CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
COORDENAÇÃO DE DOUTORADO EM
ENGENHARIA DE PROCESSOS
TESE DE DOUTORADO
SECAGEM DE LEVEDURAS - ESTUDO
COMPARATIVO DO DESEMPENHO DOS
SECADORES EM LEITO DE JORRO E LEITO
FLUIDIZADO
VIMÁRIO SIMÕES SILVA
CAMPINA GRANDE - PARAÍBA
AGOSTO - 2004
Secagem de leveduras - estudo comparativo do desempenho
dos secadores em leito de jorro e leito fluidizado
Vimario Simões Silva
Tese de Doutorado apresentada à
Coordenação do Curso de
Doutorado em Engenharia de
Processos da Universidade Federal
de Campina Grande - Campus I,
como parte dos requisitos
necessários para obtenção do
Grau de Doutor em Engenharia de
Processos.
Area de Concentração: Desenvolvimento de Processos
Odelsia Leonor Sanchez de Alsina
Orientadora
Flávio Luiz Honorato da Silva
Orientador
S I S T E M O T E C A -
U F C GI I C I I A CAI \ I . ( ) ( . K \ I I \ l i O U \l> \ I T I \ l i l l i l IO I I < \ ( I \ I K M I) V l I ( (,
S586s Silva, Vimário Simoes
2004 Secagem de leveduras -• esludo eompaiamo do desempenho dos .secadores em leito de jorro e leito lluidi/ado V imario Simões Sil\ a. — Campina <.irande UFCG, 2004.
I56f. : il.. col.
Inclui Bibliografia.
Tese (Doutorado em l-ngenharia de hocessos) l'niversidade I cdcral de Campina Cirande. Centro de Ciências e I cenologia.
Orientadores: OdeUia Leonor Sanehe/ de Alsina e I lavio Luiz Honorato da Silva.
1—Secagem 2—Leveduras 3—I eito de jorro 4—l.eilo lluidi/ado I— Título
Secagem de leveduras - Estudo comparativo do desempenho
dos secadores em leito de jorro e leito fluidizado
Tese aprovada em 31 de agosto de 2004
Vimario Simões Silva
Profa Odelsia Leonor
Flávio Luiz Honora
Or
Florência Cecíli
Ex
ína, Dra., DEQ/UFCG
a Silva, Dr., DEQ/UFCG
ntador
, Dra., FEA/UNICAMP
externa
Maria de FátimaJDantas-de Medeiros
rDra., DEQ/UFRN
Examinadora externa
í, Dr., DEQ/UFS
Examinador externo
<P.
qsivanda Palmeira Gomes de Gouveia, Dra., DEAg/UFCG
Examinadora interna
A o
M e u s pais: Vicente S i m õ e s (in memorian) e Maria do C a r m o Simões
Minha e s p o s a : Maria J o s é Batista Simões
AGRADECIMENTOS
A o s P r o f e s s o r e s Dra. Odelsia Leonor S a n c h e z de Alsina e Dr. Flávio Luiz Honorato da Silva pela orientação deste trabalho;
A t o d o s o s colegas do D E Q pela força e m todos os m o m e n t o s d e s t a c a m i n h a d a ;
E m especial ao P r o f e s s o r e irmão Vicemário S i m õ e s , por m e dar a oportunidade de continuar m e u s e s t u d o s d e s p e r t a n d o a interesse pela Química;
A n a Paula Trindade R o c h a , pelo estímulo e colaboração, tanto na parte experimental c o m o na análise e d i s c u s s ã o d o s resultados;
A a l g u m a s p e s s o a s especiais, cujos n o m e s não são citados aqui, gostaria de expressar toda minha gratidão, admiração e respeito. Espero que d e alguma maneira, realmente p o s s a retribuir ao m e n o s u m p o u c o o q u e fizeram por mim, que certamente não será esquecido.
... Q u a n d o as p e s s o a s m e dizem, v o c ê é u m s u c e s s o , c o m o v o c ê c o n s e g u i u ? Eu me volto para aquilo que m e u s pais me ensinaram, seja e s f o r ç a d o , o b t e n h a t o d a s as instruções possíveis, m a s depois, pelo amor de Deus, f a ç a alguma coisa, n ã o fique parado, porque é incrível c o m o n u m a s o c i e d a d e livre pode-se c h e g a r a lugares tão s o n h a d o s , m a s n u n c a deixe d e agradecer a D e u s por t o d a s as c o i s a s que lhe der.
RESUMO
O s microrganismos, além de s u a importância industrial na o b t e n ç ã o por via biotecnológica de diversos produtos, p o d e m ser utilizados diretamente c o m o alimento para h u m a n o s e animais. Neste contexto, v e m c r e s c e n d o o interesse pelo aproveitamento de f o n t e s proteicas não tradicionais, na f o r m u l a ç ã o de ração animal. A utilização de leveduras, t e m por meta suprir a carência de proteínas e vitaminas BI. A o p e r a ç ã o de s e c a g e m é importante porque prepara o produto c o m as características necessárias para atender as exigências de m e r c a d o e dentro deste contexto, o leito de jorro e leito fluidizado p o d e m ser utilizados c o m o mais uma o p ç ã o dentro dos diversos tipos de s e c a d o r e s ora e m p r e g a d o s nesta o p e r a ç ã o . A matéria prima utilizada neste trabalho foi à levedura do gênero
Saccharomyces cerevisiae prensada d o tipo comercial (fermento biológico f r e s c o
da marca F l e i s c h m a n n " ) , c o m umidade média de 7 0 % e m base úmida, de cor c r e m e , e granulometria média de 0,991 m m . O s experimentos de s e c a g e m de levedura f o r a m realizados e m leito d e inertes constituído de partículas de poliestireno de 3,26 m m e m coluna de 10,3 c m de diâmetro e 25,3 c m de altura. Inicialmente f o r a m levantados d a d o s de equilíbrio higroscópico da levedura a 25, 30, 4 0 e 4 9 °C e as isotermas de d e s s o r ç ã o obtidas f o r a m ajustadas pelos modelos d e G A B e B E T N u m a s e g u n d a etapa, foi e s t u d a d a a fluidodinâmica do leito de jorro e leito fluidizado para analisar o efeito da p r e s e n ç a de leveduras sobre o c o m p o r t a m e n t o do leito d e inertes e definir as condições mínimas de operação de m o d o a estabelecer a matriz de planejamento fatorial. C o m o objetivo de analisar e c o m p a r a r o d e s e m p e n h o dos leitos fluidodinamicamente ativos foi estudada a s e c a g e m e m leito de jorro e leito fluidizado. Para isto, foi seguido um planejamento fatorial tendo c o m o variáveis de entrada a velocidade do ar e a quantidade de leveduras alimentada, e, c o m o respostas, o rendimento, retenção, perdas, umidade do produto e teor de proteínas. A temperatura foi fixada entre 38 e 44 °C. para todos os experimentos. A s taxas instantâneas de e v a p o r a ç ã o de água apresentaram flutuações na maioria d o s ensaios, tanto e m leito de jorro c o m o e m leito fluidizado, as eficiências energéticas de s e c a g e m f o r a m
os experimentos. Foi obtido nos ensaios e m leito d e jorro, u m c o n t e ú d o de umidade no produto entre 11,65 a 3 1 , 3 4 % , e m base úmida, e teor proteínas entre 50,09 e 5 2 , 6 8 % . Para o leito fluidizado e m 7,98 a 4 8 , 7 2 % de umidade e 4 0 , 6 a 4 9 , 7 % d e proteínas Diante do exposto, o s e c a d o r de leito de jorro apresentou melhor d e s e m p e n h o , visto q u e , na qualidade d o produto, a u m i d a d e e teor de proteínas apresentaram melhores resultados, e u m maior rendimento e menor retenção de pó. C o m p a r a d o c o m outros s e c a d o r e s , a p r e s e n t o u d e s e m p e n h o maior e m termos de proteínas e performance, s e n d o r e c o m e n d a d o estudar o p r o c e s s a m e n t o c o m temperaturas maiores de m o d o a reduzir o teor de umidade do produto.
