“SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR...
138
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO “SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR CILÍNDRICO ROTATIVO ASSISTIDO POR MICRO-ONDAS” CAMPINAS 2015
Transcript of “SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR...
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Agrícola
JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO
“SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR CILÍNDRICO
ROTATIVO ASSISTIDO POR MICRO-ONDAS”
CAMPINAS 2015
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Agrícola
JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO
“SECAGEM DO BAGAÇO DE LARANJA EM SECADOR CILÍNDRICO
ROTATIVO ASSISTIDO POR MICRO-ONDAS”
Orientador: Prof. Dr. JOÃO DOMINGOS BIAGI
Co-Orientador: Prof. Dr.ANTONIO MARSAIOLI JUNIOR
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA
TESE DEFENDIDA PELO ALUNO JOSÉ ROBERTO CAVICHIOLO
E ORIENTADO PELO PROF. DR. JOÃO DOMINGOS BIAGI
CAMPINAS
2015
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da
Universidade Estadual de Campinas como parte dos
requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor em
Engenharia Agrícola, na Àrea de Tecnologia Pós-Colheita.
AGRADECIMENTOS
À Fernanda, minha querida esposa, minha alegria, energia e estímulo sempre presente em
todos os momentos.
Às minhas filhas Juliana e Mariana, que completam a minha felicidade.
Aos professores João Domingos Biagi e Antio Marsaioli Junior, pela orientação, correções,
paciência, boa vontade que me possibilitaram encontrar as soluções e principalmente a
amizade cultivada ao longo deste trabalho.
Ao Pesquisador José Gasparino Filho, do ITAL pelo contínuo apoio desde o início do meu
mestrado, participando da banca de qualificação, com sugestões e correções deste trabalho e
principalmente pela amizade e conselhos que me ajudaram a concluir mais uma etapa da
minha vida acadêmica e profissional.
À Pesquisadora Silvia Rolin, diretora do Fruthotec que me apoiou e confiou na minha
pesquisa.
Ao Daniel Rossin Coelho, aluno da graduação, bolsista de Iniciação Científica pela
inestimável colaboração nos ensaios experimentais.
Aos funcionários de apoio do FRUTHOTEC, pela valiosa colaboração na realização dos
ensaios experimentais.
A Diretoria do GEPC, Grupo Especial de Engenharia do Instituto de Tecnologia de
Alimentos, ITAL, pelo apoio e permissão do uso da planta de processamento para a realização
das pesquisas realizadas durante o programa de Pós-graduação.
Aos professores da FEAGRI/UNICAMP pelos vários ensinamentos nas disciplinas cursadas:
Sylvio Luís Honório, Rafael Augustus de Oliveira, Gonzalo Roa, Barbara Teruel Mederos,
Paulo Ademar Martins Leal.
Aos funcionários da FEAGRI/UNICAMP, que de alguma forma, contribuíram para a
realização deste trabalho.
Aos amigos e colegas que tive a oportunidade de conhecer e se mostraram presentes em
diversos momentos e etapas deste trabalho na FEAGRI, Carolina Maria Sanchez Saenz, Vânia
Rosal Guimarães Nascimento e demais colegas da FEAGRI.
A Indústria Citrosuco/Limeira pertencente ao Grupo Fisher, especialmente a seu Gerente de
Operações Renato Buzato, pela inestimável colaboração para a realização da pesquisa através
da doação do bagaço de laranja e a disponibilização das informações técnicas utilizadas neste
trabalho.
A todos que colaboraram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.
À Embrapa, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, pelo apoio financeiro.
Ao Instituto de Tecnologia de Alimentos, ITAL, pela permissão e pelo apoio na participação
do Programa de Pós-graduação.
E finalmente gostaria de agradecer a todos que de modo direto e indireto colaboraram com a
realização deste trabalho.
RESUMO
É indiscutível a importância do sistema agroalimentar citrícola para a economia
nacional. O Brasil é o maior produtor e exportador mundial de suco de laranja e seus
subprodutos, disputando com os Estados Unidos à hegemonia nesse mercado.
Na fabricação do suco de laranja concentrado congelado, para cada 100 kg de laranja são
produzidos 55 kg de suco simples e os 45 kg restantes são os resíduos do processo constituídos de
laranjas descartadas, casca, semente, borra de extração de óleo essencial, polpa lavada, denominados
genericamente de “bagaço”, com umidade de aproximadamente 82%, que após passar pelo
processo de industrialização, tem sua umidade reduzida até chegar a 14% e por fim peletizada
atingindo a umidade final ao redor de 8%.
O farelo de polpa cítrica peletizado é usado como complemento para a ração de
rebanhos bovinos (leite e corte).
Segundo dados fornecidos pela CITRUS BR, as indústrias processadoras exportaram
na safra de 2014 cerca de 150 mil toneladas de farelo de polpa cítrica e faturou a importância
de 57 milhões de dólares, atingindo a cotação média em torno de US$ 390,00/tonelada, para
exportação.
O consumo de energia térmica na fábrica de ração, setor responsável pela
transformação do bagaço de laranja úmido em farelo de polpa cítrica é alto, principalmente
para a secagem de bagaço peletizado.
Levantamento realizado sobre o consumo de energia térmica em uma unidade
industrial no Estado de São Paulo mostrou que a demanda para produzir uma tonelada de
ração foi equivalente ou superior à quantidade consumida para produzir uma tonelada de suco
de laranja concentrado congelado.
Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma pesquisa para avaliar a utilização
de energia de micro-ondas à etapa final do processo de secagem do farelo de polpa cítrica
para fabricação de ração animal, comparando-se sua eficiência com a do processo tradicional,
no qual são utilizados secadores rotativos.
Foram elaborados ensaios comparativos da secagem do bagaço de laranja com e sem
aplicação de micro-ondas, onde se verificou a redução da energia consumida entre os
diferentes processos de secagem, utilizando-se de parâmetros energéticos tais como:
Eficiência energética e o Consumo específico de energia térmica relacionando a quantidade
de energia necessária para evaporar 1 kg de água.
A determinação da energia térmica consumida pelo secador rotativo com aplicação de
micro-ondas foi conduzida conforme planejamento estatístico com duas variáveis
independentes: potência de micro-ondas e temperatura do ar de secagem.
Os resultados obtidos mostraram uma redução de 1,99 vezes no consumo energético
por quilo de água evaporada (CEET) e 1,96 vezes para a energia térmica total fornecida
(ETtf), em relação aos valores obtidos nos testes onde não foram aplicado a energia de
micro-ondas.
Em relação ao tempo de secagem, o processo foi finalizado em 18 minutos contra os
46 minutos gastos para realizar a mesma operação sem aplicação de micro-ondas,
comprovando sua eficiência, proporcionando a redução no tempo final de secagem em
aproximadamente 60%.
Palavras chave: Laranja - Secagem, Micro-ondas, Resíduos agrícolas como ração, Indústria –
Consumo de energia.
ABSTRACT
There is no doubt the importance of citrus agro-food system to the national economy.
Brazil is the largest producer and exporter of orange juice and its by-products, competing
with the United States hegemony in this market.
In the manufacture of frozen concentrated orange juice for every 100 kg of oranges
are produced 55 kg of simple juice and the remaining 45 kg are process wastes consisting of
discarded oranges, peel, seed, lees from essence oil extraction, washed pulp, generically
called "bagasse", with humidity of about 82%, which after going through the process of
industrialization has reduced its moisture to reach 14% and pelletized so reaching the final
moisture around 8%.
The pelletized citrus pulp meal is used as a supplement to feed cattle herds (dairy and
beef).
In the season 2014, considering the results until the month of October, were exported
about 120 thousand tons earning about U$ 13 million, reaching an average price around US $
300.00 / ton for export.
The consumption of thermal energy in the factories is high, especially in the dryng of
pelleted bagasse. A survey carried on the conservation and consumption of energy in a
industrial unit plant in the State of Sao Paulo showed that the demand for thermal energy to
produce one ton animal feed was equivalent to or greater than the amount consumed to
produce one ton of frozen concentrated orange juice.
This study aimed to develop a research to survey the use of microwave energy in the
final stage of the drying process of citrus pulp meal for animal feed manufacturing, comparing
their performance with that of the traditional process, in which Rotary dryers are used.
Comparative tests by which the drying of orange pulp are prepared with and without
application of microwaves, where there was a reduction in energy consumption between
different drying processes, using energy parameters such as: Energy efficiency and the
specific consumption of thermal energy relating the amount of energy needed to evaporate 1
kg of water.
The determination of thermal energy consumed by rotary drier with application of
microwave was conducted as statistical design with two independent variables: the microwave
power and drying air temperature.
The results showed a decrease of 1.99 times the energy consumption per kilogram of
evaporated water (CEET) and 1.96 in the total thermal energy supplied (ETtf) compared to
the values obtained in the tests which were not applied to power of microwaves.
Regarding the drying time, the process was completed in just 18 minutes against 46
minutes spent to perform the same operation without continuous application of microwaves,
proving the efficiency of your application, accelerating moisture removal, providing reduction
in the final drying time of approximately 60%.
Key-words: Orange drying, Microwave, Agricultural wastes as animal feed,
Industrial energy consumption.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01. Distribuição das fabricas extratoras de suco no Estado de São Paulo. 21
Figura 02. Etapas do processo de fabricação do Farelo de Polpa cítrica. 30
Figura 03 Curva típica de secagem convectiva 33
Figura 04 Curvas da taxa de secagem de secagem. 33
Figura 05. Representação esquemática de um secador rotativo. 36
Figura 06. Detalhes das aletas no interior do secador rotativo. 37
Figura 07. Perfis típicos de aletas para secadores rotativos. 38
Figura 08. Parâmetros geométricos das aletas dos secadores rotativos. 38
Figura 09. Relação entre holdup e posição da aleta para os valores do ângulo
. 39
Figura 10. Curva E de distribuição do tempo de residência DTR. 44
Figura 11. Sinal típico de saída (curva F). 44
Figura 12. Sinal típico de saída (curva C). 45
Figura 13. Propriedades das curvas E, C e F para vários escoamentos. 47
Figura 14. Espectro eletromagnético. 48
Figura 15. Ilustração de onda eletromagnética polarizada propagando-se num plano
Perpendicular. 49
Figura 16. Formas de aquecimento condutivo e por micro-ondas. 50
Figura 17. Representação esquemática da migração iônica. 52
Figura 18. Rotação de uma molécula de água com o campo elétrico. 53
Figura 19. Representação da resposta molecular submetido.
a um campo eletromagnético. 54
Figura 20. Propriedades dielétricas da água em função da frequência. 55
Figura 21. Curva típica de sistema misto de secagem pré-aquecimento. 60
Figura 22. Curva típica de sistema misto de secagem “booster dryng”. 61
Figura 23. Curva típica de sistema misto de secagem final. 63
Figura 24 Amostra do bagaço úmido . 67
Figura 25 - Amostra do bagaço seco. 67
Figura 26. Forno de micro-ondas adaptado. 75
Figura 27. Controle de potência. 75
Figura 28. Ventilador Centrifugo. 75
Figura 29. Sistema gerador de ar quente. 75
Figura 30. Desenho esquemático do secador de cilindro rotativo
assistido por micro-ondas. 80
Figura 31. Moega de Alimentação. 81
Figura 32. Rosca de Alimentação. 81
Figura 33. A cavidade de micro-onda. 82
Figura 34. Sistema de ventilação. 82
Figura 35. Sistema de Aquecimento. 82
Figura 36. Válvula Rotativa. 83
Figura 37. Ciclone. 83
Figura 38. Gerador de Micro-Ondas. 84
Figura 39. Magnetron. 84
Figura 40. Medidores de potência. 84
Figura 41. Toco Quadruplo. 84
Figura 42. Carga Resfriada a Água. 85
Figura 43. Calor específico do bagaço de laranja seco. 97
Figura 44. Diagrama de Pareto. 100
Figura 45. Curvas de secagem do bagaço de laranja. 104
Figura 46. Curvas da DTR para o bagaço de laranja. Ensaio 1. 106
Figura 47. Superfícies de resposta e curvas de contorno para a DTR.. 107
Figura 48. Superfícies de resposta e curvas de contorno para a ETtf. 110
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 Comparação bromatológica entre milho e polpa cítrica. 27
Tabela 02 Critérios para a classificação de secadores. 36
Tabela 03. Efeito da temperatura no fator de dissipação da água. 56
Tabela 04. Capacidade de evaporação e consumo energético. de alguns
tipos de secadores. 63
Tabela 05. Níveis do planejamento estatístico para o forno de micro-ondas adaptado. 76
Tabela 06. Valores do planejamento experimental para o forno de micro-ondas
adaptado. 77
Tabela 07. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR. 79
Tabela 08. Planejamento experimental para a DTR. 79
Tabela 09. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR. 86
Tabela 10. Planejamento experimental para o secador rotativo.
assistido por Micro-Ondas. 86
Tabela 11. Parâmetros utilizados nos testes de secagem com micro-ondas. 87
Tabela 12. Umidade do bagaço de laranja úmido. 943
Tabela 13. Massa específica aparente do bagaço de laranja. 95
Tabela 14. Massa específica real do bagaço de laranja. 95
Tabela 15. Velocidade terminal do bagaço de laranja. 96
Tabela 16. Ângulo de talude do bagaço de laranja úmido e seco. 96
Tabela 17. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja úmido. 98
Tabela 18. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja seco. 98
Tabela 19. Resumo dos Resultados das determinações realizadas.
com o bagaço de laranja seco e úmido. 98
Tabela 20. Valores reais do planejamento experimental utilizando.
o forno de micro-ondas doméstico adaptado . 99
Tabela 21. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf. 99
Tabela 22. Análise de variância para a resposta ETtf para o forno
de micro-ondas adaptado. 100
Tabela 23. Resultados energéticos para os experimentos
utilizando bagaço de laranja com umidade inicial de 30%. 102
Tabela 24. Planejamento experimental para a DTR. 105
Tabela 25. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta DTR . 105
Tabela 26. Análise de variância para a resposta DTR. 106
Tabela 27. Planejamento experimental para determinar a ETtf. 108
Tabela 28. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf 108
Tabela 29. Análise de variância para a resposta ETtf do secador rotativo. 109
Tabela 30. Resultados energéticos para os experimentos utilizando
bagaço de laranja com umidade inicial de 28,9%. 111
Tabela 31. Consumo de energia durante a secagem do bagaço de laranja
com umidade inicial de 68,50% e 28,86% 113
Tabela 32. Comparação entre os resultados do consumo específico
do secador contínuo rotativo com e sem aplicação de micro-ondas. 113
Tabela 33. Comparação entre os resultados do consumo específico
em relação a massa de baraço seco produzido pelo secador contínuo rotativo
com e sem aplicação de micro-ondas. 115
Tabela 34. Poder Calorífico Inferior (kJ/kg) e preço de venda dos combustíveis. 116
Tabela 35. Custo de produção (R$/tonbs). 117
Tabela 36. Comparações entre os processos de secagem . 118
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 21
2. OBJETIVOS 25
2.1 Geral 25
2.2 Específicos 25
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26
3.1. O uso de bagaço de laranja como ração animal 26
3.2. Caracterizações do processo industrial 27
3.3. Secagem 31
3.3.1. Conceitos de secagem 31
3.4. Secadores 35
3.4.1. Avaliação e tipos de secadores 35
3.4.2. Secador rotativo 36
3.4.2.1. Configuração das aletas 37
3.4.2.2. Movimentação do material 39
3.5. Distribuição do Tempo de Residência 40
3.6. Aquecimento por micro-ondas 47
3.6.1. Propriedades dielétricas 51
3.6.2. Capacidade de penetração da micro-onda 54
3.6.3. Secagem com aplicação de micro-ondas 57
3.6.4. Aplicações industriais da energia de micro-ondas combinada com ar quente 59
3.7. Parâmetros energéticos 63
4. MATERIAL E METODOS 65
4.1. Material utilizado nos testes 65
4.1.1. Procedência das amostras 65
4.1.2. Preparo das amostras 65
4.1.3. Padronização da umidade do bagaço de laranja 65
4.2. Caracterizações da matéria-prima 67
4.2.1. Umidade 67
4.2.2. Massa específica 68
4.2.3. Velocidade terminal 69
4.2.4. Ângulo de Talude 70
4.2.5. Calor específico 71
4.2.6. Granulometria 72
4.2.7. Análise bromatológia 72
4.3. Planejamento estatístico 73
4.4. Secagem do bagaço de laranja 74
4.4.1. Forno secador de micro-ondas adaptado 74
4.4.2 Distribuição do tempo de residência 77
4.4.3. Secador cilíndrico rotativo com aplicação de micro-ondas 80
4.4.4. Condução dos Testes de secagem 85
4.4.5. Procedimento operacional 87
4.4.6. Medidas efetuadas durante os experimentos de secagem 88
4.5. Energia consumida no secador rotativo com aplicação de micro-ondas 88
4.5.1. Energia térmica total fornecida (ETtf) 88
4.5.2. Consumo específico de energia térmica (CEET) 89
4.5.3. Eficiência Térmica (ET) 90
4.5.4. Densidade de potência (DP) 91
4.6. Teste de secagem sem aplicação de micro-ondas 92
4.7. Análise econômica e operacional 92
4.8. Especificações do secador cilíndrico rotativo industrial 93
5. RESULTADOS 94
5.1. Caracterização do material 94
5.1.1. Umidade 94
5.1.2. Massa específica aparente 94
5.1.3. Massa específica real 95
5.1.4. Velocidade terminal 95
5.1.5. Ângulo de talude 96
5.1.6. Calor específico 97
5.1.7. Granulometria 97
5.1.8. Análise bromatológica 98
5.2. Testes de secagem com o forno de micro-ondas adaptado 98
5.2.1. Análise estatística dos resultados 99
5.2.2. Avaliação energética do secador de micro-ondas adaptado 103
5.3. Distribuição do Tempo de Retenção (DTR) 105
5.3.1. Distribuição do tempo de residência DTR para o bagaço de laranja 105
5.3.2. Análise estatística da DTR 107
5.4. Secagem com o secador rotativo contínuo assistido por micro-ondas 107
5.4.1. Resultado dos testes de secagem 107
5.4.2. Avaliação energética do secador rotativo assistido por micro-ondas 112
5.5. Secagem com secador rotativo sem aplicação de micro-ondas 113
5.6. Avaliação energética dos secadores 113
5.6.1. Análise do Consumo específico entre os secadores 113
5.7. Considerações sobre custo do consumo de combustível e da energia elétrica
utilizada na geração da energia térmica durante o processo de secagem 114
5.8. Considerações sobre o custo da secagem em função da produção
de bagaço seco. 115
6. CONCLUSÕES 119
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS 121
8. APÊNDICES 132
20
21
1. INTRODUÇÃO
É indiscutível a importância do sistema agroalimentar citrícola para a economia
nacional. O Brasil é o maior produtor e exportador mundial de suco de laranja e seus
subprodutos, disputando com os Estados Unidos a hegemonia nesse mercado.
O Estado de São Paulo concentra 80% da produção de frutas e 90% das indústrias de
processamento (Figura 01). Apenas no âmbito nacional, a cadeia citrícola movimentou na
safra de 2012/2013 cerca de 5 bilhões de dólares.
Pode-se considerar ainda o impacto na geração de empregos e no mercado de trabalho,
com emprego direto de 230 mil pessoas, na ocupação da área agrícola e na valorização da
terra envolvendo 320 municípios paulistas e 11 do Triângulo Mineiro, na sustentação,
preservação e manejo ambiental, agregando valor ao produto, promovendo o desenvolvimento
sócio econômico das regiões produtoras (CITRUS BR, 2014).
Figura 01. Distribuição das fabricas extratoras de suco no Estado de São Paulo.
Fonte: Citrus BR, 2014.
Os dados estimados de fechamento da safra 2013/14 apontam para uma produção total
de laranja de 289,9 milhões de caixas de 40,8 kg. Desse total, aproximadamente 50 milhões
de caixas tiveram como destino os mercados in natura doméstico e de exportação, enquanto
22
outras 240 milhões de caixas de laranja destinaram- se ao processamento pelas indústrias
associadas e não associadas à Associação Brasileira dos Exportadores de Citros. (CITRUS
BR, 2014).
Para a safra de 2014/15 estima-se que tenha um crescimento da ordem de 6,5% ante a
safra passada, alcançando uma produção total de 308,8 milhões de caixas 40,8 kg, das quais
40% são processadas em forma de suco e subprodutos cítricos e o restante comercializadas
como frutas frescas, sendo que esta safra virá em um momento em que os estoques mundiais
encontram-se no nível mais baixo na história recente da indústria processadora. (CITRUS BR,
2014).
Estima-se que a produção total de Suco de Laranja Concentrado Congelado (SLCC)
com 66 °Brix, para a próxima safra (2014/15) alcance um volume total de 973 mil toneladas,
considerando um rendimento industrial médio em torno de 265 caixas de laranja, de 40,8 kg
necessários para produção de uma tonelada de suco concentrado (CITRUS BR, 2014).
O cultivo de laranja destinado para processamento em larga escala começou na Flórida
na década de 1920, mas após sucessivas geadas nos Estados Unidos que destruíram
plantações e prejudicaram o fornecimento de suco para o mercado local, produtores
brasileiros estabeleceram a indústria de suco de laranja no estado de São Paulo, na década de
1960.
Nas décadas seguintes, a capacidade de produção no Brasil cresceu a ponto do país
ultrapassar a região da Flórida em 1983, tornando-se o principal produtor mundial de laranjas.
Na indústria, todas as partes da fruta são transformadas em produtos comercializáveis
e de larga escala de utilização e aplicação, maximizando assim o seu aproveitamento e
consequentemente o rendimento industrial (NEVES, 2010).
Em um período de 20 anos, o Cinturão Citrícola Brasileiro aumentou sua produção de
caixas de laranja em mais de 45%, enquanto sua concorrente, a região da Flórida, teve sua
produção reduzida em 9%.
A diferença na produção de suco de laranja é ainda maior: enquanto a fabricação de
suco brasileiro cresceu 55%, o suco americano caiu 11%. O que explica tais mudanças ao
longo desses anos é, não apenas os fatores climáticos, que acabaram prejudicando a Flórida,
mas também o investimento brasileiro em pesquisa e tecnologia e o aumento do adensamento
em nossos pomares, que acabaram por tornar a nossa produção mais competitiva (CITRUS
BR, 2014).
O farelo de polpa cítrica peletizado ou farelo de casca de laranja é obtido a partir do
tratamento de resíduos sólidos e líquidos remanescentes da extração do suco.
23
Entre esses resíduos estão cascas, sementes e polpas de laranjas, que equivale a 50%
do peso de cada fruta e tem umidade de aproximadamente 82%.
Após passar pelo processo de industrialização o bagaço é triturado e seco até chegar a
14% de umidade e por fim peletizada para compactar o material, aumentando o seu peso
específico.
O farelo de polpa cítrica peletizado é usado principalmente como complemento para a
ração de rebanhos bovinos (leite e corte), sendo que a sua utilização deve se restringir a no
máximo 30% da matéria seca administrada ao animal adulto (FEGEROS et al. 1995).
Segundo dados fornecidos pela CITRUS BR, as indústrias processadoras exportaram
na safra de 2014 cerca de 150 mil toneladas de farelo de polpa cítrica e faturou a importância
de 57 milhões de dólares, atingindo a cotação média em torno de US$ 390,00/tonelada, para
exportação.
Segundo Hasse (1987), a primeira fábrica de suco concentrado e congelado implantada
no Brasil ocorreu nos anos 50 e foi praticamente um transplante feito dentro dos moldes
norte-americanos, sendo que o processo de secagem empregado para a produção de SLCC e
farelo de polpa cítrica seguem até hoje a mesma tecnologia industrial, tanto nos equipamentos
como no processo industrial.
Este pacote tecnológico foi de tal forma absorvido pela indústria de cítricos do país
que, de acordo com Gasparino Filho (1982), as indústrias de SLCC consumiam grande
quantidade de óleo combustível (derivado de petróleo), sendo que a planta de ração animal
(subproduto) consumia mais energia do que a planta de SLCC (produto principal), devido à
baixa eficiência do secador rotativo.
Cavichiolo (2010) realizou o estudo comparativo do consumo energético da secagem
do bagaço de laranja entre um secador “Flash” e o secador cilíndrico rotativo utilizado pela
indústria processadora de sucos.
De acordo com os dados levantados na indústria processadora, o secador rotativo
consumia 28.5 MJ de energia durante o ciclo de secagem, além de mais 3,6 MJ consumidos
pelos motores elétricos instalados nas prensas, roscas transportadoras e ventilador do secador.
Em função das variações do faturamento das indústrias processadoras devido às
constantes oscilações do preço no mercado nacional e internacional, além dos problemas
ambientais gerados pela emissão dos gases provenientes da queima do combustível utilizado
nos secadores convencionais, incentivam-se estudos para o desenvolvimento de novas
tecnologias economicamente viáveis, buscando a racionalização do uso da energia consumida,
24
reduzindo os custos de produção, consequentemente aumentando a competitividade comercial
do produto.
Diante destes fatos, inerentes à atual tecnologia de secagem utilizada na fabricação do
farelo de polpa cítrica e considerando que esse produto possui grande valor econômico para as
indústrias cítricas instaladas no país, surge a oportunidade de se testar uma inovação no
processo industrial atual utilizando-se a energia de micro-ondas à etapa final do processo de
secagem.
Serão elaborados ensaios comparativos da secagem do bagaço de laranja com e sem
aplicação de micro-ondas, verificando se haverá redução da energia consumida entre os
diferentes processos de secagem, utilizando-se de parâmetros energéticos tais como:
Eficiência energética
Consumo específico de energia térmica
25
2. OBJETIVOS
2.1. Geral
Avaliar alternativas e mudanças tecnológicas na secagem do bagaço de laranja, etapa
da produção de ração animal, buscando soluções economicamente viáveis, com uso eficiente
da energia consumida no processo.
2.2 Específicos
Os objetivos específicos foram:
Caracterizar a matéria prima bagaço de laranja úmida e seca e realizar análise
bromatológica das amostras “in natura” e das desidratadas.
