RESFRIAMENTO DE HORTALIÇAS COM A UTILIZAÇÃO DE VÁCUO

RESFRIAMENTO DE HORTALIÇAS

COM A UTILIZAÇÃO DE VÁCUO

Shirley Mayumi Wakavaiachi1, Diógenes Adriano Ferreira2, Francisco Tadeu Degasperi3 1

Aluna do Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – CTA – São José dos Campos – SP – Brasil 2

Aluno do curso Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia São Paulo – FESP – São Paulo – SP – Brasil 3

Prof. Dr. curso MPCE - Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC-SP – CEETEPS – São Paulo – SP – Brasil

Resumo

Neste trabalho é apresentado o estudo do resfriamento da alface crespa (Lactuca) com a utilização de vácuo. Normalmente o resfriamento é realizado em uma geladeira intervindo a troca de calor por convecção e condução. A eficiência do processo de resfriamento a vácuo foi analisada a partir da variação da temperatura durante a realização do vácuo. As medições de temperatura foram feitas utilizando termopares instalados na amostra a ser resfriada. Medições de perda de água por evaporação também foram realizadas, medindo-se a massa antes e depois do bombeamento a vácuo. Para um estudo mais controlado do processo de resfriamento a vácuo, foram feitas medições em folhas de papel umedecidas. Nas curvas de resfriamento é possível notar que no início, o resfriamento é rápido e no final, o seu resfriamento é mais lento. O estudo é justificado, uma vez que o processo de resfriamento de hortaliças a vácuo consome menos energia que o convencional, além de outras vantagens. As bases teóricas são a distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzmann dos gases e a lei de Newton do resfriamento convectivo.

1. Introdução

A técnica de resfriamento é uma forma de aumentar o tempo de vida útil de alimentos. No caso das hortaliças, o resfriamento é muito utilizado, pois procura manter tanto as propriedades nutricionais quanto o sabor dos alimentos. O resfriamento de hortaliças a vácuo é um método efetivo para diminuir a sua atividade enzimática com a finalidade de aumentar a sua vida útil. Esse método é utilizado para resfriar alimentos que possuem grande área superficial. A área de exposição é fundamental para a eficiência do resfriamento a vácuo, uma vez que esse processo é baseado na evaporação da água [1]. As hortaliças são alimentos muito presentes na dieta humana, sendo uma excelente fonte de vitaminas e minerais. Em lugares quentes o seu processo metabólico aumenta, com isso, a sua vida útil diminui. As hortaliças são vulneráveis ao ataque de bactérias que podem causar danos, prejudicando a qualidade do produto [2]. O resfriamento a vácuo das hortaliças visa auxiliar na diminuição da ação das bactérias que degradam o alimento, tanto devido à baixa temperatura como pela remoção do oxigênio.

A alface crespa foi utilizada como exemplo de aplicação a fim de estudar sistematicamente o

resfriamento de hortaliças a vácuo. Foi projetado e construído um sistema de vácuo dedicado para o estudo do resfriamento. O trabalho foi realizado no Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV da Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC-SP – CEETEPS.

O processo básico de resfriamento se dá pela perda de água em forma de vapor das folhas da hortaliça e, consequentemente, perda de energia térmica. Este é o mecanismo do processo de diminuição da temperatura. Esse alimento é constituído em sua maior parte por água, cerca de 95% de sua massa [3]. Durante o processo em vácuo, à medida que a pressão diminui na câmara de vácuo, a temperatura da folha da hortaliça em vácuo diminui. O processo físico básico está embasado na teoria da distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzmann. Como são as moléculas mais energéticas que deixam a folha de alface, ocorre uma diminuição na média das energias das moléculas de água, com isso uma diminuição da temperatura. O mesmo fenômeno ocorre no processo de evaporação de líquidos. Como bem estabelecido, todo o processo de evaporação é um processo de resfriamento.

