AUTORES
AUTHORS
PALAVRAS-CHAVE
KEY WORDS
Fish Fillet Dehydration Using an
Experimental Drying Benchench
RESUMO
O traçado experimental da curva de secagem possibilita o estudo da determinação do processo de secagem no interior do alimento e da condição ótima de secagem, tanto pelo aspecto da qualidade do alimento seco, quanto pelo aspecto econômico. Este trabalho teve por objetivo a criação de uma bancada experimental para secagem de alimentos, o levantamento das curvas de secagem e das taxas de secagem de amostras de filé de peixe carpa (Cyprinus carpa), tambaqui (Colossoma macropomum) e tilápia nilótica (Oreochromis niloticus). A secagem foi realizada por convecção forçada de ar aquecido sobre as amostras. Foram realizadas medições de precisão das variáveis: peso da amostra, velocidade de escoamento, temperatura de bulbo seco e umidade relativa do ar. A bancada era composta por um túnel metálico equipado com: um ventilador; um conjunto regulável de resistências elétricas de aquecimento do ar, um regulador de vazão; sensores de temperatura de bulbo seco e umidade relativa; uma balança digital semi-analítica; um anemômetro e três coletores de dados. Os dados medidos eram lidos e armazenados em intervalos de tempo determinados pelas características de cada processo e usados no traçado das curvas. Em condições de secagem de 62°C, 10% umidade relativa, para 57,6cm2 de área de troca, a amostra de carne
de carpa atingiu a umidade de equilíbrio em 350 minutos e a de tambaqui em 400 minutos. O processo de secagem da carne de tilápia e de carpa permitiu a aproximação de suas curvas de taxa de secagem de forma logarítmica, indicando que a desidratação ocorria por difusão no interior da amostra.
Francisco Nivaldo Aguiar FREIRE
Maria Eugênia Vieira da SILVA
Jorge Fernando Fuentes ZAPATA, Geraldo Arraes MAIA
Universidade Federal do Ceará Laboratório de Energia Solar Departamento de Engenharia Mecânica Fone/Fax: (085) 2889632 ramal-221/ (085) 2889636 – Campus do Pici
Umidade de equilíbrio; Difusão; Taxa de secagem.
Equilibrium humidity; Rate of drying; Diffusion.
SUMMARY
Plots of drying curves are use in the determination of the drying process in the interior of the samples and of the optimal drying conditions, taking into account the quality of the dried product and also the economical aspects. This research article presents the development of an experimental apparatus to dry food samples, the use of the apparatus to plot the drying curves and the rate of drying curves for three fish fillet samples: Cyprinus carpa, Colossoma macropomum, and Oreochromis niloticus. The drying process was carried out by forced convection, with heated air flowing on the outside surface of the samples. The apparatus was built to allow the instantaneous monitoring of the variables: weight of the sample, air speed, dry bulb temperature and relative humidity of the air. The apparatus was sheet-metal duct equipped with: a fan, a set of controlled electric air heaters, an air controller (damper), dry air temperature and relative humidity sensors, a semi-analytical scale, an anemometer, and three data collectors. The experimental data were read and automatically stored at pre-defined time interval and used to plot the curves. At the drying conditions of 62°C, 10% relative humidity, with 57,6 cm2 of surface area, the carpa sample
1. INTRODUÇÃO
O levantamento experimental de curvas de secagem e a determinação da taxa de remoção de água de alimentos são etapas importantes no estudo da desidratação e armazenamento dos mesmos. Na secagem de um produto alimentício por convecção forçada de uma corrente de ar aquecida, as condições termodinâmicas da corrente de ar (temperatura e umidade relativa) influenciam o processo de remoção de água do alimento, determinando a umidade final a ser alcançada.
As condições de armazenamento são importantes na preservação de alimentos. No que concerne aos aspectos de deterioração microbiana, a secagem reduz a atividade de água dos alimentos diminuindo a atuação dos microrganismos. Se um produto seco a ser armazenado tiver um teor de umidade equivalente a uma pressão de umidade inferior à pressão parcial do vapor de água no ar ambiente, ocorre o processo de hidratação do alimento devido ao gradiente de concentração entre o produto e o ar do ambiente. A hidratação ocorre até que o equilíbrio entre as pressões seja alcançado; neste caso a umidade final do alimento será maior do que a umidade ao final do processo de secagem.
