UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA QUMICA

DEPARTAMENTO SISTEMAS DE PROCESSOS QUMICOS E INFORMTICA

SECAGEM DA BIOMASSA DE BANANA VERDE EM SPRAY DRYER

RICARDO KENJI OI

CAMPINAS 2011

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA QUMICA

DEPARTAMENTO SISTEMAS DE PROCESSOS QUMICOS E INFORMTICA

SECAGEM DA BIOMASSA DE BANANA VERDE EM SPRAY DRYER

Autor Eng. Ricardo Kenji Oi Orientador Prof. Dr. Elias Basile Tambourgi Co-orientador Prof. Dr. Deovaldo de Moraes Jr

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica como parte dos requisitos exigidos para a obteno do ttulo de doutor em Engenharia Qumica.

Campinas 2011

FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

Oi1s

Oi, Ricardo Kenji Secagem da biomassa de banana verde em spray dryer / Ricardo Kenji Oi. --Campinas, SP: [s.n.], 2011. Orientador: Elias Basile Tambourgi. Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Qumica. 1. Secagem. 2. Banana - Secagem. 3. Banana. I. Tambourgi, Elias Basile. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Qumica. III. Ttulo.

Ttulo em Ingls: Green banana drying in a spray dryer Palavras-chave em Ingls: Drying, Banana - Drying, Banana rea de concentrao: Sistemas de Processos Qumicos e Informtica Titulao: Doutor em Engenharia Qumica Banca examinadora: Juliana Moura de Luna, Edgar Silveira Campos, Ana Paula Brescancini Rabelo, Elizabete Jordo Data da defesa: 28/03/2011 Programa de Ps Graduao: Engenharia Qumica

II

Tese de Doutorado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica defendida pelo Eng. Ricardo Kenji Oi em 28 de maro de 2011 e aprovada pela banca examinadora:

III

Este exemplar corresponde verso final da Tese de Doutorado em Engenharia Qumica defendida pelo Eng. Ricardo Kenji Oi e aprovada pela banca examinadora em 28 de maro de 2011.

IV

Dedico,

A todos que estiveram comigo ao longo de minha vida e que me ajudaram a buscar meus objetivos. Com todo o meu amor e gratido!

V

AGRADECIMENTOS

Agradeo Ao Prof. Dr. Elias Basile Tambourgi pela oportunidade que me deu para que eu chegasse at aqui, sendo um grande orientador, incentivador e amigo durante o perodo de orientao. UNICAMP pelo suporte do Departamento de Sistemas de Processos Qumicos e Informtica da Faculdade de Engenharia Qumica, que possibilitou a realizao deste trabalho. Ao Eng. Lucas Bernardo Monteiro e aos tcnicos Volnei de Lemos, Gilmar Alcntara e Irineu Penha Ressurreio pelo auxlio na parte experimental. empresa Vale Mais, na figura de Cleonildo Xavier de Morais Filho, que cedeu a biomassa de banana verde utilizada neste trabalho. Por fim, agradeo ao Prof. Dr. Deovaldo Moraes Jr. pela intensa dedicao e competncia que teve neste trabalho, alm de orientador um grande amigo que acreditou em mim e incentivou a busca pelo conhecimento atravs de uma pesquisa acadmica de alto nvel. A todos que me ajudaram direta e indiretamente, expresso aqui meu agradecimento por tornar realidade um de meus sonhos!

VI

Se pude ver mais longe por que estive apoiado em ombros de gigantes (Isaac Newton)

VII

RESUMO A biomassa de banana verde um componente que pode ser aplicado industrialmente em uma grande variedade de alimentos por no interferir nos atributos sensoriais de outros ingredientes e apresentar propriedades funcionais, sobretudo pela presena do amido resistente. O campo de aplicao pode ser ampliado, inclusive para a exportao, se produzido na forma de p. O presente trabalho apresenta um estudo de viabilidade de secagem da biomassa de banana verde em uma unidade no comercial (experimental) de spray dryer com atomizador rotativo. As variveis selecionadas no procedimento experimental foram: o tipo do atomizador (tipo A, de orifcios de forma retangular com semicrculos nas extremidades e rea total de 162,88 mm2 e tipo B de orifcios de forma circular e rea total de 254,47 mm2); a concentrao da suspenso; a rotao do atomizador; a temperatura da alimentao e a vazo da alimentao. A temperatura da cmara foi fixada em 140C com o ar a 0,013 kg/s. Estabeleceu-se como respostas a massa e a umidade relativa do produto. Essas variveis tiveram dois nveis de variao, o que correspondeu realizao de 32 ensaios. Dentre as variveis utilizadas nos ensaios, a concentrao da suspenso foi a varivel mais significativa para as repostas massa e umidade relativa, as demais apresentaram efeitos reduzidos. O ensaio nmero 13 apresentou as melhores condies das respostas (9,17% e 12,656 g), sendo obtido com o atomizador tipo B; concentrao de 50%, rotao de 27.000 rpm, vazo da alimentao de 40 mL/min e temperatura da alimentao de 30 C. Para esta amostra foi realizada uma anlise microscpica, em que o tamanho dos grnulos no ultrapassou 500 m, portanto, pode ser empregado em diversas preparaes alimentcias. A partir do ensaio 13, calculou-se o dimetro da cmara de secagem para uma produo de 25 kg/h, o que resultou em 5,14 m. Neste estudo ficou comprovada a viabilidade da secagem da biomassa de banana verde em spray dryer com atomizador rotativo.

Palavras-chave: biomassa de banana verde; spray dryer; secagem de produtos alimentcios; atomizao; secadores industriais.

VIII

ABSTRACT The green banana biomass is a component that can be industrially applied to a wide variety of foods because do not interfere in the sensory attributes of other ingredients present and has functional properties, especially the presence of resistant starch. This use can be expanded, including for export, if this product be produced in powder form. This research presents a feasibility study of drying green banana biomass in a noncommercial unit (experimental) of spray dryer with rotary atomizer. The variables selected in the experimental procedure were: the type of atomizer (type A, hole in a rectangular shape with semicircles at the ends and the total area of 162.88 mm2 and type B, hole in a circular shape and a total area of 254.47 mm2); the suspension concentration; the atomizer rotation; the biomass temperature and the biomass flow. The chamber temperature was set at 140C with air at 0.013 kg/s. It was defined as response the mass and the relative humidity of the product. These variables had two levels of variation, which corresponded to the completion of 32 trials. Among the variables used in the tests, the suspension concentration was the most significant to responses of mass and humidity, the others showed low effects. The test number 13 presented the best conditions of responses (9.17% and 12.656 g), was obtained with the atomizer type B, 50% concentration, atomizer rotation of 27,000 rpm, biomass flow rate of 40 mL/min and biomass temperature of 30 For this sample was realized a C. microscopic analysis, the granules size do not exceeded 500 m, therefore can be used in various food preparations. From the 13 test, the diameter calculation of the drying chamber for a production of 25 kg / h resulted in 5.14 m. In this study it was proved the feasibility of drying the green banana biomass in a spray dryer with rotary atomizer.

Keywords: green banana biomass; spray dryer; drying of food products, industrial dryers; atomization.

IX

SUMRIO RESUMO....................................................................................................... ABSTRACT............................................................................................. LISTA DE FIGURAS...................................................................................... LISTA DE TABELAS....................................................................................... NOMENCLATURAS ..................................................................................... 1. INTRODUO............................................................................................. 1.1. Objetivos............................................................... ................................

........... VIII.. .

....... ............ IX ...........XIII ..........XIV ............XV.............1

............2 ..........2

1.2. Justificativa.............................................................................................. .

1.3. Estrutura do trabalho..............................................................................................3 2. REVISO BIBLIOGRFICA..................................................... .................................4 ....................4 ........................4 .......................6 ..................9 ..........11 ............12 .....16 ......17 ........17 ......19 .........20 ....23 . .23 .....23 .....23 ..... ....24 ...........24

2.1. Secagem....................................................................................... 2.1.1. Conceituao de secagem.............................................. 2.1.2. Remoo da umidade.......................................... ............

2.1.3. Secagem na condio diluda................................................ 2.2.1. Histrico..................................................................................... 2.2.2. Descrio do processo spray drying.................................

2.2. Secador pulverizador spray dryer..........................................................

......................13

2.2.3. Atomizao no spray drying.............................................................. 2.2.4. Atomizador...................................................................................... 2.2.4.1. Bocais a dois fluidos.......................................................... 2.2.4.2. Bocais a presso................................................................ 2.2.4.3. Atomizadores rotativos.................................................... 2.2.5. Seleo do Atomizador...................................................................... 2.2.5.1. Desenho do atomizador e a capacidade da alimentao...... 2.2.5.2. Energia para atingir atomizao completa da alimentao. 2.2.5.3. Distribuio do tamanho das gotculas............................... 2.2.5.4. Tamanho das gotculas................................................... 2.2.5.5. Desenho da cmara de secagem................................. X

2.2.5.6. Flexibilidade operacional...............................................................24 2.2.5.7. Propriedades da alimentao................................................... ....25 2.2.5.8. Experincia no atomizador disponvel para o produto..................25 2.2.6. Influncia das variveis no processo spray drying......................................26 2.2.7. Aplicaes industriais do spray dryer..........................................................26 2.2.7.1. Resinas e plsticos........................................................................27 2.2.7.2. Cermica.......................................................................................27 2.2.7.3. Produtos de limpeza......................................................................28 2.2.7.4. Pesticidas......................................................................................28 2.2.7.5. Fertilizantes...................................................................................28 2.2.7.6. Farmacuticas...............................................................................29 2.2.7.7. Produtos qumicos inorgnicos.....................................................29 2.2.7.8. Produtos qumicos orgnicos........................................................29 2.2.7.9. Alimentcias...................................................................................30 2.3. Biomassa de banana verde..................................................................................31 2.3.1. Consideraes preliminares.........................................................................31 2.3.2. Caractersticas nutricionais da banana verde.............................................32 2.3.3. Amido resistente e seus benefcios sade................................................33 2.3.4. Fabricao da biomassa de banana verde.................................................35 3. MATERIAIS E MTODOS...........................................................................................37 3.1. Unidade experimental...........................................................................................37 3.1.1. Atomizadores..............................................................................................38 3.1.2. Motor eltrico..............................................................................................38 3.1.3. Voluta..........................................................................................................39 3.1.4. Bomba peristltica.......................................................................................39 3.1.5. Tanque da alimentao...............................................................................40 3.1.6. Trocador de calor........................................................................................40 3.1.7. Aquecedor de ar..........................................................................................41 3.1.8. Termopares.................................................................................................41 3.1.9. Painel de controle........................................................................................42 XI

3.2. Variveis utilizadas nos ensaios..........................................................................42 3.3. Equipamentos e materiais utilizados nos ensaios............................................... 43.

