UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola
JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO
“SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR CILÍNDRICO
ROTATIVO ASSISTIDO POR MICRO-ONDAS”
CAMPINAS 2015
Faculdade de Engenharia Agrícola
JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO
“SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR CILÍNDRICO
ROTATIVO ASSISTIDO POR MICRO-ONDAS”
Orientador: Prof. Dr. JOÃO DOMINGOS BIAGI
Co-Orientador: Prof. Dr.ANTONIO MARSAIOLI JUNIOR
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO E ORIENTADO PELO PROF. DR. JOÃO DOMINGOS BIAGI
CAMPINAS 2015
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Agrícola, na Àrea de Tecnologia Pós-Colheita.
À Fernanda, minha querida esposa, minha alegria, energia e estímulo sempre presente em todos os momentos.
Às minhas filhas Juliana e Mariana, que completam a minha felicidade.
Aos professores João Domingos Biagi e Antio Marsaioli Junior, pela orientação, correções, paciência, boa vontade que me possibilitaram encontrar as soluções e principalmente a amizade cultivada ao longo deste trabalho.
Ao Pesquisador José Gasparino Filho, do ITAL pelo contínuo apoio desde o início do meu mestrado, participando da banca de qualificação, com sugestões e correções deste trabalho e principalmente pela amizade e conselhos que me ajudaram a concluir mais uma etapa da minha vida acadêmica e profissional.
À Pesquisadora Silvia Rolin, diretora do Fruthotec que me apoiou e confiou na minha pesquisa.
Ao Daniel Rossin Coelho, aluno da graduação, bolsista de Iniciação Científica pela inestimável colaboração nos ensaios experimentais.
Aos funcionários de apoio do FRUTHOTEC, pela valiosa colaboração na realização dos ensaios experimentais.
A Diretoria do GEPC, Grupo Especial de Engenharia do Instituto de Tecnologia de Alimentos, ITAL, pelo apoio e permissão do uso da planta de processamento para a realização das pesquisas realizadas durante o programa de Pós-graduação.
Aos professores da FEAGRI/UNICAMP pelos vários ensinamentos nas disciplinas cursadas: Sylvio Luís Honório, Rafael Augustus de Oliveira, Gonzalo Roa, Barbara Teruel Mederos, Paulo Ademar Martins Leal.
Aos funcionários da FEAGRI/UNICAMP, que de alguma forma, contribuíram para a realização deste trabalho.
Aos amigos e colegas que tive a oportunidade de conhecer e se mostraram presentes em diversos momentos e etapas deste trabalho na FEAGRI, Carolina Maria Sanchez Saenz, Vânia Rosal Guimarães Nascimento e demais colegas da FEAGRI.
A Indústria Citrosuco/Limeira pertencente ao Grupo Fisher, especialmente a seu Gerente de Operações Renato Buzato, pela inestimável colaboração para a realização da pesquisa através da doação do bagaço de laranja e a disponibilização das informações técnicas utilizadas neste trabalho.
do Programa de Pós-graduação.
E finalmente gostaria de agradecer a todos que de modo direto e indireto colaboraram com a realização deste trabalho.
É indiscutível a importância do sistema agroalimentar citrícola para a economia nacional. O Brasil é o maior produtor e exportador mundial de suco de laranja e seus subprodutos, disputando com os Estados Unidos à hegemonia nesse mercado.
Na fabricação do suco de laranja concentrado congelado, para cada 100 kg de laranja são produzidos 55 kg de suco simples e os 45 kg restantes são os resíduos do processo constituídos de laranjas descartadas, casca, semente, borra de extração de óleo essencial, polpa lavada, denominados genericamente de “bagaço”, com umidade de aproximadamente 82%, que após passar pelo processo de industrialização, tem sua umidade reduzida até chegar a 14% e por fim peletizada atingindo a umidade final ao redor de 8%.
O farelo de polpa cítrica peletizado é usado como complemento para a ração de rebanhos bovinos (leite e corte).
Segundo dados fornecidos pela CITRUS BR, as indústrias processadoras exportaram na safra de 2014 cerca de 150 mil toneladas de farelo de polpa cítrica e faturou a importância de 57 milhões de dólares, atingindo a cotação média em torno de US$ 390,00/tonelada, para exportação.
O consumo de energia térmica na fábrica de ração, setor responsável pela transformação do bagaço de laranja úmido em farelo de polpa cítrica é alto, principalmente para a secagem de bagaço peletizado.
Levantamento realizado sobre o consumo de energia térmica em uma unidade industrial no Estado de São Paulo mostrou que a demanda para produzir uma tonelada de ração foi equivalente ou superior à quantidade consumida para produzir uma tonelada de suco de laranja concentrado congelado.
Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma pesquisa para avaliar a utilização de energia de micro-ondas à etapa final do processo de secagem do farelo de polpa cítrica para fabricação de ração animal, comparando-se sua eficiência com a do processo tradicional, no qual são utilizados secadores rotativos.
Foram elaborados ensaios comparativos da secagem do bagaço de laranja com e sem aplicação de micro-ondas, onde se verificou a redução da energia consumida entre os diferentes processos de secagem, utilizando-se de parâmetros energéticos tais como: Eficiência energética e o Consumo específico de energia térmica relacionando a quantidade de energia necessária para evaporar 1 kg de água.
independentes: potência de micro-ondas e temperatura do ar de secagem.
Os resultados obtidos mostraram uma redução de 1,99 vezes no consumo energético por quilo de água evaporada (CEET) e 1,96 vezes para a energia térmica total fornecida (ETtf), em relação aos valores obtidos nos testes onde não foram aplicado a energia de micro-ondas.
Em relação ao tempo de secagem, o processo foi finalizado em 18 minutos contra os 46 minutos gastos para realizar a mesma operação sem aplicação de micro-ondas, comprovando sua eficiência, proporcionando a redução no tempo final de secagem em aproximadamente 60%.
Palavras chave: Laranja - Secagem, Micro-ondas, Resíduos agrícolas como ração, Indústria – Consumo de energia.
There is no doubt the importance of citrus agro-food system to the national economy. Brazil is the largest producer and exporter of orange juice and its by-products, competing with the United States hegemony in this market.
In the manufacture of frozen concentrated orange juice for every 100 kg of oranges are produced 55 kg of simple juice and the remaining 45 kg are process wastes consisting of discarded oranges, peel, seed, lees from essence oil extraction, washed pulp, generically called "bagasse", with humidity of about 82%, which after going through the process of industrialization has reduced its moisture to reach 14% and pelletized so reaching the final moisture around 8%.
The pelletized citrus pulp meal is used as a supplement to feed cattle herds (dairy and beef).
In the season 2014, considering the results until the month of October, were exported about 120 thousand tons earning about U$ 13 million, reaching an average price around US $ 300.00 / ton for export.
The consumption of thermal energy in the factories is high, especially in the dryng of pelleted bagasse. A survey carried on the conservation and consumption of energy in a industrial unit plant in the State of Sao Paulo showed that the demand for thermal energy to produce one ton animal feed was equivalent to or greater than the amount consumed to produce one ton of frozen concentrated orange juice.
This study aimed to develop a research to survey the use of microwave energy in the final stage of the drying process of citrus pulp meal for animal feed manufacturing, comparing their performance with that of the traditional process, in which Rotary dryers are used.
Comparative tests by which the drying of orange pulp are prepared with and without application of microwaves, where there was a reduction in energy consumption between different drying processes, using energy parameters such as: Energy efficiency and the specific consumption of thermal energy relating the amount of energy needed to evaporate 1 kg of water.
The determination of thermal energy consumed by rotary drier with application of microwave was conducted as statistical design with two independent variables: the microwave power and drying air temperature.
the values obtained in the tests which were not applied to power of microwaves.