Como a literatura disponível sobre secagem é muito vasta, só os trabalhos mais relacionados ao tema do presente artigo estão apresentados. Entre os primeiros artigos publicados sobre secagem de sólidos, encontram-se os apresentados por SHERWOOD (1928, 1929, 1930, 1932). Nestes ar tigos, foi apresentado um modelo para a determinação do tempo de secagem a partir dos balanços de massa e energia dentro de um sólido, classificando o mecanismo de secagem em quatro casos: evaporação da água na superfície do sólido; evaporação da água até a superfície do sólido; evaporação da água no interior do sólido, onde a difusão interna é pequena comparada com a resistência total de remoção do vapor e, por último, a evaporação da água no interior do sólido, onde a difusão interna é grande quando comparada com a resistência total para remoção do vapor. Curvas de secagem da madeira foram obtidas, com amostras de diferentes espessuras, nas condições de temperatura de bulbo seco entre 31 e 35°C e velocidade do ar quente de 1m/s.
A retirada de água de um alimento envolve fenômenos de transporte de massa e energia (SINGH; HELDMAN, 1987) entre o alimento e a corrente de ar quente, o que requer a aplicação de equação de transporte da água dentro do alimento. A movimentação da umidade em um sólido, especificamente em um alimento, pode ser considerada como sendo um escoamento em um meio poroso, onde a geometria, as pressões capilares e a heterogeneidade do sólido são consideradas fatores relevantes no processo, influindo diretamente no resultado final (COULSON; RICHARDSON, 1968). Processos osmóticos que ocorrem entre as células constituintes do alimento também acarretam um aumento no tempo de secagem. Neste caso, predomina o processo de secagem difusivo, célula a célula.
CALVIDAL; VIEIRA (1995) apresentaram um trabalho sobre a secagem do fruto abacate em forma de creme. Foram
analisados fatores como temperatura de bulbo seco, umidade relativa e velocidade do ar. O trabalho utilizou um túnel de secagem como parte integrante de um secador constituído por um sistema de resfriamento do ar, um filtro desumidificador, um sistema de vibração da amostra e controle de temperatura e umidade. Devido à utilização de baixas temperaturas (5°C, 10°C, 15°C, 20°C) e umidades relativas 10%, 18%, 30%, 40%, o método desenvolvido recebeu o nome de “Secagem a Frio”. A perda de água foi analisada gravimetricamente e foram elaboradas curvas do teor de água versus tempo, a intervalos de 1h, nas seguintes condições: temperatura de 15°C, velocidade de do ar de 0,27m/s e umidade relativa de 18%. Segundo os autores, a secagem de abacate é regida por forças capilares e pelas leis de difusão.
GEANKOPLIS (1993) relatou um equipamento que recebeu o nome de Secador Contínuo de Túnel. Neste túnel existiam trilhos que movimentavam as bandejas com alimento ao longo do mesmo em oposição a uma corrente de ar quente.
SODHA et al. (1987) apresentaram dois livros sobre a secagem solar de produtos agrícolas. Foram desenvolvidos balanços de massa para a corrente de ar e para o sólido, isotermas de absorção para vários alimentos e detalhes construtivos de diferentes secadores. Contudo, curvas de secagem dos produtos em função do tempo não foram apresentadas.
Cur vas de secagem para alimentos podem ser encontradas em diversos trabalhos, sendo as mais comuns para frutos tropicais, como o caso da banana, onde os modelos matemáticos de difusão da água dentro do alimento são especificados utilizando-se as isotermas de dessorção (PHOUNGCHANDANG; WOODS, 2000 a e b). Estas isotermas são gráficos da umidade do alimento em função da umidade relativa do ar. Outras curvas apresentadas foram da quantidade de umidade versus o tempo de secagem da amostra. Esses autores reportaram o processo de secagem utilizando energia solar numa simulação em laboratório, mostrando os efeitos de uma corrente de ar aquecido sobre a superfície da banana e suas conseqüências na desidratação deste fruto. Dentre os efeitos imediatos, pôde-se relatar a formação de uma resistência superficial à retirada de umidade. Um modelo matemático no levantamento das isotermas de dessorção a partir de dados coletados foi sugerido, sendo o modelo de difusão de Newton (exponencial) o que melhor se ajustou ao estudo experimental.
