DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS NA SECAGEM DO CYMBOPOGAN CITRATUS (CAPIM-LIMÃO): PARTE I

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1 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 1/6 DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS NA SECAGEM DO CYMBOPOGAN CITRATUS (CAPIM-LIMÃO): PARTE I Peisino, A. L. 1, Alberto, D. L. 1, Bahia, G. S. S. 2 Mendes, M. F. 3 e Calçada, L. A. 3 1 Alunos de Iniciação Científica UFRuralRJ 2 Estagiária SINTEG na UFRuralRJ 3 Docente do DEQ/IT/UFRuralRJ DEQ/ IT/ UFRRJ, BR 465, km, CEP: , Seropédica-RJ calcada@ufrrj.br RESUMO - Em trabalhos anteriores, avaliou-se o efeito da secagem no teor das substâncias presentes no capim limão (Cymbopogan citratus) seco e fresco Mendes et al., 2003). A metodologia destes trabalhos constou da identificação e quantificação dos óleos essenciais presentes nas plantas recém colhidas (frescas) e em plantas secas em um secador de leito fixo, camada delgada. Para extração do óleo essencial das folhas de capim limão utilizou-se o aparelho Clevenger. A composição dos produtos presentes nos extratos foi determinada por cromatografia a gás acoplada ao espectrofotômetro de massas. Os óleos essenciais obtidos do capim limão seco ou fresco caracterizam-se por misturas complexas, devido ao grande número de componentes. Os testes de secagem mostraram que as variáveis temperatura e velocidade do ar de secagem influenciaram as curvas de secagem e ainda, as folhas de capim limão secas apresentaram alterações nas composições dos princípios ativos do óleo essencial obtido. Neste trabalho, foram realizados experimentos de secagem em leito fixo e camada delgada objetivando uma avaliação mais rigorosa dos efeitos das variáveis operacionais no processo, com determinação do coeficiente de transferência de massa que foi correlacionado às variáveis operacionais temperatura e velocidade do ar de secagem. INTRODUÇÃO O capim limão é uma planta de largo uso popular na preparação de chás e seu óleo essencial é usado nas indústrias de perfumes, alimentos e medicamentos. Apesar de sua rusticidade, é necessário estudar técnicas agrícolas novas para aperfeiçoar a produção e a colheita (Koshima et al., 2003). O cymbopogon citratus apresenta aroma característico de limão e, por isto, é chamado geralmente como capim-limão. Seu aroma característico é devido a sua composição, rico em óleos voláteis que apresentam constituintes químicos de grande importância para a indústria. A composição química dos óleos voláteis pode ser variável, de acordo com a diversidade genética, hábitat, e os tratos culturais. A essência do capim limão é uma das mais importantes, isto é devido ao fato desta espécie apresentar em seu óleo essencial três componentes principais, mirceno, geranial e neral (Czepak & Cruciol, 2003). Mostardeiro et al. (2003) analisaram os componentes principais do óleo essencial presente nas folhas úmidas e secas do capim limão pelo método de hidrodestilação usando aparelho

