FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
ANÁLISE DO CONSUMO ENERGÉTICO E COMPARAÇÃO
SENSORIAL PARA A SECAGEM DE MANJERICÃO SOB
DIFERENTES TRATAMENTOS
Anamaria Caldo Tonzar
Engenheira de Alimentos
Prof. Dr. Vivaldo Silveira Jr.
Orientador
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Alimentos
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA F.E.A. – UNICAMP
Tonzar, Anamaria Caldo
T616a Análise do consumo energético e comparação sensorial para secagem de manjericão sob diferentes tratamentos / Anamaria Caldo Tonzar. – Campinas, SP: [s.n.], 2003.
Orientador: Vivaldo Silveira Junior
Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas.Faculdade de Engenharia de Alimentos.
1.Manjericão. 2.Secagem. 3.Avaliação sensorial. 4.Consumo de energia. I.Silveira Junior, Vivaldo. II.Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. III.Título.
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________________ Prof. Dr. Vivaldo Silveira Jr.
Departamento de Engenharia de Alimentos - UNICAMP
_____________________________________________________ Prof. Dr. Celso Costa Lopes
Departamento de Engenharia de Alimentos - UNICAMP
_____________________________________________________ Prof. Dra. Vânia Nicoleti Telis Romero
Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos – UNESP
_____________________________________________________ Profa. Dra. Fernanda Elizabeth Xidieh Murr
DEDICATÓRIA
A todos aqueles que tornaram a realização deste trabalho
possível: meus pais, "tios e tias", ao Rodrigo e à Priscila. E
principalmente ao meu filho, Guilherme, por ter participado
ativamente desse trabalho.
AGRADECIMENTOS
À UNICAMP e ao Departamento de Engenharia de Alimentos desta Faculdade, por possibilitar a complementação da minha formação.
Ao CNPq pelo suporte financeiro que tornou possível a realização deste trabalho.
Ao Vivaldo, pela orientação, paciência e principalmente por ter me dado a oportunidade de realizar este trabalho.
Aos membros da banca, pelas sugestões durante o desenvolvimento deste projeto.
Aos meus colegas do laboratório, pelo companheirismo em todos os momentos de alegria e dificuldades.
Ao Rodrigo por toda a paciência e dedicação nos momentos difíceis e ao Gui, por todos os dias alegrar a minha vida.
A todas as pessoas que de certo modo colaboraram para a realização deste projeto.
Índice
Índice de Figuras ix
Índice de Tabelas xii
RESUMO xiii
ABSTRACT xiv
1 INTRODUÇÃO 1
2 REVISÃO BIBLIOGÁFICA 3
2.1 Manjericão (Ocimum basilicum L.) 3
2.2 Secagem 4
2.2.1 Secagem sob condições externas constantes 5
2.2.2 Tipos de tratamento de ar 7
2.2.2.1 Aquecimento/ resfriamento sensível 7
2.2.2.2 Desumidificação por resfriamento 8
2.2.2.3 Redução da pressão de trabalho 9
2.3 Aplicações de secagem 11
2.3.1 Aplicação de secagem ao manjericão 12
2.4 Atividade de água 14 3 MATERIAL 16 3.1 Descrição do protótipo 16 3.2 Instrumentação 23 3.3 Aquisição de dados 26 3.4 Produto utilizado 27
3.5 Equipamento usado na medição deatividade de água 27
4 METODOLOGIA 31
4.1 Montagem do protótipo 31
4.2 Instrumentação e calibração do sistema 31
4.3 Proposta de ensaios 34
4.4 Preparo da amostra 35
4.5 Proposta para obtenção dos resultados 35
4.5.1 Atividade de água 35
4.5.2 Painel sensorial 36
4.5.3 Cálculo do consumo energético 36
4.5.4 Determinação de umidade do produto 37
4.5.5 Cartas psicrométricas 37
4.6 Proposta para análise dos resultados 38
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 39
5.1 Resultados dos ensaios 39
5.1.1 Ensaio preliminar 39
5.1.2 Secagem com aquecimento sensível (T= 40oC) 41
5.1.3 Secagem com aquecimento sensível (T= 45oC) 45
5.1.4 Secagem com aquecimento sensível (T=50oC) 50
5.1.5 Secagem com redução da pressão de trabalho (pressão absoluta
igual a 188 mmHg) 54
5.1.6 Secagem com redução da pressão de trabalho (pressão absoluta
igual a 257,3 mmHg) 59
5.1.7 Ensaio com duplo tratamento (T= 45oC) 62
5.2 Análise da variação da atividade de água 67
5.3 Comparação sensorial 69
5.4 Análise do consumo energético 72
6 CONCLUSÕES 75
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 76
Índice de Figuras
FIGURA 1 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO PARA O AQUECIMENTO SENSÍVEL... 7
FIGURA 2 – REPRESENTAÇÃO NA CARTA PSICROMÉTRICA DO PROCESSO DE AQUECIMENTO SENSÍVEL... 8
FIGURA 3 - REPRESENTAÇÃO DO SISTEMA DE DESUMIDIFICAÇÃO POR RESFRIAMENTO... 9
FIGURA 4 – REPRESENTAÇÃO NA CARTA PSICROMÉTRICA PARA O PROCESSO DE DESUMIDIFICAÇÃO POR RESFRIAMENTO... 9
FIGURA 5 - RELAÇÃO TEMPO-TEMPERATURA PARA PRODUTOS TERMO-SENSÍVEIS... 10
FIGURA 6 - ESQUEMA GERAL DE MONTAGEM DO PROTÓTIPO... 17
FIGURA 7 - ESQUEMA DA UNIDADE DE RESFRIAMENTO DE FLUIDO SECUNDÁRIO... 19
FIGURA 8 - ESQUEMA DA UNIDADE DE AQUECIMENTO PARA O FLUIDO SECUNDÁRIO... 20
FIGURA 9 - SENSOR DE TEMPERATURA... 24
FIGURA 10 - VACUÔMETRO TIPO BOURBON... 24
FIGURA 11 - INDICADOR E SENSOR DE VELOCIDADE / UR ... 25
FIGURA 12 - CÉLULA DE CARGA... 25
FIGURA 13 - MONTAGEM INTERNA DAS BANDEJAS DE SECAGEM... 22
FIGURA 14 - BANDEJA UTILIZADA PARA COLOCAÇÃO DA AMOSTRA... 22
FIGURA 15 - ESQUEMA GERAL DE AQUISIÇÃO DE DADOS... 26
FIGURA 16 - PRODUTO UTILIZADO: MANJERICÃO... 27
FIGURA 17 - EQUIPAMENTO UTILIZADO PARA MEDIÇÃO DE ATIVIDADE DE ÁGUA... 28
FIGURA 18 - HISTÓRICO DE TEMPERATURAS - ENSAIO PRELIMINAR... 40
FIGURA 19 - HISTÓRICO DE TEMPERATURA – SECAGEM A 40OC... 42
FIGURA 20 – DIAGRAMA PSICROMÉTRICO - SECAGEM A 40OC... 41
FIGURA 21 - VARIAÇÃO DE AW DURANTE A SECAGEM... 43
FIGURA 22 - ASPECTOS DO MANJERICÃO LOGO APÓS A SECAGEM A 40OC ... 43
FIGURA 23 - VARIAÇÃO DA POTÊNCIA CONSUMIDA... 44
FIGURA 24 - VARIAÇÃO DA POTÊNCIA CONSUMIDA (AMPLIADA)... 45
FIGURA 25 - DIAGRAMA PSICROMÉTRICO PARA O PROCESSO DE TRATAMENTO DE AR PARA SECAGEM A 45OC ... 46
FIGURA 26 - HISTÓRICO DE TEMPERATURAS – SECAGEM A 45OC... 47
FIGURA 27 - HISTÓRICO DA POTÊNCIA CONSUMIDA... 48
FIGURA 28 - VARIAÇÃO DE AW DURANTE A SECAGEM... 49
FIGURA 29 - ASPECTOS DO MANJERICÃO LOGO APÓS A SECAGEM A 45OC ... 49
FIGURA 30 – DIAGRAMA PSICROMÉTRICO PARA O PROCESSO DE SECAGEM A 50OC... 50
FIGURA 31 - HISTÓRICO DE TEMPERATURAS – SECAGEM A 50OC... 51
FIGURA 32 - HISTÓRICO DA POTÊNCIA CONSUMIDA... 52
FIGURA 33 - COMPORTAMENTO DA AW DURANTE O PERÍODO DE SECAGEM... 53
FIGURA 34 - ASPECTOS DO MANJERICÃO LOGO APÓS A SECAGEM... 54
FIGURA 35 - HISTÓRICO DE TEMPERATURAS – SECAGEM A BAIXA PRESSÃO = 188MMHG ... 55
