983). Durante muitos séculos a produção de cerveja era realizada apenas em escala artesanal, mas devido à grande difusão e aceitação ao longo de sua história, esta bebida passou a ser uma das mais consumidas. Com isso, surgiu a produção em grande escala para atender a demanda do produto, caracterizando assim o mercado cervejeiro mundial e, por consequência, gerando grande quantidade de resíduo. Dentre os vários resíduos produzidos durante a fabricação de cerveja destaca-se aqui o bagaço de malte que tem como principal destino a venda para elaboração de ração animal. Além disso, este

2 resíduo pode ainda ser aplicado na alimentação e nutrição humana, produção de energia por queima direta, produção de carvão vegetal, material adsorvente em tratamentos químicos, dentre outras (Aliyu e Bala, 2011; Mussato et al., 2006; e Lima, 2010). Contudo, para estes fins, uma operação de secagem é requerida de modo a reduzir os teores de umidade e, neste trabalho, um ciclone com geometria voltada à secagem foi utilizado. Ciclones são equipamentos simples e de baixo custo que conseguem facilmente remover partículas de dimensões superiores a 10 μm, de uma fase gasosa (Singh e Shukla, 2014). Tradicionalmente são aplicados para limpeza de gases industriais e coletores de sólidos, mas nas últimas décadas vem sendo utilizados como reatores químicos, trocadores de calor, bem como secadores a partir de modificações em sua geometria (Correa et al. 2004a; Oliveira et al., 2011). Trabalhos anteriores mostraram que o ciclone pode ser utilizado para a secagem de partículas como borra de café, bagaço de cana, resíduo do processamento de laranja e de milho (Silva e Nebra, 2000; Corrêa et al., 2004a; Oliveira et al., 2011; Corrêa et al., 2014). Estudos teóricos e experimentais mostraram que a variação da geometria do ciclone pode proporcionar maior tempo de residência das partículas com consequente maior tempo de contato entre as fases sólida e gasosa (Silva e Nebra, 1997; Corrêa et al., 2004b); isto implica em melhoria no processo de secagem (Corrêa et al., 2004a). Diante deste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a secagem do bagaço de malte em um ciclone com geometria voltada à secagem. Durante o processo foi avaliada a redução do teor de umidade do material e tempo de residência, tendo como parâmetros a temperatura do ar de secagem e a relação entre a vazão de alimentação de sólidos e vazão do ar de secagem. Para caracterização do material em estudo, foi determinado o teor de umidade inicial aparente e tamanho das partículas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização dos experimentos foi utilizado um bagaço produzido pela fabricação de cerveja do tipo Weizen com composição aproximada de 43% de cevada e 57% de trigo. O bagaço continha teor de umidade de (79,58 ± 0,83) % (b.u.). Esse bagaço foi fornecido pela cervejaria artesanal Jóia Mesquita localizada no município de Lavras, MG. A determinação do teor de umidade foi realizada pelo método de estufa à temperatura de (105 ± 3) C por 24 horas. O material ainda foi caracterizado com relação ao tamanho das partículas, por análise granulométrica, com o auxílio de um agitador de peneiras e de um conjunto de peneiras padronizadas da série de Tyler com aberturas de 5,66mm; 4,75 mm, 2,83mm; 2,36mm e 1,00mm (Foust, 1982). Com a massa retida em cada peneira foram calculadas suas respectivas frações mássicas e obtida uma média de cada fração calculada, com este valor determinou-se o diâmetro médio de Sauter ( D ) pela Equação 1 (Fumagalli, 2007). D n i 1 1 xi D i (1)

3 Preparo das amostras: o material fresco obtido no processamento da cerveja apresenta alto teor de umidade com característica pastosa. Estas características não permitiram a secagem do bagaço diretamente no sistema experimental. Diante disso, as amostras foram submetidas à prensagem para uma redução prévia da umidade antes da secagem em ciclone. O material prensado apresentou teor de umidade de (73,32 ± 0,20) % (b.u.). Para os experimentos de secagem, a unidade experimental utilizada é mostrada na Figura 1 (a) e os detalhes das características geométricas do ciclone apresentados na Figura 1 (b) com as seguintes dimensões: S = 0,500 m; B = 0,100 m; De = 0,160 m; D = 0,730m; H = 1,370m; h = 0,730m; Li = 0,150m; b = 0,056m; a = 0,250m. (a) (b) Figura 1: (a) Esquema da unidade experimental (1- soprador, 2- placa de orifício, 3- conjunto de resistências elétricas, 4- esteira transportadora, 5- alimentador venturi, 6- ciclone e 7- coletor de sólidos) e (b) detalhes da geometria do ciclone (Oliveira et al., 2011). Para condução dos testes as condições operacionais são mostradas na Tabela 1, sendo duas diferentes temperaturas do ar de secagem (T ar ) e duas diferentes relações entre a vazão de alimentação de sólido e vazão de ar (W p /W ar ). Nos experimentos, optou-se por manter a vazão de ar constante em 0,61 kg/s e variar a vazão de alimentação de sólidos de 9,62 x 10-3 e 5,62 x 10-3 kg/s. Os níveis das variáveis foram selecionados conforme as limitações impostas pelo equipamento e com base em testes preliminares. As variáveis respostas foram: redução do teor de umidade do bagaço (RU) e tempo de residência (t res ).