Regarding the drying time, the process was completed in just 18 minutes against 46 minutes spent to perform the same operation without continuous application of microwaves, proving the efficiency of your application, accelerating moisture removal, providing reduction in the final drying time of approximately 60%.
Key-words: Orange drying, Microwave, Agricultural wastes as animal feed, Industrial energy consumption.
Figura 01. Distribuição das fabricas extratoras de suco no Estado de São Paulo. 21 Figura 02. Etapas do processo de fabricação do Farelo de Polpa cítrica. 30
Figura 03 Curva típica de secagem convectiva 33
Figura 04 Curvas da taxa de secagem de secagem. 33
Figura 05. Representação esquemática de um secador rotativo. 36 Figura 06. Detalhes das aletas no interior do secador rotativo. 37 Figura 07. Perfis típicos de aletas para secadores rotativos. 38 Figura 08. Parâmetros geométricos das aletas dos secadores rotativos. 38 Figura 09. Relação entre holdup e posição da aleta para os valores doângulo . 39
Figura 10. Curva E de distribuição do tempo de residência DTR. 44
Figura 11. Sinal típico de saída (curva F). 44
Figura 12.Sinal típico de saída (curva C). 45
Figura 13. Propriedades das curvas E, C e F para vários escoamentos. 47
Figura 14. Espectro eletromagnético. 48
Figura 15. Ilustração de onda eletromagnética polarizada propagando-se num plano
Perpendicular. 49
Figura 16. Formas de aquecimento condutivo e por micro-ondas. 50 Figura 17. Representação esquemática da migração iônica. 52 Figura 18. Rotação de uma molécula de água com o campo elétrico. 53 Figura 19. Representação da resposta molecular submetido.
a um campo eletromagnético. 54
Figura 20. Propriedades dielétricas da água em função da frequência. 55 Figura 21. Curva típica de sistema misto de secagem pré-aquecimento. 60 Figura 22. Curva típica de sistema misto de secagem “booster dryng”. 61 Figura 23. Curva típica de sistema misto de secagem final. 63
Figura 24 Amostra do bagaço úmido . 67
Figura 25 - Amostra do bagaço seco. 67
Figura 26. Forno de micro-ondas adaptado. 75
Figura 27. Controle de potência. 75
Figura 28. Ventilador Centrifugo. 75
Figura 29. Sistema gerador de ar quente. 75
Figura 32. Rosca de Alimentação. 81
Figura 33. A cavidade de micro-onda. 82
Figura 34. Sistema de ventilação. 82
Figura 35. Sistema de Aquecimento. 82
Figura 36. Válvula Rotativa. 83
Figura 37. Ciclone. 83
Figura 38. Gerador de Micro-Ondas. 84
Figura 39. Magnetron. 84
Figura 40. Medidores de potência. 84
Figura 41. Toco Quadruplo. 84
Figura 42. Carga Resfriada a Água. 85
Figura 43. Calor específico do bagaço de laranja seco. 97
Figura 44. Diagrama de Pareto. 100
Figura 45. Curvas de secagem do bagaço de laranja. 104
Figura 46. Curvas da DTR para o bagaço de laranja. Ensaio 1. 106 Figura 47. Superfícies de resposta e curvas de contorno para a DTR.. 107 Figura 48. Superfícies de resposta e curvas de contorno para a ETtf. 110
Tabela 01 Comparação bromatológica entre milho e polpa cítrica. 27
Tabela 02 Critérios para a classificação de secadores. 36
Tabela 03. Efeito da temperatura no fator de dissipação da água. 56 Tabela 04. Capacidade de evaporação e consumo energético. de alguns
tipos de secadores. 63
Tabela 05. Níveis do planejamento estatístico para o forno de micro-ondas adaptado. 76 Tabela 06. Valores do planejamento experimental para o forno de micro-ondas
adaptado. 77
Tabela 07. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR. 79
Tabela 08. Planejamento experimental para a DTR. 79
Tabela 09. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR. 86 Tabela 10. Planejamento experimental para o secador rotativo.
assistido por Micro-Ondas. 86
Tabela 11. Parâmetros utilizados nos testes de secagem com micro-ondas. 87
Tabela 12. Umidade do bagaço de laranja úmido. 943
Tabela 13. Massa específica aparente do bagaço de laranja. 95
Tabela 14. Massa específica real do bagaço de laranja. 95
Tabela 15. Velocidade terminal do bagaço de laranja. 96
Tabela 16. Ângulo de talude do bagaço de laranja úmido e seco. 96 Tabela 17. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja úmido. 98 Tabela 18. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja seco. 98 Tabela 19. Resumo dos Resultados das determinações realizadas.
com o bagaço de laranja seco e úmido. 98
Tabela 20. Valores reais do planejamento experimental utilizando.
o forno de micro-ondas doméstico adaptado . 99
Tabela 21. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf. 99 Tabela 22. Análise de variância para a resposta ETtf para o forno
de micro-ondas adaptado. 100
Tabela 23. Resultados energéticos para os experimentos
utilizando bagaço de laranja com umidade inicial de 30%. 102
Tabela 24. Planejamento experimental para a DTR. 105
Tabela 28. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf 108 Tabela 29. Análise de variância para a resposta ETtf do secador rotativo. 109 Tabela 30. Resultados energéticos para os experimentos utilizando
bagaço de laranja com umidade inicial de 28,9%. 111
Tabela 31. Consumo de energia durante a secagem do bagaço de laranja
com umidade inicial de 68,50% e 28,86% 113
Tabela 32. Comparação entre os resultados do consumo específico
do secador contínuo rotativo com e sem aplicação de micro-ondas. 113 Tabela 33. Comparação entre os resultados do consumo específico
em relação a massa de baraço seco produzido pelo secador contínuo rotativo
com e sem aplicação de micro-ondas. 115
Tabela 34. Poder Calorífico Inferior (kJ/kg) e preço de venda dos combustíveis. 116
Tabela 35. Custo de produção (R$/tonbs). 117
1. INTRODUÇÃO 21
2. OBJETIVOS 25
2.1 Geral 25
2.2 Específicos 25
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26
3.1. O uso de bagaço de laranja como ração animal 26
3.2. Caracterizações do processo industrial 27
3.3. Secagem 31
3.3.1. Conceitos de secagem 31
3.4. Secadores 35
3.4.1. Avaliação e tipos de secadores 35
3.4.2. Secador rotativo 36
3.4.2.1. Configuração das aletas 37
3.4.2.2. Movimentação do material
39
3.5. Distribuição do Tempo de Residência 40
3.6. Aquecimento por micro-ondas 47
3.6.1. Propriedades dielétricas 51
3.6.2. Capacidade de penetração da micro-onda 54
3.6.3. Secagem com aplicação de micro-ondas 57
3.6.4. Aplicações industriais da energia de micro-ondas combinada com ar quente 59
3.7. Parâmetros energéticos 63
4. MATERIAL E METODOS 65
4.1. Material utilizado nos testes 65
4.1.1. Procedência das amostras 65
4.1.2. Preparo das amostras 65
4.1.3. Padronização da umidade do bagaço de laranja 65
4.2. Caracterizações da matéria-prima 67
4.2.1. Umidade 67
4.2.2. Massa específica 68
4.2.3. Velocidade terminal 69
4.2.7. Análise bromatológia 72
4.3. Planejamento estatístico 73
4.4. Secagem do bagaço de laranja 74
4.4.1. Forno secador de micro-ondas adaptado 74
4.4.2 Distribuição do tempo de residência 77
4.4.3. Secador cilíndrico rotativo com aplicação de micro-ondas 80
4.4.4. Condução dos Testes de secagem 85
4.4.5. Procedimento operacional 87
4.4.6. Medidas efetuadas durante os experimentos de secagem 88 4.5. Energia consumida no secador rotativo com aplicação de micro-ondas 88
4.5.1. Energia térmica total fornecida (ETtf) 88
4.5.2. Consumo específico de energia térmica (CEET) 89
4.5.3. Eficiência Térmica (ET) 90
4.5.4. Densidade de potência (DP) 91
4.6. Teste de secagem semaplicação de micro-ondas 92
4.7. Análise econômica e operacional 92
4.8. Especificações do secador cilíndrico rotativo industrial 93
5. RESULTADOS 94
5.1. Caracterização do material 94
5.1.1. Umidade 94
5.1.2. Massa específica aparente 94
5.1.3. Massa específica real 95
5.1.4. Velocidade terminal 95
5.1.5. Ângulo de talude 96
5.1.6. Calor específico 97
5.1.7. Granulometria 97
5.1.8. Análise bromatológica 98
5.2. Testes de secagem com o forno de micro-ondas adaptado 98
5.2.1. Análise estatística dos resultados 99
5.2.2. Avaliação energética do secador de micro-ondas adaptado 103
5.4. Secagem com o secador rotativo contínuo assistido por micro-ondas 107
5.4.1. Resultado dos testes de secagem 107
5.4.2. Avaliação energética do secador rotativo assistido por micro-ondas 112 5.5. Secagem com secador rotativo sem aplicação de micro-ondas 113
5.6. Avaliação energética dos secadores 113
5.6.1. Análise do Consumo específico entre os secadores 113 5.7. Considerações sobre custo do consumo de combustível e da energia elétrica
utilizada na geração da energia térmica durante o processo de secagem 114 5.8. Considerações sobre o custo da secagem em função da produção
de bagaço seco. 115
6. CONCLUSÕES 119
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS 121
1. INTRODUÇÃO
É indiscutível a importância do sistema agroalimentar citrícola para a economia nacional. O Brasil é o maior produtor e exportador mundial de suco de laranja e seus subprodutos, disputando com os Estados Unidos a hegemonia nesse mercado.