FIGURA 36 - DIAGRAMA PSICROMÉTRICO- SECAGEM A BAIXA PRESSÃO = 188 MMHG.... 56
FIGURA 37 - HISTÓRICO DE MASSA DURANTE A SECAGEM SOB BAIXO VÁCUO (188 MMHG) ... 57
FIGURA 38 - HISTÓRICO DA POTÊNCIA CONSUMIDA... 58
FIGURA 39 - ASPECTOS DO MANJERICÃO APÓS A SECAGEM A BAIXO VÁCUO (188 MMHG) ... 58
FIGURA 40 - HISTÓRICO DE TEMPERATURA – SECAGEM A BAIXA PRESSÃO= 257,3MMHG ... 59
FIGURA 41 - DIAGRAMA PSICROMÉTRICO - SECAGEM A BAIXO VÁCUO (257,3 MMHG).... 60
FIGURA 42 - HISTÓRICO DA PERDA DE MASSA DURANTE O ENSAIO... 61
FIGURA 43 - HISTÓRICO DA POTÊNCIA CONSUMIDA- SECAGEM A BAIXA PRESSÃO (257,3 MMHG) ... 61
FIGURA 44 - ASPECTOS DO MANJERICÃO APÓS A SECAGEM A BAIXO VÁCUO (257,3 MMHG) ... 62
FIGURA 45 - DIAGRAMA PSICROMÉTRICO – DUPLO TRATAMENTO DO AR E SECAGEM A 45ºC ... 63
FIGURA 46 - HISTÓRICO DE TEMPERATURA – DUPLO TRATAMENTO E SECAGEM A 45OC . 64 FIGURA 47 - HISTÓRICO DA POTÊNCIA CONSUMIDA... 65
FIGURA 49 - ASPECTOS DO MANJERICÃO LOGO APÓS A SECAGEM A 45OC / DUPLO
TRATAMENTO... 66
FIGURA 50- COMPORTAMENTO COMPARATIVO DA AW PARA A SECAGEM A DIFERENTES TEMPERATURAS... 67
FIGURA 51 - COMPORTAMENTO COMPARATIVO DE TRATAMENTOS DE AR DIFERENTES E SECAGEM À MESMA TEMPERATURA (T = 45OC) ... 68
FIGURA 52 - ASPECTOS DO MANJERICÃO DISPONÍVEL COMERCIALMENTE... 69
FIGURA 53 - ASPECTOS DO MANJERICÃO IN NATURA... 69
FIGURA 54 - GRÁFICO COMPARATIVO DE COR PARA OS TRATAMENTOS... 71
Índice de Tabelas
TABELA 1. DISTRIBUIÇÃO DOS SENSORES... 23
TABELA 2- EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NOS DIVERSOS TRATAMENTOS... 29
TABELA 3 - CORRENTES MÉDIAS LIDAS E RESPECTIVAS VOLTAGENS... 30
TABELA 4. LOCALIZAÇÃO E RELAÇÃO DAS TEMPERATURAS MEDIDAS... 33
TABELA 5 - COMPARAÇÃO SENSORIAL ENTRE OS TRATAMENTOS REALIZADOS... 70
TABELA 6 - COMPARAÇÃO ENERGÉTICA PARA OS TRATAMENTOS... 72
TABELA 7- VALORES DE UMIDADE PARA O MANJERICÃO... 74
TABELA 8 - FUNÇÕES DE CALIBRAÇÃO DOS SENSORES DE TEMPERATURA... 83
TABELA 9 - FUNÇÃO DE CALIBRAÇÃO DO MANÔMETRO... 84
RESUMO
Diversos tipos de tratamentos do ar têm sido utilizados atualmente para secagem de produtos, principalmente dos termo-sensíveis. O ar, após alguns tratamentos, resulta em temperaturas mais altas que a ambiente e umidades absolutas mais baixas, proporcionando maior perda de compostos responsáveis pela cor e sabor, entre outros, durante a secagem. O trabalho teve como objetivos a montagem e instrumentação de um sistema integrado de tratamento de ar e um secador de bandejas. O produto testado nos ensaios foi o manjericão e foram feitos experimentos visando comparar o consumo de energia para diferentes sistemas (secagem com aquecimento, com duplo tratamento, ambos com fluidos térmicos secundários, e a baixas pressões) para o mesmo tempo final de ensaio. Os ensaios foram sub-divididos de três formas: secagem com aquecimento, realizado com velocidade do ar de secagem em torno de 1,25 m/s e temperaturas de 40ºC, 45ºC e 50ºC; secagem utilizando baixo vácuo, com pressões absolutas de 257,3 mmHg e 188,8 mmHg; e, finalmente, secagem com duplo tratamento de ar, para desumidificação e posterior aquecimento a temperatura de 45ºC. Para os ensaios que foram realizados à pressão atmosférica, foi feito o acompanhamento da atividade de água ao longo da secagem, enquanto que para os ensaios a baixo vácuo as medidas foram feitas antes e depois. Em todos os casos, o tempo total de ensaio foi de cinco horas e meia. Além da análise do consumo energético, foi realizado um painel sensorial, para detectar as diferenças quanto aos tratamentos efetuados, comparando-os com uma amostra de referência (disponível comercialmente). O manjericão submetido a pressão absoluta de 257 mmHg e à secagem com temperatura de 40oC tornou-se escuro e desenvolveu fungos depois de um mês. O manjericão submetido a temperaturas mais altas e com pressão absoluta de secagem igual a 188 mmHg foi bem avaliado sensorialmente e mantive sua cor e aroma depois de um mês.
ABSTRACT
Several kind of air treatments are used to dry some products. Air, after some of these treatments, has higher temperatures than ambient temperatures and lower relative humidities, that results in lose of components responsible for color and flavor. This work has as goals the built and instrumentation of a plant to treat ambient air and a tray dryer. The product used was basil and tests were done in order to compare energy consumption for different systems (drying with heating, with double air treatment, using secondary thermal fluids, and at low pressures) at the same total time of experimentation. The tests were sub-divided in three ways: drying with heating, constant air velocity as 1,25m/s and temperatures of 40oC, 45oC and 50oC; drying at low pressures, pressures of 257,3 mmHg and 188,8 mmHg; and, finally, drying with double air treatment, cold and hot, with dehumidification and heating at 45oC. In experimental tests carried at atmospheric
pressure conditions, water activity was used for quality control of the drying process, while in low pressure treatment the lost of mass was the parameter. All tests occurred during five hours and half. In addition to energy consumption analysis, a sensorial panel was chosen to detect the differences among treatments, comparing with a reference sample (bought in our local market). The basil that was submitted at low air pressure (at 257 mmHg) and dried at 40oC became dark and developed mould after a month. Basil submitted at higher drying temperatures and at 188 mmHg pressure had good evaluations and maintained color and flavor after a month.
1 INTRODUÇÃO
Há um crescente interesse da indústria alimentícia no uso de ervas aromáticas e especiarias por conferirem um sabor diferenciado aos alimentos. Além das características de sabor, alguns desses produtos têm apresentado propriedades medicinais, terapêuticas, antiinflamatórias e também atividade antioxidante.
Contudo, o período de produção das mesmas é curto, despertando o interesse das indústrias em desenvolver métodos alternativos de conservação para que essas ervas e especiarias possam ser usadas durante todo o ano.
Um dos métodos de conservação utilizado é a secagem, tendo como propósitos o aumento da vida de prateleira (devido à diminuição do crescimento de microrganismos, bem como da ocorrência de reações químicas), redução de custos no transporte e estocagem, porém podendo causar pequenas alterações indesejáveis nas características sensoriais do produto.