3.4. Procedimentos utilizados nos ensaios.................................................................44 3.5. Equaes para o clculo do dimetro da cmara................................................45 4. RESULTADOS E DISCUSSO...................................................................................47 4.1. Anlise das respostas..........................................................................................47 4.2. Influncia das variveis na resposta....................................................................49 4.2.1. Influncia na massa....................................................................................50 4.2.2. Influncia na umidade relativa....................................................................53 4.3. Anlise microscpica do ensaio com as melhores respostas............................ 55..

4.4. Clculo do dimetro da cmara de secagem...................................................... 56..

5. CONCLUSO..............................................................................................................60 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................................62 APNDICE......................................................................................................................67

XII

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Secador spray dryer para aplicao industrial .................................. Figura 2.2 Instalao de secagem em spray dryer............................................... Figura 2.3 Vista em corte da seco longitudinal de bocal a dois fluidos.............. Figura 2.4 Vista em corte da seco longitudinal de bocal a presso............ Figura 2.5 Disco com chicanas retas............................................................... Figura 2.6 Disco com alta capacidade.............................................................. Figura 2.7 Disco com forma de prato............................................................. Figura 2.8 Processo de fabricao da biomassa de banana verde................... Figura 3.1 Unidade experimental de spray dryer.............................................. Figura 3.2 Atomizador tipo A............................................................................. Figura 3.3 Atomizador tipo B........................................................................... Figura 3.4 Motor eltrico para o acionamento do atomizador............................. Figura 3.5 Voluta................................................................................................ Figura 3.6 Bomba peristltica.............................................................................. Figura 3.7 Tanque da alimentao.................................................................... Figura 3.8 Trocador de calor................................................................................. Figura 3.9 Aquecedor de ar...................................................................... Figura 3.10 Termopar........................................................................................ Figura 3.11 Painel de controle............................................................................. Figura 4.1 Efeitos das variveis para a massa................................................... Figura 4.2 Grfico de Pareto para os feitos das variveis na massa.................. Figura 4.3 Efeitos das variveis para a umidade relativa.................................... Figura 4.4 Grfico de Pareto para os feitos das variveis na umidade relativa...... Figura 4.5 Partculas da biomassa de banana verde seca em spray dryer.... Figura 4.6 Ilustrao da cmara de secagem................................................... .... . 10 ....13 ...18

..........20 .........21 ........21 ...........22 .......36 .... ....37.

........38 ..........38 ......38 .......39 ......39 ........40 ....40 .........41 .......42 .......50 ......51 ..... 53 ..54 ..........56 ........58

.................41

XIII

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Influncia das variveis no spray dryer........................................... Tabela 3.1 Variveis selecionadas no experimento......................................... Tabela 4.1 Resultados dos ensaios na unidade experimental de spray dryer.... Tabela 4.2 Amostras com umidade relativa menor que 13%........................ .......26 .........43 ......47 ..........49

XIV

NOMENCLATURAS A AR C m mH2O M ms mt n p Q Qc R T U v V x xbs xbu rea da seo transversal do aquecedor Amido resistente Concentrao da suspenso Massa da amostra Massa de gua massa molar Massa seca Massa total Rotao do atomizador presso absoluta Vazo da alimentao Vazo volumtrica na cmara de secagem Constante dos gases Temperatura do ar ou da alimentao Umidade relativa da amostra Velocidade do ar na sada do aquecedor Volume da cmara de secagem relao entre as vazes mssicas do ar e do produto Umidade na base seca Umidade na base mida Massa especfica do ar na temperatura de sada Vazo mssica do ar na temperatura de sada Vazo mssica do produto Tempo espacial % g kg kg/mol kg kg rpm Pa mL/min m3/s J/mol.K K ou oC % m/s m3 adimensional % % kg/m3 kg/m3 kg/s kg/s kg/s s m2

ar na temp de entrada Massa especfica do ar na temperatura de entrada ar na temp de sada ar na temp de entrada Vazo mssica do ar na temperatura de entrada ar na temp de sada produto

XV

1.

INTRODUO Os alimentos funcionais so aqueles que alm da funo original de nutrio,

tambm se destinam manuteno geral da sade e/ou reduo do risco de doenas. O mercado mundial deste segmento movimentou cerca de US$ 80 bilhes, em 2007. Anualmente, no Brasil, este tipo de alimento movimenta aproximadamente US$ 647 milhes. De acordo com a ANVISA (Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria), o alimento ou ingrediente que contenha propriedades funcionais, alm de atuar em funes nutricionais bsicas, dever desencadear efeitos benficos sade e ainda de ser seguro para consumo sem superviso mdica. Dentro dessa categoria de alimentos, a biomassa de banana verde (banana verde processada, ausente de sabor e inodora) surge como uma opo para ser utilizada em substituio aos espessantes tradicionais como trigo, soja, fcula de mandioca e amido de milho, em doces ou salgados, melhorando o valor nutricional e assumindo o sabor da preparao. A biomassa de banana verde apresenta em seu contedo as vitaminas A, C, complexo B (B1, B2 e niacina) e os sete sais minerais indispensveis ao organismo humano. O amido resistente (AR) presente na biomassa de banana verde ao ser fermentado pela microbiota bacteriana no interior do intestino grosso produz cidos graxos de cadeia curta, contribuindo para a integridade do clon intestinal. O AR um carboidrato complexo que apresenta um comportamento semelhante ao das fibras alimentares, com efeitos fisiolgicos benficos tanto sistmica quanto localmente, principalmente no intestino grosso. Diversos trabalhos foram publicados sobre essas propriedades da banana verde, os quais abordaram os efeitos benficos sobre alguns males como cncer coloretal, diarria, ndice glicmico, resposta insulnica, dislipidemias, doenas cardiovasculares e doena celaca. Tendo em vista os diversos benefcios da biomassa de banana verde alimentao humana, surge a necessidade de industrializar o seu processo de produo, para que esse alimento seja melhor difundido na sociedade.

1

Os estudos do processamento industrial da biomassa de banana verde ainda so inspidos, gerando assim um grande espao para o desenvolvimento de trabalhos neste campo. Uma das principais operaes unitrias na obteno da biomassa de banana verde atravs do processo industrial a remoo da massa de gua. A secagem por meio da fase diluda normalmente realizada em secadores pulverizadores (spray dryer), que apresentam como vantagens o melhor controle das dimenses dos grnulos e a qualidade do produto seco. OI, TAMBOURGI e MORAES JR. (2010) e OI et al (2009) estudaram a secagem da biomassa de banana verde em spray dryer com atomizador rotativo movido por ar comprimido. Nesses trabalhos os grnulos da biomassa no ultrapassaram o tamanho de 500 m e o produto obtido apresentou umidade relativa de at 8,0 %.

1.1.

Objetivos O presente trabalho teve por objetivo geral estudar a secagem da biomassa

de banana verde em uma unidade experimental de secador do tipo spray dryer com atomizador rotativo, movido por um motor eltrico. O objetivo especfico do estudo foi determinar as melhores condies operacionais na unidade experimental, tendo como variveis o tipo de atomizador, a concentrao da suspenso, a rotao do atomizador, a temperatura da alimentao e a vazo da alimentao.

1.2.

Justificativa Diversos estudos apresentam os benefcios da biomassa de banana verde

para a sade humana. Ademais, a biomassa de banana verde pode substituir os espessantes tradicionais empregados na indstria alimentcia. Entretanto, esse produto ainda produzido de modo artesanal ou semi-industrial, com baixo volume de produo.

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Um processo industrial para a produo da biomassa de banana verde pode elevar a qualidade, a escala produzida e a produtividade da operao, permitindo que esse produto seja utilizado de forma mais eficiente na cadeia produtiva da indstria alimentcia. Atualmente, no processo semi-industrial, a biomassa obtida na forma pastosa, e mesmo que o processamento seja assptico, persiste a constante preocupao quanto questo microbiolgica, assim como perecibilidade do material. Nesse contexto, justifica-se a secagem em spray dryer. Esse processo permite a remoo da gua e a granulao do material, facilitando o transporte e aumentando o shelf-life do produto, fatores essenciais para sua exportao. No equipamento spray dryer existem diversas variveis que podem influenciar as caractersticas e a produo do produto que se pretende secar. Portanto, fundamental analisar as influncias dessas variveis no processo de secagem, tendo em vista elevar a eficincia do equipamento e a qualidade da biomassa de banana verde em p.

1.3.

Estrutura do trabalho O Captulo 1 dedicado introduo do presente trabalho. O Captulo 2

versa sobre a reviso bibliogrfica, em que so abordados assuntos como a secagem, o secador pulverizador do tipo spray dryer e a biomassa de banana verde, atravs de uma pesquisa bibliogrfica com as principais referncias no tema. No Captulo 3 so apresentados os materiais e mtodos utilizados na pesquisa experimental na unidade de spray dryer. O Captulo 4 aborda os resultados e a sua discusso. O Captulo 5 apresenta a concluso do trabalho.

3

2.

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1.

Secagem Neste subcaptulo abordado o conceito de secagem, o secador do tipo

spray dryer e a biomassa de banana verde.

2.1.1. Conceituao de secagem Para FOUST et al (1982), o conceito de secagem definido pela transferncia de um lquido que se encontra em um slido molhado para uma fase gasosa no saturada. Por sua vez, McCABE, SMITH e HARRIOT (2001) afirmam que a secagem a remoo de pequena quantidade de gua ou outro lquido de um material slido. RICHARDSON e HARKER (2002) explicam que a secagem a remoo final de gua ou outro soluto, e essa operao frequentemente sucede a evaporao, filtrao ou cristalizao. Keey apud BROD (2003) define a secagem como sendo a remoo de uma substncia voltil (comumente, mas no exclusivamente a gua) de um produto slido, isto , a operao na qual a atividade de gua de um material diminuda pela remoo da gua atravs de sua vaporizao. ALONSO (2001) afirma que durante a secagem necessrio fornecer calor para evaporar a umidade do material, devendo existir um sorvedor de umidade para remover o vapor de gua, formado a partir da superfcie do material a ser seco. Para o autor, este processo de fornecimento de calor da fonte quente para o material mido promove a evaporao da gua do material e em seguida a transferncia de massa arrasta o vapor formado. Diante do exposto, conclui-se que a operao de secagem consiste na remoo de um lquido agregado (umidade) a um slido para um meio gasoso insaturado. Nesse processo, a vaporizao ocorre a uma temperatura inferior quela de ebulio do lquido na presso do sistema.

