Seleção de Processos e Equipamentos de Secagem

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1 Seleção de Processos e Equipamentos de Secagem KIL JIN PARK GRAZIELLA COLATO ANTONIO RAFAEL AUGUSTUS DE OLIVEIRA KIL JIN BRANDINI PARK Palestra, 01 de agosto de 2006.

2 I. PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS Desde a antiguidade a humanidade tem-se preocupado em racionalizar as fontes de alimentos. Para tanto, desenvolveu empiricamente métodos artesanais de conservação e de transformação de alimentos. A remoção de água de alimentos sólidos surgiu como uma forma de reduzir a atividade de água (a w ) para inibir o crescimento microbiano, evitando assim a deterioração do mesmo. Esta remoção passou a ter grande importância na redução dos custos energéticos, de transporte, embalagem e armazenagem destes alimentos. O método mais antigo de processamento de frutas é a secagem pelo sol. No antigo Egito, uvas eram secas por exposição ao sol sem nenhum tratamento prévio. Outro método usado para a conservação de uvas foi a fermentação, através da qual se produzia vinho e vinagre. As leveduras, nessárias para o processamento, estavam presentes na própria pele das frutas enquanto que a taxa e a extensão da fermentação podiam ser controladas pela adição de mel. A temperatura era controlada através do armazenamento em cavernas e a exposição ao ar (oxigênio) era reduzida pelo uso de recipientes de cerâmica especiais. Com o passar dos séculos os conhecimentos foram tornando-se maiores e a indústria de vinhos e vinagres passou a apresentar produtos com melhor qualidade. A condimentação é um processo que também vem sendo utilizada para a conservação de frutas desde os tempos antigos. Em geral, os condimentos contêm álcool que atuam como antioxidante, além de adicionar sabor, cor e aroma às frutas. Outro método de preservação que tem sido usado desde os tempos bíblicos é a preservação química de frutas pelo uso de vinagre, vinho, açúcar e sal. O grande salto em relação aos processos de conservação de frutas aconteceu com o inicio dos tratamentos térmicos, com a preservação de frutas pelo calor. Nicholas Appert aperfeiçoou o processamento térmico de frutas, vegetais e carnes e publicou seu método em 1810, recebendo francos do Governo da França por seu trabalho. Desde então a tecnologia dos tratamentos térmicos vem sendo desenvolvida e inovada. A alimentação constitui uma das atividades humanas mais importante, não só por razões biológicas evidentes, mas também por envolver aspectos sociais, psicológicos e econômicos fundamentais na dinâmica da evolução das sociedades. Os recursos envolvidos em alimentação, em termos de mercado, são consideráveis, perfazendo um montante bastante superior a setores como o automobilístico, eletrônico ou de armamento. Notam-se mudanças expressivas nos padrões de consumo alimentar, das populações urbanas, em dois diferentes sentidos. Num primeiro, a valorização de produtos sãos, limpos de resíduos de insumos e frescos, que levam à demanda de produtos naturais. E noutro sentido, desenvolve-se uma valorização dos aspectos de praticidade e funcionalidade dos produtos (rapidez no preparo, longa conservação, adaptabilidade a diversas necessidades, acessibilidade, informação e diferenciação). A tendência de agregação crescente de valor aos produtos primários, no sentido de oferecer maior diversidade de opções e praticidade de consumo, implica em uma elevação do custo deste produto alimentar, após sucessivas agregações de valor na cadeia produtiva e também em uma redução nos efeitos das oscilações de preços pagos ao produtor sobre o custo final dos alimentos. A produção, então, pode ser completamente absorvida pela indústria e pelos canais de circulação e distribuição. Com esta visão, a obtenção de novas possibilidades de aproveitamento dos produtos agropecuários permitiu que as exportações tivessem participação mais expressiva de produtos com valor agregado mais elevado. 1