Essa operação unitária ainda apresenta-se como uma operação complexa e pouco compreendida no que se refere à seleção e controle das condições de processo. Assim, dependendo do método e dos parâmetros de secagem utilizados existem grandes mudanças nas concentrações dos compostos voláteis, além da degradação dos pigmentos de clorofila e escurecimento por reação de Maillard.
Inúmeras pesquisas são feitas no intuito de se obter condições favoráveis à manutenção da qualidade final do produto. Entre esses métodos, pode-se citar o uso de secadores associados a tratamentos que promovam a desumidificação do ar antes de seu aquecimento, bem como o uso de temperaturas de secagem mais baixas.
Introdução
A utilização desses métodos de secagem pode, então, proporcionar condições mais amenas na secagem, prevenindo-se a perda de aroma e sabor de alguns vegetais, frutas, especiarias verdes, e outros produtos sensíveis à temperatura.
O produto escolhido para esse estudo foi o manjericão, pois se trata de uma erva aromática muito utilizada na culinária, além de possuir efeitos terapêuticos e medicinais. O número de trabalhos publicados é pequeno nessa linha de pesquisa e, muitas vezes, tem como enfoque o estudo da perda de componentes voláteis e óleos essenciais. Acredita-se, então, que a obtenção de alguns parâmetros energéticos relacionados às diferentes condições de secagem seja importante tecnológica e economicamente.
Para o estudo foi montado um equipamento que possibilitou o tratamento do ar de diversas formas: somente com aquecimento, com resfriamento/ desumidificação e posterior aquecimento, ambos com fluidos térmicos secundários, e finalmente, sob baixo vácuo.
O trabalho, portanto, teve como objetivos a montagem e instrumentação de um sistema de tratamento de ar, alimentando um secador de bandejas, e um estudo do consumo energético durante a secagem do produto escolhido quando submetido a diferentes processos de tratamento de ar e pressões utilizadas na secagem, assim como a avaliação sensorial para comparação com produtos atualmente comercializados.
2 REVISÃO BIBLIOGÁFICA
2.1 Manjericão (Ocimum basilicum L.)
O manjericão, Ocimum basilicum, também conhecido como manjericão doce, é uma erva que tem seu cultivo anual, sendo originária da Índia, Irã e África. Atualmente é produzido e comercializado na França, Hungria, Indonésia, Marrocos e em alguns países de clima quente e temperado, incluindo os Estados Unidos (Califórnia) (Prakash, 1990).
Entre seus usos, destacam-se sua utilização em sopas, queijos, saladas e molhos derivados de tomate; quando combinados com outras especiarias são usados também em condimentos, vinagre, bebidas não alcoólicas, etc. A planta é considerada digestiva, expectorante, estimulante, diurética, sendo usada em tratamentos homeopáticos (Prakash, 1990).
Com relação à comercialização, dados apontam um aumento de 140%, em quatro anos, nas importações de manjericão para os Estados Unidos, correspondendo a 1.300 toneladas em 1983, sendo que 75% desse valor foram importados do Egito e França (Farrel, 1990).
Segundo Rocha et al. (1993) o manjericão tem sido usado, na França, para fins culinários, tanto “in natura” como seco. Segundo esses autores, a secagem com aquecimento resistivo do ar é um método que proporciona baixo custo de produção ao mesmo tempo em que se podem secar grandes quantidades do produto.
Revisão Bibliográfica
O aumento do consumo interno francês de manjericão foi devido à melhoria na qualidade do produto final, em particular da cor. Um dos principais problemas na desidratação do manjericão é a baixa taxa de remoção de umidade durante o período de secagem quando ela é conduzida a baixas temperaturas para prevenir a degradação da qualidade (Rocha et al,1993).
Segundo Mastrocola et al. (1998) o manjericão desidratado disponível no mercado italiano apresentava baixa aceitabilidade pelo consumidor, devido a problemas ligados à manutenção tanto da cor como de sua fração aromática Segundo Baritaux et al. (1991), a perda da cor verde ocorre principalmente devido à degradação dos compostos de clorofila. Além disso, dependendo das condições de secagem e/ou estocagem, o desenvolvimento dos pigmentos marrons é observado. Esse escurecimento pode estar também associado a fenômenos não enzimáticos, isto é, reações de Maillard.
2.2 Secagem
A secagem de sólidos é uma das mais antigas e comuns operações unitárias, sendo encontrada em diversos processos de indústrias como na de produtos agrícolas, na cerâmica, na de alimentos e química, na farmacêutica, na de papel, na mineral e na têxtil. É também uma das mais complexas e menos entendidas operações devido às dificuldades e deficiências na descrição matemática dos fenômenos que ocorrem simultaneamente – transferência de calor, massa e momento (Mujumdar, 1995).
A otimização da operação de secagem deve se basear na energia necessária a ser gasta e na qualidade biológica dos produtos secos. Assim, deve
A secagem com aquecimento é usada, em alimentos, de forma a se evitar a deterioração de produtos frescos e, industrialmente, é usada para a criação de novos produtos (como, por exemplo, leite em pó). Em outros casos, a secagem também é utilizada para a redução de peso e diminuição no custo do transporte (Belghit et al., 2000).
Segundo Chua et al. (2001), o principal objetivo de qualquer operação de secagem é a obtenção de um produto seco com a qualidade desejada a um mínimo custo e máxima quantidade, através da otimização consistente desses fatores. A boa qualidade de produtos biológicos está relacionada a diversas mudanças físicas, químicas e biológicas que resultam no produto final com as características desejadas.
Assim, há um significativo aumento na pesquisa e desenvolvimento de métodos e técnicas, não somente relacionadas à conservação de energia, mas também buscando um aumento de produtividade, melhoria da qualidade do produto, controle de qualidade e busca de novos produtos e processos (Vega-Mercado et al., 2001; Chua et al., 2001; Belghit et al., 2000).
2.2.1 Secagem sob condições externas constantes
Dificilmente um equipamento pode ser dimensionado e ter programação para secagem de diferentes produtos definidos sem que haja um estudo prévio. Normalmente uma pequena quantidade de amostra é submetida a experimentos que são conduzidos com velocidade do ar, umidade e temperaturas constantes. Assim, secar sob condições externas constantes permite que as características de secagem de cada material sejam definidas diretamente (Keey, 1975a).
A secagem de materiais higroscópicos sólidos geralmente é dividida em dois regimes. O regime inicial é caracterizado pelo fato da temperatura na
Revisão Bibliográfica
superfície externa do produto ser igual ou estar próxima à temperatura de bulbo úmido do ar de secagem assim, as taxas de remoção de umidade são praticamente constantes à medida que prossegue a operação. O segundo, subseqüente, é caracterizado pela sensível e gradativa diminuição nas taxas de secagem. A umidade crítica para um produto é igual ao conteúdo de umidade no momento em que ocorre a transição de um regime de secagem para o outro, sob determinadas condições operacionais. Nesse ponto, a transferência de água por capilaridade cessa e a remoção de umidade se torna progressivamente mais lenta com a diminuição da umidade (Keey, 1975a).
O mecanismo de secagem durante o período em que é constante a taxa de remoção de umidade já é bem conhecido, e se dá pela livre evaporação da água da superfície úmida do sólido, em que as equações básicas de transferência de calor e massa podem ser aplicadas (Saravacos & Charm, 1962). A extensão desse período inicial depende da capacidade do material em manter a superfície externa suficientemente úmida para que a operação seja realizada na camada limite e, assim, fortemente controlada pelas condições do ar de secagem (Keey, 1975a).
O período de taxa decrescente de secagem, particularmente no caso dos alimentos, é menos conhecido, e várias teorias têm sido propostas, prevalecendo a da difusão líquida, no estado transiente, do interior do produto para a superfície externa em evaporação, causada por um gradiente de concentração (Saravacos & Charm, 1962; Mazza & Lemaguer, 1980)
Os conteúdos críticos de umidade, para o caso de frutas e vegetais, são consideravelmente maiores que dos materiais inorgânicos, e isso tem sido atribuído à natureza coloidal e hidrofílica dos constituintes dos alimentos, ligando mais fortemente as moléculas de água à estrutura do produto (Rossi, 1993).
