APLICAÇÃO DE FERRAMENTAS DA QUALIDADE NO
DESENVOLVIMENTO DE UM BIORREATOR SECADOR SOLAR
PARA ESTUDOS DE CINÉTICA DE SECAGEM
LIMA, Franklyn da Cruz1*; SANTOS, Daniel Silva2; RODRIGUES, Saulo Guilherme2;
FRANCA, Veruschka Vieira2; ALSINA, Odelsia Leonor Sanchéz3; MONTEIRO, Luciano Fernandes2
1 Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Sergipe 2 Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Sergipe 3 Instituto de Tecnologia e Pesquisa, Universidade Tiradentes
* e-mail: franklynlima@outlook.com
Resumo: As indústrias processadoras de frutas geram resíduos cujo aproveitamento tem sido
objeto de pesquisas recentes que tem mostrando a viabilidade do enriquecimento proteico por crescimento celular de microrganismos utilizando técnicas de fermentação semissólida, visando a obtenção de suplementos para a alimentação animal e humana. Este trabalho teve como objetivo aplicar ferramentas da qualidade de modo a melhorar a cinética de secagem dos resíduos de casca de abacaxi, enriquecidos utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae como inóculo. O procedimento foi dividido em duas etapas. A primeira consistia no enriquecimento proteico do substrato durante 24h à umidade relativa do ar de 40%, usando uma inoculação de 2% de levedura para uma massa de 300g do substrato. Na etapa seguinte foi determinada a secagem da mistura. Ambas as etapas foram realizadas em um biorreator secador solar. A análise revela que o tempo de secagem não foi suficiente para obtenção da umidade desejada, fazendo-se uma perícia em relação às causas que ocasionaram a insuficiência do procedimento através das ferramentas da qualidade.
1. INTRODUÇÃO
Típico de regiões de clima tropical e equatorial, o Ananas comosus L., o conhecido abacaxi, é um dos frutos mais produzidos e consumidos no mundo. Somente no Brasil, toneladas da ordem de milhões são produzidas anualmente, colocando o país entre os cinco maiores produtores. Sua grande utilização, tanto na forma manufaturada como a própria fruta,
2004; PONTES THÉ et al., 2001).
Gerar resíduos é inerente a todos os setores de produção. A Preocupação com seu descarte é cada vez mais visível, seja por motivos de preservação ambiental ou pelo alto custo. Recentemente, inúmeros conceitos para minimizar e aproveitar esses subprodutos são divulgados (LAUFENBERG et al., 2003).
O setor industrial apresenta uma grande produção de resíduos, sejam líquidos ou sólidos. Bagaços e cascas de frutas são gerados em elevadas quantidades, sobretudo na agroindústria e de alimentos. Transformar esses subprodutos em outros de maior valor agregado é de grande viabilidade por resultar de alta disponibilidade e custo reduzido (SOCCOL e VANDENBERGH, 2003).
Dentre os produtos finais da conversão dos resíduos de frutas, destaca-se a busca por suplementos proteicos para ração animal através de bioprocessos, como a fermentação semissólida. Sabendo que o elevado custo dos mesmos onera a produção animal, Perrazo Neto (1999) destaca a importância do uso desses subprodutos, por exemplo, para fazendeiros em geral com o uso de suas forragens ou a compra de suplementos provenientes de resíduos da agroindústria.
Com o intuito de incrementar a vida útil de produtos constituídos basicamente por frutos, diversas técnicas e metodologias vêm sendo aprimoradas e aplicadas (SILVA et al., 2008). Por apresentar elevado teor de água na composição dos mesmos, a secagem é apresentada como uma das mais eficientes, evidenciada também pelo baixo custo é na facilidade de manuseio (CELESTINO, 2010).
A leveduras são os organismos comumente usados em processamento de resíduos para geração de proteínas (HOLANDA, 1998). Por apresentarem alta conversão proteica, foram usadas com sucesso na fermentação de resíduos de batata-doce (YANG, 1988) e beterraba (GIBBONS et al., 1984), por exemplo. Dentre essas, destaca-se a Saccharomyces cerevisiae, por apresentar facilidade em propagar-se e não constituir risco biológico ao ser humano (PELCZAR e CAAN, 1996).