Determinar a cinética de secagem do bagaço de laranja em secador de micro-ondas
adaptado;
Realizar testes experimentais no secador de cilindro rotativo com aplicação de micro-
ondas sob diferentes condições de trabalho e avaliar o desempenho operacional e
energético do secador de cilindro rotativo com aplicação de micro-ondas, nas diversas
condições de secagem;
Comparar as eficiências energéticas obtidas no secador de cilindro rotativo com
aplicação de micro-ondas com a do processo convencional em secador rotativo;
Elaborar estudo econômico visando uma estimativa do custo final da secagem do
bagaço de laranja desidratado em um secador cilíndrico rotativo assistido por micro-
ondas e comparar os resultados obtidos com os do secador cilíndrico rotativo utilizado
no processo industrial sem aplicação de micro-ondas.
26
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. O uso do bagaço de laranja como ração animal
No Brasil, a safra crescente de grãos e hortifrutigranjeiros nos últimos anos tem
aumentado a disponibilidade não apenas de grãos cereais, mas também de subprodutos
passíveis de uso na alimentação de bovinos de corte. A utilização de subprodutos é uma
alternativa para se reduzir o custo da ração e consequentemente da arroba produzida. Alguns
dos subprodutos disponíveis no Brasil utilizados em substituição parcial ou total do milho
são: polpa cítrica, farelo de trigo, farelo de glúten de milho 21 (Refinazil® ou Promill®),
casca de soja, caroço de algodão, dentre outros (SANTOS et al. 2004).
O interesse dos confinadores de bovinos de corte por fontes energéticas alternativas
vem crescendo nos últimos anos e esta tendência se acentua de forma significativa em anos de
preços elevados do milho. A inclusão destas fontes energéticas alternativas ao milho em
dietas para bovinos em confinamento tem como principal objetivo baixar os custos de
alimentação, mantendo desempenho satisfatório. Outro benefício da inclusão de subprodutos
pode ser a redução no teor de amido das rações ricas em grãos, com concomitante aumento
nos teores de fibra digestível, contribuindo para a melhoria do ambiente ruminal.
A polpa cítrica é um subproduto da laranja com grande produção nacional e que inicia
seu período de disponibilidade de maio a janeiro, época da entressafra de grãos e do
confinamento de bovinos de corte.
A polpa cítrica é um alimento energético que possui características diferenciadas
quanto à fermentação ruminal, caracterizando-se como um produto intermediário entre
volumosos e concentradas (FEGEROS et al. 1995). Em geral, a polpa é caracterizada pela alta
digestibilidade da matéria seca, sendo superior até a do milho laminado; apresenta
características energéticas de concentrado e fermentativas ruminais de volumoso
(EZEQUIEL, 2001).
Em função do seu teor de amido praticamente nulo e dos altos teores de pectina e fibra
de alta digestibilidade (Tabela 1), a polpa cítrica apresenta um padrão de fermentação ruminal
diferente da observada nos grãos cereais, com menor produção de propionato e lactato e maior
produção de acetato (SCHALCH et al. 2001). A maior proporção ruminal de ácido acético
causada pela polpa cítrica possibilita menor chance de propiciar acidose ruminal,
diferentemente do que ocorrem com as fontes energéticas mais usuais, como os cereais ricos
em amido.
27
Tabela 01.Comparação bromatológica entre milho e polpa cítrica.
Composição, % da MS Milho Polpa cítrica
Proteína bruta
Fibras em Detergente Neutro (FDN)
Lignina
Extrato etéreo
Cinzas
Amido
Nutrientes Digestíveis Totais (NDT)
9,80
10,80
2,22
4,06
1,60
72,00
88,00
6,70
23,00
13,00
3,70
7,40
-
77,00
Fonte: Schalch et al. (2001)
3.2. Caracterização do processo industrial
Compreendendo a importância que representa a economia de cereais para a
alimentação humana e a utilização de terras cultiváveis para o plantio de alimentos, a
possibilidade de transformar alimentos não utilizáveis pelos seres humanos em alimentação
animal apropriada de alto valor e de custo relativamente baixo, a indústria cítrica desenvolveu
o farelo de polpa cítrica, um produto que reúne todas estas características, além de eliminar os
resíduos sólidos provenientes do processamento do suco de laranja.
A Figura 2 ilustra as etapas de fabricação da ração animal, onde são utilizados os
descartes do processamento industrial, constituídos por: frutos rejeitados da operação de pré-
seleção, que se encontram cortados, amassados e estragados; cascas e sementes resultantes da
operação de extração; a polpa residual da linha de suco de polpa lavada “pulp wash”; cera do
processo do óleo essencial; fragmentos de frutos; casca retirada das peneiras estáticas e
vibratórias provenientes da estação de tratamento de efluente.
Pode-se dizer que as empresas processadoras de Suco de Laranja Concentrado e
Congelado (SLCC) aproveitam integralmente os resíduos gerados no processo industrial.
Os resíduos, com umidade inicial em torno de 82% são transportados e armazenados
em um silo metálico de equilíbrio na fábrica de ração.
Em seguida o material é encaminhado por meio de roscas transportadoras a um
moinho de facas, que reduz os resíduos a partículas de aproximadamente (2,0 x 0,6 x 0,6) cm.
Durante o transporte adiciona-se cal (hidróxido de cálcio) ao bagaço na proporção de 6,0 kg
por tonelada de resíduo.
Depois de desintegrada, a massa é descarregada diretamente em roscas transportadoras
especiais, denominadas de roscas reatoras, que promovem uma mistura perfeita entre o
material e a cal, dando início à formação de pectato de cálcio a partir da pectina do bagaço e
28
cálcio da cal (reação de cura) gerando a perda de seu poder hidrofílico, liberando água e
corrigindo o pH, que deve permanecer na faixa de 6,4 a 6,9. Nesta etapa, o tempo de reação
mínimo é de 5 minutos e máximo de 21 minutos, portanto é necessário ajustar a velocidade da
rosca para que se obtenha o tempo mínimo necessário (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980;
BRADDOCK, 1995).
Decorrida a reação, segue-se a prensagem para remoção do excesso de água presente.
A umidade do resíduo é reduzida para valores na faixa de 70%, sendo que o líquido residual
(licor), líquido resultante da prensagem do bagaço, com concentração de 28° Brix, (açúcares
na sua maioria), rico em carboidratos, será incorporado à ração após concentração no
evaporador WHE (“Waste Heat Evaporator”).
Por intermédio de rosca transportadora, efetua-se a mistura do melaço concentrado
com 45° Brix, obtido da concentração do licor (resultante da prensagem do bagaço) ao
resíduo prensado, obtendo-se um material com umidade inferior ao da torta original.
A recirculação do licor e melaço ao bagaço tem por finalidade recuperar parte dos
sólidos solúveis, lixiviados durante a prensagem. A reincorporação deste material proporciona
um aumento no teor de sólidos totais do bagaço prensado, reduzindo sua umidade.
O material obtido na mistura, contendo aproximadamente 70% de umidade, é
encaminhado, por intermédio de rosca transportadora a um secador de tambor rotativo à
chama direta, operando em sistema concorrente que usa gás quente (obtido da queima de
bagaço de cana) operando em temperaturas que variam de 800 à 1000 ºC, desde a entrada até
a saída dos resíduos, a polpa seca.
Parte dos gases do secador é recirculado para reduzir o consumo de energia e auxiliar a
movimentação do material em seu interior. A outra parte dos gases é utilizada como fonte de
calor no evaporador de licor WHE (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980; BRADDOCK, 1995).
A polpa seca com umidade final entre 12 a 14% é encaminhada por meio de rosca
transportadora à unidade de peletização. A operação é realizada em máquinas extrusoras
contínuas que reduzem através de ação mecânica a umidade do “pellet” para a faixa ideal de
8%.
O processo de peletização facilita o transporte e o armazenamento, pois, além de
elevar o peso específico e aumentar a resistência à deterioração, reduz a quantidade de pó,
consequentemente os riscos de incêndio e explosão, além de facilitar o consumo pelo gado
(RODRIGUEZ E VIÉGAS, 1980). O “pellet” fica praticamente plastificado devido as altas
temperatura e pressão (RODRIGUEZ e VIÉGAS, 1980; BRADDOCK, 1995).
29
No fim do processo de peletização, o material compactado encontra-se à temperatura
acima de 80° C, devendo ser resfriado até a temperatura ambiente em uma unidade onde
circula ar, em corrente cruzada. O resfriamento é necessário, pois de acordo com Rodriguez e
Viégas (1980) e Braddock (1995), umidade acima de 12 % facilita o desenvolvimento de
fungos, que depreciam o produto e podem gerar calor suficiente para causar sua combustão
espontânea (FERRARA, 2003).
O ar utilizado no processo de resfriamento passa por um ciclone que efetua a
separação dos finos por ele arrastado, reconduzindo-os à peletizadora.
Os “pellets” resfriados são transportados por elevadores de caneca até o silo elevado,
onde são armazenados a granel, permanecendo neste local até a sua comercialização.
30
Figura 02. Etapas do processo de fabricação do Farelo de Polpa cítrica.
Fonte: Indústria Citrosuco
31
3.3. Secagem
3.3.1 Conceitos de secagem
A secagem de materiais é uma operação unitária que visa à eliminação da umidade
contida em um sólido, através da evaporação desta por meio da aplicação de calor.
Assim, o estudo da secagem de materiais abrange a determinação das curvas de
secagem, como também o conhecimento do comportamento higroscópico dos materiais.
A secagem é tradicionalmente definida como uma operação unitária que converte um
material sólido, semi-sólido ou líquido em um produto sólido de menor teor de umidade
(BAKER, 1997). Foust et al. (1982) definiram a secagem, de forma geral, como uma operação
destinada a eliminar a água, ou qualquer outro líquido, contido em um sólido, por meio da
adição de calor.
A secagem de materiais visa à preservação do produto e também a redução de peso e
volume do material, facilitando desta forma as operações de transporte, além de permitir o
armazenamento do produto por maior período de tempo. A operação de secagem é utilizada
em diversos segmentos industriais, como por exemplo, na preparação de pós, sólidos
granulares, alimentos, produtos químicos e farmacêuticos, entre outros (COOK e DUMONT,
1991).
É importante ressaltar que os produtos finais obtidos pelo processamento de materiais
biológicos necessitam apresentar baixos teores de umidade, em níveis que não proporcionem
o desenvolvimento de micro-organismos indesejáveis.
Quando um material úmido é submetido à operação de secagem, geralmente ocorrem
simultaneamente dois fenômenos, sendo estes (MENON e MUJUMDAR, 1987):
1. Transferência de energia do ambiente, normalmente calor, para evaporar a umidade
superficial do sólido. Neste caso, a remoção da umidade sob a forma de vapor da
superfície do material é função das condições externas, como por exemplo,
temperatura, umidade, fluxo e direção do ar de secagem e área da superfície exposta;
2. Transferência de massa (umidade) presente no interior para a superfície do material
e sua subsequente evaporação. Assim sendo, o movimento interno da umidade é
função da temperatura, da natureza física e do conteúdo de umidade do sólido.
Durante a realização da secagem a determinação do conteúdo de umidade é um
parâmetro de grande importância e indispensável no que se refere ao acompanhamento das
32
mudanças ocorridas durante o processo. Diante disto, é importante considerar que a umidade
pode estar presente no material em diferentes formas (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Umidade superficial: ocorre quando o líquido existe como um filme externo sobre o material
devido aos efeitos da tensão superficial.
Umidade não ligada: é aquela que pode ser eliminada em uma determinada condição de
processo. Em material não higroscópico, representa todo o conteúdo de umidade interna
presente e para um material higroscópico é o excesso do conteúdo de umidade de equilíbrio
correspondente à umidade de saturação.
Umidade ligada, higroscópica ou dissolvida: acontece quando o líquido exerce uma pressão
de vapor menor que a do líquido puro em uma determinada temperatura. Esta umidade pode
estar presente em diferentes condições: na forma líquida retida em microcapilares, em solução
contida nas paredes celulares e adsorvida química ou fisicamente na superfície do material e
necessita de elevados níveis de temperatura para sua remoção.
3.3.2 Curvas de secagem
O processo de secagem é representado pelas curvas típicas de secagem, que são
reproduções gráficas dos dados de umidade média do material em função do tempo, obtidos
experimentalmente. Dessa forma, a cinética de secagem relaciona a mudança do conteúdo
médio de umidade do material com o tempo de processo.
A partir da determinação da cinética de secagem é possível definir o tempo de
secagem e a quantidade de água evaporada do material. Segundo Strumillo e Kudra (1986), os
parâmetros que influenciam a cinética de secagem incluem a umidade, temperatura e
velocidade do ar. A Figura 03. ilustra a curva típica de secagem que representa a evolução da
umidade do material em função do tempo de secagem.
33
Figura 03.: Curva típica de secagem convectiva.
Fonte: Strumillo e Kudra (1986).
A Figura 04 mostra a curva da taxa de secagem em função da umidade do material. A
taxa de secagem é definida como sendo a quantidade de umidade removida do material na
unidade de tempo por unidade de superfície de secagem (STRUMILLO e KUDRA, 1986):
Figura 04: Curva da taxa de secagem.
Fonte: Strumillo e Kudra (1986).
É possível observar pelas Figuras 3 e 4 a ocorrência de três diferentes períodos de
secagem, denominados de período inicial de secagem, período de secagem à taxa constante e
34
período à taxa decrescente. O último segmento (DE) representa o período final da secagem.
Estes períodos distintos são detalhados a seguir de acordo com (STRUMILLO e KUDRA,
1986):
Períodos AB e A’B: denominados como período inicial de secagem, representam o
intervalo de aquecimento ou resfriamento do material, isto é, o período de estabilização entre
a temperatura do material e a temperatura de bulbo úmido do ar de secagem. A duração deste
período é consideravelmente menor do que o período total de secagem.
Período BC: é o período de secagem à taxa constante, sendo esta taxa de secagem
independente da umidade total do material em cada instante. A superfície do material está
saturada, coberta por um filme contínuo de água livre que age como se o sólido não existisse.
A água evaporada é a água livre e a transferência de massa e de calor são equivalentes, assim,
a velocidade de secagem é constante. A taxa de secagem será constante enquanto a quantidade
de água presente na superfície do produto seja suficiente para acompanhar a evaporação. A
diminuição linear do teor de umidade com o tempo ocorre continuamente até atingir o ponto
C, denominado de ponto crítico, que corresponde ao instante em que o movimento do líquido
do interior para a superfície é insuficiente para manter o filme contínuo sobre a superfície do
material.
Período CD: corresponde ao período de taxa de secagem decrescente, que tem início a
partir da umidade crítica. Neste período, a quantidade de umidade presente na superfície do
produto começa a ser escassa e a velocidade da secagem diminui. A temperatura do material
aumenta, atingindo a temperatura do ar de secagem e o fator limitante é a redução da
migração de umidade do interior do material para a sua superfície. A migração interna da
umidade é o mecanismo que governa esta fase, portanto, a característica da estrutura interna
do material é um fator importante para o entendimento deste mecanismo. O período de taxa
decrescente pode ser dividido em duas fases:
Primeira fase: a umidade livre (fase líquida) presente no interior do produto é contínua, sem a
presença de ar e ocupa todos os poros do produto. O movimento da umidade do interior para a
superfície ocorre por capilaridade, mecanismo que controla a velocidade de secagem nesta
fase.
35
Segunda fase: a remoção de umidade da superfície por evaporação provoca a entrada de ar no
interior do produto, originando bolsas de ar que ficam dispersas na fase líquida dentro dos
poros. Nessa fase, o escoamento capilar ocorre apenas em alguns pontos localizados.
A partir do ponto crítico (C) o comportamento da curva aproxima-se assintoticamente
do conteúdo de umidade de equilíbrio do material (Xeq), que é representado pelo ponto E.
Período DE: é denominado de fase final da secagem, em que ocorre a completa
evaporação no interior do material e o vapor retirado do produto difunde-se através deste até a
superfície e em seguida, através da corrente gasosa, diminuindo ainda mais a taxa de secagem.
Quando a umidade de equilíbrio é alcançada, ou seja, quando a pressão parcial do
vapor na superfície do material é igual à pressão do vapor na fase gasosa, a secagem não
ocorre mais sendo, portanto, a taxa de secagem nula.
3.4. Secadores
3.4.1. Avaliação e tipos de secadores
A qualidade do produto, a melhoria das condições de operação e o custo do consumo
energético são temas de estudos entre os pesquisadores da área de engenharia de
processamento de alimentos (SANTOS, 1997).
Existem diversos trabalhos clássicos sobre o processo de secagem e os tipos de
secadores. No trabalho de Mujumdar e Menon (1995) são citados três principais fatores para a
classificação de secadores:
1 – Forma de fornecimento de energia térmica;
2 – Temperatura e pressão de operação;
3 – Forma de alimentação do secador.
Apesar da grande diversidade de equipamentos e respectivas classificações, um sistema
de secagem, segundo Travaglini et al. (1993), apresenta como componentes principais a fonte
de calor e sistema de aquecimento, dispositivos para movimentação do ar, câmara de secagem
e dispositivos para controle da operação de secagem.
Os critérios de classificação dos secadores adotados por Strumillo e Kudra (1986) e
Mujumdar (1997) são apresentados na Tabela 2.
36
Tabela 02. Critérios para a classificação de secadores.
Critério Exemplo
Pressão Atmosférica ou vácuo.
Operação Contínua ou em batonelada.
Fornecimento de calor Convecção, condução, infravermelho,
dielétrico.
Agente de secagem Ar quente, vapor superaquecido, líquidos
aquecidos e gases rejeitados.
Direção do fluxo de calor e sólidos Co-corrente, contracorrente e fluxo cruzado.
Método do fluxo do agente de secagem Livre ou forçado.
Método do carregamento da umidade Com agente externo de secagem, com gás
inerte, com absorção química da umidade.
Forma do material úmido Líquidos, granulares, pós, pastas, folhas,
camadas finas, lama.
Condição hidrodinâmica Regime estacionário, transiente ou disperso.
Escala de operação De 10 kg/h até 100 t/h.
Construção do secador Bandejas, túnel, esteira, tambor rotativo, leito
fluidizado e outros.
3.4.2. Secador rotativo
O secador rotativo é constituído basicamente de um cilindro circular horizontal,
ligeiramente inclinado que gira em torno de seu eixo longitudinal. A alimentação do material
é realizada em uma das extremidades e o descarregamento do produto é efetuado na outra,
voltada para o vértice do ângulo de inclinação do cilindro. Normalmente dispõem-se aletas no
seu interior para promover a movimentação do material da parte inferior para a superior da
câmara, seguida da queda livre do mesmo (efeito cascata) de modo a intensificar a
transferência de calor e massa do sistema. Um típico secador rotativo está esquematizado na
Figura 05. O aquecimento do material pode ser realizado por contato direto com gases
aquecidos (ar, gases da combustão) ou por vapor que será condensado em anéis concêntricos
de tubos dispostos longitudinalmente na superfície interna da carcaça. Quando o gás e o
sólido são alimentados de modo cocorrente, o cilindro do secador pode ser horizontal ou
inclinado, enquanto para escoamentos em contracorrente é invariavelmente inclinado
(SHERRITT et al., 1993). A velocidade do ar e o tamanho das partículas do produto têm um
papel fundamental sobre a taxa de arraste do material processado no secador. Mesmo
pequenas mudanças dessas variáveis afetam significativamente o arraste (RACHEL e
JACOB, 1992). Normalmente os secadores rotativos apresentam comprimentos na faixa de
2,0 a 9,0 m e diâmetros entre 0,3 a 5,0 m (KELLY, 1987). Perry e Green, (1984) indicam uma
relação comprimento/diâmetro desses equipamentos entre 4 a 10. A rotação varia de 1,0 a
37
15,0 rpm (KNEULE, 1966) e a inclinação de aproximadamente 2° (DOUGLAS et al., 1992;
ANDERSON e JACOB, 1992).
Figura 05. Representação esquemática de um secador rotativo. Fonte: Baker (1988)
3.4.2.1. Configuração das aletas
Na parede interna do secador são instaladas aletas (Figura 06) sendo que as mais
comuns são: as radiais sem borda, as inclinadas de 120°, as de ângulo reto e as circulares
alongadas, como mostrado na Figura 07. Utilizam-se aletas de ângulo reto para material de
fácil escoamento, enquanto os materiais pegajosos requerem aletas radiais sem borda. As
aletas em forma de espiral são empregadas para a alimentação do secador e para acelerar o
escoamento do material a partir da calha de alimentação. A combinação de vários tipos de
aleta é um expediente utilizado para materiais cujas características se modificam durante a
secagem. Para um secador padrão, utilizam-se aletas sem borda na primeira parte do cilindro,
aletas de 45° na segunda parte e de 90° na terceira (PERRY e GREEN, 1984).
Figura 06. Detalhes das aletas no interior do secador rotativo.
Fonte: Disponível em www.manfredinischianchi.com
38
Durante a operação do secador, em cada cascata, o material é capturado por uma parte
inferior no cilindro e transportado para a parte superior. Quando o ângulo de repouso na aleta,
φ (formado pela superfície livre das partículas na aleta com a horizontal), torna-se superior ao
de equilíbrio, o material é derramado pela borda da aleta para a parte inferior do cilindro,
entrando em contato com os gases quentes que escoam axialmente pelo cilindro.
Figura 07. Perfis típicos de aletas para secadores rotativos: (a) retas; (b) de 120°; (c) de
ângulo reto; (d) circulares. Fonte: Baker (1988)
Os ângulos e (formado entre a horizontal e a ponta da aleta) e outros parâmetros
geométricos das aletas são esquematizados na Figura 08 onde L e L’ são os comprimentos da
haste e da ponta da aleta, respectivamente. Esses parâmetros são fundamentais para a
determinação da quantidade de material presente na aleta durante a operação em regime
permanente, “hold up” das aletas, que por sua vez, constitui elemento chave para o cálculo do
tempo de residência do material no interior do secador
Figura 08. Parâmetros geométricos das aletas dos secadores rotativos.
Fonte: Baker (1988)
39
Baker (1988) verificou a influência da posição da aleta (ângulo ) sobre a fração de
“hold up” das aletas como mostrado na Figura 09, onde ho, refere-se a “hold up” para = 0
e ao ângulo formado entre os comprimentos da haste e da ponta da aleta.
Figura 09. Relação entre holdup e posição da aleta para diversos valores do ângulo .
Fonte: Baker (1988)
3.4.2.2. Movimentação do material
Além das características intrínsecas de promover o contato gás-sólido, o secador
rotativo caracteriza-se como transportador de partículas. O conhecimento deste transporte ao
longo do equipamento possui uma análise teórica e experimental complexa e tal fato se deve a
combinação dos movimentos das partículas em seu interior associados com as propriedades
físicas e geométricas de cada material.
Kelly (1987) constatou que tanto a velocidade de rotação do cilindro, quanto o
coeficiente de fricção entre partículas têm pouca influência sobre o perfil de distribuição do
material.
A dinâmica ou movimentação do material no secador deve-se à combinação dos
efeitos cascata, deslizamento e rolagem das partículas. Do ponto de vista de transferência de
calor e massa, quando o ar aquecido é o meio de transferência de calor, o efeito cascata é o
mais importante, já que permite movimentação mais intensa do material em relação aos outros
40
efeitos (KELLY, 1987). Em modelagens consideram-se os tempos gastos pelas partículas
durante o movimento da cascata e na fase densa, isto é, no fundo do cilindro e nas aletas
(REAY, 1988).
Os secadores rotativos têm aplicação na indústria de alimentos, cimento, fertilizantes,
concentrados minerais (KELLY, 1987; DOUGLAS et al., 1992).
Os secadores rotativos possuem as seguintes desvantagens: baixa eficiência ocupa
grandes espaços, são de construção mais complexa e a alimentação do material tanto na
entrada quanto na saída é feita através de correia transportadora.
3.5. Distribuição do Tempo de Residência
O escoamento de um fluido pode ser descrito por diferentes aproximações: teoria da
mecânica dos fluidos ou teoria da distribuição do tempo de residência (DTR). O conceito de
distribuição do tempo de residência é amplamente aplicado nos processos químicos e na
atualidade despertou grande interesse no campo ambiental e no controle da poluição, assim
como em várias aplicações biotecnológicas. Em geral, pode–se dizer que a análise da DTR é
uma aproximação empírica para descrever processos que envolvem escoamento de fluídos,
dispersões e materiais particulados. No campo alimentício, a análise da DTR tem sido
utilizada para avaliar os efeitos dos parâmetros de processamento nas características de
escoamento. Entretanto, na indústria de alimentos, a DTR teve sua ampla aplicação no
processamento asséptico, visto que estes estudos têm um forte impacto sobre a otimização,
avaliação de processos e sobre o diagnóstico de desempenho em equipamentos de processo
(TORRES; OLIVEIRA, 1998).
O conhecimento da distribuição do tempo de residência dos materiais no interior do
secador é fundamental para caracterizar o escoamento no meio de secagem, onde o
comportamento das partículas é complexo e dinâmico com alteração do conteúdo de umidade
a cada instante e, consequentemente da densidade, do volume, do tempo de retenção, da vazão
mássica do material processado.
O tempo de residência de materiais particulados no interior de leitos contínuos pode
ser definido como o tempo médio em que todo material alimentado leva para percorrer a
extensão do leito. Pode ser influenciado pelo transporte e características das partículas no
interior do secador, pela quantidade e geometria dos suspensores e pelas condições
operacionais. Uma revisão completa dos estudos desta natureza pode ser encontrada mais
41
detalhadamente nos trabalhos de Baker (1983), Kelly (1985), Cao E Langrish (1999) e
Renaud (2000).
Na literatura podemos verificar tendências para o estudo do transporte de sólidos, no
qual são baseados através de correlações empíricas e semiempíricas para a determinação do
tempo de residência e seus efeitos operacionais sobre as diferentes variáveis possíveis do
processo de secagem. Outras abordagens relatam estudos experimentais e numéricos que
contribuíram para a determinação e simulação de curvas de distribuição dos tempos de
residência.
Em estudo realizado por Waje et al. (2007) sobre a distribuição do tempo de residência
(DTR) em um secador transportador em escala piloto, os autores indicam que o conhecimento
da DTR fornece informações úteis em projetos, escala, controle e identificação das
características do fluxo e da mistura de um secador contínuo. Um estudo experimental da
DTR em escala piloto de um secador de leito vibro-fluidizado contínuo foi conduzido por Han
et al. (1991). A distribuição do tempo de residência para o trigo foi estudada utilizando tinta
como traçador. O marcador foi injetado na corrente de alimentação durante a operação de
estado estacionário. A conclusão do estudo foi que as variáveis que afetam a DTR foram a
intensidade da vibração, o fluxo de massa de ar, a vazão de alimentação dos grãos, altura do
leito, e tamanho de partícula.