Alguns processos bioquímicos são inerentes à secagem de um alimento, como é o caso do escurecimento enzimático e da caramelização, que é conhecida também como escurecimento não-enzimático. Estas reações bioquímicas podem ser evitadas não só por inativação enzimática, mas também mediante uma desidratação lenta em condições termodinâmicas ótimas, que podem ser encontradas utilizando-se as curvas de secagem dos alimentos.
demonstrar a utilização da bancada, experimentos de três tipos de amostras de pescado: carpa, tambaqui e tilápia foram realizados. Os resultados mostram tanto as medições realizadas quanto o procedimento para a confecção das curvas da taxa de secagem versus umidade das amostras. Essas curvas foram usadas na identificação do processo de escoamento de água no interior das amostras através de uma comparação aos modelos matemáticos disponíveis na literatura (SHERWOOD, 1928, 1929, 1930,1932).
2. METODOLOGIA
2.1 Descrição geral da bancada experimental de secagem
A bancada experimental de secagem foi projetada na forma de um túnel contendo os equipamentos componentes e os instrumentos de medição, ligados a um coletor de dados. Para evitar ruídos nas leituras, foi utilizado um aterramento especial nas instalações elétricas utilizadas pelos instrumentos de medição.
O túnel de secagem, mostrado na Figura 1, foi construído em chapa de aço galvanizado, com revestimento de isopor de 0,5cm, nas dimensões: 265cm de comprimento, 33cm de largura e 12,5cm de altura. Um ventilador centrífugo (A), um regulador de vazão do ar (B), um conjunto de resistências elétricas (C) e uma balança (D) para coletar dados de peso do alimento foram acoplados ao túnel. A balança foi instalada de maneira que o prato ficava no mesmo nível da parede inferior do túnel para evitar turbulências adicionais. No interior do túnel foram instalados os sensores de temperatura de bulbo seco e umidade relativa, um antes e outro depois da balança. O sensor de velocidade para o monitoramento da velocidade do ar foi instalado próximo à balança.
FIGURA 1. Desenho da bancada experimental (componentes básicos) para o levantamento de curvas de secagem.
2.2 Descrição do sistema de aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados era composto por instrumentos de medição, coletores de dados, uma placa serial e um microcomputador. Os dados provenientes dos
instrumentos eram armazenados nos coletores, que enviavam as informações armazenadas para o microcomputador. Os sensores de medição eram lidos em intervalos de tempo pre-determinados, dependendo do tempo total de secagem de cada produto. Para as amostras de peixe, com tempo total de secagem de aproximadamente 400 minutos, o intervalo de medição foi de 5 minutos para as amostras de tambaqui e tilápia, resultando em cerca de 80 pontos de medição. Para a amostra de carpa, o tempo total de secagem foi de aproximadamente 350 minutos e o intervalo de medição de 2 minutos, resultando em 175 pontos de medição.
Na medição do peso das amostras, foi usada uma balança semi-analítica com precisão de ± 0,001g, carga máxima de 202g e tempo de medida 0,5 a 4 segundos (modelo BK200-GEHAKA). A medição de umidade relativa foi realizada por sensor com precisão de 2% do valor lido no display, com elemento sensível de filme fino capacitivo. O sensor de temperatura, com alcance de –20 a 80º C e precisão de ±1 digito do valor lido no display, era do tipo PT-100 RTD. Foram utilizadas as saídas digitais desses sensores, exceto do anemômetro (precisão ±1,5 % do valor lido e voltagem de operação 15 -18Volts), que apresentava somente saída analógica na faixa de 0–5 Volts.
Ao final de cada processo de secagem, os valores relativos à temperatura de bulbo seco, umidade relativa e peso da amostra eram armazenados nos coletores, em ordem de leitura, para em seguida serem enviados ao microcomputador.
2.3 Preparação das amostras
As amostras de peixe usadas neste estudo foram obtidas dos músculos dorsais de dois exemplares de carpa (Cyprinus carpa) e dois de tambaqui (Colossoma macropomum), pesando 2,5 e 3,5kg em média, respectivamente, provenientes da Estação de Piscicultura do Departamento Nacional de Obras Contra as Secas (DNOCS), em Pentecoste-CE. O peixe tilápia nilótica (Oreochromis niloticus) foi obtido em mercado local (Fortaleza) com exemplares pesando 2,0kg. O pescado foi mantido em gelo até a retirada dos filés e corte da parte muscular em cubos de aproximadamente 5mm de espessura.