O Estado de São Paulo concentra 80% da produção de frutas e 90% das indústrias de processamento (Figura 01). Apenas no âmbito nacional, a cadeia citrícola movimentou na safra de 2012/2013 cerca de 5 bilhões de dólares.
Pode-se considerar ainda o impacto na geração de empregos e no mercado de trabalho, com emprego direto de 230 mil pessoas, na ocupação da área agrícola e na valorização da terra envolvendo 320 municípios paulistas e 11 do Triângulo Mineiro, na sustentação, preservação e manejo ambiental, agregando valor ao produto, promovendo o desenvolvimento sócio econômico das regiões produtoras (CITRUS BR, 2014).
Figura 01. Distribuição das fabricas extratoras de suco no Estado de São Paulo. Fonte: Citrus BR, 2014.
Os dados estimados de fechamento da safra 2013/14 apontam para uma produção total de laranja de 289,9 milhões de caixas de 40,8 kg. Desse total, aproximadamente 50 milhões de caixas tiveram como destino os mercados in natura doméstico e de exportação, enquanto
outras 240 milhões de caixas de laranja destinaram- se ao processamento pelas indústrias associadas e não associadas à Associação Brasileira dos Exportadores de Citros. (CITRUS BR, 2014).
Para a safra de 2014/15 estima-se que tenha um crescimento da ordem de 6,5% ante a safra passada, alcançando uma produção total de 308,8 milhões de caixas 40,8 kg, das quais 40% são processadas em forma de suco e subprodutos cítricos e o restante comercializadas como frutas frescas, sendo que esta safra virá em um momento em que os estoques mundiais encontram-se no nível mais baixo na história recente da indústria processadora. (CITRUS BR, 2014).
Estima-se que a produção total de Suco de Laranja Concentrado Congelado (SLCC) com 66 °Brix, para a próxima safra (2014/15) alcance um volume total de 973 mil toneladas, considerando um rendimento industrial médio em torno de 265 caixas de laranja, de 40,8 kg necessários para produção de uma tonelada de suco concentrado (CITRUS BR, 2014).
O cultivo de laranja destinado para processamento em larga escala começou na Flórida na década de 1920, mas após sucessivas geadas nos Estados Unidos que destruíram plantações e prejudicaram o fornecimento de suco para o mercado local, produtores brasileiros estabeleceram a indústria de suco de laranja no estado de São Paulo, na década de 1960.
Nas décadas seguintes, a capacidade de produção no Brasil cresceu a ponto do país ultrapassar a região da Flórida em 1983, tornando-se o principal produtor mundial de laranjas. Na indústria, todas as partes da fruta são transformadas em produtos comercializáveis e de larga escala de utilização e aplicação, maximizando assim o seu aproveitamento e consequentemente o rendimento industrial (NEVES, 2010).
Em um período de 20 anos, o Cinturão Citrícola Brasileiro aumentou sua produção de caixas de laranja em mais de 45%, enquanto sua concorrente, a região da Flórida, teve sua produção reduzida em 9%.
A diferença na produção de suco de laranja é ainda maior: enquanto a fabricação de suco brasileiro cresceu 55%, o suco americano caiu 11%. O que explica tais mudanças ao longo desses anos é, não apenas os fatores climáticos, que acabaram prejudicando a Flórida, mas também o investimento brasileiro em pesquisa e tecnologia e o aumento do adensamento em nossos pomares, que acabaram por tornar a nossa produção mais competitiva (CITRUS BR, 2014).
O farelo de polpa cítrica peletizado ou farelo de casca de laranja é obtido a partir do tratamento de resíduos sólidos e líquidos remanescentes da extração do suco.
Entre esses resíduos estão cascas, sementes e polpas de laranjas, que equivale a 50% do peso de cada fruta e tem umidade de aproximadamente 82%.
Após passar pelo processo de industrialização o bagaço é triturado e seco até chegar a 14% de umidade e por fim peletizada para compactar o material, aumentando o seu peso específico.
O farelo de polpa cítrica peletizado é usado principalmente como complemento para a ração de rebanhos bovinos (leite e corte), sendo que a sua utilização deve se restringir a no máximo 30% da matéria seca administrada ao animal adulto (FEGEROS et al. 1995).
Segundo dados fornecidos pela CITRUS BR, as indústrias processadoras exportaram na safra de 2014 cerca de 150 mil toneladas de farelo de polpa cítrica e faturou a importância de 57 milhões de dólares, atingindo a cotação média em torno de US$ 390,00/tonelada, para exportação.
Segundo Hasse (1987), a primeira fábrica de suco concentrado e congelado implantada no Brasil ocorreu nos anos 50 e foi praticamente um transplante feito dentro dos moldes norte-americanos, sendo que o processo de secagem empregado para a produção de SLCC e farelo de polpa cítrica seguem até hoje a mesma tecnologia industrial, tanto nos equipamentos como no processo industrial.
Este pacote tecnológico foi de tal forma absorvido pela indústria de cítricos do país que, de acordo com Gasparino Filho (1982), as indústrias de SLCC consumiam grande quantidade de óleo combustível (derivado de petróleo), sendo que a planta de ração animal (subproduto) consumia mais energia do que a planta de SLCC (produto principal), devido à baixa eficiência do secador rotativo.
Cavichiolo (2010) realizou o estudo comparativo do consumo energético da secagem do bagaço de laranja entre um secador “Flash” e o secador cilíndrico rotativo utilizado pela indústria processadora de sucos.
De acordo com os dados levantados na indústria processadora, o secador rotativo consumia 28.5 MJ de energia durante o ciclo de secagem, além de mais 3,6 MJ consumidos pelos motores elétricos instalados nas prensas, roscas transportadoras e ventilador do secador. Em função das variações do faturamento das indústrias processadoras devido às constantes oscilações do preço no mercado nacional e internacional, além dos problemas ambientais gerados pela emissão dos gases provenientes da queima do combustível utilizado nos secadores convencionais, incentivam-se estudos para o desenvolvimento de novas tecnologias economicamente viáveis, buscando a racionalização do uso da energia consumida,
reduzindo os custos de produção, consequentemente aumentando a competitividade comercial do produto.
