Secagem do bagaço de laranja

Buscando obter informações preliminares sobre a secagem do bagaço de laranja, utilizando o processo de ar quente assistido por micro-ondas, foi efetuado um estudo com um forno secador de micro-ondas adaptado, permitindo controlar as condições do ar em seu interior, através da circulação de ar quente em sua cavidade.

O forno é do tipo doméstico, marca Brastemp – modelo BMV38-A “Double Emission Sistem”, cavidade com volume de 38 litros, frequência de 2.450 MHz, com 900 W de potência nominal e ajuste de tempo (Figura 26).

O forno secador encontra-se instalado no Laboratório de Micro-ondas Aplicadas (LMA), dentro da Planta Piloto do Grupo de Engenharia e Pós-colheita (GEPC), do Instituto de Tecnologia de Alimentos (ITAL Campinas, São Paulo).

O equipamento possui um sistema de controle de potência de micro-ondas (Figura 27), aplicada em função da temperatura superficial do produto, medido por um sensor de temperatura de infravermelho marca Raytek acoplado a um indicador/controlador de temperatura digital NOVUS, modelo N480, inserido na parte superior do forno.

Os vidros, tanto interno como externo de proteção da tela metálica de blindagem foram removidos da porta do forno, de modo a permitir a admissão do ar dentro da cavidade doforno através de uma peça metálica (difusor) desenhada e construída de modo a encaixar- se na porta do mesmo. Esta peça foi interligada externamente a um ventilador centrífugo (Figura 28), composto por um sistema gerador de ar quente (Figura 29).

Figura 28 .Ventilador centrífugo

Figura 27. Controle de potência. Figura 26. Forno de micro-ondas.

O controle da vazão do ar é efetuado por uma válvula tipo borboleta conectado na sucção do ventilador centrífugo. A vazão de ar foi obtida utilizando-se Célula de Fluxo Laminar da marca Meriam modelo 50MC2-2, acoplado a um manômetro de tubo em U com escala convertida para m³ min-1, onde foi aferida a vazão volumétrica do ar, dada pela perda de carga entre a entrada e a saída do medidor de vazão.

O sistema de aquecimento e ventilação é acionado e controlado por comandos eletromecânicos alojados em um quadro de comando, instalado ao lado do forno de micro- ondas.

A cavidade de micro-ondas do equipamento utilizado é do tipo ressonante com múltiplos modos.

Como propriedade inerente da distribuição de campo eletromagnético nessa cavidade, há o surgimento de zonas de maior e de menor aquecimento que geram um aquecimento espacial não homogêneo, em virtude da formação de ondas estacionárias.

Dessa forma, faz-se necessária a utilização do prato giratório para uniformizar o aquecimento. O material disposto dentro da cavidade deve obedecer sempre à mesma posição para todas as corridas, pois o padrão das ondas estacionárias espaciais muda de acordo com a carga inserida e a posição da mesma.

O consumo de energia elétrica ativa (Wh) consumida pelo forno de micro-ondas durante os ensaios foi determinado por meio do uso de analisador de grandezas elétricas, equipamento apropriado e comumente utilizado para esta função. Foi utilizado analisador da marca Renz, modelo MRI – TF 138.

A determinação da potência real de saída do forno micro-ondas adaptado foi realizado pelo Teste “IEC”, adaptada de “Methods for Measuring the Performance of Microwave Ovens for Household and Similar Purposes”, 2nd

ed. CEI IEC 60705 – Geneva, Switzerland: Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale.

Os testes foram realizados seguindo um planejamento experimental completo, descrito por Barros Neto et al. (2002), 2³ com três pontos centrais (Tabela 07).

Tabela 05. Níveis do planejamento estatístico do forno de micro-ondas adaptado.

Fatores

Níveis

-1 0 1

Temperatura do ar de secagem (°C) 45 55 65

Vazão do ar de secagem (m³ min-1) 2,1 2,3 2,4

As variáveis utilizadas são as seguintes: vazão e temperatura do ar de secagem e potência das micro-ondas. Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão apresentados na Tabela 05, totalizando 11 ensaios (Tabela 06).