2.4 Secagem das amostras
A bancada experimental foi pré-aquecida mediante ligação de duas das cinco resistências instaladas e controle da velocidade do ar para obtenção de temperatura entre 60 e 65°C. As amostras foram colocadas sobre uma estrutura de arame, que mantinha o alimento a ser desidratado suspenso, evitando o contato de uma das superfícies com o prato da balança ao mesmo tempo em que permitia o contato do ar quente com todas as faces das amostras de pescado.
2.5 Modelo analítico
A identificação do processo de secagem predominante no interior das amostras foi realizada utilizando-se os dados experimentais coletados e as equações analíticas que determinam o processo de secagem. A forma funcional da curva de secagem foi comparada à solução analítica da equação diferencial parcial parabólica, que caracteriza o processo de escoamento difusivo no interior da amostra. Quando o período de queda da taxa de secagem apresenta uma forma funcional linear, o processo de escoamento da umidade dentro do meio é caracterizado por transporte capilar, enquanto uma forma funcional exponencial caracteriza um processo de escoamento por difusão (SHERWOOD, 1932).
Como breve revisão, as definições das variáveis usadas na equação do cálculo da taxa de secagem são apresentadas (TREYBAL, 1980). O teor de umidade na base seca, X, é expresso como a razão entre a massa de umidade e a massa de sólido seco da amostra. A massa de sólido seco é determinada como a diferença entre a massa total da amostra e a massa de umidade (água), podendo ser experimentalmente obtida por processo de análise gravimétrica, entre outros.
A umidade de equilíbrio, X*, é a umidade da amostra quando ela está em equilíbrio com uma determinada pressão parcial de vapor no ar. A umidade ligada se refere à umidade contida na amostra que exerce uma pressão de vapor menor do que a pressão de vapor do líquido puro na mesma temperatura. A umidade não-ligada se refere à umidade contida na amostra que exerce uma pressão de vapor igual à pressão de vapor do líquido puro na mesma temperatura. A umidade livre é o teor de umidade na amostra em excesso à umidade de equilíbrio. Somente a umidade livre pode ser evaporada e depende da concentração de vapor de água no ar.
Os dados obtidos durante o processo de secagem permitem o traçado da curva de umidade em função do tempo (GEANKOPLIS, 1993). Esses resultados podem também ser usados na determinação do tempo necessário para secar grandes quantidades da mesma amostra em batelada sob as mesmas condições. A taxa de secagem, , é calculada por:
N .
=m
A
sólido secodX
dq (1)
onde é expressa em [kg água/m2 h]; a massa de sólido
seco, msólido seco, em [kg]; a área superficial de troca, A, em [m2]; a umidade da amostra, X, em [kg água/kg sólido seco] e
o tempo, θ, em [h].
A variação temporal do teor de umidade, dX/dθ, é obtida diretamente da curva experimental de secagem (peso da amostra versus tempo de secagem) ou da derivada da função de aproximação dessa curva. Assim, utilizando-se os dados experimentais, tanto a umidade da amostra quanto a taxa de secagem podem sem determinadas, possibilitando o traçado da curva versus X, necessária na identificação do mecanismo de escoamento de umidade no interior da amostra.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 mostra as condições operacionais e os valores médios calculados a partir das medições experimentais para a taxa de secagem das amostras de músculos dos peixes carpa, tambaqui e tilápia.
TABELA 1. Condições operacionais e taxas de secagem das amostras de músculo de carpa, tambaqui e tilápia, submetidas à secagem no túnel.
m e g a c e s e d s o r t e m â r a
P Carpa Tambaqui Tliápia
o c e s o b l u b e d a r u t a r e p m e T ) C ° ( l e n ú t o
n 62,2 61,2 62,0
) % ( r a o d a v i t a l e r e d a d i m
U 9,2 11,0 9,0
) s / m ( r a o d e d a d i c o l e
V 1,99 1,79 1,5
e d a t e l o c e d o l a v r e t n I ) n i m ( s o d a
d 2,0 5,0 5,0
m c h / g ( m e g a c e s e d a x a
T 2) 0,039 0,024 0,036 Característicasdaamostra
) m c ( s a i t a f s a d s e õ s n e m i
D 4,2x3,7x0,5 4,2x3,7x0,5 5,6x5,8x1,38
) g ( l a i c i n i o s e
P 17,433 16,177 38,337
) g ( l a n if o s e
P 5,393 6,961 22,643
e d o ã ç o m e r e d a i d é m a x a T ) h / g ( a u g
á 2,23 1,40 2,44
Embora as condições iniciais e operacionais de secagem para os dois peixes não sejam exatamente iguais, uma comparação qualitativa pode ser feita, visto que os valores de temperatura, umidade e velocidade de escoamento do ar são próximos, como apresentados na Tabela 1.