Rhodes et al. (1991) descreveram o processamento do tratamento de dados para
determinar o DTR, quando um traçador é usado em um leito fluidizado circulante. Eles
pesquisaram possíveis formas de descrever os fenômenos de mistura usando um modelo
unidimensional de dispersão. Brod et al. (2004) determinou o DTR num secador vibro-
fluidizado utilizando o método do estímulo e resposta.
As partículas devem ser retidas no secador por tempo suficiente para que a umidade
seja removida a uma taxa determinada pelas condições do processo (KEEY, 1992). Além
disso, é necessário que o conteúdo de umidade e a temperatura do produto final estejam
dentro de uma pequena faixa de variação. Isto significa que a distribuição do tempo de
residência (DTR) das partículas sólidas no interior do secador deve ser tão uniforme quanto
possível. A importância da uniformidade do DTR também é verificada em reatores (HAN,
MAI e GU, 1991).
O tempo de residência depende das propriedades mecânicas das partículas, na
intensidade de transporte e nos parâmetros geométricos do equipamento (SZALAY et al.,
1995).
42
Conhecendo o que está acontecendo dentro do secador em estudo, isto é, tendo em
mãos um mapa completo da distribuição de velocidades do sólido, é possível predizer o
comportamento do sólido dentro do secador. Embora bem elegante em princípio, essa forma
de ataque é impraticável, devido às suas dificuldades experimentais (LEVENSPIEL, 1974).
Segundo Himmelblau e Bischoff (1968), o tempo de residência é o tempo em que a
porção do material permanece no equipamento, ou seja, o tempo decorrido entre o momento
de entrada da porção do produto até o instante em que a mesma abandona o equipamento.
Dascalescu (1969) formulou a relação representada através da Equação 03 na qual o
tempo de retenção ou de passagem do material pelo secador podem ser ajustados em função
da velocidade de rotação e vazão de alimentação do material correlacionado com as
dimensões do secador.
(min) (03)
Onde:
Θ = tempo de retenção em minutos;
k = coeficiente complexo = 0,5;
sendo υ o ângulo de inclinação do cilindro e λ ângulo de talude do material;
Ld = comprimento do cilindro em metros;
Dd = diâmetro interno do cilindro em metros;
n = rotação do cilindro em rpm.
Friedman e Marshall Jr. (1949) analisaram a retenção e o tempo de residência de
vários tipos de sólidos em um secador rotativo de 1,83 metros de comprimento e 0,3 metros
de diâmetro. Este estudo consistiu de um extenso trabalho experimental, onde foi investigada
a influência das variáveis operacionais do secador, tais como a inclinação do cilindro,
velocidade de rotação, vazão de alimentação do produto, vazão do ar de aquecimento e
números de suspensores em relação ao tempo de permanência das partículas no interior do
secador. Foi proposta uma correlação, Equação 04 para a predição do tempo de residência
com base nas variáveis estudadas descrita a seguir:
43
Onde:
α = o ângulo de inclinação;
Ω = velocidade de rotação;
D = diâmetro interno do cilindro;
L = comprimento do cilindro;
dp = diâmetro da partícula;
= vazão de ar;
= vazão de sólidos.
Em muitos casos não é necessário o conhecimento completo do escoamento do sólido,
mas somente por quanto tempo as partículas individuais permanecem no interior do secador
ou mais precisamente, qual a distribuição dos tempos de residência do sólido. Tal informação
pode ser determinada por um método de investigação amplamente usado: o teste do estímulo
e resposta.
Sólidos percorrendo caminhos diferentes no secador podem ter tempos diferentes para
escoar através do cilindro. A distribuição desses tempos para o sólido que deixa o secador é
chamada distribuição de idade de saída, curva E ou a distribuição do tempo de residência
(DTR) do sólido.
A variação nos tempos de residência do material no equipamento é mais bem descrita
pelas funções de distribuição do tempo de residência C(t), E(t) e F(t).
A função E(t) representa a fração em massa do material na descarga, cujo tempo de
residência situa-se entre t e t+dt. A curva E(t) é a distribuição adequada para verificar a
ocorrência do escoamento não ideal (LEVENSPIEL, 1972).
É conveniente representar a DTR de tal maneira que a área sob a curva seja unitária,
isto é:
Este procedimento é chamado normalização da distribuição. A Figura 10 mostra a
distribuição de forma normalizada:
44
Figura 10. Curva E de distribuição do tempo de residência DTR.
Para determinar a curva, utiliza-se de técnicas experimentais conhecidas como técnicas
de estímulo e resposta, onde perturba-se o sistema e verifica-se como ele responde ao
estímulo. Uma análise da resposta dá a informação desejada sobre o sistema. No presente
caso, o estímulo é uma entrada de traçador no escoamento de sólidos que entram no secador,
enquanto a resposta é um registro de tempo que o traçador percorreu até sair do equipamento.
Qualquer material que possa ser detectado e que não perturbe o escoamento pode ser usado
como traçador. Qualquer tipo de sinal de entrada pode ser usado: casual, periódico, em degrau
ou pulsante.
Fornecendo à entrada um sinal de traçador em degrau, e sendo a concentração inicial
C0 e a concentração em qualquer instante C, o registro da concentração do traçador na
corrente de saída medida como C/C0 em função do tempo é chamada de curva F, (Figura 11).
A função F(t) representa a fração em massa do material na corrente de saída e que
permaneceu no equipamento por um intervalo de tempo ≤ t.
Evidentemente, F(0) = 0 e F( = 1 (VANECEK; MARKVAT; DRBOHLAV, 1966;
RAMASWAMY et al., 1995).
Figura 11. Sinal típico de saída (curva F) como resposta a um sinal de entrada em degrau.
45
A função C(t) dt fornece a fração de material retida no equipamento, desde o momento
de entrada, para um diferencial de tempo dt transcorrido.
A entrada em degrau a partir do tempo t a alimentação de sólido de entrada passa a
conter uma concentração uniforme C0 do sólido marcado. A curva normalizada da resposta da
entrada de um sinal pulsante de um traçador em degrau é chamada de curva C e tem as
seguintes propriedades (Figura 12).
Figura 12. Sinal típico de saída (curva C) como resposta a um sinal de entrada de um pulso
ideal.
A entrada em pulso ocorre à injeção instantânea, no tempo t, de uma massa “m” do
sólido marcado na concentração C0 (LEVENSPIEL, 1974)
Como essa curva C registra o DTR para um dado lote particular de sólidos que entra
no secador ela também pode ser a DTR para qualquer outro lote (regime permanente), em
particular, qualquer outro lote na corrente de saída, assim sendo:
C = E (06)
A distribuição de idade de um material de saída é definida em termos da fração
mássica apresentada no instante entre t e t+dt. Como F é a função acumulada para um tempo t,
então (LEVENSPIEL, 1974):
46
Ou ainda diferenciando:
Finalmente, o tempo de residência médio é definido como sendo:
Ou:
O tempo de residência dá uma medida do total do material retido no secador e o
adimensional de tempo é um índice para comparar o trânsito de partículas individuais.
Quando se dispõe de dados discretizados, o valor médio da distribuição de uma curva
C versus t é dado por:
A variância dá uma ideia da dispersão da distribuição, e pode ser definida como:
E em uma curva E versus t:
47
As formas das curvas E, C e F podem ser observadas na Figura 13.
Figura 13. Propriedades das curvas E, C e F para vários escoamentos.
3.6. Aquecimento por micro-ondas
O uso de energia eletromagnética para aquecimento de materiais dielétricos começou a
ganhar impulso com a patente do primeiro forno de micro-ondas em 1946 por engenheiros da
Raytheon Corporation, baseando-se nos efeitos observados pelo Dr. Percy Spencer, que
verificou a influência de ondas eletromagnéticas no aquecimento de determinados materiais
como chocolate, ovo e milho de pipoca (PEREIRA E PINHO, 2002).
A energia de micro-onda é uma modalidade de radiação eletromagnética como a luz
ultravioleta, raios-X, ondas de televisão, rádios AM e FM e infravermelho (Figura 14). Está
48
situada no intervalo de frequências compreendido entre 300MHz e 300GHz, com
comprimentos de onda que se estendem entre 1 m e 1 mm, respectivamente. As bandas de
frequências utilizadas para aplicações em eletrotermia (energia elétrica utilizada para produzir
calor) são restritas, a fim de se evitar interferências nas faixas de frequência utilizadas em
telecomunicações. São reservadas em eletrotermia algumas faixas estreitas de frequências,
entre as quais as mais empregadas em micro-ondas são 915 ±25 MHz e 2.450 ±50MHz que
correspondem a comprimentos de onda no vácuo de 32,8 cm a 12,25 cm, respectivamente
(SENISE, 1985).
Figura 13. Representação do espectro eletromagnético (DALL´OGLIO, 2002).
Figura 14. Espectro eletromagnético. (DALL’OGLIO, 2002)
De acordo com Smit (1987), as ondas eletromagnéticas Figura 15, são oscilações de
campos elétricos e magnéticos associados que se propagam pelo
49
espaço.
Figura 15. Ilustração de onda eletromagnética polarizada propagando-se num plano
perpendicular (λ = comprimento de onda, E = campo elétrico, Η = campo magnético e C =
direção da propagação).
A onda eletromagnética é caracterizada pela frequência (f), pelo comprimento de onda
(λ) e pela velocidade de onda (V). A frequência é uma propriedade invariante, não se
alterando por nenhum processo linear. A velocidade da onda varia dependendo do meio em
que a onda esta se propagando. A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no
vácuo é de aproximadamente 3 x 108
m s-1
. O comprimento de onda é a relação entre
velocidade e a frequência dado por:
A quantidade de energia (W) contida em uma onda eletromagnética, medida em Joules
(J), é definida por:
Onde:
h= constante de Planck 6,36 X 10 -34
(J Hz-1
);
f = frequência (Hz).
50
As micro-ondas são geradas pelo “magnetron”, um tubo oscilador alimentado por um
circuito eletrônico capaz de converter energia elétrica de um circuito industrial (60 Hz) em
energia eletromagnética de micro-ondas (por exemplo, 2.450 MHz). A penetração e o
aquecimento de alimentos em um campo de micro-ondas são praticamente instantâneos, em
contraste com métodos convencionais de aquecimento, onde o transporte de calor ocorre por
condução ou convecção (Figura 16).
Figura 16. Formas de aquecimento condutivo e por micro-ondas.
Um sistema de aplicação de energia de micro-ondas é composto basicamente por
componentes de geração da energia em uma determinada frequência e de condução da mesma
para um aplicador, no qual gera calor dentro dos materiais dielétricos.
Sistema de geração de micro-ondas é composto pela fonte de alimentação que fornece
as tensões e correntes necessárias para alimentar o gerador de micro-ondas. O gerador é um
oscilador que converte a potência fornecida pela fonte em energia nas frequências de micro-
ondas e o oscilador mais usual é o do tipo “magnetron”.
A transmissão de micro-ondas é realizada de forma guiada por meio da propagação do
campo eletromagnético em tubos metálicos altamente condutivos. (MARSAIOLI, 1991;
PEREIRA, 2007).
Distinguem-se dois tipos de aplicadores, em um caso a interação ocorrerá em um guia
de onda preenchido pelo dielétrico e, em outro, a interação ocorrerá dentro de uma cavidade.
No primeiro, o tipo de propagação é monomodal, ou seja, as ondas se propagam em
51
uma única direção. Já a distribuição de campo elétrico dentro de uma cavidade ocorre a partir
da propagação multimodal, ocasionada pela reflexão das ondas nas paredes metálicas da
cavidade, o que gera um dos principais problemas associados com o aquecimento por micro-
ondas, a produção de zonas quentes e frias no produto. Isso ocorre devido ao fenômeno de
onda estacionária, onde ondas refletidas aparecem e se superpõem entre si à onda incidente. A
relação entre as intensidades de campo elétrico máximo e mínimo é denominada razão de
onda estacionária (ROE). A onda refletida nos pontos em que chega em fase com a onda
incidente soma-se à mesma e aumenta o valor do campo elétrico. Isso resulta em uma
distribuição não uniforme do campo elétrico dentro de um aplicador e consequentemente em
um aquecimento não uniforme.
Nas cavidades, uma parte deste aquecimento não uniforme é devido ao aplicador.
Este fenômeno é causado pelos valores altos e baixos do campo elétrico, que são
intrínsecos à sua estrutura geométrica. Portanto, a geometria do material, assim como as suas
propriedades dielétricas, também afetam a uniformidade do aquecimento.
As propriedades dielétricas dos materiais determinam a quantidade de energia
acoplada em um produto, sua distribuição dentro do produto e por consequência, o tempo e a
frequência das micro-ondas necessárias para o aquecimento em processos de transferência de
energia por radiação (MUDGETT, 1996).
3.6.1. Propriedades dielétricas
A constante dielétrica é uma propriedade intrínseca dos meios e está relacionada com
a resposta dos materiais aos campos elétricos. A interação fundamental dos campos com a
matéria se manifesta mediante a polarização. Os materiais dielétricos têm a capacidade de
armazenar energia elétrica. Para converter energia de micro-ondas em energia térmica,
ocorrem mecanismos em escala molecular e atômica (BUFFLER, 1992). A migração iônica e
a rotação dipolar são da maior importância nos sistemas de aquecimento de materiais
biológicos através de micro-ondas.
O aquecimento de alimentos por micro-ondas, nas frequências geralmente empregadas
no processamento industrial dos alimentos (915 e 2.450 MHz), resulta do acoplamento de
energia de um campo eletromagnético em uma cavidade de micro-ondas.
Essas interações levam à geração de calor instantânea dentro do produto devido ao
“atrito molecular”, primariamente por causa da ruptura de pontes de hidrogênio fracas
associadas com a rotação dos dipolos de moléculas de água livre e com a migração
52
eletroforética de sais livres em um campo elétrico de polaridade rapidamente variável. Esses
efeitos estão predominantemente relacionados com os constituintes iônicos aquosos dos
alimentos e seus constituintes sólidos associados e de sua dissipação dentro do produto. Isto
resulta em elevação de temperatura instantânea dentro do produto, em contraste com os
processos de aquecimento convencionais que transfere energia da superfície, com constantes
térmicas de tempo longas e lenta penetração de calor (MARSAIOLI, 1991).
Na migração iônica (Figura 17), os componentes ionizados colidem aleatoriamente
com moléculas não ionizadas quando submetidos a um campo elétrico alternativo. A energia
elétrica destes íons é convertida em calor durante as colisões. No caso de aquecimento pela
rotação dipolar, moléculas polares como a água e outras moléculas que podem se tornar
“dipolos induzidos” devido às tensões causadas pelo campo, influenciadas pela rápida
mudança de polaridade deste campo. (DECAREAU e PETERSON, 1986).
Figura 17. Representação esquemática da migração iônica.
A rotação dipolar é o efeito que o campo elétrico oscilante das micro-ondas causa as
moléculas que possuem movimento dipolar induzido ou permanente.
Quando se estabelece um campo elétrico, as moléculas dipolares se alinham com os
polos deste campo elétrico (Figura 18).
53
Figura 18. Rotação de uma molécula de água com o campo elétrico de uma micro-onda.
Decareau e Peterson (1986).
Como as ondas eletromagnéticas geram campos elétricos positivos e negativos
alternados, provoca-se uma desordem e agitação das moléculas dipolares, transformando-se
em calor a energia absorvida para o realinhamento das moléculas. A Figura 19 ilustra o
fenômeno, onde ocorre uma rápida mudança de posição das moléculas, alternando a sua
direção. Quando o campo elétrico é removido, as moléculas retornam ao seu estado de
desordem, em um tempo de relaxação t resultando em geração de energia térmica.
54
Figura 19. Representação da resposta molecular submetido a um campo eletromagnético.
Moléculas polarizadas alinhadas com os polos do campo eletromagnético; Desordem
termicamente induzida quando o campo eletromagnético é alterado. (E.D.NEAS,
M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst & Jassie, 1977)
Quando se utiliza a frequência de 2.450 MHz, o alinhamento das moléculas e seu
retorno ao estado de desordem ocorrem 4,9 x 109 vezes por segundo, o qual resulta em
aquecimento rápido e eficiente. (E.D.NEAS, M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst
& Jassie, 1977)
3.6.2. Capacidade de penetração das micro-ondas
Quando se irradia um material qualquer com micro-ondas, existem três possibilidades
quanto à penetração da onda eletromagnética:
a) Reflexão: o material reflete a micro-ondas sem ser afetado pelas mesmas.
b) Transparência: as micro-ondas atravessam o material sem provocar nenhum efeito.
c) Absorção: o material absorve total ou parcialmente a radiação.
Como os materiais diferem na sua habilidade de conversão da energia eletromagnética
das micro-ondas em calor, é importante conhecer o fator de dissipação de energia do material.
Este fator representa a capacidade que cada material possui em absorver energia de micro-
ondas. Esta absorção está diretamente relacionada com o grau de penetração da radiação no
55
material. A penetração é nula nos materiais que refletem micro-ondas, como os metais, e
infinita nos meios transparentes (quartzo e TeflonTM
).
Na figura 20, estão representadas as propriedades dielétricas da água destilada em
função da frequência, a 25ºC. Observa-se que significantes perdas dielétricas ocorrem acima
de 10.000 MHz, enquanto que os aparelhos de micro-ondas domésticos operam a frequências
muito inferiores, 2.450 MHz. Existe um motivo para se utilizar esta frequência: é necessário
que o material seja eficientemente aquecido em seu interior. Se a frequência for ótima para
uma máxima velocidade de aquecimento, as micro-ondas serão absorvidas nas regiões externa
do produto e penetrarão muito pouco. Portanto a profundidade de penetração, que é a
profundidade dentro de um material onde a potência atinge a metade de seu valor na
superfície, e um importante parâmetro experimental. (KINGST & HASWELL, 1977)
Figura 20. Propriedades dielétricas da água em função da frequência. (E.D.NEAS,
M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst & Jassie, 1977)
Quando o material é aquecido, o tempo de relaxação dielétrica irá mudar com o fator
de dissipação e consequentemente com a profundidade de penetração, Tabela 03.
O fator de dissipação decresce com a elevação da temperatura da água.
56
Tabela 03. Efeito da temperatura no fator de dissipação da água.
Temperatura (ºC) Tangente δ (x 104)
1,5 3.100
5,0 2.750
15,0 2.050
25,0 1.570
35,0 1.270
45,0 1.060
55,0 890
65,0 765
85,0 547
95,0 470
Medidas feitas a 3.000 MHz. Dados extraídos de Von Hipel, A.R. Dieletric Materials
and Applications; John Wiley: New York, 1954; p.301
Segundo Mudgett (1966) os alimentos em geral, podem ser visualizados como
dielétricos de capacitores não ideais no sentido que estes possuem a habilidade de dissipar e
armazenar a energia elétrica de um campo eletromagnético, através de um conjunto de
propriedades dielétricas expressa em notação complexa com uma componente real, constante
dielétrica, ( ’) e uma componente imaginária, perda dielétrica ( ”). Tais materiais não
interagem com o componente magnético do campo por causa da sua permeabilidade
magnética e além disto eles são geralmente isolantes pobres, pois dissipam quantias
consideráveis de energia elétrica, acoplada através do mecanismo de relaxação e condução
relacionadas basicamente ao teor de água livre e ao teor salino, resultando em calor gerado
internamente (VON HIPPEL, 1966)
Senise (1985) relata que as micro-ondas são empregadas para o aquecimento de
materiais dielétricos, ou seja, maus condutores elétricos e maus condutores térmicos.
Desde que a energia eletromagnética penetre no material dielétrico ocorre a
transformação em calor por um conjunto de mecanismos em escala molecular e atômica, entre
os quais se sobressaem a condução iônica e rotação polar. A esta última associa-se a imagem
de histerese dielétrica, termo que identifica o aquecimento de materiais dielétricos sob a ação
das micro-ondas.
Os mecanismos de deslocamento de cargas ou polarização variam com o tipo e
temperatura do dielétrico e a frequência do campo elétrico. Os parâmetros que caracterizam
os materiais dielétricos são:
Permissividade dielétrica relativa ’ (Constante dielétrica): avalia a capacidade
de um material armazenar energia elétrica de maneira reversível.
57
Fator de perda relativa ”: parâmetro dado pelas propriedades elétricas de
dissipação de energia elétrica sob a forma de calor, desta forma, de maneira
irreversível.
Tangente de perdas: O coeficiente dos dois valores dado pela Equação 13. Este
valor indica a capacidade do material de ser penetrado pelo campo elétrico e de
dissipar a energia em forma de calor, ou seja, determina a extensão de reflexão
e transmissão de energia dentro do mesmo.
A maioria das aplicações de micro-ondas nas indústrias químicas e de alimentos é
relativa à água. A água líquida apresenta em comparação aos dielétricos comuns, os valores
mais elevados de ’ e ”. Desta forma, pode-se concluir que materiais com maior umidade,
são mais fáceis de aquecer com a aplicação de micro-ondas. (SENISE, 1985)
3.6.3. Secagem com aplicação de micro-ondas
As características do aquecimento dos materiais por micro-ondas são relativas às suas
propriedades dielétricas. Essas características dielétricas influenciam nas transferências
internas aos materiais. Mas mesmo no caso da secagem por micro-ondas, os fenômenos
externos podem influenciar nas velocidades de secagem, daí o interesse pelos processos de
secagem acoplados, tais como secagem por convecção com aplicação de micro-ondas.
Na prática, o aquecimento por micro-ondas e o comprimento de onda a ser utilizado
dependem da interação de fatores como volume e formato da cavidade, proporção de água,
sais e gordura no material a ser seco, propriedades dielétricas, estrutura geométrica e estado
físico do material. Sabe-se também que a parte sólida do material pouco contribui para seu
comportamento dielétrico em níveis elevados de umidade (HENRY e CHAPMAN, 2002).
Como a energia de micro-ondas gera calor no interior dos materiais processados, o
aquecimento é praticamente instantâneo, o que resulta frequentemente em tempos de
processamento mais curtos e aquecimento homogêneo com qualidade do produto superior à
obtida pelos métodos convencionais. Outra vantagem é a preservação de componentes
nutricionais importantes, como vitaminas, proteínas e minerais (HENRY e CHAPMAN,
2002).
58
Trabalhos anteriores mostram que longos tempos de secagem e temperaturas elevadas
acarretam uma degradação substancial nos produtos secos, podendo interferir no sabor, na
cor, nos nutrientes, acarretar encolhimento, assim como interferir na capacidade de
reidratação. Esta tecnologia tem oferecido nas ultimas décadas uma alternativa para os
processos de secagem, seja do aspecto de uma melhor eficiência energética comparada com a
secagem convectiva por ar quente, principalmente na etapa de taxa de secagem decrescente,
ou de uma maior conservação na qualidade dos produtos, dado pelo tempo de processamento
menor (MASKAN, 2000).
Segundo Berteli (2005), o processo de secagem assistido a micro-ondas resulta em
tempos de processamento mais curtos, maior rendimento e usualmente em uma qualidade do
produto superior à encontrada com técnicas convencionais de secagem.
A combinação de métodos de secagem convencionais com aplicação de micro-ondas
cria uma grande vantagem, pois enquanto o ar de secagem carrega a água livre na superfície
do produto úmido, as micro-ondas aquecem o interior do produto, facilitando o transporte da
água interna para a superfície do material (GOKSU et al. 2004; FENG et al., 2001). Outros
estudos sugerem um sistema duplo onde primeiro se trabalha com secagem convectiva e, após
o produto atingir umidade crítica, inicia-se a segunda fase com aplicação de micro-ondas.
(SCHIFFMANN, 1987)
A secagem com aplicação de micro-ondas representa um método alternativo aos
processos convencionais, principalmente no que se refere ao período de taxa decrescente.
Nesta etapa, a remoção da umidade é mais difícil, pois a superfície seca do material promove
uma barreira à evaporação, exigindo alto consumo de energia. Diante disto, a secagem pode
ser realizada em um primeiro instante pelo método convencional seguido da aplicação de
micro- ondas ou também com a aplicação de diferentes níveis de potências de acordo com as
necessidades de transferência de calor e massa de cada período da curva de secagem.
Tsukui, A.; Rezende, C. M. (2014) abordaram diversas temáticas relacionadas aos
princípios da Química Verde, como catálise, solventes alternativos e desenvolvimento de
processos mais seguros e eficientes nos processos de extração através da utilização da
irradiação micro-ondas, como uma alternativa para a redução de resíduos através da utilização
de pequena quantidade de solventes ou mesmo sua ausência nos laboratórios de pesquisa.
Botha et al. (2012) ao estudarem a secagem de abacaxi osmoticamente desidratado
com ar quente e aplicação variável de micro-ondas, perceberam que a variação da potência de
micro-ondas durante a secagem combinada com temperaturas baixas do ar, pode resultar num
processo de secagem rápida, sem carbonização significativa de pedaços dos abacaxis.
59
Lombraña et al. (2010) estudaram a influência da secagem com aplicação de micro-
ondas em cogumelos fatiados para diferentes condições operacionais relacionadas com
controle de temperatura e pressão e seus efeitos sobre a cinética de secagem e qualidade do
produto. Ressaltaram a importância da utilização e aplicação industrial de micro-ondas na
inativação de enzimas responsáveis pelo escurecimento de cogumelos.
Vários estudos de secagem de produtos agrícolas utilizando a energia de micro-ondas
foram relatados, Marsaioli et al. (2009); Lescano (2009); Fukuda e Silveira (2008); onde
concluíram que as micro-ondas em relação aos processos convencionais de secagem pode ser
uma alternativa viável, funcionando de forma eficiente , obtendo a redução do tempo de
secagem, sendo recomendado para materiais de difícil secagem atingindo baixos teores de
umidade.
Feng e Tang (1998) compararam a secagem de cubos de maçã em secador de leito de
jorro e secador de leito de jorro com aplicação de micro-ondas, e concluíram que o material
seco no equipamento com aplicação de micro-ondas, apresentou menor descoloração e
maiores taxas de reidratação, além de uma diminuição de mais de 80% do tempo de secagem,
quando comparado com a secagem no equipamento convectivo.
