CINÉTICA DA SECAGEM DE MAÇÃ EM SECADOR CONVECTIVO

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1 CINÉTICA DA SECAGEM DE MAÇÃ EM SECADOR CONVECTIVO 1 Vanderlei Constantino de Souza, 2 Gilnei Carvalho Ocácia 1 Graduado em Engenharia Química/ULBRA 2 Professor Doutor do Curso de Engenharia Química/ULBRA 1,2 Curso de Engenharia Química da Universidade Luterana do Brasil. Av. Farropilha, 8001, Bairro São José, Campus Canoas, Canoas - RS, CEP vanderleilei@bol.com.br RESUMO - Foi realizada a secagem de maçã em secador convectivo com o objetivo de obter dados experimentais. Esses dados foram ajustados a um modelo considerado adequado, e a partir deste ajuste determinou-se coeficientes de difusão efetivos para fatias de maçã. As fatias foram obtidas em forma geométrica de placa plana infinita. Os experimentos ocorreram com o tempo de secagem e temperatura do ar controlados pelo método gravimétrico até que o sistema entrasse em equilíbrio. Através de um secador convectivo, com fluxo de ar horizontal, foram determinadas as curvas de secagem da maçã nas temperaturas de 55 ºC, 60 ºC e 70 ºC e velocidades de fluxo de ar 0,5 e 1,0 m.s -1. Com isso, os dados experimentais foram analisados utilizando-se a Segunda Lei de Fick com três termos da série; as difusividades efetivas médias para as temperaturas de 55 ºC, 60 ºC e 70 ºC com fluxo de ar de 1,0 m.s -1 foram, respectivamente, 4,987 x m 2.s -1, 9,561 x m 2.s -1 e 9,450 x m 2.s -1 e de 4,918 x m 2.s -1, 1,006 x 10-9 m 2.s -1 e 1,385 x 10-9 m 2.s -1 para 0,5 m.s -1. Palavras-Chave: coeficiente de difusão efetivo, conservação de energia e massa, secador convectivo. INTRODUÇÃO Técnicas que visam conservar alimentos têm sido empregadas desde os primórdios da humanidade. Estas vêm sendo constantemente estudadas e aperfeiçoadas para obtenção de produtos com maior qualidade e menor tempo de processamento. Segundo Gava (2004), no transcorrer dos séculos sempre existiu uma técnica empírica de conservação de alimentos. Algumas dessas técnicas existem até hoje, como exemplo que lembram com bastante exatidão os processos empregados no passado pode ser citado: a secagem, a defumação, o emprego do sal, do vinagre e do álcool. De acordo com Evangelista (2005) & Ordoñez (2007) a secagem, como procedimento de conservação, é utilizada nos dias de hoje dentro dos moldes e controles tecnológicos, tendo abandonado as antigas formas empíricas. A dessecagem consiste no transporte de um líquido que esta presente em um sólido compacto ou poroso (frutas, hortaliças, vegetais entre outros) para uma fase gasosa não saturada, através de transferências de calor e massa. Esta operação possui em relação aos outros métodos de conservação como o congelamento, a vantagem de conservar o produto sem utilizar equipamentos de refrigeração fazendo com que tenha uma maior economia de energia. O cultivar da macieira é abundante em água cerca de 85% em massa e durante a sua maturação gera condições necessárias para que ocorram processos bioquímicos, biofísicos e biológicos inviabilizando o seu consumo (Atungulu et al., 2004). Por possuir boa textura e acidez, além de ter um alto teor de açúcar e potássio é um alimento plausível de ser desidratado (Cruz, 1990). A maçã, por se tratar de um produto de exportação, deve possuir alta produtividade e uma excelente qualidade quanto ao seu valor nutritivo e sabor, além de uma aparência externa atrativa (Sacilik & Elicin, 2006). A otimização de processos que reduzam as despesas e que proporcionem ganhos de competitividade se faz necessário (Velic et al., 2004 & Wosiacki et al., 204). Para comercializar o pseudofruto fora da temporada de