Segundo Slack et al. (2009) o método do diagrama de causa e efeito ajudam a pesquisar as raízes de problemas específicos encontrados nas organizações. São construídos elaborando-se as seguintes questões: o que, onde, como e por quê, porém acrescentando-se algumas respostas às questões possíveis de forma explícita. Estes diagramas tornaram-se extensivamente usados em programas de melhoramento, devido ao fato de que fornecem uma forma de estruturar sessões de brainstorming. Estas sessões são fundamentais para dar início à solução do problema a ser resolvido, visto que surgiram as possíveis causas relacionadas com o problema em questão. Este trabalho teve como objetivo aprimorar o estudo da cinética de secagem em biorreator secador solar após enriquecimento proteico da casca e bagaços de abacaxi com a levedura Saccharomyces cerevisiae, através da utilização das ferramentas da qualidade.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir serão descritos os materiais e métodos usados durante o processo e a aplicação das ferramentas de qualidade:
2.1. Equipamentos e matéria prima
Os equipamentos usados no experimento são ilustrados a seguir, como mostra a Figura 1.
(a) (b)
Figura 1 – Sistema experimental para o enriquecimento. Biorreator à esquerda (a) e estufa à
Foi utilizada a levedura do gênero Saccharomyces cerevisiae seca, fermento biológico comercial da marca Fermipan Brown®, cuja análise revelou 4,10% de umidade em base úmida e 0,0427 de umidade em base seca. Já os substratos utilizados no processo da fermentação foram as cascas e o bagaço do suco de abacaxi (Ananas comosus L.), que, juntos, apresentaram 71,07% de umidade em base úmida e 2,46 na base seca.
Antes da aplicação da levedura, promoveu-se ao substrato uma higienização inicial, seguida de uma lavagem em água corrente com detergente neutro. Para que o enriquecimento proteico ocorresse da melhor forma, cortaram-se as cascas em sentido vertical por considerar características intrínsecas do abacaxi. Os pedúnculos de abacaxi foram triturados em liquidificador, resultando em uma pasta, que foi prensada para a retirada do suco. Logo após, foi a vez das cascas serem trituradas. Depois misturou-se o bagaço e as cascas trituradas e armazenou-se em saco plástico no congelador até o dia 27/11/2014. Ao bagaço e as cascas fez-se a inoculação da levedura na proporção de 2%.
2.2. Enriquecimento dos resíduos e secagem. Procedimento experimental.
O enriquecimento proteico do bagaço e cascas do pedúnculo de abacaxi ocorreu no dia 27/11/2014. Foi realizado em cultivo semissólido em sistema de batelada em duplicata, utilizando dois pratos de porcelana como recipiente. A levedura foi pesada em balança analítica usando um cadinho de porcelana e espalhada inicialmente sobre o substrato na bandeja para que pudesse ocorrer a homogeneização da mistura. Seu peso consistia em 2% do substrato. Em seguida, transferiu-se a quantidade indicada de 150g para cada prato citado. Isso permitia que água não fosse perdida. A amostra foi disposta inicialmente em um biorreator secador solar durante 24 horas, submetida a ar com velocidade de 0,6m/s e temperatura inicial de 28°C, sem exposição ao sol e umidade relativa do ar de 40%.
No dia 28/11/2014 foi feita a secagem em duas etapas com o intuito de obter uma curva de cinética de secagem que seria comparada com dados da literatura. A primeira consistia em uma secagem natural da amostra em um biorreator secador solar exposto ao sol. Já a segunda consistiu em secar a amostra em estufa até atingir peso constante. Essa secagem foi feita após conclusão da etapa inicial e permitiu a completa finalização da secagem da amostra em estufa a 80 °C. Para otimização da secagem, a amostra foi transferida dos pratos de porcelana para peneiras plásticas circulares rasas que possuíam seu fundo perfurado, antes de colocar no secador. Este tipo de bandeja proporciona uma maior eficiência na circulação de ar por todo o
meio, e não somente na parte superior exposta ao ambiente. O inconveniente deste aspecto é a perda de massa em virtude da agarração da amostra na tampa no momento da transferência.