2.2.2 Tipos de tratamento de ar
Segundo Rossi (1987), existem diferentes tratamentos que a mistura ar e vapor de água pode sofrer a fim de condicioná-la a diversas aplicações, tais como: secagem a altas temperaturas, secagem a baixas temperaturas, secagem a pressões baixas, umidificação de ar de estocagem frigorificada e outras.
Os tipos de tratamento de ar classificam-se em: aquecimento, resfriamento com ou sem condensação do vapor de água, umidificação adiabática, umidificação isotérmica, misturas de ares a diferentes condições e processos combinados (dependendo da aplicação pode-se utilizar os tratamentos anteriores em diferentes ordens ou intensidades).
2.2.2.1 Aquecimento/ resfriamento sensível
Refere-se ao processo no qual calor é trocado com uma corrente de ar úmido sem, contudo, incorrer em uma variação do teor de vapor de água na mistura. Trata-se, portanto, de um processo de umidade absoluta constante. Tipicamente, isto ocorre quando um fluxo de ar úmido atravessa uma serpentina de aquecimento/ resfriamento como ilustrado na Figura 1. A Figura 2 traz a representação do referido processo em uma carta psicrométrica (Moreira, 1999; Rossi, 1987).
Revisão Bibliográfica
Figura 2 – Representação na carta psicrométrica do processo de aquecimento / resfriamento sensível
2.2.2.2 Desumidificação por resfriamento
Neste processo, o fluxo de ar é resfriado até uma temperatura inferior à sua temperatura de orvalho. Portanto, parte do vapor de água da mistura é condensada. A temperatura média da água condensada situa-se entre a temperatura de orvalho do estado inicial do ar e a temperatura de saturação no seu estado final, junto à saída do dispositivo. No esquema da Figura 3 pode-se ver uma ilustração de um dispositivo genérico de desumidificação por resfriamento. Verifica-se no diagrama psicrométrico que o processo de desumidificação por resfriamento percorre uma trajetória curva (Figura 4), apontando para a linha de saturação. Se o processo de resfriamento atravessar uma serpentina grande o suficiente, então o estado final do processo será o estado 2", onde o ar estará com 100% de umidade relativa e terá atingido a temperatura da serpentina na seção de saída. Mais comumente, o ar alcançará uma temperatura intermediária 2 (Moreira, 1999; Rossi, 1987).
Figura 3 - Representação do sistema de desumidificação por resfriamento
Figura 4 – Representação na carta psicrométrica para o processo de desumidificação por resfriamento
2.2.2.3 Redução da pressão de trabalho
A sensibilidade térmica dos materiais determina a máxima temperatura sob a qual a secagem deve ser conduzida durante o tempo. Essa temperatura varia inversamente com o tempo de retenção e a taxa de degradação térmica provavelmente segue a representação exponencial de Arrhenius para taxas de reação, como mostrado na Figura 5. Assim, quando o tempo de secagem é longo, a operação sob vácuo pode ser utilizada para diminuir as temperaturas de evaporação até níveis seguros (Keey, 1975b).
Revisão Bibliográfica
Figura 5 - Relação tempo-temperatura para produtos termo-sensíveis Keey (1975b)
Esse processo pode ser realizado de duas formas distintas: utilizando-se pressões de trabalho inferiores à pressão atmosférica e mantendo-se um fluxo de ar constante durante todo o período de secagem ou, pode-se trabalhar com a câmara de ensaio totalmente fechada, assim, a pressão de trabalho é reduzida gradativamente. Nesse caso, a diminuição da pressão interna promove a redução da temperatura do produto, conforme aplicado por Afonso (2000) em resfriamento evaporativo de produtos.
Nas duas situações acima mencionadas, promove-se a maior volatilização da água presente na superfície do produto à uma menor temperatura, o que reduz a susceptibilidade dos produtos ao escurecimento, desnaturação, danos às proteínas e perda de compostos altamente voláteis Greensmith (1971).
Normalmente, a redução da pressão para secagem é utilizada para produtos in natura com alto valor agregado ou quando se quer produtos com
50 55 60 65 70 75 80 85 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo de retenção (s) Te m pe ra tu ra d os s ól id os (o C )
2.3 Aplicações de secagem
Atualmente no Brasil, a secagem de vegetais e frutas é geralmente realizada em secadores de camadas estacionárias e fluxo cruzado, apenas com o aquecimento do ar de alimentação e, freqüentemente, a pressões atmosféricas.
Normalmente, esse tipo de secagem é realizado a altas temperaturas, superiores a 50oC, o que provoca a perda de qualidade do produto final, uma vez que ocorre perda de coloração e aroma, principalmente quando se trata de produtos termo-sensíveis.
Prasertsan & Saen-Saby (1998) realizaram a secagem assistida por uma bomba de calor, promovendo um ambiente controlável (temperatura e umidade) e melhorando, assim, a qualidade do produto com baixos consumos de energia. Nesse sistema, a energia retirada pela parte fria do sistema é utilizada no aquecimento do ar, logo após a desumidificação.
Juntamente com as temperaturas de secagem relativamente baixas (10o a
45o C) usadas nos sistemas de secagem com bomba de calor, outra vantagem
desses sistemas é que eles podem ser operados independentemente das condições ambientais. Desse modo, processos que requerem um fino controle das condições de secagem, como por exemplo, a secagem de nozes macadâmia, castanhas, ervas, gengibre, pescados, etc., são apropriados para esse tipo de sistema. Os secadores com bomba de calor são ideais para a secagem de alimentos e outros produtos, onde secadores convencionais são ineficientes devido à alta umidade do ar ambiente, resultando em longos tempos de secagem e altos requerimentos energéticos (Perera & Rahman, 1997).
Ainda segundo esses autores, a qualidade dos alimentos secos pode ser avaliada pelo grau de degradação de sua cor, aroma e textura. Os produtos,
Revisão Bibliográfica
usualmente secos, apresentam menor conteúdo de voláteis, maiores perdas de vitaminas termo-lábeis e maior incidência de degradação de cor.
Da mesma forma, a secagem utilizando baixo vácuo, pressão absoluta maior que 1 mmHg, é usada quando se tem produtos sensíveis a oxidação ou degradação de seus componentes quando a secagem é conduzida a altas temperaturas e a pressão atmosférica.
2.3.1 Aplicação de secagem ao manjericão
No caso de ervas aromáticas, alguns métodos de secagem não são totalmente efetivos devido à presença de compostos voláteis, como, por exemplo, compostos fenólicos e polifenolxidases, que com o tempo, na presença de oxigênio, fazem com que as folhas frescas de manjericão passem da cor verde para a marrom (Baritaux et al., 1991).
Baritaux et al (1991) relataram um escurecimento indesejável no manjericão, durante a secagem com ar quente a 70o C, resultado da alta perda de
ácido rosmarínico, o composto fenólico mais abundante nas folhas de manjericão. Durante a secagem de folhas de manjericão, a temperatura foi o principal fator que afetou as taxas de secagem. Através dos ensaios realizados (espectrocolorimetria e isolação/ separação de clorofilas), Rocha et al. (1993) constataram que baixas temperaturas do ar de secagem devem ser usadas em amostras não pré-tratadas (temperaturas menores que 50oC) enquanto altas
temperaturas para o ar de secagem em amostras tratadas (branqueamento com vapor a 100oC por 15 segundos e surfactantes – solução de 2,5% de etil oleato + 2,5% de carbonato de potássio) são aceitáveis.
Experimentos realizados por Pääkkoönen et al. (1990), avaliando os efeitos da secagem, da embalagem e da estocagem na qualidade do manjericão, mostraram que o processo de secagem utilizando ar quente a 35-37oC por 24
horas afetou muito mais a cor que a estocagem. Avaliações sensoriais comprovaram que as mudanças da cor e sabor foram conseqüência da secagem.
Mastrocola et al. (1998) estudaram o efeito de diversos tratamentos térmicos (tempo/temperatura) de secagem de folhas de manjericão, comparando o efeito de pré-tratamentos com o convencional (desidratação a 60oC e sem
branqueamento), visando obter um produto final desidratado com características sensoriais aceitáveis pelo consumidor. Esses autores constataram que a utilização de branqueamento como pré-tratamento antes da secagem permite a manutenção da cor verde característica do manjericão fresco.
Segundo Rocha et al. (1993), para a secagem de especiarias, os fatores mais importantes que influenciam na retenção de sua cor verde são o tempo de secagem, a temperatura e os pré-tratamentos.