Owusu-Ansah (1991) cita a necessidade de se renovar os velhos processos usados na
indústria de alimentos e cita como exemplo o preparo de gelatina que ao se utilizar o processo
convencional passa por nove etapas, requerendo equipamentos caros, onde requer alto
investimento em infraestrutura. Ao se utilizar um secador contínuo a micro-ondas o processo
é reduzido a quatro etapas e o produto obtido apresenta características melhoradas em relação
ao método convencional.
3.6.4. Aplicações industriais da energia de micro-ondas combinada com ar quente
Na literatura estudos reportam a combinação da energia de micro-ondas com o
processo convencional por convecção, de forma que a secagem foi dividida em dois estágios.
Durante a fase inicial foi empregada a secagem convectiva com ar quente e durante a etapa
final foi realizada a aplicação de micro-ondas combinada ou não com convecção (ROSA,
2012; MASKAN, 2001; FENG e TANG, 1998 e PRABHANJAN et al., 1995).
O emprego da radiação em um segundo estágio da secagem, é utilizado a fim de
acelerar o processo, de forma que a energia de micro-ondas atue de forma específica na sua
etapa mais lenta, proporcionando, na maioria dos casos, maior eficiência energética e melhor
60
qualidade do produto final. Isto porque, o tempo de exposição do material a altas temperaturas
é reduzido em comparação à secagem convencional.
Schiffmann (1987) cita uma melhora da eficiência com diminuição dos custos de
secagem através de combinação de ar quente e micro-ondas. O ar quente é relativamente
eficiente na remoção da água livre ou de capilaridade, próxima a superfície, enquanto que a
energia de micro-ondas fornece um meio eficiente de remoção da água livre e da água ligada,
situada no interior das células e de difícil remoção através dos processos convectivos. Existem
três formas de combinação entre o uso de micro-ondas com os métodos convencionais de
secagem descritas a seguir:
Pré-aquecimento: a energia de micro-ondas é aplicada na entrada do secador
convencional, forçando a migração da umidade para a superfície, permitindo a
operação do secador convencional na sua condição mais eficiente (Figura 21).
Figura 21. Curva típica de sistema misto de secagem pré-aquecimento.
“Booster drying” a energia de micro-ondas é aplicada no secador convencional quando
a superfície do material está seca, a umidade está concentrada no centro e a taxa de
secagem começa a cair (Figura 22).
61
Figura 22. Curva típica de sistema misto de secagem “booster dryng.”
Secagem final: É a fase menos eficiente da secagem convencional, quando se gasta 2/3
do tempo total para remover 1/3 de água. O uso da energia de micro-ondas na saída do
secador convencional compensa a ineficiência do ar quente através da geração interna
do calor, peculiar neste tipo de processo. (Figura 23).
Figura 23. Curva típica de sistema misto de secagem final.
Smith (1979) estudou a influência da aplicação de micro-ondas durante o processo de
secagem e concluiu que o aquecimento dielétrico, combinado com a convecção forçada
convencional e introduzido a partir da umidade crítica, apresenta efeito sinergético na
secagem, ou seja, velocidades de secagem mais altas do que a soma das velocidades dos
processos de secagem somente com convecção forçada ou somente com micro-ondas.
Isto é possível porque o gradiente de pressão no interior do alimento causado pelo
aquecimento dielétrico favorece o transporte da umidade, atuando no mecanismo limitante do
processo convectivo de secagem – a difusividade de umidade – não permitindo a queda da
velocidade de secagem e reduzindo o tempo de processamento (FUNEBO e OLHSSON,
1998; DATTA, 1990; SVENSON, 1987; SMITH, 1979; MEISEL, 1976, citado por NITZ, 1999).
62
Smith (1979) ainda comparou as curvas de secagem de secadores convencionais a ar
quente, somente com micro-ondas e um sistema composto utilizando ar quente assistido por
micro-ondas, de produtos não alimentícios e observou que o sistema de aquecimento por
micro-ondas e ar quente atingiu as mais altas taxas de secagem em relação aos outros métodos
de secagem empregados, principalmente quando se atingem valores de umidades menores que
20%.
Sendo que as considerações que o levaram a obter estas conclusões foram:
Durante o estado inicial, quando a água está evaporando sob condições de taxa
constante, o ar quente é bastante eficiente e o uso de micro-ondas não se justifica devido ao
alto custo da energia para sua geração.
Altos teores de umidade podem elevar a temperatura interna do produto a um ponto
que o produto ao invés de secar pode cozinhar.
Altos teores de umidade podem produzir gradientes de pressão no interior do material
podendo exceder a transferência de massa, provocando fissuras, rachaduras ou empolamento.
Porém o autor lista as vantagens alcançadas com a introdução da utilização da micro-
onda na fase final em uma unidade de secagem de macarrão:
Em relação à qualidade do produto, a cor e a textura melhorou, a massa passou a
produzir menos goma ao cozinhar e as contaminações de todos os tipos diminuíram.
Facilidade na sanificação do equipamento que é mais fácil de realizar do que no
sistema convencional que possui maior área para executar a secagem.
O tempo de secagem caiu de oito horas para uma hora e meia.
Redução do custo de operação, gerando economia de aproximadamente 20 a 25%.
E finalmente redução do espaço utilizado, pois o equipamento com micro-ondas ocupa
menos de um quarto do espaço ocupado pelo secador convencional.
Diversos estudos têm reportado as vantagens obtidas, tanto em relação ao processo
quanto à qualidade do produto final pela aplicação de micro-ondas na secagem de frutas e
hortaliças, bem como sua combinação com outros métodos, como, por exemplo, convecção
forçada, vácuo e liofilização. Entre essas pesquisas, a aplicação de micro- ondas é reportada
por Arikan et al. (2012), Reyes et al. (2008) para a secagem de cenoura, Figiel et al. (2010)
para beterraba.
Outras aplicações também podem ser registradas: na medicina, no tratamento de
tumores de pele; na indústria farmacêutica, na secagem de comprimidos; na área de alimentos,
na pasteurização do leite e secagem de batatas; na indústria de cosméticos, com a extração de
corantes e óleos (PEREIRA E PINHO, 2002).
63
3.7. Parâmetros energéticos
A temperatura e o tempo de secagem não são os únicos fatores de variação no caso da
secagem de produtos agrícolas. A existência de diferentes tipos e modelos de secadores
implica em variações no processo e no produto. As diferenças entre secadores se devem às
características construtivas, parâmetros de operação e capacidade de cada equipamento,
variáveis comuns na secagem de produtos agrícolas.
Para Kneule (1996), o estudo de um secador é baseado em dois elementos: o balanço
de massa e o de energia. O uso do balanço global nos cálculos seria uma alternativa rápida e
simples.
Menon e Mujumdar (1987) apresentam a capacidade de evaporação e consumo
energético típicos de alguns secadores (Tabela 04). Os autores alertam que os valores
apresentados são aproximados.
Tabela 04. Capacidade de evaporação e consumo energético de alguns tipos de secadores.
Tipo de secador Capacidade de evaporação
kg de água h-1
m-3
Consumo energético
(MJ kgae-1
)
Secador túnel - 5,50 – 6,00
Secador de esteiras - 4,00 – 6,00
Secador rotativo 30,00 – 80,00 4,60 – 9,20
Secador leito fluidizado - 4,00 – 6,00
Secador spray 1,00 – 30,00 4,50 – 11,50
Secador Tambor 6,00 – 20,00* 3,2 0– 6,50
*kg de água h-1
m-3
É importante observar que melhores resultados podem ser obtidos através da otimização
das condições de operação e do desenvolvimento de novas tecnologias para aperfeiçoar o
projeto original.
Para a maioria dos secadores convectivos, a energia necessária para a evaporação da
umidade e a energia perdida na saída do escoamento do ar determina a demanda energética do
mesmo.
A eficiência de um sistema de secagem pode ser descrita por sua eficiência energética
(STRUMILLO e LOPEZ-CACICEDO, 1987).
64
Segundo Silveira et al. (1995), o desempenho de secadores varia de acordo com
fatores como umidade inicial e final do produto, temperatura e propriedades físicas,
resistência oferecida pelo fluxo do ar, condições ambientais (temperatura e umidade relativa),
tipo de sistema de aquecimento do ar e tipo de ventilador.
Baker-Arkema et al. (1978) sugerem que a avaliação de secadores seja realizada
através da análise dos parâmetros de umidade média inicial e final do produto, umidade
relativa ambiente e do ar de secagem, temperatura de bulbo seco e úmido do ar de secagem e
do ambiente, densidade do fluxo de ar, quantidade de material a ser desidratado ou seco,
tempo de secagem, pressão estática, características do ventilador e do combustível utilizado,
capacidade de secagem e eficiência energética (kJ de energia de aquecimento por kg de água
evaporada).
Pakowski e Mujumdar (1995) apresentam alguns fatores que consideram essenciais na
avaliação do desempenho de secadores, destacando-se as seguintes figuras de mérito:
De acordo com Danilov e Leontchik (1986), balanços de energia em secadores
convectivos mostram que do total de energia fornecida ao processo de secagem, 40% são
usados na evaporação da água, 15% para aquecimento do material, 23% são perdidos com o
ar de saída, 7% são perdidos para a atmosfera através das paredes do secador e 15% são
considerados outras perdas.
65
4. MATERIAL E METODOS
4.1. Material utilizado nos testes
4.1.1. Procedência das amostras
Foi utilizado o bagaço de laranja pêra fornecido pela empresa Citrosuco localizada em
Araras SP, resíduo da extração do suco processado. Conforme informações fornecidas, a
umidade do bagaço medida na empresa com o equipamento infravermelho marca Gehaka,
modelo IV 4020 era de 68% (Figura 24). A análise da umidade através do método de estufa à
pressão atmosférica, com controle termostático, à temperatura uniforme de 105°C pelo tempo
de 24 horas, conforme norma da Association of Official Analytical Chemists (AOAC, 2000),
revelou que as mesmas possuíam o valor de 68,5%. As amostras foram acondicionadas em
sacos plásticos e seladas. O saco foi colocado dentro de balde plástico com tampa de
fechamento hermético para evitar a absorção de umidade e este foi colocado em câmara
frigorífica com temperatura mantida em torno de 2°C.
4.1.2. Preparo das amostras
Devido ao desgaste das facas dos moinhos utilizado na indústria processadora,
CITROSUCO, as amostras de bagaço apresentaram desuniformidade em relação ao tamanho
das partículas, sendo submetido posteriormente à moagem em moinho de faca e martelo da
marca TREU modelo 74064 G, equipado com 16 martelos, utilizando peneira com diâmetro
de 1 polegada, mantendo as características idênticas do bagaço utilizado durante o processo
industrial.
4.1.3. Padronização da umidade do bagaço de laranja
Para comparar os resultados obtidos da energia consumida entre os diversos ensaios da
etapa de secagem com e sem aplicação de micro-ondas, optou-se por estabelecer a umidade
inicial em 30 %, ou seja, foi computado o consumo de energia térmica no intervalo de tempo
necessário para reduzir a umidade inicial das amostras de 30 até 14%.
A escolha deste valor de umidade inicial foi baseada nos estudos realizados por
Schiffmann (1987), descrito no item 3.6.4., onde foi constatado que no início do processo de
66
secagem durante a fase de regime estacionário a utilização do ar aquecido é relativamente
eficiente na remoção da água livre ou de capilaridade próxima à superfície do material
implicando em uma taxa constante de transferência de calor.
Porém ao se atingir o final desta etapa, próximo aos 30 % dá-se início à fase
denominada de umidade crítica, onde ocorre decréscimo da taxa de secagem e as
transferências internas começam a apresentar dificuldade na remoção da umidade situada no
centro, diminuindo ainda mais quando se aproxima da etapa final do processo denominada de
período de taxa decrescente.
Diante deste fato, a aplicação da energia de micro-ondas é indicada para umidades
próximas ou inferiores a 30%, mostrando-se mais eficiente quando aplicados conjuntamente
com os métodos convectivos na remoção da água ligada, situada no interior das células e de
difícil remoção.
Para a obtenção do bagaço de laranja com umidade inicial ao redor de 30% (Figura
25), utilizados nos ensaios de secagem com aplicação de micro-ondas, o lote foi submetido à
secagem em um secador de bandejas convectivo, marca Proctor Schwartz, a uma temperatura
de 65ºC e velocidade do ar em torno de 2,5 m s-1
.
As operações de desintegração e secagem foram realizadas na planta piloto do Centro
de Pesquisa e Desenvolvimento de Frutas e Hortaliças (FRUTHOTEC) do Instituto de
Tecnologia de Alimentos (ITAL).
Utilizou-se cerca de 80 kg de bagaço, divididos em dois lotes de 40 kg distribuídos em
20 bandejas de 0,45 m de largura por 0,70 m de comprimento e 0,025 m de altura na
proporção de 2 kg por bandeja, resultando em uma densidade de carregamento de 6,35 kg m-2
.
A obtenção da umidade final desejada foi alcançada através do cálculo da massa de
água evaporada do bagaço com base na umidade inicial da amostra e na umidade final
desejada. Para controlar o processo foram realizadas pesagens consecutivas das bandejas até
obter o peso final ao redor de 0,915 kg.
Cada lote do bagaço desidratado foi acondicionado em saco plástico com 3 mícrons de
espessura e selado. Este por sua vez foi colocado dentro de um tambor de 208 litros, metálico
dotado de tampa removível e fecho hermético para promover a homogeneização da umidade e
evitar a reabsorção da umidade ambiente.
Para garantir a sua preservação os mesmos foram conservados em câmara frigorífica
com temperatura em torno de 2°C durante o período de execução dos testes.
Para confirmar a umidade final obtida após o procedimento realizou-se novamente a
análise da umidade através do método de estufa à pressão atmosférica, conforme norma da
67
Association of Official Analytical Chemists (AOAC, 2000), verificando que as mesmas
possuíam o valor de 28,9%.
4.2. Caracterizações da matéria-prima
A secagem de produtos agrícolas requer o conhecimento de algumas propriedades
físicas do material a ser desidratado, foram determinadas, conforme procedimentos descritos
na sequência.
Tais propriedades são fundamentais nos projetos de engenharia que envolvem
dimensionamento de equipamentos de secagem. Também são úteis para solucionar problemas
relacionados com fenômenos de transferência de calor e massa durante a desidratação e
armazenamento de produtos agrícolas (BENEDETTI, 1987).
Foram realizadas as seguintes análises com o bagaço de laranja úmido e seco:
umidade, massa específica real e aparente, velocidade terminal e ângulo de talude, calor
específico, granulometria e análise bromatológica.
4.2.1. Umidade
A determinação do teor de água é de fundamental importância, seja na colheita,
secagem, armazenamento e comercialização dos produtos agrícolas.
Na secagem, a umidade inicial e final do produto permite estimar a quantidade de água
removida, o tempo de secagem e o consumo de combustível, entre outros aspectos (LUZ et
al., 1993).
A umidade pode ser expressa em porcentagem ou em decimal a partir da relação entre
a quantidade de água existente numa amostra e sua massa total (umidade na base úmida, Ubu),
Figura 25. Amostra do bagaço seco
U=28,9%.
Figura 24. Amostra do bagaço úmido
U=68,5%.
68
ou a relação entre a quantidade de água e a massa de matéria seca (umidade na base seca,
Ubs).
Para a determinação da umidade foi utilizado o método da estufa à pressão
atmosférica, com controle termostático, mantendo a temperatura uniforme em 105 °C pelo
tempo de 24 horas, conforme norma da Association Analytical Chemists (AOAC, 2000).
Foram realizadas 3 repetições.
4.2.2. Massa específica
Massa específica aparente é a relação existente entre certa massa de produto e o
volume aparente (volume ocupado pelo produto mais o volume intersticial).
Para a determinação da massa específica aparente seguiu-se a metodologia utilizada
por Benedetti (1987), onde foi utilizado um equipamento constituído de uma parte semelhante
a um funil, com as seguintes dimensões: diâmetro superior 19,5 cm, abertura de escoamento
3,3 cm e altura de 12,5 cm, onde é colocado o produto.
Distante exatamente 7,65 cm deste funil, a partir da abertura de escoamento, foi
colocado um recipiente com volume de aproximadamente 1 litro, de seção circular de 11,3 cm
de diâmetro e altura de 10,6 cm. Foi utilizada uma balança de precisão para pesagem do
recipiente.
O equipamento deve ser calibrado e a distância entre o funil e o recipiente deve ser
conferida. O produto é colocado no funil e abre-se a válvula para escoamento. Deve-se obter
um escoamento constante e livre de qualquer interferência.
Retira-se o excesso de produto e faz-se a pesagem pela diferença entre este valor e o
peso do recipiente, calcula-se o peso do produto existente. Através da relação:
onde:
Ma= massa específica aparente (kg m-3
);
mp = massa do produto (kg);
= volume aparente (m³).
Foram realizadas 3 repetições para amostra seca e úmida.
69
A massa específica real, segundo Mohsenin (1986) é a relação existente entre certa
massa de produto e o seu volume real, sendo que este é o volume ocupado exclusivamente
pelo produto.
A massa específica real foi obtida utilizando-se um picnometro a gás hélio (AccuPyc
1330 V2.02) disponibilizado no Laboratório de Recursos Analíticos e de Calibração – LRAC
da Faculdade de Engenharia Química – FEQ da UNICAMP.
A picnometria a gás consiste em injetar gás hélio em um compartimento de volume
conhecido contendo a amostra e depois fazer este gás expandir-se para outra câmara, também
de volume conhecido.
Á medida que as moléculas de gás ocupam os espaços vazios no material, a pressão no
compartimento contendo a amostra diminui.
A taxa de equilíbrio do gás representa o tempo de contato do gás com a amostra e essa
taxa deve ser pequena, pois assim proporcionará maior tempo de contato entre o gás e a
amostra, permitindo que as moléculas de gás se difundam pelo material, penetrando nos poros
e produzindo melhores resultados.
As amostras foram pesadas e então colocadas na câmara para a realização das purgas.
O gás foi injetado até que o compartimento atingisse a pressão de injeção, definida
pelo operador e essa entrasse em equilíbrio.
Onde:
Mer= massa específica real (kg m -3
);
sm = massa da amostra (kg);
= volume real (m³).
Foram realizadas 3 repetições para amostra seca e úmida.
4.2.3. Velocidade terminal
Uma partícula em uma corrente de ar ascendente está sujeita a três tipos de força: a
gravitacional, o empuxo e a força de resistência. Sabendo-se que em uma partícula em queda
livre a força gravitacional atua para baixo, o empuxo e a força resistente para cima, pode-se
70
considerar que a velocidade terminal será a velocidade constante da partícula, quando as
forças citadas estiverem em equilíbrio.
Para a determinação da velocidade terminal das partículas do bagaço de laranja foi
utilizado o aparelho construído na Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP.
Consiste basicamente em uma coluna vertical de acrílico de secção transversal
retangular, que permite a visualização do fenômeno.
Nessa coluna é fornecida uma vazão de ar a partir de um ventilador centrífugo (marca
Jomar, tipo FT2, 1 cv, 2,2 amperes, 1600 rpm e 220/380 volts), regulada pelo aumento ou
diminuição da tomada de ar do ventilador.
A alimentação do bagaço é feita na parte posterior localizada a uma altura
intermediária da coluna, sendo regulada manualmente por um sistema de pás rotativas que
impedem o escape de ar pelo tubo de alimentação.
Na parte intermediária da coluna há também uma adaptação para a instalação de um
tubo de Pitot ligado a um registrador (F.W. Dwyer Manufacturing Co., fundo de escala de
45,72 ( m s-1
) para a leitura da velocidade do ar.
Procurou-se na coluna de acrílico, o ponto de equilíbrio (suspensão das partículas com
pouca movimentação) para as amostras de bagaço de laranja, sujeitas ao fluxo de ar,
regulando-se a entrada de ar do ventilador.
Cada amostra era constituída por 50 g de bagaço de laranja. No momento em que o
equilíbrio foi alcançado, a velocidade terminal experimental das partículas foi lida
diretamente no registrador ligado ao Pitot. Foram realizadas 3 repetições para amostra seca e
úmida.
4.2.4. Ângulo de Talude
O ângulo de talude ou ângulo de repouso é aquele formado entre a superfície do
produto e o plano horizontal, após escoamento em condição constante e uniforme sobre o
plano (PUZZI, 1986).
O ângulo de talude aumenta, quando a umidade aumenta (BENEDETTI, 1987). Pavani
(1992) considerou que, além da umidade, a composição, o tamanho e a forma interferem na
obtenção de dados para a determinação do ângulo de repouso.
Para a determinação do ângulo de talude foi utilizado equipamento construído na
Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP, que consiste em uma caixa retangular em
acrílico transparente, permitindo a visualização perfeita do ângulo. É dotado de uma moega de
71
formato triangular na parte superior onde a matéria-prima em estudo é colocada e
posteriormente escoada para o interior da caixa, conforme Tosello e Jorge (1976). Para medir
o ângulo formado com a horizontal utiliza-se um transferidor.
Seguiu-se a metodologia utilizada por Benedetti (1987) que consiste em
colocar o produto em estudo na moega e permitir seu escoamento constante e uniforme para o
interior da caixa com a formação de quatro ângulos entre a superfície da matéria-prima e o
nível do fundo da caixa (dois ângulos de cada lado), sendo que a média destas medidas
forneceu o ângulo de talude característico do produto de cada repetição. Foram realizadas 3
repetições para amostra seca e úmida.
4.2.5. Calor específico
Por definição, o calor específico de um material é a quantidade de energia necessária
para elevar de 1ºC uma unidade de massa desse material.
Para a determinação do calor específico foi usado um equipamento que usa
calorimetria diferencial de varredura DSC (DSC-50, Shimadzu Inc.), disponibilizado no
Laboratório de Recursos Analíticos e de Calibração – LRAC da Faculdade de Engenharia
Química FEQ da UNICAMP. Cada amostra foi analisada com uma média de 10 corridas no
picnômetro onde foi utilizada faixa de temperatura de 20 a 90ºC.
O DSC é uma técnica que envolve a análise da variação da entalpia de uma amostra
em função do tempo ou temperatura.
Nessa modalidade de análise térmica uma cápsula (que não sofra reação com material
da análise) com amostra é colocada em uma determinada posição sobre uma placa de
aquecimento, ao lado de outra cápsula vazia, chamada de cápsula de referência.
Os recipientes são submetidos a taxas de aquecimentos programados, juntamente com
um conjunto de termopares, que fornecerão as variações de temperatura na placa.
Desta forma curvas de variação da entalpia com o tempo são registrados pelo aparelho.
As medidas no DSC fornecem informações sobre as alterações térmicas que se
caracterizam pela mudança na entalpia e pela faixa de temperatura, como o comportamento de
fusão, cristalização, transições sólido-sólido e reações químicas.
Uma vez que a capacidade calorífica também é medida, uma alteração desta
capacidade, semelhante ao que ocorre na transição vítrea, também pode ser determinada.
72
4.2.6. Granulometria
Segundo os autores Zanotto et al. (1999), por definição, a granulometria é um método
de análise que visa classificar as partículas de uma amostra pelos respectivos tamanhos e
medir suas frações correspondentes. De acordo com Brum et al. (2000) a granulometria pode
variar de muito fina a grossa de acordo com o tamanho dos furos da peneira utilizada na
determinação desta propriedade.
Para a realização da análise granulométrica das amostras foi utilizado um peneirador
vibratório Produtest com temporizador e um conjunto de peneiras Tyler e uma balança semi-
analítica com precisão de duas casas decimais.
Para a amostra úmida foram utilizadas as peneiras número 2, 4, 6, 8 e 12 e para a
amostra seca utilizaram-se as peneiras número 4, 5, 6, 8, 9 e 14.
As peneiras foram colocadas, umas sobre as outras, na ordem decrescente de abertura
das malhas. Abaixo da última peneira havia um recipiente fechado (fundo) que recolhia a
fração contendo as partículas mais finas do material que não ficaram retidas em nenhuma
peneira. Ao final do ensaio pesava-se a massa da amostra retida em cada peneira e no fundo e
calculavam-se as frações mássicas ou porcentagens retidas nas peneiras. Foram utilizadas
amostras de 200 gramas. Foram realizadas 3 repetições para amostra seca e úmida.
.
4.2.7. Análise bromatológica
Por definição a análise bromatológica avalia as substâncias nutritivas dos alimentos.
Através dela é possível obter valores mais precisos do que os encontrados em tabelas
nutricionais. Essas informações são fundamentais para o trabalho de veterinários, zootecnistas
e agrônomos, dando base para decisões corretas sobre nutrição.
As análises englobam as partes solúveis em detergente neutro como lipídeos,
compostos nitrogenados, amido, pectina e outros compostos solúveis em água. E outra
específica para as fibras englobando aquelas solúveis em detergente ácido como
hemicelulose, celulose e lignina.
Foi utilizado o método Van Soest: Tal método de análise utiliza reagentes
denominados de detergentes neutros e detergentes ácidos e divide os nutrientes dos tecidos
vegetais em dois grupos:
Conteúdo celular - Compreende frações solúveis em detergente neutro.
Parede celular - Compreende a fibra em detergente neutro que é a fração insolúvel.
73
4.3. Planejamento estatístico
O planejamento estatístico experimental foi baseado na metodologia de superfície de
resposta (MSR), que é a técnica de otimização mais usada em ciência de alimentos,
provavelmente em virtude da facilidade de compreensão teórica, alta eficiência e simplicidade
(ARTEAGA et al., 1994).
Segundo Arteaga et al. (1994), a MSR envolve quatro passos básicos: seleção dos
parâmetros do sistema (variáveis e seus níveis); formulação do delineamento experimental (o
mais comum é o delineamento central composto rotacional – DCCR); obtenção do modelo
(DCCR é adequado somente para modelos lineares e quadráticos); obtenção dos modelos
empíricos para determinações de soluções ótimas.
Testes estatísticos avaliam a validade do modelo com base na falta de ajuste e na análise
de resíduo; se o modelo for estatisticamente válido, pode ser usado para predizer o ponto
ótimo do sistema.