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O meio gasoso tambm conhecido como meio de secagem pode ser: ar; vapor; gases de combusto; ou uma composio desses, devendo ser insaturado para absorver a umidade contida no slido na forma de vapor. Para PERRY e GREEN (1997), o material submetido ao processo de secagem pode ser um slido com forma definida, uma pasta, ou ainda uma suspenso de slidos, sendo que o produto final sempre ser um slido com algum grau de umidade. A remoo de gua e outros lquidos podem ser feitos mecanicamente por presso ou centrifugao, ou termicamente atravs da evaporao, conforme McCABE, SMITH e HARRIOT (2001) e GEANKOPLIS (1993). Segundo BROD (2003), a secagem uma das mais antigas e usuais operaes unitrias encontradas nos mais diversos processos usados em indstrias agrcolas, cermicas, qumicas, alimentcias, farmacuticas, de papel e celulose, mineral e de polmeros. O autor explica ainda que a secagem uma das operaes mais complexas e menos entendida, dada dificuldade e deficincia da descrio matemtica dos fenmenos envolvidos na transferncia simultnea de calor, massa e quantidade de movimento no slido. FOUST et al (1982) ressaltam que a secagem est entre as operaes mais usuais na indstria qumica, geralmente, o ltimo processamento do produto antes de sua classificao e embalagem. RICHARDSON e HARKER (2002) concordam e apontam algumas razes para a aplicao da secagem no processo industrial: a) Reduo do custo de transporte; b) Produo de materiais mais apropriados para o manuseio; c) Obteno de propriedades mais precisas e d) Remoo da umidade que de outra maneira provocaria corroso. De acordo com BROD (2003), o objetivo principal de qualquer

processamento a manuteno das qualidades do produto. No dimensionamento de equipamentos de secagem e no controle de processos necessrio quantificar a qualidade do material que est sendo manuseado.

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PARK et al (2006) frisam que os principais critrios utilizados para a determinao da qualidade do produto a ser seco so a deteriorao (origem biolgica, microbiolgica, enzimtica, mecnica, qumica e fsica) e a composio (qumica e nutricional).

2.1.2. Remoo da umidade BROD (2003) afirma que os diversos pontos de vista sobre a conceituao de secagem ilustram a remoo de umidade, que est agregada a um material slido, e um dos importantes parmetros do material que se pretende secar o contedo de umidade presente. O contedo de umidade de um produto a proporo direta entre a massa de gua presente no material e a massa de matria. O autor esclarece que o contedo de umidade a quantidade de gua, que pode ser removida do material sem alterao da estrutura molecular do slido, sendo quantificada de duas maneiras, conforme as equaes 2.1 e 2.2: a) Base seca (xbs) em relao massa seca do produto (mms):

xbs =

m H 2O mms

(2.1)

b) Base mida (xbu) em relao massa total do produto (mt):

xbu =

m H 2O m H 2O = mmt m H 2O + mms

(2.2)

Esses contedos de umidade podem ser obtidos na forma percentual. A varivel mH2O representa a massa de gua. ALONSO (2001) explica que a dificuldade de secagem nos materiais est relacionada ao movimento de gua do interior do material, analisado pelos mecanismos de transferncia de massa. BROD (2003) descreve que no decorrer da secagem, a gua deve ser transportada do interior do slido at a superfcie para que haja a evaporao de gua da superfcie do material ao ambiente, sendo os mecanismos mais importantes: 6

a) Difuso lquida: ocorre pela existncia do gradiente de concentrao; b) Difuso de vapor: surge devido ao gradiente de presso de vapor, causado pelo gradiente de temperatura e c) Escoamento de lquido e de vapor: produzido pela diferena de presso externa, concentrao, capilaridade e alta temperatura. Durante o perodo de secagem, a taxa decrescente (a nica geralmente observada pelos produtos biolgicos) a migrao interna da gua que fixa a cintica de secagem, sendo os seguintes mecanismos que comandam o movimento da gua, conforme ALONSO (2001): a) O movimento de gua lquida sob efeito da fora gravitacional (desprezvel na secagem de produtos biolgicos); b) A migrao capilar da gua lquida sob a ao da tenso superficial, sendo a difuso de gua lquida sob o efeito de um gradiente de umidade conforme a Lei de Fick1; c) A difuso de gua lquida adsorvida sobre as superfcies internas dos poros vazios (somente para teores de gua muito fracos); d) A difuso de vapor sob o efeito de um gradiente de presso parcial de vapor de gua, sendo o escoamento de gua sob o efeito da diferena de presso total entre o interior e o exterior do material e e) A migrao de gua lquida ou vapor sob o efeito de um gradiente de temperatura. De acordo com ALONSO (2001), consideraes como contedo inicial de umidade do material, contedo final de umidade que o material pode chegar (umidade de equilbrio), a forma em que gua est relacionada com a estrutura do slido e os modos do transporte da gua no interior do slido at a sua superfcie servem para fundamentar o fenmeno de secagem.

(1) A Lei de Fick expressa que o fluxo de massa por unidade de rea proporcional ao gradiente de concentrao de gua (PARK, YADO e BROD, 2001).

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BROD (2003) explica que a preservao de um alimento, entre outros fatores, depende da quantidade da gua presente no mesmo. Para o autor, existem diversos mtodos para determinar a umidade em alimentos, sendo a sua seleo conforme a forma pela qual a gua est presente na amostra, a natureza da amostra, a quantidade relativa de gua, a rapidez desejada na determinao e o equipamento disponvel. O autor ainda afirma que a gua pode estar presente na amostra sob duas formas: a) gua livre: a gua que est simplesmente adsorvida no material, sendo a mais abundante; ela perdida facilmente s temperaturas em torno da ebulio e b) gua ligada: a gua de constituio, que faz parte da estrutura do material, ligada s protenas e acares, e adsorvida na superfcie de partculas coloidais, necessitando de nveis elevados de temperatura para sua remoo. Dependendo da natureza da amostra, requer temperaturas diferentes para a sua remoo, e em alguns casos no eliminada nem a temperaturas que carbonizem parcialmente a amostra. BROD (2003) ressalta que o aquecimento da amostra pode causar a caramelizao ou decomposio dos acares, a perda de volteis ou ainda a oxidao dos lipdeos. Dessa forma, importante uma avaliao criteriosa e cuidadosa na escolha do mtodo mais apropriado e conveniente para a amostra. Na determinao de umidade em matrias-primas, deve ser considerada a natureza da amostra: produto perecvel ou produto deteriorvel, segundo BROD (2003). Os mtodos normalmente utilizados mensuram apenas a gua livre pela faixa de temperatura prevista nos mesmos. Conforme BROD (2003), os mtodos de determinao de umidade podem ser classificados em diretos e indiretos. Nos mtodos diretos, a umidade de uma amostra removida e a determinao feita pela pesagem. Nos mtodos indiretos, as determinaes so feitas mensurando as caractersticas fsicas do material relacionadas ao teor de umidade.

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2.1.3. Secagem na condio diluda Existem diversos tipos de secadores para a secagem de materiais. A escolha de um determinado tipo ditada pela natureza do produto a ser desidratado, a forma que se deseja dar ao produto processado, a quantidade a ser seca e o fator econmico. PERRY e GREEN (1997) descrevem quatro tipos de condies de secagem: esttica; dinmica; fluidizada e diluda. O secador spray dryer opera na condio diluda. Na condio diluda de secagem, os secadores funcionam atravs do princpio da atomizao1 ou pulverizao do produto a ser desidratado em partculas pequenas e uniformes, sendo essa a principal vantagem da utilizao desse tipo de equipamento de secagem. Para MASTERS (1985), os secadores pulverizadores so equipamentos em que a secagem feita por atomizao em processo contnuo no qual um lquido ou uma pasta transformado em produto seco, caracterizado pelo tempo de secagem relativamente menor que em outros tipos de secadores. A capacidade de produo desse tipo de secador varia desde uma produo piloto at volumes de 25 103 kg/h.x

De acordo com FOUST et al (1982), em virtude da ampla faixa de utilizao e da forma conveniente do produto, os secadores pulverizadores so usados com uma enorme variedade de produtos como, por exemplo, caf, leite, detergente, corante, pesticida, polmeros, suspenses cermicas, plasma sanguneo, enzimas, penicilina, amido, concentrados metlicos, caulim, alumina, entre outros. Nos processos industriais de secagem so poucos os secadores que aceitam fluidos bombeveis (suspenso, pasta, suspenso fina, emulso, etc.) na entrada da alimentao at o final do processo produzindo grnulos secos. O secador por pulverizao do tipo spray dryer o nico que est habilitado a produzir grnulos uniformes, de pequenas dimenses e com baixa umidade, sendo a melhor opo de secagem devido sua flexibilidade (FOUST et al, 1982).

(1) Para MASTERS (1985), a atomizao o processo de diviso do lquido em milhes de micro gotas formando um spray, sendo que 1 m de lquido, forma aproximadamente 2 x 10 gotas com dimetro aproximado de 100 m.

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Os secadores pulverizadores do tipo spray dryer apresentam uma ampla utilizao na secagem industrial de diversos produtos que requerem o uso do sistema de secagem por atomizao. Segundo FOUST et al (1982) esse processo de secagem mantm as propriedades fsico-qumicas dos produtos e em alguns casos chega a melhorar essas propriedades. PERRY e CHILTON (1979) explicam que o secador spray dryer um equipamento constitudo por uma cmara cilndrica grande, geralmente vertical, como ilustra a Figura 2.1. Segundo os autores, o material a ser seco pulverizado continuamente na forma de pequenas gotculas, sendo introduzido concomitantemente, na cmara de secagem, um grande volume de ar quente, suficiente para fornecer o calor necessrio para completar a evaporao do lquido. As transferncias de calor e de massa so realizadas pelo contato direto entre o ar quente e as gotculas dispersas, e depois de completada a secagem, o gs resfriado e os slidos so separados, finalizam os autores.

Figura 2.1 Secador spray dryer para aplicao industrial (SPRAY DRYER & CIA, 2010).

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Segundo PERRY e CHILTON (1979), a partir desse processo, conseguem-se o efeito, parcialmente, no fundo da cmara de secagem, a classificao e a separao dos grnulos secos. Para os referidos autores, os grnulos maiores so depositados no fundo da cmara, enquanto que os grnulos menores so carregados juntamente com o ar quente de exausto e podem ser separados por ciclones recuperadores ou filtros manga, obtendo dessa forma a classificao. Wendel e elik; Filkov e Mujumdar apud RODRIGUES (2004) afirmam que, embora o processo spray drying seja uma tecnologia cara em razo do alto custo do equipamento e da pouca eficincia na utilizao de energia, diversas so as razes pelas quais esse tipo de secador muito utilizado nas indstrias. Dentre as vantagens destacam-se: 1. Obteno de partculas de alta qualidade, de tamanho uniforme e forma esfrica; 2. Possibilidade de secar produtos presso atmosfrica; 3. Facilidade de produzir grandes volumes em operao contnua utilizandose equipamentos de fcil operao e 4. Ampla aplicabilidade e flexibilidade por permitir o processamento de diversos tipos de materiais com rapidez e baixa umidade. O processo spray drying trabalha com baixas temperaturas, secando o produto temperatura de bulbo mido, at em presena de gases muito quentes, tornando esse processo prprio para manter os componentes volteis no produto, preservando as caractersticas fsico-qumicas. Dada a importncia do secador spray dryer para o presente trabalho, o prximo subcaptulo dedicado abordagem do assunto com profundidade.