Na literatura, foi encontrado que no resfriamento a vácuo de alfaces em culturas hidropônicas, foram obtidos os seguintes dados: o tempo de processo variou de 1014 segundos (16,9 minutos) até 4740 segundos (79 minutos), o consumo de energia de 0,59 kWh até 1,52 kWh, a perda de massa das alfaces de 3,0% até 5,4% e a vida de prateleira das alfaces de 19 dias até 23 dias. A quantidade de massa de alface e a vazão de gás bombeado pelo sistema de vácuo influenciaram significativamente no tempo de processo, no consumo de energia e na perda de massa das alfaces [2]. Ainda, na literatura, foi encontrado que o resfriamento a vácuo de alfaces se mostrou mais efetivo quando feito de 2ºC até 4ºC [4].

2. Procedimentos Experimentais

Foram realizados três procedimentos experimentais. O primeiro, utilizando tubo de ensaio contendo diferentes massas de água líquida com tampas com diferentes número de furos. No segundo, foi utilizado como amostra, folhas de papel do tipo sulfite do tamalho A4 (75 g.m-2).

2.1. Experimentos com tubo de ensaio.

O trabalho foi iniciado com o estudo do processo de bombeamento de vapor de água e do ar da câmara de vácuo, onde foram submetidas ao resfriamento

quantidades de água em tubo de ensaio. O tubo de ensaio foi fechado parciamente com tampas com furos. Cada furo com diâmetro de 4 mm. Foram usadas tampas com 2, 3, 4, 5 e 6 furos. O objetivo foi determinar a eficiência do bombeamento de vapor de água através das tampas com furos. Foi medida a temperatura da água por meio de um termômetro de mercúrio colocado diretamente na massa líquida. Assim, foi determinada a variação da temperatura da água no tubo de ensaio em função do tempo, variando o número de furos na tampa. O sistema utilizado é composto de uma câmara de vácuo tipo campânula em vidro, um condensador, a linha de bombeamento, um fole metálico e a bomba mecânica de duplo estágio da Edwards E2M2 com filtro de entrada, como mostrado no esquema da figura 1.

Figura 1. Esquema do arranjo experimental.

A medição da temperatura na amostra de água foi realizada durante todo o bombeamento, pois durante o processo de remoção de vapor ocorre a redução de temperatura (conforme a teoria cinética dos gases). Esta forma de medição de temperatura é importante para posteriormente estudar-se o processo de resfriamento com alface, pois arejando a câmara de vácuo haverá troca de calor e ela voltará à temperatura ambiente.

O tubo de ensaio na câmara de vácuo é mostrado na figura 2. Inicialmente foi utilizada a tampa de 2 furos para resfriar volumes de água de 10, 15, 20, 25, 30 e 35 ml O mesmo procedimento para as tampas com 3, 4, 5 e 6 furos. Exemplos de tampas são mostradas na figura 3.

Figura 2. Câmara de vácuo do arranjo experimental.

Figura 3. Tampas do tubo de ensaio com dois e cinco

furos.

2.2. Experimentos com folhas de papel.

O segundo procedimento foi realizado com o propósito de ter maior controle no processo de resfriamento a vácuo, para posteriormente utilizar a folha de alface. Utilizando a folha de papel sulfite, a área do material a ser resfriado é bem determinada e também o seu volume. Para manter a folha de papel bem posicionada na câmara de vácuo foram usadas duas peneiras, formando uma gaiola, mostrada na figura 4. A massa do papel foi determinada por meio de uma balança analítica. Inicialmente determinou-se a massa do papel exposto à atmosfera, obtendo assim M1. A folha de papel foi umedecida e determinada a sua massa M2. Após esses procedimentos a folha de papel foi inserida na câmara de vácuo, dentro da gaiola e iniciou-se o processo de bombeamento. Com o termômetro do tipo termopar foi possível medir a evolução temporal da temperatura na folha de papel. Ao estabilizar a temperatura, o processo de bombeamento foi cessado e, em seguida, a câmara de vácuo foi arejada. A folha de papel foi retirada e rapidamente feita a medição da sua massa, obtendo-se M3.