colheita, um dos métodos mais utilizados é o do congelamento, ou seja, conserva sob frio, técnica onde há o controle apenas da temperatura e da umidade relativa, processo que gera investimentos de alto valor econômico, alto gasto de energia, além disso, o seu período de conserva é considerado curto, cerca de 5 meses. Conforme exposto, há necessidade de emprego de outras técnicas de conservação que propiciem um menor gasto de energia e um maior tempo de conserva, dentro as quais se destaca a desidratação por ar aquecido (calor por convecção), onde ocorre monitoramento não só da temperatura e da umidade, mas também da VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 concentração. Essa operação unitária, por ser relativamente simples, além de ter grande viabilidade econômica para comercialização de frutas processadas é adequada para desidratação da maça. Neste trabalho foi realizada a secagem de maçã em secador convectivo com o objetivo de obter dados experimentais a fim de ajustá-los a um modelo considerado adequado, e a partir deste ajuste determinar coeficientes de difusão efetivos para fatias de maçã. MATERIAL E MÉTODOS Foi utilizada como matéria prima variedade de maçã Fuji comercial, no estado maduro, com umidade inicial em torno de 85% (base úmida), determinada gravimetricamente em estufa a vácuo a 70 C, conforme metodologia da AOAC (1995). A secagem convectiva foi realizada em um secador com circulação forçada de ar e fluxo horizontal. O sistema elétrico possui 8 resistores em série, que proporcionam o aquecimento do ar de secagem da temperatura ambiente até a temperatura pré-estabelecida para a desidratação. Para medição da temperatura ambiente e da umidade relativa do ar foi utilizado um termohigrômetro modelo texto 608H-1. A velocidade do ar foi controlada por um transistor de freqüência modelo VFSXN-401SP, onde era ajustada a rotação do motor de indução trifásico (marca WEG, modelo 80292, com 0,5 CV) do ventilador. Um anemômetro portátil da marca Lutron modelo AM 4202 verificava a velocidade do fluxo de ar. A Figura 1 representa o secador convectivo utilizado no experimento para obtenção das curvas de secagem. de maturação (Córdova, 2006). A seguir, foram lavadas via água corrente, e cortadas em fatias (fatiador Wedner Silit) de modo que os diâmetros fossem muito maiores que a espessura. As mesmas, possuíam a forma geométrica de rodelas com espessura constante (3 mm) e diâmetros médios variáveis. Após seleção e preparo as amostras tiveram sua massa mensurada com o auxílio de uma balança semi-analítica (modelo AS 500C, Marte) de precisão 0,01 g, imediatamente após eram colocadas em uma bandeja de alumínio de dupla camada (distância entre as camadas de 10 cm) retangular com espessura de 0,1 cm e dimensões de 15 x 20 cm, em seguida o conjunto (bandeja/amostra) era colocado na saída do secador. A secagem convectiva foi realizada com o tempo de secagem e a temperatura do ar controlados pelo método gravimétrico até que o sistema entrasse em equilíbrio. A diferença entre a massa inicial e a massa em equilíbrio indicava a quantidade de umidade retirada, e o tempo do processo era o tempo necessário para que entrasse em equilíbrio (Gonçalves et al., 2003). Dispondo-se dos intervalos de tempo com os respectivos teores de umidade, foi possível determinar o coeficiente de difusão efetivo para cada fase do processo. As amostras foram secas até peso constante para que se pudesse obter a umidade de equilíbrio dinâmico. A umidade relativa, temperatura de bulbo seco (entrada e saída do secador), temperatura de bulbo úmido (saída do secador) e temperatura ambiente também foram mensuradas