4 Tabela 1 Condições operacionais e codificações dos níveis das variáveis. Ensaios T ar ( C) W p /W ar x , , , ,89 A umidade do material foi determinada ao final de cada experimento a partir da massa coletada na saída do ciclone (Figura 1a) através do método gravimétrico. Com base nos dados de teor de umidade coletada na saída do ciclone (X 0 ) e do teor de umidade determinado antes do material entrar no alimentador (X i ), determinou-se a redução do teor de umidade a partir da Equação 2. X X (2) X i 0 RU i Para o cálculo do tempo de residência (t res ) utilizou-se o método de sólidos remanescentes ou hold up, segundo Lede et al. (1987). Neste método, o tempo de residência é determinado pela razão entre a massa de sólidos remanescentes (m res ) e a vazão mássica de sólidos (W p ) utilizada, assim como mostra a Equação 3. m rem tres (3) W p A medida da massa de sólidos remanescente (m rem ) foi realizada com auxílio de balança analítica com precisão de 0,0001g a partir dos sólidos coletados na saída do ciclone ao interromper simultaneamente a alimentação das correntes de sólidos (W p ) e de gás. Para conseguir uma vazão mássica de sólidos constante, ajustou-se a alimentação por meio da velocidade da esteira e da altura da parede colocada exatamente no final da esteira, garantindo uma espessura constante do material. A determinação da vazão mássica foi então efetuada por medida de sólidos coletada em balança com precisão de 0,01g, em um determinado intervalo de tempo, assim como recomendado por Corrêa (2004a).

5 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Na Figura 2, é apresentado o resultado obtido da distribuição granulométrica do resíduo de cerveja utilizado na condução dos experimentos. Com base no histograma observa-se que mais de 60% da amostra foi retira na peneira de 2,83mm, aproximadamente 10% foi retira na peneira de 1mm e 20% na peneira de 2,36mm o restante, sendo este não ultrapassando a 10%, ficaram retidos nas peneiras de 4,75 e 5,66mm. A partir destes resultados foi possível calcular o diâmetro médio de Sauter através da Equação 1, o valor obtido foi de 2,23 mm. Fração mássica retida (%) ,36 2,83 4,75 5,66 Diâmetro da peneira (mm) Figura 2: Fração mássica retida em cada peneira. Na Tabela 2 estão reunidos os resultados experimentais, razão entre vazão mássica do ar (W ar ) e de sólidos (W p ), temperatura do ar de secagem (T ar ), temperatura da partícula na entrada do ciclone (T p ), teor de umidade inicial do bagaço de cerveja (X i ) após a prensagem e suas respectivas respostas, redução do teor de umidade (RU) e tempo de residência (t res ) durante o processo de secagem do bagaço de cerveja no ciclone. Os resultados apresentados na Tabela 2 mostram que o processo de secagem do bagaço de cerveja apresentou uma redução no teor de umidade do resíduo entre 10 a 21%. O ensaio que apresentou o menor valor na redução de umidade (RU) foi o ensaio 1 que corresponde ao menor valor de temperatura (90ºC) e maior valor da relação entre a vazão de sólidos e a vazão do ar de secagem (15,89 x 10-3 kg/s). Já o maior valor de RU foi encontrado para o ensaio 4 o qual foi utilizada a maior temperatura do ar de secagem (170ºC) e menor relação entre a vazão de sólidos e a vazão do ar de secagem de secagem (9,283 x 10-3 kg/s). Assim, a partir dos testes experimentais notou-se que o aumento da temperatura e diminuição da razão Wp/War favorece a redução de umidade do material.