3 Além disso, a necessidade de diversificação permanente de linha de produção confere à tecnologia de produto/processo uma importância fundamental nas estratégias de concorrência das empresas. A relação da indústria de alimentos com o segmento agropecuário se caracteriza pelo fato de que, ao estabelecer como um dos principais fatores de concorrência a diferenciação de produtos, exige do segmento agropecuário a garantia de fornecimento de matérias-primas com determinadas especificações de qualidade em quantidades e custos adequados à operação do setor industrial. Serve como um elemento de difusão do progresso técnico aos agricultores JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DA SECAGEM A tecnologia da conservação de alimentos consiste, atualmente, na aplicação de alguns princípios físicos ou químicos tais como: uso de altas e baixas temperaturas, eliminação de água, adição de substâncias químicas, uso de certas radiações e filtração. Resultam desses processos transformações físico-químicas capazes de prolongar a vida do alimento. Assim, alguns processos tecnológicos da conservação de alimentos conhecidos atualmente podem ser aplicados, como: altas temperaturas, baixas temperaturas, eliminação de água (desidratação osmótica, secagem, liofilização, concentração e prensagem), aditivos químicos e irradiação. Os novos comportamentos alimentares observados ressaltam que as pessoas estão dando menos importância às refeições tradicionais e, concomitantemente, aumentando as preocupações com relação à nutrição e à procura por refeições equilibradas e saudáveis, embora diminua o tempo disponível para ocupar-se com a alimentação. Com o surgimento das necessidades das pessoas passarem a maior parte do tempo no trabalho e, por isso, fazer refeições fora de casa, surgiu também a procura por alimentos prontos e semi-prontos. A rapidez e a facilidade no preparo destes alimentos foram tidas como as grandes vantagens destes alimentos e, assim, o consumo destes produtos cresceu muito. Devido ao consumo desse tipo de produto, os alimentos secos ficaram em segundo plano, havendo então um desaquecimento deste método de conservação. Atualmente percebe-se um refortalecimento da secagem de produtos agropecuários devido à retomada da discussão da recuperação da qualidade da vida, que insere a importância de preparo de refeições saudáveis, mas com as limitações do tempo imposto pela vida moderna. Outro fator é a crescente demanda das indústrias que produzem alimentos chamados de instantâneos (prontos e semi-prontos) que utilizam alimentos secos como matéria-prima. A facilidade de manuseio e de armazenagem dos produtos secos também é um importante fator no atual mundo globalizado. Além disso, os alimentos secos retomam seu mercado devido ao seu preço compatível com os alimentos processados denominados de pratos-prontos. II. OBJETIVO DA SECAGEM O objetivo máximo de qualquer processamento é a manutenção das qualidades do produto. Portanto, para o dimensionamento e controle ótimos de processos e equipamentos de processamentos é necessário quantificar a deterioração de qualidade do material que está sendo manuseado. A qualidade de um produto depende do uso final que será feito desse produto, o que, por sua vez, dirá quais as características que deverão ser conservadas no mesmo. Assim, é o critério de conservação de qualidade que dita o tipo de processo de secagem e armazenamento. Para os materiais biológicos, não existe um modelamento único das condições físicas que sirva de critério de qualidade. Como conseqüência, existem vários modelos, em geral um modelo específico para cada matéria prima e processo empregado. 2