Ainda, segundo esses autores, o aumento da temperatura de secagem acelera a degradação da clorofila assim como o escurecimento enzimático e não-enzimático. Altas vazões de ar provocam também maior destruição dos pigmentos de clorofila.
O único modo de evitar o aparecimento de cor marrom é inibir a reação enzimática dos compostos voláteis e para que isso aconteça, é necessário que a concentração de oxigênio diminua durante a secagem (Baritaux et al., 1991). Para que se evite a degradação dos pigmentos de clorofila durante o processo, é necessário que se diminua a temperatura sem aumentar o tempo de secagem (Mastrocola et al., 1998).
Revisão Bibliográfica
Sendo assim, a utilização de baixo vácuo ou baixas pressões de trabalho durante a secagem, aliada à temperaturas ligeiramente mais altas que as ambientes, também pode ser usada como forma de prevenção do escurecimento do manjericão, uma vez que ocorre a diminuição na concentração de oxigênio durante o processo.
2.4 Atividade de água
As folhas de plantas utilizadas na manufatura de alimentos liofilizados, chás, fumos e outros produtos frescos, que aguardam em sua forma in natura até o processamento, normalmente são afetados pelo binômio umidade relativa e temperatura, principalmente no verão.
A umidade relativa elevada, juntamente com a temperatura, aumenta a concentração de água livre sobre as folhas originando condições para o desenvolvimento bacteriano e fúngico. Dessa forma, se faz necessária a determinação da atividade de água para evitar a contaminação microbiana, conservando características de cor, aroma e sabor.
Assim, a medida da atividade de água de certos alimentos é muito importante na determinação de sua estabilidade. A atividade de água em uma solução aquosa é a razão entre a fugacidade da água na solução e a fugacidade desta pura, na mesma temperatura e sob pressão total de 1 atm (Neves, 1998). Assumindo-se que a fase gasosa (vapor de água) em contato com a solução seja um gás ideal, pode-se demonstrar que aw é a relação entre a pressão parcial do
vapor de água na fase gasosa (Pw) e a pressão de saturação, ou a pressão de
vapor da água pura (pwsat). Em termos de fase gasosa, esta razão é também a
100
UR
P
P
aw
sat w w=
=
A água livre é aquela que está disponível para as reações físicas, químicas e microbiológicas, tornando-se a principal responsável pela deterioração do produto. A atividade de água mede justamente esse valor.
Alguns fatores físicos que influenciam a vida de prateleira de sistemas alimentares incluem cristalização, viscosidade e textura. Reações químicas, que incluem oxidação lipídica e escurecimento não enzimático, também são afetadas pela migração de umidade (Labuza & Hyman, 1998).
Em termos gerais, o comportamento dos microorganismos frente à "aw" é
variável. De modo geral, as bactérias são mais exigentes quanto à disponibilidade de água livre do que os bolores e leveduras.
Substratos com "aw" inferior a 0,6 estão assegurados quanto à contaminação
microbiana. A partir de 0,65 começa a ocorrer a proliferação de microorganismos específicos, sendo que até 0,75 somente alguns tipos se desenvolvem, tais como: bactérias halofílicas, leveduras osmofílicas e bolores xerofílicos. Como exemplos de produtos alimentícios que possuem atividades de água inferiores a 0,6, pode-se citar molhos contendo 12% de umidade, especiarias contendo aproximadamente 10% de umidade, ovo em pó, biscoitos tipo cracker, cookies, entre outros Beuchat (1981).
Material
3 MATERIAL
3.1 Descrição do protótipo
A unidade de tratamento de ar acoplado ao secador consiste em tubos de aço inox, com diâmetros de quatro e seis polegadas, ligados a duas coifas responsáveis pela sustentação dos trocadores de calor aletados. As conexões entre as tubulações e as coifas foram feitas com abraçadeiras Tri-Clamp de seis e quatro polegadas e válvulas manuais, tipo borboleta de quatro polegadas.
A estrutura de tratamento de ar e o secador foram isolados termicamente. Na entrada de ar para o sistema foi instalado um ventilador centrífugo. A outra extremidade do sistema teve como opção a conexão a uma linha de sucção de bomba à vácuo, operadas independentemente.
Para o monitoramento das condições do ar de secagem foram instalados sensores de temperatura (Pt100), pressão, massa, velocidade do ar e umidade relativa. As linhas de utilidades, ou seja, aquela para os fluidos térmicos à alta e baixa temperaturas que alimentam os trocadores de calor para os tratamentos propostos foram instalados como sistemas independentes e instrumentados com sensores de temperatura (termopares) para monitoramento e ajustes manuais.
A- Ventilador centrífugo
B- Tocador de calor (baixa temperatura) C- Sistema de resfriamento de líquido D- Trocador de calor (alta temperatura) E- Sistema de aquecimento de líquido F- Secador G- Bomba de vácuo VS- Válvulas 2 A B D E C F VS VS VS G 1 3 4 5 6 7 8 9 10
Figura 6 - Esquema geral de montagem do protótipo
Correspondendo à descrição acima, especificam-se os seguintes equipamentos:
• Ventilador
Foi utilizado um ventilador centrífugo com motor tipo WEG (motor de indução trifásico), modelo 71B86, de 60 Hz, 0.5 cv e 1710 rpm.
• Unidades de tratamento de fluidos
As unidades de tratamento dos fluidos térmicos possuem alguns itens construtivos semelhantes: os trocadores de calor aletados, as bombas de circulação dos fluidos e as coifas.
Material
1. Trocadores de calor
As unidades de tratamento dos fluidos térmicos utilizaram trocadores de calor aletados. Eles possuem tubos de cobre de 1/4 polegada dispostos em quatro fileiras e aletas de alumínio numa composição de quinze por polegada. As dimensões de ambos trocadores são: 0,54m x 0,38m x 0,075m.
2. Bombas de circulação
As bombas de circulação dos fluidos, a alta e a baixa temperaturas, são do tipo Mallory, com alimentação de 220V e 60Hz. A vazão média obtida das bombas foi igual a 0,12 m3/h, no processo já instalado.
3. Coifas
As coifas foram dimensionadas visando a sustentação e ligação das tubulações aos trocadores de calor e principalmente para uma distribuição uniforme do ar, uma vez que houve um aumento de secção transversal de escoamento do ar de 0,0082 m2 para 0,205 m2. Elas foram dimensionadas
baseando-se nas normas descritas pelo Fundamentals Handbook – ASHRAE (1977), páginas 31.30 e 31.31, e construídas a partir de placas de aço inox 304 com 0,001 m de espessura.
• Unidade para fluido frio
A unidade de resfriamento de líquido utilizada no resfriamento do ar está esquematizada na Figura 7:
A C B D E F A- Compressor B- Condensador C- Válvula de expansão D- Evaporador E- Reservatório de líquido F- Bomba hidráulica
Figura 7 - Esquema da unidade de resfriamento de fluido secundário a) Compressor
O compressor utilizado foi da marca Elgin, modelo TCB-1-012-E, trabalhando com alimentação de 220V e 60Hz, dimensionado para trabalhar com R-12. Para a temperatura de evaporação utilizada no processo, igual a 0oC, a
capacidade frigorífica disponível foi aproximadamente igual a 550 kcal/h. O motor do ventilador é do tipo CA-11/E-E, de 220V/60Hz, corrente de 0,3 Ampere e velocidade de 1550 rpm.
b) Válvula de expansão
Dimensionada para trabalhar com R-12, sendo seu modelo AP-05 e com capacidade de ½ ton de refrigeração para temperatura de evaporação de –5oC.
c) Evaporador
O evaporador utilizado foi uma serpentina de cobre de ½ polegada e o fluido de circulação (fluido secundário) foi mantido em um tanque termicamente
Material
isolado com dimensões de 0,3 m x 0,3 m x 0,3 m. O fluido secundário utilizado foi um mistura de água e propileno glicol, na proporção de 7:3.