Tabela 06. Valores do planejamento experimental para o forno de micro-ondas adaptado. Variáveis independentes

Ensaios Real Codificado

Tar ºC Var (m³ min-1) PMO (W) T Var PMO

1 45 2,1 279,13 -1 -1 -1 2 65 2,1 279,13 1 -1 -1 3 45 2,4 279,13 -1 1 -1 4 65 2,4 279,13 1 1 -1 5 45 2,1 837,40 -1 -1 1 6 65 2,1 837,40 1 -1 1 7 45 2,4 837,40 -1 1 1 8 65 2,4 837,40 1 1 1 9 55 2,3 558,27 0 0 0 10 55 2,3 558,27 0 0 0 11 55 2,3 558,27 0 0 0

Foram medidos durante o processo de secagem utilizando-se um termômetro de vidro calibrado, marca Indoterm escala de -10 a 150 °C os seguintes dados: temperatura do ar ambiente (bulbo seco e úmido), temperatura do ar quente na entrada do forno, temperatura do ar de saída, além da temperatura do produto dentro do forno, medida pelo sensor infravermelho. Foram colocadas amostras com 200 gramas de bagaço de laranja com 30% de umidade dentro de um cesto circular de teflon, no interior do forno de micro-ondas. O cesto encontrava-se apoiado sobre o prato giratório do forno, permitindo uma melhor homogeneidade da aplicação das micro-ondas.

Durante a secagem registrava-se a massa do material a cada 30 segundos, utilizando – se uma balança semi-analíticapara elaborar as curvas de secagem até atingir a umidade final desejada em torno de 14%.

4.4.2.. Distribuição do tempo de residência DTR

Para se determinar a curva de distribuição do tempo de residência no secador cilíndrico rotativo, foi utilizada uma metodologia experimental conhecida como técnica de estímulo e resposta, obtida ao se injetar um pulso de um traçador de massa conhecida,

aproximadamente 3,0 kg de bagaço de laranja e 0,45 kg de bagaço de laranja, ambos com 30% de umidade, tingido com corante alimentício de cor vinho.

Definiu-se como tempo de residência, o tempo médio que o produto levou para passar por todo o sistema de alimentação, desde o ponto de entrada da moega até o bocal de saída. No ensaio, alimentou-se o sistema com parte do produto (bagaço de laranja sem tinta) até atingir uma vazão constante de saída de material no bocal de saída (regime permanente). A partir deste momento, aplicou-se o pulso de material traçador, seguido de mais material sem tinta.

O tempo de residência pode ser definido como o tempo médio que o produto leva para atravessar todo cilindro de secagem, do ponto de alimentação do secador até sua saída no bocal de descarga.

Assim, após o pulso de traçador, conta-se o tempo de movimentação do material a partir deste momento e coletam-se amostras destes grãos na descarga em períodos fixos e predefinidos. Neste caso, coletaram-se amostras em intervalos de 30 segundos.

O material de cada coleta foi separado manualmente, auxiliado por pinça e um conjunto de peneiras Tyler de número 4, 5, 6 e um equipamento marca Vibratest, e em seguida pesado.

Com as massas do traçador (mtr) e os totais das amostras, calcularam-se as frações em

cada uma delas e, somando-se essas frações, pôde-se chegar ao valor total de traçador (mtrtot)

que foi recolhido na corrida inteira, transmitindo-se, então, essas informações para a planilha de cálculos de tempo de residência.

Então, para cada amostra, a concentração C(t) de traçador foi calculada pela seguinte equação:

Determinou-se então, a área sob a curva de concentração versus o tempo (Q), por integração numérica.

A curva E(t) foi calculada segundo a Equação 26, e a curva F(t) segundo a Equação 27. Assim, o tempo de residência médio foi obtido pela Equação 28.

Para conhecer como as condições operacionais do secador influenciaram na DTR foi realizado um delineamento central composto rotacional (DCCR), com 2 variáveis independentes: velocidade de rotação do cilindro secador em rpm e vazão mássica do produto em kg/hora.

A distribuição do tempo de residência foi conduzida através das faixas de variação entre o limite inferior e o superior estabelecidos a partir de testes preliminares.

Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão apresentados na Tabela 07, totalizando 11 ensaios.

Tabela 07. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR.

Variáveis Níveis

-1,41 -1 0 1 1,41

Rotação (rpm) X1 1,00 1,29 2,00 2,71 3,00

Vazão de Produto (kg h-1) X2 2,00 3,17 6,00 8,83 10,0

A Tabela 08 apresenta os valores reais das duas variáveis utilizadas no planejamento experimental.

Tabela 08. Planejamento experimental para a DTR.

Variáveis independentes

Ensaios Real Codificado

rpm Vp (kg h-1) Rotação Vazão 1 1,29 3,17 -1 -1 2 1,29 8,83 -1 1 3 2,71 3,17 1 -1 4 2,71 8,83 1 1 5 1,00 6,00 -1,41 0 6 3,00 6,00 1,41 0 7 2,00 2,00 0 -1,41 8 2,00 10,0 0 1,41 9 2,00 6,00 0 0 10 2,00 6,00 0 0 11 2,00 6,00 0 0

4.4.3. Secagem do bagaço de laranja com o secador rotativo com aplicação de micro-ondas

O equipamento utilizado foi um secador de cilindro rotativo com circulação de ar quente assistido por micro-ondas desenvolvido por Marsaioli (1991), cuja configuração geral esta representada pela Figura 30.