ABSTRACT
Microorganisms, aside from their industrial importance in obtaining several products by biotechnology, c a n be u s e d directly as f o o d f o r h u m a n s a n d animals. In this context, an interest in non-conventional sources of protein f o r animal f e e d has been growing. T h e use of yeasts has the aim of supplying the proteins and vitamin B1 requirement. T h e drying operation is important b e c a u s e it prepares the product with the characteristics necessary for attending to the market d e m a n d s a n d in this context the s p o u t e d bed and t h e fluidized bed c a n be used a s one more option in the various types of dryers u s e d in this operation. T h e raw material u s e d in this work w a s pressed Saccharomyces cerevisiae commercial type yeast (fresh biological Fleischmann yeast), with an a v e r a g e moisture of 7 0 % in a w e t b a s e , cream-colored, and an average size of 0.991 m m . T h e yeast drying experiments were performed in inert beds constituted by polystyrene particles of 3.26 m m in a column of 10.3 c m of diameter a n d 25.3 c m of height. T h e yeast w a s f e d at the top of the column in a n intermittent regime. Initially data of hygroscopic equilibrium of the yeast w e r e studied at 2 5 . 30, 40 and 4 9 °C a n d the obtained desorption isotherms were adjusted by the G A B and B E T models. In a s e c o n d stage, the fluid dynamics of the spouted bed and the fluidized bed w a s studied to analyze the effect of the p r e s e n c e of yeast on the behavior of the inert particles bed and to define the minimal operating conditions so that the matrix of factorial design w a s established. With the objective of analyzing and comparing the performance of the dynamically active beds, the drying of yeast in the s p o u t e d and the fluidized bed w a s studied. For this, a factorial experimental design w a s followed. T h e input variables w e r e the velocity of the air a n d the quantity of yeast f e d a n d as r e s p o n s e variables the product yield, retention, loses, moisture a n d protein content of the dried yeast. T h e temperature w a s fixed b e t w e e n 3 8 a n d 4 4 °C for all the experiments. T h e instant w a t e r evaporation rate presented fluctuations in m o s t of the experiments, both in the spouted bed a n d in the fluidized bed. T h e drying energy efficiency w a s relatively low in both p r o c e s s e s , in turn of 5 and 50 %. T h e powder production kinetics s h o w e d an increasing and practically linear behavior in
obtained in the s p o u t e d bed tests. For the fluidized bed a 7.98 to 4 8 . 7 2 % moisture a n d 40.6 to 4 9 . 7 % proteins w e r e obtained. T h e s p o u t e d bed dryer presented a better performance, i n a s m u c h as, in the quality of the product, the moisture a n d the protein content presented best results a n d a greater yield and less retention of powder. C o m p a r e d to other dryers, it presented a better operation in terms of protein a n d performance. It is r e c o m m e n d e d to study the p r o c e s s in a higher temperature interval so as to reduce the moisture content of the product.
SUMÁRIO
LISTA DE S Í M B O L O S xii LISTA D E F I G U R A S xvi LISTA DE T A B E L A S xx C A P Í T U L O I 1 Introdução 1 C A P Í T U L O II 3 Revisão Bibliográfica 3 2.1 - Leveduras 3 2 . 1 . 1 - O b t e n ç ã o d a Levedura 52 . 1 . 1 . 1 - Sangria do leite de levedura 5
2.1.1.2 - Fundo d e dorna 6 2 . 1 . 2 - C o m p o s i ç ã o química da levedura 6
2 . 2 - S e c a g e m 12 2.2.1 - E q u a ç õ e s Empíricas 16
2.2.2 - Período a taxa constante 17 2.2.3 - Período a taxa decrescente 18
2.3 - Atividade de á g u a 21 2.3.1 - Isotemna de d e s s o r ç ã o 22
2.3.2- Descrição d a s isotermas 2 3 2.4 - O leito d e jorro , 2 5
2.5 - Curvas características do leito d e jorro 31
2.6 - O leito fluidizado 34 2.6.1 - Velocidade mínima e porosidade mínima de fluidização 35
2.7 - S e c a g e m de leveduras 37 2.8 - Eficiência energética 40 2.9 - Planejamento experimental e otimização d e p r o c e s s o s 42
3.1 - Materiais 4 4 3 . 1 . 1 - Matéria prima 4 4 3 . 1 . 2 - Partículas inertes 4 4 3.2 - Equipamentos 4 5 3.2.1 - S e c a d o r e m leito de jorro 4 5 3.2.2 - Equipamentos auxiliares 4 6 3.3 - Metodologia 47 3.3.1 - Preparação da levedura para estudo e m leito de jorro 4 7
3.3.2 - O b t e n ç ã o das curvas características e m leito de jorro 47 3.3.3 - D e l i n e a m e n t o da matriz d e planejamento experimental para o estudo 4 8
de s e c a g e m e m leito de jorro
3.4- Ensaios de s e c a g e m e m leito de jorro 4 9
3.5 - S e c a d o r e m leito fluidizado 50 3.5.1 - Equipamentos auxiliares 51 3.5.2 - Preparação da levedura para estudo e m leito fluidizado 51
3.5.3 - O b t e n ç ã o das curvas características e m leito fluidizado 51 3.5.4 - Delineamento da matriz de planejamento experimental para o estudo 52
da s e c a g e m e m leito fluidizado
3.6 - Ensaios de s e c a g e m e m leito fluidizado 53 3.7 - Caracterização físico-química da levedura 54
3.7.1 Umidade 55 3.7.2 - Proteínas totais 55 3 . 8 - R e n d i m e n t o 56 3.9 - Levedura retida 56 3 . 1 0 - Cinética d e produção 57 3.11 - Curvas de s e c a g e m : E v a p o r a ç ã o de água 57 3.12 - Eficiência energética 59 3.13 - Isotermas de d e s s o r ç ã o 59 3 . 1 3 . 1 - Atividade de água 59
ix
3.13.2 - Procedimento 6 0 3.13.3 - T h e r m o c o n s t a n t e r Novasina (Th-200) 6 0
C A P Í T U L O IV 62 I S O T E R M A S D E D E S S O R Ç Ã O 62
4 . 1 - Resultados das isotermas de d e s s o r ç ã o 62
C A P I T U L O V 71 F L U I D O D I N Â M I C A DE L E I T O S DE J O R R O E F L U I D I Z A D O C O M 71
L E V E D U R A S
5.1 - Fluidodinâmica do leito de jorro 71 5.2 - Efeito da c o n c e n t r a ç ã o d e leveduras na fluidodinâmica do leito de jorro 72
5.3 - Fluidodinâmica do leito fluidizado 84 5.4 - Efeito da concentração de leveduras na fluidodinâmica do leito 84
fluidizado
5.5 - C o m p a r a ç ã o nas fluidodinâmicas dos leitos de jorro e fluidizado 90
C A P I T U L O VI 94 D E S E M P E N H O D O S S E C A D O R E S 94 6.1 -Taxas de e v a p o r a ç ã o de á g u a 94 6.1.1 - Leito de jorro 94 6 . 1 . 2 - L e i t o fluidizado 100 6.2 - Eficiência energética 103 6 . 2 . 1 - L e i t o de jorro 103 6.2.2 - Leito fluidizado 106 6.3 - Leito fluidizado: Cinética de produção de pó 108
6.4 - Análise dos efeitos d a s variáveis: M L / M J e velocidade sobre as 113
respostas e m leito de jorro e leito fluidizado
6.5 - Análise da taxa de produção 117 6.6 - C o m p a r a ç ã o dos s e c a d o r e s d e leito de jorro e leito fluidizado 119
C A P I T U L O VII 121 C O N S I D E R A Ç Õ E S FINAIS 121
7.1 - R e s u m o d o s resultados obtidos 121
C A P I T U L O VIII
R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R Á F I C A S
A P Ê N D I C E I: Leito de Jorro e Leito Fluidizado A P Ê N D I C E II: Determinação de proteínas
LISTA DE SÍMBOLOS
A : área da superfície, m2
A i , A2: parâmetros do modelo da cinética de s e c a g e m
A L : constante de Littman
ap: área específica d a partícula inerte, m"1
A r : número de A r q u i m e d e s , adimensional aw : atividade de água
Bi e B2: constantes da equação de Herdenson C : constante de G u g g e n h e i m
C1 e C2: constantes
Cpg: calor específico do gás, cal.g"1 °C"1
Dc : diâmetro da coluna, m
Ds c: diâmetro da saída do ciclone, m
Def: difusividade efetiva, m2 .h"1
Di: diâmetro do orifício da entrada do ar, m Dp: diâmetro da partícula, m
d v : diâmetro da esfera de igual volume, m d X / d t : taxa de s e c a g e m , g.g"1.s"1
f : fator de correção para o HCI; g : aceleração gravitacional, m.s"2
G : fluxo de m a s s a de ar, kg.s"1
ga: fluxo de m a s s a do ar, kg.s"1
Ga: número de Galileu , adimensional
h : coeficiente de transferência de m a s s a , W . m "2. ° C '1
H : razão de H / Hm a x, adimensional
Hm a x: altura máxima do jorro, m
Hmf: altura do leito de mínima fluidização, m
Hn: calor de sorção d a s moléculas n a s multicamadas, J . m o r1
Hv a p: calor de vaporização, J.mol"1.
K : número de variáveis (fatores) independentes
k: parâmetro da e q u a ç ã o de G A B
K: fator de correção d a s propriedades d a s moléculas multicamada c o m relação a o volume de líquido
Ko , K i : parâmetros do modelo para cinética L : e s p e s s u r a da amostra, m
m : m a s s a da amostra, g. nrif=: m a s s a final da amostra, g M i : M a s s a de inerte, g
nrij = : m a s s a inicial da amostra, g
M L : m a s s a da amostra alimentada no secador, g M L : m a s s a de levedura, g
MLo : m a s s a de pó obtida; g
M R : m a s s a do pó retida no secador, g M s : m a s s a de sólido seco, g
nriss: m a s s a de sólido seco, g
N : parâmetro do modelo para cinética de s e c a g e m
P: pressão parcial de vapor d'água de u m produto, m m H g Po. pressão de vapor d'água a mesma temperatura T, m m H g
Qa: energia total fornecida ao secador, kJ.kg"1
Qa b; erergia absorvida pelo leito, kJ.kg"1
Qs: energia total transportada pela corrente de ar, kJ.kg"1
R: constante universal d o s g a s e s , J.mol"1.K"1
Remf: número de Reynolds de mínima fluidização
T*: fator adimensional de temperatura T: temperatura, °C
Ta: temperatura ambiente, °C
Tbu temperatura de bulbo úmido, °C
T g o : temperaturas do ar na entrada do secador, °C T g s : temperaturas do ar na saída do secador, °C T r : temperatura de referência, °C
Ts : t e m p o de s e c a g e m , min
U0 : umidade ambiente do ar, kg vapor.(kg ar seco)"1
Ug e: umidade absoluta do ar na entrada do secador, kg.kg"1
Ugs: umidade absoluta do ar na saída do ciclone em kg.kg"1
Ug s: umidade absoluta do ar na saída do ciclone, kg.kg"1.