Diante destes fatos, inerentes à atual tecnologia de secagem utilizada na fabricação do farelo de polpa cítrica e considerando que esse produto possui grande valor econômico para as indústrias cítricas instaladas no país, surge a oportunidade de se testar uma inovação no processo industrial atual utilizando-se a energia de micro-ondas à etapa final do processo de secagem.
Serão elaborados ensaios comparativos da secagem do bagaço de laranja com e sem aplicação de micro-ondas, verificando se haverá redução da energia consumida entre os diferentes processos de secagem, utilizando-se de parâmetros energéticos tais como:
Eficiência energética
2. OBJETIVOS
2.1. Geral
Avaliar alternativas e mudanças tecnológicas na secagem do bagaço de laranja, etapa da produção de ração animal, buscando soluções economicamente viáveis, com uso eficiente da energia consumida no processo.
2.2 Específicos
Os objetivos específicos foram:
Caracterizar a matéria prima bagaço de laranja úmida e seca e realizar análise bromatológica das amostras “in natura” e das desidratadas.
Determinar a cinética de secagem do bagaço de laranja em secador de micro-ondas adaptado;
Realizar testes experimentais no secador de cilindro rotativo com aplicação de micro-ondas sob diferentes condições de trabalho e avaliar o desempenho operacional e energético do secador de cilindro rotativo com aplicação de micro-ondas, nas diversas condições de secagem;
Comparar as eficiências energéticas obtidas no secador de cilindro rotativo com aplicação de micro-ondas com a do processo convencional em secador rotativo;
Elaborar estudo econômico visando uma estimativa do custo final da secagem do bagaço de laranja desidratado em um secador cilíndrico rotativo assistido por micro-ondas e comparar os resultados obtidos com os do secador cilíndrico rotativo utilizado no processo industrial sem aplicação de micro-ondas.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. O uso do bagaço de laranja como ração animal
No Brasil, a safra crescente de grãos e hortifrutigranjeiros nos últimos anos tem aumentado a disponibilidade não apenas de grãos cereais, mas também de subprodutos passíveis de uso na alimentação de bovinos de corte. A utilização de subprodutos é uma alternativa para se reduzir o custo da ração e consequentemente da arroba produzida. Alguns dos subprodutos disponíveis no Brasil utilizados em substituição parcial ou total do milho são: polpa cítrica, farelo de trigo, farelo de glúten de milho 21 (Refinazil® ou Promill®), casca de soja, caroço de algodão, dentre outros (SANTOS et al. 2004).
O interesse dos confinadores de bovinos de corte por fontes energéticas alternativas vem crescendo nos últimos anos e esta tendência se acentua de forma significativa em anos de preços elevados do milho. A inclusão destas fontes energéticas alternativas ao milho em dietas para bovinos em confinamento tem como principal objetivo baixar os custos de alimentação, mantendo desempenho satisfatório. Outro benefício da inclusão de subprodutos pode ser a redução no teor de amido das rações ricas em grãos, com concomitante aumento nos teores de fibra digestível, contribuindo para a melhoria do ambiente ruminal.
A polpa cítrica é um subproduto da laranja com grande produção nacional e que inicia seu período de disponibilidade de maio a janeiro, época da entressafra de grãos e do confinamento de bovinos de corte.
A polpa cítrica é um alimento energético que possui características diferenciadas quanto à fermentação ruminal, caracterizando-se como um produto intermediário entre volumosos e concentradas (FEGEROS et al. 1995). Em geral, a polpa é caracterizada pela alta digestibilidade da matéria seca, sendo superior até a do milho laminado; apresenta características energéticas de concentrado e fermentativas ruminais de volumoso (EZEQUIEL, 2001).
Em função do seu teor de amido praticamente nulo e dos altos teores de pectina e fibra de alta digestibilidade (Tabela 1), a polpa cítrica apresenta um padrão de fermentação ruminal diferente da observada nos grãos cereais, com menor produção de propionato e lactato e maior produção de acetato (SCHALCH et al. 2001). A maior proporção ruminal de ácido acético causada pela polpa cítrica possibilita menor chance de propiciar acidose ruminal, diferentemente do que ocorrem com as fontes energéticas mais usuais, como os cereais ricos em amido.
Tabela 01.Comparação bromatológica entre milho e polpa cítrica. Composição, % da MS Milho Polpa cítrica Proteína bruta
Fibras em Detergente Neutro (FDN) Lignina
Extrato etéreo Cinzas
Amido
Nutrientes Digestíveis Totais (NDT)
9,80 10,80 2,22 4,06 1,60 72,00 88,00 6,70 23,00 13,00 3,70 7,40 - 77,00 Fonte: Schalch et al. (2001)
3.2. Caracterização do processo industrial
Compreendendo a importância que representa a economia de cereais para a alimentação humana e a utilização de terras cultiváveis para o plantio de alimentos, a possibilidade de transformar alimentos não utilizáveis pelos seres humanos em alimentação animal apropriada de alto valor e de custo relativamente baixo, a indústria cítrica desenvolveu o farelo de polpa cítrica, um produto que reúne todas estas características, além de eliminar os resíduos sólidos provenientes do processamento do suco de laranja.
A Figura 2 ilustra as etapas de fabricação da ração animal, onde são utilizados os descartes do processamento industrial, constituídos por: frutos rejeitados da operação de pré-seleção, que se encontram cortados, amassados e estragados; cascas e sementes resultantes da operação de extração; a polpa residual da linha de suco de polpa lavada “pulp wash”; cera do processo do óleo essencial; fragmentos de frutos; casca retirada das peneiras estáticas e vibratórias provenientes da estação de tratamento de efluente.
Pode-se dizer que as empresas processadoras de Suco de Laranja Concentrado e Congelado (SLCC) aproveitam integralmente os resíduos gerados no processo industrial.
Os resíduos, com umidade inicial em torno de 82% são transportados e armazenados em um silo metálico de equilíbrio na fábrica de ração.
Em seguida o material é encaminhado por meio de roscas transportadoras a um moinho de facas, que reduz os resíduos a partículas de aproximadamente (2,0 x 0,6 x 0,6) cm. Durante o transporte adiciona-se cal (hidróxido de cálcio) ao bagaço na proporção de 6,0 kg por tonelada de resíduo.
Depois de desintegrada, a massa é descarregada diretamente em roscas transportadoras especiais, denominadas de roscas reatoras, que promovem uma mistura perfeita entre o material e a cal, dando início à formação de pectato de cálcio a partir da pectina do bagaço e
cálcio da cal (reação de cura) gerando a perda de seu poder hidrofílico, liberando água e corrigindo o pH, que deve permanecer na faixa de 6,4 a 6,9. Nesta etapa, o tempo de reação mínimo é de 5 minutos e máximo de 21 minutos, portanto é necessário ajustar a velocidade da rosca para que se obtenha o tempo mínimo necessário (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980; BRADDOCK, 1995).
Decorrida a reação, segue-se a prensagem para remoção do excesso de água presente. A umidade do resíduo é reduzida para valores na faixa de 70%, sendo que o líquido residual (licor), líquido resultante da prensagem do bagaço, com concentração de 28° Brix, (açúcares na sua maioria), rico em carboidratos, será incorporado à ração após concentração no evaporador WHE (“Waste Heat Evaporator”).
Por intermédio de rosca transportadora, efetua-se a mistura do melaço concentrado com 45° Brix, obtido da concentração do licor (resultante da prensagem do bagaço) ao resíduo prensado, obtendo-se um material com umidade inferior ao da torta original.