• Unidade para fluido quente
A unidade responsável pelo fluido secundário a altas temperaturas foi composto por um reservatório (para armazenamento e circulação) e duas resistências, representados na Figura 8, abaixo:
B C E F D A A- Reservatório de líquido B- Resistência (1400W/220V) C- Resistência (1000W/220V) D- Icos E- PT-100 F- Bomba hidráulica
Figura 8 - Esquema da unidade de aquecimento para o fluido secundário
O reservatório foi construído em alumínio e isolado com poliestireno, tendo dimensões iguais a 0,3 m x 0,3 m x 0,5 m e com saída para a bomba de circulação.
Para o aquecimento da água foram utilizadas duas resistências. Uma delas, com potência 1400 W (220 V), permanecia constantemente ligada, enquanto a outra de 1000W / 220V foi controlada por um relay (ICOS) acoplado a um sensor de temperatura (Pt100).
• Secador
O secador foi estruturado em aço inox com 0,32 m de diâmetro e dois metros de altura. O secador foi também isolado termicamente, possuindo duas aberturas para a colocação e retirada das bandejas de secagem. Cada abertura possuía seis polegadas de diâmetro e durante a secagem foram fechadas com tampões Tri-Clamp. Uma célula de carga foi instalada no seu interior para fazer a medição de massa do produto durante o processo de secagem. Para o monitoramento de temperatura do ar de secagem foi instalado um Pt100, antes das bandejas de produto.
• Linha de vácuo
A linha de vácuo foi composta por duas bombas rotativas de vácuo, instaladas em paralelo e conectadas por válvulas. A linha de vácuo estava conectada ao secador através de conexões próprias para vácuo, com intuito de evitar vazamentos. Todas as bombas eram da marca HF, fabricadas pela HF-Indústria e Comércio Eletromecânica e Aparelhos Científicos Ltda. Os modelos das bombas foram D-7, com vazão nominal igual a 7m3/h, e a outra modelo D-15, com vazão nominal igual a 15 m3/h.
Bandejas
Foram usadas três bandejas circulares construídas com tela de inox, dimensões 0,1 m de diâmetro e 0,01 m de altura, tampadas com outras de características semelhantes, para evitar que durante a secagem as folhas voassem. Elas foram montadas de forma que seu centro de massa coincidisse com o centro de massa da célula de carga, requisito necessário para a reprodutibilidade, segundo o manual do fabricante. A Figura 9 mostra o esquema de montagem das bandejas, enquanto na Figura 10 tem-se o desenho da bandeja
Material utilizada. A- Célula de carga B- Bandejas C- Apoio B A C
Figura 9 - Montagem interna das bandejas de secagem
3.2 Instrumentação
Para a instrumentação do protótipo de tratamento de ar/secador foram utilizados sensores de temperatura, pressão, velocidade do ar, umidade relativa e massa (célula de carga). A distribuição destes sensores está discriminada na Tabela 1, relativas às localizações na Figura 6.
Tabela 1. Distribuição dos sensores POSIÇÃO* SENSORES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Termopar X X X X X X Temperatura Pt100 X X X Velocidade do ar X Umidade relativa X Pressão X Massa X
Obs: * Todas as posições são relativas à Figura 6
• Sensores de temperatura
Os sensores de temperatura utilizados foram termopares e Pt100. Os termopares foram instalados nas linhas dos fluidos térmicos (água e água-propileno-glicol). Os Pt100 foram instalados na tubulação que faz o tratamento do ar. Abaixo, encontra-se a figura do Pt100 utilizado no protótipo:
Material
Figura 11 - Sensor de temperatura, tipo Pt100
• Sensores de pressão
Foi instalado um vacuômetro do tipo Bourdon, mostrado na Figura 12 para os ensaios que foram conduzidos em pressões menores que a atmosférica.
Figura 12 - Vacuômetro tipo Bourbon
• Sensor de velocidade e umidade relativa
Os sensores de velocidade e umidade relativa foram da marca Tri-Sense Cole Parmer, modelos 37.000-64 e 37.000-50, respectivamente. Os dois sensores possuem o mesmo indicador. A figura esquemática desses sensores encontra-se
Figura 13 - Indicador e sensor de velocidade / UR
• Célula de carga
As células de carga são sensores de massa constituídos por extensômetros elétricos cuja deformação gera sinais elétricos proporcionais à massa aplicada. Esses sinais são amplificados e convertidos por um transmissor e indicador, que possui sinal de saída analógica de 4 a 20 mA.
A célula de carga utilizada foi da Alfa Instrumentos, modelo GL5, com capacidade de cinco quilogramas e precisão de 1% de faixa nominal especificada através da calibração. Para a medição da massa foi usada uma única célula de carga, mas para atender às necessidades de vazão de ar e quantidade de amostra, foi idealizada uma configuração especial de modo que houvesse a menor interferência no fluxo e menor formação de caminhos preferenciais à passagem do ar. Na Figura 14 encontra-se o desenho da célula de carga utilizada.
Material
A célula de carga foi ligada a um indicador de massa, modelo 3107, também da Alfa Instrumentos e esse conectado ao sistema de aquisição de dados. Dessa forma, o acompanhamento das medidas pode ser feito, pelo indicador e também através do monitoramento e registro de dados. A célula de carga foi utilizada apenas para ensaios de baixo vácuo.
3.3 Aquisição de dados
O sistema de aquisição de dados monitorou as medições oriundas do processo. O sistema é composto por um microcomputador PC Pentium 133 MHz, comunicado com a aquisição de dados de marca Hewlett Packard, modelo HP-3852A, através de um programa usando linguagem de programação HP Basic.
Um esquema global de montagem da unidade de tratamento de ar ligado ao sistema de aquisição de dados é representado na Figura 15.
sensores Protótipo
3.4 Produto utilizado
Para os ensaios de secagem foi utilizado manjericão adquirido no mercado de Barão Geraldo – Campinas/SP, proveniente da região de Ibiúna, ilustrado na Figura 16.
Figura 16 - Produto utilizado: manjericão
3.5 Equipamento usado na medição deatividade de água
Para o acompanhamento da variação da atividade de água durante as secagens de aquecimento sensível e de desumidificação por resfriamento/ aquecimento, foi utilizado o equipamento da Decagon Devices Inc., modelo Aqualab 3TE (Figura 17). Esse equipamento foi utilizado também para fazer a análise da atividade de água antes e depois da secagem quando o manjericão foi submetido ao baixo vácuo.
Material
Figura 17 - Equipamento utilizado para medição de atividade de água
3.6 Painel sensorial
Para a análise dos diferentes processos de secagem aos quais o manjericão foi submetido, montou-se um painel sensorial composto por trinta pessoas. Os parâmetros utilizados, aroma e a cor do manjericão, foram comparados com uma amostra referência, adquirida no comércio. Para a análise dos dados obtidos o programa Statistica foi usado. O modelo das fichas que foram utilizadas no painel sensorial encontra-se no Apêndice I.
3.7 Consumo energético
Para o cálculo da potência requerida em cada processo de secagem, os equipamentos foram conectados a um transformador de corrente (TC), marca Kron, modelo KR-127 e a um transdutor múltiplo Yokogawa, modelo 2285A-613/W16/AN com saída de 4-20mA e precisão de 0,25%. Esse sinal analógico foi transmitido e monitorado pela HP3852A.
Para os equipamentos com voltagens iguais a 110V e 220 V trifásico foi necessário fazer a leitura das correntes e assim calculando a potência consumida. Essa leitura foi feita utilizando-se um multímetro e as medidas de correntes dos
corrente considerada para o cálculo da potência requerida, igual à média obtida pelas leituras.
Pela Tabela 2 apresentam-se os equipamentos que foram acionados em cada um dos ensaios realizados. Observa-se que aqueles sem referência utilizam voltagens iguais a 220 V e foram conectados ao transformador de corrente/ transdutor. Os valores médios das correntes lidas e a voltagem correspondentes para a resistência I e para o ventilador, não ligados ao transformador / transdutor, encontram-se na Tabela 3.
Tabela 2- Equipamentos utilizados nos diversos tratamentos Equipamento Aquecimento
40oC Aquecimento 45oC Aquecimento 50oC vácuo Baixo
188mmHg Baixo vácuo 257mmHg Duplo tratamento 45oC Bomba de circulação I (aquecimento) X X X X Bomba de circulação II (resfriamento) X Resistência II X X X X Sistema de refrigeração X Bomba de vácuo I X X Bomba de vácuo II X X Resistência I * X X X X Ventilador* X X X X
Material
Tabela 3 - Correntes médias lidas e respectivas voltagens
Equipamento Voltagem (V) Corrente (A)
Resistência I 110 7,68
4 METODOLOGIA
4.1 Montagem do protótipo
O protótipo foi estruturado conforme os itens descritos no tópico Material. As tubulações em aço inox foram conectadas por abraçadeiras Tri-Clamp e válvulas borboleta manuais.