Cada etapa consistia em pesagem da amostra em intervalos periódicos, sempre à procura da melhor representação gráfica. O primeiro estágio iniciou-se às 12:00h e terminou às 16:00h. Os períodos dos intervalos obedeceram a seguinte sequência:
a) No início da secagem (12:00h-12:30h) as amostras foram pesadas periodicamente em intervalos de cinco minutos;
b) Logo após (12:30h-14:00h) as amostras foram pesadas periodicamente em intervalos de dez minutos;
c) Posteriormente (14:00h-15:00h) as amostras foram pesadas em três intervalos de vinte minutos;
d) Na última parte (15:00h-16:00h) as amostras foram pesadas em dois intervalos de trinta minutos;
Já a segunda etapa iniciou-se às 16:00h e terminou às 16:50h, onde a amostra foi pesada cinco vezes em intervalos de dez minutos.
2.3. Cálculos da Cinética de secagem
A cinética refere-se à rapidez com que o alimento perde umidade. Vale salientar que o processo de extração do teor de umidade para a construção das cinéticas de secagem é controlado pelas características do alimento, pela temperatura, velocidade e umidade relativa do ar.
A cinética de secagem caracteriza-se basicamente em 3 etapas (CELESTINO, 1998): a) Adaptação da matéria-prima às condições de secagem: nesse estágio, devido excesso
de água, o alimento apresenta um tempo de secagem (evaporação da água) constante; b) Umidade crítica: marca o fim do tempo de secagem constante. Ela é caracterizada pela
mudança de concavidade da curva;
c) Diminuição da umidade até o equilíbrio: nessa etapa o material submetido à secagem apresenta um déficit no balanço de calor, devido menor evaporação em relação ao movimento da água em direção à superfície. A secagem cessa com a igualdade entre as pressões parciais de vapor da água contida no ar e no interior do alimento.
As curvas da cinética de secagem consistem na representação do teor de umidade em função do tempo. O teor de umidade representa a quantidade de água por unidade de massa do material
úmido ou seco. Pode ser expresso pela relação entre a quantidade de água e a massa seca/sólidos (base seca) ou entre a quantidade de água e a massa total (base úmida).
O teor de umidade na base seca é obtido através da Equação (1):
X𝑏𝑏𝑏𝑏 = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑚𝑚ó𝑙𝑙𝑙𝑙𝑑𝑑𝑙𝑙𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 á𝑔𝑔𝑔𝑔𝑚𝑚 (1)
O teor de umidade na base úmida é obtido através da Equação (2):
X𝑏𝑏𝑏𝑏 =𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑑𝑑 á𝑔𝑔𝑔𝑔𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑡𝑡𝑙𝑙𝑡𝑡𝑚𝑚𝑙𝑙 ∗ 100% (2)
O conteúdo de água é determinado pelo método da estufa. As amostras são pesadas em balança digital de precisão de 0,01g e colocadas em estufa a 105 °C até peso constante. As amostras retiradas devem ser resfriadas em dessecadores antes da pesagem até uma temperatura próxima da ambiente, pois erros na leitura da massa ocorrem em razão das correntes de convecção geradas com o contato entre o alimento quente e o ar no interior da balança.
2.4. Ferramentas da Qualidade
As Ferramentas da Qualidade são técnicas que se podem utilizar com a finalidade de definir, mensurar, analisar e propor soluções para problemas que eventualmente são encontrados e interferem no bom desempenho dos processos de trabalho. Assim, elas propiciam uma melhor qualidade e eficiência dos processos (MIGUEL, 2006).
O estudo das ferramentas da qualidade é muito importante para as organizações porque são instrumentos utilizados para auxiliar e dinamizar reuniões, elaborar projetos, organizar informações, priorizar problemas, contribuindo para o gerenciamento eficaz da produção. Estas ferramentas são dispositivos, procedimentos gráficos, numéricos ou analíticos, formulações práticas, esquemas de funcionamento, mecanismos de operação, enfim, métodos estruturados para viabilizar a implantação da Qualidade Total.
As técnicas de melhoramento são bastante úteis para aperfeiçoar operações e processos em geral. As técnicas mais trabalhadas nas organizações são: diagramas de dispersão, mapas de processos ou fluxogramas, diagramas de causa e efeito ou diagramas de Ishikawa, diagramas de Pareto, análise por que - por quê, brainstorming e folha de verificação.