Para os testes onde foi utilizado o forno de micro-ondas adaptado, foi utilizado um
modelo fatorial com 3 variáveis, onde foram realizados 11 ensaios, sendo oito fatoriais
(combinações entre os níveis ± 1), três centrais (duas variáveis independentes no nível 0) sem
adição de pontos axiais. Os ensaios dos pontos fatoriais possibilitam o ajuste de modelo linear
(Equação 23)
Para os testes de secagem no qual foi utilizado o secador rotativo foram realizados 11
ensaios, sendo quatro fatoriais (combinações entre os níveis ± 1), três centrais (duas variáveis
independentes no nível 0) e quatro axiais (uma variável independente no nível ± α e a outra,
em 0) independentes, gerando um modelo quadrático, no qual o valor das variáveis
dependentes é função das variáveis conforme descreve a equação 24.
Após a análise estatística dos coeficientes, foi realizada uma análise de variância
(ANOVA), que consiste na avaliação do coeficiente de determinação (R2) e do teste F,
74
verificando se o modelo apresenta um ajuste adequado aos dados experimentais. Os dados
foram representados na superfície de resposta correspondente.
Para validar as condições ótimas das variáveis do processo, foram utilizados os modelos
das respostas que apresentaram validade estatística, baseada na porcentagem de variação
explicada (R2) e na distribuição de Fischer (Teste F).
Nesta validação foram realizados ensaios de secagem em 3 repetições para as condições
operacionais correspondentes ao ponto ótimo. Com os valores das respostas calculados com
os modelos e os dados obtidos experimentalmente, foi calculado o desvio médio relativo,
corroborando as condições operacionais do processo.
O tratamento estatístico dos dados experimentais foi realizado com o uso da
ferramenta de regressão não linear do software STATISTICA 10.0 (STATSOFT, 2014), com
o qual o comportamento da secagem com o forno de micro-ondas adaptado, secador rotativo
assistido com micro-ondas e a determinação da distribuição do tempo de residência (DTR)
foram verificados através de ajuste de modelos matemáticos aos dados experimentais.
A análise estatística foi realizada considerando os coeficientes de regressão lineares,
quadráticos e de interações das variáveis independentes sobre as respostas estudadas, assim
como o erro padrão, o valor da estatística t e a significância estatística (p-valor).
Os coeficientes de regressão estimados indicaram como cada fator influenciou na
resposta avaliada, ou seja, quanto maior é o seu valor, maior é a sua influência positiva ou
negativa.
Os coeficientes positivos estão relacionados ao aumento das respostas, quando o valor
da variável passa de um nível mínimo a um nível máximo, sendo a relação contrária
estabelecida para o coeficiente negativo, ou seja, ao passar de um nível máximo para um
mínimo, a resposta diminui.
O valor de t indica o quão grande é a variável em relação ao seu desvio. Assim, quanto
maior o valor de t, maior a probabilidade de a variável ser estatisticamente significativa.
Foi utilizado nível de confiança de 95% para as variáveis, com a finalidade de
desconsiderar fatores com valores de p-valor 0,05 de significância.
4.4. Secagem do bagaço de laranja
4.4.1. Forno secador de micro-ondas adaptado
75
Buscando obter informações preliminares sobre a secagem do bagaço de laranja,
utilizando o processo de ar quente assistido por micro-ondas, foi efetuado um estudo com um
forno secador de micro-ondas adaptado, permitindo controlar as condições do ar em seu
interior, através da circulação de ar quente em sua cavidade.
O forno é do tipo doméstico, marca Brastemp – modelo BMV38-A “Double Emission
Sistem”, cavidade com volume de 38 litros, frequência de 2.450 MHz, com 900 W de
potência nominal e ajuste de tempo (Figura 26).
O forno secador encontra-se instalado no Laboratório de Micro-ondas Aplicadas
(LMA), dentro da Planta Piloto do Grupo de Engenharia e Pós-colheita (GEPC), do Instituto
de Tecnologia de Alimentos (ITAL Campinas, São Paulo).
O equipamento possui um sistema de controle de potência de micro-ondas (Figura 27),
aplicada em função da temperatura superficial do produto, medido por um sensor de
temperatura de infravermelho marca Raytek acoplado a um indicador/controlador de
temperatura digital NOVUS, modelo N480, inserido na parte superior do forno.
Os vidros, tanto interno como externo de proteção da tela metálica de blindagem
foram removidos da porta do forno, de modo a permitir a admissão do ar dentro da cavidade
do forno através de uma peça metálica (difusor) desenhada e construída de modo a encaixar-
se na porta do mesmo. Esta peça foi interligada externamente a um ventilador centrífugo
(Figura 28), composto por um sistema gerador de ar quente (Figura 29).
Figura 28 .Ventilador centrífugo
Figura 27. Controle de potência.
Figura 26. Forno de micro-ondas.
Figura 29. Sistema gerador de ar quente.
76
O controle da vazão do ar é efetuado por uma válvula tipo borboleta conectado na
sucção do ventilador centrífugo. A vazão de ar foi obtida utilizando-se Célula de Fluxo
Laminar da marca Meriam modelo 50MC2-2, acoplado a um manômetro de tubo em U com
escala convertida para m³ min-1
, onde foi aferida a vazão volumétrica do ar, dada pela perda
de carga entre a entrada e a saída do medidor de vazão.
O sistema de aquecimento e ventilação é acionado e controlado por comandos
eletromecânicos alojados em um quadro de comando, instalado ao lado do forno de micro-
ondas.
A cavidade de micro-ondas do equipamento utilizado é do tipo ressonante com
múltiplos modos.
Como propriedade inerente da distribuição de campo eletromagnético nessa cavidade,
há o surgimento de zonas de maior e de menor aquecimento que geram um aquecimento
espacial não homogêneo, em virtude da formação de ondas estacionárias.
Dessa forma, faz-se necessária a utilização do prato giratório para uniformizar o
aquecimento. O material disposto dentro da cavidade deve obedecer sempre à mesma posição
para todas as corridas, pois o padrão das ondas estacionárias espaciais muda de acordo com a
carga inserida e a posição da mesma.
O consumo de energia elétrica ativa (Wh) consumida pelo forno de micro-ondas
durante os ensaios foi determinado por meio do uso de analisador de grandezas elétricas,
equipamento apropriado e comumente utilizado para esta função. Foi utilizado analisador da
marca Renz, modelo MRI – TF 138.
A determinação da potência real de saída do forno micro-ondas adaptado foi realizado
pelo Teste “IEC”, adaptada de “Methods for Measuring the Performance of Microwave Ovens
for Household and Similar Purposes”, 2nd
ed. CEI IEC 60705 – Geneva, Switzerland: Bureau
Central de la Commission Electrotechnique Internationale.
Os testes foram realizados seguindo um planejamento experimental completo, descrito
por Barros Neto et al. (2002), 2³ com três pontos centrais (Tabela 07).
Tabela 05. Níveis do planejamento estatístico do forno de micro-ondas adaptado.
Fatores
Níveis
-1 0 1
Temperatura do ar de secagem (°C) 45 55 65
Vazão do ar de secagem (m³ min-1
) 2,1 2,3 2,4
Potência da MO (W) 279,13 558,27 837,40
77
As variáveis utilizadas são as seguintes: vazão e temperatura do ar de secagem e
potência das micro-ondas. Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão
apresentados na Tabela 05, totalizando 11 ensaios (Tabela 06).
Tabela 06. Valores do planejamento experimental para o forno de micro-ondas adaptado.
Variáveis independentes
Ensaios Real Codificado
Tar ºC Var (m³ min-1
) PMO (W) T Var PMO
1 45 2,1 279,13 -1 -1 -1
2 65 2,1 279,13 1 -1 -1
3 45 2,4 279,13 -1 1 -1
4 65 2,4 279,13 1 1 -1
5 45 2,1 837,40 -1 -1 1
6 65 2,1 837,40 1 -1 1
7 45 2,4 837,40 -1 1 1
8 65 2,4 837,40 1 1 1
9 55 2,3 558,27 0 0 0
10 55 2,3 558,27 0 0 0
11 55 2,3 558,27 0 0 0
Foram medidos durante o processo de secagem utilizando-se um termômetro de vidro
calibrado, marca Indoterm escala de -10 a 150 °C os seguintes dados: temperatura do ar
ambiente (bulbo seco e úmido), temperatura do ar quente na entrada do forno, temperatura do
ar de saída, além da temperatura do produto dentro do forno, medida pelo sensor
infravermelho. Foram colocadas amostras com 200 gramas de bagaço de laranja com
30% de umidade dentro de um cesto circular de teflon, no interior do forno de micro-ondas. O
cesto encontrava-se apoiado sobre o prato giratório do forno, permitindo uma melhor
homogeneidade da aplicação das micro-ondas.
Durante a secagem registrava-se a massa do material a cada 30 segundos, utilizando –
se uma balança semi-analítica para elaborar as curvas de secagem até atingir a umidade final
desejada em torno de 14%.
4.4.2.. Distribuição do tempo de residência DTR
Para se determinar a curva de distribuição do tempo de residência no secador
cilíndrico rotativo, foi utilizada uma metodologia experimental conhecida como técnica de
estímulo e resposta, obtida ao se injetar um pulso de um traçador de massa conhecida,
78
aproximadamente 3,0 kg de bagaço de laranja e 0,45 kg de bagaço de laranja, ambos com
30% de umidade, tingido com corante alimentício de cor vinho.
Definiu-se como tempo de residência, o tempo médio que o produto levou para passar
por todo o sistema de alimentação, desde o ponto de entrada da moega até o bocal de saída.
No ensaio, alimentou-se o sistema com parte do produto (bagaço de laranja sem tinta)
até atingir uma vazão constante de saída de material no bocal de saída (regime permanente).
A partir deste momento, aplicou-se o pulso de material traçador, seguido de mais
material sem tinta.
O tempo de residência pode ser definido como o tempo médio que o produto leva para
atravessar todo cilindro de secagem, do ponto de alimentação do secador até sua saída no
bocal de descarga.
Assim, após o pulso de traçador, conta-se o tempo de movimentação do material a
partir deste momento e coletam-se amostras destes grãos na descarga em períodos fixos e
predefinidos. Neste caso, coletaram-se amostras em intervalos de 30 segundos.
O material de cada coleta foi separado manualmente, auxiliado por pinça e um
conjunto de peneiras Tyler de número 4, 5, 6 e um equipamento marca Vibratest, e em
seguida pesado.
Com as massas do traçador (mtr) e os totais das amostras, calcularam-se as frações em
cada uma delas e, somando-se essas frações, pôde-se chegar ao valor total de traçador (mtrtot)
que foi recolhido na corrida inteira, transmitindo-se, então, essas informações para a planilha
de cálculos de tempo de residência.
Então, para cada amostra, a concentração C(t) de traçador foi calculada pela seguinte
equação:
Determinou-se então, a área sob a curva de concentração versus o tempo (Q), por
integração numérica.
Em que:
79
A curva E(t) foi calculada segundo a Equação 26, e a curva F(t) segundo a Equação
27. Assim, o tempo de residência médio foi obtido pela Equação 28.
Para conhecer como as condições operacionais do secador influenciaram na DTR foi
realizado um delineamento central composto rotacional (DCCR), com 2 variáveis
independentes: velocidade de rotação do cilindro secador em rpm e vazão mássica do produto
em kg/hora.
A distribuição do tempo de residência foi conduzida através das faixas de variação
entre o limite inferior e o superior estabelecidos a partir de testes preliminares.
Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão apresentados na Tabela 07,
totalizando 11 ensaios.
Tabela 07. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR.
Variáveis Níveis
-1,41 -1 0 1 1,41
Rotação (rpm) X1 1,00 1,29 2,00 2,71 3,00
Vazão de Produto (kg h-1
) X2 2,00 3,17 6,00 8,83 10,0
A Tabela 08 apresenta os valores reais das duas variáveis utilizadas no planejamento
experimental.
Tabela 08. Planejamento experimental para a DTR.
Variáveis independentes
Ensaios Real Codificado
rpm Vp (kg h-1
) Rotação Vazão
1 1,29 3,17 -1 -1
2 1,29 8,83 -1 1
3 2,71 3,17 1 -1
4 2,71 8,83 1 1
5 1,00 6,00 -1,41 0
6 3,00 6,00 1,41 0
7 2,00 2,00 0 -1,41
8 2,00 10,0 0 1,41
9 2,00 6,00 0 0
10 2,00 6,00 0 0
11 2,00 6,00 0 0
80
4.4.3. Secagem do bagaço de laranja com o secador rotativo com aplicação de micro-ondas
O equipamento utilizado foi um secador de cilindro rotativo com circulação de ar
quente assistido por micro-ondas desenvolvido por Marsaioli (1991), cuja configuração geral
esta representada pela Figura 30.
Figura 30. Desenho esquemático do secador de cilindro rotativo assistido a micro-ondas
(1) Depósito de matéria prima; (2) Alimentador; (3) Cavidade de micro-ondas (M.O); (4)
Produto seco; (5) Toco quadruplo; (6) A/B Sistema medidor de M.O.; (7) Guia de onda
flexível; (8) Gerador de M.O.; (9) Aquecedor de ar; (10) Sensor de temperatura; (11)/(12)
Entrada de ar/exaustão; (13) Ciclone; (14) Painel de controle; (15)/(16) Medidor de fluxo de
ar; (17) Ventilador
O secador encontra-se instalado no Laboratório de Micro-ondas Aplicadas (LMA),
dentro da Planta Piloto do Grupo de Engenharia e Pós-colheita (GEPC), do Instituto de
Tecnologia de Alimentos (ITAL) Campinas, São Paulo
O equipamento é constituído por um depósito de matéria prima, com tampa,
construído por chapas de aço inoxidável, capacidade útil de 40 litros (Figura 31).
A secagem foi realizada de forma contínua através de um alimentador do tipo rosca
sem fim (Figura 32), no fundo da moega e vibradores instalados nas paredes laterais que
facilitam o escoamento do produto.
81
A configuração geométrica das paredes da moega, assim como as dimensões da rosca,
empurram o material lateralmente pelo interior de um tubo guia em direção à entrada do
secador, através de um tubo vertical fabricado com material acrílico transparente com
diâmetro de duas e meia polegadas, fixado por intermédio de flange e abraçadeiras do tipo
“clamp” na entrada da rosca de alimentação do secador.
O acionamento de ajuste de rotação da rosca e movimento das paredes da moega é
efetuado por intermédio de um sistema eletrônico de controle marca SCHENCK, modelo
ACCURATE, dotado de painel de indicação digital.
A rosca de alimentação é composta por um eixo construído em aço inoxidável dotada
de paletas impulsoras de aço inoxidável e laminas raspadoras com acabamento em “teflon”
nas extremidades, possibilitando o ajuste da folga entre os raspadores e a superfície interna do
alimentador mediante parafusos de regulagem. Os elementos de arrastes são dispostos em
ângulo de tal forma que através do movimento de rotação imprimido ao eixo, as hastes irão
atuar como uma rosca sem fim, direcionando o material para o interior do secador.
O sistema de acionamento da rosca de alimentação é constituído por moto-variador
redutor de corrente contínua de 736 W, que possibilita a variação da velocidade de rotação
entre 0,1 e 78,9 rpm no eixo da rosca e transmissão final dotada por um par de engrenagens
com corrente de rolos. Possui comando remoto instalado no painel elétrico.
A cavidade de micro-ondas (Figura 33) é constituída pelo próprio cilindro rotativo,
construído em aço inoxidável com 1,30 metros de comprimento e 0,30 metros de diâmetro
interno.
Figura 31. Moega de Alimentação.
Figura 32. Rosca de Alimentação.
82
Além da velocidade de rotação pode-se ajustar o ângulo de inclinação do cilindro
através de um sistema de porca e rosca sem fim instalado na base inferior que suporta o
equipamento.
O insuflamento do ar para o interior do secador é realizado através de um ventilador
(Figura 34), marca Asten, modelo VC 280, de 0,75 CV, trifásico 220 V, com capacidade
nominal de 5,3 m3
min-1
, pressão estática de 15,2 cm de coluna d’água.
O controle de vazão do ar é feito através de uma válvula borboleta de acionamento
manual, marca Liess, modelo VF, diâmetro nominal de três polegadas para montagem entre
flange.
A leitura da vazão de ar é obtida por intermédio de uma célula de fluxo laminar da
marca Meriam modelo 50MC2-20 e um manômetro de coluna “U” de vidro para
funcionamento com água, com calibração elaborada a partir da curva fornecida pelo
fabricante, com escala de 0 a 3 m3
min-1
. A célula é interligada na sucção do ventilador por
intermédio de conexões de PVC de duas polegadas.
Figura 33. A cavidade de micro-ondas.
Figura 34. Sistema de ventilação.
Figura 35. Sistema de aquecimento
83
O aquecimento do ar é realizado por intermédio de uma câmara contendo um banco de
resistências elétricas blindadas aletadas com capacidade de 2,7 kW, 220 V (Figura 35), para
ligação em triângulo totalizando 8,1 kW. O banco de resistência possui seu comando instalado
no quadro elétrico, conectado a um controlador de temperatura eletrônico marca Coel modelo
GMP-0, escala 0 a 300ºC, controle diferencial tipo PD com indicação de desvio e bulbo
sensor do tipo J (ferro-constantan) com cabo extensor de 3 metros.
O material seco é descarregado do equipamento através de uma válvula rotativa
(Figura 36), de eixo vertical dimensionada para proporcionar uma dosagem volumétrica de
367,23 cm3
por rotação, quando esta estiver funcionando em sua rotação máxima.
Para recolher eventuais resíduos sólidos arrastados pelo sistema de ventilação foi
instalado junto à tubulação de saída um ciclone coletor (Figura 37), construído em chapas de
aço inoxidável dotado de tampa superior removível e válvula tipo borboleta Liess modelo VF
na parte inferior para direcionamento do ar em duas direções opcionais, exaustão direta ou
recirculação.
As micro-ondas, de frequência 2.450 MHz, são produzidas por fonte de alta tensão
marca Alter modelo SM275 (Figura 38), dotada de ajuste de potência variável entre zero e
100% de 1,9 kW, acoplado a válvula geradora de micro-ondas “magnetron” marca National
Eletronics (Figura 39).
Figura 36. Válvula Rotativa.
Figura 37. Ciclone.
84
Dois medidores portáteis de potência refletida e transmitida (Cober modelo PM-IR e
PM-IF) (Figura 40), ligados a um acoplador duplo no guia de onda foram usados para
controlar a eficiência de transferência de potência para a carga, que é máxima quando
impedância do gerador e da carga estiver casada com a impedância característica da linha.
Quando o medidor de potência refletida indica um baixo acoplamento de energia no produto
deve-se realizar o ajuste no “toco quadruplo” (Figura 41), um dispositivo instalado na entrada
do secador, constituído por parafusos metálicos de comprimento ajustáveis inseridos no guia
de onda que introduzem uma impedância reativa no circuito mantendo os valores acima de
90% ou seja, radiação refletida máxima de 10 %.
A potência útil absorvida pela amostra foi determinada através da diferença entre a
potência incidente e a refletida.
Para proteger o “magnetron” contra as ondas eletromagnéticas refletidas, o sistema é
dotado de um circulador de 3 portas marca Cober ST89-1021 (Figura 42), instalado no guia
de onda entre o gerador de micro-ondas e o aplicador, conectado a uma carga resfriada a água
marca Cober modelo ST89-1019 absorvendo a potência de micro-ondas refletida.
Figura 38.Fonte de alta tensão
Figura xx Gerador de Microondas
Figura 39.Magnetron
Figura 41. Toco Quadruplo.
Figura 40. Medidores de potência.
85
Para monitoramento e registro dos dados da variação da temperatura da carga de água
de resfriamento, decorrente da absorção das ondas refletidas, foram instalados dois
termopares tipo T acoplados a um sistema de aquisição de variáveis analógicas, myPCLab,
fabricado pela Novus, utilizando programa de comunicação serial em ASCII e porta serial
virtual, acoplado a um computador através da porta USB que registrava as leituras da variação
da temperatura do sistema a cada segundo.
A vazão de água da carga resfriada foi fixada em 200 l h-1
, conforme recomendação do
fabricante do sistema gerador de micro-ondas marca Alter. Este ajuste foi efetuado por
intermédio de dois rotâmetros verticais marca MLW PF 08/2 com capacidade para trabalhar
com vazões de 20 até 250 l h-1
, instalados na entrada de água do sistema de resfriamento.
Foi realizado teste elétrico de fuga de radiação utilizando-se um medidor de potência
elétrico para detecção de vazamento de micro-ondas em 2.450 MHz, marca ETS –
Lindgren/Holaday modelo HI 1.600 portátil, operado a bateria.
O resultado do teste confirmou que o equipamento encontra-se dentro das normas
internacionais de segurança e homologação no que se refere à tolerância máxima permitida
para vazamentos de radiação de micro-ondas.
4.4.4. Condução dos testes de secagem no secador rotativo com aplicação de micro-ondas
O experimento foi conduzido, conforme delineamento central composto rotacional
(DCCR), com 2 variáveis independentes: temperatura do ar de secagem e a potência de micro-
ondas e seus limites, foram estabelecidos baseados nos resultados das análises estatísticas dos
testes de secagem com o forno de micro-ondas adaptado.
Figura 42. Carga Resfriada a Água.
86
Tabela 09. Valores das variáveis independentes e níveis de variação da DTR.
Variáveis Níveis
-1,41 -1 0 1 1,41
Temperatura (ºC) X1 40 45 55 65 70
Potência MO (W) X2 800 910 1.350 1.750 1.900
Os níveis das variáveis estudadas e seus valores reais estão apresentados na Tabela 09,
totalizando 11 ensaios, mostrados na Tabela 10.
Tabela 10. Planejamento experimental para o secador rotativo assistido por Micro-Ondas.
Variáveis independentes
Ensaios Real Codificado
T(ºC) Pmo (W) Temperatura Potência
1 45 910 -1 -1
2 45 1750 -1 1
3 65 910 1 -1
4 65 1750 1 1
5 40 1350 -1,41 0
6 70 1350 1,41 0
7 55 800 0 -1,41
8 55 1900 0 1,41
9 55 1350 0 0
10 55 1350 0 0
11 55 1350 0 0
O ciclo de secagem de cada teste foi fixado em 18 minutos e foram utilizados 3 kg de
bagaço de laranja com umidade de 28,9%. Esta quantidade de material foi estabelecida em
função da sua capacidade de realizar um escoamento uniforme no interior do cilindro rotativo,
usualmente entre 6% a 10%, do volume interno do cilindro, que corresponde ao volume útil
do equipamento dependendo da geometria das aletas e do tipo de operação (FRIEDMAN e
MARSHAL, 1949).
O tempo de residência foi fixado em torno de 5 minutos e trinta segundos,
determinados através dos ensaios de Distribuição do Tempo de Retenção (DTR) realizados
anteriormente.
A faixa de potência de micro-ondas utilizada durante os testes foi especificada
segundo os ensaios realizados anteriormente, onde foi utilizado o forno de micro-ondas
adaptado, utilizando a densidade de potência mais adequada.
A Tabela 11 apresenta os valores dos parâmetros que permaneceram constantes
durante os experimentos
87
Tabela 11. Parâmetros utilizados nos testes de secagem
Parâmetros
Umidade inicial 28,90 (%)
Massa inicial de produto 3 (kg)
Vazão de entrada do produto 8,4 (kg h-1
)
Velocidade de rotação do cilindro 2 (rpm)
Ângulo de inclinação do cilindro 3º
Vazão de ar 2,1 (m³min-1
)
Tempo de residência 5 min. e 30 seg.
4.4.5. Procedimento operacional do secador rotativo com aplicação de micro-ondas
Os ensaios foram realizados de forma aleatória, seguindo as etapas descritas abaixo:
Foram ligados ventilador exaustor, a resistência elétrica, selecionando a temperatura,
em seguida acionava-se a válvula rotativa e ajustava-se a rotação da rosca de alimentação de
produto.
Adicionava-se o bagaço de laranja no interior da moega, e em seguida esta era
acionada simultaneamente com o cronômetro, dando início ao processo de secagem.
Após 5 minutos e trinta segundos o material transportado ainda úmido começava a
deixar o equipamento. Aguardava-se entrar em regime permanente, tempo sugerido por
Arruda et al.2009, como o equivalente a uma ou até duas vezes o tempo médio de residência
do sólido no interior do secador.
Transcorrido o tempo estipulado para o sistema entrar em regime permanente, 8
minutos, retirava-se e pesava-se o material transportado úmido coletado no recipiente
instalado no bocal de saída do secador.
A massa recolhida deste descarte foi subtraída da massa inicial, resultando na
quantidade real de bagaço submetido ao processo de secagem assistido por micro-ondas, valor
este utilizado nos balanços de massa.
Em seguida acionavam-se os seguintes dispositivos: registros dos rotâmetros da carga
resfriada, sistema gerador de micro-ondas na potência desejada, sistema de aquisição de dados
myPClab e por último o sistema de medição de grandezas elétricas.
Durante os ensaios foram ajustadas as variações entre as ondas emitidas e refletidas
através dos parafusos do “toco quadruplo”.
Passados 15 minutos realizava-se a medida da vazão de saída do produto seco e aos 26
minutos os testes eram encerrados com a pesagem do material seco recolhido no recipiente de
coleta.
88
4.4.6. Medidas efetuadas durante os experimentos de secagem
Em cada ensaio de secagem foram levantadas as condições psicrométricas do ar
ambiente, registrando-se as temperaturas médias do ar de bulbo seco e bulbo úmido na
sucção do ventilador secador através de termopares tipo T acoplados a um sistema de
aquisição de variáveis analógicas, myPCLab.
A temperatura de bulbo úmido foi obtida utilizando-se um termômetro de vidro
calibrado, marca Indoterm escala de -10 a 150 °C envolvido por uma gaze umedecida em
água. Por meio de uma carta psicrométrica, foi obtido o volume específico e as entalpias do
ar na entrada e na saída do secador, possibilitando calcular a energia térmica consumida para
aquecer o ar durante a remoção da umidade do bagaço de laranja.
A demanda total e a energia elétrica ativa (Wh) consumida pelo secador durante os
ensaios foram registrados por meio do uso de analisador de grandezas elétricas marca Renz,
modelo MRI – TF 138.
4.5. Energia consumida no secador rotativo com aplicação de micro-ondas
Para a determinação do consumo energético do secador de cilindro rotativo com
aplicação de micro-ondas foram utilizados indicadores, denominados figuras de mérito,
relacionando a quantidade de energia necessária para evaporar 1 kg de água e parâmetros de
eficiência adimensionais.