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2.2.

Secador pulverizador spray dryer Neste subcaptulo so apresentados todos os aspectos do secador do tipo

spray dryer como o funcionamento, os componentes, as aplicaes industriais e as influncias das variveis.

2.2.1. Histrico MASTERS (1985) afirma que Percy considerado o pioneiro em descrever detalhadamente a secagem de produtos na forma de spray, sendo sua patente requerida, em 1872. Ainda para o autor, o conceito da atomizao de fluidos dentro de uma corrente de ar quente foi levado adiante por Barsler, em 1888, por concentrar suco de cana, glicose e leite em um processo conhecido como spray concentration. MASTERS (1985) relata que em 1896, a empresa Trufood Ltd. reconheceu as vantagens da pr-concentrao e props fabricar leite em p. Em janeiro de 1901, Stauff patenteou um spray drying com um bico e um dispersor de ar, seguido por Gardner, no mesmo ano, com um spray de dois bicos para o fluido. Em 1905, a patente de Stauff foi vendida para uma companhia norte americana denominada Merril Saul, que fabricava equipamento especializado para a indstria de leite. Essa empresa desenvolveu um secador para leite, que foi na poca o primeiro e o melhor spray dryer comercializado nos EUA. Segundo MASTERS (1985), o sucesso do secador Merril foi motivado pela sua capacidade de produzir leite em p numa quantidade superior produzida anteriormente. Na mesma poca, a bem sucedida sociedade entre Messrs Ohester Spray e Aage Jensen comeou a comercializar com sucesso os famosos secadores do tipo spray com bico atomizador. Mais tarde, os mtodos Kraus e Kestner envolveram secadores em spray com atomizadores invertidos, em que o lquido cai dentro de um prato e depois flui sobre a parte de baixo do recipiente at a borda onde ocorre a atomizao.

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Conforme MASTERS (1985), nos anos 20 do sculo XX teve o incio da aplicao comercial de secadores para a emulso e misturas, tendo como princpio o ar dispersor criado pela rotao do ar ao redor do atomizador. Ainda para o autor, por volta dos anos trinta, o spray dryer foi restritamente usado para solues de baixa viscosidade e dispersor de ar, porm, a aplicao industrial do spray dryer de maior significncia ocorreu primeiramente nas indstrias de detergente e de leite, em 1920. A partir da Segunda Guerra Mundial, surgiu a necessidade de produzir alimentos desidratados e outros tipos de produtos em p para reduzir o alto custo do transporte, segundo MASTERS (1985). Isso contribuiu para uma maior utilizao do spray dryer, aumentando-se tambm o tamanho desse tipo de secador.

2.2.2. Descrio do processo spray drying A Figura 2.2 fornece uma ilustrao de secador do tipo spray dryer.

Figura 2.2 Instalao de secagem em spray dryer (FOUST et al, 1982).

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De acordo com a Figura 2.2, o ar penetra pelo topo da cmara de secagem, sendo injetado atravs de um filtro e de um aquecedor, e flui em corrente paralela com as gotculas a serem secas que se formam num bocal pulverizador ou num atomizador de disco rotativo. medida que as gotculas caem, a gua evapora no gs quente, e deixa o material slido constitutivo da partcula. Os grnulos maiores caem no fundo da cmara e os grnulos menores so arrastados pelo gs at os ciclones separadores. Os grnulos muito finos passam pelo soprador e entram num sistema de lavagem a mido. A suspenso ou a soluo que se obtm neste depurador de gs pode retornar carga inicial e ser recirculada. Segundo FOUST et al (1982), so possveis variaes neste sistema, usualmente definidas pelas propriedades da carga e pelas caractersticas desejadas do produto. A cmara de secagem pode operar em contracorrente com o fluxo de ar e o fluxo do produto, ou ento ter uma configurao paralela de fluxos. O ar secundrio pode entrar na cmara de secagem pelo topo, ou pode ser injetado em diversos pontos. O sistema de coleta usa, na maioria das vezes, um ciclone coletor, podendo tambm ter um filtro de mangas, ou mesmo um precipitador eletrosttico. MASTERS (1985) apresenta trs processos unitrios fundamentais na secagem pulverizao: a) Atomizao do lquido; b) Mistura do gs e gotculas e c) Secagem das gotculas lquidas. O elemento central do processo de secagem por spray drying a cmara de secagem. Na cmara a suspenso inicial atomizada e entra em contato com fluxo de ar quente, resultando em uma evaporao de aproximadamente 95% de gua constituinte da gotcula do produto. A funo da cmara de secagem fornecer o tempo de residncia do contato entre o ar e as partculas para a obteno do produto seco desejado (MASTERS, 1985).

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MASTERS (1985) afirma que o comportamento das partculas durante a secagem influenciado pelo tipo de fluxo utilizado entre a suspenso pulverizada e o ar quente. O tipo de contato entre o spray e o ar determinado pela posio do atomizador em relao ao ar de entrada. De acordo com NIRO (2009), a cmara de secagem pode operar com os seguintes tipos de fluxo: a) Fluxo concorrente: Neste fluxo o spray e o ar de secagem passam pela cmara de secagem na mesma direo. A temperatura do produto na descarga do secador menor que a temperatura de exausto do ar, sendo assim a melhor opo para secagem de produtos sensveis ao calor. Quando operado com disco rotativo a disperso do ar elevada, ocasionando uniformidade de temperatura na cmara de secagem; b) Fluxo contracorrente: O ar de secagem e o spray passam pela cmara de secagem em direes opostas, esta configurao apropriada para produtos que requerem um grau maior de calor durante a secagem. A temperatura do p produzido , geralmente, maior que a temperatura de exausto do ar e c) Fluxo misto: O fluxo de ar de secagem direcionado para baixo enquanto a alimentao pulverizada para cima, retornando esta em fluxo concorrente com o ar. Este tipo de fluxo apropriado para produo de partculas grandes, pois o tempo de residncia aumentado. Em modelos especiais de spray drying pode haver ar de resfriamento para entrar na cmara, ou sistemas fechados para recuperao de solventes, ou ento arrastadores pneumticos ou raspadores mecnicos para remover o produto seco das paredes e do fundo da cmara. Alguns deles so seguidos por transportadores pneumticos, em que o ar de secagem diludo com o ar frio para o arrefecimento do produto antes da separao, podendo operar a escoamento paralelo, misto ou em contracorrente de gs e slidos (FOUST et al, 1982).

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Para PERRY e CHILTON (1979), as propriedades dos materiais secos nos pulverizadores esto sujeitas s variaes, dependendo da direo do escoamento do gs e da sua temperatura, da uniformidade da atomizao, do teor de slidos da alimentao, da temperatura da alimentao e do grau de aerao da alimentao. As propriedades do produto que tm os maiores interesses so: a) Tamanho da partcula; b) Densidade do material a granel (densidade aparente) e c) Presena de poeira. PERRY e CHILTON (1979) afirmam que o tamanho da partcula em funo das condies de operao do atomizador e tambm do teor de slidos, da viscosidade do lquido, da densidade do lquido e da taxa de alimentao. Conforme ROSEMBERG, KOPELMAN e TALMON (1985), a secagem em spray dryer fundamenta-se na teoria da difuso seletiva, no qual ocorre uma reduo no coeficiente de difusividade da gua e dos constituintes da amostra durante a secagem. Porm, como resultado da diferena de massa molecular, a reduo maior para os volteis, e quando se inicia a formao de uma crosta, a difusividade dos volteis to baixa, que ocorre a encapsulao na matriz slida, enquanto a gua ainda difunde atravs da crosta, que passa a funcionar como uma membrana seletiva. Ainda para os autores, o aumento na concentrao de slidos reduz o tempo para a formao desta crosta, diminuindo a perda de volteis. A teoria pode explicar porque os volteis so perdidos nos primeiros estgios da secagem, enquanto ocorre a perda de gua numa taxa constante. A perda pode ocorrer tambm pelo arraste do voltil, que ao migrar para a superfcie da gota, perde-se com a passagem do ar quente.

2.2.3. Atomizao no spray drying A atomizao necessria para que se aumente a rea de contato do produto a ser seco, que em contato com o ar quente realiza a troca trmica e a transferncia de massa, resultando em uma evaporao rpida do solvente do produto, conforme MASTERS (1985). 16

Esse fenmeno provoca a troca de energia do centro de cada micro gota onde se encontra o slido, que seca suavemente sem choque trmico, transformandose em p, segundo o referido autor. MASTERS (1985) afirma que a formao de spray em um atomizador resultante de foras exercidas interna e externamente em um lquido, sendo essas foras provenientes de fonte de energia centrfuga, de presso ou cintica, dependendo do tipo de atomizador a ser utilizado. O autor afirma que as foras internas se originam pela diminuio da presso do lquido, da frao entre os fluidos atomizante e atomizado, dos distrbios do movimento do lquido na sada do orifcio do atomizador e de qualquer tipo de irregularidade na superfcie do atomizador. Por sua vez, as foras externas resultam da interao com o meio e dependem da velocidade relativa do lquido e do gs presente na cmara de secagem, assim como da densidade do gs e das caractersticas do lquido que sai do atomizador, finaliza o autor. O rompimento inicial do lquido depende das propriedades do fluxo no interior do atomizador, da turbulncia da corrente do lquido antes da atomizao e das propriedades do meio de secagem. O mecanismo de pulverizao controlado pela tenso superficial, viscosidade dinmica do lquido e interao das foras aerodinmicas. A formao da lmina de lquido um fenmeno dependente do desenho do atomizador. A propriedade mais importante para a formao do spray a viscosidade do lquido (MASTERS, 1985).

2.2.4. Atomizador PERRY e CHILTON (1979) apresentam trs classes de atomizadores: bocais atomizadores a dois fluidos; bocais a presso e disco rotativo.