O Diagrama Ishikawa, também chamado de “espinha de peixe” devido seu formato, é uma dessas ferramentas. Ele foi desenvolvido por Kaoru Ishikawa e serve para representar a relação entre o efeito e todas as possibilidades de causa que podem contribuir para esse efeito (MIGUEL, 2006).
Este diagrama será usado neste trabalho justamente por permitir maior facilidade na identificação de defeitos durante a secagem principalmente, visto a mesma ser totalmente dependente das condições climáticas ambientais quando mantida no biorreator secador. Ele permitirá a identificação de defeitos ou problemas e nos conduzirá à otimização do processo.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os dados aqui apresentados foram obtidos em 28/11/2015 durante a secagem do substrato enriquecido, sendo processados através das Equações (1) e (2), cujos resultados constam na Tabela 1.
Após 24 horas de enriquecimento e secagem, a mistura substrato/levedura continha 47,2% de teor de água, superior ao teor de umidade de 12% considerado adequado para conservação de farinhas em ambiente aberto durante seis meses e de acordo com as normas para comercialização de suplementos proteicos.
Tabela 1 – Secagem da mistura no BSS seguida por estufa
Etapas da secagem t (min) Hora T (ºC) UR Massa (g) Xbu (%) Xbs Momento inicial no BSS 0 12:00 28 40 93,57 71,07 2,460 Momento final no BSS 210 15:30 39,3 50 60,91 55,5 1,250
Momento inicial em estufa 240 16:00 31,9 61 58,94 54,0 1,177
Momento final em estufa 290 16:50 80 64 51,27 47,2 0,894
Verifica-se na Tabela 1 que o teor de umidade não atingiu o valor esperado, que era de 12% em base úmida. Seguem algumas considerações acerca das causas das baixas taxas de secagem observadas:
A temperatura ambiente não estava suficientemente elevada para facilitar a transferência de calor e o consequente transporte de massa, sendo muitas vezes oscilante devido à mudança de tempo repentinamente (ora ensolarado, ora nublado). Além disso, a umidade relativa do ar variou bastante, desfavorecendo a secagem, como se observa na Figura 2. A Figura 2 apresenta
a evolução da temperatura e da umidade relativa do ar ao longo do tempo, durante o processo de secagem no biorreator secador solar.
Figura 2 – Evolução da temperatura e da umidade relativa do ar em função do tempo
Observa-se que a temperatura ambiente varia de 28ºC à 45ºC e que a umidade relativa do ar oscila entre 25% e 64%. Nota-se claramente no gráfico que à medida que há uma elevação na temperatura a umidade baixa e à medida que a umidade está alta a temperatura diminui, dificultando o processo de secagem.
Este processo de variação da umidade e temperatura seria um dos motivos do teor de umidade final do produto enriquecido ter ficado com 47,2% Xbu, justificando a necessidade de
um tempo maior de secagem na estufa com circulação de ar. Características do desempenho dos secadores deverão também ser consideradas.
A partir dos dados da Tabela 1, prossegue-se a formação da curva de secagem em base úmida, como mostra a Figura 3. Essa curva é semelhante às reportadas na literatura para materiais de origem biológica. A curva mostra que, para as duas etapas de secagem, solar e em estufa, o processo ocorre no período de taxa constante, sendo que, como esperado, na secagem em estufa a 80ºC com circulação forçada de ar, a cinética de secagem é mais rápida que durante a secagem solar. 12:05 12:20 12:40 13:10 13:40 14:20 15:30 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 T (° C ) e U R do ar ( % ) hora do dia
Temperatura do dia durante a secagem no BSS Umidade Relativa do ar durante a secagem no BSS
Figura 3 – Cinética de secagem de resíduo de abacaxi utilizando o BSS e a estufa
Durante a realização do experimento foram detectadas possíveis causas, relacionadas com as baixas taxas de secagem e eventuais erros, que serão analisados a seguir mediante a ferramenta de qualidade. Inicialmente foi feito um brainstorning com a equipe para identificar as possíveis causas para o problema da secagem insuficiente.