Figura 30. Desenho esquemático do secador de cilindro rotativo assistido a micro-ondas (1) Depósito de matéria prima; (2) Alimentador; (3) Cavidade de micro-ondas (M.O); (4) Produto seco; (5) Toco quadruplo; (6) A/B Sistema medidor de M.O.; (7) Guia de onda flexível; (8) Gerador de M.O.; (9) Aquecedor de ar; (10) Sensor de temperatura; (11)/(12) Entrada de ar/exaustão; (13) Ciclone; (14) Painel de controle; (15)/(16) Medidor de fluxo de ar; (17) Ventilador

O secador encontra-se instalado no Laboratório de Micro-ondas Aplicadas (LMA), dentro da Planta Piloto do Grupo de Engenharia e Pós-colheita (GEPC), do Instituto de Tecnologia de Alimentos (ITAL) Campinas, São Paulo

O equipamento é constituído por um depósito de matéria prima, com tampa, construído por chapas de aço inoxidável, capacidade útil de 40 litros (Figura 31).

A secagem foi realizada de forma contínua através de um alimentador do tipo rosca sem fim (Figura 32), no fundo da moega e vibradores instalados nas paredes laterais que facilitam o escoamento do produto.

A configuração geométrica das paredes da moega, assim como as dimensões da rosca, empurram o material lateralmente pelo interior de um tubo guia em direção à entrada do secador, através de um tubo vertical fabricado com material acrílico transparente com diâmetro de duas e meia polegadas, fixado por intermédio de flange e abraçadeiras do tipo “clamp” na entrada da rosca de alimentação do secador.

O acionamento de ajuste de rotação da rosca e movimento das paredes da moega é efetuado por intermédio de um sistema eletrônico de controle marca SCHENCK, modelo ACCURATE, dotado de painel de indicação digital.

A rosca de alimentação é composta por um eixo construído em aço inoxidável dotada de paletas impulsoras de aço inoxidável e laminas raspadoras com acabamento em “teflon” nas extremidades, possibilitando o ajuste da folga entre os raspadores e a superfície interna do alimentador mediante parafusos de regulagem. Os elementos de arrastes são dispostos em ângulo de tal forma que através do movimento de rotação imprimido ao eixo, as hastes irão atuar como uma rosca sem fim, direcionando o material para o interior do secador.

O sistema de acionamento da rosca de alimentação é constituído por moto-variador redutor de corrente contínua de 736 W, que possibilita a variação da velocidade de rotação entre 0,1 e 78,9 rpm no eixo da rosca e transmissão final dotada por um par de engrenagens com corrente de rolos. Possui comando remoto instalado no painel elétrico.

A cavidade de micro-ondas (Figura 33) é constituída pelo próprio cilindro rotativo, construído em aço inoxidável com 1,30 metros de comprimento e 0,30 metros de diâmetro interno.

Além da velocidade de rotação pode-se ajustar o ângulo de inclinação do cilindro através de um sistema de porca e rosca sem fim instalado na base inferior que suporta o equipamento.

O insuflamento do ar para o interior do secador é realizado através de um ventilador (Figura 34), marca Asten, modelo VC 280, de 0,75 CV, trifásico 220 V, com capacidade nominal de 5,3 m3 min-1, pressão estática de 15,2 cm de coluna d’água.

O controle de vazão do ar é feito através de uma válvula borboleta de acionamento manual, marca Liess, modelo VF, diâmetro nominal de três polegadas para montagem entre flange.

A leitura da vazão de ar é obtida por intermédio de uma célula de fluxo laminar da marca Meriam modelo 50MC2-20 e um manômetro de coluna “U” de vidro para funcionamento com água, com calibração elaborada a partir da curva fornecida pelo fabricante, com escala de 0 a 3 m3 min-1. A célula é interligada na sucção do ventilador por intermédio de conexões de PVC de duas polegadas.

Figura 33. A cavidade de micro-ondas.

O aquecimento do ar é realizado por intermédio de uma câmara contendo um banco de resistências elétricas blindadas aletadas com capacidade de 2,7 kW, 220 V (Figura 35), para ligação em triângulo totalizando 8,1 kW. O banco de resistência possui seu comando instalado no quadro elétrico, conectado a um controlador de temperatura eletrônico marca Coel modelo GMP-0, escala 0 a 300ºC, controle diferencial tipo PD com indicação de desvio e bulbo sensor do tipo J (ferro-constantan) com cabo extensor de 3 metros.