UJM : velocidade de jorro mínimo, m.s"1
Umf: velocidade mínima de fluidização, m.s"1
UR : umidade relativa do ar, %
Us: umidade de saturação (Tb u) , kg vapor.(kg ar seco)"1
Ut: velocidade terminal da partícula, m.s"1
V : velocidade do ar da saída d o ciclone, m.s"1
V : volume da solução de HCI, ml_
W E V : taxa de e v a p o r a ç ã o de á g u a , kg.s"1
W s : fluxo de m a s s a de ar úmido, kg.s"1
X : conteúdo de umidade, base seca,g.g"1
X : umidade média, base seca, kg.kg"1
Xbs: umidade em base seca do pó Xb u :umidade em base úmida do pó
Xé(bu): umidade da amostra na entrada do secador Xe: conteúdo de umidade de equilíbrio, base seca, g.g"1
Xj: conteúdo de umidade inicial, base seca, g.g"1
Xm : conteúdo de umidade na m o n o c a m a d a , b a s e seca,g.g
Xm : parâmetro da e q u a ç ã o de G A B , g.g"1
A H B E T : entalpia de sorção, J.mol"1
(X - Xe)/(Xi - Xe) : razão de umidade, adimensional
SÍMBOLOS G R E G O S
ô : nível axial (ampliação dos níveis do planejamento fatorial) a : coeficiente do calor de s o r ç ã o
õ: derivada parcial r\: eficiência energética
4>: esfericidade da partícula inerte V : gradiente
p i : densidade aparente do leito, k g . m "3
pg: densidade do gás, k g . m "3
pm : densidade do leito, k g . m "3 l i g : viscosidade do gás, kg.m"1.s"1
pg s: densidade do ar na saída do ciclone, k g . m "3
si: porosidade do leito Em: porosidade mínima
smf: porosidade mínima de fluidização pp: densidade da partícula, k g . m "3
ps: densidade aparente do inerte, kg.m"3
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Curva característica da cinética de s e c a g e m 15 Figura 2.2 T a x a de s e c a g e m e m f u n ç ã o da umidade 15 Figura 2.3 Diagrama esquemático do leito de jorro convencional 27
Figura 2.4 Curva característica da q u e d a de pressão 32 Figura 2.5 Descrição de u m f e n ô m e n o de fluidização por u m g á s 35
Figura 3.1 S e c a d o r de leito de jorro cone-cilíndrieo convencional 46
Figura 3.2 S e c a d o r de leito fluidizado 51 Figura 3.3 T h e r m o c o n s t a n t e r Novasina 6 1 Figura 4.1 Isotermas de d e s s o r ç ã o da levedura Saccharomyces 67
cerevisiae para temperatura de 2 5 °C
Figura 4.2 Isotermas de d e s s o r ç ã o da levedura Saccharomyces 67
cerevisiae para temperatura de 30 °C
Figura 4.3 Isotermas de d e s s o r ç ã o da levedura Saccharomyces 6 8
cerevisiae para temperatura de 40 °C
Figura 4.4 Isotermas de d e s s o r ç ã o da levedura Saccharomyces 68
cerevisiae para temperatura de 4 9 °C
Figura 4.5 Isotermas de d e s s o r ç ã o da levedura Saccharomyces 6 9
cerevisiae para temperaturas de 25,30,40 e 49 °C
Figura 5.1 Curva característica de q u e d a de pressão e m f u n ç ã o 73 da velocidade do ar. Mp/Mi = 0 %
Figura 5.2 Curva característica de queda de pressão e m f u n ç ã o 73 da velocidade do ar. Mp/Mi = 2 %
Figura 5.3 Curva de q u e d a de pressão e m f u n ç ã o da velocidade 74 crescente do ar. T e m p o d e s e c a g e m = 0 min
Figura 5.4 Curva de q u e d a de pressão e m f u n ç ã o da velocidade 74 crescente do ar. T e m p o d e s e c a g e m = 5 min
Figura 5.5 Curva de queda de pressão e m f u n ç ã o da velocidade 75 crescente do ar. T e m p o de s e c a g e m = 1 0 min
Figura 5.7 Curva de queda de p r e s s ã o e m f u n ç ã o da velocidade 76 decrescente do ar. T e m p o de s e c a g e m = 0 min
Figura 5.8 Curva de q u e d a de pressão e m f u n ç ã o da velocidade 77 decrescente do ar. T e m p o de s e c a g e m = 5 min
Figura 5.9 Curva de queda de pressão e m f u n ç ã o da velocidade 77 decrescente do ar. T e m p o de s e c a g e m = 10 min
Figura 5.10 Curva de q u e d a de p r e s s ã o e m f u n ç ã o da velocidade 78 decrescente do ar. T e m p o de s e c a g e m = 15 min
Figura 5.11 Influência do t e m p o de s e c a g e m na queda de pressão 78 de jorro máximo
Figura 5.12 Influência do tempo de s e c a g e m na q u e d a de pressão 79 de jorro mínimo
Figura 5.13 Influência do t e m p o de s e c a g e m na velocidade de 79 jorro mínimo
Figura 5.14 Curva característica de queda de pressão e m f u n ç ã o 85 da velocidade do ar e m leito fluidizado para M L / M Í =
0 %
Figura 5.15 Curva característica de q u e d a de pressão e m f u n ç ã o 86 da velocidade do ar e m leito fluidizado para M L / M Í =
2 %
Figura 5.16 Curva característica de queda de pressão e m f u n ç ã o 87 da velocidade do ar e m leito fluidizado para M L / M Í =
4 %
Figura 5.17 Curva característica de queda de pressão e m f u n ç ã o 87 da velocidade do ar e m leito fluidizado para M L / M Í =
6 %
Figura 5.18 Curva característica d e q u e d a de pressão e m f u n ç ã o 88 da velocidade do ar e m leito fluidizado para ML/ M i =
Figura 5.19 Curva característica d e q u e d a de pressão e m f u n ç ã o 89 da velocidade do ar e m leito fluidizado para ML/ M i =
1 5 %
Figura 5.20 Correlação entre a perda de carga e a proporção M L / M J 91
Figura 5.21 Correlação entre a velocidade e m condições mínimas 92 e a proporção ML/Mi
Figura 5.22 Correlação entre a perda de carga e a velocidade e m 93 condições mínimas
Figura 6.1 T a x a de evaporação d e água: ML/Mi = 6 % e velocidade 95
de 0,227 m/s
Figura 6.2 T a x a de evaporação d e água: M L / M I = 4 % e velocidade 96 de 0,213 m/s
Figura 6.3 T a x a de evaporação de água: ML/Mj = 4 % e velocidade 96
de 0,213 m/s
Figura 6.4 T a x a s médias de e v a p o r a ç ã o de água: exp. 1,2,3,4 e 5 97 Figura 6.5 T a x a s médias de e v a p o r a ç ã o de água: exp. 6,7,8,9,10 97
e 11
Figura 6.6 T a x a s iniciais instantâneas de e v a p o r a ç ã o de água: 98 exp. 1,2,3,4 e 5
Figura 6.7 T a x a s iniciais instantâneas de e v a p o r a ç ã o de água: 98 exp 6,7,8,9,10 e11
Figura 6.8 T a x a de evaporação de água: ML/Mj = 3% e velocidade 101
de 0,284 m/s
Figura 6.9 T a x a de e v a p o r a ç ã o d e água: M L / M Í = 3 % e velocidade 101 de 0,355 m/s
Figura 6.10 T a x a de e v a p o r a ç ã o de água: ML/Mi = 15% e 102
velocidade de 0,284m/s
Figura 6.11 Leito fluidizado: T a x a s médias d e e v a p o r a ç ã o de 102 água: exp. 1,2,3,4,5 e 6
Figura 6.12 Leito fluidizado: T a x a s médias d e e v a p o r a ç ã o de 103 água: exp. 7,8,9,10 e 11
Figura 6.14 Eficiência Energética: ML/Mj = 4 % e velocidade de 105
0,213 m/s
Figura 6.15 Eficiência Energética: ML/ M j = 6 , 8 % e velocidade d e 105
0,213 m/s
Figura 6.16 Eficiência Energética: ML/Mi = 3 % e velocidade de 106
0,284 m/s
Figura 6.17 Eficiência Energética: ML/Mi = 15% e velocidade de 107
0,284 m/s
Figura 6.18 Eficiência Energética: MJM\ = 9 % e velocidade de 107 0,320 m/s
Figura 6.19 M a s s a acumulativa de pó para M L / M J = 3 % e 109 velocidade de 0,355 m/s
Figura 6.20 M a s s a acumulativa de pó para ML/Mi = 15% e 110
velocidade de 0,284 m/s
Figura 6.21 Eficiência de produção de leveduras e m f u n ç ã o do 110 tempo: Exp. 1,2,3,4,8 e 10
Figura 6.22 Eficiência de produção de leveduras e m f u n ç ã o do 111 t e m p o : Exp. 5,6,7,9 e 11
Figura 6.23 Valores o b s e r v a d o s versus valores preditos da taxa de 118 produção
Figura 6.24 Superfície de resposta para taxa de produção de pó 119 e m leito fluidizado
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 C o m p o s i ç ã o Bromatológica da Levedura (Sangria do 7 Leite de Levedura)
Tabela 2.2 C o m p o s i ç ã o e m A m i n o á c i d o s 7 Tabela 2.3 C o m p o s i ç ã o e m Minerais 8 Tabela 2.4 C o m p o s i ç ã o e m Vitaminas 8 Tabela 2.5 Modelos para cinética de s e c a g e m 16
Tabela 2.6 Modelos e respectivos materiais de e s t u d o s 16 Tabela 2.7 R e s u m o das correlações para o cálculo da q u e d a de 33
pressão máxima
Tabela 2.8 R e s u m o das correlações para o cálculo da queda de 34 pressão de jorro mínimo
Tabela 2.9 R e s u m o das correlações para o cálculo da velocidade 34 mínima de jorro
Tabela 2.10 R e s u m o das correlações empíricas para determinação 36 da velocidade mínima de fluidização (Vmf)
Tabela 3.1 Propriedades físicas d o poliestireno 45 Tabela 3.2 Níveis reais e codificados das variáveis independentes 49
para leito de jorro
Tabela 3.3 Matriz de planejamento experimental fatorial 22 + 49
configuração estrela e m leito de jorro
Tabela 3.4 Níveis reais e codificados das variáveis independentes 53 para leito fluidizado
Tabela 3.5 Matriz de planejamento experimental fatorial 22 + 53
configuração estrela e m leito fluidizado
Tabela 4.1 Dados de atividade de água e umidade de equilíbrio 6 3 para as leveduras Saccharomyces cerevisiae
Tabela 4.2 Parâmetros de ajuste das isotermas de d e s s o r ç ã o no 64 modelo de G A B
Tabela 4.3 Parâmetros de ajuste das isotermas de dessorção no 64 modelo de B E T
Tabela 4.4 Entalpias de dessorção da levedura Saccharomyces 70
cerevisiae
Tabela 5.1 Valores dos parâmetros fluidodinâmicos e m f u n ç ã o da 82 concentração de levedura alimentada.