Os trocadores de calor aletados, montados dentro das coifas e usados para a uniformização na distribuição do fluxo de ar, foram conectados através de abraçadeiras Tri-Clamp e O-rings ao restante da tubulação.
Toda a montagem da unidade de tratamento de ar foi baseada no duplo tratamento, quanto às seções de tratamento, ou seja, foi estruturada uma parte para resfriamento do ar e outra para aquecimento do mesmo. Dessa forma, o sistema tornou-se versátil: podendo ser realizado somente aquecimento ou o duplo tratamento do ar.
4.2 Instrumentação e calibração do sistema
• Aquisição de dados
Os dados coletados na realização dos experimentos foram armazenados no microcomputador ligado ao sistema de aquisição de dados HP-3852A. Através do programa desenvolvido foi possível configurar os seguintes parâmetros: canal de coleta de dados na HP, freqüência de aquisição, tempo de leitura ao longo do processo e arquivo de dados. O intervalo de tempo pré-estabelecido entre cada leitura foi de trinta segundos. O programa desenvolvido pode ser visto no Apêndice II.
Metodologia
Foram utilizados cartões HP44705H, multiplexados de termopares com compensação automática de junta fria e HP3852A, multiplexadora de sinais analógicos para sensores de temperatura termopar e Pt100, para transmissor de massa acoplado à célula de carga e para transmissor de potência.
• Sensores de temperatura
Foram utilizados quatro termo-resistências do tipo Pt100, com precisão de 0,1o C e linearidade. Esses Pt100 foram instalados na tubulação de ar.
Os termopares utilizados, em número de cinco, possuem precisão de 0,5o C e linearidade, sendo instalados nas entradas e saídas dos trocadores de calor para fluidos secundários.
Os sensores de temperatura foram calibrados usando-se um banho termostático Optherm. A faixa de temperatura calibrada foi de 0o C a 75o C, sendo a calibração feita a cada 15o C. Termômetros de mercúrio aferidos (ASTM, erro de 0,1o C) foram utilizados como sensores de temperatura padrão.
Esse procedimento foi realizado utilizando-se o mesmo microcomputador e a mesma aquisição de dados usados nos experimentos, de modo a caracterizar com maior fidelidade o comportamento dos sensores na faixa de trabalho.
Na Tabela 4, abaixo, encontra-se a discriminação dos sensores e suas respectivas localizações no protótipo. As curvas de calibração dos sensores encontram-se no Apêndice III.
Tabela 4. Localização e relação das temperaturas medidas
SENSOR TEMPERATURA MEDIDA POSIÇÃO*
Termopar I Ar ambiente 1
Termopar II Líquido na entrada do trocador de calor de
aquecimento 6
Termopar III Líquido na saída do trocador de calor de
aquecimento 7
TermoparIV Líquido na entrada do trocador de calor de
resfriamento 3
Termopar V Líquido na saída do trocador de calor de
resfriamento 4
Pt100 I Ar na entrada do trocador de calor de
resfriamento 2
Pt100 II Ar na saída do trocador de calor de
resfriamento 5
Pt100 III Ar na saída do trocador de calor de
aquecimento 8
Pt100 IV Ar na entrada do secador 9
Obs: * Posição relativa Figura 6
• Sensor de pressão
O vacuômetro utilizado nas medições de pressão foi calibrado usando-se um vacuômetro, calibrado de fábrica, e a curva de calibração encontra-se no Apêndice IV.
• Sensores de velocidade e umidade relativa
Esses sensores tiveram sua calibração feita pelo fabricante.
• Sensor de massa
Metodologia
manual da célula de carga. As saídas analógicas do transmissor, 4 e 20 mA, corresponderam respectivamente a valores de 0 a 100 g. A precisão da leitura foi de 1g.
O conjunto, transmissor e célula de carga, foi calibrado através do programa fornecido pelo fabricante e também usando massas conhecidas, pesada em balança semi-analítica, fabricada pela Marte Balanças e Aparelhos de Precisão, modelo MA5500, com precisão de leitura de 0,01g. A calibração consistiu em pesar diferentes massas na balança e comparar os resultados com aqueles obtidos na célula de carga. A curva de calibração para a célula de carga encontra-se no Apêndice V.
• Analisador de atividade de água
O equipamento foi calibrado pelo representante do equipamento no Brasil.
4.3 Proposta de ensaios
Para o estudo do sistema de tratamento de ar e posterior utilização na secagem de manjericão, foi planejada a realização de seis ensaios, conforme descritos abaixo:
A) Aquecimento do ar: ensaio utilizando somente o aquecimento do ar (pelo trocador de calor aletado com fluido térmico secundário do sistema projetado) e posterior secagem, à pressão atmosférica. A secagem foi realizada em três diferentes temperaturas: 40ºC, 45ºC e 50ºC;
inferior a seu ponto de orvalho, ocorrendo, conseqüentemente sua desumidificação, e posteriormente re-aquecimento e utilização na secagem, ambos nos trocadores de calor aletados com fluidos térmicos secundários, também à pressão atmosférica e com temperatura de secagem de 45ºC; C) À baixa pressão: secagem conduzida à temperaturas próximas à ambiente,
porém com pressões absolutas em 257,3 mmHg e 188mmHg.
Para todos os experimentos acima descritos a velocidade do ar de secagem foi, aproximadamente, de 1,25 m/s e tempo de secagem de 5,5 h. Esse tempo de secagem foi determinado após a realização de um experimento preliminar onde a temperatura de secagem era 45oC e o ensaio teve duração de 6 horas. Esse ensaio objetivou também a avaliação do sistema.
4.4 Preparo da amostra
O manjericão, antes de ser pesado, foi lavado e colocado sobre papel absorvente. Outro papel foi colocado por cima e ligeiramente pressionado, para retirar a água superficial. Foram escolhidas somente aquelas folhas que tivessem áreas superficiais semelhantes (entre 3x10-4 m2 e 4x10-4 m2) e, em seguida,
pesadas. A massas de amostra variaram entre 10 e 13 g.
4.5 Proposta para obtenção dos resultados
4.5.1 Atividade de água
Para os ensaios de aquecimento sensível, com temperaturas de secagem iguais a 40ºC, 45ºC e 50ºC, e, ainda, para o ensaio de resfriamento/ desumidificação e aquecimento (temperatura de secagem igual a 45ºC), foram retiradas alíquotas da amostra do ensaio em andamento para a análise da
Metodologia
atividade de água a cada hora, as quais foram recolocadas no secador após análise, com duração aproximada de cinco minutos. Dessa forma, foi possível a obtenção de curvas de atividade de água em função do tempo e temperatura de secagem.
Para os ensaios realizados sob baixo vácuo, tal procedimento não foi viável e nesse caso, o acompanhamento da secagem foi feito através da célula de carga. A atividade de água foi medida antes e depois do processo de secagem.
4.5.2 Painel sensorial
As amostras obtidas pelos diferentes métodos de secagem foram comparadas com uma amostra referência pelo método de comparação múltipla. A escala de medida utilizada tinha valores entre 1 e 9. Os avaliadores analisaram cor e aroma e também lhes foi solicitado algum comentário com relação à aparência do produto. A amostra referência (comercializada) apresentava-se moída, enquanto aquelas resultantes dos processos analisados apresentavam-se inteiras.
4.5.3 Cálculo do consumo energético
As leituras da demanda elétrica pela aquisição de dados foram fornecidas pelo sinal analógico de comunicação. Através de conversões fornecidas pelo transformador de corrente e pelo transdutor foi possível determinar a corrente e conseqüentemente a potência utilizada, para aqueles equipamentos ligados ao transdutor.
4.5.4 Determinação de umidade do produto
O método utilizado na determinação de umidade do produto foi o gravimétrico, baseado nas normas do Instituto Adolfo Lutz.
