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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE Transferência de Calor e Massa- Secagem Alunos: Fernando César de Oliveira Torres Nicolis Amaral de Araújo Samia Tássia Andrade Maciel Walber Alves Cruz Lima São Cristóvão 2011 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE Transferência de Calor e Massa- Secagem Relatório da prática realizada no Laboratório de Fenômenos de Transporte na Universidade Federal de Sergipe Professora: Dr. Luanda Gimeno Marques São Cristóvão 2011 SUMÁRIO 1 SUMÁRIO.............................................................................................................. 2 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................................. 1 2.1 BANANA................................................................................................................ 1 2.2 SECAGEM.............................................................................................................. 2 1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este tópico tem por finalidade apresentar informações acerca do material e dos processos, objetos de estudo, os fundamentos físico-matemáticos e cinética de secagem. 1.1.. BANANA A banana (Musa spp.) pertencente à família Musaceae é uma das frutas mais consumidas no mundo, sendo explorada na maioria dos países tropicais, e no Brasil, é cultivada em todos os estados, desde a faixa litorânea até os planaltos (SILVA et al, 2005). Este fruto é rico em carboidratos, potássio, vitamina A, B e C. seu consumo pode ser in natura, frita assada, cozida em doces caseiros, produtos desidratados (banana liofilizada, flocos e frutas na forma de passa) ou em produtos industrializados (Gouveia et al., 2004). As bananas constituem-se em fonte importante na alimentação humana pelo valor calórico, energético e principalmente pelo conteúdo mineral e vitamínico que apresentam. A vida de prateleira da banana depende diretamente da sua atividade respiratória: quanto maior a atividade respiratória, menor a vida pós-colheita. Neste período, a banana verde caracteriza-se pelo baixo teor de açúcares, alto teor de amido e pela adstringência devida aos compostos fenólicos da polpa. Com o amadurecimento, ocorre hidrolise do amido e acúmulo de açúcares solúveis, redução da adstringência e amaciamento da polpa. Além disto, ocorre também um aumento nos níveis de ácidos orgânicos, com predominância do ácido málico, e emanação de diferentes compostos voláteis, especialmente os ésteres, que conferem ao fruto o aroma característico. Paralelamente, na casca observa-se o amarelecimento originado pela degradação da clorofila, pigmento que confere a cor verde (MERCALI, 2009) Esta fruta de pequeno valor agregado e elevado valor nutritivo possui processo rápido de deterioração, o que torna a comercialização do fruto in natura bastante difícil após o amadurecimento. Devido ao alto índice de perdas pós-colheita, tem-se a necessidade de se estudar formas de reduzi-las. Neste sentido, a utilização da secagem como forma de evitar estas perdas aparece como uma interessante alternativa econômica (BORGES et al, 2010). Além de proporcionar uma maior estabilidade, 1 1 diminuir a degradação enzimática e oxidativa, reduzir custos com transporte (PARK, et al, 2001). 1.2.. SECAGEM O processo de secagem visa à redução do teor de água fazendo com que a atividade da água dos produtos in natura diminua drasticamente, aumentando o tempo de conservação e a vida útil do produto e facilitando seu transporte, manuseio e armazenamento (PARK, 2001). A secagem envolve dois fenômenos fundamentais e simultâneos, onde o calor é transferido do fluido de secagem para o sólido, evaporando o líquido contido na superfície do material e a massa é transferida em fase líquida ou vapor no interior do material, ocorrendo à transferência do vapor da superfície para a vizinhança do sólido. A secagem artificial de sementes, embora possua custo superior ao da secagem natural, proporciona controle do processo reduzindo rapidamente o conteúdo de umidade a níveis aceitáveis, sendo possível obter um material com umidade mais uniforme e sem a necessidade de riscos às intempéries ambientais. As técnicas utilizadas na secagem de sementes variam dependendo das variedades das mesmas e necessidades finais do produto (FERREIRA, 2003). Do ponto de vista técnico - cientifico a secagem é um processo onde ocorre simultaneamente a