Tabela 5.2 Q u e d a de pressão máxima determinada por 83 correlações (N/m2)
Tabela 5.3 Queda de pressão de jorro mínimo determinada por 83 correlações empíricas ( N / m2)
Tabela 5.4 Velocidade de jorro mínimo determinada por 83 correlações empíricas (m/s)
Tabela 5.5 Parâmetros fluidodinâmicos e m leito fluidizado 86 Tabela 5.6 Parâmetros fluidodinâmicos e m leito de jorro e m 90
f u n ç ã o da proporção M L / M Í T e m p o de s e c a g e m 0 min
Tabela 5.7 Parâmetros fluidodinâmicos e m leito fluidizado e m 90 f u n ç ã o da proporção ML/Mi
Tabela 6.1 Resultados da regressão linear de m a s s a acumulativa 112 em função do tempo
Tabela 6.2 Respostas no leito de jorro 113 Tabela 6.3 Respostas no leito fluidizado 114 Tabela 6.4 Modelos para variáveis e m leito de jorro 116
Tabela 6.5 Modelos para variáveis e m leito fluidizado 116 Tabela 6.6 Análise de variância para taxa de produção 117
Capítulo I : Introdução
CAPÍTULO I
1- INTRODUÇÃO
O crescimento da população mundial a u m e n t a a d e m a n d a por alimentos. A capacidade de produção é desigual, n o entanto os países mais e m e n o s desenvolvidos correm e m b u s c a de soluções para produzir mais alimentos e de melhor qualidade. Enquanto e m alguns países as populações p o d e m ser alimentadas c o m t o d o s os elementos básicos de uma dieta, há outros c o m carência de proteínas, gorduras e vitaminas. N o v a s técnicas contribuem para aumentar a produção de alimentos. Existem métodos especiais de criação de animais q u e levam a obtenção d e melhor crescimento e g a n h o de p e s o e m menor tempo. O incremento do c o n s u m o de p e q u e n o s animais e de p e s c a d o abre novos c a m p o s à produção de alimentos. Por outro lado, pesquisadores de diversos países v ê m estudando a utilização de microrganismos c o m o alimento. Eles f a z e m parte da alimentação do h o m e m e dos animais, c o m o a g e n t e s ou integrantes de processo de preparo de alimentos e, e m muitos c a s o s , são ingeridos c o m o alimento q u e ajudaram a preparar, c o m o exemplo: pães, bebidas alcoólicas, vinagres, leites f e r m e n t a d o s e queijos. Todavia, as pesquisas t ê m procurado desenvolver técnicas para produzir microrganismos e m grande escala e e c o n o m i c a m e n t e , para eles próprios serem c o n s u m i d o s c o m o alimento. A utilização de microrganismos (algas, bactérias, f u n g o s e leveduras) tem por meta suprir a carência de proteínas, embora e m muitos c a s o s os lipídeos a a s vitaminas sejam c o m p l e m e n t o s valiosos.
Portanto, nos últimos anos v e m c r e s c e n d o o interesse pelo aproveitamento de fontes proteicas, conhecidas c o m o "não convencionais", na indústria d e ração animal do Brasil e do mundo. Isto ocorre devido ao constante a u m e n t o nos preços dos grãos de cereais e suplementos proteicos convencionais.
A s leveduras p o d e m substituir os suplementos proteicos convencionais usados na alimentação animal. Estes microrganismos p o s s u e m u m a elevada velocidade de crescimento, possibilidade de ser cultivado e m diversos tipos d e substratos além de possuir u m elevado teor de proteínas e vitamina B.
S e g u n d o LAHR FILHO et ai (1996) o Brasil é o maior produtor mundial de álcool de cana-de-açúcar, c o m uma produção estimada e m 11,5 bilhões de litros por ano, o que nos t o m a u m país privilegiado quanto ao aproveitamento d o s subprodutos obtidos no processamento da indústria canavieira, a exemplo da levedura utilizada para produção de álcool etílico (Saccharomyces cerevisiae). A levedura pode ser usada c o m o fonte de proteínas, vitaminas e palatabilizante nas formulações de ração animal. C o m o a u m e n t o da produção de álcool a levedura passou a ser obtida e m excesso, o q u e torna viável a instalação de uma unidade de s e c a g e m deste material, para fins de alimentação animal ( A N D R I E T T A , 1998).
Para que sejam comercializadas junto aos produtores de ração animal é necessário que as leveduras encontrem-se dentro das especificações exigidas pelo mercado nos aspectos relacionados à cor, granulometria, teor de proteína e teor de umidade (evitando o aparecimento de bolores e e m p e d r a m e n t o d o produto). Dentro d o que foi exposto, observa-se que a operação de s e c a g e m toma-se indispensável, uma v e z que coloca a biomassa de leveduras sob a forma física que facilita o a r m a z e n a m e n t o , o transporte e, c o n s e q ü e n t e m e n t e , a comercialização.
A proposta deste trabalho tem objetivo d e estudar a s e c a g e m de leveduras e m leito de jorro e leito fluidizado para análise do d e s e m p e n h o e c o m p a r a ç ã o d o s secadores, variando-se as seguintes condições de operação: v a z ã o d o ar na entrada do s e c a d o r e quantidade de levedura alimentada, visando o rendimento, retenção e eficiência de s e c a g e m , através do levantamento d a s curvas características de s e c a g e m e eficiência energética de s e c a g e m e m diversas condições operacionais, verificando-se à qualidade do produto final dentro d a s especificações exigidas no mercado, tendo e m vista seu aproveitamento c o m o complemento proteico e m alimentação animal.
Capitulo I I : Revisão bibliográfica
CAPÍTULO II
2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - Leveduras
A s leveduras são os principais microrganismos u s a d o s c o m o alimento e m todo o m u n d o . A s leveduras alimentares são leveduras s e c a s , f r a g m e n t a d a s , inativas, s e m poder fermentativo. A s e s p é c i e s mais e s t u d a d a s pertencem aos gêneros Cândida e Saccharomyces.
A produção de levedura alimentar é uma realidade industrial, c o m amplas aplicações e m países europeus a partir de diversas matérias primas: melaços, resíduos de destilação de etanol, resíduos sulfíticos e hidrocarbonetos.
A s leveduras constituem um grupo de microrganismos unicelulares, que se reproduzem a s s e x u a d a m e n t e por brotamento ou por cissiperidade e que d e s e n v o l v e m a f e r m e n t a ç ã o alcoólica. São largamente e n c o n t r a d a s na natureza: sendo c o m u n s no solo, na superfície de órgãos dos vegetais, principalmente e m flores e frutos, no trato intestinal de animais, e m líquidos a ç u c a r a d o s , e numa série de outros locais. São importantes sob vários a s p e c t o s , e industrialmente, a p r e s e n t a m os seguintes pontos de interesse: S ã o a g e n t e s de f e r m e n t a ç ã o alcoólica, na p r o d u ç ã o do álcool industrial e de todas as bebidas alcoólicas destiladas ou não destiladas; utilizadas na panificação e importantes f o n t e s de proteínas e de fatores de crescimento, passíveis de serem utilizadas na alimentação animal e h u m a n a ;
Como a g e n t e s de f e r m e n t a ç ã o são prejudiciais à c o n s e r v a ç ã o de frutos, e de s u c o s vegetais. A l g u m a s espécies, são patogênicas a plantas, animais e ao h o m e m . Geralmente são unicelulares, a Saccharomyces cerevisiae e outras leveduras c o m u n s a p r e s e n t a m f o r m a oval ou cilíndrica.