6 Tabela 2 Resultados experimentais da secagem do bagaço de cerveja. Ensaios W p / W ar T ar T p X i X 0 RU t res x (10 3 ) (ºC) (ºC) (%) (%) - (s) 1 15, ,58 70,96 0,105 0, , ,58 69,63 0,125 0, , ,58 66,44 0,165 0, , ,58 62,80 0,210 0,674 Para o tempo de residência no secador ciclônico valores variando de 0,374 a 0,921s são mostrados na Tabela 2. Observou-se que para uma mesma temperatura o tempo de residência aumenta com a redução da razão Wp/War. Estes resultados não corroboram com os encontrados por Corrêa et al. (2014) e por Oliveira et al. (2011) durante o processo de secagem de borra de café e bagaço de cana no mesmo secador ciclônico utilizado neste trabalho. Esta divergência pode ser atribuída ao fato do tempo de residência depender de outras variáveis, tais como: características das partículas e características geométricas do ciclone as quais não foram estudadas na condução deste trabalho (Corrêa et al., 2004b). 4. CONCLUSÕES Com base nos resultados apresentados foi verificado que o processo de secagem do bagaço de cerveja apresentou um aumento no parâmetro de redução de umidade (RU) com o aumento da temperatura do ar de secagem e diminuição da razão Wp/War. Para o tempo de residência foi observado que para uma mesma temperatura o tempo de residência aumenta com a redução da razão Wp/War. Contudo, estudos mais aprofundados são necessários visto que o tempo de residência depende de outras variáveis como características das partículas e características geométricas do ciclone as quais não foram avaliadas. O ciclone aqui estudado mostrou-se eficiente na redução do teor de umidade do bagaço de cerveja em baixo tempo de residência. Assim, pode-se sugerir o uso deste equipamento como um secador de bagaço de cerveja.

7 5. NOMENCLATURA b.u. base úmida [-] D Diâmetro médio de Sauter [L] D i Diâmetro [L] m Massa [M] m res Massa de sólidos remanescente [M] RU Redução do teor de umidade t res Tempo de residência [T] T ar Temperatura do ar de secagem [Ɵ] T p Temperatura das partículas [Ɵ] War Vazão de ar [MT -1 ] Wp Vazão de sólidos [MT -1 ] x i Fração mássica [-] X 0 Teor de umidade do material na de saída do ciclone [%] X i Teor de umidade do material antes de entrar no alimentador [%] 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e à FAPEMIG pelo apoio financeiro. 7. REFERÊNCIAS ALIYU, S.; BALA, M. Brewer s spent grain: A review of its potentials and applications. AJB, v. 103, n. 3, p , SINGH, R.; SHUKLA, A.A review on methods of flue gas cleaning from combustion of biomass.ren. Sustain. Energy R., v. 29, p , CORRÊA, J. L. G.; GRAMINHO, D. R.; SILVA, M. A.; NEBRA, S. A.Cyclone as a sugar cane bagasse dryer. Chin. J. Chem. Eng., v. 12, p , 2004a. CORRÊA, J. L. G.; GRAMINHO, D. R.; SILVA, M. A.; NEBRA, S. A. The cyclonic dryer: a numerical and experimental analysis of the influence of geometry on average particle residence time. Braz. J, Chem.Eng., v. 21, p , 2004b. SILVA, M.A.; NEBRA, S.A. Numerical simulation of drying in a cyclone.drt 1997, 15, NEBRA, S.A.; SILVA, M.A; MUJUMDAR, A.S. Drying in Cyclones - A Review.DRT 2000, 18, DIRGO, J.; LEITH, D. Design of cyclone saparators.in: Cheremisinoff, N.P. (Ed.) Enccyclopediaoffluidmechanics. New York: Gulf, p , FOUST, A. S. Princípios das operações unitárias. Editora LTC, Rio de Janeiro,1982. FUMAGALLI, F. Estudo da secagem das sementes de Brachiariabrizantha p. Tese

8 (Doutorado em Engenharia Química) - Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, LEDE, J.; LI, H.Z.; SOULIGNAC, F.; VILLERMAUX, J. Measurement of solid particle residence time in cyclone reactor A comparison of four methods.chemicalengineeringandprocessing 1987, 22, LIMA, U. A. Matérias-primas dos Alimentos. São Paulo: Ed Blucher, p. MUSSATO, S. I.; DRAGONE, G.; ROBERTO, I. C. Brewers spent grain: generation, characteristics and potential applications. J. Cereal Sci., n. 43, p. 1-14, OLIVEIRA, L. F.; CORREA, J. L. G.; TOSATO, P. G.; BORGES, S. V.; ALVES, J. G.L.F.; FONSECA, B. E. Sugarcane bagasse drying in a cyclone: influence of device geometry and operational parameters. Dry.Technol.., v. 29, p , REHM, H.J.; REED, G. Biotechnology. v.3, 1st Edition, Germany: VerlagChemie, Corrêa, J.L.G.; SANTOS, J. C. P.; Fonseca, B.E., Carvalho, A. G. S.Drying of spent coffee grounds in a cyclonic dryer Coffee Sc., v. 9; TSCHOPE, E. C. Microcervejarias e Cervejarias: A história, a arte e a tecnologia. São Paulo: Editora Aden, 2001.