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O processo de secagem em operações unitárias, com foco na secagem artificial e sua aplicação na indústria de alimentos, especificamente na secagem de borra de café. A secagem é caracterizada por mudanças de umidade em função do tempo e é influenciada pela estrutura do sólido e modo de secagem. O documento aborda a importância da determinação da taxa de secagem para a indústria, bem como as variáveis que influenciam no resultado, como a temperatura da estufa e a precisão da balança. Os dados experimentais coletados são apresentados e discutidos.
Tipologia: Trabalhos
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Curso: Engenharia Química Disciplina: Laboratório de Engenharia Química III Professor: Daniel José de Oliveira Ferreira
Abel Dario Gonzalez Lezcano Camila Di Rienzo Ferreira Luan Matheus G. Torres Sara Adrissa B. Simões Rener L. Santos Lopes Foz do Iguaçu
Outra variável importante que foi mencionada anteriormente, é a cinética de secagem, a qual procura determinar o comportamento do material durante esse processo e pode ser representada pelas curvas de secagem e taxa de secagem, como mostra a figura 1. Durante o período de secagem, deve-se analisar cada uma das diferentes partes da curva, pois são distintos fatores de controle em cada seção. No instante inicial, observa-se uma taxa crescente de secagem em todo o material (parte sólida e úmida), e concomitantemente a temperatura também sofre alteração, até atingir a fase de vaporização. Nessa etapa, analisa-se a formação de um platô de secagem, que acontece a uma taxa constante. Esse processo está relacionado ao deslocamento de umidade livre no interior do material para a superfície. Após esse período, a taxa de secagem decresce, podendo ainda remover uma parte da umidade que sofreu alterações físicas, porém não químicas. Figura 1 – Curvas típicas de secagem; variação da taxa de secagem e de temperatura do material com o tempo. Fonte: Park et al, 2000 A velocidade de secagem é definida por: 𝑅 = −
… 𝑒𝑞𝑢𝑎çã𝑜 ( 3 ) Sendo: R = velocidade ou taxa de secagem [kg água/h.m^2 ] m = massa de sólido seco [kg] A = área superficial exposta à secagem [m^2 ] M = teor de umidade em base seca [kg água/kg sólido seco] t = tempo de secagem [h] Esta expressão pode ser reordenada e integrada para se ter o tempo de secagem ∫ 𝑑𝑡 =
… 𝑒𝑞𝑢𝑎çã𝑜 ( 4 ) 𝑀 2 𝑀 1 t to Onde: M 1 = teor de umidade no instante to M 2 = teor de umidade no instante t
Este experimento tem como objetivo a determinar experimentalmente a taxa de secagem da borra de café úmida, bem como, estimar a extensão da região na curva de secagem em relação ao tempo.
3. MATERIAIS E MÉTODOS 3 .1 MATERIAIS Utilizou-se borra de café úmida, doze formas de inox com 5,25cm de diâmetro e 2cm de altura, onde foram depositadas as borras, uma balança semi-analítica para a pesagem das amostras, uma estufa
dentro da estufa. 3 .2 MÉTODOS Foram separadas e identificadas doze formas de inox, em seguida, registrado seu diâmetro, altura e também seu peso através de uma balança semi-analítica. Após a pesagem adicionou-se borra de café o suficiente para cobrir toda a área da seção transversal das formas. Novamente realizou-se a pesagem das amostras e anotou-se os valores de cada uma. Esses recipientes foram colocados todos ao mesmo tempo em uma estufa a aproximadamente 110°C e a partir desse momento, começou a cronometragem do tempo de secagem. Até os 40 minutos retirou-se da estufa uma forma a cada 5 minutos e em seguida registrou-se o seu peso. A partir dos 40 minutos de aquecimento, o intervalo de tempo para a retirada das amostras aumentou para 10 minutos, realizando o mesmo processo citado anteriormente de pesagem e coleta de dados. Com essas informações montou-se uma tabela onde é possível obter um gráfico de taxa de secagem do sólido versus tempo.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A técnica de secagem na indústria envolve a remoção do líquido agregado a um sólido para uma fase gasosa através de uma vaporização térmica, e simultaneamente um processo de transferência de calor e massa entre o produto e o ar da secagem. Alguns fatores devem ser considerados para que esse procedimento seja executado da melhor forma. A temperatura deve ser controlada, assim como o tempo, deve-se verificar o teor final de umidade final, volume produzido e também fazer uma boa escolha do equipamento de secagem. (BRANCO, 2016) Na tabela 1 onde encontra-se os dados coletados durante o experimento, nota-se que há uma variação entre as massas (peso da forma + borra de café), que variam de 13,73 a 17,35 g. Essa diferença pode ter uma grande influência nos resultados. A presença dessas variações se deve principalmente pelo