2 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 2/6 clevenger. As folhas frescas apresentaram um rendimento em termos do óleo essencial extraído na ordem de 0,575 ml/100g, enquanto que as folhas secas apresentaram 2,11 ml/100g. Os componentes que se apresentam em concentrações mais altas é geraniol ou citral, neral e mirceno. Witters et al. (2003) observaram uma variação na composição do óleo essencial do capim limão, de acordo com seu estado seco ou natural, 0,70 a 0,90 m/v. Este trabalho tem como objetivo a avaliação dos efeitos de secagem na composição dos óleos essenciais presentes nas folhas de capim limão. A partir dos dados experimentais de curvas de secagem, foram ajustados os parâmetros de um modelo matemático objetivando simular as curvas de secagem e correlacionar as variáveis operacionais importantes neste processo. Foram determinados os coeficientes de transferência de massa e a energia de sorção da água presente nas folhas. MATERIAIS E MÉTODOS O capim limão foi colhido no Jardim Botânico da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro. A metodologia consistiu na avaliação da secagem das diferentes partes da planta. A extração do óleo essencial presente nas diferentes partes da planta foi realizado em um aparelho Clevenger (Figura 1), adaptado a um balão de fundo redondo com um volume de 1000 ml, usando a mesma metodologia descrita em Radünz et al. (2002). Figura 1 - Aparelho de Clevenger. O balão foi alimentado com, aproximadamente, 22 g das diferentes partes da planta, seca ou fresca, acrescentando 500 ml de água destilada a cada extração, iniciando o processo de hidrodestilação. O tempo de extração variou de 60 a 240 min. No fim da extração, obtém-se o hidrolato, uma mistura de óleo e água. A separação da água do óleo foi executada com três extrações usando 50 ml de heptano, para cada extração, em um funil de separação. A fração orgânica obtida foi tratada com sulfato de magnésio em excesso. A solução foi filtrada e concentrada em um evaporador rotativo. A análise dos componentes presentes nos óleos essenciais foi feita por meio de um cromatógrafo a gás. As experiências de secagem foram realizadas nas condições de temperaturas de 40, 50 e 60 ºC e nas condições de velocidade superficial do ar de 0,2, 0,5, e 0,8 m.s -1, objetivando a avaliação do efeito destas variáveis nas curvas de secagem e na composição dos óleos essenciais obtidos. A unidade de secagem, esquematizada na Figura 2, foi usada para as experiências em convecção forçada. As curvas de secagem são expressas em função da umidade das folhas da planta. É assumido que a camada de material é fina o bastante a fim de não alterar as propriedades do ar que o percola, ou seja, uma camada delgada. A umidade das folhas foi obtida por meio da pesagem direta do leito fixo em intervalos de tempo previamente estabelecidos. O secador, item 8 da Figura 2, apresenta 0,1 m de altura de leito e 0,1 m de diâmetro. As temperaturas do ar foram registradas pelos termopares instalados na direção axial do secador. A umidade do ar de secagem foi obtida através de psicrômetros (constituídos por termômetros de bulbo seco e bulbo úmido). O fluxo de ar de secagem foi medido por um rotâmetro instalado na

3 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 3/6 alimentação do soprador. A temperatura da alimentação foi controlada durante a realização dos experimentos. O controlador utilizado foi do tipo PID. A análise qualitativa do óleo essencial obtida era determinada em um cromatógrafo modelo HP A coluna usada foi HP5 com 0,25 μm de espessura de filme e 30 m de comprimento. Nas análise cromatográficas foram utilizadas as seguintes condições: temperatura inicial de 60ºC com um aumento de 2ºC/min atingindo uma temperatura final de 200ºC, temperatura de injetor era fixa em 250ºC e do detector em 280ºC. MR Efeito da Temperatura e velocidade do ar 60 o C e V = 0,2 m/s 40 o C e V = 0,2 m/s 40 o C e V = 0,8 m/s 60 o C e V = 0,8 m/s Tempo (min) Figura 3 Efeito da temperatura e da velocidade do ar nas curvas de secagem. A fim de correlacionar as variáveis de processo foi usada a expressão de taxa de secagem empírica sugerida por Lewis, do tipo: dy s dt = k (y y ) (01) s s onde y s é um valor da umidade inicial do material, k a constante de secagem e y s, a umidade de equilíbrio do ar. A solução da eq. (01) é: MR = (y s y s ) (y so y s ) = exp( k t) (02) Figura 2 - Esquema da unidade de secagem. RESULTADOS E DISCUSSÕES As experiências de secagem foram executadas para determinar o efeito da temperatura e da velocidade do ar nas curvas de secagem e no óleo essencial obtido. Na Figura 3 são apresentadas as curvas de secagem, onde o efeito do aumento da temperatura e da velocidade do ar é evidente. onde MR é a umidade adimensional. Os valores de k podem ser relacionados às condições de secagem por meio do modelo de Arrhenius na forma, k o E a { } = k exp, (03) R T g onde E a é a energia de sorção da água na matriz sólida(kj mol -1 ), R é a constante universal dos gases (8,314 J mol -1 K -1 ) e T g é a temperatura do ar em K. Foi proposta uma correlação linear entre k o e a velocidade do ar. O ajuste do modelo