2.2.4.1. Bocais a dois fluidos Esses bocais, segundo FOUST et al (1982), so usados na secagem a baixa taxa de produo, especialmente quando se deseja uma dimenso pequena de partcula. A Figura 2.3 ilustra esse tipo de atomizador. 17

O mecanismo da atomizao nestes bocais ocorre pela fragmentao da corrente lquida provocada pelo ar injetado. Em baixas presses de ar, o gs forma bolhas no lquido que, ao serem destrudas, projetam gotculas. Em presses mais elevadas, o lquido flui do bocal na forma de filamentos que so subdivididos em gotculas pela corrente do gs. FOUST et al (1982) descrevem que a dimenso mdia da gotcula diminui medida que a presso das duas correntes no bocal aumenta. Os bocais a dois fluidos so usados em secadores pilotos e farmacuticos para obteno de pequenas gotculas, no qual o volume da cmara pequeno. Para PERRY e CHILTON (1979), os bocais a dois fluidos so empregados na disperso de pastas espessas e tortas de filtros, que no se podem operar nos atomizadores comuns. Neste bocal o ar atomiza a corrente lquida externa ao corpo da vlvula. A presso de ar, fornecida pela cmara da vlvula central, fora a haste da vlvula para longe da sua sede, o que possibilita o incio da pulverizao, conforme FOUST et al (1982). A queda da presso do ar de controle provoca a imediata suspenso da carga de lquido, mas o escoamento de ar no interrompido. O ar de atomizao deve estar entre 68,95 e 413,69 kPa, j o ar de controle opera na presso de 206,84 kPa.

Figura 2.3 Vista em corte da seco longitudinal de bocal a dois fluidos (FOUST et al, 1982).

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PERRY e CHILTON (1979) argumentam que os bocais a dois fluidos no funcionam eficientemente em capacidades altas, e por isso no so usados nos secadores de porte industrial. A maior vantagem que apresenta est na operao em presso relativamente baixa, finalizam os autores. As partculas produzidas a partir da atomizao podem ser macias ou ocas, dependendo do tipo de suspenso e das condies de alimentao e secagem. Em geral, as solues aquosas de sabo, gelatina e outros polmeros solveis em gua que formam pelculas finas e resistentes, produziro partculas esfricas ocas no processo de secagem por pulverizao. Atribui-se o fenmeno formao de uma superfcie externa dura que impede o lquido de chegar periferia vindo do interior da partcula (PERRY e CHILTON, 1979). PERRY e CHILTON (1979) explicam que em virtude da elevada taxa de transferncia de calor para as gotas, o lquido no centro da partcula vaporizado, provocando a expanso da carapaa externa e a formao da esfera oca. Em alguns casos, a taxa de gerao de vapor dentro da partcula suficiente para conseguir perfurar a parede da casca esfrica.

2.2.4.2. Bocais a presso Para FOUST et al (1982), esses bocais operam com maior taxa de produo e produzem gotculas maiores e mais uniformes do que o bocal a dois fluidos. Por isso so frequentemente adotados nos secadores pulverizadores de porte industrial. A Figura 2.4 ilustra um injetor a presso para operar num secador pulverizador. Esse injetor provoca um movimento tangencial muito rpido no lquido a ser pulverizado. A fora centrfuga causa a rotao do fluido ao longo da circunferncia do orifcio do bocal, formando um ncleo de ar na regio do eixo do orifcio. O fluido ento impelido contra uma superfcie cnica oca e fragmenta-se em gotculas. Esses bocais pulverizam de 0,23 at 6,06 m3/h de gua.

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O corpo do bocal normalmente fabricado em ao inoxidvel, enquanto o ncleo e o bico do bocal, substituveis, so confeccionados em ao endurecido ou carbeto de tungstnio (FOUST et al,1982).

Figura 2.4 Vista em corte da seco longitudinal de bocal a presso (FOUST et al, 1982).

2.2.4.3. Atomizadores rotativos Segundo FOUST et al (1982), nesse dispositivo o lquido disperso atravs de um campo centrfugo. O fluido introduzido na cmara de acelerao de uma turbina em rotao, atravs de um distribuidor estacionrio que tem a finalidade de assegurar uma repartio homognea sobre a circunferncia, explicam os autores. Nos casos usuais o fluido deixa o disco na forma de uma pelcula lquida que se fragmenta em gotculas, ou ento em filamentos e depois em gotculas. Este tipo de atomizador pode ser usado para pulverizar lquidos que no conseguem ser suficientemente homogneos para passar atravs de um bocal (FOUST et al, 1982). Esses atomizadores produzem gotculas de dimenses muito uniformes e no necessitam alta presso de carga, no atribuem velocidade axial s gotculas pulverizadas e so menos afetados pelas variaes nas propriedades da carga, como a porcentagem de slidos ou a viscosidade, e at pelas variaes na vazo da carga, conforme FOUST et al (1982).

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Para PERRY e CHILTON (1979), a importncia da forma geomtrica do disco o de assegurar que o fluido adquira a velocidade do disco, assim como obter uma distribuio uniforme das dimenses da gota no lquido atomizado. Os dimetros do disco variam de 50,8 mm, nas unidades experimentais de laboratrios, at 355,6 mm, nos secadores de porte industrial. As velocidades de rotao situam-se entre 3.000 e 50.000 rpm, sendo as velocidades mais altas referentes aos discos de menor dimetro. Por sua vez, nos secadores industriais as velocidades variam entre 4.000 e 20.000 rpm, conforme o dimetro do disco e o grau de atomizao. A Figura 2.5 representa um disco com chicanas retas, usada em vrias aplicaes de capacidades mdias ou baixas. A Figura 2.6 ilustra um disco de alta capacidade com bicos resistentes abraso, destinada a operar com materiais semelhantes aos concentrados de minrios. Os discos deste modelo so capazes de operar cargas taxa de 200.000 kg/h. Na Figura 2.7 pode-se observar um disco atomizador na forma de um prato invertido, que atomiza o lquido pela intensa ao cisalhante que ocorre na borda aguada. O aparelho relativamente barato e empregado quando as substituies sero frequentes.

Figura 2.5 Disco com chicanas retas (NIRO, 2009).

Figura 2.6 Disco com alta capacidade (NIRO, 2009).

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Figura 2.7 Disco com forma de prato (NIRO, 2009).

A utilizao do disco centrfugo, segundo PERRY e GREEN (1997), muito vantajosa por operar com suspenses e pastas, que obstruem e danificam os bocais pela abrasividade, mas que no afetam tanto o disco centrfugo, que opera com uma ampla faixa de taxa de alimentao e velocidade. Ainda para esses autores, os discos podem ser movidos por correias de transmisso, engrenagens diretas com motor eltrico a alta velocidade controlada por um inversor de frequncia, que controla sua rotao, turbina a vapor, ou atravs de um compressor de ar. MASTERS (1985) apresenta trs tipos de atomizadores rotativos, cujas caractersticas esto descritas a seguir: a) Rotativos com disco liso: Caracterizam-se pela descarga alta velocidade na extremidade da roda. Este tipo depende da magnitude de acelerao da alimentao em cima da superfcie lisa, e o deslizamento do lquido ocorre ao entrar em contato com o disco; b) Rotativos com atomizador e ps: So caracterizados pela descarga em alta velocidade pela extremidade da roda. O filme lquido deixa o extremo das ps, em ngulo de liberao inferior 45, com velocidade radial e tangencial, que originam uma componente resultante e c) Rotativos com atomizador em forma de prato: Tambm tm como caracterstica a descarga em alta velocidade no extremo da roda. A frico entre o fluido e a superfcie do disco aumentada para prevenir deslizamentos do lquido em cima da superfcie. So pouco empregados em spray dryer comercial. 22

2.2.5. Seleo do atomizador Para uma determinada aplicao de secagem por pulverizao, a seleo entre atomizadores rotativos e de bocal envolve algumas consideraes descritas por MASTERS (1985), que so abordadas nos prximos tpicos.

2.2.5.1. Desenho do atomizador e a capacidade da alimentao Esto disponveis para cobrir todas as exigncias de capacidade de taxa de alimentao baixa, intermediria e alta. Para capacidade de alimentao muito elevada, os atomizadores rotativos so os mais recomendados, apesar da possibilidade de se alcanar tais capacidades por duplicao de bicos em sistemas de atomizador de bicos mltiplos.

2.2.5.2. Energia para atingir atomizao completa da alimentao As exigncias de energia de atomizadores so da mesma ordem para a maioria das condies dos secadores pulverizadores e raramente tais exigncias tm a ltima palavra na seleo do atomizador. A contribuio da energia para a maioria dos atomizadores excede a exigncia de energia terica para separao lquida em spray. As eficincias so muito baixas e normalmente so ignoradas ou consideradas de importncia secundria, contanto que as caractersticas da atomizao desejadas sejam obtidas nas capacidades avaliadas.

2.2.5.3. Distribuio do tamanho das gotculas A distribuio do tamanho das gotculas pode ter caractersticas semelhantes baixa ou intermediria taxa alimentao. Os atomizadores do tipo rotativo permitem uma maior homogeneidade das partculas, mesmo com uma taxa de alimentao mais elevada.

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2.2.5.4. Tamanho das gotculas O tamanho das gotculas uma varivel de extrema importncia no processo de atomizao. Os atomizadores com ps, bicos para dois fluidos e atomizadores pneumticos so os mais utilizados na secagem por spray drying, pois produzem o melhor tipo de pulverizao. Por sua vez, os atomizadores com atomizador de ps e bicos de presso so utilizados para produo de partculas com dimetro intermedirio, sendo os discos sem ps ou bicos de presso utilizados para obter partculas com dimetros maiores.

2.2.5.5. Desenho da cmara de secagem Os bicos pulverizadores so os mais adequados quando se requer modificaes do atomizador, sendo esses os mais adaptveis aos diversos tipos de fluxo (concorrente, contracorrente e misto). As mudanas da posio do atomizador so realizadas para controlar a vazo de entrada do lquido, a produo de p e as caractersticas da atomizao do lquido. Os discos rotativos, em geral, requerem um padro de ar giratrio.