4 2.1. OS PRINCIPAIS CRITÉRIOS DA QUALIDADE Os principais critérios utilizados para a determinação da qualidade são: Critérios de deterioração: origem biológica, microbiológica, enzimática, mecânica, química e física; Critério da composição: química e nutricional. Do ponto de vista de processo e equipamento, os parâmetros utilizados são: Definição do problema e matéria-prima; Seleção do processo; Seleção de secadores; Dimensionamento de Secadores; Simulação e Otimização. III. FATORES RELACIONADOS AO MATERIAL 3.1. CLASSIFICAÇÃO Os produtos agrícolas são classificados em dois grandes grupos do ponto de vista de perdas após a sua colheita. Os grãos são classificados como deterioráveis, pois se enquadram nos produtos que deterioram lentamente. E, portanto, não necessitam de sistemas sofisticados para a sua conservação. Os produtos que deterioram rapidamente são classificados como produtos perecíveis (frutas, hortaliças e etc.). Estes produtos exigem baixas temperaturas para a sua conservação, isto é, +5 a +15 o C para produtos pouco perecíveis; 5 a +5 o C para produtos medianamente perecíveis; e abaixo de 10 o C para produtos altamente perecíveis COMPOSIÇÃO As propriedades dos alimentos in natura afetam tanto a transferência de calor como de massa e ambas podem ter efeitos importantes nas características dos alimentos secos. Um dos importantes parâmetros do material que será seco é o conteúdo de umidade do produto. O conteúdo de umidade de um produto é a proporção direta entre a massa de água presente no material e a massa de material que não contém água, ou massa seca. A água é um dos mais importantes componentes dos alimentos, afetando todas as suas propriedades físicas. A forma como a água afeta a natureza física e as propriedades dos alimentos é complicada devido à interação entre a água e o meio, o que envolve a estrutura física e a composição química dos diversos solutos incluindo polímeros e colóides ou partículas dispersas. É possível estabelecer uma relação estreita entre o teor de água livre no alimento e sua conservação. O teor de água livre é expresso pela atividade de água (a w ) que é dada pela relação entre a pressão de vapor de água em equilíbrio sobre o alimento e a pressão de vapor de água pura, à mesma temperatura, ou seja, a umidade relativa em equilíbrio com o produto na temperatura considerada. 3

5 O valor máximo de atividade de água é 1, para a água pura. Nos alimentos ricos em água, a a w acima de 0,90 forma soluções diluídas com os alimentos servindo de substrato para reações químicas e o desenvolvimento microbiano. Entre 0,40 e 0,80 há uma aceleração das reações químicas pelo aumento da concentração dos substratos. Próximo a 0,60, cessa a atividade microbiana e para a w inferior a 0,30 atinge-se a zona de adsorsão primária. As isotermas de sorção são as curvas de equilíbrio, compostas pelas umidades de equilíbrio do material correspondentes às umidades relativas (ou atividade de água) para uma dada temperatura. Pela isoterma de sorção sabe-se se será possível atingir uma umidade de equilíbrio boa para conservação do produto, a uma dada temperatura e umidade relativa (ou atividade de água). O conhecimento destas curvas de sorção é indispensável para determinar o teor de água final necessário para estabilizar o produto NOVAS FERRAMENTAS DE CONTROLE A estabilidade é uma característica extremamente desejável em alimentos. Ao adquirir um produto, o consumidor deseja que a sua qualidade seja mantida pelo maior tempo possível, tanto do ponto de vista microbiológico quanto do sensorial. No entanto, os alimentos são formados por diversos componentes que estão sujeitos às variações de condições do ambiente e, conseqüentemente, a uma série de alterações que podem resultar na perda de qualidade e até na completa deterioração desses materiais. Com os avanços tecnológicos têm surgido novas ferramentas de controle que estão sendo aplicadas na área acadêmica e industrial. Essas ferramentas possibilitam um controle mais exato de processos de alimentos e conseqüentemente sua maior e melhor conservação. Algumas dessas ferramentas que tem apresentado excelentes resultados é a determinação da transição vítrea e a utilização da microscopia ótica e eletrônica Transição vítrea De acordo com ROOS (1995), o estado físico dos alimentos geralmente é governado pela transição de fase dos seus principais componentes. Uma vez que a água é o principal componente e diluente na grande maioria dos alimentos, ela deve afetar significativamente o estado físico e a as propriedades dos demais compostos. Compostos quimicamente puros geralmente são estáveis. No entanto, os alimentos são formados por uma combinação de diferentes componentes e, por essa razão, geralmente existem em um estado de não-equilíbrio amorfo. Materiais amorfos são compostos susceptíveis às mudanças de temperatura e pressão do ambiente, de modo que pequenas variações nas condições ambientes podem provocar mudanças de estado em alguns componentes, causando mudanças estruturais indesejáveis. A mudança de fase mais comum em alimentos é a transição vítrea, que consiste em uma transição de fase de segunda ordem de um estado sólido-vítreo para um estado semi-líquido gomoso. A transição vítrea de um composto ocorre a uma certa temperatura, denominada temperatura de transição vítrea (Tg), que é variável com a composição do alimento, principalmente com a umidade. A textura é um dos atributos sensoriais de maior importância em alimentos e está diretamente relacionada com o seu estado físico. Durante o processamento e a armazenagem, os alimentos estão sujeitos a uma série de variações na sua composição e nas condições de temperatura e pressão do ambiente, as quais levam a alterações no seu estado físico e, conseqüentemente, na sua textura. O conhecimento da temperatura de transição vítrea em função da concentração de água é de 4