A s células vegetativas da maioria das leveduras industriais variam e m t a m a n h o , de 4 a 8 u m de largura por 7 a 12 p m de comprimento, h a v e n d o , evidentemente, e s p é c i e s maiores e m e n o r e s que as citadas. A forma e o t a m a n h o das células, m e s m o e m espécies m o n o m o r f a s , p o d e m variar de acordo c o m o nutriente, c o m as c o n d i ç õ e s ambientais, c o m o estado fisiológico ou a idade.
A estrutura d a s leveduras a p r e s e n t a m m e m b r a n a celular b e m definida, pouco e s p e s s a , e m células j o v e n s ; rígidas e m células adultas, d e constituição variável, c o m predominância de hidratos de carbono, e m e n o r quantidade de proteínas e graxas. Internamente delimitando o citoplasma, existe a m e m b r a n a citoplasmática, mais evidente e m células adultas, por plasmólise. No geral, as leveduras s e a p r e s e n t a m s e m cápsula, se b e m que algumas e s p é c i e s de
Torulopsis se a p r e s e n t e m c o m cápsula, constituída de hidratos de carbono.
A s leveduras se multiplicam por brotamento, p r o c e s s o pelo qual na superfície da célula adulta (célula mãe) d e s e n v o l v e - s e uma p e q u e n a saliência (célula-filha) que se transformará numa nova célula e se reproduzem a s s e x u a d a m e n t e por esporos e n d ó g e n o s (ascoporos), contidos no interior da célula mãe, agora transformada e m c a s c a . O s a s c o p o r o s são geralmente e m número de 4 a 8, variando de acordo c o m a espécie envolvida: s ã o esféricos e m
Saccharomyces cerevisiae, anelados (anel de Saturno) e m Hansenula saturnus
alongadas c o m flagelos e m Nematospora, etc.
O s f u n g o s , na sua f a s e vegetativa, a d e maior duração, é geralmente haplóide; a f a s e diplóide, compreendida entre a cariogamia e a meiose é geralmente muito curta. A s leveduras, porém, a p e s a r de pertencerem ao grupo dos f u n g o s , c o m p o r t a m - s e de maneira variável, a e s s e respeito, d e p e n d e n d o da espécie envolvida. Entre elas são e n c o n t r a d o s vários tipos de ciclo vital, entre os quais s ã o mais c o m u n s os que s e g u e m .
Atualmente, a classificação d a s leveduras se baseia n a s características reprodutivas (sexuada ou a s s e x u a d a ) , bem como, na capacidade de utilização de certos hidratos de carbono.
Durante o século XIX, as leveduras d e u s o doméstico eram s u b p r o d u t o s das cervejarias e destilarias; era u m fermento instável e de qualidade variável
Capitulo I I : Revisão bibliográfica
c o m p o s t a s de diversas linhagens. O fermento a partir de cultura pura s ó veio a ser produzido anos mais tarde. No ano de 1868 os irmãos Fleischman iniciaram a fabricação de leveduras p r e n s a d a s c o n h e c i d a s popularmente c o m o f e r m e n t o s frescos, s e n d o apresentado oficialmente e m 1876 durante a Exposição d o
Centenário da Filadélfia.
L e v e d u r a s ativas são aquelas e m p r e g a d a s para f e r m e n t a ç ã o e c o m o fonte de c o m p o n e n t e nutricional e "flavor". Enquanto as leveduras inativas não p o s s u e m c a p a c i d a d e fermentativa e s ã o e m p r e g a d a s c o m o alimento nutricional e "flavor". (http://www.cpnsu/teme.com.br/1 b/biologia/leved.htm).
2.1.1 - Obtenção da levedura
Vários gêneros de leveduras p o d e m ser cultivados nos mais variados tipos de substrato, serão abordados s o m e n t e a s p e c t o s ligados às leveduras utilizadas na indústria alcooleira.
S e g u n d o B U T O L O (1996) no p r o c e s s o da produção de álcool, as leveduras de recuperação p o d e m ser obtidas, principalmente de d u a s maneiras: sangria do leite de leveduras e f u n d o d e dorna.
2.1.1.1 - Sangria do leite de levedura
Esta é a prática mais c o m u m e n t e utilizada pelas indústrias sucro-alcooieira e consiste e m desviar parte do leite centrifugado (creme de levedura) d o p r o c e s s o de produção de álcool. FILHO et al. (1996) relatam q u e ensaios realizados e m Usina Cooperada (Coopersucar) e e m laboratório indicam que sangrias de c r e m e de leveduras da o r d e m de 20 a 80 kg.m"3 de álcool produzido não acarretam
prejuízos no rendimento fermentativo. A prática operacional t e m indicado, valores entre 20 a 30 kg.m"3 de álcool produzido.
A f e r m e n t a ç ã o deve apresentar-se de uma maneira geral b e m conduzida, c o m eficientes controles de temperatura, livre de infecção e/ou tendência de floculação. Deve-se utilizar caldo d e c a n t a d o para o mosto, o b t e n d o desta maneira
uma levedura s e c a de coloração clara, t e n d e n d o à cor palha, c o m m e n o r teor d e sais (cinzas) e fibra (bagacilho), o que resulte c o n s e q ü e n t e m e n t e , e m u m maior teor percentual de proteína bruta.
2.1.1.2 - Fundo de dorna
Esta o p ç ã o é interessante porque se trata d e uma fonte de levedura que normalmente não se recircula à f e r m e n t a ç ã o e, por isso, pode ser considerada c o m custo zero. O material q u e p e r m a n e c e no f u n d o das d o m a s , a p ó s centrifugação d o vinho, representa de 0,5 a 1 % da c a p a c i d a d e da d o m a e c o n t é m cerca de 8 0 % de levedura na sua matéria s e c a ( P E I X O T O & M A T T O S , 1972). A qualidade é inferior àquela obtida do leite de levedura, devido a alta c o n c e n t r a ç ã o de minerais e impurezas, além da grande variação na c o m p o s i ç ã o química.
2.1.2 - Composição química da levedura
S e g u n d o K R I D E R et al (1982), a c o m p o s i ç ã o química da levedura d e p e n d e de uma série de fatores, d e s t a c a n d o - s e : natureza do substrato, grau de aeração do meio, espécie de levedura, tratamentos impostos ao meio de cultura e c o n c e n t r a ç ã o de sais. Dentre estes fatores o mais importante é o substrato utilizado, isto porque afeta a taxa de crescimento e a c o m p o s i ç ã o , principalmente, de proteínas e lipídeos ( V A N A N U V A T & K I N S E L A , 1975).
A lavagem c o m água para se eliminar as impurezas do leite de levedura o u fundo de d o m a , p o d e t a m b é m alterar significativamente a c o m p o s i ç ã o d a
levedura. E m estudos feitos por S A L G A D O (1976), foi o b s e r v a d o u m a u m e n t o de 33 para 4 2 % de proteína bruta, resultante de quatro lavagens, h a v e n d o entretanto, perdas de matéria seca, proteínas e minerais do material original. A s T a b e l a s 2 . 1 , 2.2, 2.3 e 2.4 m o s t r a m características de leveduras e m relação a c o m p o s i ç ã o bromatológica, c o m p o s i ç ã o e m aminoácidos, c o m p o s i ç ã o e m minerais e c o m p o s i ç ã o e m vitaminas.
Capitulo I I : Revisão bibliográfica
Tabela 2.1 - C o m p o s i ç ã o bromatológica da levedura (sangria d o leite de levedura)
P a r â m e t r o s C o m p o s i ç ã o % Umidade (voláteis 105°C) 8 , 7 2 - 1 0 , 0 2 Proteína Bruta 2 8 , 7 0 - 3 8 , 2 8 Extrato Etéreo 0 , 9 1 - 1 , 0 3 Fibra Bruta 0,31 - 0,80 Material Mineral 4 , 3 6 - 5 , 1 8 Extrativo n ã o Nitrogenado 4 6 , 4 3 - 5 4 , 7 6 FONTE: BUTOLO (1996)
Tabela 2.2 - C o m p o s i ç ã o e m aminoácidos da levedura
P a r â m e t r o s C o m p o s i ç ã o % Arginina 1 , 3 1 2 - 2 , 1 5 0 Metionina 0,380 - 0,580 Cistina 0,300 - 0,474 Lisina 1 , 7 9 0 - 2 , 5 4 1 Treonina 1 , 5 9 0 - 2 , 3 1 6 Valina 1 , 3 3 0 - 1 , 7 5 4 Leucina 1 , 7 3 0 - 2 , 6 1 1 Isoleucina 1 , 3 9 0 - 1,303 Fenilalanina 1 , 2 0 0 - 1 , 3 7 4 Histidina 0 , 5 2 0 - 0 , 6 1 4 Triptofano 0,335 - 0,460 Ácido Aspártico 3 , 0 4 0 - 4 , 1 6 9 Serina 1 , 4 6 0 - 2 , 3 0 7 Prolina 0 , 6 6 0 - 1,589 Glicina 1 , 2 7 0 - 1 , 6 3 6 Alanina 1 , 7 4 0 - 2 , 6 2 8 Tirosina 0 , 8 5 0 - 0 , 9 2 0 Ácido Glutâmico 3,900 - 5,487 FONTE: BUTOLO (1996)
Tabela 2.3 - C o m p o s i ç ã o e m minerais da levedura P a r â m e t r o s C o m p o s i ç ã o Cálcio (Ca) % 0,20 - 0,25 Fósforo (P) % 0,57 - 0,59 Potássio (K) % 1 , 0 2 - 1 , 2 9 Magnésio (Mg) % 0 , 1 3 - 0 , 1 5 Enxofre (S) % 0 , 3 5 - 0 , 3 7 Ferro (Fe) m g / K g 4 8 0 - 5 3 6 Cobre (Cu) m g / K g 1 5 - 1 9 M a n g a n ê s (Mn) m g / K g 3 1 - 4 5 Zinco (Zn) mg/Kg 8 3 - 1 3 8 FONTE: BUTOLO (1996)
Tabela 2.4 - C o m p o s i ç ã o e m vitaminas da levedura
P a r â m e t r o s C o m p o s i ç ã o m g / K g Tiamina 1 2 0 - 1 7 0 Riboflavina 4 7 - 5 2 A c . Pantotênico 8 0 - 8 5 Niacina 4 5 0 - 4 7 0 Piridoxina 4 5 - 4 7 A c . Fólico 1 2 - 2 1 Biotina 0 , 6 - 1 , 5 FONTE: BUTOLO (1996)
A c o m p o s i ç ã o aminoácida da proteína de levedura pode ser e m p r e g a d a como parâmetro inicial para determinar o valor nutricional das proteínas. Na proteína de b o m valor nutricional a c o m p o s i ç ã o de aminoácidos f u n d a m e n t a i s encontra-se e m quantidades a d e q u a d a s e equilibradas, d e m o d o a e s t a r e m próximas d o s valores estabelecidos pelo padrão de referência da F A O (1985).