A recirculação do licor e melaço ao bagaço tem por finalidade recuperar parte dos sólidos solúveis, lixiviados durante a prensagem. A reincorporação deste material proporciona um aumento no teor de sólidos totais do bagaço prensado, reduzindo sua umidade.
O material obtido na mistura, contendo aproximadamente 70% de umidade, é encaminhado, por intermédio de rosca transportadora a um secador de tambor rotativo à chama direta, operando em sistema concorrente que usa gás quente (obtido da queima de bagaço de cana) operando em temperaturas que variam de 800 à 1000 ºC, desde a entrada até a saída dos resíduos, a polpa seca.
Parte dos gases do secador é recirculado para reduzir o consumo de energia e auxiliar a movimentação do material em seu interior. A outra parte dos gases é utilizada como fonte de calor no evaporador de licor WHE (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980; BRADDOCK, 1995).
A polpa seca com umidade final entre 12 a 14% é encaminhada por meio de rosca transportadora à unidade de peletização. A operação é realizada em máquinas extrusoras contínuas que reduzem através de ação mecânica a umidade do “pellet” para a faixa ideal de 8%.
O processo de peletização facilita o transporte e o armazenamento, pois, além de elevar o peso específico e aumentar a resistência à deterioração, reduz a quantidade de pó, consequentemente os riscos de incêndio e explosão, além de facilitar o consumo pelo gado (RODRIGUEZ E VIÉGAS, 1980). O “pellet” fica praticamente plastificado devido as altas temperatura e pressão (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980; BRADDOCK, 1995).
No fim do processo de peletização, o material compactado encontra-se à temperatura acima de 80° C, devendo ser resfriado até a temperatura ambiente em uma unidade onde circula ar, em corrente cruzada. O resfriamento é necessário, pois de acordo com Rodriguez e Viégas (1980) e Braddock (1995), umidade acima de 12 % facilita o desenvolvimento de fungos, que depreciam o produto e podem gerar calor suficiente para causar sua combustão espontânea (FERRARA, 2003).
O ar utilizado no processo de resfriamento passa por um ciclone que efetua a separação dos finos por ele arrastado, reconduzindo-os à peletizadora.
Os “pellets” resfriados são transportados por elevadores de caneca até o silo elevado, onde são armazenados a granel, permanecendo neste local até a sua comercialização.
Figura 02. Etapas do processo de fabricação do Farelo de Polpa cítrica. Fonte: Indústria Citrosuco
3.3. Secagem
3.3.1 Conceitos de secagem
A secagem de materiais é uma operação unitária que visa à eliminação da umidade contida em um sólido, através da evaporação desta por meio da aplicação de calor.
Assim, o estudo da secagem de materiais abrange a determinação das curvas de secagem, como também o conhecimento do comportamento higroscópico dos materiais.
A secagem é tradicionalmente definida como uma operação unitária que converte um material sólido, semi-sólido ou líquido em um produto sólido de menor teor de umidade (BAKER, 1997). Foust et al. (1982) definiram a secagem, de forma geral, como uma operação destinada a eliminar a água, ou qualquer outro líquido, contido em um sólido, por meio da adição de calor.
A secagem de materiais visa à preservação do produto e também a redução de peso e volume do material, facilitando desta forma as operações de transporte, além de permitir o armazenamento do produto por maior período de tempo. A operação de secagem é utilizada em diversos segmentos industriais, como por exemplo, na preparação de pós, sólidos granulares, alimentos, produtos químicos e farmacêuticos, entre outros (COOK e DUMONT, 1991).
É importante ressaltar que os produtos finais obtidos pelo processamento de materiais biológicos necessitam apresentar baixos teores de umidade, em níveis que não proporcionem o desenvolvimento de micro-organismos indesejáveis.
Quando um material úmido é submetido à operação de secagem, geralmente ocorrem simultaneamente dois fenômenos, sendo estes (MENON e MUJUMDAR, 1987):
1. Transferência de energia do ambiente, normalmente calor, para evaporar a umidade superficial do sólido. Neste caso, a remoção da umidade sob a forma de vapor da superfície do material é função das condições externas, como por exemplo, temperatura, umidade, fluxo e direção do ar de secagem e área da superfície exposta; 2. Transferência de massa (umidade) presente no interior para a superfície do material e sua subsequente evaporação. Assim sendo, o movimento interno da umidade é função da temperatura, da natureza física e do conteúdo de umidade do sólido.
Durante a realização da secagem a determinação do conteúdo de umidade é um parâmetro de grande importância e indispensável no que se refere ao acompanhamento das
mudanças ocorridas durante o processo. Diante disto, é importante considerar que a umidade pode estar presente no material em diferentes formas (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Umidade superficial: ocorre quando o líquido existe como um filme externo sobre o material devido aos efeitos da tensão superficial.
Umidade não ligada: é aquela que pode ser eliminada em uma determinada condição de processo. Em material não higroscópico, representa todo o conteúdo de umidade interna presente e para um material higroscópico é o excesso do conteúdo de umidade de equilíbrio correspondente à umidade de saturação.
Umidade ligada, higroscópica ou dissolvida: acontece quando o líquido exerce uma pressão de vapor menor que a do líquido puro em uma determinada temperatura. Esta umidade pode estar presente em diferentes condições: na forma líquida retida em microcapilares, em solução contida nas paredes celulares e adsorvida química ou fisicamente na superfície do material e necessita de elevados níveis de temperatura para sua remoção.
3.3.2 Curvas de secagem
O processo de secagem é representado pelas curvas típicas de secagem, que são reproduções gráficas dos dados de umidade média do material em função do tempo, obtidos experimentalmente. Dessa forma, a cinética de secagem relaciona a mudança do conteúdo médio de umidade do material com o tempo de processo.
A partir da determinação da cinética de secagem é possível definir o tempo de secagem e a quantidade de água evaporada do material. Segundo Strumillo e Kudra (1986), os parâmetros que influenciam a cinética de secagem incluem a umidade, temperatura e velocidade do ar. A Figura 03. ilustra a curva típica de secagem que representa a evolução da umidade do material em função do tempo de secagem.
Figura 03.: Curva típica de secagem convectiva. Fonte: Strumillo e Kudra (1986).
A Figura 04 mostra a curva da taxa de secagem em função da umidade do material. A taxa de secagem é definida como sendo a quantidade de umidade removida do material na unidade de tempo por unidade de superfície de secagem (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Figura 04: Curva da taxa de secagem. Fonte: Strumillo e Kudra (1986).
É possível observar pelas Figuras 3 e 4 a ocorrência de três diferentes períodos de secagem, denominados de período inicial de secagem, período de secagem à taxa constante e
período à taxa decrescente. O último segmento (DE) representa o período final da secagem. Estes períodos distintos são detalhados a seguir de acordo com (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Períodos AB e A’B: denominados como período inicial de secagem, representam o intervalo de aquecimento ou resfriamento do material, isto é, o período de estabilização entre a temperatura do material e a temperatura de bulbo úmido do ar de secagem. A duração deste período é consideravelmente menor do que o período total de secagem.
Período BC: é o período de secagem à taxa constante, sendo esta taxa de secagem independente da umidade total do material em cada instante. A superfície do material está saturada, coberta por um filme contínuo de água livre que age como se o sólido não existisse. A água evaporada é a água livre e a transferência de massa e de calor são equivalentes, assim, a velocidade de secagem é constante. A taxa de secagem será constante enquanto a quantidade de água presente na superfície do produto seja suficiente para acompanhar a evaporação. A diminuição linear do teor de umidade com o tempo ocorre continuamente até atingir o ponto C, denominado de ponto crítico, que corresponde ao instante em que o movimento do líquido do interior para a superfície é insuficiente para manter o filme contínuo sobre a superfície do material.