O material seco é descarregado do equipamento através de uma válvula rotativa (Figura 36), de eixo vertical dimensionada para proporcionar uma dosagem volumétrica de 367,23 cm3 por rotação, quando esta estiver funcionando em sua rotação máxima.

Para recolher eventuais resíduos sólidos arrastados pelo sistema de ventilação foi instalado junto à tubulação de saída um ciclone coletor (Figura 37), construído em chapas de aço inoxidável dotado de tampa superior removível e válvula tipo borboleta Liess modelo VF na parte inferior para direcionamento do ar em duas direções opcionais, exaustão direta ou recirculação.

As micro-ondas, de frequência 2.450 MHz, são produzidas por fonte de alta tensão marca Alter modelo SM275 (Figura 38), dotada de ajuste de potência variável entre zero e 100% de 1,9 kW, acoplado a válvula geradora de micro-ondas “magnetron” marca National Eletronics (Figura 39).

Dois medidores portáteis de potência refletida e transmitida (Cober modelo PM-IR e PM-IF) (Figura 40), ligados a um acoplador duplo no guia de onda foram usados para controlar a eficiência de transferência de potência para a carga, que é máxima quando impedância do gerador e da carga estiver casada com a impedância característica da linha. Quando o medidor de potência refletida indica um baixo acoplamento de energia no produto deve-se realizar o ajuste no “toco quadruplo” (Figura 41), um dispositivo instalado na entrada do secador, constituído por parafusos metálicos de comprimento ajustáveis inseridos no guia de onda que introduzem uma impedância reativa no circuito mantendo os valores acima de 90% ou seja, radiação refletida máxima de 10 %.

A potência útil absorvida pela amostra foi determinada através da diferença entre a potência incidente e a refletida.

Para proteger o “magnetron” contra as ondas eletromagnéticas refletidas, o sistema é dotado de um circulador de 3 portas marca Cober ST89-1021 (Figura 42), instalado no guia de onda entre o gerador de micro-ondas e o aplicador, conectado a uma carga resfriada a água marca Cober modelo ST89-1019 absorvendo a potência de micro-ondas refletida.

Figura 38.Fonte de alta tensão

Figura xx Gerador de Microondas

Figura 39.Magnetron

Figura 41. Toco Quadruplo. Figura 40. Medidores de potência.

Para monitoramento e registro dos dados da variação da temperatura da carga de água de resfriamento, decorrente da absorção das ondas refletidas, foram instalados dois termopares tipo T acoplados a um sistema de aquisição de variáveis analógicas, myPCLab, fabricado pela Novus, utilizando programa de comunicação serial em ASCII e porta serial virtual, acoplado a um computador através da porta USB que registrava as leituras da variação da temperatura do sistema a cada segundo.

A vazão de água da carga resfriada foi fixada em 200 l h-1, conforme recomendação do fabricante do sistema gerador de micro-ondas marca Alter. Este ajuste foi efetuado por intermédio de dois rotâmetros verticais marca MLW PF 08/2 com capacidade para trabalhar com vazões de 20 até 250 l h-1, instalados na entrada de água do sistema de resfriamento.

Foi realizado teste elétrico de fuga de radiação utilizando-se um medidor de potência elétrico para detecção de vazamento de micro-ondas em 2.450 MHz, marca ETS – Lindgren/Holaday modelo HI 1.600 portátil, operado a bateria.

O resultado do teste confirmou que o equipamento encontra-se dentro das normas internacionais de segurança e homologação no que se refere à tolerância máxima permitida para vazamentos de radiação de micro-ondas.

4.4.4. Condução dos testes de secagem no secador rotativo com aplicação de micro-ondas

O experimento foi conduzido, conforme delineamento central composto rotacional (DCCR), com 2 variáveis independentes: temperatura do ar de secagem e a potência de micro- ondas e seus limites, foram estabelecidos baseados nos resultados das análises estatísticas dos testes de secagem com o forno de micro-ondas adaptado.

Tabela 09. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR.

Variáveis Níveis

-1,41 -1 0 1 1,41

Temperatura (ºC) X1 40 45 55 65 70

Potência MO (W) X2 800 910 1.350 1.750 1.900

Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão apresentados na Tabela 09, totalizando 11 ensaios, mostrados na Tabela 10.