durante todo o processo de secagem, com auxílio de termopares de cobre constantan conectados a um milivoltímetro com precisão de 0,5 C. Curvas de secagem: Os testes de secagem foram realizados nas temperaturas de 55 ºC, 60 ºC e 70 ºC, com velocidades de fluxo de ar 0,5 m.s -1 e 1,0 m.s -1, com três repetições para cada temperatura. O valor da umidade do ar no final do túnel foi obtido com auxílio da carta psicrométrica. Derivando os dados de umidade do material e tempo, foi possível obter as curvas de secagem adimensional a fim de descrever a operação de secagem. A curva da cinética de secagem foi utilizada para descrever a velocidade de secagem em função do teor de umidade. Modelagem Figura 1. Secador Convectivo com Fluxo de ar Horizontal (dimensões em mm) Procedimento Experimental A cultivar foi selecionada de modo a fornecer amostras adequadas de acordo com tamanho, formato, grau de integridade e estado Utilizou-se a solução analítica da Segunda Lei de Fick (Equação 1) para o estudo do período de taxa decrescente de secagem, considerando a difusão como mecanismo principal de transferência de massa. (1)

3 Como a secagem foi realizada em fatias de maçãs com forma geométrica de placa plana infinita, pôde-se tratar o fenômeno como unidimensional, reduzindo-se a Equação 1, à forma apresentada na Equação 2. (2) Supondo a placa plana infinita, homogênea, com movimento unidirecional de umidade, distribuição uniforme da umidade inicial, resistência externa à transferência de massa desprezível e as seguintes condições, conforme Cremasco (2002): Condição inicial: Tabela 1 Umidade Relativa na Saída do Secador Durante a Operação de Secagem 55 C 60 C 70 C UR (%) UR (%) UR (%) 0,5m.s -1 1 m.s -1 0,5m.s -1 1 m.s -1 0,5m.s -1 1 m.s -1 8, ,5 9,0 7,3 7,0 Conforme a Tabela 1, a menor e a maior umidade relativa na saída do secador foi obtida com fluxo de ar de 1,0 m.s -1, nas temperaturas de 70 C e 55 ºC, respectivamente. As Figuras 2 e 3 apresentam as curvas de secagem experimental e ajustada da maçã em função do tempo, a 55 ºC, 60 ºC e 70 ºC com velocidades de 0,5 m.s -1 e 1,0 m.s -1, nas quais foi aplicado o modelo de Fick com 1, 2 e 3 termos da série. t = 0; C t = C 0 ; para todo z Condições de contorno: t > 0; C t = C e ; z = L t > 0; C = finito; z = 0 A solução da Equação 2, segundo Cranck (1975), apresenta a forma parametrizada mostrada na Equação 3. (3) Figura 2 - Curvas de Secagem Experimental e Ajustada para Diferentes Temperaturas e Velocidade do ar de 0,5 m.s -1. Para utilizar a Segunda Lei de Fick com o objetivo de analisar o comportamento do período decrescente avaliou a difusividade efetiva que conduz a conduta da curva de taxa decrescente. METODOLOGIA ESTATÍSTICA As difusividades efetivas foram analisadas por meio da análise de variância e testes de múltipla comparação de Tukey a um nível de significância de 95%, usando o software Statistic 5.0 (Statsoft, USA). RESULTADOS E DISCUSSÃO Durante os ensaios, tanto a umidade relativa do ar, quanto à temperatura ambiente variaram bastante, podendo mudar rapidamente, em seu transcorrer, de alta UR (70%) para baixa UR (40%), isso se deve ao fato dos procedimentos de dessecação terem sidos realizados nos meses de agosto, setembro, outubro e novembro, sendo que estes períodos apresentaram grandes oscilações climáticas. Figura 3 - Curvas de Secagem Experimental e Ajustada para Diferentes Temperaturas e Velocidade do ar de 1,0 m.s -1. Com o valor da semi-espessura da maçã (L= 0,3 cm) e por meio da resolução do modelo parametrizado da Segunda Lei de Fick (Equação 3) com três termos da série, pode-se calcular a difusividade efetiva média (Tabela 2).