Período CD: corresponde ao período de taxa de secagem decrescente, que tem início a partir da umidade crítica. Neste período, a quantidade de umidade presente na superfície do produto começa a ser escassa e a velocidade da secagem diminui. A temperatura do material aumenta, atingindo a temperatura do ar de secagem e o fator limitante é a redução da migração de umidade do interior do material para a sua superfície. A migração interna da umidade é o mecanismo que governa esta fase, portanto, a característica da estrutura interna do material é um fator importante para o entendimento deste mecanismo. O período de taxa decrescente pode ser dividido em duas fases:
Primeira fase: a umidade livre (fase líquida) presente no interior do produto é contínua, sem a presença de ar e ocupa todos os poros do produto. O movimento da umidade do interior para a superfície ocorre por capilaridade, mecanismo que controla a velocidade de secagem nesta fase.
Segunda fase: a remoção de umidade da superfície por evaporação provoca a entrada de ar no interior do produto, originando bolsas de ar que ficam dispersas na fase líquida dentro dos poros. Nessa fase, o escoamento capilar ocorre apenas em alguns pontos localizados.
A partir do ponto crítico (C) o comportamento da curva aproxima-se assintoticamente do conteúdo de umidade de equilíbrio do material (Xeq), que é representado pelo ponto E.
Período DE: é denominado de fase final da secagem, em que ocorre a completa evaporação no interior do material e o vapor retirado do produto difunde-se através deste até a superfície e em seguida, através da corrente gasosa, diminuindo ainda mais a taxa de secagem. Quando a umidade de equilíbrio é alcançada, ou seja, quando a pressão parcial do vapor na superfície do material é igual à pressão do vapor na fase gasosa, a secagem não ocorre mais sendo, portanto, a taxa de secagem nula.
3.4. Secadores
3.4.1. Avaliação e tipos de secadores
A qualidade do produto, a melhoria das condições de operação e o custo do consumo energético são temas de estudos entre os pesquisadores da área de engenharia de processamento de alimentos (SANTOS, 1997).
Existem diversos trabalhos clássicos sobre o processo de secagem e os tipos de secadores. No trabalho de Mujumdar e Menon (1995) são citados três principais fatores para a classificação de secadores:
1 – Forma de fornecimento de energia térmica; 2 – Temperatura e pressão de operação;
3 – Forma de alimentação do secador.
Apesar da grande diversidade de equipamentos e respectivas classificações, um sistema de secagem, segundo Travaglini et al. (1993), apresenta como componentes principais a fonte de calor e sistema de aquecimento, dispositivos para movimentação do ar, câmara de secagem e dispositivos para controle da operação de secagem.
Os critérios de classificação dos secadores adotados por Strumillo e Kudra (1986) e Mujumdar (1997) são apresentados na Tabela 2.
Tabela 02. Critérios para a classificação de secadores.
Critério Exemplo
Pressão Atmosférica ou vácuo.
Operação Contínua ou em batonelada.
Fornecimento de calor Convecção, condução, infravermelho,
dielétrico.
Agente de secagem Ar quente, vapor superaquecido, líquidos
aquecidos e gases rejeitados.
Direção do fluxo de calor e sólidos Co-corrente, contracorrente e fluxo cruzado. Método do fluxo do agente de secagem Livre ou forçado.
Método do carregamento da umidade Com agente externo de secagem, com gás inerte, com absorção química da umidade. Forma do material úmido Líquidos, granulares, pós, pastas, folhas,
camadas finas, lama.
Condição hidrodinâmica Regime estacionário, transiente ou disperso.
Escala de operação De 10 kg/h até 100 t/h.
Construção do secador Bandejas, túnel, esteira, tambor rotativo, leito fluidizado e outros.
3.4.2. Secador rotativo
O secador rotativo é constituído basicamente de um cilindro circular horizontal, ligeiramente inclinado que gira em torno de seu eixo longitudinal. A alimentação do material é realizada em uma das extremidades e o descarregamento do produto é efetuado na outra, voltada para o vértice do ângulo de inclinação do cilindro. Normalmente dispõem-se aletas no seu interior para promover a movimentação do material da parte inferior para a superior da câmara, seguida da queda livre do mesmo (efeito cascata) de modo a intensificar a transferência de calor e massa do sistema. Um típico secador rotativo está esquematizado na Figura 05. O aquecimento do material pode ser realizado por contato direto com gases aquecidos (ar, gases da combustão) ou por vapor que será condensado em anéis concêntricos de tubos dispostos longitudinalmente na superfície interna da carcaça. Quando o gás e o sólido são alimentados de modo cocorrente, o cilindro do secador pode ser horizontal ou inclinado, enquanto para escoamentos em contracorrente é invariavelmente inclinado (SHERRITT et al., 1993). A velocidade do ar e o tamanho das partículas do produto têm um papel fundamental sobre a taxa de arraste do material processado no secador. Mesmo pequenas mudanças dessas variáveis afetam significativamente o arraste (RACHEL e JACOB, 1992). Normalmente os secadores rotativos apresentam comprimentos na faixa de 2,0 a 9,0 m e diâmetros entre 0,3 a 5,0 m (KELLY, 1987). Perry e Green, (1984) indicam uma relação comprimento/diâmetro desses equipamentos entre 4 a 10. A rotação varia de 1,0 a
15,0 rpm (KNEULE, 1966) e a inclinação de aproximadamente 2° (DOUGLAS et al., 1992; ANDERSON e JACOB, 1992).
Figura 05. Representação esquemática de um secador rotativo. Fonte: Baker (1988)
3.4.2.1. Configuração das aletas
Na parede interna do secador são instaladas aletas (Figura 06) sendo que as mais comuns são: as radiais sem borda, as inclinadas de 120°, as de ângulo reto e as circulares alongadas, como mostrado na Figura 07. Utilizam-se aletas de ângulo reto para material de fácil escoamento, enquanto os materiais pegajosos requerem aletas radiais sem borda. As aletas em forma de espiral são empregadas para a alimentação do secador e para acelerar o escoamento do material a partir da calha de alimentação. A combinação de vários tipos de aleta é um expediente utilizado para materiais cujas características se modificam durante a secagem. Para um secador padrão, utilizam-se aletas sem borda na primeira parte do cilindro, aletas de 45° na segunda parte e de 90° na terceira (PERRY e GREEN, 1984).
Figura 06. Detalhes das aletas no interior do secador rotativo. Fonte: Disponível em www.manfredinischianchi.com
Durante a operação do secador, em cada cascata, o material é capturado por uma parte inferior no cilindro e transportado para a parte superior. Quando o ângulo de repouso na aleta, φ (formado pela superfície livre das partículas na aleta com a horizontal), torna-se superior ao de equilíbrio, o material é derramado pela borda da aleta para a parte inferior do cilindro, entrando em contato com os gases quentes que escoam axialmente pelo cilindro.
Figura 07. Perfis típicos de aletas para secadores rotativos: (a) retas; (b) de 120°; (c) de ângulo reto; (d) circulares. Fonte: Baker (1988)
Os ângulos
e
(formado entre a horizontal e a ponta da aleta) e outros parâmetros geométricos das aletas são esquematizados na Figura 08 onde L e L’ são os comprimentos da haste e da ponta da aleta, respectivamente. Esses parâmetros são fundamentais para a determinação da quantidade de material presente na aleta durante a operação em regime permanente, “hold up” das aletas, que por sua vez, constitui elemento chave para o cálculo do tempo de residência do material no interior do secador
Figura 08. Parâmetros geométricos das aletas dos secadores rotativos. Fonte: Baker (1988)
Baker (1988) verificou a influência da posição da aleta (ângulo
) sobre a fração de “hold up” das aletas como mostrado na Figura 09, onde ho, refere-se a “hold up” para
=
0e
ao ângulo formado entre os comprimentos da haste e da ponta da aleta.Figura 09. Relação entre holdup e posição da aleta para diversos valores doângulo
.Fonte: Baker (1988)
3.4.2.2. Movimentação do material
Além das características intrínsecas de promover o contato gás-sólido, o secador rotativo caracteriza-se como transportador de partículas. O conhecimento deste transporte ao longo do equipamento possui uma análise teórica e experimental complexa e tal fato se deve a combinação dos movimentos das partículas em seu interior associados com as propriedades físicas e geométricas de cada material.