Para a avaliação energética dos equipamentos serão adotados parâmetros básicos
descritos a seguir e citados por Pakowski e Mujumdar (1995).
4.5.1. Energia térmica total fornecida (ETtf)
A soma da energia para aquecer o ar de secagem mais a energia gerada pelo sistema
gerador de micro-ondas menos a energia refletida absorvida pela carga resfriada a água,
representou a energia térmica total fornecida (ETtf) consumida pelo secador de micro-ondas
durante os ensaios de secagem, representada pela Equação 29.
Onde:
89
= energia fornecida para aquecer o ar utilizado na secagem (kJ);
= energia de micro-ondas gerada pelo “magnetron” (kJ);
= energia de micro-ondas absorvida pela carga resfriada a água (kJ);
= energia elétrica consumida pelo motor elétrico do sistema de resfriamento
do “magnetron” (kJ).
Sendo que a energia refletida é estimada através da seguinte relação:
Onde:
= vazão de água circulando pela carga resfriada (kg h-1
);
= calor específico água (kJ kg-1
ºC-1
);
= variação da temperatura da carga de água de resfriamento, medida, decorrente da
absorção das ondas refletidas (ºC).
4.5.2. Consumo específico de energia térmica (CEET)
Na avaliação do desempenho do secador foi utilizado o consumo específico de energia
térmica (CEET) em kJ por kg de água evaporada para se estabelecer a comparação do
consumo energético entre outros métodos de secagem:
O cálculo da massa de água evaporada do bagaço de laranja foi obtido com base nas
medidas da umidade em base seca na entrada e na saída do secador e na quantidade de bagaço
seco produzida, utilizando-se a seguinte relação:
Onde:
90
mae = massa de água evaporada (kg);
Ui = umidade decimal inicial do produto (Ubs);
Uf = umidade decimal final do produto (Ubs);
ms = massa de sólidos (kg).
4.5.3. Eficiência Térmica (ET)
Eficiência térmica definida segundo Earle (1983):
Onde:
Ecs = energia fornecida ao bagaço por calor sensível, resultando em aumento de sua
temperatura. (kJ)
Onde:
me = massa de bagaço úmido na entrada (kg);
Cp = calor específico do bagaço(kJ kg-1
ºC-1
);
Tfbagaço = temperatura final do bagaço (°C);
Tibagaço = temperatura inicial do bagaço (°C).
Ecl = energia fornecida à água para evaporação. (kJ)
Onde:
Cl = calor latente de vaporização da água à temperatura de 25°C (2.358,81 kJ kg de
água evaporada-1
). (BROOKER et al.1992)
Além disso, poderá ser usado o seguinte índice para a avaliação da eficiência no
processo de secagem:
91
Onde mae é a massa de água evaporada no processo de secagem (kg).
4.5.4. Densidade de potência (DP)
Com o propósito de avaliação dos processos de secagem com o forno de micro-ondas
adaptado ou com o secador rotativo, foram realizados os cálculos das densidades de potência
destes dois processos.
Para sistemas no qual o processo se realiza por batoneladas, a densidade de potência
de micro-ondas foi obtida, através da seguinte expressão:
Onde:
Emo = potência real fornecida à amostra pelo forno de micro-ondas (W);
t = tempo transcorrido para realizar o processo (h);
mp = massa de produto por ciclo (kg h-1
).
Para sistemas onde o processo é realizado de forma contínua a densidade de potência
de micro-ondas foi obtida através da seguinte expressão:
Onde:
Emo = potência real fornecida à amostra pelo forno de micro-ondas (W);
Ṁp = Vazão mássica de produto (kg h-1
).
92
4.6. Teste de secagem sem aplicação de micro-ondas
Para realizar a comparação entre os métodos propostos, com e sem aplicação de
micro-ondas, foram realizados testes de secagem do bagaço de laranja com umidade inicial
em torno de 30% utilizando o secador rotativo sem aplicação de micro-ondas, onde foram
levantados os dados do consumo de energia térmica e o tempo necessário para se atingir a
umidade final desejada ao redor de 14%.
As experiências de secagem foram realizadas de forma contínua, através da
recirculação do material que era coletado na saída do secador, sendo que ao final de cada ciclo
determinava-se a umidade do bagaço.
As condições psicrométricas do processo de secagem foram levantadas através das
leituras das temperaturas do ar de secagem na entrada do secador e da temperatura ambiente,
tanto de bulbo seco, através de termopares tipo T acoplados a um sistema de aquisição de
variáveis analógicas, myPCLab, quanto a de bulbo úmido onde foi utilizado um termômetro
de vidro calibrado, marca Indoterm escala de -10 a 150 °C envolvido por uma gaze
umedecida em água.
Por intermédio destas medidas, foi possível calcular o volume específico e as entalpias
do ar de entrada e de saída do secador, obtendo-se a energia utilizada para aquecer o ar de
secagem para a remoção da umidade do bagaço de laranja.
Em cada teste foi utilizado cerca de 2,0 kg de bagaço de laranja. A vazão de ar
fornecida pelo ventilador foi fixada em 2,1 m3 min
-1 e a temperatura do ar de secagem
selecionada em 70ºC. Por fim ajustou-se velocidade de rotação do cilindro em 2 rpm.
4.7. Análise econômica e operacional
A análise econômica foi elaborada através da estimativa do custo final da secagem do
bagaço de laranja desidratado em um secador cilíndrico rotativo assistido por micro-ondas,
comparando-se os resultados obtidos com os do secador cilíndrico rotativo utilizado no
processo industrial sem aplicação de micro-ondas, considerando o custo do combustível
utilizado para promover o aquecimento do ar responsável pela remoção de umidade do bagaço
de laranja utilizando a relação de energia em kJ por kg de água evaporada, quantidade
produzida de bagaço de laranja por unidade de tempo e a comparação entre os custo de
produção dos dois processos.
93
4.8. Especificações do secador cilíndrico rotativo industrial
As especificações técnicas do secador rotativo e de suas condições operacionais foram
obtidas na própria Indústria de Laranja Citrosuco. O secador rotativo instalado na indústria é
da marca Gulmaco, tipo horizontal, com distribuição radial de ar; possui um cilindro
horizontal que gira em torno de seu eixo longitudinal com frequência de 4,0 rpm; acoplado a
este há um gerador de gás quente (GGQ) marca Gulmaco, com capacidade para fornecer
117.900.500 kJ, para aquecer o ar na faixa de 1200 °C; a fonte de energia é o bagaço de cana
com umidade em torno de 50% . O GGQ também gera os gases quentes que vão para o
evaporador WHE, que produz o melaço cítrico concentrado, resultante do líquido residual da
etapa de prensagem. O secador possui as seguintes características técnicas: 24 metros de
comprimento, 4 metros de diâmetro, capacidade de evaporação de 27.215,50 kg de água
evaporada por hora, sendo que durante a safra opera na faixa de 26.372,09 kg de água por
hora. A temperatura do ar em seu interior se situa na faixa de 850 °C e a temperatura de saída
em torno de 110 °C e o tempo de retenção do bagaço em seu interior é de 30 minutos. Ainda
possui mais 1000 kW de potência instalada correspondentes ao motor elétrico localizado na
parte anterior do secador, responsável pelo movimento de rotação e ao motor elétrico que
aciona o ventilador centrífugo para insuflamento do ar com vazão de 40.350 kg h-1
.Consome,
portanto, 28.509.125,02 kJ de energia durante o ciclo de secagem.
O produto úmido é alimentado na parte mais elevada do cilindro através de um
transportador e sai na parte mais baixa por gravidade em função da velocidade de rotação do
cilindro. O ar de secagem é introduzido no mesmo sentido ou co-corrente à trajetória do
produto. Os gases aquecidos removem a umidade do bagaço (com 68,5% de umidade na
entrada) obtendo-se um produto chamado "palha" com umidade ao redor de 14,1%. Os
secadores rotativos são operados com o mínimo de excesso de ar de combustão, para que se
obtenham gases úmidos na sua saída, com a finalidade de minimizar a poluição do ar, devido
à grande quantidade de gases descarregados na atmosfera.
94
5. RESULTADOS
Os resultados foram obtidos nos testes experimentais realizados, ou seja:
caracterização do material; avaliação da significância dos parâmetros envolvidos no
planejamento estatístico; resultados dos testes de Distribuição do Tempo de Residência
(DTR), testes de secagem referentes ao tempo e ao consumo de energia utilizando os dois
equipamentos de micro-ondas e a comparação do desempenho entre o secador rotativo com e
sem aplicação de micro-ondas.
5.1. Caracterização do material
5.1.1. Umidade
O valor da umidade média encontrado para bagaço úmido (Tabela 12) foi de 68,5%,
valor um pouco acima do obtido na indústria Citrosuco na linha de produção (68%) usando o
aparelho infravermelho.
Tabela 12. Umidade do bagaço de laranja úmido.
Teste Umidade (%)
1 68,38
2 68,51
3 68,62
Média 68,50
Desvio 0,012
CV (%) 1,75
5.1.2. Massa específica aparente
A amostra de bagaço de laranja seco (Tabela 13) apresentou valores menores de massa
específica aparente do que a amostra de bagaço úmido, provavelmente porque a redução da
massa ao secar o bagaço é maior do que a redução de seu volume aparente. Também
partículas menores (caso do bagaço seco) reduzem o volume intersticial. Este resultado está
de acordo com o obtido por Gonçalves (1996) e próximo dos valores obtidos por Perazzini
(2011) na caracterização dos resíduos de limão das variedades siciliano e tahiti.
95
Tabela 13. Massa específica aparente do bagaço de laranja.
Repetições Massa específica aparente (kg m-3
)
Bagaço úmido Bagaço seco
1 220 130
2 220 130
3 230 120
4 220 110
5 230 110
Média 220 120
Desvio 0,0055 0,01
CV (%) 2,50 8,33
5.1.3. Massa específica real
Foi realizada somente a determinação da massa específica real para o bagaço de
laranja seco. O teste com bagaço de laranja úmido teve que ser desconsiderado, pois a elevada
umidade não permitiu a realização da análise através da metodologia proposta.
O valor encontrado 1.520 kg m-3
é inferior em relação ao obtido por Gonçalves (1996)
que foi de 2.154 kg m-3
(Tabela 14).
Santana (2005) observou valores de massa específica real, obtida por picnometria a
gás hélio, para as frações de albedo, membrana carpelar e vesícula de suco de laranja, na faixa
de 1.470 a 1.564 kg m-3
, resultados similares ao obtido no presente trabalho.
Tabela 14. Massa específica real do bagaço de laranja.
Repetições Massa específica real (kg m-3
)
Bagaço seco
1 1.520
1.500
1.540
1.520
0,020
0,01315
2
3
Média
Desvio
CV (%)
5.1.4. Velocidade terminal
A Tabela 15 mostra os valores determinados para velocidade terminal das amostras
úmida e seca.
96
Tabela 15. Velocidade terminal do bagaço de laranja.
Velocidade terminal
Teste Bagaço úmido (m s-1
) Bagaço seco (m s-1
)
1 8,27 5.60
2 8,34 5,40
3 8,63 5,10
4 8,53 5,20
5 8,60 5,30
Média 8,47 5,32
Desvio 0,16 0,11
CV (%) 1,893 2,37
Nota-se que foram obtidos valores de velocidade terminal maiores para as amostras de
bagaço úmido, devido à quantidade de água contida no produto aumentando a resistência da
força gravitacional em relação ao fluxo de ar no interior do tubo, dificultando o movimento
ascendente, necessitando de maiores velocidades do ar para que arraste as amostras até que
estas comecem a flutuar.
5.1.5. Ângulo de talude
O ângulo de talude é influenciado por parâmetros tais como: tamanho, forma,
rugosidade, materiais estranhos, orientação das partículas e umidade.
É reportado que em alguns casos (PUZZI, 2000) o ângulo de talude aumenta
rapidamente quando o valor da umidade excede a 16-17% em base úmida, no entanto como
pode ser observado na Tabela 16 houve pouca variação no ângulo do bagaço com os
diferentes teores de umidade.
Tabela 16. Ângulo de talude do bagaço de laranja úmido e seco.
Ângulo de Talude
Teste . Bagaço úmido (graus) Bagaço seco (graus)
1 42,00 39,45
2 39,45 41,00
3 43,50 40,65
4 41,75 41,50
5 40,45 39,80
Média 41,43 40,48
Desvio 1,54 0,84
Cv (%) 3,73 2,08
97
5.1.6. Calor específico
A Figura 43, mostra os valores obtidos do calor específico que variou de 0,015 J g-1
ºC-1
para a temperatura inicial de 38,5 ºC até 0,52 J g-1
ºC-1
para a temperatura final de 199,8 ºC,
apresentando comportamento linear crescente em relação à temperatura. O teste com bagaço
de laranja úmido deve ser desconsiderado em função do elevado valor de umidade que não
permite sua combustão completa. O Calor específico é um dado importante para o
desenvolvimento de trabalhos que envolvam a utilização do bagaço de laranja em processos
industriais para geração e conservação de energia.
Figura 43. Calor específico do bagaço de laranja seco.
5.1.7. Granulometria
As Tabelas 17 e 18 mostram a distribuição de tamanho das partículas do resíduo de
laranja úmida e seca respectivamente. Pode-se observar que as maiores porcentagens de
retenções de partícula úmida situam-se na faixa onde o diâmetro do furo é maior que 9,5 mm,
composta principalmente de cascas e sementes, e na faixa compreendida entre 4,75 a 9,5 mm,
composta em sua maioria por bagaço, sendo que a concentração de retenção reduz à medida
que os diâmetros dos furos diminuem.
Em relação à amostra de bagaço seco pode-se observar que ocorre uma concentração
maior em duas faixas distintas de diâmetro, compreendidas pelas peneiras com furos maiores
que 4,75 mm e outra compreendida pelas peneiras com diâmetros dos furos situados na faixa
entre 2,36 a 3,35 mm.
98
Tabela 17. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja úmido.
Abertura (mm) Faixa Porcentagem retida(%)
9,50
4,75
> 9,50 21,78
4,75 < d < 9,50 32,85
3,35 3,35 < d < 4,75 17,53
2,36 2,36 < d < 3,35 11,80
1,40 1,40 <d < 2,36 7,94
Fundo d < 1,40 8,10
Tabela 18. Distribuição granulométrica do bagaço de laranja seco.
Abertura (mm) Faixa Porcentagem retida (%)
4,75
4,00
> 4,75 23,86
4,00 < d < 4,75 9,43
3,35 3,35 < d < 4,00 9,76
2,36 2,36 < d < 3,35 19,78
2,00 2,00 <d < 2,36 6,56
1,19 1,19 <d < 2,00 12,50
Fundo d < 1,19 18,11
5.1.8. Análise bromatológica
Em relação à análise bromatológica, os valores encontrados para Proteína bruta 5,76%
e os encontrados para Fibras em Detergente Neutro (FDN) 21,76 % se encontram próximos
aos valores observados nas análises realizadas por Schalch et al. (2001).
Tabela 19. Resumo dos Resultados das determinações realizadas com o bagaço de laranja
seco e úmido.
Determinações Bagaço úmido Bagaço seco
Umidade (%) 68,50 14,10
Massa específica aparente (kg m-3
) 220 120
Massa específica real (kg m-3
) nc 1.520
Velocidade terminal (m s-1
) 8,47 5,32
Ângulo de talude (graus) 41,43 40,48
FDN (g/100g) de MS 21,76 nc
Proteínas (g/100g) de MS 5,76 nc
5.2. Testes de secagem com o forno de micro-ondas adaptado
O estudo da secagem do bagaço de laranja utilizando o forno de micro-ondas adaptado
teve como objetivo obter as melhores condições do processo avaliando o efeito das variáveis
(temperatura do ar, vazão de ar e potência de micro-ondas) nos parâmetros inerentes ao
99
processo de secagem, como: cinética de secagem, energia consumida, densidade de potência e
tempo de secagem, utilizando-se quantidades reduzidas de material.
Através destes dados foram selecionados os valores das variáveis que utilizados nos
testes de secagem com o secador contínuo rotativo.
5.2.1. Análise estatística dos resultados
Os resultados obtidos conforme o delineamento experimental (Tabela 08), para a
determinação do planejamento experimental, considerando temperatura do ar, vazão do ar e
potência de micro-ondas, são apresentados na Tabela 20.
Tabela 20. Valores reais do planejamento experimental utilizando o forno de micro-ondas doméstico adaptado.
Testes Temp. (°C) Var (m3min-1
) Pmo (W) ETtf (kJ)
Teste 1 45 2,1 279,13 1.009,59
Teste 2 65 2,1 279,13 1.136,48
Teste 3 45 2,4 279,13 1.252,73
Teste 4 65 2,4 279,13 1.458,91
Teste 5 45 2,1 837,40 800,19
Teste 6 65 2,1 837,40 800,42
Teste 7 45 2,4 837,40 730,33
Teste 8 65 2,4 837,40 882,45
Teste 9 55 2,3 558,27 902,78
Teste 10 55 2,3 558,27 902,78
Teste 11 55 2,3 558,27 902,78
A Energia Térmica Total Fornecida (ETtf) apresentou valores na ordem de 730,33 a
1.458,91 kJ. A análise estatística dos resultados experimentais possibilitou o cálculo dos
coeficientes de regressão dos fatores estudados e suas interações sobre a resposta (ETtf) os
quais são apresentados na Tabela 21.
Tabela 21. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf.
Resposta Fatores
Coeficiente de
Regressão
Erro
padrão T(4) p- valor
Média 979,949 23,94288 40,928 0,000002
temp 121,355 56,15103 2,1612 0,096756
Var 144,435 56,15103 2,5722 0,061831
(ETtf) (kJ) Pmo -411,080 56,15103 -7,3209 0,001852
Temp x Var 57,795 56,15103 1,0292 0,361515
Temp x Pmo -45,180 56,15103 -0,8046 0,466143
Var x Pmo -138,350 56,15103 -2,4638 0,069401
100
Após a identificação dos coeficientes de regressão estatisticamente significativos (p <
0,05), foi determinada a validade dos modelos e o seu ajuste dos dados experimentais através
da análise de variância (ANOVA), baseado no Teste F e na porcentagem de variação
explicada (R2). Estes resultados estão apresentados na Tabela 22.
Tabela 22. Análise de variância para a resposta ETtf para o forno de micro-ondas adaptado.
Resposta Fonte de
variação
Soma
quadrática
Graus de
liberdade
Média
quadratica
Fcal Ftab
(ETtf)
Regressão 337.974 1 337.973,53 7.681,21 5,12
Resíduo 145.445 9 16.160,54
Falta ajuste 145.445 7 20.777,84 451,69 19,35
Erro puro 0 2 0
Total 483.418 10
% variação explicada (R²) = 69,90%
O modelo codificado, as superfícies de respostas e as curvas de contorno propostas para
representar a distribuição do tempo de residência, para as condições estudadas, são apresentados
na Equação 40 e Figura 43.
ETtf = 979,94 – 205,40 x Pmo (40)
Em relação ao coeficiente de determinação (R²), observa-se que o modelo da
resposta ETtf explicou 69,90 % da variação dos dados, sendo assim, sendo considerado
insatisfatório para explicar os dados experimentais do processo.
Observando o diagrama de Pareto (Figura 44) é possível confirmar a significância da
potência de micro-ondas como efeito principal, localizado à direita do limiar de significância
(p ≤ 0,05).
Figura 44. Diagrama de Pareto.
1,666177
1,98306
-5,64403
p=,05
Efeitos Padronizados
(1)temp
(2)Var
(3)PMO
1,666177
1,98306
101
Observa-se ainda, que este efeito apresentou influência negativa na resposta estudada,
indicando que com o aumento da potência de micro-ondas o conteúdo de umidade diminui,
conforme esperado. Este efeito pode ser observado pelas curvas de taxas de secagem.
Os resultados obtidos conforme o delineamento experimental (Tabela 23), para a
determinação da Energia Térmica Total Fornecida (ETtf) e o Consumo de Energia Térmica
Total (CEET),estão apresentados na Tabela 23.
102
Tabela 23. Resultados energéticos para os experimentos utilizando bagaço de laranja com umidade inicial de 30%.
Testes Tempo (s) Uf Emo Ear ETtf Mae CEET ET DP
1 420 13,30 295,20 714,39 1.009,59 0,0386 26,18 65,49 172,04
2 360 13,98 280,80 855,68 1.136,48 0,0338 33,64 54,83 143,17
3 480 13,84 302,40 950,33 1.252,73 0,0359 34,93 60,48 203,69
4 390 13,32 320,40 1.138,51 1.458,91 0,0373 39,07 54,11 175,27
5 210 14,51 324,00 476,19 800,19 0,0405 19,74 52,56 107,74
6 210 13,23 302,40 498,02 800,42 0,0378 21,20 48,93 102,12
7 210 13,80 313,20 417,13 730,33 0,0374 19,55 47,39 88,02
8 210 12,66 313,20 569,25 882,45 0,0398 22,16 46,57 91,08
9 270 13,00 284,40 618,38 902,78 0,0392 23,02 55,27 106,27
10 270 14,16 284,40 618,38 902,78 0,0368 24,52 48,66 105,21
11 270 14,50 284,40 618,38 902,78 0,0367 24,62 48,47 106,48
Onde:
Uf = Umidade final (%);
Emo = Energia consumida pelo magnetron (kJ);
Ear = Energia consumida para aquecimento do ar (kJ);
ETtf = Energia térmica total consumida (kJ);
Mae = Massa de água evaporada (kg);
CEET = Consumo específico de energia térmica (MJ kgae-1
);
ET = Eficiência térmica (%);
DP = Densidade de potência (Wh kg-1
).
103
5.2.2. Avaliação energética do secador de micro-ondas adaptado
A avaliação energética foi realizada com base nos resultados obtidos dos testes de
número 7, Tabela 27, cujas condições de trabalho foram: Temperatura do ar 45°C, Vazão do
ar 2,4 m³ min-1
e potência das micro-ondas 837,40W, proporcionando o melhor resultado em
relação aos demais, tendo em vista os valores obtidos da energia térmica total fornecida (ETtf)
730,33 kJ, consumo específico de energia térmica (CEET) 19,55 MJ por kg de água
evaporada e eficiência térmica (ET) na ordem de 47,39 %.
Observa-se que os testes de número 9, 10 e 11, que representam o ponto central do
planejamento (3 repetições), e os testes de números 5, 6, 7 e 8 que representam as condições
extremas de secagem em relação a utilização da potência de micro-ondas adotada no
planejamento experimental, apresentaram valores da energia térmica total fornecida (ETtf) e
do consumo específico de energia térmica (CEET) muito próximos, porém superiores aos
daqueles citados na literatura ao se utilizar secadores convectivos convencionais, onde
teoricamente, a energia necessária para a evaporação de 1 kg de água em condição padrão
varia de 2,2 a 2,7 MJ por kg de água evaporada (STRUMILLO et al., 1995).
Nota-se que o valor da energia utilizada para o aquecimento do ar (Ear) representou
em todos os testes um valor acima de 57 % do valor da energia térmica total fornecida (ETtf).
Danilov e Leontchik (1986) através dos resultados obtidos nos balanços de energia realizado
em secadores convectivos concluíram que do total de energia fornecida durante o processo de
secagem, 20 a 60% são usados na evaporação da água, 5 a 25% para aquecimento do material,
15 a 40% são perdidos com o ar de saída, 3 a 10% são perdidos para a atmosfera através das
paredes do secador e 5 a 20% são considerados outras perdas.
Podemos observar que o resultado da densidade de potência apresentou valores na
ordem de 88,02 a 203,69 Wh kg-1
, indicando a relação direta da intensidade de potência de
micro-ondas aplicada em cada teste com os resultados obtidos.
Em relação a eficiência térmica podemos observar que os valores mais significativos
foram obtidos ao se utilizar menores valores de potência de micro-ondas, testes de número 1,
2 e 3. Os que obtiveram o pior desempenho foram os que usaram o maior valor de potência de
micro-ondas, testes 6, 7 e 8 respectivamente, indicando a relação direta do aumento do
consumo de energia com o rendimento do processo.
104
O gráfico apresentado na Figura 45 mostra o tempo gasto para atingir a umidade final
do bagaço de laranja, estabelecida em torno de 14%. Pode-se observar que ao se aplicar as
potências de 558,27 e 837,40 (W) obtivemos valores finais próximos e praticamente iguais à
metade do tempo obtido para os testes (1, 2, 3 e 5) onde foram utilizados 279,13 (W) de
potência. Esta redução do tempo se deve em função do aumento da temperatura do produto
causada pelo uso de potências elevadas, provocando o aumento da pressão interna de vapor de
saturação que por sua vez provoca o aumento da taxa de remoção de água do bagaço de
laranja, devido ao aumento da difusividade térmica do material.
Figura 45. Curvas de secagem do bagaço de laranja.
Para as condições estabelecidas para o experimento, os resultados mostraram valores
de consumo específico de energia térmica (CEET) superiores aos dos secadores rotativos
utilizados na indústria, que variam de 4.6 a 9.2 MJ por kg de água evaporada (CAVICHIOLO,
2010).
105
5.3. Distribuição do Tempo de Residência DTR
5.3.1. Análise estatística da DTR
Os resultados obtidos, conforme o delineamento experimental (Tabela 8) para a
distribuição do tempo de residência (DTR), considerando a rotação do cilindro secador e a
vazão de produto inserido no interior do secador, estão apresentados na Tabela 24.
Tabela 24. Planejamento experimental para a DTR.
Ensaios Variáveis do Processo Resposta
Rotação (rpm) Vp (kg h-1
) DTR (seg.)
1 1,29 3,17 1.275,33
2 1,29 8,83 722,83
3 2,71 3,17 1.272,06
4 2,71 8,83 636,08
5 1,00 6,00 1.313,14
6 3,00 6,00 532,35
7 2,00 2,00 996,57
8 2,00 10,0 811,69
9 2,00 6,00 827,13
10 2,00 6,00 819,47
11 2,00 6,00 871,4
O tempo de residência apresentou valores entre 532,35 e 1.312,14 segundos. A análise
estatística dos resultados experimentais possibilitou o cálculo dos coeficientes de regressão
dos fatores estudados e suas interações sobre a resposta DTR os quais são apresentados na
Tabela 25.