6 extrema importância na formulação e na determinação das condições ideais de processamento e armazenagem de alimentos, de forma a manter a qualidade do produto pelo maior tempo possível Microestrutura Os alimentos são sistemas complexos, pois não são compostos puros, mas sim uma combinação de uma grande variedade de componentes, tais como carboidratos, lipídeos, proteínas, fibras e água, portanto, um outro fator de grande importância é a orientação dos constituintes (fibras, gordura, etc.), pois, poucos alimentos são homogêneos em nível molecular e a velocidade de remoção de água será mais rápida quando os constituintes dos alimentos, que dificultam a saída de água, estiverem alinhados com a fonte de calor. A estrutura do alimento é de grande importância em todos os aspectos de funcionalidade. Realmente, a organização microscópica da água e de outros componentes do alimento governa as informações macroscópicas que estão sendo observadas através de instrumentação, isto é, podem ser criadas áreas muito heterogêneas no interior do alimento fazendo com que ocorram grandes modificações na estrutura e textura do produto final. De acordo com AGUILERA e STANLEY (1990), define-se como microestrutura de alimentos a organização dos componentes de um alimento e suas interações. Ao sofrer processamento, a microestrutura do alimento é destruída e reconstituída, o que poderia ser entendido como uma série de operações de reestruturação e reorganização. O reconhecimento da microestrutura de alimentos está agora sendo reconhecido como um pré-requisito necessário para entender suas propriedades. Todos aqueles que têm interesse em descrever, prever e controlar o comportamento de materiais alimentícios reconhecem a importância do verdadeiro reconhecimento da maneira como os componentes estão organizados, já que existe uma conexão entre a estrutura e sua funcionalidade. A microscopia (óptica, eletrônica ou atômica) e outras técnicas de imagens (como ressonância magnética) são técnicas apropriadas para análise de estrutura de alimentos por serem somente um método analítico que fornece resultados em forma de imagens. Estas técnicas são utilizadas para examinar alimentos que sofrem processos semelhantes, podendo ser visualizado o comportamento do alimento em termos de morfologia e composição. IV. CONCEITOS E FUNDAMENTOS DO PROCESSO A secagem tem a finalidade de eliminar um líquido volátil contido num corpo não volátil, através de evaporação, portanto, é a operação na qual a atividade de água de um alimento é diminuída pela remoção da água, através de sua vaporização. O tipo de secagem a ser utilizado depende, dentre outros fatores, do produto a ser desidratado, da sua constituição química e das características físicas do produto final desejado. Durante a secagem é necessário o fornecimento de calor para evaporar a umidade do material, também deve haver um sorvedor de umidade para remover o vapor de água formado a partir da superfície do material a ser seco. Do ponto de vista de fornecimento de calor, os mecanismos básicos de transferência de calor empregados indicam os possíveis equipamentos necessários ao processo. A retirada do vapor de água formado na superfície do material é analisada do ponto de vista de movimento do fluido (mecânica dos fluidos), indicando também os possíveis equipamentos para esta finalidade. Finalmente, as considerações sobre como água é transportada do interior do sólido à superfície fundamentam as teorias existentes na secagem. 5