Kelly (1987) constatou que tanto a velocidade de rotação do cilindro, quanto o coeficiente de fricção entre partículas têm pouca influência sobre o perfil de distribuição do material.
A dinâmica ou movimentação do material no secador deve-se à combinação dos efeitos cascata, deslizamento e rolagem das partículas. Do ponto de vista de transferência de calor e massa, quando o ar aquecido é o meio de transferência de calor, o efeito cascata é o mais importante, já que permite movimentação mais intensa do material em relação aos outros
efeitos (KELLY, 1987). Em modelagens consideram-se os tempos gastos pelas partículas durante o movimento da cascata e na fase densa, isto é, no fundo do cilindro e nas aletas (REAY, 1988).
Os secadores rotativos têm aplicação na indústria de alimentos, cimento, fertilizantes, concentrados minerais (KELLY, 1987; DOUGLAS et al., 1992).
Os secadores rotativos possuem as seguintes desvantagens: baixa eficiência ocupa grandes espaços, são de construção mais complexa e a alimentação do material tanto na entrada quanto na saída é feita através de correia transportadora.
3.5. Distribuição do Tempo de Residência
O escoamento de um fluido pode ser descrito por diferentes aproximações: teoria da mecânica dos fluidos ou teoria da distribuição do tempo de residência (DTR). O conceito de distribuição do tempo de residência é amplamente aplicado nos processos químicos e na atualidade despertou grande interesse no campo ambiental e no controle da poluição, assim como em várias aplicações biotecnológicas. Em geral, pode–se dizer que a análise da DTR é uma aproximação empírica para descrever processos que envolvem escoamento de fluídos, dispersões e materiais particulados. No campo alimentício, a análise da DTR tem sido utilizada para avaliar os efeitos dos parâmetros de processamento nas características de escoamento. Entretanto, na indústria de alimentos, a DTR teve sua ampla aplicação no processamento asséptico, visto que estes estudos têm um forte impacto sobre a otimização, avaliação de processos e sobre o diagnóstico de desempenho em equipamentos de processo (TORRES; OLIVEIRA, 1998).
O conhecimento da distribuição do tempo de residência dos materiais no interior do secador é fundamental para caracterizar o escoamento no meio de secagem, onde o comportamento das partículas é complexo e dinâmico com alteração do conteúdo de umidade a cada instante e, consequentemente da densidade, do volume, do tempo de retenção, da vazão mássica do material processado.
O tempo de residência de materiais particulados no interior de leitos contínuos pode ser definido como o tempo médio em que todo material alimentado leva para percorrer a extensão do leito. Pode ser influenciado pelo transporte e características das partículas no interior do secador, pela quantidade e geometria dos suspensores e pelas condições operacionais. Uma revisão completa dos estudos desta natureza pode ser encontrada mais
detalhadamente nos trabalhos de Baker (1983), Kelly (1985), Cao E Langrish (1999) e Renaud (2000).
Na literatura podemos verificar tendências para o estudo do transporte de sólidos, no qual são baseados através de correlações empíricas e semiempíricas para a determinação do tempo de residência e seus efeitos operacionais sobre as diferentes variáveis possíveis do processo de secagem. Outras abordagens relatam estudos experimentais e numéricos que contribuíram para a determinação e simulação de curvas de distribuição dos tempos de residência.
Em estudo realizado por Waje et al. (2007) sobre a distribuição do tempo de residência (DTR) em um secador transportador em escala piloto, os autores indicam que o conhecimento da DTR fornece informações úteis em projetos, escala, controle e identificação das características do fluxo e da mistura de um secador contínuo. Um estudo experimental da DTR em escala piloto de um secador de leito vibro-fluidizado contínuo foi conduzido por Han et al. (1991). A distribuição do tempo de residência para o trigo foi estudada utilizando tinta como traçador. O marcador foi injetado na corrente de alimentação durante a operação de estado estacionário. A conclusão do estudo foi que as variáveis que afetam a DTR foram a intensidade da vibração, o fluxo de massa de ar, a vazão de alimentação dos grãos, altura do leito, e tamanho de partícula.
Rhodes et al. (1991) descreveram o processamento do tratamento de dados para determinar o DTR, quando um traçador é usado em um leito fluidizado circulante. Eles pesquisaram possíveis formas de descrever os fenômenos de mistura usando um modelo unidimensional de dispersão. Brod et al. (2004) determinou o DTR num secador vibro- fluidizado utilizando o método do estímulo e resposta.
As partículas devem ser retidas no secador por tempo suficiente para que a umidade seja removida a uma taxa determinada pelas condições do processo (KEEY, 1992). Além disso, é necessário que o conteúdo de umidade e a temperatura do produto final estejam dentro de uma pequena faixa de variação. Isto significa que a distribuição do tempo de residência (DTR) das partículas sólidas no interior do secador deve ser tão uniforme quanto possível. A importância da uniformidade do DTR também é verificada em reatores (HAN, MAI e GU, 1991).
O tempo de residência depende das propriedades mecânicas das partículas, na intensidade de transporte e nos parâmetros geométricos do equipamento (SZALAY et al., 1995).
Conhecendo o que está acontecendo dentro do secador em estudo, isto é, tendo em mãos um mapa completo da distribuição de velocidades do sólido, é possível predizer o comportamento do sólido dentro do secador. Embora bem elegante em princípio, essa forma de ataque é impraticável, devido às suas dificuldades experimentais (LEVENSPIEL, 1974).
Segundo Himmelblau e Bischoff (1968), o tempo de residência é o tempo em que a porção do material permanece no equipamento, ou seja, o tempo decorrido entre o momento de entrada da porção do produto até o instante em que a mesma abandona o equipamento.
Dascalescu (1969) formulou a relação representada através da Equação 03 na qual o tempo de retenção ou de passagem do material pelo secador podem ser ajustados em função da velocidade de rotação e vazão de alimentação do material correlacionado com as dimensões do secador.
(min) (03)
Onde:
Θ = tempo de retenção em minutos; k = coeficiente complexo = 0,5;
sendo υ o ângulo de inclinação do cilindro e λ ângulo de talude do material;
Ld = comprimento do cilindro em metros;
Dd = diâmetro interno do cilindro em metros;
n = rotação do cilindro em rpm.
Friedman e Marshall Jr. (1949) analisaram a retenção e o tempo de residência de vários tipos de sólidos em um secador rotativo de 1,83 metros de comprimento e 0,3 metros de diâmetro. Este estudo consistiu de um extenso trabalho experimental, onde foi investigada a influência das variáveis operacionais do secador, tais como a inclinação do cilindro, velocidade de rotação, vazão de alimentação do produto, vazão do ar de aquecimento e números de suspensores em relação ao tempo de permanência das partículas no interior do secador. Foi proposta uma correlação, Equação 04 para a predição do tempo de residência com base nas variáveis estudadas descrita a seguir:
Onde:
α = o ângulo de inclinação; Ω = velocidade de rotação; D = diâmetro interno do cilindro; L = comprimento do cilindro; dp = diâmetro da partícula;
= vazão de ar; = vazão de sólidos.
Em muitos casos não é necessário o conhecimento completo do escoamento do sólido, mas somente por quanto tempo as partículas individuais permanecem no interior do secador ou mais precisamente, qual a distribuição dos tempos de residência do sólido. Tal informação pode ser determinada por um método de investigação amplamente usado: o teste do estímulo e resposta.