As possíveis causas relacionadas com o problema da secagem foram:
a) Material – diâmetro pequeno do resíduo de maracujá, abertura inadequada da malha da cesta.
b) Mão de obra – pouca habilidade em laboratório, desconhecimento do método, não aferição da balança.
c) Meio ambiente – tempo chuvoso, oscilação da temperatura ao longo do dia, temperatura baixa, umidade do ar elevada.
d) Métodos – distância do BSS para a balança, recipiente inadequado, tempo de pesagem demorado, captura de umidade durante a pesagem, perda do material durante o transporte, erro na leitura da pesagem, não estabilização da temperatura da estufa, perda do produto pela malha da cesta.
e) Máquina – baixa velocidade dos coolers, posição inadequada dos coolers dentro do BSS, extração lenta do ar pelos coolers do BSS, baixa captação da energia solar, absorção da umidade do ar, tempo insuficiente na estufa, temperatura baixa da estufa,
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 48 51 54 57 60 63 66 69 72 X bu( % ) t(min) Secagem Solar no BSS Secagem na Estufa
f) Medida – erro de leitura na balança, balança desregulada, erro na pesagem dos recipientes.
Ao analisar cada causa separadamente ficou evidente que o problema estava relacionado com a temperatura de secagem associada com a velocidade de extração do ar do BSS através dos coolers. O problema foi resolvido na própria máquina da seguinte forma: inverteu-se a posição dos coolers, pois inicialmente os 6 coolers estavam posicionados em forma de exaustor. A solução encontrada foi: deixar 3 coolers soprando o ar de fora para dentro do BSS e colocar 3 coolers extraindo o ar do BSS para diminuir o tempo de secagem.
Com a utilização desta ferramenta foi possível fazer a modificação no sistema de secagem do BSS, possibilitando com isso uma redução do tempo e aprimoramento da cinética de secagem após o enriquecimento proteico dos resíduos de abacaxi.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A umidade final não é considerada adequada para o armazenamento seguro do produto, indicando a necessidade de maior tempo de secagem do resíduo enriquecido.
Ao comparar o tempo de secagem para o produto em estudo, com outros secadores que utilizam a energia solar, verificou-se que, embora o tempo de 240 minutos tenha apresentado resultados que aparentemente poderiam estar fora dos padrões de qualidade para o armazenamento adequado do produto, constatou-se que o tempo de secagem no BSS foi bem eficiente quando comparado com outros secadores.
A explicação para esta situação está justamente na forma como é realizado o processo de secagem no BSS. Os 6 coolers existentes servem para extrair o ar do secador. Este processo é fundamental para a secagem, pois além de extrair a umidade do ar que se encontra dentro do BSS a temperatura solar incidente no equipamento também facilita a extração de água do produto.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), e a Universidade Federal de Sergipe (UFS) pelas bolsas de Iniciação Científica concedidas, bem como ao coordenador do Laboratório de Tecnologias Alternativas (LTA) por nos ter cedido suas instalações para o desenvolvimento do projeto de pesquisa.
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QUALITY TOOLS APPLICATION IN THE DEVELOPMENT OF A
SOLAR BIOREACTOR DRIER FOR DRYING KINETICS STUDIES
LIMA, Franklyn da Cruz1*; SANTOS, Daniel Silva2; RODRIGUES, Saulo Guilherme2;
FRANCA, Veruschka Vieira2; ALSINA, Odelsia Leonor Sanchéz3; MONTEIRO, Luciano Fernandes2
1 Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Sergipe 2 Departamento de Engenharia de Produção, Universidade Federal de Sergipe 3 Instituto de Tecnologia e Pesquisa, Universidade Tiradentes
* e-mail: franklynlima@outlook.com
Abstract: The fruit processing industries generate wastes whose use has been the subject of
recent research, showing the viability of the protein enrichment cell growth of microorganisms using semisolid fermentation techniques, aimed at obtaining supplements for animal and human consumption. This study aimed to apply quality tools in order to improve the drying kinetics of pineapple husks, enriched using Saccharomyces cerevisiae as the inoculum. The procedure was divided into two stages. The first consisted of the protein enrichment of the substrate for 24 hours at relative humidity of 40%, using an inoculation of 2% corresponding to 300g of the substrate. The next step was determined by drying the mixture. Both steps were performed in a bioreactor solar dryer. The analysis reveals that the drying time was not enough to obtain the desired moisture, making an expert inspection on the causes that led to the failure of the procedure through quality tools.