7 Todas estas considerações, tais como, conteúdo inicial de umidade do material, conteúdo final de umidade que o material pode chegar (umidade de equilíbrio), como a água está relacionada com a estrutura do sólido e como o transporte da água é feito do interior à superfície do sólido durante a secagem servem para fundamentar o fenômeno de secagem. No entanto estamos longe de estabelecer uma única relação teórica que possibilite generalizações para tratamentos na secagem. Estas transferências internas de massa são influenciadas por dois fenômenos particularmente importantes para os produtos biológicos: a migração dos solutos e a deformação do produto. Os métodos de cálculo da cinética de secagem são aplicados de modo diferente dependendo do período de secagem considerado. No período de taxa de secagem constante, as transferências de calor e de massa na interface ar-produto governam a secagem e fixam a velocidade de secagem, enquanto que no segundo período (período de taxa de secagem decrescente) as transferências internas que são limitantes. Portanto, a eficiência do processo de secagem depende das propriedades do alimento, das propriedades do ar de secagem, da umidade relativa, da velocidade do ar de secagem e da temperatura. V. EQUIPAMENTO Cada secador atende às diferentes necessidades de processo, que, em geral estão intrinsecamente vinculadas ao produto. O conhecimento das propriedades do material a ser seco é a primeira exigência para dimensionamento de um secador. Para o projeto apropriado de um secador são necessários o conhecimento do comportamento dos secadores e sua adequação nos processos, além do conhecimento das características do produto a ser seco. Em geral, os processos estão diretamente relacionados ao produto. Cada tipo de secador operando de um modo diferente atende às exigências de processo de diferentes produtos, conforme exemplificada na Tabela 1. Tabela 1 - Relação dos produtos com seus secadores mais adequados. Secador Produtos Filme Granulares Lama Líquido Lodo ou pasta Pasta compacta Pré-formados Sólido fibroso Agitado Bandeja Com ar Circulado Esteira Fluidizado Pneumático Rotativo Direto Rotativo Indireto Spray Tambor O segundo passo no dimensionamento de secadores exige o conhecimento do equipamento a ser usado na secagem. 6

8 Os secadores são classificados de diversas formas, uma delas é segundo o modo de operação de cada secador. (Figura 1) Secador Batelada Condução Convecção Vácuo Atmosfera Bandeja Bandeja Agitado Com circulação de ar Fluidizado Contínuo Condução Convecção Vácuo Atmosfera Spray Rotativo direto Bandeja Tambor Rotativo indireto Pneumático Esteira Fluidizado Bandeja Com circulação de ar Figura 1 - Classificação de secadores segundo o modo de operação. 7

9 VI. SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO A Figura 2 apresenta o algoritmo de KEEY para o projeto de um secador. O projeto, o dimensionamento e a otimização de secadores apresentam custo razoável. Diminuir este custo seria interessante para permitir um maior acesso ao equipamento. Além disso, nos últimos anos a tecnologia da informação vem crescendo em ritmo acelerado. Com a massificação do uso do computador, tecnologias de rede e facilidades de comunicação, a necessidade do desenvolvimento de aplicativos para um atendimento rápido ao cliente é óbvia. Portanto, a simulação e posterior otimização de projetos de secadores tornam-se ferramentas essenciais para adequar estes equipamentos às demandas atuais do mercado. Para que a seleção, o dimensionamento, a simulação e a otimização do projeto de secadores sejam estruturadas é necessário o conhecimento dos modelos, restrições e variáveis de controle envolvidas no projeto. Etapas finais, a simulação (representação do fenômeno físico através de um modelo matemático) do comportamento e a otimização do secador, são o fechamento do projeto de um secador. O projeto permite finalmente a avaliação dos custos e a viabilidade da instalação. As vantagens em se trabalhar com o modelo em lugar do processo real são: As relações no modelo podem ser facilmente especificadas e manipuladas matematicamente, no mundo real as relações entre os processos e entre as variáveis do processo são incertas; O modelo destaca os pontos relevantes do processo permitindo desconsiderar aspectos do problema que não são objeto da resolução que seriam obrigatoriamente observados em uma análise real ; Pode-se inferir o comportamento do processo no domínio em que o modelo se baseia. A otimização consiste na maximização ou minimização de uma característica do equipamento. No caso do algoritmo, a otimização tem por objetivo minimizar o custo do secador e/ou maximizar a qualidade do produto. A otimização se desenvolve em quatro elementos básicos: 1. Função Objetivo. Esta função representa a característica a ser maximizada (ou minimizada). Seja o lucro, o custo ou a qualidade, a função objetivo direciona a solução do problema. 2. Variáveis de Controle. São os parâmetros do problema que podem ser ajustados para modificar a(s) característica(s) que está(ão) sendo otimizada(s). As variáveis de controle podem ser independentes ou não. 3. Restrições. Toda otimização tem múltiplas soluções e deve ser restrita para que uma solução real seja indicada. As restrições limitam as variáveis de controle ou outras variáveis dependentes de modo a descrever o comportamento do sistema. Na maioria dos problemas os limites impostos nas restrições provêm do conhecimento anterior do problema. 4. Modelo Matemático. É a representação matemática do problema considerado. Também, é do modelo matemático que são indicadas: as restrições, as variáveis de controle e a função objetivo. O modelo permite visualizar o impacto da otimização da 8