Tabela 25. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta DTR.
Resposta Fatores
Coeficiente de
Regressão Erro padrão T(7) p- valor
Média 839,33 30,66 27,37 0,000001
rpm (L) -573,81 37,55 -15,26 0,000022
rpm (Q) 114,98 44,70 2,57 0,049909
DTR (s) Vp (L) -87,87 37,55 -2,33 0,066416
Vp (Q) 96,36 44,70 2,15 0,083643
rpm (L) x Vp (L) -41,74 53,11 -0,78 0,467551
Após a identificação dos coeficientes de regressão estatisticamente significativos (p <
0,05), foi determinada a validade dos modelos e o seu ajuste dos dados experimentais através
106
da análise de variância (ANOVA), baseado no Teste F e na porcentagem de variação
explicada (R2). Estes resultados estão apresentados na Tabela 26.
Tabela 26. Análise de variância para a resposta DTR.
Resposta Fonte de
variação
Soma
quadrática
Graus de
liberdade
Média
quadratica
Fcal Ftab
Regressão 657.049,88 1 657.049,88 105,60 5,12
Resíduo 56.001,047 9 6.222,33
DTR(seg.) Falta ajuste 54.429,30 7 7.775,61 9,89 19,35
Erro puro 1.571,74 2 785,87
Total 713.050,92 10
% variação explicada (R²) = 92,14%
Foi elaborado um modelo, que representa a distribuição do tempo de residência, para
as condições estudadas, com as variáveis codificadas através da seguinte expressão:
DTR = 916,18 - 286,58 x rpm (41)
Segundo os resultados da Tabela 22, o modelo quadrático para a DTR mostrou
regressão significativa, com Fcalculado superior ao valor de Ftabelado (p < 0,05), 95% de
confiança.
Em relação ao coeficiente de determinação (R²), observa-se que o modelo da resposta
DTR explicou 92,14% da variação dos dados, sendo assim, preditivos do processo.
Esses resultados indicam uma boa concordância entre os valores experimentais
gerando as superfícies de resposta e respectivas curvas de contorno (Figura 46).
1
1,29
2
2,71
3
rpm
3
3,17
6
8,83
10 Vazão de pro
duto (K
g h -1 )
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
1 4 0 0
Tempo (seg.)
Figura 46. Superfícies de resposta e curvas de contorno para a DTR.
1 1,29 2 2,71 3
rpm
2
3,17
6
8,83
10
VA
ZÃ
O D
E P
RO
DU
TO
(K
g h
-1)
107
Pode-se observar no modelo gerado que a rotação do cilindro secador tem um efeito
linear positivo na DTR e a vazão de alimentação do produto não teve influência significativa
nos resultados obtidos, verificado através da análise de superfície de resposta.
5.3.2. Distribuição do tempo de residência DTR para o bagaço de laranja umidade
No levantamento do tempo de residência com base nas frações mássicas, foram
obtidas as seguintes curvas de E(t), F(t) e tempo de residência médio, conforme avaliação do
delineamento experimental (Tabela 19), considerando as seguintes variáveis independentes:
rotação do cilindro secador e vazão de produto inserido no interior do secador.
Como mostra dos resultados os valores são apresentados na Figura 47 para o ensaio 1. As
outras figuras são apresentadas no APÊNDICE A.
Figura 47. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 1.
5.4. Secagem com o secador rotativo contínuo assistido por micro-ondas
5.4.1. Resultado dos testes de secagem
A secagem do bagaço de laranja utilizando o secador rotativo contínuo assistido por
micro-ondas foi executado seguindo um planejamento estatístico com intuito de verificar a
influência dos parâmetros operacionais do processo de secagem sobre a Energia térmica Total
Fornecida (ETtf), conforme o delineamento experimental (Tabela 27).
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0 200 400 600 800 1.000 1.200
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 2
108
Para a análise de eficiência energética, a intenção é que se obtenha o menor consumo
de energia para a retirada de determinada massa de água do produto durante o processo de
secagem.
Tabela 27. Planejamento experimental para determinar a ETtf.
Ensaios Variáveis do Processo Resposta
T(ºC) Pmo (W) ETtf (MJ)
1 45 910 1,37
2 45 1.750 1,66
3 65 910 1,73
4 65 1.750 2,30
5 40 1.350 1,36
6 70 1.350 2,65
7 55 800 1,60
8 55 1.900 2,57
9 55 1.350 1,89
10 55 1.350 1,86
11 55 1.350 1,86
A Energia Térmica Total Fornecida (ETtf) apresentou valores na ordem de 1,36 a 2,57
MJ. A análise estatística dos resultados experimentais possibilitou o cálculo dos coeficientes
de regressão dos fatores estudados e suas interações sobre a resposta (ETtf) os quais são
apresentados na Tabela 28.
Tabela 28. Coeficientes de regressão dos fatores estudados sobre a resposta ETtf.
Resposta Fatores
Coeficiente de
Regressão
Erro
padrão T(5) p- valor
Média 2.315,26 108,58 21,32 0,000004
Pmo (L) 644,92 133,18 4,84 0,004706
Pmo (Q) -26,68 158,92 -0,16 0,873239
(ETtf) (kJ) Tar (L) 635,79 133,18 4,77 0,004999
Tar (Q) 81,49 158,92 0,51 0,629942
Pmo (L) x Tar (L) 67,97 188,07 0,36 0,732561
Após a identificação dos coeficientes de regressão estatisticamente significativos (p <
0,05), foi elaborado um modelo com as variáveis codificadas através da seguinte expressão:
ETtf = 2.335,13 + 322,46 x Pmo + 317,89 x Tar (42)
109
Observa-se que para a avaliação do consumo de energia térmica fornecida (Tabela 29),
o efeito linear da temperatura e o efeito linear da aplicação da energia de micro-ondas foram
os mais significativos.
Tal fato pode ser explicado pela alta potência instalada nos dispositivos referentes a
estas duas variáveis, magnetron e as resistências elétricas responsáveis pelo aquecimento do
ar de secagem.
O maior efeito foi o da temperatura, fato explicado pelo aumento do período de
utilização das resistências elétricas com o aumento da temperatura de secagem aplicada. Após
a retirada dos termos não significativos foi feita uma análise de variância (ANOVA) e
aplicado o teste F para se verificar a significância da regressão e gerar os modelos preditivos.
A Tabela 29 mostra a análise de variância do modelo gerado pela análise do erro puro.
Tabela 29. Análise de variância para a resposta ETtf do secador rotativo.
Resposta Fonte de
variação
Soma
quadrática
Graus de
liberdade
Média
quadratica
Fcal Ftab
(ETtf)
Regressão 1.635.456 2 817.728,20 33,603 4,46
Resíduo 194.679 8 24.334,88
Falta ajuste 194.569 6 32.428,11 587,465 19,33
Erro puro 110 2 55,20
Total 1.830.135 10
% variação explicada (R²) = 89,36%
Segundo os resultados da Tabela 29, o modelo quadrático para a ETtf mostrou
regressão significativa, com Fcalculado superior ao valor de Ftabelado (p < 0,05), 95% de
confiança. Verificou-se que o modelo apresentou coeficientes de determinação (R2) igual a
0,8936, indicando que o modelo explica 89,36% da variação dos dados observados.
Esses resultados indicam uma boa concordância entre os valores experimentais e os
previstos pelo modelo, sendo possível gerar as superfícies de resposta e respectivas curvas de
contorno (Figura 48).
110
800
950
1350
1750
1900
Potencia de Micro-ondas (W
)
40
45
55
65
70
Temperatura do ar (°C)
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
ETtf(k
J)
Figura 48. Superfícies de resposta e curva de contorno da Energia Térmica Total Fornecida
(ETtf) durante os ensaio de secagem do bagaço de laranja.
Pela análise da superfície de resposta e curvas de contorno geradas pelo modelo
(Figura 58), verifica-se o menor consumo de energia térmica, foi obtido ao se aplicar
temperaturas do ar na faixa de 45 a 60ºC e potência de micro-ondas na faixa situada entre 800
a 1.500 W.
Este resultado está de acordo com os estudos de eficiência energética discutidos neste
trabalho, que apontou a geração de micro-ondas como a principal fonte consumidora de
energia no processo.
Os resultados obtidos conforme o delineamento experimental (Tabela 28), para a
determinação da Energia Térmica Total Fornecida (ETtf) e o Consumo de Energia Térmica
Total (CEET), estão apresentados na Tabela 31.
ETtf
800 950 1350 1750 1900
Potência de Micro-ondas
40
45
55
65
70
Tem
pera
tura
do a
r
111
Tabela 30. Resultados energéticos por unidade de tempo para os experimentos utilizando bagaço de laranja com umidade inicial de 28,9%.
Testes Uf Emo Ear Emo não abs ETtf Mae CEET DP ET
1 18,40 1.221,12 653,84 501,60 1,37 0,2664 5,15 115,38 46,39
2 14,40 1.635,12 650,32 627,00 1,66 0,3459 4,79 210,59 49,75
3 17,20 1.116,72 1.318,15 702,24 1,73 0,3199 5,42 117,36 44,60
4 13,70 1.604,88 1.340,43 648,00 2,30 0,3569 6,44 208,33 37,46
5 17,40 1.383,84 557,05 576,84 1,36 0,3245 4,20 160,33 56,92
6 14,30 1.405,80 1.693,13 451,44 2,65 0,3957 6,69 159,57 35,79
7 19,50 1.097,64 1.050,92 551,76 1,60 0,2810 5,68 93,79 41,86
8 11,60 2.055,24 1.069,09 551,76 2,57 0,3895 6,60 221,70 36,52
9 16,90 1.422,72 1.016,34 551,76 1,89 0,3210 5,88 164,84 40,84
10 15,40 1.445,04 1.020,88 601,92 1,86 0,3401 5,48 162,06 43,74
11 15,60 1.413,72 1.044,53 601,92 1,86 0,3425 5,42 159,39 44,24
Onde:
Uf = Umidade final (%);
Emo = Energia consumida pelo magnetron para geraç~çao de micro-ondas (kJ);
Emo não abs = Energia de micro-ondas não absorvida pelo bagaço de laranja (kJ)
Ear = Energia consumida para aquecimento do ar (kJ);
ETtf = Energia térmica total consumida (MJ);
Mae = Massa de água evaporada (kg);
CEET = Consumo específico de energia térmica (MJ kgae-1
);
ET = Eficiência térmica (%);
DP = Densidade de potência (Wh kg-1
).
112
5.4.2. Avaliação energética do secador rotativo assistido por micro-ondas
A avaliação energética foi realizada com base no resultado obtido do teste de número
4 (Tabela 30), cujas condições de trabalho proporcionaram o melhor resultado em relação aos
demais, alcançando o valor de umidade final desejado e com menor consumo de energia
térmica total fornecida (ETtf) na ordem de 2,30 MJ.
O teste de número 2 alcançou valor um pouco acima da umidade final obtida no teste
número 4, consumindo 1,66 MJ de energia térmica total fornecida (ETtf) utilizando-se o
mesmo valor de potência de micro-ondas (Pmo = 1.750 W) e temperatura de aquecimento do
ar (Tar = 45ºC), inferior àquela que foi utilizada no teste número 4, reduzindo o consumo de
energia, conforme demonstrado através da análise da superfície de resposta e curva de
contorno (Figura 58).
Nota-se que o valor da energia utilizada para o aquecimento do ar (Ear) representou
58,20 % do valor da energia térmica total fornecida (ETtf), confirmando os estudos de
Danilov e Leontchik (1986), já citado anteriormente, onde concluíram que do total de energia
fornecida durante o processo de secagem, 20 a 60% são usados na evaporação da água. Este
resultado está de acordo com os estudos de conservação de energia que aponta o aquecimento
do ar de secagem como a principal fonte consumidora de energia no processo.
Em relação à influência da potência de micro-ondas, pôde-se constatar que ao se
utilizar a mesma temperatura de aquecimento do ar o aumento da potência de micro-ondas
proporcionou maior taxa de secagem durante o processo, pois quanto maior a potência de
micro-ondas aplicada, maior será a quantidade de calor gerado no interior do material
elevando a pressão de vapor da água, forçando o movimento desta para a superfície do
produto (WANG e XI, 2005).
Deste modo, a vaporização da umidade será mais rápida aumentando a gradiente de
pressão de vapor da água estabelecida entre o centro e a superfície do material, resultando na
redução da umidade do material em menor tempo de secagem.
Podemos observar que a densidade de potência utilizada foi o dobro daquela utilizada
nos ensaios onde foi utilizado o secador de micro-ondas adaptado, devido à quantidade de
produto utilizado nos testes, 3 kg que corresponde ao volume útil do cilindro de secagem
usualmente entre 6% a 10%, do volume interno.
Em relação à eficiência térmica, podemos observar que os resultados não foram
satisfatórios, abaixo de 50%, considerando que o equipamento utilizado é um protótipo
construído em escala piloto, sem isolamento térmico, contribuindo com o aumento do
113
consumo de energia devido às trocas com o ambiente reduzindo o desempenho do processo de
secagem.
5.5. Secagem com secador rotativo sem aplicação de micro-ondas
Nesta etapa, para efeito de comparação, o bagaço de laranja com umidade inicial de
68,50% e 28,86% foi submetido à secagem utilizando o secador contínuo rotativo sem
aplicação de micro-ondas, até alcançar a umidade final de 13,80% e 13,89%, respectivamente,
onde foram utilizadas as seguintes condições operacionais: Tar igual a 65ºC e Var igual a 2,1
m³ min-1
. A rotação do secador foi fixada em 2 rpm.
Os resultados obtidos para a determinação da Energia Térmica Total Fornecida (ETtf)
e o Consumo de Energia Térmica Total (CEET), estão apresentados na Tabela 31.
Tabela 31. Consumo de energia durante a secagem do bagaço de laranja com umidade inicial de 68,50% e 28,86%.
Ui (%) Uf (%) Mi (kg) t (min.) Mae (kg) ETtf (MJ) CEET (MJ kgae -1
)
68,50 13,93 2,03 129,14 1,28 12,70 9,86
28,86 13,89 2,03 46,00 0,35 4,53 12,86
5.6. Avaliação energética dos secadores
5.6.1. Análise do Consumo específico entre os secadores
Os resultados do consumo energético específico (CEET) e energia térmica total
fornecida (ETtf) entre os secadores estão apresentados na Tabela 32.
Tabela 32. Comparação entre os resultados do consumo específico do secador contínuo rotativo com e sem aplicação de micro-ondas.
Secador Ui (%) Uf (%) Mi (kg) t (min) Mae (kg) ETtf (MJ) CEET (MJ kgae-1
)
Com MO 28,80 13,70 2,03 18,00 0,356 2,30 6,44
Sem MO 28,86 13,89 2,03 46,00 0,352 4,53 12,86
Em relação à energia térmica total fornecida (ETtf) consumida durante a secagem no
qual foi utilizado o secador rotativo com aplicação de micro-ondas foi obtido o valor de 2,30
MJ, sendo 0,96 MJ referente a energia útil consumida pelo magnetron mais 1,34 MJ
consumido para o aquecimento do ar, ou seja, 1,96 vezes menor em relação ao obtido no
processo sem aplicação de micro-ondas.
114
Analisando-se o valor obtido do consumo específico de energia térmica (CEET)
verifica-se que para o processo onde foi utilizado o secador rotativo com aplicação de micro-
onda obteve-se o valor de 6,44 MJ por quilo de água evaporada, ou seja, 1,99 vezes menor,
em relação ao obtido no processo sem aplicação de micro-ondas.
Quanto ao tempo de secagem, observa-se que ao efetuar a secagem do bagaço de
laranja com aplicação de micro-ondas o processo foi finalizado em apenas 18 minutos, contra
os 46 minutos gastos para realizar a mesma operação sem aplicação contínua de micro-ondas,
comprovando a eficiência da sua aplicação, que acelera a remoção da umidade,
proporcionando uma redução no tempo final de secagem de aproximadamente 60%.
Os resultados obtidos indicam que a aplicação de micro-ondas em conjunto com a
secagem convectiva pode trazer importantes vantagens se usados em conjunto com as
tecnologias existentes utilizadas pelos secadores convencionais rotativos. A secagem do
bagaço de laranja efetuada no secador rotativo assistido com micro-ondas pode melhorar os
processos de secagem, devido à utilização de temperaturas menores em relação às utilizadas
pelos secadores rotativos convencionais, reduzindo substancialmente a energia consumida
durante a secagem e provendo melhor controle dos parâmetros do processo.
5.7. Considerações sobre custo do combustível e da energia elétrica utilizada durante o
processo de secagem.
A partir dos resultados obtidos nos testes de secagem realizados no secador rotativo
com e sem aplicação de micro-ondas (Tabela 33), determinou-se o consumo de energia
térmica (ETtf ) em função da massa de bagaço seco (Mbs) produzida, considerando uma
situação hipotética, onde o secador trabalharia segundo o regime de trabalho adotado pelas
industrias processadoras de laranja, ou seja: 24 horas, durante sete meses ou 210 dias, que
corresponde ao período da safra.
Deve-se levar em conta que os resultados obtidos devem ser considerados como
tendências a serem analisadas, uma vez que estão baseados em resultados de testes com
equipamentos em escala piloto.
115
Tabela 33. Comparação entre os resultados obtidos da Energia térmica total fornecida em
relação a quantidade de bagaço seco produzido pelo secador contínuo rotativo com e sem
aplicação de micro-ondas.
Secador Mbs (kg h-1
) Mbs (kg safra-1
) ETtf (MJ safra-1
) ETtf (MJ kgbs-1
)
Com MO 5,60 28.272,55 38.640,00 1,36
Sem MO 2,18 10.987,20 29.779,82 2,71
Devido à melhora da eficiência do sistema com aplicação de micro-ondas, o secador
poderia processar 28,27 toneladas de produto por safra, contra 10,98 toneladas ao se utilizar o
sistema puramente convectivo, ou seja, sua capacidade de produção aumentou 2,61 vezes.
A aplicação de micro-ondas permite um controle preciso do consumo de energia além
de menor desperdício, visto que o consumo específico de energia térmica do equipamento em
função da massa de bagaço seco produzido foi de 1,36 contra 2,71 MJ kgbs-1
ao se utilizar a
tecnologia tradicional, proporcionando uma redução de 1,99 vezes no consumo de energia em
relação ao processo puramente convectivo.
A utilização do processo com micro-ondas reduz o tempo de processo contribuindo
diretamente com o aumento da produção do bagaço seco por safra, justificando seu uso em
uma linha de processamento com capacidade de produção em escala industrial.
5.8. Considerações sobre o custo da secagem em função da produção de bagaço seco.
Para ambos os métodos de secagem avaliados, foi considerado como componente
principal para o cálculo do custo da secagem o combustível utilizado para promover o
aquecimento do ar, mais a energia elétrica consumida para a geração de micro-ondas
responsável pela remoção de umidade do bagaço de laranja.
Neste estudo considerou-se que a geração de energia térmica para o aquecimento do ar
estaria associada a uma fonte de energia química submetida à reação de combustão podendo
optar por utilizar combustíveis oriundos de diversas fontes, tais como os fósseis (óleo
combustível – OC, gás GLP, gás natural GN) ou as biomassas (bagaço de cana, lenha em tora,
cavaco de lenha), entre outras que fazem parte de uma matriz energética.
A Tabela 34 apresenta dois tipos de combustível, um de origem fóssil e outro oriundo
de biomassa, cujos dados foram utilizados nos cálculos do custo da secagem.
116
Tabela 34. Poder Calorífico Inferior (kJ/kg) e preço de venda dos combustíveis.
Fontes Energéticas *PCI (kJ kg-1
) **Preço de venda (R$ kg-1
)
Bagaço de cana (50%) 7.536,24 0,12
Óleo combustível 39.983,94 1,50
* www.arauterm.com.br/pdf/tabela_pc_inferior.pdf
**Fonte: Valor Econômico (22/07/2015)
A partir dos resultados obtidos para o consumo de energia térmica (ETtf) com
aplicação de micro-ondas e o resultado do estudo puramente convectivo em kJ, (Tabela 31)
calculou-se o custo do combustível necessário para realizar uma secagem hipotética do
bagaço da laranja durante o período de safra.
Em relação ao custo da energia elétrica consumida, adotou-se a tarifa da
concessionária que abastece a região de Campinas que no caso é a CPFL, cujo valor de
distribuição é de R$ 0,42 por kWh, sem levar em conta o sistema de bandeiras tarifárias que
indicam se a energia custa mais ou menos, em função da dificuldade de geração de
eletricidade devido à estiagem, obtendo-se o seguinte valor:
Custo da energia elétrica (Cee).
Cee = (0,26 kW x 60 min.)/18 min. x 24 h x 210 dias x 0,42 R$ kW-1
Cee = R$ 1.834,56
A este valor deve-se acrescentar o custo proveniente do combustível utilizado para
aquecer o ar, admitindo-se que a eficiência do sistema de geração de energia térmico é de
70%.
Custo do bagaço de cana com 50% de umidade (Cbc).
Cbc = (1.340,43 kJ x 60 min.)/18 min. x 24 h x 210 dias/(7.536,24 kJ kg-1
x 0,70) x R$ 0,12
Cbc = R$ 512,25
Custo do óleo combustível OC 2A (Coc).
Coc = (1.340,43 kJ x 60 min.)/18 min. x 24 h x 210 dias/(39.983,94 kJ kg-1
x 0,70) x R$ 1,50
Coc = R$ 1.206,87
117
Para a secagem convectiva foram consideradas as mesmas condições de trabalho
adotadas para o sistema combinado, obtendo-se os seguintes resultados:
Custo do bagaço de cana com 50% de umidade (Cbc).
Cbc = (4.530 kJ x 60 min.)/46 min. x 24 h x 210 dias/(7.536,24 kJ kg-1
x 0,70) x R$ 0,12
Cbc = R$ 677,40
Custo do óleo combustível OC 2A (Coc).
Coc = (4.530 kJ x 60 min.)/46 min. x 24 h x 210 dias/(39.983,94 kJ kg-1
x 0,70) x R$ 1,50
Coc = R$ 1.595,98
O custo da secagem (CS) foi calculado com base no preço do combustível consumido
para produzir uma tonelada de bagaço de laranja seco (tbs) durante a safra cujos resultados
estão apresentados na Tabela 35.
Tabela 35. Custo de secagem por safra (R$/tbs).
Custos (R$) Produção (t) Custo da Secagem (R$ tbs-1
)
Cbc Coc Bagaço seco CSbc CSoc
MO 2.346,81 3.041,43 28,27 83,01 107,58
SMO 677,40 1.595,98 10,98 61,69 145,35
Onde:
Cbc = Custo do bagaço de cana;
Coc = Custo do óleo combustível;
CSbc = Custo da secagem utilizando bagaço de cana;
CSoc = Custo da secagem utilizando óleo combustível OC 2A.
Os resultados apresentados na Tabela 36 indicou que o custo de secagem no processo
convectivo combinado com micro-ondas ao se utilizar o bagaço de cana, foi de R$ 83,01 por
tonelada, contra R$ 61,69 por tonelada, ou seja, 1,34 vezes superior em relação ao processo
puramente convectivo, diferença significativa, devido ao acréscimo da parcela da energia
elétrica R$ 1.834,56, consumida para a geração da energia de micro-ondas nos cálculos do
custo.
118
Ao se utilizar o óleo combustível OC 2A, o sistema combinado com micro-ondas
obteve vantagem em relação ao custo da secagem puramente convectiva, obtendo um valor
final de R$ 107,58 por tonelada contra R$ 145,35 por tonelada.
Tal diferença é resultado do alto custo do óleo OC 2A e a baixa capacidade de
produção de bagaço de laranja ao se utilizar o sistema tradicional, 2,57 vezes menor em
relação ao sistema combinado com micro-ondas, justificando a utilização de combustíveis
oriundos de biomassa que possuem preços inferiores se comparado com os combustíveis de
origem fóssil.
Portanto conclui-se que a opção mais econômica é a utilização do bagaço de cana,
porém menos eficiente por apresentar o menor poder calorífico exigindo-se maiores
quantidades de combustível para produzir a mesma energia obtida ao se utilizar o óleo OC
2A, consequentemente implicando em maiores áreas de armazenamento.
A utilização da secagem combinada com micro-ondas poderia ser viabilizada através
da integração com um sistema de cogeração.
Indicado principalmente para as indústrias que possuem altas demanda térmica,
disponibilidade de combustível e operando seus sistemas ininterruptamente. A utilização de
turbinas a vapor acopladas a geradores, permitiria a redução do custo da energia elétrica
consumida pelo sistema de micro-ondas durante o processo de secagem do bagaço.
A tabela 36 apresenta a comparação entre os valores obtidos nos testes de secagem.
Tabela 36 - Comparações entre os processos de secagem.
Parâmetros Secador Rotativo
Com Micro-ondas Sem micro-ondas
Teor de umidade inicial do bagaço de laranja (%) 28,80 28,86
Teor de umidade final do bagaço de laranja (%) 13,70 13,89
Quantidade de bagaço de laranja processado (kg) 2,03 2,03
Água evaporada (kg) 0,356 0,352
Tempo de processo (min.) 18,00 46,00
Massa de bagaço seco produzido (kg h-1
) 5,60 2,18
Energia útil fornecida pelo magnetron (MJ) 0,96 -
Consumo de energia para aquecer o ar (kJ) 1,34 4,53
Energia térmica total fornecida (MJ) 2,30 4,53
Consumo de Energia Térmica Total (MJ kgae-1
) 6,44 12,86
Eficiência energética ηe (%) 37,46 19,57
Custo da secagem para bagaço de cana (R$ tbs-1
) 83,01 61,69
Custo da secagem para óleo OC 2A (R$ tbs-1
) 107,58 145,35
119
6. CONCLUSÕES
As análises e testes efetuados permitiram que se alcançassem os objetivos deste
trabalho, ou seja, a comparação do desempenho energético entre os secadores rotativo com
aplicação de micro-ondas e sem aplicação, mesmo considerando-se a escala piloto.
Os resultados da caracterização do bagaço de laranja apresentaram resultados com
baixos coeficientes de variação, indicando a adequação das metodologias utilizadas.
Os resultados da caracterização do bagaço de laranja apresentaram resultados
coerentes, com baixos coeficientes de variação, indicando a adequação dos métodos
utilizados.