S e g u n d o a F A O (1985) a c o m p o s i ç ã o aminoácida das proteínas d e leveduras, destaca-se por apresentar u m alto teor de lisina, teores a d e q u a d o s de
Capitulo I I : Revisão bibliográfica
treonina e triptofano. E m b o r a o perfil aminoácido n ã o seja c o m p a r á v e l a proteínas de origem animal, ele se iguala as melhores proteínas de vegetal c o m o a soja, na Tabela 2.2 encontram-se as faixas de aminoácidos essenciais e n c o n t r a d o s na levedura Saccharomyces cerevisiae.
O emprego de proteínas unicelulares ou leveduras na alimentação animal é muito antigo, encontram-se na literatura trabalhos do início d o século p a s s a d o sobre a adição deste produto e m ração de animais domésticos. Dentre o s microrganismos, as leveduras t e m se d e s t a c a d o c o m o uma excelente fonte de proteínas e por s u a s características não patogênicas, p o d e m ser utilizadas tanto c o m o alimento h u m a n o quanto c o m o ração ( M A R T I N E S - F O R C E & B E N I T E Z ,
1992). Q u a n d o as leveduras são u s a d a s c o m o alimentação animal não há necessidade de r e m o ç ã o dos ácidos nucléicos ( S C H R I M S H A W , 1986). C o m e x c e ç ã o d o s primatas e do h o m e m , o n d e o ácido úrico é o produto final do metabolismo s e n d o excretado. O s outros mamíferos e demais animais terrestres, p o s s u e m uricase, q u e degrada o ácido e m alantonina e uréias. Nas aves, o principal produto de degradação não é a uréia e sim o ácido úrico, porque nestes animais a uréia não é sintetizada a partir da amónia ( C H R I S T I A N & W A L T H O , 1964).
M A T T O S et ai (1983) estudaram ratos e m crescimento o n d e a levedura d e fundo de d o m a substituiu, 0, 50 e 100 % de c a s e í n a c o m o única fonte proteica, e o b s e r v a r a m q u e o g a n h o de peso foi significativamente maior para animais q u e receberam a levedura c o m o única f o n t e proteica. A taxa de eficiência proteica não diferiu entre os tratamentos. O autor sugeriu q u e se d e v e utilizar quantidades semelhantes da f r a ç ã o de nitrogênio proteico da levedura e da caseína. D e v e ser observado o teor de nitrogênio, não proteico da levedura q u a n d o a levedura for utilizada na alimentação de animais q u e não p o s s u a m a c a p a c i d a d e de utilizar esta forma de nitrogênio. A levedura de leite d e levedo e de f u n d o de d o m a possui cerca d e 8 0 % do nitrogênio, na forma de proteína, tais valores f o r a m e n c o n t r a d o s na literatura para outros tipos d e leveduras ( R O S E & H A R R I S O N , 1970).
M A T T O S et ai (1983) alimentando f ê m e a s de ratos e m f a s e de crescimento o b s e r v a r a m q u e não ocorreu n e n h u m a alteração histológica no f í g a d o , rins, baço
e intestinos dos animais que tinham na sua dieta a levedura c o m o única fonte proteica. Estes autores citaram o emprego de levedura obtida por leite de levedo, para alimentação de ruminantes avaliando uma série de ensaios realizados na E S A L Q c o m v a c a s e m f a s e de lactação. No primeiro ensaio f o r a m e s t u d a d o s 12 animais da raça holandesa e m início de lactação c o m uma média de produção de leite de 20 kg.dia"1; a dieta era c o m p o s t a além da silagem de milho por u m
concentrado que tinha c o m o suplemento proteico o farelo de algodão, nos níveis de 0, 1,2 e 2,4 kg de levedura. A s dietas experimentais f o r a m d a d a s a o s animais no período de 3 0 dias, s e n d o intercalacas entre e s t e s 30 dias uma dieta pobre de proteína. Foi o b s e r v a d o q u e não teve diferença significativa no teor de proteína do leite nos animais q u e receberam a levedura c o m o única fonte proteica. A p ó s a adição de levedura seca na s i l a ç e m foi o b s e r v a d o que ocorreu maior digestibilidade da matéria seca, matériíi orgânica e da proteína bruta. No s e g u n d o ensaio t a m b é m f o r a m e s t u d a d a s 12 v a c a s e m f a s e de lactação, m a s o estudo foi realizado e m u m período mais longo (21 s e m a n a s ) . Os animais f o r a m divididos e m dois grupos, o n d e metade recebia urr concentrado, c o m 4 0 % de levedura, que corresponde a 4 kg de levedura, durante todo período experimental. Foi o b s e r v a d o u m a u m e n t o n a produção de 1,7 hg.cab"1dia"1 nos animais que recebiam a
levedura e u m a u m e n t o de 0 , 2 % no teor de gordura. Em ambos os estudos foram analisados o balanço de nitrogênio, s e n d o o b s e r v a d o a melhor utilização do nitrogênio da levedura q u a n d o c o m p a r a d o ao nitrogênio do farelo, indicando u m melhor b a l a n c e a m e n t o e m a m i n o á c i c o s da levedura e m relação à s exigências
maior g a n h o s de peso e m f u n ç ã o de
alcooleira como suplemento proteico. para produção do leite.
C A M P O S N E T O et a/.(1996) t a m b é m fizeram uma avaliação do valor nutritivo da levedura seca, c o m o suplemento alimentar para gado de corte. Os animais e r a m p e s a d o s no inicio dos experimentos e a cada 2 8 dias até o final dos testes, foi o b s e r v a d o u m a u m e n t o de 2 5 0 g de peso/cab/dia. O autor concluiu que a proteína mineral proporcionava a o s animais d e corte durante a s e c a invernal, u m maior c o n s u m o de g r a m a s de proteína bruta por c a b e ç a dia. Sendo possível a utilização da levedura das usinas
sucro-A levedura d e v e ser dada a o s animais após
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o p r o c e s s o de s e c a g e m , visto que a levedura no estado natural possui um elevado percentual de á g u a e deteriora-se facilmente. A c o m p o s i ç ã o da levedura seca pode variar d e p e n d e n d o das condições durante o processo de f e r m e n t a ç ã o alcoólica, principalmente e m relação a proteína bruta e mineral, s e n d o necessário analisar o produto antes de ser u s a d o . O s resultados destes experimentos mostraram q u e a adição de leveduras na ração das v a c a s e m f a s e d e lactação, está ligado ao aumento da eficiência digestiva, maior p o r c e n t a g e m de proteína e gordura no leite e c o n s e q ü e n t e m e n t e maior produção. O fornecimento de levedura para v a c a s e m f a s e de lactação, e m t o m o d e no máximo 4 kg por dia, n ã o c a u s a n e m u m efeito patológico, não ocorrendo n e m uma alteração fisiológica nos animais q u e participaram dos experimentos.