Figura 4. Folha de papel amassada na gaiola.

Com as experiências realizadas com folhas de papel, foi possível estudar de forma sistemática a variação da temperatura em função do tempo, considerando a realização do vácuo. Uma vez que a área da folha de papel e o seu volume são bem determinados, foi possível modelar matematicamente o efeito de resfriamento com a perda de massa de água por evaporação assistida a vácuo.

2.3. Experimentos com folhas de alface.

Os procedimentos realizados com folhas de alface foram repetidos com a mesma sistemática de

procedimento experimental utilizada com as folhas de papel. Seu arranjo experimental é mostrado na figura 5.

Figura 5. (a) Arranjo experimental para o resfriamento

a vácuo e (b) medição da massa com balança analítica.

Foram comparados os processos de resfriamento convencional (com uso de geladeira) e a vácuo. Primeiramente, foi determinada a massa de dois conjuntos de alface com balança analítica, e obteve-se M4. Junto à alface foi instalado um termômetro tipo termopar e colocado um conjunto em geladeira por aproximadamente uma hora. E o outro conjunto na câmara de vácuo. Após esse procedimento, determinou-se a massa da alface e obteve-determinou-se M6 (conjunto que foi colocado em geladeira) e M5 (conjunto que foi colocado sob vácuo).

3. Resultados e Discussões

Foram obtidos gráficos da temperatura da água em função do tempo, considerando a variação do número de furos nas tampas. Na figura 7 são apresentados dados experimentais referentes à tampa com dois furos, para experiências utilizando diferentes volumes de água. Na figura 8 são apresentados dados referentes à tampa com seis furos. O processo de bombeamento mostra a relação da troca de calor por evaporação da água e função da área da superfície de evaporação da água.

Figura 7. Temperatura em função do tempo para

diferentes volumes de água (tampa com dois furos).

Figura 8. Temperatura em função do tempo para

diferentes volumes de água (tampa com seis furos).

As figuras 7 e 8 mostram que quanto menor o volume de água no tubo de ensaio, mais rápido ocorrerá o resfriamento. Nas curvas de resfriamento obtidas é possível observar que no início do bombeamento a vácuo o resfriamento é rápido, e no final, mais lento. Isso ocorre devido à saída das partículas mais energéticas (fundamentada na teoria da distribuição de Maxwell-Boltzmann). À medida que as moléculas de água mais energéticas (maiores energias cinéticas) vão deixando o volume de água líquida a sua temperatura diminui. Isto ocorre devido ao fato de as moléculas de água que permanecem na forma líquida, terem as suas energias cinéticas em média diminuídas. Ainda, na medida em que a temperatura na água líquida diminui, diminui também a taxa de evaporação, e assim, diminui a taxa de resfriamento do líquido.

Foi verificado experimentalmente que para um determinado volume de água líquida, o tempo de queda da temperatura é função do número de furos da tampa do tubo de ensaio. A figura 9 exibe a variação da temperatura no tempo em função do número de furos da tampa com volume de água líquida de 25 ml. Pode-se

11 13 15 17 19 21 0 200 400 600 800 1000 Tempo(s) Tem peratu ra(º C) 11 13 15 17 19 21 0 200 400 600 800 1000 Tempo (s) Tem peratu ra (º C) 10 ml 15 ml 20 ml 25 ml 30 ml 35 ml 11 13 15 17 19 21 0 200 400 600 800 1000 Tempo (s) Tem peratu ra (º C) 10 ml 15 ml 20 ml 25 ml 30 ml 35 ml

observar que quanto maior o número de furos na tampa mais rápida é a queda da temperatura no volume de água líquida. Isto é devido ao fato de o bombeamento efetivo da água evaporada ser mais intenso com o maior número de furos, uma vez que mais rapidamente o vapor de água poder ser removido do tubo de ensaio.

Figura 9. Gráfico da evolução temporal da temperatura

no volume de água para as várias tampas. O volume inicial de água líquida é de 25 ml.