A diminuição do peso foi levemente maior na amostra de carpa em comparação com a de tambaqui. O peso da amostra de carpa diminuiu de 17,433g no início da secagem para 5,393g no final do processo, apresentando uma variação de 12,04g. O peso da amostra de tambaqui variou 16,177g no início da secagem para 6,961g no final do processo, com uma diferença de 9,216g. Considerando as áreas superficiais para as amostras filetadas de 57,62cm2, a quantidade de
umidade retirada por unidade de área superficial de contato de cada amostra foi de 0,209g/cm2 para o carpa e de
0,160g/cm2 para o tambaqui. Contudo, o tempo de secagem
até a umidade de equilíbrio de cada amostra foi diferente, sendo de 5,4 horas para a carpa e de 6,6 horas para o tambaqui. Assim, a taxa de remoção de umidade foi de 0,039g/h cm2 para o peixe carpa e de 0,024g/h cm2 para o
tambaqui, como mostra a Tabela 1.
músculo de carpa do que aos de tambaqui. Esse compor tamento está associado às características de composição desses músculos, onde os níveis de colágeno e gordura podem influenciar a transferência de massa desde as partes mais internas para as superfícies das amostras, alterando desta forma a velocidade de secagem durante o período de velocidade decrescente. Após 100min de secagem, a redução de peso no músculo de tambaqui foi de 32,0% do peso inicial.
FIGURA 2. Curvas de secagem dos filés de peixe carpa, tilápia e tambaqui.
A Figura 3 apresenta a curva da taxa de secagem do peixe carpa em função da umidade da amostra. A curva foi traçada a partir das medições experimentais do peso ao longo da secagem nas condições de 62oC de temperatura de bulbo
seco e 9,2% de umidade relativa do ar. A amostra possuía área de troca de 68,14cm2 e o tempo de secagem foi de 340
minutos.
FIGURA 3. Taxa de secagem do filé de carpa versus umidade da amostra.
Como apresentado na Figura 3, o melhor modelo matemático da taxa de secagem versus umidade da amostra
para o filé de carpa apresentou forma logarítmica, = 0,0777 Ln(X) – 0,0319, com R2 = 0,9087. Esse comportamento mostra
a natureza difusiva do processo de deslocamento da água no interior das amostras. Curvas similares à apresentada na Figura 3 foram também confeccionadas para as amostras de tambaqui e tilápia. Para o filé de tambaqui, a expressão que melhor se ajustou era também logarítmica, = 0,0507 Ln(X) – 0,0133 com R2 = 0,8199. A curva para o filé de tilápia apresentou
uma equação em forma de potência, mas com expoente próximo da unidade, aproximando-se assim da equação de uma linha reta: = 0,0477X1,0941 com R2 = 0,9156. Esse
comportamento indica a influência das forças capilares no escoamento da água no interior do produto. Deve-se observar, nesse caso, o aspecto do ciclo alimentar do peixe. Dependendo da região e da época do ano, o peixe pode ter uma alimentação diferenciada, refletindo em sua composição muscular, que pode reter a umidade mais fortemente nos tecidos musculares e no tecido adiposo.
4. CONCLUSÕES
A bancada experimental de secagem obteve dados de secagem de qualidade em diferentes condições de operação, com a possibilidade de regulagem das propriedades termodinâmicas do ar (temperatura de bulbo seco, umidade relativa e velocidade de escoamento do ar). O sistema de aquisição de dados com sensores de precisão e coleta contínua de dados fez o monitoramento do processo de secagem sem necessidade de qualquer interrupção. O registro dos valores medidos, em freqüência pré-programada, possibilitou o estudo transiente do processo.
Os dados experimentais forneceram as informações necessárias para a determinação do tempo de secagem, da umidade de equilíbrio e da umidade da amostra e da taxa de secagem ao longo do processo. Essas informações foram utilizadas na caracterização do escoamento da umidade no interior das amostras. Assim, a bancada experimental e os procedimentos desenvolvidos mostram-se adequados para o estudo de secagem por convecção forçada de ar aquecido.
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