30 12,47 4,16 3,65 7,81 0,467 4, 40 10,93 1,84 4,14 5,98 0,692 1, 50 10,41 1,24 4,39 5,63 0,780 1, 60 10,64 1,72 5,74 7,46 0,769 1, 70 10,66 1,77 5,9 7,67 0,769 1, 80 10,23 1,33 4,12 5,45 0,756 1, 90 10,94 1,92 6,41 8,33 0,770 1, Fonte: Os Autores, 2022. Utilizando os dados da tabela 2 e levando em consideração as limitações práticas do experimento, aplicou-se as relações matemáticas mencionadas na introdução e obteve-se o gráfico 1, onde é possível observar a taxa de secagem em relação ao tempo. Gráfico 1 - Curva de secagem e umidade Fonte: Os Autores, 2022. Do gráfico podemos notar que o eixo y representa a umidade e o x o tempo em que o experimento foi realizado. Ao analisar as tendências, constata-se que a curva da taxa de secagem decai de acordo com o tempo de secagem. No intervalo de 0 à 20 minutos a taxa de secagem permanece relativamente constante, de 20 a 40 minutos temos uma taxa de secagem decrescente e após os 40 minutos, ela tende a continuar constante, indicando que a secagem já não é mais tão eficiente. É perceptível pelo gráfico 1 alguns picos na curva de secagem. Esses picos, (localizados entre 0 e 20 minutos e entre 60 e 90 minutos) podem estar relacionados às diferenças da massa das amostras, que tendem a tirar o experimento da idealidade. Em relação a curva laranja M’, observa-se um crescimento até os 40 minutos da prática, mais adiante M’ fica constante até o final do experimento. A temperatura da estufa e o seu manuseio durante a pesagem das amostras também devem ser considerados uma das variáveis que influenciam no resultado. Apesar da estufa possuir um controle de 0 20 40 60 80 100 Masa de Sólido/massa de água (^) [g Umidade Tempo [min]
Curva da M' Curva da taxa de secagem Polinomial (Curva da taxa de secagem) T= 110 °C
temperatura para quando se abre a porta, é possível que haja uma pequena variação que faça com que a secagem seja mais lenta, ou seja, para ter resultados satisfatórios o ideal seria ter um controle de variação de temperatura rígido para minimizar erros experimentais. O aumento da temperatura pode sim fazer com que a taxa de secagem tenha um intervalo menor, porém o aumento excessivo dessa temperatura pode comprometer a estrutura do material e danificar as suas propriedades, tendo em vista que não há tempo suficiente para que a água que está no interior do material saia dos poros e vá até a superfície. A força motriz do processo de secagem está relacionada com o gradiente de concentração da água na atmosfera, entre a que envolve o material a ser secado e a atmosfera do ambiente. Enquanto o teor de umidade simplesmente define a quantidade de água nos alimentos e ingredientes, a atividade de água, é uma medida que permite avaliar a disponibilidade de água no composto, que estaria suscetível a diversas reações (químicas, enzimáticas, etc.) ou para uso dos microrganismos presentes.
5. CONCLUSÃO A determinação da taxa de secagem é de grande importância para a indústria, pois a partir dela estipula-se estratégias para que não haja grandes gastos energéticos viabilizando assim um processo em grande escala, sem correr risco de causar um grande prejuízo para a empresa. A partir dos dados coletados no procedimento experimental, foi possível construir a curva de secagem da borra de café a partir das relações matemáticas já estabelecidos. Conclui-se que o maior desvio é dado pela variação nas massas das amostras o que implicou na curva da taxa de secagem gerando alguns picos indesejados, mas a partir do ajuste percebesse que o comportamento era o esperado. Como resultado da curva de secagem da borra de café a 110 °C a maior taxa de secagem se dá aos 25 minutos durando aproximadamente 15 minutos. O experimento pode passar por algumas melhoras, um dos mais importantes é utilizar amostras de massas iguais para gerar um gráfico ideal ou fazer um único experimento para minimizar os possíveis erros, como também, pode-se variar a temperatura de operação e desta forma visualizar o comportamento das curvas para as diferentes condições e compará-las.