Assim, em termos de grandezas da tecnologia do vácuo, na figura 9 observa-se que para o volume de água líquida inicial de 25 ml quanto maior a condutância, mais eficiente será o bombeamento efetivo do vapor de água. Com isso, maior será a taxa de evaporação de água no tempo, e assim, mais rapidamente ocorrerá o resfriamento da água líquida. Pode-se concluir, do exposto acima, que a transferência de calor devido à evaporação é proporcional à área do furo da tampa. A velocidade efetiva de bombeamento aumenta com o crescimento da condutância, e esta cresce com a área do furo da passagem de gases e vapores. Esta relação é expressa matematicamente na equação 1.

A 

Q (1)

onde: A é área total de furos da tampa.

3.2. Experimentos com folhas de papel.

Foram obtidos gráficos da temperatura em função do tempo, para três medições, uma para cada folha de papel, mostradas na figura 10. Vemos as medições de temperatura em função do tempo: medida 1, medida 2 e medida 3 para cada uma das folhas de papel.

Foi obtida a massa para cada folha de papel seca, valor de massa M1. Após a folha de papel umedecida a massa determinada M2, e após a realização do vácuo, a massa da folha de papel, com massa medida M3. Os dados experimentais estão mostrados na tabela I. Adotamos neste trabalho a densidade da água como sendo 1,0 g.cm-3 = 1,0 g. ml-1.

Figura 10. Gráfico da temperatura em função do tempo

para as folhas de papel sob efeito do vácuo.

Tabela I: Medições das massas das folhas de papel. Medida 1 Medida 2 Medida 3 M1 (g) 4,86 4,75 4,71 M2 (g) 7,71 6,92 7,33 M3 (g) 7,45 6,60 7,03 Massa inicial m = M2 - M1 (g) 2,85 2,17 2,62 Massa final M = M3 - M1 (g) 2,59 1,85 2,32 % de água perdida [(m-M)/m]x100% 9,1 14,7 11,5

A partir dos dados experimentais da tabela I e da figura 10, pode-se observar a queda sistemática da temperatura nas folhas de papel umedecidas. A faixa de diminuição sistemática de temperatura nas folhas de papel foi de 11 ºC a 13 ºC em aproximadamente 100 segundos de bombeamento de vácuo, mostrado na figura 11. O formato da gaiola que acomoda o papel é quase esférico, o que confere a gaiola uma condutância muito grande, e certamente não interferirá no processo de bombeamento a vácuo. A velocidade de bombeamento no caso é quase que exclusivamente determinada pela velocidade de bombeamento da bomba de vácuo.

Figura 11. Perda porcentual de massa de água como

efeito do processo de bombeamento sob vácuo.

11 13 15 17 19 21 23 0 200 400 600 800 1000 tempo (s) Tempe ra tura (ºC) 1 furo 2 furos 3 furos 4 furos 5 furos 7 9 11 13 15 17 19 21 23 0 20 40 60 80 100 tempo (s) tem pera tura (ºC) medida 1 medida 2 medida 3 0 5 10 15 20 medida 1 medida 2 medida 3 % de água perdida

3.3. Experimentos com folhas de alface.

Para o resfriamento das folhas de alface, foram obtidas curvas experimentais da temperatura em função do tempo para o resfriamento convencional em geladeira e resfriamento sob vácuo. Foi medida a massa da alface originalmente de valor M4. Após o processo de resfriamento a vácuo, foi obtida a massa da alface M5; e após o resfriamento em geladeira (resfriamento convencional por condução e convecção natural) foi obtida a massa M6. É pertinente registrar que a geladeira utilizada não tinha sistema de resfriamento por meio de movimentação forçada de ar frio, sendo a troca de calor convectiva exclusivamente devido à convecção natural.

Na figura 12 é mostrada variação da temperatura no tempo sob resfriamento convencional em geladeira e resfriamento sob vácuo.

Figura 12. Gráfico da temperatura em função do tempo,

para os resfriamentos na geladeira e a vácuo.