P Á D U A e i ai (2000) estudaram a importância da parede celular de levedura
Saccharomyces sp c o m o fonte de fibra na alimentação. Este trabalho tinha c o m o
principal objetivo estudar a influência da adição de 1 0 % e 2 0 % da f r a ç ã o parede celular de levedura (Saccharomyces sp.), a uma dieta hipercolesterolêmicas ( 5 % de gordura de c o c o mais 2 % de colesterol) e m ratos Wistar. Utilizou-se c o m o padrão uma dieta d e caseína (AIN-93G) c o m 5 % de celulose. Foram t a m b é m utilizadas dietas hipercolesterolêmicas c o m 10 ou 2 0 % de celulose, para c o m p a r a ç ã o , sendo avaliados os seguintes índices: digestibilidade, valor biológico e utilização líquida aparente da proteína, quociente de eficiência alimentar, velocidade de trânsito d o conteúdo intestinal e as c o n c e n t r a ç õ e s séricas d e lipídios totais, triacilgliceróis e colesterol total. A f r a ç ã o parede celular, a s s i m c o m o a celulose p r o v o c o u uma diminuição da digestibilidade da proteína e do quociente de eficiência alimentar, mas não se o b s e r v o u influência no valor biológico da proteína e no g a n h o de peso. A adição de 10 ou 2 0 % , tanto de parede celular c o m o de celulose p r o m o v e u a u m e n t o da velocidade de trânsito do c o n t e ú d o intestinal e a u m e n t o no comprimento do intestino delgado. A fração parede celular nas c o n c e n t r a ç õ e s de 1 0 % ( 1o ensaio) ou 2 0 % ( 2o ensaio) p r o m o v e u abaixamento
nos níveis de triacilgliceróis séricos, contudo não influiu no abaixamento das c o n c e n t r a ç õ e s de lipídios totais e de colesterol total.
Dentre as diversas aplicações da levedura s e c a , pode-se destacar o beneficio q u e ela gera q u a n d o é e m p r e g a d a na alimentação animal, c o m g a n h o de qualidade e produtividade para o produtor ( P E I X O T O & M A T T O S , 1972). E m ruminantes c o m o bezerros e gado leiteiro a u m e n t a a taxa de g a n h o de peso, o rendimento de leite e o conteúdo de proteínas e gordura do leite. E m gado de corte e m geral aumenta a eficiência de alimentação e g a n h o de peso vivo, a u m e n t a n d o t a m b é m a digestibilidade, principalmente e m termos d e fibras. E m a v e s c o m pintos, galinhas e frangos tanto a u m e n t a o c o n s u m o de alimentos e g a n h o de m a s s a viva, c o m o a eficiência de alimentação e qualidade d o s ovos. Em cavalos a u m e n t a a digestibilidade de material hemicelulósico e assimilação de nitrogênio finalmente e m s u í n o s a u m e n t a a taxa de alimentação e g a n h o de peso vivo.
M O R E I R A et ai (1997) estudaram a utilização da levedura de recuperação ( s a c c h a r o m y c e s spp.) seca p o r " spray-drying" na alimentação de s u í n o s e m f a s e de crescimento até-terminação, utilizando 32 suínos. Os tratamentos consistiu de 4 níveis de inclusão (0, 7, 14 e 2 1 % ) . A inclusão da levedura na f a s e d e crescimento levou a piora na c o n v e r s ã o alimentar, s e m contudo influenciar o c o n s u m o de ração e o g a n h o de peso; na f a s e de terminação, n e n h u m a das características estudadas foi influenciada. Os resultados sugerem que a levedura pode ser utilizada na alimentação de s u í n o s até o nível de 2 1 % , d e p e n d e n d o do s e u custo, u m a v e z q u e não influenciou no g a n h o de peso do animal.
2.2 - Secagem
A operação de s e c a g e m é importante, porque visa preparar o produto para a r m a z e n a g e m . Entretanto, se mal conduzida, poderá prejudicar a qualidade nutricional do produto antes m e s m o da a r m a z e n a g e m , o u , por outro lado, acelerar o processo de deteriorização durante a a r m a z e n a g e m .
S e c a g e m é a remoção, voluntária ou não, total ou parcial, de uma f a s e líquida ou g a s o s a de qualquer material, e n v o l v e n d o exclusivamente a transferência de calor e m a s s a e apresenta como principal objetivo à remoção de
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água d o produto através d a e v a p o r a ç ã o . S e n d o necessária a utilização de calor para evaporar a umidade da superfície do produto através de u m meio d e s e c a g e m externo, normalmente o ar. O calor é aplicado no material por c o n v e c ç ã o através do ar, ou por c o n d u ç ã o através do contato c o m uma superfície quente. O calor é utilizado para vaporizar o líquido na superfície do sólido, ou próximo da superfície se a m u d a n ç a de estado ocorrer dentro do produto, e e s s e v a p o r é retirado pelo fluxo de ar, seja e m c o n v e c ç ã o natural ou f o r ç a d a .
A p e s a r de q u e a s e c a g e m t e m sido usada por milênios, na c o n s e r v a ç ã o de produtos biológicos, isso no p a s s a d o acontecia de forma empírica, s e m levar e m conta as diversas variáveis envolvida no processo. O profissional q u e realiza processos de s e c a g e m de f o r m a puramente empírica, s e m entender as diversas variáveis, pode obter u m bom produto. A l g u m a s v e z e s , porém, não t e m c o n d i ç ã o de obter u m produto padronizado e n e m otimizar o processo, inclusive analisar a possível redução de custos.
E m u m produto biológico, parte do líquido encontra-se de forma relativamente livre, dentro de capilares, enquanto que parte se encontra dentro d e células, que .durante o processo, vai saindo lentamente por difusão d e umidade através da m e m b r a n a celular. A superfície do produto pode estar bastante seca, enquanto que s e u interior ainda s e encontra c o m alta umidade, c a u s a n d o uma tensão, q u e pode ocasionar rachaduras no produto ( F I O R E Z E , 2004).
Existem trabalhos experimentais q u e d e m o n s t r a m a importância do uso de s e c a g e m e m diversas situações. Muitas v e z e s o processo de s e c a g e m é utilizado visando o fator e c o n ô m i c o do frete e do manuseio; outras v e z e s o material é seco para depois sofrer u m processo de reidratação e m níveis desejáveis. Para produtos alimentícios a s e c a g e m é utilizada para preservação, permitindo t a m b é m o transporte s e m necessidade de refrigeração (KEEY, 1992; D A U D I N , 1983).
Vários m e c a n i s m o s físicos f o r a m propostos ( B R O O K E R ef a/., 1974; F O R T E S & O K O S , 1980) para d e s c r e v e r a transferência de umidade nos produtos capilares porosos entre os quais se d e s t a c a m :
- movimento de líquido devido a diferenças na c o n c e n t r a ç ã o de umidade (difusão líquida);
- movimento de líquido devido a difusão da umidade na superfície dos poros (difusão de superfície);
- movimento de vapor devido a diferenças d e c o n c e n t r a ç ã o de v a p o r (difusão de vapor);
- movimento de v a p o r devido a diferenças de temperatura (difusão térmica);
- movimento de água e de vapor devido a diferenças de pressão total (fluxo hidrodinâmico).
De acordo c o m K E E Y (1992) o f e n ô m e n o de s e c a g e m não pode ser generalizado, principalmente q u a n d o se trata de materiais biológicos q u e p o s s u e m características intrínsecas muito diferentes entre si, c o m o a existência d a contribuição d o soluto durante a s e c a g e m e o encolhimento do produto, devido à m u d a n ç a de pressão entre o líquido e a parede celular.
Para D A U D I N (1983) tanto os produtos s ã o muito diferenciados entre si, devido a sua forma, estrutura e dimensões, c o m o a s condições de s e c a g e m t a m b é m são muito diversas, d e p e n d e n d o d a s propriedades d o ar de s e c a g e m e da forma como se f a z o contato ar-produto. Q u a n d o o produto é colocado e m contato c o m ar quente p r o m o v e uma transferência do calor do ar para o produto, enquanto simultaneamente o efeito da diferença de pressão parcial de vapor d e água, existente entre o ar e a superfície do produto ocorre a transferência de m a s s a para o ar. Esta última se f a z na f o r m a d e v a p o r de á g u a . Parte do calor que chega ao produto é utilizada para vaporizar a água. De acordo c o m a e v o l u ç ã o dos p r o c e s s o s de transferências de calor e m a s s a , a s e c a g e m pode transcorrer e m três períodos distintos. O primeiro é período de aquecimento; o s e g u n d o , período de s e c a g e m a taxa constante e o terceiro, período de taxa decrescente. Sobre o tema H A L L (1971) afirma que se a umidade inicial do produto for menor q u e a crítica, todo o p r o c e s s o de s e c a g e m se processará no período a taxa decrescente. A evolução de u m processo de s e c a g e m pode ser visto nas Figuras 2.1 e 2 . 2 , respectivamente.
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X
Figura 2 . 1 . Curva característica da cinética de s e c a g e m
Figura 2.2 - T a x a de s e c a g e m e m f u n ç ã o da umidade.
Na s e c a g e m de alimentos, entretanto, algumas v e z e s é difícil determinar o teor d e umidade crítica. U m a d a s razões é o uso de uma velocidade de s e c a g e m que não leva e m consideração a área superficial do encolhimento dos alimentos durante o processo de s e c a g e m ( C H A R M , 1991).
2.2.1. Equações empíricas
A l g u n s modelos matemáticos que d e s c r e v e m a s e c a g e m e m c a m a d a fina são muito c o m u n s . Eles são u s a d o s para preverem o c o m p o r t a m e n t o cinético d e grãos e frutas. O s modelos matemáticos s ã o apresentados na Tabela 2.5 (OZDEMIR & D E Y R E S , 1995; Y A L D I Z et aí., 2 0 0 1 ; BASUNIA & A B E , 2001).
Tabela 2.5 - Modelos para cinética d e s e c a g e m
Equação Nu Modelo
~X = 01 De Newton
02 De Page
x* = V * " 0
03 De Henderson and Pabis
X* =Axe{~K^+A2 0 4 Logarítmico
X* =Ale{-K°t)+A2e(-K>l) 05 Dois termos
~X =A,e( K'n +(l-A2y *****
06 Dois termos exponenciais
X =\ + A{t + A2t2
07 De W a n g e Singh
Nestes modelos Ko, K i , A i , A2 e N são parâmetros do modelo que serão ajustados c o m os dados experimentais.