Sólidos percorrendo caminhos diferentes no secador podem ter tempos diferentes para escoar através do cilindro. A distribuição desses tempos para o sólido que deixa o secador é chamada distribuição de idade de saída, curva E ou a distribuição do tempo de residência (DTR) do sólido.
A variação nos tempos de residência do material no equipamento é mais bem descrita pelas funções de distribuição do tempo de residência C(t), E(t) e F(t).
A função E(t) representa a fração em massa do material na descarga, cujo tempo de residência situa-se entre t e t+dt. A curva E(t) é a distribuição adequada para verificar a ocorrência do escoamento não ideal (LEVENSPIEL, 1972).
É conveniente representar a DTR de tal maneira que a área sob a curva seja unitária, isto é:
Este procedimento é chamado normalização da distribuição. A Figura 10 mostra a distribuição de forma normalizada:
Figura 10. Curva E de distribuição do tempo de residência DTR.
Para determinar a curva, utiliza-se de técnicas experimentais conhecidas como técnicas de estímulo e resposta, onde perturba-se o sistema e verifica-se como ele responde ao estímulo. Uma análise da resposta dá a informação desejada sobre o sistema. No presente caso, o estímulo é uma entrada de traçador no escoamento de sólidos que entram no secador, enquanto a resposta é um registro de tempo que o traçador percorreu até sair do equipamento. Qualquer material que possa ser detectado e que não perturbe o escoamento pode ser usado como traçador. Qualquer tipo de sinal de entrada pode ser usado: casual, periódico, em degrau ou pulsante.
Fornecendo à entrada um sinal de traçador em degrau, e sendo a concentração inicial C0 e a concentração em qualquer instante C, o registro da concentração do traçador na
corrente de saída medida como C/C0 em função do tempo é chamada de curva F, (Figura 11).
A função F(t) representa a fração em massa do material na corrente de saída e que permaneceu no equipamento por um intervalo de tempo ≤ t.
Evidentemente, F(0) = 0 e F( = 1 (VANECEK; MARKVAT; DRBOHLAV, 1966; RAMASWAMY et al., 1995).
A função C(t) dt fornece a fração de material retida no equipamento, desde o momento de entrada, para um diferencial de tempo dt transcorrido.
A entrada em degrau a partir do tempo t a alimentação de sólido de entrada passa a conter uma concentração uniforme C0 do sólido marcado. A curva normalizada da resposta da
entrada de um sinal pulsante de um traçador em degrau é chamada de curva C e tem as seguintes propriedades (Figura 12).
Figura 12. Sinal típico de saída (curva C) como resposta a um sinal de entrada de um pulso ideal.
A entrada em pulso ocorre à injeção instantânea, no tempo t, de uma massa “m” do sólido marcado na concentração C0 (LEVENSPIEL, 1974)
Como essa curva C registra o DTR para um dado lote particular de sólidos que entra no secador ela também pode ser a DTR para qualquer outro lote (regime permanente), em particular, qualquer outro lote na corrente de saída, assim sendo:
C = E (06)
A distribuição de idade de um material de saída é definida em termos da fração mássica apresentada no instante entre t e t+dt. Como F é a função acumulada para um tempo t, então (LEVENSPIEL, 1974):
Ou ainda diferenciando:
Finalmente, o tempo de residência médio é definido como sendo:
Ou:
O tempo de residência dá uma medida do total do material retido no secador e o adimensional de tempo é um índice para comparar o trânsito de partículas individuais. Quando se dispõe de dados discretizados, o valor médio da distribuição de uma curva C versus t é dado por:
A variância dá uma ideia da dispersão da distribuição, e pode ser definida como:
As formas das curvas E, C e F podem ser observadas na Figura 13.
Figura 13. Propriedades das curvas E, C e F para vários escoamentos.
3.6. Aquecimento por micro-ondas
O uso de energia eletromagnética para aquecimento de materiais dielétricos começou a ganhar impulso com a patente do primeiro forno de micro-ondas em 1946 por engenheiros da Raytheon Corporation, baseando-se nos efeitos observados pelo Dr. Percy Spencer, que verificou a influência de ondas eletromagnéticas no aquecimento de determinados materiais como chocolate, ovo e milho de pipoca (PEREIRA E PINHO, 2002).
A energia de micro-onda é uma modalidade de radiação eletromagnética como a luz ultravioleta, raios-X, ondas de televisão, rádios AM e FM e infravermelho (Figura 14). Está
situada no intervalo de frequências compreendido entre 300MHz e 300GHz, com comprimentos de onda que se estendem entre 1 m e 1 mm, respectivamente. As bandas de frequências utilizadas para aplicações em eletrotermia (energia elétrica utilizada para produzir calor) são restritas, a fim de se evitar interferências nas faixas de frequência utilizadas em telecomunicações. São reservadas em eletrotermia algumas faixas estreitas de frequências, entre as quais as mais empregadas em micro-ondas são 915 ±25 MHz e 2.450 ±50MHz que correspondem a comprimentos de onda no vácuo de 32,8 cm a 12,25 cm, respectivamente (SENISE, 1985).
Figura 13. Representação do espectro eletromagnético (DALL´OGLIO, 2002).
Figura 14. Espectro eletromagnético. (DALL’OGLIO, 2002)
De acordo com Smit (1987), as ondas eletromagnéticas Figura 15, são oscilações de campos elétricos e magnéticos associados que se propagam pelo
espaço.
Figura 15. Ilustração de onda eletromagnética polarizada propagando-se num plano perpendicular (λ = comprimento de onda, E = campo elétrico, Η = campo magnético e C = direção da propagação).
A onda eletromagnética é caracterizada pela frequência (f), pelo comprimento de onda (λ) e pela velocidade de onda (V). A frequência é uma propriedade invariante, não se alterando por nenhum processo linear. A velocidade da onda varia dependendo do meio em que a onda esta se propagando. A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é de aproximadamente 3 x 108 m s-1. O comprimento de onda é a relação entre velocidade e a frequência dado por:
A quantidade de energia (W) contida em uma onda eletromagnética, medida em Joules (J), é definida por:
Onde:
h= constante de Planck 6,36 X 10 -34 (J Hz-1); f = frequência (Hz).
As micro-ondas são geradas pelo “magnetron”, um tubo oscilador alimentado por um circuito eletrônico capaz de converter energia elétrica de um circuito industrial (60 Hz) em energia eletromagnética de micro-ondas (por exemplo, 2.450 MHz). A penetração e o aquecimento de alimentos em um campo de micro-ondas são praticamente instantâneos, em contraste com métodos convencionais de aquecimento, onde o transporte de calor ocorre por condução ou convecção (Figura 16).
Figura 16. Formas de aquecimento condutivo e por micro-ondas.
Um sistema de aplicação de energia de micro-ondas é composto basicamente por componentes de geração da energia em uma determinada frequência e de condução da mesma para um aplicador, no qual gera calor dentro dos materiais dielétricos.
Sistema de geração de micro-ondas é composto pela fonte de alimentação que fornece as tensões e correntes necessárias para alimentar o gerador de micro-ondas. O gerador é um oscilador que converte a potência fornecida pela fonte em energia nas frequências de micro-ondas e o oscilador mais usual é o do tipo “magnetron”.
A transmissão de micro-ondas é realizada de forma guiada por meio da propagação do campo eletromagnético em tubos metálicos altamente condutivos. (MARSAIOLI, 1991; PEREIRA, 2007).
Distinguem-se dois tipos de aplicadores, em um caso a interação ocorrerá em um guia de onda preenchido pelo dielétrico e, em outro, a interação ocorrerá dentro de uma cavidade. No primeiro, o tipo de propagação é monomodal, ou seja, as ondas se propagam em