A técnica de estímulo e resposta utilizando método de pulso de traçador mostrou-se
eficiente na distribuição do tempo de residência do bagaço de laranja no secador
rotativo. A metodologia do planejamento estatístico permitiu avaliar a influência
significativa da variação da rotação do cilindro e da vazão de alimentação do produto
na DTR.
Os resultados obtidos com o forno de micro-ondas adaptado permitiu elaborar as
curvas de secagem, medir o consumo de energia e densidade de potência. A
metodologia do planejamento experimental gerou modelo significativo, representado
através da superfície de resposta e curva de contorno para a energia térmica total
fornecida (ETtf).
As variáveis, potência de micro-ondas e temperatura do ar se mostraram significativas
sobre a secagem do bagaço de laranja. A elevação destes níveis aumentou
consideravelmente a taxa de secagem acelerando a retirada da umidade do material
reduzindo o tempo da secagem.
A secagem contínua com aplicação de micro-ondas provou ser eficaz, mantendo as
características de qualidade do bagaço de laranja e aumentando a taxa média de
secagem, reduzindo o consumo de energia térmica total fornecida (ETtf) em 38,6% e o
consumo específico de energia térmica (CEET) em 39,34%, reduziu em 60% o tempo
120
total da secagem, além de aumentar 2,56 vezes a produtividade, quando comparado ao
processo puramente convectivo a 65 °C sem aplicação de micro-ondas.
O custo da secagem para o processo convectivo combinado com micro-ondas foi 1,34
vezes superior utilizando o bagaço de cana e 1,35 vezes inferior ao utilizar óleo
combustível OC 2A em relação ao processo puramente convectivo.
Considerando os níveis elevados da tarifa de energia elétrica, a redução do custo de
secagem combinada com micro-ondas pode ser viabilizada através da integração com
um sistema de cogeração ao se utilizar caldeiras que produzem vapor com alta
qualidade energética.
121
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS
AOAC ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMISTS. Official Methods of
Analysis of AOAC International. 17 th ed. Gaistherburg, v.2, 2000.
ARIKAN, M.F. et al. Drying characteristics and quality parameters of microwave-dried
grated carrots. Food Bioprocess Technology, vol. 5, p. 3217–3229, 2012.
ARRUDA , E.B. et al. Modeling of fertilizer drying in roto-aerated and convencional rotary
drye. Journal of Food Engineering, v. 68, n. 2, p. 239 – 247, 2005.
ARTEAGA, G.E.; LI-CHAN, E.; VAZQUEZ-ARTEAGA, M.C.; NAKAI, S. Systematic
experimental designs for product formula optimization. Trends in Food Science and
Technology, Cambrigde, , v. 5, n. 8, p.243-254, 1994.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EXPORTADORES DE CITROS - CITRUS –BR
Disponível em: <http:/ www.citrusbr.com.br,>. Acesso em: 13 novembro 2014.
BAKER, C.G.J. Cascading rotary dryers. In: MUNJUNDAR, A.S Advances in drying. New
York: Hemisphere, v.2, p.1-51, 1983.
BAKER, C.G.J. The desing of flights in cascading rotary dryers. In: Drying Technology,
v.6, n.4, p.631-654, 1988.
BAKER, C. Industrial drying of foods. London: Chapman & Hall, 1997. 309p.
BAKER-ARKEMA, F. W.; LEREW, L.E.; BROOK, R.C.; BROOKER, D.B. Energy and
capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph, Michigan, ASAE, 13p
(ASAE Paper, 78-3523), 1978.
BARROS NETO, B.; SCARMINIO, I. S.; BRUNS, R. E. Como Fazer Experimentos:
Pesquisa e Desenvolvimento na Ciência e na Indústria. Campinas: Editora da Unicamp, 3ª
Ed, 401p, 2002.
122
BENEDETTI, B.C. Influência do teor de umidade sobre as propriedades físicas de vários
grãos. 125p. Dissertação (mestrado) - (FEAGRI/UNICAMP), Campinas, SP. 1987.
BERTELI, M. N.; MARSAIOLI Jr., A. Evaluation of short cut pasta air dehydration assisted
by microwaves as compared to the conventional drying process. Journal of Food
Engineering. v.68, n.2, p.175-183, 2005.
BITTECOURT, J. Avaliação de um secador de bananas tipo cabine com bandejas. 64p.
Dissertação (mestrado) - (FEAGRI/UNICAMP), Campinas, SP. 2001.
BOTHA G.E., OLIVEIRA, J.C., AHRNÉ, L. Microwave assisted air drying of osmotically
treated pineapple with variable power programmes. Journal of Food Engineering, 108: p.
304-310. 2012.
BRADDOCK, R.J. By products of citrus fruit. In: Food Technology, p.74 – 77, 1995.
BROD, F. P. R., PARK, K. J., ALMEIDA, R. G. de. Image analysis to obtain the vibration
amplitude and the residence time distribution of a vibro-fluidized dryer. Journal of Food and
Bioproducts Processing-Trans. Institution of Chemical Engineers, London, 82 (2), 157-163,
2004.
BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying and storage of grains
and oilseeds. Westport: The AVI Publishing Company, 1992. 450 p.
BRUM P.A.R. O trigo na alimentação de aves. Avicultura Industrial, p. 14-16, 2000.
BUFFLER, C. R. Microwave cooking and processing: Engineering fundamentals for thefood
scientist. Introduction to microwaves, New York: Van Nostrand Reinhold, p.1-13, 1992.
CAO, W. F.; LANGRISH. T. A. G. Comparison of residence time modelsfor cascading rotary
dryers. Drying Technology, v 17, n. 4p. 825 – 836, 1999.
CAVICHIOLO, J.R. Secagem do Bagaço de Laranja em Secador Tipo Flash, Tese de
Mestrado, (Engenharia Agrícola), FEAGRI – UNICAMP, Campinas. SP. 2010.
123
COMPANIA PAULISTA DE FORÇA E LUZ – CPFL. Taxas e tarifas. Disponível em:
<http://www.cpfl.com.br/new/servicos/taxas_tarifas.asp>. Acesso em: 27 de abril. 2015.
COOK, E.M.; DUMONT, H.D. Process drying practice. New York: Mc Graw-Hill,
1991.256p.
DALL´OGLIO, E. L. Reações da Hexacloroacetano com aminas Aromáticas: Efeitos de
Ultra-Som e Micro-ondas. 2002. 159 f.. Tese (Doutorado em Química) - Universidade
Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2002.
DASCALESCU, A. Le Séchage et ses aplications industrielles. 2 ed. Paris: Dunot 536 p.
1969.
DANILOV, O. L.; LEONTCHIK, B. I. Energy economic in thermal drying. Moscow. 1986.
DECAREAU, R. V.; PETERSON, R. A. Microwave processing and engineering.
Chichester: Ellis Horwood, 1986, 224p.
DOUGLAS, P.L.; KWADE, A.; LEE, P.L.; MALLICK, S.K.; WHALEY, M.G. Modelling,
simulation & control rotary sugar dryers. In: Drying 92, MUJUNDAR, A. S. (ed) Elsevier
Science Publishers, p. 1249-1257, 1992.
EARLE. R. L. Unit operations in food processing. Oxford: Pergamon Press, 207p, 1983.
EZEQUIEL, J. M. B. Uso da polpa cítrica na alimentação animal. III Simpósio Goiano
sobre Manejo e Nutrição de Bovinos, Goiânia-GO, p. 329-346, 2001.
FEGEROS, K.; ZERVAS, G.; STAMOULI, S.; APOSTOLAKI, E. Nutritive value of dried
citrus pulp and its effect on milk yield and milk composition of lactating ewes. Journal of
Dairy Science, v.78, p. 1116-21, 1995.
FENG, H.; TANG, J. Microwave finish drying of diced apples in a spouted bed. Journal of
Food Science, v. 63, p. 679-683, 1998.
124
FIGIEL, A. Drying kinetics and quality of beetroots dehydrated by combination of convective
and vacuum-microwave methods. Journal of Food Engineering, v. 98, p. 461–470, 2010.
FENG, H.; TANG, J. Microwave Finish Drying of Diced Apples in a Spouted Bed. Journal
of Food Science, v.63, n.4, p.679 – 683, 1998.
FENG, H.; TANG, J.; CAVALIERI, R. P.; PLUMB, O. A. Heat and mass transport in
microwave drying of porous materials in a spouted bed. American Institute Chemical
Engineers Journal, v.47, n.7, p. 1499-1512, 2001
FERRARA, A. L. Relatório de Estágio Realizado na Sucocítrico Cutrale Ltda, 2003.
FRIEDMAN, S. J. MARSHAL Jr, T. R. Studies in rotary drying, Chemical Engineering
Progress, v, 45, n.8 e 9, p.482-583, 1949.
FORNELL, A.; BIMBENET, J.J.; ALMIN, Y. Experimental-study and modelization for air
drying of vegetable products. Lebensmittel-Wissenschaft & Technologie, London, v. 13, n.
2, p. 96-100, 1980.
FOUST, A. S. et al. Princípios das operações unitárias. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e
Científicos Editora S.A., 1982, 670p.
FUKUDA, A. M; SILVEIRA, A. M. Secagem De Brócolis Via Micro-ondas: Caracterização
De Amostras. In: VII Congresso Brasileiro de Engenharia Quimíca em Iniciação Científica
(COBEQ-IC), 2008, São Carlos. Anais do VII COBEC-IC. São Carlos, 2007.
GASPARINO FILHO, J, Estudo do consumo e conservação de energia em uma unidade
industrial de suco de laranja concentrado e congelado, Tese de Metrado, DEQ/EPUSP.
1982.
GOKSU, E. I.; SUMMU, G.; G. ESIN, A. Effect of microwave on fluidized bed drying of
macaroni beads. Journal of Food Engineering. v.66, n.4, p. 463-468, 2004.
125
GONÇALVES, E.C. Secagem ciclônica do resíduo da indústria processadora de laranja,
1996, 87p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) _ FEA/UNICAMP, Campinas,
SP.
HAN, W.; MAI, B.; GU, T. Residence time distribution and characteristics of a continuous
vibro-fluidized bed. Drying Technology, 9 (1), 159–181. 1991.
HAN, W.; MAI, B.; GU, T. Residence time distribution and drying characteristics of a
continuous vibro-fluidized bed. Drying Technology, New York, v.9, n.1, p.159-181, 1991. [
HASSE, G. A laranja no Brasil. Edição de Duprat & Iope Propaganda. São Paulo, 1987.
HENRY, C. J. K.; CHAPMAN, C. The Nutrition Handbook for Food Processors. Lincoln:
CRC Press,. p.117-127, 2002.
HIMMELBLAU, D.M.; BISCHOFF, K.B. Process analysis and simulation, John Wiley and
Sons, Inc., New York , 348 p., 1968.
JONES, P.L. High frequency dieletric heating in paper making. Drying technology, v.4, n.
2p. 217 – 244, May, 1986
KINGST, S.; HASWELL, S.J. Microwave enhanced chemistry. Washingt, American
Chemical Society, 772 p. 1997.
KNEULE, F. El Secado. Bilbao, Urmo. 414p., 1966.
KEEY, R.B. Drying of loose and particulate materials. New York: Hemisphere Publishing
Corporation, 504 p., 1992.
KELLY, J.J. Rotary dryng. In: MUJUNDAR, A. S. Handbook of industrial drying. New
York: Editora Marcel Dekker, p. 133 – 153, 1987.
126
KELLY, J.J. Rotary dryng. In: MUJUNDAR, A. S. Handbook of industrial drying. New
York: Editora Marcel Dekker, p. 161 – 183, 1995.
LESCANO C. Análise da secagem de resíduo de leite de soja “ Okara” em secador de
leito de jorro e de cilindro rotativo assistido a micro-ondas. 2009, Campinas, Faculdade de
Engenharia Química, UNICAMP, 163p. Dissertação (doutorado)
LOMBRAÑA, J.I., RODRÍGUEZ, R., RUIZ, U. Microwave-drying of sliced mushroom.
Analysis of temperature control and pressure. Innovative Food Science And Emerging
Technologies, 11 (4), p.652 - 660, 2010.
(LEVENSPIEL, O. Chemical reaction engeneering, Technology and Engeneering, Wiley,
578 p. 1972.
LEVENSPIEL, O. Engenharia das reações químicas: volume 2 – Cálculo de reatores. São
Paulo: Edgard Blücher, v. 2, 211p. 1974.
LUZ, C. DA; BAUDET, L.; TROGER, F. Comparação de métodos diretos para determinação
do teor de água de sementes. Revista Brasileira de Sementes, Viçosa, V.15, n.2, p.157 –
163, 1993.
MARSAIOLI Jr. A. Desenvolvimento de um protótipo de secador cilíndrico rotativo a
micro-ondas e ar quente para a secagem contínua de produtos sólidos granulados. :
Faculdade de Engenharia de Alimentos, UNICAMP, 1991. 197p. Dissertação (Doutorado).
MARSAIOLI Jr. A; BERTELI, N.M; PEREIRA, R.P., Applications of microwave energy to
postharvest technology of fruits and vegetables. Stewart Postharvest Review, 6:2, 2009.
MASKAN, M. Microwave/Air and Microwave Finish Drying of Banana. Journal of Food
Engineering, v. 44, n. 2, p. 71-78, 2000.
MASKAN, M. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air
and microwave drying. Journal of Food Engineering, v. 48, p. 177–182, 2001.
127
MENON, A. S., MUNJUMDAR, A. S. Drying of solids: principles, classification, and
selection of dryers. In: MUNJUMDAR A. S. Handbook of Industrial Drying. New York:
Marcel Dekker Inc., cap9, p 295 – 326, 1987.
MENON, A. S.; MUJUMDAR, A. S. Drying of solids: principles, classification, and selection
of dryers. In: MUJUMDAR, A. S. Handbook of Industrial Drying. New York: Marcel
Dekker Inc., 1987. cap. 1, p. 3-46.
METAXAS, A.C.; MEREDITH, R.J. Industrial Microwave Heating, 2 ed. London Peter
Peregrinus, 357 p. 1988.
MOHSENIN, N.N. In: Physical properties of plant and animal materials. 2ed. New York:
Gordon and breach science. cap. 2-3, 734 p, 1970.
MUDGETT, R. E. Engineering properties of foods. New York: RAO, M. A.,
Electrical properties of foods, p.389-456, 1996.
MUJUMDAR, A. S. Drying fundamentals. In: BAKER, C.G.J. Industrial drying of foods
London:, Blackie, 1997.p.7-30.
MUJUMDAR, A.S.; MENON, A.S. Drying of Solids: Principles, Classification, and
Selection of Dryers. In: MUJUMDAR, A.S. Handbook of industrial drying. New York
Marcel Dekker, Inc, p.1-39, 1995.
NEVES, M.A.O.,Coordenador do Centro de Pesquisa e Projetos em marketing e Estratégias,
Disponível em: <HTTP://www.markestrat.org. Acesso em:18 de maio 2015.
NITZ, M. Secagem de Macarrão Assistida por Micro-ondas. Campinas: Faculdade de
Engenharia de Alimentos, UNICAMP, 1999. 68p. Dissertação (Mestrado).
OWUSU-ANSAH, A. J. Advances in microwave drying of foods and food ingredients
Canadian Institute of food Science and Technology Journal, v 24. P.102 –107, 1991.
128
PAKOWSKI, Z.; MUJUMDAR, A. S. Basic Process calculations in drying. In.:
MUJUMDAR, A. S. Handbook of industrial drying. New York. 2ed. 1995. p.71-112.
PAVANI, O. D. Grãos, estudo da armazenagem e do manuseio. In: Óleos e Grãos., p.3137,
1992.
PERAZZINI, H. Secagem de Resíduos Cítricos em Secador Rotativo. 2011 São Carlos:
Faculdade de Engenharia de Química, UFSCar,. 86 p. Dissertação (Mestrado). São Carlos,
2011.
PEREIRA, E. J. S.; PINHO, J. T. Forno industrial de micro-ondas de 3 kW alimentado
por “magnetron” de uso doméstico. In: X Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e
Optoeletrônica, 2002, Recife. X Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica, p. 330-
334, 2002.
PERRY, H.R.; GREEN, D. Perry’s Chemical engineers handbook. New York: McGraw-
Hill Book Co., 4 ed, 1974.
PRABHANJAN, D. G. et al. Microwave-assisted convective air drying of thin layer carrots.
Journal of Food Engineering, vol. 25, p. 283-293, 1995.
PUZZI, D. Abastecimento e armazenagem de grãos. Instituto Campineiro de Ensino
Agrícola, Campinas, SP. 603p, 1986.
RAMASWAMY, H.S.; ABDELRAHIM, K.A.; SIMPSON, B.K.; SMITH, J.P. Residence
time distribuition (RTD) in aseptic processing of particulate food: a review Food Research
International, v. 28, n 3, p. 291 – 310, 1995.
RACHEL, C.A.; JACOB, K.V. Entrainment from industrial rotary dryer. In: MUJUMDAR,
A. S. Drying 92, (ed) Elsevier Science Publishers, p.1249-1257, 1992.
REAY, D Fluid flow, residence time simulation and efficiency in industrial dryers. In: 6°
International Drying Symposium, , Montreal, Canadá, 1988, v.1, p.kl.1 – kl.8.
129
RENAUD, M. Étude du transport de solides dans des séchoirs rotatifs: échelles
industrielle et pilote 2000. 82 p. Mémoire (maître es sciences) – Département de génie
chimique, Faculte des Études Superieures de I’ Universite Laval, Otawa, Canada, 2000.
REYES, A. et al. Effect of processing conditions on drying kinetics and particle
microstructure of carrot. Drying Technology, vol. 26, p. 1272-1285, 2008.
RHODES, M.J.; JHOU, S., HIRAMA, T.; CHENG, H. Effects of operating conditions on
longitudinal solids mixing in a circulating fluidized bed riser. AICHE Journal, 37 (10),
1450–1458. 1991.
RODRIGUEZ, O; VIÉGAS, F. Citricultura brasileira. Fundação Cargill, 1980.739p.
ROSA, G.S. Secagem de PHB – Polímero biodegradável obtido da cana-de-açúcar –em
leito fluidizado pulsado rotativo com aplicação de micro-ondas. 196 f. Tese (Doutorado
em Engenharia Química) - UNICAMP, Campinas, 2012.
SANTANA, M.F.S. Caracterização físico-química de fibra alimentar de laranja e
maracujá..168p. Tese (Título de Doutor em Engenharia de Alimentos) - Faculdade
de Engenharia de Alimentos - UNICAMP, Campinas. 2005.
SANTOS, F.A.P.; PEREIRA, E.M.; PEDROSO, A.M. Suplementação energética de
bovinos de corte em confinamento. In: Simpósio sobre bovinicultura de corte., Piracicaba,
Anais. Piracicaba: FEALQ, 2004. p.261-297, 2004.
SARAVACOS, G.D.; CHARM, S.E. A study of the mecanism of fruit and vegetable
dehydration. Food Technology, Chicago, v.16, p.78-81, 1962.
SCHALCH, F.J.; SCHALCH, E.; ZANETTI, M.ª; BRISOLA, M.L. Substituição do milho
grão moído pela polpa cítrica na desmama precoce de bezerros leiteiros. Revista Brasileira
de Zootecnia, v.30(1), p.280-85, 2001.
SCHIFFMANN, R. F. Microwave and dielectric drying. In MUJUMDAR, A. S. Handbook
of Industrial Drying. New York: Marcel Decker, p. 327-356, 1987.
130
SENISE, J. T. Aplicações de radiofreqüências e micro-ondas na eletrônica industrial.
Revista Brasileira de Engenharia Química, v. 8, n. 1, p. 51-61, 1985.
SILVA, F.A., Estudo da aplicação de energia de micro-ondas na secagem da noz
macadâmia (Madamia integrifolia Maiden & Betche). 2005, Faculdade de Engenharia de
Alimentos, UNICAMP,. 197p. Dissertação (Doutorado).Campinas, 2005.
SILVEIRA, S. de F.R.; SILVA, J. de S.; PINTO, F. de A.C. Custo de secagem. In: SILVA, J.
de S. Pré-processamento de produtos agrícolas. Instituto Maria, Juiz de Fora, cap.8. p.199-
229, 1995.
SHERRITT, R.G.; CAPLE, R.; BEHIE, L.A.; MEHROTRA, A.K. The movement of solids
through flighted rotating drums - Part I. In: Model Formulation of Chemical Engineering,
v.71, p.337-346, 1993.
SMITH, F. J. Microondas. Érica Editora Ltda , São Paulo, 1987.
SMITH, F. J. Microwave – hot air drying of pasta, onions and bacon. Microwave Energy
Applications Newsletter, v.12, n.6, p. 6-12, 1979.
STRUMILLO, C., KUDRA, T. Drying: principles, applications and design. Switzerland:
Gordon and Breach Science Publichers. 1986.
STRUMILLO, C.; LOPEZ-CAICEDO, C. Energy aspects in drying. In MUJUMDAR, A. S.
Handbook of Industrial Drying. New York: Marcel Decker, p.823-862, 1987.
STRUMILLO, C., JONES, P.L., and ZYLLA. R..; Drying: Principles, applications and
design. Energy aspects in drying. New York: Gordon and Breach Science., Jones, P.L., and
Zylla. R. 1995.
SZALAY, A.; ERDÉSZ, K.; ZAGROUBA, F.; ROQUES, M.A. Principles for hydro
dynamical and geometrical design of vibrated bed driers. Drying Technology, New York, v.
13, n. 5-7, p. 1249-1260, 1995.
131
TORRES, A.P.; OLIVEIRA, F.A.R. Residence time distribuition studies in contínuos thermal
processing of liquids foods: in Journal of Food Engineering, v 36, p 1 -30, 1998.
TOSELLO, A.; JORGE, J.T. Equipamento experimental para a determinação do ângulo de
talude. In: Ciência e Cultura Suplemento. São Paulo, v.28, n.7, p.852.1976.
TRAVAGLINI, D. A.; PINTO NETO, M.; BLEINROTH, W; LEITÃO, M. F DE F. Banana-
passa: princípios de secagem, conservação e produção industrial. Campinas. ITAL/Rede de
Núcleos de Informação Tecnológica, 1993. 73p. (M.T., 12)
TSUKUI, A.; REZENDE, C. M. Revista Virtual Química. 6, 1713-1725. Data de publicação
na Web: 10 de novembro de 2014
VANECEK, V.; MARKVAT, M.; DRBOHLAV, R. Fluidized bed drying. London Leonard
Hill, 195 p. 1966.
VON HIPPEL, A.R. Dieletric Materials and Applications; John Wiley: New York, p.301,
1954.
VON HIPPEL, A. R. Dieletrics and waves. 2. Ed. Massachusetts: MIT Press, 284 p. 1985.
ZANOTTTO, D.L.; BRUM, P.A.R.; GUIDONI, A.L. Granulometria do milho em rações para
engorda de suínos. Introdução Técnica para o Suinocultor n.9 Concórdia: EMBRAPA
CNPSA 1999.
WANG, J.; XI, Y.S. Drying characteristics and drying quality of carrot using a two-stage
microwave process. Journal of Food Engineering, vol. 68, p. 505-511, 2005.
WAJE, S.S.; PATEL, A.K.; THORAT, B.N.; MUJUMDAR, A.S. Study of residence time
distribution in a pilot-scale screw. Drying Technology, 25 (1), p.1–11. 2007.
132
8. APÊNDICE
8.1. Apêndice A. Curvas de determinação de tempo de residência DTR.
Figura A1. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 2
Figura A2. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 3.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0 500 1.000 1.500 2.000
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) -5
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0 200 400 600 800 1.000 1.200
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 2
133
Figura A3. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 4.
Figura A4. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 5.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0,0045
0 200 400 600 800 1.000
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) -6
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) -7
134
Figura A5. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 6.
Figura A6. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 7.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0 200 400 600 800 1.000 1.200
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 8
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 9
135
Figura A7. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 8.
Figura A8. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 9.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 10
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 11
136
Figura A9. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 10.
Figura A10. Curvas de DTR para o bagaço de laranja com 30% de umidade - Ensaio 11.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0,0045
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - máx condições
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0040
0 200 400 600 800 1.000
F (
-)
E (
1/s
)
Tempo Residência (s)
Curva E (1/s)
Curva F (-)
Tempo Residência (s) - 4
137
8.2. Apêndice B. Determinação da Potência Disponível de Micro-ondas em Forno Doméstico
( Adaptado de “Methods for measuring the performance of microwave ovens for household
and similar purposes”, 2nd ed. CEI IEC 60705 – Geneva, Switzerland: Bureau de
laCommission Eléctronique Internationale).
O aquecimento de alimentos por micro-ondas resulta do acoplamento de energia elétrica de
um campo eletromagnético na cavidade de micro-ondas e de sua dissipação dentro do
produto. O movimento molecular decorrente produz uma elevação da temperatura. A taxa de
elevação da temperatura é determinada pela potência absorvida bem como pelas propriedades
físicas e térmicas da carga. Para a medição da potência dos fornos de micro-ondas, são
adotados procedimentos baseados na medição da elevação de temperatura em cargas de água
padronizadas. Para medir a potência do forno de micro-ondas doméstico, foram realizados
testes seguindo a metodologia da Commission Eletrochnique Internationale – CEI – IEC 705.
Foram feitas duas repetições para cada nível de potência oferecido pelo forno e
comparados com as especificações do fabricante. A potência foi calculada segunda a equação:
P=[4,187 x Ma x (Tf – Ti)] / t
Onde:
P é a potência de saída das micro-ondas em watts;
Ma é a massa de água em gramas;
Ti é a temperatura inicial da água em °C;
Tf é a temperatura final da água em °C;
t é o tempo de aquecimento em segundos.
A Tabela B1 mostra a potência real fornecida pelo “magnetron” ao produto seguindo a
metodologia “IEC.
138
Tabela B1.. Resultados dos testes de medida de potência seguindo a metodologia
“IEC”realizados no forno de micro-ondas doméstico adaptado.
Potência (%) tempo (s) ΔT (°C) Potência (W)
100 50 10 837.40
90 60 10 697.83
80 70 10 598.14
70 75 10 558.27
60 80 10 523.38
50 90 9 418.70
40 100 9 376.83
30 150 10 279.13
20 220 10 190.32
10 430 10 97.37