Tabela II. Medidas realizadas com o experimento da

alface. Resfriamento a vácuo Geladeira M4 (g) 98,43 92,84 M5 (g) 89,0 − M6 (g) − 87,3 (1) Água na alface A = 0,95 x M4 (g) 93,5 88,2 Perda de água P = M4 – M(5 ou 6) (g) 9,5 5,5

Água que restou na alface

R = A – P (g) 84,0 82,7

% da água restante:

(R / A) x 100% 89,8 93,8

% de perda de água com relação à massa

inicial: (P / M4) x 100%

9,7 5,9

(1)

Segundo a literatura especializada, a quantidade de água na alface é de 95% de sua massa total [3].

A partir da figura 12 e da tabela II, pode-se afirmar que em até 3000 segundos (50 minutos), o resfriamento a vácuo é mais rápido que na geladeira convencional. A condução de calor se dá devido aos choques

moleculares, propagando-se o calor da temperatura maior para a temperatura menor obedecendo à lei de Fourier. Na propagação do calor por meio da convecção natural, o calor se propaga devido à movimentação da massa de ar em porções macroscópicas das regiões com diferentes temperaturas, as chamadas correntes convectivas. Nestes processos de troca de calor, as mudanças de temperatura são lentas, e observa-se que o resfriamento dos objetos colocados nas geladeiras convencionais demora a ser realizado. Com a geladeira com movimentação forçada de ar em seu interior, o resfriamento é realizado em um tempo menor. Ocorre que o processo de resfriamento das geladeiras é intrinsecamente dependente de trocas de calor, e mais, como bem determinado pela termodinâmica, as máquinas térmicas (motores e geladeiras) têm rendimentos em torno de 50%.

Por outro lado, o bombeamento a vácuo, baseado intrinsecamente na evaporação da água que compõe parte do material a ser resfriado, faz com que o processo de resfriamento seja eficiente. Veja que deve haver a possibilidade de evaporação de algum líquido, no caso de alimentos, a água é um líquido presente em grandes quantidades. Outro fato que faz do processo de resfriamento a vácuo atraente para a conservação de alimentos, reside no fato que a remoção de ar da câmara de vácuo leva a uma menor oxidação dos alimentos e um meio não propício para a proliferação de microrganismos aeróbios.

De posse dos dados experimentais e da identificação do fenômeno físico que sustenta o processo de resfriamento a vácuo, foi proposta a expressão 2 (um modelo matemático para a determinação da evolução temporal da temperatura) [5]. f t k f o T e T T t T   (.) ). ( ) ( (2)

A construção da expressão 2 considera como sugestão a lei de resfriamento de Newton para os processos convectivos. Têm-se como dados experimentais que a perda de energia no resfriamento a vácuo depende da área da superfície que está sendo resfriada, e também, tem-se que à medida que a temperatura do material sob resfriamento diminui, diminui-se também a taxa de evaporação.

Para obtenção de uma curva teórica, primeiramente precisa-se de um fator de proporcionalidade (- k) obtido por meio dos valores experimentais. Partindo da expressão 2, os dados obtidos são mostrados na tabela III. A partir da forma da expressão 2 e dos dados experimentais do resfriamento a vácuo, determina-se o valor de k=2,65 x 10-3 s-1.Com isso obtemos a expressão 3:      f t k f o T e T T t T() ( ). ( .) C) (º 11 . 11 ) ( (2,65.103.)   _ _t e t T (3) Sendo que, To=22°C e To – Tf = 11 ºC. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1000 2000 3000 4000 tempo (s) te m perat ura (ºC ) geladeira vácuo

Tabela III. Medições experimentais de temperatura e

valores de temperatura a partir de ajustes teóricos. Experimental Teórico Tempo (s) Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) 0 22,0 22,0 53 21,0 20,6 80 20,0 19,8 123 19,0 18,9 161 18,0 18,2 226 17,0 17,0 298 16,0 16,0 420 15,0 14,6 572 14,0 13,4 752 13,0 12,5 1204 12,0 11,5 2012 11,0 11,1 3012 11,0 11,0

A incerteza nas medições do tempo foi considerada como sendo de 1 segundo (uso de cronômetro digital e reflexo humano). A incerteza nas medições da temperatura foi considerada como sendo de 0,1 ºC (termômetro termopar digital). A partir da figura 13 é possível notar que a curva experimental da temperatura e a curva teórica estão bem ajustadas, considerando o modelo simples construído [5].