transferência de calor e massa (JATURONGLUMLERT, 2010). Para que ocorra a secagem é necessário o fornecimento de calor para evaporar a umidade do material e também deve haver um sorvedor de umidade para remover o vapor água, formado na superfície do material seco (PARK, 2007). De acordo com (MUJUMDAR, 2006), observa-se dois fenômenos ocorrendo simultaneamente: • Transferência de Energia (calor) do ambiente para evaporar a umidade superficial. Esta transferência depende das condições externas de temperatura, umidade do ar, fluxo e direção do ar, área e exposição do sólido e pressão; • Transferência de Massa, do interior para a superfície do material e sua subseqüente evaporação devido ao primeiro processo. O movimento interno da umidade do material no sólido é função da natureza física do sólido, sua temperatura e conteúdo de umidade. Logo, se faz necessário um bom entendimento da cadeia de fenômenos de transporte. 2 2 A secagem é um dos processos mais utilizados para melhorar a estabilidade do alimento, pois diminui a atividade da água do produto, reduz a atividade microbiana e minimiza as mudanças físicas e químicas que ocorrem durante o armazenamento. (MIHOUBI, et al, 2009). Existem três estágios na secagem de um material. No primeiro estágio é a etapa do aquecimento do material, onde a energia absorvida pelo material é utilizada na forma de calor sensível. No segundo estágio ocorre o período de taxa constante, onde a transferência de massa e calor são equivalentes. Este período continua enquanto a migração de água do interior até a superfície do produto seja suficiente para suprir a perda por evaporação de água na superfície. (PARK, 2007). No terceiro estágio a uma predominância das forças resistivas a transferência de massa, tendo como efeito imediato o surgimento de pontos secos na superfície da partícula e consequentemente ocorre o decrescimento da taxa de secagem. A avaliação quantitativa da secagem é de fundamental importância prática e econômica. Para tanto, a formulação matemática da secagem em camada fina é de fundamental importância para projetar novos secadores (SHIBY, 2007). De acordo com a literatura (MOREIRA, 2000), os experimentos conduzidos em camada fina, possibilitam o conhecimento da cinética de secagem em um elemento de volume dos leitos espessos, sob condições operacionais controladas. A partir do estudo da cinética de secagem em camada fina se estabelecem equações da umidade do material em função do tempo de secagem para os diferentes períodos de taxa de secagem. Sendo que, os modelos utilizados para representar a cinética de secagem podem ser classificados em três classes: teóricos, semi-empíricos e empíricos. Os modelos teóricos apresentam a vantagem de ser baseado nos princípios fundamentais, no entanto apresenta uma dificuldade em se determinar parâmetros existentes na equação. O modelo teórico mais utilizado para secagem de materiais que apresentam apenas o período à taxa decrescente é o modelo difusivo, que descreve a migração da umidade no interior de sólidos durante o processo de secagem. De acordo com (GELY & GINER, 2007), o modelo difusivo é um modelo teórico amplamente empregado para descrever o mecanismo de migração de umidade no interior de sólidos durante o processo de secagem. 3 3 Overhults Overhults (1973) Existem várias técnicas de secagem. Dentre estas a mais convencional é a secagem convectiva. 1.. SECAGEM CONVECTIVA A secagem por convecção é considerada como um processo simultâneo de transferência de calor e massa, onde a água é transferida por difusão do interior do material para a interface ar-sólido, e da interface para a corrente de ar por convecção. (ARRIECHE, 2003). Dentre os métodos de secagem existentes a secagem convectiva é a mais utilizada. No entanto, este método tem um alto consumo de energia, longos tempos de secagem são requeridos, por causa das baixas condutividades térmicas dos materiais durante o período de taxa decrescente, que dificultam a transferência de calor. Outros métodos de secagem foram desenvolvidos que podem ser usados em conjunto com a secagem por convecção ou de forma independente (MOTEVALI et al. 2011). 