A l g u n s d e s t e s modelos foram aplicados a tipos específicos de produtos. A Tabela 2.6 mostra alguns e s t u d o s de s e c a g e m realizados e os respectivos modelos aplicados de acordo c o m O Z D E M I R & D E Y R E S (1995).
Tabela 2.6 - Modelos e respectivos materiais de estudos Modelo Aplicação
Henderson e Pabis Milho, arroz, trigo, a m e n d o i m .
Dois termos Milho feijão branco, noz de macadamia, uvas.
Newton C e v a d a , trigo, milho d e s c a s c a d o , castanha de caju, noz.
Page Arroz de grãos p e q u e n o s e grandes, feijão branco, milho d e s c a s c a d o , c e v a d a , s e m e n t e de girassol. W a n g e Singh Arroz
Capitulo I I : Revisão bibliográfica
2.2.2 - Período a taxa constante
A taxa de s e c a g e m neste período pode ser calculada utilizando a e q u a ç ã o de transferência de m a s s a e a e q u a ç ã o de transferência de calor. Devido a superfície d o material estar úmida e a temperatura do material ser igual a temperatura de bulbo úmido do ar de s e c a g e m despreza-se a transferência de calor por c o n d u ç ã o e radiação e a taxa d e s e c a g e m é dada p o r
O n d e :
rriss massa de sólido seco, dX/dt = taxa de secagem,
X = umidade (base seca) do sólido, kg./kg'1
h = coeficiente de transferência de calor, W./m'2oC'2
A = área da superfície exposta, m2;
Ta= temperatura ambiente, °C;
Tbu = temperatura de bulbo úmido, °C;
Hvap= calor de vaporização, J.mor1
Us = umidade de saturação (Tbu), kg de vapor.(kg de ar seco)
Uoo = umidade ambiente do ar, kg de vapor, (kg de ar seco)'1
A velocidade de s e c a g e m durante o período a taxa constante d e p e n d e de três fatores: dos coeficientes de transferência de m a s s a e energia; da área da superfície onde ocorre a troca de energia e de m a s s a e da diferença entre a s temperaturas (ou as pressões de vapor) d o ar que envolve o produto e da superfície desse produto. O m e c a n i s m o interno de migração d e água não
m ?± = h*A*(Us-Uj (08)
influencia a velocidade de s e c a g e m durante e s s e período ( F O R T E S & O K O S , 1980).
Normalmente a e q u a ç ã o de transferência de calor dá uma estimativa mais segura da taxa de s e c a g e m do que a e q u a ç ã o de transferência de m a s s a . Embora correlações para calcular o coeficiente de transferência de calor e m a s s a t e n h a m sido propostas na literatura ( T R E Y B A L , 1968), p o u c o s s ã o disponíveis para permitir q u e a s c o n s t a n t e s nestas relações sejam fixadas c o m segurança. Estes coeficientes s ã o f u n ç ã o da espessura do filme de ar que envolve o produto na s e c a g e m e desta f o r m a são afetados pela velocidade do ar e o seu ângulo de colisão sobre a superfície seca. Expresso e m termos de fluxo de m a s s a de ar (G), o coeficiente de transferência para fluxo de ar paralelo a superfície do produto é dado por:
h = C i ( G )0-8 (10)
Para o fluxo de ar no ângulo reto da superfície de s e c a g e m o coeficiente d e transferência de calor é dado p o r
h = C2( G )0'4 (11)
Onde:
C i e C2 são constantes
A s e q u a ç õ e s acima indicam q u e a u m e n t a n d o o fluxo de m a s s a de ar acelera a taxa de s e c a g e m . Adicionalmente uma velocidade mais alta minimiza as diferenças d e umidade entre o interior e o exterior de um sistema de s e c a g e m e desta forma um produto é obtido c o m teor de umidade mais uniforme.
2.2.3 - Período a taxa decrescente
Este período é muito o b s e r v a d o na s e c a g e m de produtos agrícolas. No momento e m que a quantidade de água diminui na superfície ocasiona u m
Capitulo 11: Revisão bibliográfica
decréscimo da velocidade de s e c a g e m , d a n d o inicio ao período de taxa decrescente.
A previsão da taxa de s e c a g e m d o s produtos biológicos durante o período de taxa decrescente é mais complexo do q u e durante o período de taxa constante, por isso, deve-se considerar não s o m e n t e os m e c a n i s m o s de transferência externa, m a s t a m b é m os m e c a n i s m o s d e transferência do interior do produto c o m o difusão de calor e m a s s a ( M A R T I N S & C A V A L C A N T I M A T A , 1984).
C R A N K (1975) apresentou diversas soluções analíticas para a e q u a ç ã o de difusão, considerando diferentes condições iniciais e de contorno. Tratou t a m b é m de c a s o s o n d e a difusividade p o d e variar de forma linear ou exponencial c o m a c o n c e n t r a ç ã o de umidade. Porém, estas situações se aplicam a sólidos c o m f o r m a s geométricas simples e regulares. E m sistema de c o o r d e n a d a s
retangulares, a e q u a ç ã o de difusão, pode ser escrita do seguinte modo:
^ = v[DefVx] (12)
O n d e o coeficiente d e difusão é u m coeficiente que representa a difusividade efetiva e engloba os efeitos d e t o d o s os f e n ô m e n o s p o d e n d o intervir sobre a migração da água e seu valor é sempre obtido pelo ajuste das curvas experimentais.
A s s u m i n d o a forma geométrica de uma placa infinita onde a transferência interna de umidade durante a s e c a g e m é a p e n a s e m uma direção, a e q u a ç ã o acima se reduz a:
™=±(nÊX] (13) õt õy \ õy j
Considerando o coeficiente de difusão efetivo constante e o encolhimento do produto durante a s e c a g e m desprezível, a e q u a ç ã o 13 p o d e ser e x p r e s s a da seguinte forma:
Q u a n d o o coeficiente de difusão Def é considerado constante, o conteúdo
de umidade inicial X, é distribuído uniformemente no interior do produto d e s p r e z a n d o as resistências externas a transferência de m a s s a . O teor de umidade na superfície da amostra p e r m a n e c e constante durante o processo e s e u valor corresponde ao termo d e umidade de equilíbrio X , do produto.
São as seguintes condições de contorno:
X = Xj em t = 0 0<y<L
X = Xe e m y = L t > 0 dXJdt = 0 em y = 0 t>0
Integrando a solução para obter a umidade média e m f u n ç ã o d o t e m p o
X-Xt 8 y 1
O n d e :
X = conteúdo de umidade médio, g.g'1;
Xe= conteúdo de umidade de equilíbrio, g.g"1;
Xo = conteúdo de umidade inicial, g.g'1;
(X-Xt)l(X0-Xt) = razão de umidade, adimensional;
De f = difusividade efetiva, ( c m2. s "1) ;
t = tempo, s;
L = e s p e s s u r a média da amostra, c m .
- (2n + \f7t2Deft
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2.3 - Atividade de água
A atividade de água ( aw) , é um parâmetro q u e determina a quantidade de
água disponível para o crescimento microbiano (deteriorantes e ou não deteriorantes) e para o aparecimento de reações deteriorantes e indesejáveis, entre tais pode-se c i t a r o escurecimento, a oxidação e a hidrólise ( V I T T A L I , 1987).
Uma grande quantidade de alimentos tradicionais, são c o n s e r v a d o s através do abaixamento da atividade de á g u a , mediante desidratações e p o s s u e m uma faixa de aw considerada baixa (aw < 0,60).
A atividade de água é uma propriedade fundamental para a c o n s e r v a ç ã o e a r m a z e n a m e n t o de u m produto s e n d o u m parâmetro mais importante q u e p H , teor de umidade e outras propriedades e s t u d a d a s nos alimentos. Ela não é só f u n ç ã o do c o n t e ú d o de água, m a s t a m b é m f u n ç ã o das substâncias dissolvidas as quais e x e r c e m o efeito d e ligação de á g u a na estrutura do alimento. Desta forma alimentos q u e p o s s u e m e m s u a estrutura a m e s m a quantidade d e umidade p o d e m deste modo, possuir diferentes atividades de água d e p e n d e n d o , do s e u c o n t e ú d o de á g u a ligando substâncias a sua estrutura ( H E I D E L B A U G & K A R E L , 1975).
Para T E I X E I R A N E T O & Q U A S T (1997) a relação existente entre a á g u a e outros c o m p o s t o s de um produto definem a sua higroscopicidade e t o m a - s e uma característica essencial q u e vai influenciar e m diferentes etapas do p r o c e s s a m e n t o , a r m a z e n a m e n t o e c o n s u m o de materiais biológicos.
Estes e s t u d o s c o n c l u e m que a maior ou m e n o r intensidade c o m que a á g u a se liga a o alimento pode ser expressa pela c h a m a d a atividade de água, a qual pode ser definida c o m o a relação entre a pressão do v a p o r de á g u a no ar e a pressão d e vapor de água no ar saturado, medidas à m e s m a temperatura. Q u a n d o se refere à atividade de á g u a d e u m alimento, isto significa a relação entre a pressão d e v a p o r de á g u a no alimento e a pressão de vapor de á g u a pura, medidas à m e s m a temperatura.
aw= ^ - (16)
Po