Figura 13. Gráfico com a temperatura em função do

tempo para valores experimentais e modelo teórico.

4. Conclusões

Verificou-se experimentalmente que o mecanismo físico de troca de calor é coerente com a teoria cinética dos gases:

- À medida que a temperatura do material secante diminui, diminui também a sua taxa de evaporação. Com isso a temperatura diminui mais lentamente na porção líquida.

- A variação da temperatura é maior no início do processo de evaporação da água e diminui com o aumento do tempo.

A partir da experiência do bombeamento de um dado volume de água líquida no tubo de ensaio, foi verificado que a sua temperatura diminui mais rapidamente com o aumento de furos na tampa. Isto

corrobora o fato de que um bombeamento mais intenso de vapor de água acarreta maior rapidez na diminuição da temperatura. As experiências com folhas de papel mostraram que quanto maior a área do material secante mais rapidamente ocorre a diminuição da temperatura. Esta conclusão é importante, pois mostra que o processo de secagem a vácuo é eficiente para as hortaliças, pois essas têm em geral uma grande área exposta para uma dada massa. Este processo de resfriamento não é eficiente para batata, por exemplo, a não ser que ela seja fatiada, aumentando assim sua área de evaporação.

As curvas, experimental e teórica, foram obtidas, e mesmo com um modelo simples para o processo de bombeamento a vácuo, foi possível obter uma boa concordância entre elas. O modelo teórico foi construído considerando que o processo de resfriamento por evaporação guarda uma semelhança fenomenológica com a troca de calor convectiva. Outro ponto de destaque no processo de resfriamento a vácuo está no fato que diminuindo a quantidade de oxigênio haverá menor quantidade de microrganismos. O que garante maior vida útil ao alimento. Como fato adicional, cabe mencionar também que o processo de resfriamento a vácuo tem vantagens em comparação com o processo de resfriamento convencional também do ponto de vista energético. Isto ocorre, pois no resfriamento a vácuo a energia é retirada do meio pela remoção direta das moléculas de água mais energéticas.

5. Agradecimentos

À empresa PV-PrestVácuo Ltda. pela construção do arranjo experimental.

À Mestre Ana Paula Pereira da Silveira do Laboratório de Saneamento Ambiental e Química – LABSAN da FATEC-SP pelas discussões e sugestões relevantes.

Ao CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica PIBIC.

6. Referências

[1] MSC. Afonso, M. R. A. - Resfriamento a vácuo de

alfaces hidropônicas - Tese de Doutorado -

Universidade Estadual de Campinas- Faculdade de Engenharia de Alimentos. 2005. Campinas-SP. [2] Afonso, M. R. A.; Junior, V. S. - Resfriamento

rápido a vácuo de alfaces - Universidade Estadual

de Campinas - Faculdade de Engenharia de Alimentos - Encontro de Energia no Meio Rural - Setembro de 2000.

[3]Cengel, Y. A.; Boles, M. A.. Termodinâmica. 5º

edição. Editora McGraw Hill.

[4]Hunsche, M.; - Pré-Resfriamento de frutos e

hortaliças - Universidade Federal de Santa Maria -

Centro de Ciências Rurais Curso de Agronomia; Monografia - Setembro de 1999; Santa Maria-RS. [5] Wakavaiachi, S. M.; Resfriamento de hortaliças

vácuo–Faculdade de Tecnologia de São Paulo –

FATEC-SP – CEETEPS. Trabalho de Conclusão de Curso. 2008. São Paulo – SP.

10 12 14 16 18 20 22 24 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tempo (s) Tempe ra tura (°C) Experimental Teórico