10 função objetivo sobre o desempenho global do problema desenvolvido na simulação. Por isso a otimização pode ser compreendida como uma extensão da simulação. PROJETANDO UM SECADOR Coleta de informações Experiências Conhecimento dos materiais Sim Não Isotermas de sorção Cinética de secagem Informações sobre o material, o equipamento e o processo Conhecimento do equipamento Não Sim Conhecimento do processo Não Testes Sim Balanços Tempo de residência Dimensões principais Comportamento dinâmico CUSTOS OTIMIZANDO UM SECADOR Figura 2 - Algoritmo de KEEY para o projeto de um secador. 9

11 VII. CONSIDERAÇÕES FINAIS A agricultura sempre representou, em economias capitalistas, um setor estratégico para o desenvolvimento econômico. Pelo próprio fato deste setor anteceder historicamente aos demais setores, pode-se concluir que o desenvolvimento da economia ocorre, em um primeiro momento, pela transferência de renda do setor agrícola, principal gerador da riqueza em economias tradicionais, para o setor industrial e de serviços. Classicamente, as funções da agricultura para o desenvolvimento econômico têm sido a liberação de mão-de-obra para o setor industrial, o suprimento de capital para financiamento de investimentos industriais, o suprimento de divisas estrangeiras através da exportação de produtos agrícolas, a criação de um mercado interno para produtos industriais, e o fornecimento de produtos alimentícios e matérias primas a custos constantes ou decrescentes. A contribuição da secagem no setor agro-industrial quanto à minimização de perdas póscolheita assim como a função de agregar valor ao produto final deve ser ressaltada. Assim, a engenharia que atende as necessidades da sociedade, principalmente das indústrias, deve se especializar e incorporar a ciência para o desenvolvimento do setor secundário. VIII. REFERÊNCIAS [1] AGUILEIRA, J. M.; STANLEY, D. W. Microstructural: Principles of Food & Engineering. 1. ed. Cambridge: Elsevier Applied Science, p [2] ALONSO, L.F.T., PARK, K. J. Método de seleção de secadores. Ciência e tecnologia de Alimentos, 25 (2): , abr.-jun [3] ANTONIO, G. C. Avaliação do efeito dos pré-tratamentos de desidratação osmótica e secagem HTST na obtenção de snacks de batata doce (Ipomoea batatas Lam) Tese (Doutor em Engenharia de Alimentos) - Faculdade de Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [4] KEEY, R. B. Drying: principles and practice. International Series of Monographs in Chemical Engineering, vol. 13. Oxford: Pergamon Press p. [5] KEEY, R. B. Drying: principles and practice. Oxford: Pergamon Press, 1972, 358 p. [6] KEEY, R. B. Introduction to industrial drying operations. Oxford: Pergamon Press, 1978, 376 p. [7] NONHEBEL, M.A., MOSS, A.A.H. Drying of solids in the chemical industry. London: Butterworth & Co., 1971, 299 p. [8] OLIVEIRA, R.A. Obtenção da matéria-prima seca da inulina utilizando secadores contínuos Qualificação (Doutorado em Engenharia Agrícola) Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [9] PARK, K.J. Estudo Comparativo de Coeficiente de Difusão sem e com encolhimento. Tese de Livre-Docência, Campinas, UNICAMP, [10] PARK, K.J.B. Construção de um simulador para otimização de secadores Qualificação (Doutorado em Engenharia Agrícola) Faculdade de Engenharia Agrícola, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, [11] ROOS, Y. H. Phase transitions in foods. San Diego, California: Academic Press