Para a determinação da umidade inicial das folhas foi pesado em balança analítica, com precisão de 0,0001g, aproximadamente um grama de amostra. Essa foi então levada até uma estufa por 3 horas a 105o C. Depois de desidratadas e colocadas em dissecador por trinta minutos, as amostras foram novamente pesadas.
Algumas literaturas sugeriram a determinação da umidade através do método de destilação com líquidos imiscíveis, devido à presença de compostos voláteis. Tal método não foi utilizado para a determinação de umidade, pois a quantidade de compostos aromáticos, em peso, é relativamente pequena.
A umidade inicial foi calculada pela equação abaixo e expressa em base úmida.
100
×
−
=
inicial final inicialMassa
Massa
Massa
Umidade
4.5.5 Cartas psicrométricasCartas psicrométricas foram elaboradas para que se pudesse ser feito o acompanhamento das características do ar durante o processo de secagem. Foram confeccionadas cartas a 96,40 kPa (pressão atmosférica em Campinas), a 25,5 kPa e a 34,73 kPa (pressão absoluta medida na câmara de vácuo), utilizando o software The Akton Psychrometric Chart for Windows, versão 3.0
Metodologia
4.6 Proposta para análise dos resultados
Os diferentes métodos de secagem foram avaliados tendo-se como parâmetro o tempo para a determinação do final da secagem. A partir desses ensaios foram realizadas as análises descritas no item 4.5.
Os ensaios que utilizaram aquecimento foram comparados para as diferentes temperaturas de secagem (40oC, 45oC e 50oC) quanto à variação da atividade de água durante o ensaio. Os dois processos que foram conduzidos à 45oC, mas com diferentes tratamentos do ar de secagem, também foram
avaliados quanto à variação da atividade de água em função do tempo de secagem.
Uma segunda comparação entre os tratamentos foi proposta estabelecendo-se a atividade de água final, de 0,6, onde não ocorre mais o crescimento biológico (Beuchat, 1981) e assim pode-se comparar os diferentes processos quanto ao consumo energético e tempo estimado de secagem para a garantia da estabilidade biológica e química.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Resultados dos ensaios
Segue discussão dos ensaios realizados de tratamento de ar e secagem (preliminar, secagem a 40oC, 45oC, 50oC, sob baixo vácuo a 188 mmHg e 257 mmHg e ar duplamente tratado com secagem a 45oC), e análise dos resultados
obtidos.
5.1.1 Ensaio preliminar
Através de uma secagem preliminar de manjericão, à pressão atmosférica e apenas com aquecimento do ar, foi acompanhada a variável temperatura, tanto do fluido secundário como do próprio ar. Nesse ensaio, a duração da secagem foi de 6h.
Foi possível, então, estabelecer a influência da vazão de ar e das variações das temperaturas do fluido na temperatura de secagem. Constatou-se que o tempo necessário para que o sistema entrasse em regime permanente foi de aproximadamente 1,5 a 2 horas. Nesse ensaio, as amostras de manjericão foram colocadas no instante t=0. Pela Figura 18 tem-se o acompanhamento das temperaturas utilizadas na secagem preliminar.
Resultados e Discussões
Figura 18 - Histórico de temperaturas - ensaio preliminar
Pela Figura 18 nota-se que, com exceção dos picos, as variações de temperatura da água de entrada e saída do trocador, que fizeram o aquecimento do ar, tiveram as mesmas tendências. Conclui-se, então, que a troca de calor do fluido secundário com o ar foi praticamente constante. Os picos de temperatura se devem ao desligamento do ventilador, ocasionando uma menor taxa de troca de calor e conseqüentemente um aumento na temperatura de saída do líquido.
Notou-se, nesse ensaio preliminar, uma diferença apresentada entre as temperaturas logo após o aquecimento e a temperatura de secagem, tendo ocorrido uma queda de aproximadamente 5o C até o secador, mesmo o sistema
5.1.2 Secagem com aquecimento sensível (T= 40oC)
A secagem conduzida com temperatura nominal do ar de 40ºC teve como temperatura real 38,5 ± 0,3ºC e umidade relativa para o ar de secagem próxima a 33%, conforme apresentado no diagrama psicrométrico (Figura 19), numa condição pseudo-estacionária. A umidade relativa do ar na entrada do sistema foi de 55 ± 1%, enquanto a temperatura ambiente foi de 29,6 ± 0,4oC.
Figura 19 – Diagrama psicrométrico - Secagem a 40oC
Pelo histórico de temperatura apresentado a seguir (Figura 20), nota-se que houve variação nas temperaturas de entrada e saída da água no trocador de calor de aquecimento. Assim como na secagem preliminar o ventilador foi desligado para a retirada de alíquotas para medição de atividade de água. Essas paradas também provocaram alterações na temperatura do ar imediatamente após o trocador, mas, não tiveram efeitos significativos sobre a temperatura de secagem.
Resultados e Discussões
Figura 20 - Histórico de temperatura – secagem a 40oC
O gráfico de variação da atividade de água em função do tempo de secagem encontra-se na Figura 21. Nota-se que houve queda da aw de 0,98 para
0,81 durante as cinco horas e meia. Tal valor não inibe o crescimento de microrganismos no produto. Através do acompanhamento visual da amostra, constatou-se que após um mês da data do processamento havia diversos pontos com desenvolvimento de fungos e que a amostra apresentava coloração verde bem escuro, tendendo ao marrom. Pela análise da curva, para que a aw do
produto atingisse 0,6, o tempo estimado de secagem deveria ser aproximadamente igual a 7 horas.
Figura 21 - Variação de aw durante a secagem a 40oC
Logo após a secagem foi feita avaliação das folhas secas quanto ao aroma e à cor. Elas apresentavam-se heterogêneas: folhas mais secas que outras, porém todas apresentaram escurecimento na tonalidade verde quando comparadas ao produto in natura (Figura 22). Quanto ao aroma, notava - se o cheiro original misturado ao de “cozido”.
Figura 22 - Aspectos do manjericão logo após a secagem a 40oC
0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 0 1 2 3 4 5 6 Tempo (h) A w
Resultados e Discussões
O manjericão foi considerado ruim pelos provadores quando submetido a esse tratamento. Numa escala de 1 a 9 para avaliação, obteve-se nota média igual a 2,9, no quesito cor e 3,4 quanto ao aroma, entre os provadores. A avaliação sensorial desse tratamento comparado com os outros será discutido posteriormente.
O consumo total de energia para a secagem a 40ºC foi de 8,7 kWh. A Figura 23 mostra o histórico da demanda durante toda a secagem. A presença de dois patamares de valores ocorreu devido à presença de um relay conectado à resistência II, ligando-a (demanda de 1900 W) e desligando-a (demanda de ≈900 W) para que a temperatura da água de aquecimento permanecesse constante.
Figura 23 - Variação da potência consumida – secagem a 40oC
A Figura 24 mostra a variação de potência requerida de forma ampliada, no tempo, facilitando, assim, a visualização dos patamares descritos anteriormente.
Figura 24 - Variação da potência consumida (ampliada) – secagem a 40oC
5.1.3 Secagem com aquecimento sensível (T= 45oC)
Nesse ensaio de secagem, a temperatura real do ar foi de 44± 0,4oC. A umidade relativa medida logo após as bandejas de secagem foi de 16 ± 1%, enquanto na entrada do sistema foi de 44% ± 1%. A temperatura média do ar na entrada do sistema foi de 24,6 ± 2,7oC. A Figura 25 mostra o processo de
tratamento de ar descrito através de um diagrama psicrométrico para a secagem a 45oC.
Resultados e Discussões
Figura 25 - Diagrama psicrométrico para o processo de tratamento de ar para secagem a 45oC
Pelo histórico de temperaturas (Figura 26), observa-se também a presença de variações na temperatura do ar que sai do trocador de calor de aquecimento quando o ventilador foi desligado para a coleta e recolocação da amostra. Nesse caso, houve maior influência na temperatura do ar de secagem quando comparado com a influência na secagem com temperaturas de 40oC. Houve variação de aproximadamente 4oC entre as temperaturas do ar na saída do trocador de calor e do ar de secagem. Nota-se também que a temperatura do ar ambiente aumentou em torno de 5oC ao longo do processo de secagem.