4 Tabela 2 Difusividade Efetiva Média da Maçã Variedade Fuji Comercial T ( C) v (m.s -1 ) D (m 2.s -1 ) 55 0,5 4,918 x ± (1,2 x ) a 1,0 4,987 x ± (9,0 x ) a 60 0,5 1,006 x 10-9 ± (4,0 x ) b 1,0 9,561 x ± (1,2 x ) b 70 0,5 1,385 x 10-9 ±(4,0 x ) bc 1,0 9,650 x ± (5,0 x ) bc média±erro padrão para 2 repetições. Letras iguais em uma mesma coluna indicam que não existe diferença significativa (p>0,05), segundo Tukey. Conforme a Tabela 2 os valores dos coeficientes de difusão efetivos médios de umidade nas fatias de maçã de variedade Fuji comercial aumentaram com o aumento da temperatura do ar de secagem, devido à maior energia fornecida pelo sistema, o que favorece a evaporação da água, mostrando a diminuição das resistências internas de secagem com o aumento da temperatura. Em um processo difusivo não se espera nenhuma dependência do coeficiente de difusão em relação à velocidade, porém foram obtidos valores de difusividade efetivos cada vez maiores com o aumento da velocidade do ar de secagem, conforme aumenta a temperatura. Esse comportamento pode ser explicado pela redução da resistência externa com o aumento do coeficiente convectivo em função do aumento da temperatura do ar de secagem. Este aumento do coeficiente convectivo proporciona um acréscimo na temperatura do material, reduzindo a resistência interna em função do aumento da temperatura (Park et al. 2001). As difusividades quando comparadas a uma mesma temperatura e diferentes velocidades do ar não apresentaram diferenças estatisticamente significativas (p>0,05). CONCLUSÃO Neste trabalho foram determinados valores médios de coeficientes de difusão efetivos a partir do ajuste a dados experimentais obtidos durante secagem de fatias de maçã em secador convectivo. As difusividades efetivas médias para as fatias de maçã, com três termos na série de Fick foram estimadas entre 4,918 x m 2.s -1 e 1,385 x 10-9 m 2.s -1. Pretende-se em trabalhos futuros avaliar o consumo de energia, além de analisar a viabilidade de um tratamento osmótico, visando reduzir o tempo de permanência do produto dentro do equipamento de secagem. NOMENCLATURA C= concentração, kg H2O/ kg matéria seca; C e = concentração de equilíbrio, kg H2O/ kg matéria seca; C 0 = concentração inicial, kg H2O/ kg matéria seca; C t = concentração média no tempo t, kg H2O/ kg matéria seca; D = coeficiente de difusão de massa, m 2.s -1 ; i = número de termos na série de Fick; L = semi-espessura da placa, m; T = temperatura, C; t = tempo, s; UR = umidade relativa, %; v = velocidade, m.s -1 ; r, θ e z = coordenadas cilíndricas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AOAC, Association of Official Analytical Chemists, Official Methods of Analysis, ed. 14, v.1. ATUNGULU, G.; NISHIYAMA, Y.; KOIDE, S., Electrode configuration and polarity effects on physiochemical properties of electric field treated apples post harvest. Biosys Engineering, v. 87, n. 3, p CÓRDOVA, K. R. V., Desidratação osmótica e secagem convectiva de maçã Fuji comercial e industrial, PPGTA/Curso de Tecnologia de Alimentos da UFPR, Curitiba PR (Dissertação de Mestrado), 141p. CRANK, J., The mathematics of difusion. Great Britain, 2ed., Claredon Press, Oxford, 414p. CREMASCO, M. A, Fundamentos de transferência de massa. Campinas: Unicamp. São Paulo SP, 2ª ed. p CRUZ, G. A, Desidratação de alimentos. Editora Globo, São Paulo SP, 208p. EVANGELISTA, J., Tecnologia de alimentos. Editora Atheneu, São Paulo SP. GAVA, A. J., Princípios de tecnologia de alimentos. Editora Nobel, São Paulo SP, 284 p. GONÇALVES, C. A. D., OCÁCIA, G. C., CORDOBA, N., Secagem experimental de fatias de maçãs com temperatura controlada e velocidade do ar constante. Editora ULBRA, Canoas - RS, v. 1. ORDOÑEZ, J. A. P.; ÁLVAREZ, L. F.; SANZ, M. L. G.; Tecnologia de alimentos: Componentes dos alimentos e processos. Editora Artmed, Porto Alegre RS, 294 p. PARK, K. J.; YADO, M. K. M.; BROD, F. P. R. Estudo de secagem de pêra Bartlett (Pyrus sp.) em fatias. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 21, n. 3, p , 2001 SACILIK, K.; ELICIN, A. K. The thin layer drying characteristics of organic apple slices.

5 Journal of Food Engineering, v. 73, n. 3, p , STATISTICA for Windows 5.0. Computer program manual.tulsa, OK: StatSoft, Inc., VELIC, D.; PLANINIC, M.; TOMAS, S.; BILIC, M.; Influence of airflow velocity on kinetics of convective apple drying. Journal of Food Engineering, v. 64, p WOSIACKI, G.; PHOLMAN, B. C.; NOGUEIRA, A. Características de qualidade de cultivares de maçã: avaliação físico - química e sensorial de quinze cultivares. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 24, n. 3, p , AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao laboratório de energia renováveis, da Universidade Luterana do Brasil ULBRA, pelo apoio outorgado durante a realização deste trabalho.