4 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 4/6 aos dados experimentais foi feito por meio de regressão não linear. As incertezas foram inferiores a 1%. k o = 1000 V 195 (04) Os valores da energia de sorção foram obtidos na faixa de kj/mol. Foram calculados os desvios relativos dos valores de umidade das folhas obtidos experimentalmente e aqueles obtidos pelo ajuste do modelo matemático, tendo apresentado desvios não tendenciosos e inferiores a 5 %. As Figuras 4 e 5 apresentam dados típicos de cromatogramas dos óleos essenciais das plantas seca e úmida, respectivamente, mostrando claramente diferenças significativas entre as composições e quantidades no óleo essencial obtido. O estudo investigou a qualidade do óleo extraído do capim-limão a diferentes temperaturas e velocidades do ar. Os rendimentos (relação entre a massa de óleo extraído e a massa de planta) calculados são apresentados na Tabela 1. Condições Operacionais de Secagem Foi comparado o óleo essencial obtido da planta úmida e seca a 40, 50, 60 e 100ºC a diferentes velocidades de ar, 0,2, 0,5 e 0,8 m s -1. A secagem à 100 ºC foi realizada durante 24 horas. Figura 4 - Análise cromatográfica da planta úmida. Figura 5 - Análise cromatográfica da planta seca à 50ºC e 0,5 m s -1 de velocidade de ar.

5 VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 5/6 REFERÊNCIAS Tabela1. Diferentes condições de secagem e as influências deles/delas no cálculo de rendimento. Condições das folhas Rendimento (%) Úmido 2,78 Seco (40ºC, 0,2m s -1 ) 0,72 Seco (40ºC, 0,8 m s - ) 1,54 Seco (50ºC, 0,5 m s - ) 2,10 Seco (60ºC, 0,2 m s - ) 1,78 Seco (60ºC, 0,8 m s - ) 4,97 Seco (100ºC, 24 hours) 1,56 CONCLUSÕES As frações de óleos essenciais analisadas por cromatografia a gás presentes nas folhas das plantas, indica que a secagem afeta a composição dos óleos essenciais. A planta úmida apresentou um número menor de componentes quando comparada com a planta seca. Isso pode ser explicado pela solvatação dos componentes pelas moléculas de água, impedindo que os mesmos sejam extraídos. As diferentes velocidades de ar não influenciaram significativamente a composição dos óleos essenciais. Foi observado que a secagem afeta a composição dos óleos essenciais. Foi possível determinar uma correlação entre as variáveis de processo por meio de um modelo matemático simplificado, que apresentou desvios inferiores a 5 % entre os valores experimentais e os ajustados. A energia de sorção foi estimada e permaneceu na faixa de 18 a 30 kj mol -1. BERISTAIN, C.I., GARCIA, H.S., VERNON-CARTER, E.J. (2001) Spray-dried Encapsulation of Cardamom (Elettaria cardamomum) Essential Oil with Mesquite (Prosopis juliflora) Gum, Lebensm.-Wiss. u- Techno., 34, 398. CZEPAK, M.P., CRUCIOL, C.A.C. (2003) Produtividade e composição do óleo essencial de capim-limão Cymbopogon citratus stapf em diferentes arranjos espaciais, II Simpósio Brasileiro de Óleos Essenciais, 113, IAC, Campinas, SP. KOSHIMA, F.A.T., MING, L.C., MARQUES, M.O.M. (2003) Produção de biomassa, rendimento de óleo essencial e de citral em capim-limão, Cymbopogon citratus, com cobertura morta nas estações do ano, II Simpósio Brasileiro de Óleos Essenciais, IAC, Campinas, SP. LARANJA, D., MENDES, M.F., CALÇADA, L.A. (2003) Influência da Secagem na Composição do Óleo Essencial de Citronela, II Simpósio Brasileiro de Óleos Essenciais, IAC, Campinas. MENDES, M.F., REIS, G.G., PEISINO, A.L., ALBERTO, D.L., CALÇADA, L.A. (2003) Estudo do Efeito da Secagem em Convecção Natural e Forçada na Composição do Óleo Essencial da Citronela (Cymbopogan nardus), submetido e aceito to Brazilian Journal of Medicinal Plants. MOSTARDEIRO, M.A., DREWS, S., MONTAGNER, D., PASINATO, R., MOSTARDEIRO, C.P., VIAU, L.V.M. (2003) Análise dos principais constituintes químicos do óleo essencial de Cymbopogon citratus, II Simpósio Brasileiro de Óleos Essenciais, IAC, Campinas, São Paulo. PARRY, J.L. Mathematical Modelling and Computer Simulation of Heat and Mass Transfer in Agricultural Grain

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