2.. ENCOLHIMENTO Uma das mudanças físicas mais importantes e visíveis que ocorrem com os produtos agroindustriais durante a secagem é a redução do seu volume externo. A perda de água e o aquecimento causam estresse na estrutura celular levando a alterações na forma e causando a diminuição das dimensões desses materiais (Véras, 2010). Na literatura são encontradas diferentes abordagens para esse fenômeno que vão desde as teóricas envolvendo leis mecânicas, onde são consideradas as tensões e as deformações do material durante a secagem, até as experimentais, onde os estudos visam quantificar a dependência do volume dos materiais em função do seu teor de umidade (Véras, 2010). Tendo-se perfis de concentração no interior do material, surgem tensões e torções no material, durante a secagem, o que causa deteriorações na qualidade como rupturas. Forças capilares também têm sido mencionadas como possíveis forças dirigentes do processo de encolhimento, (Eichler et al., 1997; Arrieche, 2003). 6 6 O ponto final do processo de encolhimento pode ser a transição do estado gomoso para o estado vítreo do produto. Outra possibilidade para a interrupção do encolhimento é um extremo aumento na rigidez da matriz devido à percolação de partículas colocadas como preenchimento no gel e, obviamente, quando as forças provenientes das pressões de rede e a magnitude do colapso causado pela mudança no solvente diminuírem para valores negligenciáveis, (Eichler et al., 1997). 2. METODOLOGIA 1.3.. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS O equipamento utilizado é composto por: • Barra A: Estufa de convecção forçada; • Termômetro; • Pirômetro óptico; • Balança analítica com precisão de 10-3g; • Paquímetro; • Banana para secagem. 3.. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Primeiramente ligou-se o sistema de secagem, regulou-se a temperatura no set- point de 65 oC esperando-se a estabilização deste valor. Em seguida, pesou-se a célula vazia para tarar a balança, pesou-se a célula da secagem contendo o material a ser seco (banana), cortada em fatias circulares, com um raio de 1,2 cm, e retangulares, com comprimento de 4 cm, logo estando o sistema com condições de temperatura estável e nos valores desejados para o experimento, coloca-se o material no interior da estufa. Procedeu-se a pesagem da célula em intervalos de tempo pré – determinados, bem como a medição da temperatura da superfície da partícula. Uma vez determinada à umidade de equilíbrio, determinou-se a massa de sólido seco necessária para o cálculo da umidade do material utilizando-se o método da estufa a (105 +/- 3) oC por 24 horas. 7 7 3. TRATAMENTO E ANÁLISE DOS DADOS E SECAGEM A partir dos resultados da massa de sólido úmido obtidos nos tempos pré- determinados ao longo da corrida de secagem, pode-se determinar o teor de umidade das amostras. Logo, o teor de umidade em base seca (b.s.) e em base úmida é definido pelas equações (8) e (9), respectivamente. (8) (9) Em posse dos teores de umidade, em base seca, foi determinado o teor de umidade adimensional (XR), que leva em consideração, principalmente, o teor de umidade inicial da amostra e o teor de umidade de equilíbrio. Este é o teor de umidade obtido, para este experimento, após 24h do inicio do processo de secagem. A umidade de equilíbrio é o limite máximo, ou seja, uma vez atingido este teor de umidade a amostra não perde mais umidade, indicando assim o término do processo de secagem. Então para o processo de secagem convectiva o teor de umidade de equilíbrio é dado por: (10) Outra forma utilizada para caracterizar o comportamento de secagem das partículas de banana foi através das curvas de taxa de secagem em função da umidade do material. Os valores de taxa de secagem foram obtidos por derivação numérica utilizando-se o software Origin 8.0. As características de secagem da banana foram verificadas com base no fenômeno simultâneo de transferência de calor e massa durante o processo de secagem. O acompanhamento da temperatura das amostras durante a secagem possibilitou a análise da transferência de energia. Enquanto que, a transferência de massa foi analisada a partir da aplicação do modelo difusivo, tanto para geometria cilíndrica como retangular, e dos modelos empíricos de Lewis e Page. A aplicação do modelo difusivo, proveniente da segunda lei de Fick, possibilita determinar a difusividade efetiva característica do material analisado. Como já foi citada, a aplicação do modelo difusivo é limitada para descrever a cinética de secagem de materiais que apresentam somente o período à taxa decrescente. Logo, se faz 8 8 Figura 4: (a) partículas de banana, geometria cilíndrica; (b) partículas de banana, geometria retangular, respectivamente, ao final do processo de secagem convectiva. 