2.2.5.6. Flexibilidade operacional A atomizao atravs de discos rotativos normalmente mais flexvel que atomizao de bicos pulverizadores do ponto de vista operacional. Os discos rotativos controlam variaes largas de taxa de alimentao sem muita variao no tamanho da partcula do produto, e sem a necessidade do secador variar as condies operacionais, sendo requerida somente uma alterao na velocidade do atomizador. Para aplicao de bicos pulverizadores, o aumento da capacidade do secador requer um aumento na presso de alimentao, mas h uma mudana no comportamento da distribuio do spray. Quando as caractersticas da atomizao forem especificadas, a duplicao de bicos requerida. As caractersticas da atomizao no sero crticas se a presso disponvel estiver limitada e resultar apenas na modificao do dimetro do orifcio do bico pulverizador. 24

2.2.5.7. Propriedades da alimentao Tanto os discos rotativos quanto os bicos pulverizadores tm o mesmo desempenho na atomizao de lquidos viscosos, no corrosivos e no abrasivos. Caso a suspenso inicial seja corrosiva e abrasiva os atomizadores devero ser revestidos. Para produtos que apresentam problemas sob alta presso, os atomizadores rotativos so a primeira escolha, embora bocais tambm possam controlar tal alimentao. Frequentemente, a exigncia de presso nos bicos de presso centrfugos muito alta. Os bicos pneumticos so a melhor opo para a atomizao de lquidos com estrutura de cadeia molecular longa, ou seja, fluidos de alta viscosidade e com caracterstica no newtoniana. Nesse caso tambm se pode utilizar a atomizao por discos rotativos ou bicos pulverizadores, necessitando de um pr-aquecimento para reduo ao mximo da viscosidade do fluido. Se a alimentao contiver fibras, os bicos de presso so inadequados, pois h risco de entupimento. Caso a alimentao necessite de grande quantidade de ar para sua atomizao, os bicos para dois fluidos sero inadequados, porm, se a alimentao for constituda de polmeros de cadeia longa que formam linhas ao invs de gotculas, os discos rotativos de ps sero inadequados.

2.2.5.8. Experincia no atomizador disponvel para o produto A seleo de um atomizador para uma instalao de secagem por pulverizao nova normalmente baseada em experincias passadas. Nos casos em que h discos rotativos, podem ser usados atomizadores de bico com sucesso igual, por exemplo, diversos produtos do leite so secos com qualquer um dos dois sistemas. Os fabricantes declararam a preferncia deles como o melhor mtodo. O mtodo favorecido apresentado, frequentemente, pela gama de desenhos da cmara de secagem oferecida como padro por um fabricante. Nos Estados Unidos, a tcnica mais utilizada a atomizao por bicos pulverizadores, j na Europa os discos rotativos mostram maior influncia. Porm, pode haver diferenas nas propriedades de secagem (densidade, tamanho ou forma da partcula) do produto final por bicos ou discos.

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2.2.6. Influncia das variveis no processo spray drying Diversos so os parmetros que influenciam as propriedades do granulado seco produzido pelo processo spray drying. A Tabela 2.1 fornece, resumidamente, as principais variveis e suas influncias. Tabela 2.1 - Influncia das variveis no spray dryer (MASTERS, 1985). Varivel Concentrao do fluido Influncia Maior concentrao reduz o calor requerido pelo spray dryer e forma partculas grandes. Vazo alta produz partculas grandes. Seu efeito varia inversamente ao tamanho da partcula. O tamanho da gota varia diretamente com a viscosidade da alimentao. Aumentando-se a velocidade de rotao, as partculas formadas sero menores. Aumento da temperatura de entrada diminui o consumo de calor requerido pelo secador. Vazo alta, baixo tempo na cmara, consequentemente, alta umidade residual. Aumento da temperatura provoca a diminuio da densidade do produto. Atomizadores produzem sprays de alta homogeneidade em cima de uma gama extensa de tamanho de partculas.

Vazo de alimentao Densidade Viscosidade Rotao do atomizador Temperatura do fluido Vazo do ar de secagem

Temperatura do ar de secagem Desenho do atomizador

2.2.7. Aplicaes industriais do spray dryer Conforme MASTERS (1985), a aplicao do processo spray drying envolve indstrias que utilizam processo de partculas em suspenso. Existem muitos produtos e artigos indiretos de nosso uso dirio que utilizam a secagem por spray dryer, destacando-se os gneros alimentcios, farmacuticos e produtos de limpeza. Para MASTERS (1985), os principais segmentos de indstrias que empregam este tipo de processo so apresentados a seguir.

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2.2.7.1. Resinas e plsticos O cloreto de vinila produzido atravs do etileno polimerizado

cataliticamente em autoclaves para formao do PVC. Existem duas principais tcnicas de polimerizao: emulso e suspenso. A tcnica de emulso produz um tipo de polmero denominado E-PVC, sendo o spray drying a melhor alternativa de secagem para este processo, tendo como resultado um produto final com baixa umidade. A atomizao pode ser feita tanto com disco rotativo quanto por bicos pulverizadores e a escolha ser feita dependendo do dimetro da partcula requerida. Com a utilizao de disco rotativo tem-se um produto mais fino. J para a obteno de um produto mais grosso, a melhor opo o emprego de bicos pulverizadores. Para a produo do polmero denominado S-PVC utilizada a tcnica de suspenso, em que so obtidas partculas maiores, quando comparado ao E-PVC. O spray dryer no a melhor opo para esta produo, pois a demanda muito grande, sendo a melhor opo o leito fluidizado. A produo de resinas utiliza o processo de atomizao por spray dryer com disco rotativo operando alta rotao.

2.2.7.2. Cermica O secador do tipo spray drying muito utilizado na produo de materiais de cermica desde a dcada de 50. O mtodo tradicional de produo de materiais de cermica utiliza cinco etapas: filtro prensa; secagem; moagem; reumidificao e classificao. Com a utilizao do secador spray dryer possvel eliminar todas essas etapas, passando-se a ter apenas uma. Para este processo pode-se utilizar a atomizao por disco rotativo ou bicos pulverizadores. A atomizao por disco rotativo aplicada para a secagem inicial da matria-prima ao produto calcificado, sendo posteriormente aplicada a atomizao por bicos pulverizadores no produto calcificado para o produto final. Os principais produtos de cermica produzidos por spray dryer so: carbonetos; caulim; dixido de silicone; xido de alumnio (alumina) e xido de ferro.

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2.2.7.3. Produtos de limpeza A produo de produtos de limpeza em p a aplicao mais comum do spray dryer. Pode ser utilizado o regime de contracorrente com bico atomizador para solues com alta densidade e regime concorrente para solues de baixa densidade. Os desodorizadores de ar so produzidos com bico atomizador ou disco rotativo. Durante o processo de secagem, pequenas gotculas de leo perfumado so microencapsuladas, tendo como fundamento proteger a fragrncia. Os principais produtos de limpeza produzidos por spray dryer so: enzimas de detergentes; agentes dispersides; clareador tico; sabo em p e agentes emulsificantes.

2.2.7.4. Pesticidas A produo de pesticidas utiliza secadores abertos, semi-abertos ou circuito fechado. Os pesticidas txicos so secos em circuitos fechados para impedir a exposio dos operadores com o produto, normalmente utilizada a atomizao por disco. Os principais pesticidas produzidos por spray dryer so herbicidas, fungicidas e inseticidas.

2.2.7.5. Fertilizantes Na produo de superfosfato destaca-se a aplicao do processo de spray drying. O superfosfato produzido a partir da rocha fosfrica juntamente com o cido fosfrico. Quando a tcnica de spray drying aplicada, aumenta-se a converso da reao entre a rocha e o cido. Esta etapa ocorre antes da entrada da mistura no reator. Outra vantagem a diminuio da proporo de reciclo do produto seco. Na produo de nitrato de amnia utilizado o spray colling, tambm denominado prilling, que uma tcnica de baixo custo para a obteno do produto seco. A atomizao realizada com bico pulverizador ou disco atomizador, tendo esse ltimo a vantagem de controlar o tamanho das partculas. O concentrado de nitrato de amnia atomizado no topo da cmara de secagem em contracorrente com o ar frio.

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2.2.7.6. Farmacuticas Conforme ABURTO, TAVARES e MARTUCCI et al (1998), a indstria de aromas necessita novas tecnologias que protejam os leos essenciais do meio ambiente devido volatilidade e facilidade de oxidao na presena da luz, ar, umidade e temperatura elevada. Atualmente, para conferir esta proteo, utiliza-se a microencapsulao. Para os autores, a microencapsulao de slidos, lquidos ou gases em corpos que liberam gradualmente os elementos imobilizados empregada, sobretudo, pelas indstrias farmacuticas e qumicas.

2.2.7.7. Produtos qumicos inorgnicos Em muitas indstrias qumicas utilizada a secagem por spray dryer, principalmente para operaes de calcificao, sendo utilizado tanto discos atomizadores como bicos pulverizadores. A tcnica do spray drying a melhor opo para acelerar reaes catalticas. A escolha do atomizador depender da especificao do catalisador. Discos e bicos pulverizadores so utilizados para a produo de silicato de sdio. Porm, na produo de hidrxido de sdio utilizado o processo spray colling, sendo utilizado bico a presso, operando a baixa presso e resultando em um produto grosso. Outros produtos tambm utilizam a tcnica de spray drying como compostos de alumnio, brio, boro, cromo, cloro, enxofre, flor, iodo, magnsio, hidrxidos e xidos em geral.

2.2.7.8. Produtos qumicos orgnicos A produo de orgnicos est dividida em trs categorias: cidos orgnicos; sais orgnicos e compostos de nitrognio. Na grande maioria dessas produes utiliza o processo de spray colling, obtendo-se maior dimetro de partculas para ambos os tipos de atomizadores discos e bicos.

29

2.2.7.9. Alimentcias Grande parte do gnero alimentcio seco produzida atravs do processo spray drying. Esta tcnica a mais indicada para este tipo de produo pela alta sensibilidade dos produtos e pela necessidade de manter as caractersticas naturais do produto, entre elas sabor, cor, aroma, propriedades nutricionais (macro e micro nutrientes). A desidratao do leite para obteno do produto em p um dos principais exemplos da aplicao da secagem alimentos em spray dryer. Neste tipo de processo, os nutrientes do leite so conservados quase que completamente e as caractersticas organolpticas so semelhantes forma in natura, de acordo com GUERRA, NEVES e PENA (2005). Segundo ABURTO, TAVARES e MARTUCCI (1998), na indstria de alimentos a encapsulao por spray dryer tem vasta aplicao e est exigindo novas pesquisas, pois o mercado de produtos amplia-se com velocidade. Esses autores revelam que a microencapsulao de alimentos emprega formulaes contendo o ingrediente a ser preservado em mistura com agentes encapsulantes dos mais variados como amido e seus derivados, protenas, gomas, lipdios ou combinaes entre estes agentes. Diversos produtos alimentcios podem ser obtidos atravs de secadores do tipo spray dryer tais como cereais e extratos de plantas, lcteos em geral, caf solvel, leveduras, hidrolisados de protenas, derivados marinhos, subprodutos de frigorficos, ovo em p e extratos de frutas. Outra vantagem da secagem por atomizao a preservao de alimentos. Atravs deste processo simples e rpido, consegue-se secar slidos solveis com a mais alta qualidade, preservando suas caractersticas essenciais, alm de oferecer grande vantagem na reduo de peso e volume dos produtos.

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2.3.