Tabela 10. Planejamento experimental para o secador rotativo assistido por Micro-Ondas. Variáveis independentes

Ensaios Real Codificado

T(ºC) Pmo (W) Temperatura Potência 1 45 910 -1 -1 2 45 1750 -1 1 3 65 910 1 -1 4 65 1750 1 1 5 40 1350 -1,41 0 6 70 1350 1,41 0 7 55 800 0 -1,41 8 55 1900 0 1,41 9 55 1350 0 0 10 55 1350 0 0 11 55 1350 0 0

O ciclo de secagem de cada teste foi fixado em 18 minutos e foram utilizados 3 kg de bagaço de laranja com umidade de 28,9%. Esta quantidade de material foi estabelecida em função da sua capacidade de realizar um escoamento uniforme no interior do cilindro rotativo, usualmente entre 6% a 10%, do volume interno do cilindro, que corresponde ao volume útil do equipamento dependendo da geometria das aletas e do tipo de operação (FRIEDMAN e MARSHAL, 1949).

O tempo de residência foi fixado em torno de 5 minutos e trinta segundos, determinados através dos ensaios de Distribuição do Tempo de Retenção (DTR) realizados anteriormente.

A faixa de potência de micro-ondas utilizada durante os testes foi especificada segundo os ensaios realizados anteriormente, onde foi utilizado o forno de micro-ondas adaptado, utilizando a densidade de potência mais adequada.

A Tabela 11 apresenta os valores dos parâmetros que permaneceram constantes durante os experimentos

Tabela 11. Parâmetros utilizados nos testes de secagem Parâmetros

Umidade inicial 28,90 (%) Massa inicial de produto 3 (kg)

Vazão de entrada do produto 8,4 (kg h-1) Velocidade de rotação do cilindro 2 (rpm) Ângulo de inclinação do cilindro 3º

Vazão de ar 2,1 (m³min-1)

Tempo de residência 5 min. e 30 seg.

4.4.5. Procedimento operacional do secador rotativo com aplicação de micro-ondas

Os ensaios foram realizados de forma aleatória, seguindo as etapas descritas abaixo: Foram ligados ventilador exaustor, a resistência elétrica, selecionando a temperatura, em seguida acionava-se a válvula rotativa e ajustava-se a rotação da rosca de alimentação de produto.

Adicionava-se o bagaço de laranja no interior da moega, e em seguida esta era acionada simultaneamente com o cronômetro, dando início ao processo de secagem.

Após 5 minutos e trinta segundos o material transportado ainda úmido começava a deixar o equipamento. Aguardava-se entrar em regime permanente, tempo sugerido por Arruda et al.2009, como o equivalente a uma ou até duas vezes o tempo médio de residência do sólido no interior do secador.

Transcorrido o tempo estipulado para o sistema entrar em regime permanente, 8 minutos, retirava-se e pesava-se o material transportado úmido coletado no recipiente instalado no bocal de saída do secador.

A massa recolhida deste descarte foi subtraída da massa inicial, resultando na quantidade real de bagaço submetido ao processo de secagem assistido por micro-ondas, valor este utilizado nos balanços de massa.

Em seguida acionavam-se os seguintes dispositivos: registros dos rotâmetros da carga resfriada, sistema gerador de micro-ondas na potência desejada, sistema de aquisição de dados myPClab e por último o sistema de medição de grandezas elétricas.

Durante os ensaios foram ajustadas as variações entre as ondas emitidas e refletidas através dos parafusos do “toco quadruplo”.

Passados 15 minutos realizava-se a medida da vazão de saída do produto seco e aos 26 minutos os testes eram encerrados com a pesagem do material seco recolhido no recipiente de coleta.

4.4.6. Medidas efetuadas durante os experimentos de secagem

Em cada ensaio de secagem foram levantadas as condições psicrométricas do ar ambiente, registrando-se as temperaturas médias do ar de bulbo seco e bulbo úmido na sucção do ventilador secador através de termopares tipo T acoplados a um sistema de aquisição de variáveis analógicas, myPCLab.

A temperatura de bulbo úmido foi obtida utilizando-se um termômetro de vidro calibrado, marca Indoterm escala de -10 a 150 °C envolvido por uma gaze umedecida em água. Por meio de uma carta psicrométrica, foi obtido o volume específico e as entalpias do ar na entrada e na saída do secador, possibilitando calcular a energia térmica consumida para aquecer o ar durante a remoção da umidade do bagaço de laranja.

A demanda total e a energia elétrica ativa (Wh) consumida pelo secador durante os ensaios foram registrados por meio do uso de analisador de grandezas elétricas marca Renz, modelo MRI – TF 138.