4.2.. ANÁLISE DOS DADOS ATRAVÉS DOS MODELOS DE CINÉTICA DE SECAGEM EM CAMADA FINA Com base nos resultados experimentais obtidos foi realizado o tratamento de dados através do pacote computacional STATISTICA. Entre as equações existentes na literatura foram estimados os parâmetros para as equações de Lewis (1921), Page (1949). Os resultados da estimação são apresentados nas Tabelas 2 e 3. Além de mostrar graficamente que o modelo de Page se adéqua melhor aos dados experimentais coletados da secagem de partículas de banana em geometria cilíndrica, levando em consideração o R2. Tabela 2: Parâmetros do Modelo Cinético de Page, Lewis, para coordenada cilíndrica. Modelo de Page Modelo de Lewis k (min-1) N R2 k (min-1) R2 0,002313 1,112555 0,9918 0,003959 0,9849 Tabela 3: Parâmetros do Modelo Cinético de Page, Lewis, para coordenada retangular. Modelo de Page Modelo de Lewis k (min-1) N R2 k (min-1) R2 0,004999 1,077789 0,9918 0,007144 0,9960 A constante de secagem k pode ser utilizada como uma aproximação para caracterizar o efeito da temperatura e esta relacionada à difusividade efetiva de umidade no processo de secagem. Logo, para maiores valores de k obtém maiores valores de Def. Este aumento em k demonstra a diminuição das resistências internas de secagem. Utilizando esta ótica era esperado que dados experimentais da a geometria cilíndrica apresentasse maiores valores de k, o que não ocorreu. Isto pode ser explicado pelo fato 11 11 de o k das correlações de Lewis e Page levam em consideração as resistências internas e externas, ou seja, o k não enxerga apenas a período de taxa decrescente ele olha todo o processo. Logo, o parâmetro para evidenciar a influência da geometria da partícula na taxa de remoção de umidade é a difusividade efetiva. Figura 5: Ajuste dos modelos empíricos de Lewis e Page para os dados do processo de secagem das partículas de banana, geometria cilíndrica, com TAR=65ºC. 5. CONCLUSÕES A partir da análise dos resultados tratados da secagem convectiva de banana pode-se aferir. A secagem de banana, tanto na geometria cilíndrica como na retangular, foi caracterizada pela existência de dois períodos de secagem: período de aquecimento e a taxa decrescente. Sendo que, o processo de secagem foi predominantemente governado por mecanismos difusivos, ou seja, ocorreu predominantemente no período a taxa decrescente. As amostras de banana na forma cilíndrica apresentaram Deff igual a 0, 000429 cm2/s, enquanto as amostras na geometria retangular Deff igual a 0,000160 cm2/s. mostrando assim a influencia da geometria da amostra na remoção de umidade das partículas de banana. O encolhimento das partículas de banana foi visível. Sendo assim para se obter uma representação física deste processo o fenômeno de encolhimento deve ser considerado na dedução da equação do modelo difusivo Em relação às correlações empíricas tem-se que o modelo de Page se adéquo melhor ao processo de secagem de banana utilizando partículas com geometria cilíndrica, em comparação com a equação de Lewis. Já esta, se aplica melhor a geometria retangular, pois apresenta o menor erro estimado. 12 12 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARRIECHE, L. S. Evolução da forma e encolhimento de um system gel durante a secagem por convecção forçada. Dissertação de Mestrado, PPG-EQ/UFSCar, 136 p., São Carlos- SP, 2003. BARBOSA NETO, A. M.. Caracterização, Desenvolvimento e Secagem de Halianthus annus L. com Cobertura Artificial a Base de Gel. Relatório Final, PIBIC/CNPq, UFS, 2010. BARROZO, M. A. S.. Transferência de calor e massa entre o ar e sementes de soja em leito deslizante e escoamentos cruzados. Tese de Doutorado, PPG-EQ/UFSCar, São Carlos, SP, 163p, 1995. BORGES, Soraia Vilela; MANCINI, Mauricio Cordeiro; CORRÊA, Jefferson Luiz Gomes; LEITE, Julia. Secagem de bananas prata e d’água por convecção forçada. Cienc. Tecnol. Aliment., Campinas, 30(3): 605-612, 2010. BROOKER, D. B.; BAKKER-ARAKEMA, F. W.; HALL, C. W.. Drying cereal grains. The Avi Publishing Company Inc., Westport, 1974. EICHLER, S.; RAMON, O.; LADYZHINSKI, I. et al. Collapse processes in shrinkage of hydrophilic gels during dehydration. Food Research International, v. 30, n. 9, p. 719 – 726, 1997. FERREIRA DA SILVA, C. K.; ERNESTO DA SILVA, Z.; ANDRDE, M. P.; CONCEIÇÃO SILVA, M. A.; JÚNIOR, J. P. A.. Transferência de Massa em Tomate Cereja (Lycopersicon esculentum Var. cerasiforme) Submetido à Desidratação Osmótica – 13 13