Biomassa de banana verde Neste subcaptulo so apresentadas as caractersticas da biomassa de

banana verde, que foi o material seco pela unidade experimental de spray dryer. Nessa abordagem tambm so discutidas as propriedades nutricionais do produto e seus benefcios sade humana.

2.3.1. Consideraes preliminares A banana (Musa spp) uma fruta cultivada em muitos pases de regies tropicais e subtropicais do planeta. A ndia o principal produtor da fruta, seguida do Brasil, cuja exportao menos de 1% da produo nacional, o que representa uma participao muito pequena no mercado mundial, uma vez que quase toda produo destinada ao consumo interno. Um dos problemas que dificultam a exportao a dificuldade em atingir os padres de qualidade exigidos pelo mercado consumidor, conforme ALMEIDA (2001); BARROS e PIZZOL (2001); FAO (2005). De acordo com SILVA et al (2003) a perda ps-colheita elevada, apenas 60% da produo chega mesa do consumidor. A falta de cuidados na fase de comercializao a principal causa pela perda da safra de banana produzida no Brasil, conforme os referidos autores. Essa situao mais comum nas regies norte e nordeste, onde a atividade menos organizada. Essas perdas esto distribudas da seguinte forma: na lavoura (mais de 5%); no processo de embalagem (mais de 2%); no atacado (6% a 10%); no varejo (10% a 15%) e no consumidor (5% a 8%) (FANCELLI, 2003). Nesse contexto, torna-se imprescindvel a busca de alternativas econmicas para o aproveitamento integral da produo. Uma dessas alternativas de aproveitamento da fruta a obteno de biomassa pela utilizao dos frutos inadequados para comercializao, j que este subproduto muito verstil para a produo de derivados, devido ao seu potencial de funcionalidade fisiolgica, alm do elevado valor nutricional.

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Outra

vantagem

da

utilizao

da

biomassa

de

banana

para

o

desenvolvimento de novos produtos alimentcios consiste na caracterstica desse produto possuir sabor neutro, no interferindo nos atributos sensoriais de outros insumos, conforme TAIPINA et al (2004). MEDINA et al (1985) comentam que uma das primeiras regras de preservao ou processamento de alimentos converter alimentos perecveis, tais como frutas e vegetais, em produtos estveis que possam ser armazenados por longos perodos de tempo. Para os autores, o processamento de bananas para obteno de produtos elaborados tem sido direcionado para farinha de banana verde e madura, flocos, pur, nctar, bananada, balas, vinagre, suco, banana desidratada, entre outros. A biomassa de banana verde trata-se de um produto ainda artesanal, de baixa escala de fabricao, cuja produo vem sendo estimulada por ONGs como uma alternativa para minimizar desperdcios da produo e contribuir com programas de segurana alimentar e nutricional.

2.3.2. Caractersticas nutricionais da banana verde Para ENGLYST e CUMMINGS (1986), os carboidratos presentes na banana verde so amido, amido resistente, polissacardeos no amilceos, como arabinose, manose e xilose, e acares livres em pequena quantidade. Cada um desses carboidratos apresenta efeitos fisiolgicos e nutricionais distintos. A banana contm de 60% a 65% de polpa comestvel, cujos carboidratos, aproximadamente 22%, so facilmente assimilveis. Diversos estudos vm comprovando as caractersticas nutricionais da banana verde como MEDINA et al (1985), e FREITAS e TAVARES (2005). Segundo essas pesquisas, a banana verde contm um alto teor de amido, cerca de 20% e, desse total, dependendo da espcie, at 84% pode se encontrar na forma de amido resistente (AR), embora as estruturas qumicas, fsicas e morfolgicas sejam especficas para cada variedade.

32

De acordo com MEDINA et al (1985), durante a maturao da banana o amido se converte, pela ao das amilases, em acares, com predominncia dos redutores, glicose e frutose, encontrados na proporo de 8% a 10% na polpa, e da sacarose, de 10% a 12%. Conforme os autores, a porcentagem de amido na banana completamente madura bem mais baixa, situando-se em torno de 0,5% a 2%. J o teor de umidade da polpa da banana nanica verde , em mdia, 70% e se eleva para 75% quando madura. Em relao aos micronutrientes da banana, NASCENTE, COSTA e COSTA, (2005) explicam que os minerais aparecem em maior quantidade no fruto ainda verde, sendo os principais o potssio, o fsforo, o clcio, o sdio e o magnsio, apresentando ainda ferro, mangans, iodo, cobre, alumnio e zinco, em menor quantidade. Para os autores, as principais vitaminas encontradas so A, C e do complexo B (B1, B2 e niacina). As protenas encontram-se em pequenas quantidades, como albumina e globulina, porm so consideradas de boa qualidade nutritiva, concluem os autores.

2.3.3. Amido resistente e seus benefcios sade De acordo com ZANDONADI (2009), o AR um dos principais componentes da banana verde, que pode conter de 55 a 93% dos slidos totais, e de aproximadamente 14,5% das fibras. Para a autora, quando h amadurecimento da banana, o AR convertido em acares, em sua maioria glicose, frutose e sacarose, dos quais 99,5% so fisiologicamente disponveis. Conforme BOBBIO e BOBBIO (2001), o amido constitui a mais importante fonte de reserva de nutrio de todas as plantas superiores. O amido formado por uma mistura de dois polissacardeos, a amilose e a amilopectina em propores que dependem da espcie, variedade e grau de maturao, comentam os referidos autores. O amido pode ser classificado de acordo com a velocidade de digesto em trs tipos: rapidamente digervel; lentamente digervel e amido resistente. Segundo SALGADO et al (2005), o AR a forma do amido e dos produtos de sua degradao que no so digeridos nem absorvidos no intestino delgado de indivduos saudveis, podendo ser fermentado no intestino grosso. 33

A banana verde apresenta em sua constituio o AR tipo 1, chamado de grnulo de amido fisicamente inacessvel, que impede ou retarda a ao das enzimas digestivas, e o AR tipo 2, aquele sob a forma de grnulos de amido nativo, que apresenta lenta digestibilidade (LOBO e SILVA, 2003; TOPPING, FUKUSHIMA e BIRD, 2003; LANGKILDE, CHAMP e ANDERSON, 2002; ENGLYST, KINGMAN e CUMMINGS, 1992; e COLONNA, LELOUP e BULEON, 1992). TOPPING, FUKUSHIMA e BIRD (2003) ressaltam que a digesto do AR torna-se fcil aps o tratamento com calor mido que promove o processo de gelatinizao. Devido s caractersticas do AR, seu comportamento semelhante ao das fibras alimentares, que aumenta o volume e textura do bolo fecal e diminui o tempo do trnsito intestinal, concluem esses autores. Quando o AR chega ao intestino grosso, sofre um processo de fermentao bacteriana, produzindo cidos graxos de cadeia curta (AGCC), responsveis pela manuteno da integridade do coln. Assim sendo, o AR pode ser classificado como probitico, termo utilizado para designar um grupo de fibras alimentares que atuam estimulando seletivamente o crescimento e/ou atividade das bactrias probiticas no intestino grosso, melhorando a sade do ser humano. Os AGCC provenientes da fermentao do AR pelas bactrias probiticas so comprovadamente um dos principais fatores de proteo para a mucosa do coln contra mutaes celulares, de acordo com os estudos de MUNSTER, TARGERMAN e NAGENGAST (1994) e YOUNG e LEU (2004). Na opinio de TOPPING e CLIFTON (2001) o efeito do AR na sade humana tem sido demonstrado na reduo do risco de cncer coloretal, devido ao melhor funcionamento intestinal, com diminuio do tempo de trnsito intestinal reduzindo, por sua vez, a exposio da mucosa de substncias txicas, tais como cidos biliares secundrios e protenas fermentadas. A ligao dos cidos biliares s fibras dietticas solveis vem sendo considerada como um possvel mecanismo na reduo do colesterol plasmtico, sendo necessria a realizao de estudos utilizando o AR da banana verde para verificao deste efeito, j que seu comportamento se assemelha ao das fibras solveis, segundo KAHLON, CHAPMAN e SMITH (2007). 34

A banana verde tambm tem sido utilizada no tratamento de problemas intestinais, tais como diarria, dispepsias e lceras ppticas. Um estudo conduzido por RABANI et al (2001) em Bangladesh com crianas apresentando quadro de diarria infecciosa, mostrou que o AR da banana verde cozida, administrado em conjunto com a terapia de reidratao oral, auxiliou na recuperao e diminuiu o tempo de internao. Efeito semelhante tambm foi desempenhado em outros tipos de infeces, como no caso da clera abordado por TOPPING, FUKUSHIMA e BIRD (2003). Para JENKINS et al (1998), alimentos como a banana verde rica em AR, possuem digesto lenta e consequentemente baixo ndice glicmico, e esto associados ao melhor controle e preveno do diabetes tipo II, quando consumidos rotineiramente. Segundo HIGGINS (2004) o consumo de alimentos ricos em AR poderia reduzir as taxas de glicose e a resposta insulnica ps-prandial causadora dessa doena. PERUCHA (2005) afirma que o consumo continuado de AR tambm auxilia na diminuio de nveis de colesterol e triglicrides, contribuindo no tratamento das dislipidemias e na preveno de doenas coronarianas. Um estudo experimental realizado por HIGGINS (2004) mostrou que em animais alimentados com AR as concentraes plasmticas de colesterol e de triglicrides foram 32% e 29% menores, respectivamente, do que nos animais tratados com drogas especficas. Em relao saciedade, o AR parece ter um efeito indutor, semelhante ao das fibras estudadas por HIGGINS (2004) e LILJEBERG, AKERBERG e BJORCK (1999). Outra vantagem do AR presente na banana verde a capacidade de geleificao, que possibilita a formulao de diversos tipos de alimentos, em substituio aos cereais como trigo, aveia e centeio, beneficiando portadores da doena celaca pela ausncia do glten presentes nesses cereais (VALLE e CAMARGO, 2003).

2.3.4. Fabricao da biomassa de banana verde Para produo da biomassa os frutos verdes so recepcionados em esteira fixa, em seguida so submetidos a uma pr-lavagem por imerso em gua potvel clorada (1 a 2 ppm) para eliminao de sujidade. 35

A etapa seguinte a lavagem em gua clorada (10 ppm) por cerca de dez minutos, tendo como objetivo a reduo da carga microbiana. Ao final desse perodo, as frutas so lavadas em gua corrente. As prximas etapas so o branqueamento, a separao das cascas e a coco. A partir de ento, dois tipos de biomassas podem ser obtidos por triturao: a biomassa integral (preparada a partir da polpa e casca) e a biomassa contendo apenas a polpa. Aps a extruso, as biomassas so desaeradas, envasadas e autoclavadas. As condies do processo devem ser otimizadas para a obteno de um produto com caractersticas sensoriais, microbiolgicas e nutricionais adequadas. Parmetros funcionais como o teor de AR e capacidade ligante de cidos biliares tambm so considerados. A secagem da biomassa de banana verde em spray dryer permite transform-la em farinha, que apresenta grande viabilidade para utilizao em produtos de confeitaria, panificao, produtos dietticos e alimentos infantis. De acordo com MANICA (1997), essa farinha deve tambm apresentar cor branca ou ligeiramente amarelada, teor de carboidratos variando de 77 a 80%, umidade de 6 a 8% e odor caracterstico. A figura 2.8 descreve o processo produtivo de fabricao da biomassa de banana verde.Pr-lavar Lavar Coco Extruso Embalar

Figura 2.8 Processo de fabricao da biomassa de banana verde.

36

3.

MATERIAIS E MTODOS Neste captulo esto descritos os materiais e os mtodos empregados na

etapa experimental do presente trabalho.

3.1.

Unidade experimental Os ensaios para o estudo da secagem da biomassa de banana verde foram

realizados em uma unidade experimental de spray dryer, que foi construda para a realizao do presente trabalho, representada na Figura 3.1. O equipamento consiste basicamente de uma cmara de secagem com capacidade para 0,2 m3, sendo o dimetro de 0,63 m e a altura de 0,91 m, fabricada em ao carbono e revestida internamente com resina polimrica (epxi).

Figura 3.1 Unidade experimental de spray dryer. 1) Cmara de secagem; 2) Motor eltrico e estrutura com funo de deslocamento vertical; 3) Bomba peristltica; 4) Indicador de temperatura; 5) Mangueiras de silicone para o transporte da suspenso; 6) Tanque de alimentao da suspenso com agitao (impulsor axial); 7) Controlador de vazo volumtrica; 8) Aquecedor de ar; 9) Trocador de calor para pr-aquecimento da suspenso.

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3.1.1. Atomizadores No spray dryer experimental foram utilizados dois atomizadores rotativos de 30,25 mm de dimetro, fabricados em alumnio. O atomizador denominado tipo A apresenta orifcios retangulares com dois semicrculos nas extremidades, sendo a rea de 162,88 mm2. J o atomizador do tipo B possui orifcios circulares, cuja rea de 254,47 mm2. As Figuras 3.2 e 3.3 ilustram esses atomizadores.

Figura 3.2 Atomizador tipo A.

Figura 3.3 Atomizador tipo B.

3.1.2. Motor eltrico Os atomizadores rotativos foram movimentados por um motor eltrico retirado de uma retfica da marca LEE de potncia 127 W, com controle de rotao, cuja faixa varia entre 8.000 a 30.000 rpm. O motor foi arrefecido por um cooler, como se pode observar na Figura 3.4.

Figura 3.4 Motor eltrico para acionamento do atomizador.

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3.1.3. Voluta O motor eltrico foi montado sobre a voluta ilustrada na Figura 3.5. Esse dispositivo foi construdo com ao carbono, e tem a funo de determinar a vazo de entrada e de sada do ar.

Figura 3.5 Voluta.

3.1.4. Bomba peristltica A suspenso foi injetada no atomizador por uma bomba peristltica constituda por um rotor de alumnio com quatro roletes, e acionado por um motor eltrico com controle de rotao e carcaa de acrlico, sendo representada na Figura 3.6. A vazo do equipamento est na faixa entre 10 mL/min e 70 mL/min, sendo controlado por um medidor analgico previamente aferido.

Figura 3.6 Bomba peristltica.

39

3.1.5. Tanque da alimentao A suspenso foi armazenada em um tanque de formato cilndrico fabricado com acrlico. Na tampa superior foi instalado um agitador para homogeneizao da alimentao. A Figura 3.7 representa o dispositivo.

Figura 3.7 Tanque de alimentao.

3.1.6. Trocador de calor A suspenso foi aquecida, antes de ser atomizada, em um trocador de calor constitudo de tubo duplo envolto por resistncia eltrica, isolante trmico e proteo de alumnio, sendo ilustrado na Figura 3.8.

Figura 3.8 Trocador de calor.

40

3.1.7. Aquecedor de ar O ar foi aquecido por dois aquecedores (Figura 3.9) de resistncia eltrica, da marca Steinel modelo HL1800E, com potncia de 2.000 W cada. Esse dispositivo possibilita aquecer o ar at 600C, e no experimento fixou-se a temperatura na cmara em 140C. Os aquecedores foram instalados na cmara em lados opostos.

Figura 3.9 Aquecedor de ar.

3.1.8. Termopar O controle de temperatura foi realizado atravs de termopares com isolao mineral do tipo J, da marca Salviterm, sendo instalados dois na cmara e um no trocador de calor, como ilustra a Figura 3.10.

Figura 3.10 Termopar.

41

3.1.9. Painel de controle O painel de controle utilizado foi da marca Salviterm modelo 704 com quatro canais, representado pela Figura 3.11. Consiste de um boto liga/desliga do ventilador (cooler), que arrefece o motor eltrico, o controlador de temperatura do trocador de calor e quatro botes liga/desliga que medem as temperaturas da cmara e do trocador de calor atravs dos termopares.

Figura 3.11 Painel de controle

3.2.

Variveis utilizadas nos ensaios A Tabela 2.1 descreveu as influncias das nove variveis na secagem em

spray dryer. Dessas variveis selecionaram-se cinco: tipo do atomizador; concentrao da alimentao; rotao do atomizador; temperatura da alimentao e vazo da alimentao. Essas variveis esto apresentadas na Tabela 3.1; em cada uma delas empregou-se dois nveis. As variveis vazo e temperatura do ar de secagem foram fixadas pela limitao dos aquecedores do spray dryer. Na Tabela 3.1 esto os valores fixados para essas duas variveis. As nicas variveis no empregadas foram a densidade e a viscosidade da alimentao, pois o produto a ser seco (biomassa de banana verde) foi obtido pronto, de um nico fornecedor.

42

Tabela 3.1 Variveis selecionadas no experimento. Variveis Variveis controladas Tipo de atomizador (forma geomtrica e rea dos orifcios) Concentrao da biomassa (%) (massa de biomassa / massa de gua) Rotao do atomizador (rpm) Temperatura da alimentao (oC) Vazo da alimentao (mL/min) Variveis fixadas Vazo de entrada de ar (kg/s) Temperatura da cmara (C) Valores A B 50 60 23.000 27.000 30 40 40 60 0,013 140

Os dois nveis de cada varivel foram definidos a partir de ensaios preliminares. para que pudessem provocar diferentes efeitos nas respostas de massa e umidade relativa. A partir das cinco variveis controladas e com a variao em dois nveis, foram realizados 32 ensaios na unidade experimental de spray dryer (25 = 32 ensaios).

3.3.

Equipamentos e materiais utilizados nos ensaios Os equipamentos e materiais empregados na fase experimental foram: a) Biomassa de banana verde do tipo integral (Vale Mais - 3 kg); b) gua filtrada; c) Aquecedor magntico (Quimmis - Q061-22); d) Liquidificador de uso domstico (Black&Decker 700 W); e) Balana digital com preciso centesimal (Gehaka - BG 8000); f) Balana digital com preciso milesimal (Marte - AL 500);

43

g) Bquer graduado com capacidade de 800 mL; h) Tacmetro digital (Lutron - DT 2236); i) Anemmetro digital porttil (IntellSafe); j) Cronmetro digital com preciso milesimal (Cssio); k) Recipiente de vidro para armazenamento de amostras; l) Estufa com regulador de temperatura (Olidef CZ); m) Microscpio tico (Olympus - BX60M).

3.4.

Procedimentos utilizados nos ensaios A seguir esto descritos os procedimentos experimentais: a) Pesou-se 0,500 kg de biomassa de banana verde do tipo integral (polpa e casca) na balana digital de preciso centesimal; b) Adicionou-se gua, em ebulio, pasta de banana verde para se obter as concentraes desejadas de 50% ou 60% (percentagem de massa de pasta de banana) conforme o ensaio. A adio de gua teve por objetivo evitar a obstruo dos dutos e do atomizador; c) Triturou-se a mistura biomassa e gua no liquidificador de uso domstico para reduzir o tamanho das fibras, tendo em vista a no obstruo dos dutos e do atomizador; d) Colocou-se a mistura no estado monofsico no tanque de alimentao e acionou-se o impulsor axial para homogeneizao da suspenso; e) Aps acionamento dos dois aquecedores de ar, a temperatura da cmara foi ajustada para 140C antes de iniciar cada ensaio; f) Acionou-se a bomba peristltica e regulou-se o trocador de calor na temperatura de alimentao em 30C ou 40C, conforme os ensaios; g) Com a bomba peristltica acionada e a temperatura controlada, fixou-se a vazo de alimentao em 40 mL/min ou 60 mL/min, segundo os ensaios; 44

h) Aps acionar o motor e a vazo de alimentao controlada, regulou-se a rotao em 23.000 rpm ou 27.000 rpm, de acordo com os ensaios. Durante os ensaios foi verificada a rotao do atomizador atravs de um tacmetro digital para garantir o controle das rotaes; i) A partir do controle da rotao e das demais variveis, disparou-se o cronmetro digital com preciso milesimal para coletar o produto durante 15 minutos; j) O produto coletado foi depositado no recipiente de vidro e pesado na balana digital de preciso milesimal, sendo registrados os valores na planilha do experimento; k) As amostras foram colocadas na estufa com temperatura regulada para 70oC, sendo averiguadas as massas periodicamente, at que atingissem valor constante (bone dry); l) Ao atingir a massa constante, os valores das amostras foram registrados no quadro do experimento (vide Apndice); o clculo da umidade foi feito pela equao: U = [(massa mida - massa seca) / massa seca] x 100; m) A amostra obtida no ensaio em que se obtiveram as melhores condies de umidade e de massa foi analisada no microscpio para se conhecer o tamanho dos grnulos.

3.5.

Equaes para o clculo do dimetro da cmara A seguir esto apresentadas as equaes para o dimensionamento da

cmara de secagem da unidade piloto de spray dryer, conforme OI et al (2009). O clculo do volume da cmara de secagem dado pela equao 3.1:

V = Qc

(3.1)

Sendo: o tempo espacial e Qc a vazo volumtrica na cmara de secagem, definida pela equao 3.2:

45

Qc =

ar na temp de sada ar na temp de sada

(3.2)

Em que a massa especfica do ar na temperatura de sada e a vazo mssica do ar na temperatura de sada, que pode ser determinada pela equao 3.3:

ar na temp de sada = produto x

(3.3)

A varivel produto representa a vazo mssica do produto (quantidade desejada industrialment